СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ МНОГОПУСТОТНОЙ ПАНЕЛИ ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЯ
METHOD FOR REINFORCEMENT OF REINFORCED CONCRETE MULTICAVITY PANEL OF BUILDING FLOOR

Изобретение относится к области строительства и касается способа усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, поврежденной вследствие различных причин, в том числе пораженных огнем в условиях пожара или технологической аварии.
Во время непродолжительного (1-2 ч) огневого воздействия железобетонная многопустотная панель перекрытия здания нагреваются снизу. Максимальная температура нагрева (900±50)°С наблюдается на обогреваемой поверхности панели и на глубине от 10 до 20 мм. Бетон и арматура в сжатой зоне сечения панели прогреваются медленнее и незначительно. К термоповреждениям железобетонной многопустотной панели относят: хаотичное расположение поверхностных термоусадочных трещин, разрушение части сечения панели, прогретой выше критической температуры нагрева тяжелого бетона (600±50)°С, растрескивание бетона, отслоение защитного слоя бетона, изменение механических свойств отожженной арматуры и потеря преднапряжения в ней. Возможны и более тяжелые термосиловые повреждения железобетонной многопустотной панели: продольные и косые трещины шириной 3-10 мм в стенках, разделяющих пустотные каналы. Вследствие этого происходит существенное снижение прочности и жесткости железобетонной многопустотной панели перекрытия.
Предложенный способ усиления предназначен для рационального восстановления основных эксплуатационных характеристик (несущей способности, жесткости и огнестойкости) многопустотной панели перекрытия.
Известен способ для усиления поврежденной железобетонной панели перекрытия, в котором дополнительную арматуру в виде отдельных арматурных стержней или гнутых сеток нанизывают на стрежни существующей арматуры [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонной панели перекрытия, относится то, что дополнительную арматуру усиления выполняют дискретно в виде ряда натягиваемых арматурных элементов, которые располагают в плоскости существующей сетки снизу панели перекрытия. Следовательно, известный способ усиления нерационален для восстановления поврежденных железобетонных многопустотных панелей, неэкономичен и трудоемок.
Известен способ усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, в котором дополнительные арматурные изделия, выполненные в виде пары отдельных составных ненапрягаемых арматурных стержней, устанавливают в пустотные каналы панели перекрытия через щели определенной длины, прорезаемые в средней части нижний полки панели вдоль оси симметрии пустотного канала; при этом составные стержни ненапрягаемой арматуры усиления соединяют между собой внахлестку без сварки [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что применение арматуры усиления без ее предварительного напряжения приводит к перерасходу стали по массе и ее сечению, при этом панель перекрытия имеет малую трещиностойкость от воздействия эксплуатационной нагрузки, пониженную жесткость вследствие наличия силовых трещин и большой прогиб.
Известен способ усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, в котором арматурный стержень усиления выполняют с часто расположенными стальными фиксаторами на нем в виде шайб для обеспечения проектной толщины слоя бетона и анкеры со стальными пластинами и гайками для крепления арматурного стержня в рабочем положении; в качестве бетона усиления применяют тяжелой литой мелкозернистый бетон, подачу которого в пустотный канал осуществляют под давлением [3].
3
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что применение арматурных изделий для рабочей стержневой арматуры приводит к перерасходу стали для изготовления часто расположенных фиксаторов - шайб, анкерных стержней - крюков, охватывающих рабочую арматуру, которые после набора прочности нового бетона обрезают со стороны потолка, повышая трудоемкость строительных работ и увеличивая долю ручного труда; использование ненапрягаемой арматуры усиления приводит так же к перерасходу стали по массе и ее сечению, при этом усиленная панель перекрытия имеет малую трещиностойкость от воздействия эксплуатационной нагрузки, пониженную жесткость вследствие наличия силовых трещин, увеличение фактического прогиба и зыбкости панели перекрытия, применение тяжелого мелкозернистого бетона для заполнения пустотного канала увеличивает расход цемента на 150÷200 кг на 1 м бетона, а так же снижает огнестойкость усиливаемой панели в 4÷6 раз вследствие быстрого прогрева стержневой арматуры усиления до критической температуры и наступления предельного состояния панели по потере несущей способности, то есть обрушения.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, в котором применяют напрягаемую проволочную арматуру усиления, оборудованную упорами с натяжным устройством и прокладками, при этом напрягаемую проволочную арматуру усиления устанавливают наклонно по направлению от отверстий в приопорных зонах к отверстиям в пролете; предварительное напряжение проволочной арматуры создают натяжными устройствами [4] прототип.
c
c
1
1
2
опт
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что усиление пустотной панели выполняют предварительно напряженной шпренгельной арматурой с малым (4-5 градусов) углом наклона к продольной оси панели перекрытия с высотой сечения h, см, и пролетом l, см (при tg α=h/0,5·l)=22/0,5·580=22/290=0,076, - угол α=(4÷5) градусов). Следовательно, на приопорном участке панели перекрытия возникает сжимающая сила N, равная N=0,96·P, где P - усилие от преднапряжения шпренгельной арматуры; это более чем в 1,3 раза больше величины Р, возникающей в шпренгеле при нормативном (оптимальном) угле наклона (α=35 градусов).
доп
c
На опорах при анкеровке дополнительной шпренгельной арматуры возникает дополнительно изгибающий момент М=N·h, действие которого шпренгельная арматура не воспринимает.
Следовательно, при использовании известного устройства усиления изгибаемая железобетонная многопустотная панель перекрытия, усиленная шпренгельной арматурой, превращается во внецентренно сжатую и существенно изменяет свою первоначальную схему работы на изгиб.
Сильно поврежденную железобетонную многопустотную панель перекрытия невозможно надежно усилить с использованием преднапряженной шпренгельной арматуры; возможно разрушение поврежденной панели перекрытия в процессе ее усиления от дополнительных усилий сжатия и изгибающего момента, который возникает на опорных участках.
В строительном производстве при выборе варианта усиления отдают предпочтение решениям с четкой расчетной схемой, которая обеспечивает совместную работу усиливаемой конструкции с элементами усиления и позволяет достоверно определить дополнительно воспринимающую нагрузку.
Определенную по известному способу усиления площадь поперечного сечения дополнительно преднапряженной арматуры принимают завышенной, это ведет к необоснованному расходу стали.
В пробитые в нижней полке панели спаренные отверстия (дыры) над смежными пустотами и внутренним ребром панели невозможно ввести арматурное изделие усиления в виде сварного каркаса для восприятия поперечной силы на опорных участках.
Преднапряжение в шпренгельной арматуре производят после затвердения бетона в заделке анкеров, то есть не ранее 7 суток после укладки бетона. Это увеличивает сроки выполнения работ по усилению панели перекрытия.
Следовательно, восстановление основных эксплуатационных характеристик поврежденной железобетонной многопустотных панели известным способом усиления нерационально и ненадежно.
Сущность изобретения заключается в следующем:
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в рациональном способе изготовления конструкции усиления, в более экономичном восстановлении ее основных эксплуатационных характеристик, в сокращении объема восстановительных работ, в снижении расхода металла на дополнительную арматуру усиления.
Технический результат - качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик усиливаемой железобетонной многопустотной панели перекрытия: прочности, жесткости, трещиностойкости и огнестойкости.
В результате использования изобретения:
значительно повышают прочность и жесткость панели перекрытия; увеличивают фактический предел огнестойкости панели перекрытия по признаку потери несущей способности в условиях пожара; повышают безопасности состояния поврежденной панели перекрытия в процессе проведения восстановительных работ; создают надежную связь усиляемой панели перекрытия и сочленяющихся элементов устройства усиления; исключают пробивку сквозных дыр и отверстий на приопорных участках панели перекрытия для установки по верху панелей опорных элементов усиления; плавно разгружают сильно поврежденную панель перекрытия; регулируют величины разгружения усиляемой панели перекрытия; процесс изготовления устройства усиления прост в проектировании и конструктировании, экономичен в его выполнении при незначительном стеснении рабочих габаритов по высоте; сохраняют первоначальную расчетную схему работы панели перекрытия, наиболее близко отвечающей действительной ее работе на изгиб; повышают жесткость панели перекрытия вследствие предупреждения раскрытия силовых трещин в растянутой зоне поперечного сечения; уменьшают фактический прогиб панели перекрытия в пролете при введении в работу натягиваемой стержневой арматуры усиления; повышают трещиностойкость бетона растянутой зоны сечения предварительно напряженной панели перекрытия; усиливают железобетонную многопустотную панель перекрытия без изменения первоначальных габаритов по высоте; используют при усилении панели перекрытия не только гибкую преднапряженную проволочную арматуру малого диаметра, но и напрягаемую стержневую арматуру больших диаметров, наиболее технологичных в производстве усиления; экономят сталь по массе и по сечению, используя натягиваемую стержневую арматуру более высокой прочности; компактно размещают натягиваемую стержневую арматуру усиления; снижают трудоемкость за счет сокращения ручного труда в процессе усиления панели перекрытия.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, в котором дополнительно устанавливают натягиваемые стержни арматуры, оборудуя их арматурными изделиями и укладывая их в каналы железобетонной многопустотной панели перекрытия, особенностью является то, что каждый дополнительно устанавливаемый натягиваемый стержень арматуры выполняют из арматурных изделий, которые включают отдельные отрезки арматуры, спаренные стяжной муфтой, постоянные концевые анкеры и анкерные распределительные пластины; при этом отрезки натягиваемого стержня арматуры устанавливают в пустотные каналы панели перекрытия через горизонтальные отверстия, прорезываемые в средней части нижней полки панели вдоль оси симметрии пустотных каналов, и соединяют стяжной муфтой; постоянные концевые анкеры натягиваемого стержня арматуры устанавливают в приопорной части панели и оборудуют анкерными распределительными пластинами, которые помещают в вертикальные узкие щели, прорезанные в верхней полке и внутренних ребрах панели перекрытия.
Натягиваемый стержень арматуры выполняют составным в виде отдельных спаренных отрезков натягиваемой стержневой арматуры, один конец каждого отрезка арматуры оборудуют постоянным концевым анкером с анкерной распределительной пластиной, другой конец отрезка оборудуют стопорной обоймой и стяжной муфтой с нарезаемой левой и правой крепежной резьбой.
к
к
Постоянный концевой анкер выполняют в виде двух коротышей - накладок диаметром d≈d, мм, длиной l=m·d+5 мм (где m=5÷8), прикрепляемых сваркой сверху натягиваемого стержня арматуры диаметром d=(12÷26) мм.
o
Стопорную обойму выполняют в виде стальной привариваемой обоймы высотой H=1,15÷d, мм, или в виде опресооываемой обоймы диаметром D=2÷d, мм.
Плоскости опирания арматурных изделий постоянного концевого анкера на торец анкерной распределительной пластины располагают строго перпендикулярно оси натягиваемого стержня арматуры, обеспечивая их плотное прилегание к анкерной распределительной пластине.
1
Анкерную распределительную пластину выполняют из толстолистовой стали толщиной t=(6÷20) мм с устройством вилки (зева) шириной b=d+z, мм, в нижней грани пластины для захвата одного или нескольких натягиваемых стержней арматуры диаметром d=(12÷26) мм, высоту вилки принимают по условию (1):
где Н - высота анкерной распределительной пластины, мм;
o
h - полезная высота усиливаемого сечения панели, мм;
1
d - диаметр натягиваемого стержня арматуры, мм; z - зазор (1÷2) мм.
щ
Ширину узкой щели α, мм, вырезаемую в верхней полке и внутренних ребрах железобетонной многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, принимают по условию (2):
здесь t - толщина анкерной распределительной пластины, мм;
2
2
z - величина зазора между стенками щели и анкерной распределительной пластиной: z=(2÷3)мм.
щ
Длину узкой щели, b, мм, вырезаемую в верхней полке и внутренних ребрах железобетонной многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, заанкеривющий один натягиваемый стержень арматуры, принимают по условию (3):
здесь D - диаметр или ширина пустотного канала, панели, мм;
δ - толщина внутреннего ребра многопустотной панели, мм.
щ
Высоту узкой щели h, мм, вырезаемую в верхней полке и внутренних ребрах железобетонной многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, принимают по условию (4):
о,доп
здесь h - рабочая высота сечения панели в месте установки натягиваемого стержня арматуры, мм;
h - высота прорези анкерной распределительной пластины, мм;
2
z=(2÷3) мм - зазор.
2
Длину каждого отрезка l, мм, натягиваемого стержня арматуры принимают по условию (5):
1
2
где l, l - соответственно длина ненатягиваемого и натягиваемого отрезков составного стержня арматуры, мм;
l - длина арматурного изделия в сборке, мм;
0
0
z - зазор между торцами отрезков составного натягиваемого стержня арматуры (z=20÷30 мм).
щели
Длину щели L, мм, прорезаемую в средней части нижней полки панели перекрытия для ввода в пустотный канал панели пары отрезков натягиваемого стержня арматуры, оборудованных постоянными концевыми анкерами и стяжной муфтой, принимают из условия (6):
щели
щ,п
где L; L - соответственно длина щели по проекту усиления и
щ,п
п,к
п.к
принятая приближенно (L≈0,15·l); здесь l - длина пустотного канала панели перекрытия, мм;
пл
δ - толщина нижней полки панели перекрытия, мм;
o
D - диаметр (высота) пустотного канала панели перекрытия, мм;
d - диаметр натягиваемого стержня арматуры, мм.
Напряжение натягиваемого стержня арматуры производят плавным вращением стяжной муфты, контролируя величину нагружения арматуры.
После введения в работу натягиваемого стержня арматуры производят стопорение стяжной муфты относительно натягиваемого стержня арматуры.
Заделку отверстий в нижней полке железобетонной многопустотной панели перекрытия производят легким бетоном, обеспечивая требуемую толщину защитного слоя бетона для арматурного изделия усиления.
Арматурные элементы усиления панели перекрытия изготавливают и устанавливают по месту при положительной и отрицательной температурах воздуха.
Стопорение крепежных гаек анкеров и стяжных муфт относительно натягиваемого стержня арматуры производят контргайками, упругими шайбами, сваркой или пластическим деформированием, например кернением.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом работы заключена в следующем.
Использование предлагаемого устройства для усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания обеспечивает улучшение качества усиления, снижение материальных затрат и рациональное восстановление эксплуатационных характеристик поврежденной панели перекрытия.
Улучшение качества усиления поврежденной панели достигается за счет:
- увеличения рабочей высоты поперечного сечения в пролете железобетонной панели из-за приближения продольной натягиваемой стержневой арматуры к низу нижней полки панели;
- замены деструктивного (термоповрежденного) слоя тяжелого бетона нижней полки панели на легкий бетон;
- обеспечения нормативной огнестойкости усиленной панели перекрытия путем нанесения защитного слоя из легкого бетона не менее требуемой величины.
Снижение материальных затрат при усилении железобетонной многопустотной панели перекрытия здания достигается за счет:
- использования сильно поврежденной панели перекрытия к повторной эксплуатации после ее усиления предложенным устройством;
- снижения массы усиливаемой панели перекрытия вследствие заделки отверстий легким конструктивным бетоном;
- снижения трудоемкости установки дополнительной арматуры усиления вследствие прорезания бетона только части (15-20%) длины пустотного канала панели перекрытия;
- сокращения сроков восстановления поврежденной панели и снижения убытков по конструктивной части здания вследствие возможности ремонта даже аварийной панели вместо ее демонтажа;
- снижения расхода металла на дополнительные натягиваемые стержни арматуры вследствие армирования ими по длине канала панели перекрытия с учетом величины изгибающего момента.
Рациональное усиление железобетонной многопустотной панели перекрытия при использовании предложенного способа усиления достигается путем:
- сохранения первоначальной расчетной схемы работы панели перекрытия, отвечающей действительной ее работе на изгиб;
- повышения жесткости панели перекрытия вследствие отсутствия силовых трещин в растянутой зоне поперечного сечения;
- уменьшения фактических прогибов панели перекрытия в пролете при введении в работу натягиваемых стержней арматуры;
- повышения трещиностойкости бетона растянутой зоны сечения предварительно напряженной панели перекрытия;
- усиления панели перекрытия без изменения первоначальных габаритов по высоте;
- возможности использования при усилении панели перекрытия не только гибкой преднапряженной проволочной арматуры малого диаметра, но и напрягаемой стержневой арматуры больших диаметров, более технологичных в производстве усиления;
- экономии стали по массе и по сечению при использовании напрягаемой стержневой арматуры более высокой прочности;
- компактности размещения натягиваемых стержней арматуры;
- снижения трудоемкости за счет сокращения ручного труда в процессе усиления панели перекрытия.
- усиления поврежденного сечения панели перекрытия в прежних габаритах без существенного изменения его первоначальной высоты, предотвращая образование толстых наращиваний бетона;
- обеспечения требуемой безопасности панели перекрытия в процессе усиления и при допуске ее к повторной эксплуатации вследствие сокращения объемов вырубания бетона сжатой зоны;
- улучшения качества усиления и снижения материальных затрат на ремонт поврежденной панели перекрытия.
На фиг.1, 2 и 3 изображена схема армирования железобетонной многопустотной панели перекрытия (план, продольный и поперечный разрезы):
1 - натягиваемый стержень арматуры;
2 - анкерная распределительная пластина;
3 - анкерная обойма;
4 - стопорная обойма;
5 - стяжная муфта;
6 - щель в нижней полке панели перекрытия;
7 - существующая арматура панели перекрытия;
8 - железобетонная многопустотная панель перекрытия;
9 - ребро панели перекрытия.
На фиг.4 изображено арматурное изделие в виде составного натягиваемого стержня арматуры с постоянными (специальными) концевыми анкерами в виде анкерных и стопорных обойм, анкерных распределительных пластин и стяжной муфтой с двухсторонней (левой и правой) крепежной резьбой (цифровые обозначения элементов арматурного изделия с 1 по 6 приведены на фиг.1-3):
10 - щель в верхней полке и ребрах панели перекрытия;
11 - обжатие или сварка обоймы;
1
2
l, l - длина левого и правого элемента составного натягиваемого стержня арматуры, мм;
a
l - расстояние между постоянными концевыми анкерами, мм;
l - длина арматурного изделия в сборке, мм;
o
z - зазор между отрезками натягиваемого стержня арматуры, мм.
На фиг.5-6 изображены виды стяжек составных натягиваемых стержней арматуры: стяжная муфта из отрезка стальной трубы под трубный ключ (фиг.5); стяжная муфта с шестигранным корпусом 12 под динамометрический ключ, с контргайкой 13 (фиг.6) (обозначения элементов с 1 по 11 приведены выше, см.описание фиг.1-4):
12 - стяжная муфта с шестигранным корпусом;
13 - контргайка.
На фиг.7 изображена анкерная распределительная пластина из толстолистовой стали для двух натягиваемых стержней арматуры:
1 - натягиваемый стержень арматуры;
2 - анкерная распределительная пластина.
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата.
По предложенному способу выполнен проект усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия общественного здания, поврежденного огнем. Железобетонная многопустотная панель перекрытия изготовлена по чертежам серии ИЖ 567-03, марка ПБ 72.12-8; размеры панели в плане 7,2×1,2 м, высота сечения 220 мм. Панель перекрытия стендового безопалубочного формования, бетон класса В30, рабочая арматура - высокопрочная проволока класса Вр 1200 (Вр-II) диаметром 5 мм, овальные пустотные каналы (8 отверстий) высотой 140 мм, шириной 54 мм; толщина внутренних ребер панели δ=41 мм; осевое расстояние для нижнего ряда рабочих стержней 20 мм.
По проекту усиления изготовлены арматурные изделия в виде горизонтальных стяжек с использованием натягиваемых стержней арматуры, которые составлены из спаренных отрезков горячекатаной арматуры класса А 600 (A-IV) диаметром 20 мм, на натягиваемые стержни арматуры 1 установлены анкерные 3 и стопорные обоймы 4 высотой Н=14 мм, наружный диаметр 40 мм; в месте стыковки отрезков арматуры между собою установлены стяжные муфты с шестигранным корпусом 12 длиной 90 мм, диаметром 27 мм, длина нарезки резьбы с обеих концов стяжных муфт 36 мм; постоянные (специальные) концевые анкера оборудованы быстроустанавливаемыми анкерными распределительными пластинами 2 из толсто-листовой стали на два натягиваемых стержня арматуры каждая (г.Самара, Торговый центр ЗАО «Аверс», 2008 г.).
Источники информации
1. Ильин Н.А. Пат. RU 2119023, МПК6 Е04С 5/08. Арматурное изделие / Ильин Н.А.; заявка №96115626/03 от 26.07.96; опубл. 20.09.98, Бюл. №26.
2. Ильин Н.А. Патент на полезную модель №64245 RU, МПК E04G 21/2; Е04С 5/00. Устройство для усиления панели перекрытия/ Н.А.Ильин, С.В.Эсмонт, А.П.Шепелев, заявка: 2006139195/22 от 07.11.2006; опубл. 27.06.2006, Бюл. №18.
3. Кочетов И.А. Пат. RU 1823909, МПК E04G 23/02. Способ усиления многопустотных плит перекрытия/ И.А.Кочетов, Б.Ю.Барыкин, заявка: 4908995/33 от 08.02.91; опубл. 23.06.93, Бюл.№23.
4. Лазовский, Д.Н. Пат. RU 2020234, МПК5 E04G 23/02. Способ усиления железобетонных многопустотных панелей перекрытий / Д.Н.Лазовский, С.Д.Масленников, А.В.Авдошка и др., заявл. 22.04.1991, опубл. 30.09.1994, Бюл. №27.