СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ОПОРНЫХ УЧАСТКОВ БАЛОК
METHOD TO REINFORCE SUPPORT SECTIONS OF BEAMS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для несущих балок, требующих усиления на опорных участках.
Усиливаемые балки могут быть изготовлены из различных материалов, при этом максимальный эффект от применения предлагаемого изобретения достигается для железобетонных, металлических и деревянных балок.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известный из уровня техники способ усиления опорных частей балок (Матвеев Е.П., Мешечек В.В. Технические решения по усилению и теплозащите конструкций жилых и общественных зданий. М: Издатцентр «Старая Басманная», 1998. - 209 с.: ил. С.96). Данный способ заключается в наклейке на поврежденные опорные части балки листового металла.
Недостатками указанного способа являются: невозможность нагнетания специального раствора для устранения дефектов (повреждений) балки под наклеенный листовой металл, т.к. способ предполагает плотное прилегание листового металла к балке по всей площади; незначительное повышение крутящей жесткости балки; относительно малое повышение устойчивости на опрокидывание и устойчивости формы на опорных участках (для балок (прежде всего металлических), у которых возможна такая потеря устойчивости).
Технический результат от использования предлагаемого способа усиления заключается в повышении несущей способности, надежности и долговечности балки.
Представленный технический результат направлен на решение задачи повышения прочности, устойчивости и срока эксплуатации балки за счет устранения дефектов и усиления опорных участков в случае проведения ремонтных или реконструктивных работ. Учитывая то обстоятельство, что существенная часть жилищного фонда Российской Федерации нуждается в ремонте и реконструкции несущих элементов, данная задача представляется актуальной.
Указанный технический результат достигается тем, что к опорным участкам балки крепят традиционно- или переменно-гофрированные металлические листы с поперечным или наклонным расположением гофров. Во все или только в некоторые полости, образованные между гофрированными листами и балкой, нагнетают дефектоустраняющий раствор. Дефектоустраняющий раствор предотвращает или замедляет коррозию или гниение элементов, обеспечивает монолитность сечения и может обладать, в ряде случаев, несущей способностью.
Объемом изобретения предусмотрен вариант предлагаемого способа, в котором нагнетание дефектоустраняющего раствора в образованные между гофрированными усиливающими листами и балкой полости не предусмотрено.
Крепление усиливающих гофрированных листов к балке осуществляют, как правило, с двух сторон относительно поперечного сечения балки (лицевая и тыльная сторона балки). Возможен вариант предлагаемого способа, в котором балку усиливают с одной стороны (например, с лицевой) гофрированным листом, а с другой - усиление или отсутствует, или выполнено в виде плоского металлического листа.
При использовании усиливающих листов с наклонным гофрированием предполагаемый оптимальный угол между гофром и верхним поясом балки составляет 45° с допустимым диапазоном варьирования ±10°.
Переменное гофрирование металлических листов предполагает наличие гофров с изменяемыми высотой, и/или шагом, и/или профилем. Отдельно взятый гофр по своей длине может быть постоянного или переменного (т.е. клиновидного или в форме половины усеченного конуса) сечения. Гофр может выходить на оба края металлического листа, только на один край или вообще не выходить на края - выштампованный «глухой» гофр. Гофры могут быль односторонние или двусторонние относительно срединной плоскости листового элемента. При применении листов с «глухими» гофрами или гофрами, выходящими только на один край, предпочтительно использовать одностороннее гофрирование, что обеспечивает непрерывное примыкание по крайней мере одного края усиливающего листа к балке.
Традиционное гофрирование предполагает постоянство параметров гофров в рамках конкретного усиливающего металлического листа.
Эффективность применения металлических гофрированных листов в качестве элементов усиления обосновывается особенностями их работы, которая заключается в следующем: при условии надежного примыкания усиливающих гофрированных элементов к балке, они воспринимают существенную часть поперечных сил, достигающих наибольшей интенсивности на приопорных участках балки (для подавляющего большинства загружений), значительно повышают крутильную жесткость сечения, увеличивают устойчивость формы и положения балки. При этом переменно-гофрированные элементы в наибольшей степени соответствуют распределению интенсивностей поперечных сил и изгибающих моментов (для типичных схем загружения), позволяя оптимально распределить материал элементов усиления балки.
Условие надежного примыкания усиливающих элементов к балке является обязательным для обеспечения их совместной работы.
Надежное примыкание гофрированных элементов к балке осуществляют с помощью анкеров ищи сквозных стяжных болтов, установленных в просверленных в балке отверстиях, а также с помощью поперечных или наклонных (в зависимости от вида гофрирования) обойм, хомутов или бандажей (в т.ч. преднапряженных).
Шаг и места расположения анкеров, стяжных болтов, хомутов, обойм и бандажей устанавливают из расчета совместной работы усиливающих элементов и балки. При этом по высоте балки устанавливают не менее двух анкеров или стяжных болтов соответственно у нижнего и верхнего поясов. Шаг анкеров и стяжных болтов согласовывают с шагом гофров, и в большинстве случаев он не должен превышать 150 мм. Возможен переменный шаг в соответствии с изменением интенсивности срезающих усилий, которые в большинстве случаев достигают своего максимума у опор балки.
В качестве анкеров могут применяться арматурные стержни из стали периодического профиля. Рекомендуемый диаметр стержней 8-16 мм, длина стержней 100-200 мм. Стержни в местах крепления к гофрированным листам имеют местное утолщение, например гайку, и соединяются с усиливающими листами с помощью сварки.
Анкера закрепляют в балке с помощью конструкционного полимерраствора или клеевого соединения.
Для металлических и тонкостенных деревянных балок возможно использование заклепок и болтов.
Критерием выбора профиля гофров элементов усиления может служить степень поврежденности усиливаемых участков балки:
при наличии существенного количества дефектов или повреждений конструкции (например, развитых наклонных трещин железобетонных балок) наиболее эффективным может быть волнистый профиль, т.к. осуществляется минимальный контакт (в вершинах гофров) элемента усиления и балки и, соответственно, большая поверхность соприкосновения нагнетаемого дефектоустраняющего раствора;
в случае незначительного количества повреждений эффективным может быть применение трапецеидального профиля, в частности, возможно применение профилированного металлического листа (профнастила).
Гофры усиливающих металлических листов могут содержать на гранях выштампованные ребра (дополнительные гофры), повышающие «местную» устойчивость элемента.
Дефектоустраняющий раствор нагнетают через просверленные в гофрированных листах отверстия (как правило, не менее одного отверстия на гофр), через естественные отверстия между гофрированным листом и балкой (для элементов, чьи гофры выходят как минимум на одну грань), а также через отверстия в элементах верхнего пояса (в т.ч. усиливающего) балки.
Состав и тип дефектоустраняющего раствора определяют по конкретным условиям усиления. В качестве такого раствора может выступать цементно-песчаная смесь, известные из области ремонтных работ составы на основе смол (эпоксидных, полиэфирных и др.), полимеров и т.д.
В случае применения в качестве дефектоустраняющего раствора цементно-песчаной смеси, образованная слоистая конструкция (металлический гофрированный лист, затвердевший объем цементно-песчаной смеси и сечение усиливаемой балки) работает как единое сечение, т.е. затвердевший объем цементно-песчаной смеси воспринимает часть усилий, увеличивает устойчивость гофрированного листа. По этой причине эффективным является применение смеси на основе безусадочного или расширяющегося цемента, что позволяет снизить дефекты от усадочных деформаций и снижает объем пустот.
Предлагаемый способ усиления опорных участков балок допускает возможность применения в качестве дополнительных усиливающих элементов наклонных иди поперечных хомутов, арматурных наклеенных стержней, стяжных обойм, бандажей. Дополнительные усиливающие элементы могут располагаться как между балкой и гофрированными усиливающими листами (листом) - внутренние дополнительные усиливающие элементы, так и поверх гофрированных листов (листа) - наружные дополнительные усиливающие элементы.
Шаг и площадь поперечного сечения дополнительных усиливающих элементов определяют расчетом и конструктивными особенностями - согласованием с направлением, шагом и высотой гофров усиливающих листов.
В торцах балки для лучшего прилегания усиливающих листов и минимизации протечек дефектоустраняющего раствора возможно использование торцевых элементов в виде вертикально установленных уголков из прокатной стали, которые крепят одной полкой к листу, а другой - к торцу усиливаемой балки. Крепление осуществляют с помощью сварки, и/или анкеров, и/или клеевого соединения.
Толщину металлических гофрированных листов, а также физико-механические характеристики металла, из которого они изготовлены, определяют расчетом прочности по перерезывающей силе с учетом кратности толщин металлопроката и технологических особенностей оборудования для организации гофров. Шаг и высоту гофров определяют расчетом их устойчивости («местной» и «общей» устойчивости гофрированного элемента) по известным из литературы по проектированию металлоконструкций формулам с учетом совместной работы гофров с балкой. При определении воспринимаемых гофрированными элементами, а также дефектоустраняющим раствором, обладающим несущей способностью (как в случае цементно-песчаной смеси), усилий важнейшим является принцип распределения усилий в соответствии с погонными жесткостями элементов. Т.е. элемент с сравнительно большей жесткостью в рассматриваемом сечении воспринимает большую долю действующих в данном сечении усилий.
Протяженность усиливающих элементов, в т.ч. металлических гофрированных листов, устанавливают из условий загружения балки и размера ее поврежденных участков. В случае загружения балки распределенной нагрузкой наиболее целесообразно применение усиливающих элементов на ¼ пролета, считая от опор. В случае загружения балки сосредоточенными нагрузками - протяженность усиливающих элементов должна составлять не менее расстояния от опоры до ближайшей к ней сосредоточенной нагрузки. В любом случае протяженность усиливающих элементов согласовывают с конструктивными условиями и результатами расчетов прочности, а в случае необходимости - устойчивости и трещиностойкости.
Усиливающие элементы поясов, выполненные, как правило, из листового металла, соединяют с балкой, например, по нагельной схеме с помощью анкеров или стяжных болтов. Шаг, количество и тип таких соединений определяют расчетами на смятие и срез, а также конструктивными требованиями конкретных условий применения и эксплуатации, при этом учитывают, что урезающие усилия в разрезных шарнирных балках достигают наибольшей интенсивности у опор.
Если к усиливаемой балке сверху или снизу примыкает железобетонное перекрытие, то усиливающие элементы пояса (соответственно верхнего или нижнего) возможно крепить к перекрытию в непосредственной близости от балки (фиг.7).
Предлагаемый способ применим для балок с прямолинейной, криволинейной и ломаной в плане осью. Форма поперечного сечения балок может быть прямоугольной, тавровой, двутавровой. Криволинейная форма поперечных сечений усиливаемых балок вызывает существенные трудности при изготовлении соответствующих гофрированных листов и поэтому рассматривается как нежелательная. Очертание усиливаемых балок может быть различным: прямоугольное, трапецеидальное, полигональное, сегментное и др. Наиболее технологично усиление по предлагаемому способу балок с прямоугольным очертанием.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - усиленная на опорных участках балка. Усиление выполнено с помощью гофрированных листов, хомутов и поясных элементов;
на фиг.2 - поперечное сечение усиленного участка балки на фиг.1 по поперечному хомуту;
на фиг.3 - продольное сечение балки на фиг.1 (для наглядности изображена одна из двух симметричных половин балки);
на фиг.4 - усиленная на опорных участках балка. Усиление выполнено с помощью листов с «глухими» (выштампованными) гофрами;
на фиг.5 - поперечное сечение усиленного участка балки на фиг.4;
на фиг.6 - балка двутаврового поперечного сечения, усиленная на опорных участках переменно-гофрированными листами;
на фиг.7 - фрагмент балочного монолитного железобетонного перекрытия с усиленной на опорных участках балкой (для наглядности изображена одна из двух симметричных половин). Усиление выполнено с помощью переменно-гофрированных листов и поясных элементов;
на фиг.8 - вид сбоку на конструкцию на фиг.7.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:
- подготавливают поверхность усиливаемой балки 1 для производства ремонтно-восстановительных работ: механически очищают от продуктов коррозии и гниения, промывают водой под давлением;
- поверхность усиливаемого участка балки 1 обрабатывают адгезионным составом (грунтовки, праймеры);
- в случае необходимости проведения ремонтных работ на существующем участке усиливаемой балки 1 в ней сверлят в шахматном порядке несквозные отверстия (гнезда), устанавливают инъекционные патрубки и нагнетают ремонтный состав;
- монтируют (в случае необходимости их устройства) внутренние дополнительные усиливающие элементы 2. Предварительно в балке 1 возможно устройство соответствующих штраб;
- в балке 1 и в соответствующих участках усиливающих гофрированных листов 3 сверлят отверстия для анкеров 4 или сквозных стяжных болтов 5;
- с помощью анкеров 4 или сквозных стяжных болтов 5 к балке 1 крепят металлические гофрированные листы 3, предварительно покрытые антикоррозионным составом;
- устраивают усиливающие элементы 6 верхнего и нижнего поясов, а также торцевые элементы 7, если они предусмотрены проектом усиления;
- осуществляют крепление гофрированных листов 3 к элементам 6 поясов и торцевым элементам 7, например, с помощью электросварки;
- в полости между гофрированными листами 3 и балкой 1 нагнетают дефектоустраняющий раствор 8, например, через отверстия 9;
- в случае необходимости устраивают наружные дополнительные усиливающие элементы;
- после затвердения (набора проектной прочности, если это предусмотрено) дефектоустраняющего раствора 8 испытывают усиленную балку 1 на расчетную нагрузку.
Перечисленная очередность этапов осуществления изобретения может быть изменена, исходя из конкретных условий применения. Как вариант: сначала устраивают элементы 6 верхнего и нижнего поясов, затем устраивают внутренние дополнительные усиливающие элементы 2, а лишь после этого - усиливающие гофрированные листы 3 и торцевые элементы 7.
Особенности предлагаемого способа:
усиливающие гофрированные листы 3 помимо несущей функции выполняют роль несъемной опалубки для дефектоустраняющего раствора 8, который может обладать несущей способностью, работая в стесненных условиях и, тем самым, дополнительно усиливая балку 1;
вязкость дефектоустраняющего раствора 8 назначают с учетом удобства его нагнетания, особенностей усадки и твердения, набора требуемой прочности, проникновения в дефектные участки балки 1, минимизации возможных протечек через неплотности примыкания элементов. Перечисленные обстоятельства могут быть взаимопротиворечащими (как, например, вязкость из условия проникновения в дефектные участки и из условия минимизации протечек), поэтому оптимальные свойства раствора 8 (как компромиссное решение) назначают по конкретным условиям усиления и последующей эксплуатации балки 1 при учете известных из техники устранения дефектов и реконструктивных работ зависимостей;
остаточные сварочные усилия от приварки гофрированных листов 3 к усиливающим элементам поясов 6 компенсируются податливостью гофрированных листов 3 в направлении перпендикулярно гофрам и существенным образом не оказывают влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции;
температура усиливаемой балки 1 не должна быть ниже +5°С, т.к. при более низких температурах возможно появление дополнительных внутренних усилий, закрытие трещин, затрудненное проникновение в конструкцию дефектоустраняющего раствора 8. Температура балки 1 выше +40°С является нежелательной, т.к. помимо появления дополнительных внутренних усилий, нарушаются условия применения большинства известных из уровня техники дефектоустраняющих растворов 8 на основе смол.
Рекомендации по режимам загружения усиливаемой балки 1 при осуществлении предлагаемого способа:
- ремонтные работы, т.е. устранение дефектов инъецированием в предварительно просверленные в балке каналы ремонтного состава, рекомендуется производить при загруженной конструкции, т.к. трещины конструкции наиболее раскрыты. Усиливающие элементы (в т.ч. элементы 2, 3, 6, 7) рекомендуется монтировать при разгруженной балке 1, что обосновывается последующим их совместным деформированием и обжатием при приложении внешней нагрузки. Нагнетание дефектоустраняющего раствора 8 в полости, образованные гофрированными листами 3 и балкой 1, рекомендуется производить при загруженной конструкции, за исключением дефектоустраняющих растворов 8, обладающих после затвердевания несущей способностью;
- нагнетание дефектоустраняющего раствора 8 производят, как правило, под давлением не более 4 атм (0.4 МПа), при этом места возможного просачивания раствора 8 на наружные части конструкции могут быть обработаны уплотнительными составами для исключения протечек.
Результатом использования предлагаемого способа является усиленная на опорных участках балка 1, способная воспринимать большие, по сравнению с исходным состоянием, нагрузки, обладающая увеличенной крутящей жесткостью, более устойчивая, долговечная и защищенная от агрессивных воздействий преимущественно коррозионного характера.