СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ БЕЗ ПРИСТЕННЫХ КОЛОНН
METHOD OF INCREASING THE SEISMIC RESISTANCE OF LARGE-PANEL HOUSES WITHOUT WALL COLUMNS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сейсмоусилении существующих крупнопанельных жилых домов, возведенных в конструкциях серии 1-335с без пристенных колонн и имеющих дефицит сейсмостойкости.
Известен способ реконструкции существующих зданий с усилением конструкций по всему периметру в условиях городской застройки (Патент РФ №2274718, E04G 23/00, 2006). Конструкция усиления представляет собой металлический или железобетонный пространственный каркас, устроенный по всему периметру и на всю высоту здания с зазором относительно существующих наружных стен, имеющий жесткое соединение в узлах и установленный на собственный фундамент. Горизонтальные пояса жесткости из металлического профиля, служащие опорами для дополнительных перекрытий, укладываемых в зазор между каркасом и существующим зданием, через сквозные отверстия с помощью болтов прикрепляются к наружным стенам в уровнях перекрытий каждого этажа. Нагрузка от дополнительных перекрытий, устанавливаемых на 10-15 см выше перекрытий основного здания, передается на пояса жесткости, вызывая обжатие существующих стен.
К недостаткам этого технического решения относится значительная материалоемкость и трудоемкость работ при обстройке существующего здания, невозможность контролировать угол наклона дополнительных перекрытий при эксплуатационных нагрузках, шарнирное соединение в уровне перекрытий между основным зданием и вновь возводимой системой усиления, дополнительные материальные затраты, связанные с отселением жильцов на период производства работ.
Известным изобретением является способ усиления крупнопанельного здания, которое включает стойки стального каркаса, установленные на собственном фундаменте вдоль вертикальных стыков наружных панелей и соединенные между собой горизонтальными поясами жесткости, расположенными параллельно горизонтальным стыкам панелей. В поперечном направлении здания стальной каркас стянут цельными стальными тяжами, пропущенными по нижней поверхности плит перекрытий и пересекающий внутреннюю продольную железобетонную стену с последующим закреплением концов тяжей в горизонтальных поясах жесткости. По направлению тяжей имеются ограничители сжатия, состоящие из пакета арматурных стержней, размещенных в стальной обойме, и закрепленные на нижней поверхности плиты перекрытия с одновременной фиксацией в горизонтальном поясе жесткости и в продольной внутренней стене. Продольная внутренняя стена усилена с обеих сторон предварительно напряженными распорками, соединенными между собой в уровне перекрытий и с каркасом усиления торцевых панелей. Каркас, стальные тяжи, ограничители и распорки образуют единую конструкцию с наружными панелями, внутренней продольной стеной и плитами перекрытия (Патент РФ №2081274, МНК E04G 23/00, 1997).
К недостаткам этого способа сейсмоусиления можно отнести высокую металлоемкость, необходимость располагать высококвалифицированными кадрами, способными качественно выполнять работы по преднапряжению арматуры на стройплощадке, дополнительные материальные затраты, связанные с отселением жильцов на период усиления здания.
Известен также способ повышения сейсмостойкости существующих зданий (Патент РФ №2005155, Е04Н 9/02 2000) за счет возведения вдоль стен здания элементов усиления. С зазором относительно существующих стен, по контуру здания на всю высоту, начиная с обреза фундамента, устанавливают опалубку и возводят усиливающую стену, оставляя в ней вертикальные каналы для бетонирования контрфорсов. В поперечном и продольном направлениях сквозь существующее здание пропускают предварительно напряженные горизонтальные тяжи, концы которых анкеруют в каналах усиливающих элементов. На наружной поверхности стен пробивают вертикальные и горизонтальные пазы, которые при одновременном замоноличивании усиливающих стен, контрфорсов и дополнительного монолитного покрытия образуют железобетонные шпонки. В результате все конструкции оказываются жестко связанные между собой. Свободные концы предварительно напряженных горизонтальных тяжей наружных торцевых стен здания крепят к внутренней несущей продольной стене.
Недостатки данного способа аналогичны недостаткам предыдущего способа сейсмоусиления, к которым относится: высокая материалоемкость, сложность выполнения работ на стройплощадке; по существу точечные связи в виде монолитных шпонок соединяют старые ослабленные наружные стены с новыми элементами усиления, что не обеспечивает равнопрочности конструкций; большой объем мокрых процессов и дополнительные затраты на электропрогрев бетона в зимних условиях; увеличение сроков производства работ, связанных с технологическими перерывами, необходимыми для твердения бетона в швах; дополнительные материальные затраты по отселению жильцов на период сейсмоусиления здания.
Известен способ реконструкции существующих крупнопанельных жилых зданий путем демонтажа балконных конструкций, устройства сплошной пристройки к фасаду остекленных лоджий и надстройки от 4-х до 7 дополнительных этажей (Патент KZ №29984, E04G 23/00 2006.01). Надстраиваемая часть здания представляет собой монолитный железобетонный каркас, состоящий из колонн, которые одновременно являются и боковыми стенками пристраиваемых лоджий по фасадам существующего крупнопанельного здания, монолитных ребристых перекрытий и покрытия, а стеновым заполнением может служить кладка из штучных материалов или монолит из легкого бетона. При этом нагрузки от дополнительно надстроенных этажей передаются на боковые стены вновь устроенных лоджий, которые непосредственно опираются на отдельно устроенные буронабивные свайные фундаменты.
Основным недостатком этого способа сейсмоусиления является несоответствие реконструируемого таким способом здания ни одному из перечисленных в табл. 7 СП-14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» конструктивных типов зданий. Следовательно, для реконструкции каждого жилого дома требуется составление специальных технических условий (СТУ), либо возможность применения данного способа усиления ограничится несейсмическими районами.
Известным способом сейсмоусиления существующих крупнопанельных зданий с неполным каркасом является конструктивное решение с устройством предварительно напряженных пристенных колонн, позволяющих разгрузить несущие наружные стены из газозолобетона, имеющие значительный физический износ и степень повреждения, пристройкой лифтовых шахт и эркеров за пределами контура существующего здания и надстройкой мансардных этажей (А.В. Петров, А.Г. Петунии, «Строительный вестник Байкальского региона» №2 (13), 2013, с. 24-28). При реконструкции производится удаление отслоившейся части наружного слоя газозолобетонной стеновой панели с последующим ее восстановлением методом торкретирования по вновь установленной арматурной сетке и одновременное устройство монолитных эркеров по контуру здания, а в зданиях с неполным каркасом дополнительное устройство внутренних диафрагм жесткости в уровне каждого этажа. Для 5-этажных зданий мансардная надстройка составляет один этаж, для 4-этажных - два этажа.
К недостаткам данного способа сейсмоусиления относится: большой объем мокрых процессов и сложность их производства в осеннее - зимний период в условиях стройплощадки; сложность работ, связанных с преднапряжением арматуры в существующем доме, дополнительное ослабление наружных газозолобетонных стеновых панелей при переустройстве оконных в дверные проемы для эркера, дополнительные материальные затраты по отселению жильцов на период сейсмоусиления здания.
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению, поэтому оно является для него прототипом.
Задачей данного изобретения является разработка способа повышения сейсмостойкости существующих крупнопанельных жилых домов без пристенных колонн, позволяющего сохранять пространственную устойчивость здания при снижении несущей способности как отдельных конструктивных элементов, так и здания в целом вследствие физического и сейсмического износа, которым здание подвергалось в течение нескольких десятилетий эксплуатации, не прибегая при этом к отселению жителей при проведении работ по сейсмоусилению здания.
Техническим результатом изобретения является:
- снижение сейсмического риска существующего жилищного фонда серии 1-335с до приемлемого уровня.
-5
Технический результат обеспечивается тем, что по осям наружного контура здания устраивается система встроенных в наружные стены металлических стоек из равнобоких уголков, которые объединяются с помощью горизонтальных металлических обвязок в пространственную каркасную систему и опираются на существующий фундамент жилого дома. По осям, в уровне перекрытий каждого этажа, устраивается специальный конструктивный металлический элемент, имеющий крепление с одной стороны к торцу железобетонного прогона с помощью болтов системы HILTI, а с другой к элементам внешнего каркаса, который служит, по существу, продолжением прогона. Таким образом, основная часть вертикальной нагрузки, воспринимавшаяся ранее ослабленными наружными стенами из газозолобетона, передается на металлические стойки внешнего каркаса. Вертикальные нагрузки от междуэтажных перекрытий воспринимаются несущими поперечными прогонами с последующей передачей нагрузок на дополнительно установленные металлические стойки внешнего каркаса и на существующие железобетонные колонны внутреннего каркаса здания. Внутренний неполный каркас с железобетонными колоннами по средней оси, будучи дополненным внешним каркасом с металлическими стойками, образует полный каркас, способный воспринимать все вертикальные нагрузки без участия наружных стеновых панелей. Горизонтальные сейсмические нагрузки в поперечном направлении воспринимаются наружными торцевыми стенами из газозолобетона, внутренними межсекционными стенами из тяжелого бетона и вентиляционными панелями из тяжелого бетона, установленными по границам лестничных клеток. В продольном направлении горизонтальные сейсмические нагрузки воспринимаются внешним металлическим каркасом, при этом наружные стены из газозолобетона принимают участие в работе здания в продольном направлении. В целом предложенная система образует замкнутый наружный металлический каркас с жесткими рамными узлами, обеспечивающий повышение сейсмостойкости жилого дома, уровень сейсмоусиления которого назначается на основании расчетов сейсмического риска с учетом остаточного срока его эксплуатации. При этом приемлемый уровень сейсмического риска принимается не выше 5⋅10 (1/год), т.е. пять пострадавших в результате землетрясения на 100 тысяч человек в течение года.
Наличие новых отличительных признаков по сравнению с прототипом обуславливает соответствие заявленного технического решения критерию «новизна».
Предложенная совокупность существенных признаков обладает «изобретательским уровнем», т.к. позволяет обеспечить новый технический результат, неизвестный из существующего уровня техники в данной области на дату подачи настоящей заявки.
Изобретение поясняется представленными чертежами.
Фиг. 1 - монтажный план типового этажа жилого дома серии 1-335с, усиленный элементами внешнего каркаса;
Фиг. 2 - схема мест установки внешнего каркаса - металлических стоек и горизонтальных обвязок на фасаде здания;
Фиг. 3 - узел опирания железобетонного прогона на наружные стеновые панели из газозолобетона (вид снаружи), разработанный по типовому проекту;
Фиг. 4 - специальный конструктивный узел;
Фиг. 5 - узел соединения внешнего каркаса с железобетонным прогоном (вид снаружи);
Фиг. 6 - узел соединения прогона с внешним каркасом (вид изнутри здания);
Фиг. 7 - металлическая стойка внешнего каркаса;
Фиг. 8 - вид А-А на фиг. 7. Горизонтальное сечение конструкции металлической стойки;
Фиг. 9 - горизонтальный элемент металлической обвязки внешнего каркаса;
Фиг. 10 - соединение внешнего каркаса с элементами сейсмоусиления. Фрагмент фасада.
Фиг. 11 - схема испытаний специального конструктивного узла статической нагрузкой.
Конструктивное решение на фиг. 1 и фиг. 2, повышающее сейсмостойкость существующих жилых домов серии 1-335с, достигается за счет устройства в наружных стенах 1 по осям здания внешнего пространственного каркаса из металлического профиля, состоящего из стоек 2 и элементов горизонтальной обвязки 3, а также специального конструктивного металлического узла 4, являющегося искусственно созданным продолжением железобетонного прогона 5, жестко связанного как с вновь возведенным несущим каркасом, так и с поперечными прогонами 5 внутри здания и передающим основную часть вертикальной нагрузки с железобетонного прогона 5 на металлические стойки внешнего каркаса 2.
На фиг. 1 представлен монтажный план типового этажа жилого дома серии 1-335с, усиленный элементами внешнего каркаса. К первоначальной конструктивной схеме здания с неполным внутренним каркасом, состоящего из железобетонных колонн 6 сечением 300×400 мм, расставленных по средней оси здания, и поперечных железобетонных прогонов 5 сечением 200×350 мм, опирающихся на колонны 6 и несущие наружные стены из газозолобетона 1, добавлено усиление в виде внешнего каркаса, состоящее из металлических стоек 2, горизонтальных обвязок 3 (на фиг. 1 не показаны) и специальных конструктивных узлов 4. В местах отсутствия колонн 6 опорами для плит перекрытий служат железобетонные дымовентиляционные панели 7, являющиеся стенами лестничной клетки, межсекционные стены либо торцевые и продольные наружные стены из газозолобетона 1, имеющие связь с элементами внешнего каркаса.
На фиг. 2 изображена схема мест установки внешнего каркаса - металлических стоек 2 и горизонтальных обвязок 3 на примере фасада 3-этажного жилого дома. Металлические стойки 2, изготовленные из равнобоких уголков 8 сечением 100×100×10 мм, встроены в наружные стены 1, а элементы горизонтальной металлической обвязки 3 из неравнобоких уголков 9 сечением 80×125×8 мм, объединяют стойки в единую пространственную систему внешнего каркаса. Дополнительная пространственная неизменяемость системы сейсмоусиления обеспечивается за счет крепления вертикальных 2 и горизонтальных 3 элементов каркаса к наружным стеновым панелям 1 с помощью металлических закладных деталей 10, приваренных с определенным шагом к элементам внешнего каркаса.
На фиг. 3 показан проектный не усиленный узел опирания железобетонного прогона 5 на наружные стеновые панели из газозолобетона 1. Конструктивно наружные стеновые панели 1 имеют гнезда глубиной 250 мм, в которые при монтаже здания устанавливается железобетонный прогон 5, с последующей сваркой закладных деталей. Заделка шва между стеновыми панелями 1 условно не показана.
На фиг. 4 - изображен специальный конструктивный узел 4, состоящий из вертикально расположенной металлической пластины 11 сечением 200×350×10 мм и перпендикулярно приваренного к ней ребра жесткости 12 в виде вертикальной пластины размером 155×510 мм толщиной 10 мм, который, в свою очередь, с наружной стороны соединяется со стойками внешнего каркаса 2 с помощью сварки. Кроме того, вертикально расположенная пластина 11 имеет крепление к торцу железобетонного прогона 5 с помощью шести болтов системы «HILTI» 13 и к горизонтальной металлической пластине 14 размером 100×125×10 мм служащей дополнительным связующим элементом при установке верхней металлической стойки каркаса 2 следующего этажа.
На фиг. 5 показан узел соединения внешнего каркаса с железобетонным прогоном 5 (вид снаружи здания), а на фиг. 6 тот же узел представлен изнутри здания. На обеих фигурах даны в сборе все конструктивные элементы, расположенные в зоне узла соединения 4 в уровне перекрытия: железобетонный прогон 5, жестко связанный болтами системы «HILTI» 13 с вертикальной металлической пластиной 11 и с перпендикулярно приваренным к ней ребром жесткости 12, который, в свою очередь, соединен со стойкой 2 и горизонтальной обвязкой 3 внешнего металлического каркаса. Кроме того, на фиг. 6 показано проектное положение опорной металлической пластины 14 при установке металлической стойки 2 верхнего этажа.
На фиг. 7 изображена металлическая стойка 2 внешнего каркаса длиной 2690 мм, выполненная из двух равнобоких уголков 8, объединенных между собой на сварке с помощью накладных элементов 15 сечением 100×100×6 мм. По обеим сторонам стойки каркаса 2, выступающей на поверхности наружной стены 1, на расстоянии 1500 мм друг от друга приварены металлические закладные детали 10, служащие для фиксации вертикального положения стойки 2 и ее связи с панелями наружной стены из газозолобетона 1.
Фиг. 8 является пояснением к фиг. 7, на которой вид А-А отображает горизонтальное сечение конструкции металлической стойки 2, состоящей из двух равнобоких уголков 8 сечением 100×100×10 мм, соединенных между собой с помощью накладного металлического элемента 15 сечением 100×100×6 мм.
На фиг. 9 изображен горизонтальный элемент металлической обвязки 3 внешнего каркаса, который имеет конструктивное решение, аналогичное металлической стойке 2 на фиг. 7. Элемент обвязки состоит из двух прокатных уголков 9 сечением 80×125×8 мм, объединенных между собой на сварке с помощью накладного элемента 15. Также по обеим сторонам обвязки 3, выступающей на поверхности наружной стены 1, на расстоянии 1500 мм друг от друга приварены металлические закладные детали 10 для обеспечения ее горизонтального положения и связи с панелями наружной стены из газозолобетона 1.
На фиг. 10 изображен фрагмент фасада в аксонометрии, где представлено конструктивное решение сейсмоусиления жилых домов. Внешний каркас из металлического профиля, состоящий из стоек 2 и обвязок 3, встроенный в наружные стены 1 по всем осям здания, имеет жесткое соединение с внутренними поперечными железобетонными прогонами 5 через специальный конструктивный металлический элемент 4, передающий основную часть вертикальной нагрузки с железобетонных прогонов 5 на металлические стойки внешнего каркаса 2.
На фиг. 11 представлена схема испытаний специального конструктивного узла 4 на контрольную статическую нагрузку. Основным силовым элементом испытательного стенда служит металлическая траверса 16, изготовленная из двух швеллеров №30 и закрепленная к силовому полу 17 с помощью 4-х тяг 18 из арматурной стали ∅25 мм класса А400. С помощью траверсы 16 гидравлический домкрат 19 марки ДГ-50 создает вертикальную статическую нагрузку на железобетонный прогон 5 длиной 3000 мм, который, в свою очередь, через специальный конструктивный узел 4 передает ее на металлические стойки 2 внешнего каркаса. Контрольная статическая нагрузка на специальный конструктивный узел 4 должна быть не менее 140 кН, при котором усилие на домкрате 19 составит 280 кН. Изменяя уровень давления в гидравлической сети насосной станции можно оценить резервы несущей способности соединения «железобетонный прогон - специальный конструктивный узел - колонна внешнего каркаса».
Приведенная совокупность существенных признаков, характеризующих предлагаемое конструктивное решение, повышающее уровень сейсмостойкости существующих жилых домов серии 1-335с без пристенных колонн, в литературе не описана. Новизна решения заключается в том, что по всем осям здания в наружные стены встраивается внешний пространственный каркас из металлических профилей, который воспринимает через специальные конструктивные элементы, жестко соединенные с внутренними прогонами, вертикальную нагрузку, передающуюся с плит перекрытия на железобетонные прогоны. Внутренний неполный железобетонный каркас существующего здания, дополненный внешним пространственным металлическим каркасом, образует полный каркас жилого дома, способный воспринимать как вертикальные нагрузки без участия значительно ослабленных за счет физического износа наружных стеновых панелей из газозолобетона, так и горизонтальные сейсмические нагрузки в продольном направлении.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Основополагающими принципами сейсмоусиления являются:
- Выполнение всех ремонтно-восстановительных работ только с наружного контура жилого дома без вторжения технологического процесса во внутренние жилые помещения.
- Проведение работ по сейсмоусилению по принципу «сухого строительства», то есть на болтах, без применения мокрых процессов, за исключением ремонта стеновых панелей в местах отслоения наружного отделочного слоя.
Строгое соблюдение требований Федерального закона об энергоэффективности строительных объектов 261-ФЗ.
Описание технологии повышения сейсмостойкости крупнопанельных жилых домов серии 1-335с без пристенных колонн
1. Вначале выполняются ремонтные работы, связанные с удалением механическим способом отслоившегося наружного слоя газозолобетона толщиной до 130 мм и наружной арматурной сетки, подвергшейся коррозии, из торцевых наружных стеновых панелей. Затем по выровненной с помощью цементно-песчаного раствора наружной поверхности наклеивается несколько слоев стеклоткани, выполняющей роль внешнего армирования в дополнение к арматурной сетке, расположенной ближе к внутренней поверхности стеновой панели и не затронутой коррозией, что подтверждено результатом массового обследования наружных стен.
2. Устранение накопленных дефектов на поврежденных участках наружных стен по продольным фасадам дома, как правило, в зоне перемычек и подоконных поясов, выполняется методом «аппликаций», которые в последующем защищаются от внешнего воздействия с помощью устройства навесных фасадов СНВФ.
3. Далее в результате расчистки вертикальных швов между наружными стеновыми панелями на всю высоту этажа образуются пазухи прямоугольного сечения шириной 40 мм и глубиной 100 мм. В зонах пересечения вертикальных и горизонтальных швов, в месте установки прогона, с помощью дискового инструмента производится срезка наружного слоя стеновых панелей на глубину 140 мм для оголения торца прогона.
4. С помощью 6 болтов ∅16 мм системы «HILTI» к торцу железобетонного прогона производится крепление металлической пластины сечением 200×350×10 мм - элемента специального конструктивного узла.
5. Затем в пазухи между наружными стеновыми панелями устанавливаются стойки 1-го этажа внешнего каркаса, состоящие из двух стальных уголков сечением 100×100×10 мм, соединенные между собой с зазором 12 мм, с помощью накладных металлических пластин; в верхней части стойки имеют 2 пластины сечением 100×125×10 мм для устройства стыка металлической стойки каркаса верхнего этажа.
6. В верхней части на стойки внешнего каркаса устраиваются ребра жесткости в виде вертикальной пластины размером 500×155 мм толщиной 10 мм и крепятся с помощью болтов к пластине специального конструктивного узла на торце прогона и к уголкам металлической стойки каркаса.
7. Установка внешней металлической стойки каркаса верхних этажей высотой 2690 мм производится аналогично монтажу стойки 1-го этажа, при этом верхняя часть ребра жесткости нижнего яруса пропускается между уголками верхней металлической стойки. Соединение опорной пластина нижней стойки внешнего каркаса с аналогичной деталью верхней стойки внешнего каркаса производится на болтах.
8. Соединение металлических стоек внешнего каркаса в единую пространственную конструкцию предусмотрено за счет горизонтальных металлических обвязок, состоящих из двух прокатных уголков сечением 80×125×8 мм, объединенных накладными элементами на сварке, и устроенных в уровне горизонтальных швов. Указанная система представляет собой внешний металлический каркас с жесткими рамными узлами - «бандаж» для жилого дома, который обеспечивает передачу основной части вертикальной нагрузки с наружных стеновых панелей на колонны внешнего каркаса и является конструктивной реализацией принципа сейсмиусиления жилого дома.
9. Выполнение требований закона 261-ФЗ об энергоэффективности строительных объектов осуществляется за счет установки одной из систем навесных вентилируемых фасадов СНВФ на наружные ограждающие конструкции - стеновые панели из газозолобетона.