СПОСОБ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ
METHOD OF COLUMN REINFORCEMENT

Изобретение относится к строительству, а именно к усилениям строительных конструкций, и может быть использовано для усиления колонны и стыков железобетонных колонн в процессе эксплуатации и возведения, например, каркасных зданий.
Известен способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность, по патенту РФ на изобретение №2274719. Способ реализуется путем обработки поверхности колонны насечкой и увлажнением поверхности, устройством обойм и наращиванием поперечного сечения с уменьшением эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы. Стальную трубу деформируют. Обжимают ее сечение с двух сторон валками, превращая цилиндрическое сечение в овальное с отношением большей оси к меньшей, равным трем, и разрезают трубу вдоль. Заключают поврежденную железобетонную колонну внутрь стальной обоймы, ориентируя ее большую ось сечения в плоскости эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы, и уменьшают эксцентриситет. Герметично соединяют две половинки овального сечения в единое целое и плотно заполняют полости между стальной обоймой и поврежденной железобетонной колонной расширяющимся мелкозернистым бетоном, нагнетая его через патрубки в полости снизу вверх, уплотняют бетон вибрированием и при схватывании бетона напрягают сечение, обжимая его со всех сторон стальной опалубкой, и этим усиляют всю конструкцию.
Однако данный способ является трудоемким и материалоемким, кроме того, следствием усиления является увеличение постоянной нагрузки на конструкцию, на которую происходит опирание элементов усиления.
Также известен элемент усиления колонны по патенту на полезную модель №81234, который реализован обеспечением совместной работы железобетонного перекрытия с усиливаемым элементом. Обеспечение производится с помощью арматурного каркаса обоймы, который устанавливается в заранее просверленные отверстия в перекрытии. Затем устанавливают U-образную съемную металлическую обойму, с помощью фланцев стягивают между собой болтами и заполняют мелкозернистым расширяющимся бетоном.
Данный вариант способа усиления является трудоемким и материалоемким и увеличивает постоянную нагрузку на конструкцию, на которую происходит опирание элементов усиления.
Наиболее близким способом, принятым за прототип, является способ установки узла усиления по патенту РФ на изобретение №2282701. Способ установки узла усиления представляет собой накладную сборную, например, из уголков и планок стальную обойму, устанавливаемую на колонну, заключающийся в размещении обоймы на постели из бетона или раствора, создании требуемого зазора между поверхностями соприкосновения и последующего обжима обоймой зоны усиления стяжкой уголков и планок путем приварки их друг к другу. Перед сборкой внутреннюю поверхность уголков предварительно грунтуют установочным раствором, затем на грунтовку наносят покровный раствор постели, помещают уголки на обработанные этим раствором угловые поверхности колонны, производят их обжим домкратом до плотного прилегания внутренних поверхностей уголков через раствор к колонне, выбирая зазор, выдерживают в обжатом - поддомкраченном - состоянии в течение 4-5 дней. Затем в зазорах между боковыми торцами уголков размещают пластины из негорючего материала, на них накладывают планки обоймы, после чего осуществляют в два этапа приварку планок к уголкам. На первом этапе приваривают две пары сторон планок в холодном состоянии, расположенных по одной из диагоналей колонны. Затем планки разогревают до температуры 400-450°C и на втором этапе приваривают две другие пары сторон планок, расположенных по другой диагонали колонны. При данном способе усиления планки прилегают не плотно к бетону, тем самым поверхность обоймы имеет не сплошную, а составленную из планок форму, что дает зону для выпора бетона при его разрушении под действием продольных нагрузок. Данный способ усиления требует определенной зоны усиления колонны по высоте, которая характеризуется величиной планок и их шагом, что приводит к неудобству в работе в стесненных условиях и перерасходу материалов усиления. Повышение несущей способности известным способом выполняется за счет уголков и планок, термически обработанных для создания преднапряжения, что влечет за собой дополнительные затраты на энергию.
Задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить время выполнения усиления, а также повысить надежность и экономичность усиления.
Технический результат заключается в повышении несущей способности и предотвращении разрушения колонны и стыков железобетонных колонн при действии на колонну продольных нагрузок путем усиления колонны и стыков железобетонных колонн с минимальными экономическими и временными затратами, которые могут быть достигнуты путем оптимального размещения элементов усиления.
Технический результат достигнут следующим образом. Заявляемый способ усиления имеет общее с прототипом то, что способ усиления колонны происходит с помощью сборной стальной обоймы, элементы которой плотно накладывают на колонну и сваривают между собой. Но в отличие от прототипа в заявляемом способе усиления в качестве элементов обоймы используют П-образные стержни, которые располагают непосредственно на теле колонны парами. При этом в каждой паре концы П-образных стержней направляют навстречу друг другу. Затем с помощью прижимных устройств, например струбцин, пары плотно фиксируют на колонне, а наложенные друг на друга концы П-образных стержней сваривают между собой. Пары размещают на колонне с шагом S, который определяют по формуле:
,
sy
где R - расчетное сопротивление П-образных стержней;
sy
A - площадь поперечного сечения П-образных стержней;
α - сторона поперечного сечения колонны;
0
e - эксцентриситет приложения продольной силы;
φ - коэффициент эффективности косвенного армирования;
η - коэффициент прогиба колонны при приложении продольной силы;
ΔN - необходимая величина повышения несущей способности.
Между парами на высоту шага устанавливают стержни, концы которых приваривают к парам.
При определении расчетного сопротивления П-образных стержней как элементов усиления, коэффициента эффективности косвенного армирования, коэффициента прогиба колонны при приложении продольной силы используются действующие строительные нормы, например пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84) / ЦНИИпромзданий Госстроя СССР, НИИЖБ Госстроя СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 192 с. [1].
Экономичность заявляемого способа, в сравнении с прототипом, заключается в минимизации элементов усиления и снижении стоимости обоймы, которое достигается применением менее дорогостоящего материала для усиления и исключение энергии, тратящейся на прогрев планок усиления в прототипе. Кроме этого, при помощи данного способа появляется возможность восстановить косвенное армирование в уровне стыка колонн или восстановить отсутствующие хомуты по телу колонны, которые препятствует потери устойчивости стержней колонны. Помимо этого заявляемый способ позволяет исключить из технологии усиления установочный раствор. К тому же авторами предложенного способа усиления впервые были получены зависимости между необходимой величиной повышения несущей способности, диаметром и шагом П-образных стержней. При выведении формулы брались во внимание условия, которые учитываются для спирального армирования согласно п.3.57…п.3.60 [1].
В ходе проведения авторами экспериментальных исследований была подтверждена надежность усиления П-образными стержнями, расположенными с шагом, определенным по предложенной формуле. Были проведены испытания колонн и стыков колонн (частный случай колонн) без усиления и усиленных металлическими обоймами в виде уголков и планок (по прототипу), а также в виде усиления из П-образных стержней. Проведенные испытания позволили определить разрушающую нагрузку и характер разрушения образцов. Во всех случаях разрушение образцов происходило при большей нагрузке однотипных образцов колонны. Ниже приведены некоторые результаты испытаний:
- для стыка без усиления - разрушение образца сопровождалось раздроблением тела колонны в уровне стыка при нагрузке 6000 кН (612,2 т);
- для стыка, усиленного уголками и планками (по прототипу) - разрушение образца сопровождалось раздроблением тела колонны в зоне стыка при нагрузке 8500 кН (867,3 т);
- для стыка, усиленного П-образными стержнями диаметром 20 мм, установленными с шагом 70 мм, разрушение образца сопровождалось раздроблением тела колонны в зоне стыка при нагрузке 9180 кН (935,7 т).
Как видно из приведенного примера надежность усиления заявляемым способом выше, чем у прототипа.
В известных источниках информации не выявлен способ усиления колонны, характеризующийся той же совокупностью существенных признаков, что и заявляемый способ. Это подтверждает его новизну. Не известно также способов, согласно которым усиление колонн производят парами сваренных П-образных стержней, установленных непосредственно на теле колонны и с шагом, зависящим от их диаметра и необходимой величины повышения несущей способности. Следовательно, заявляемый способ явным образом не следует из условия техники и соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение пояснено чертежами.
На фиг.1 показана колонна, усиленная предложенным способом.
На фиг.2 - разрез по A-A на фиг.1.
На фиг.3 - элемент усиления предложенного способа.
На фиг.4 показано проведение испытания стыка колонны без усиления (фотография).
На фиг.5 показано проведение испытания стыка колонны, усиленного металлической обоймой в виде планок и уголков (фотография).
На фиг.6 показано проведение испытания стыка колонны, усиленного П-образными стержнями диаметром 20 мм (фотография), согласно приведенному выше примеру.
Способ усиления колонны и стыков железобетонных колонн заключается в следующем: первоначально изготавливают из стержней П-образные элементы усиления 1, затем с помощью прижимных устройств, например струбцин, попарно плотно фиксируют на колонне 2, утратившей свою несущую способность. После фиксации при помощи сварки производят поочередный монтаж стержней. Расстояние (шаг) между элементами усиления, предварительно рассчитанное исходя из требуемой несущей способности и диаметра стержней, выдерживается за счет вертикальных стержней (коротышей) 3, соединенных сваркой с «кольцом» усиления, образованным двумя сваренными П-образными элементами усиления 1.