Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ И НАВЕСНЫХ ПАНЕЛЕЙ СТЕНЫ

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при усилении несущих и ограждающих конструкций эксплуатируемого здания, - более конкретно при усилении термоповрежденной железобетонной колонны и навесных панелей стены в условиях пожара, взрыва, аварии.

К термическим повреждениям колонны и навесных панелей стены после пожара относятся отслоение деструктивного бетона на глубину 40-60 мм и более, выпучивание стержней арматуры, появление остаточных термических напряжений растяжения (до 10000 Н/см²) в рабочей арматуре колонн. Повреждения навесных панелей стены характеризуются разрушением бетона в поперечном сечении; возможно существенное ослабление креплений стеновых панелей и их обрушение. В ряде случаев целесообразно исправление поврежденных конструкций без демонтажа ригелей и колонн, полной или частичной их разгрузки.

Известен способ усиления колонны и других сжатых элементов конструкций здания дополнительными предварительно напряженными металлическими распорками / Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989. - С.50-56, рис.23 / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления, относится то, что в известном способе преднапряженные распорки повышают несущую способность только колонны, следовательно, невозможно обеспечить надлежащее усиление поврежденных навесных панелей стены; при неточном изготовлении напрягаемых распорок по их длине, в известном способе невозможно надежное их включение в совместную работу с усиливаемой колонной, следовательно, снижается точность контроля степени разгружения места сочленения ригеля и колонны; в известном способе сечение ветвей распорки принимают конструктивно, с большим перерасходом металла на усиление, следовательно, при использовании известного способа возрастают металлоемкость и трудоемкость; в известном способе, при применении металла без конструктивной огнезащиты, снижается длительность сопротивления огневому воздействию в условиях повторного пожара элементов усиления в частности и фактическая огнестойкость колонны в целом.

Известен способ усиления колонны, включающий установку преднапряженной металлической обоймы, в верхней части которой закрепляют натяжной узел, обойму из четырех прокатных уголков, связанных попарно соединительными планками в две ветви, в продольном направлении, которые обжимают распорными устройством / А.с. SU №607932, кл. 2 Е04G 23/02. Способ усиления колонн. / В.В.Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19 / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления колонны, относится то, что в известном способе применяют громоздкую, металлоемкую обойму из прокатных уголков; эффективность использования известного способа восстановления снижается вследствие того, что грузовой винт натяжного узла имеет шарнирное закрепление с обеих концов, следовательно, коэффициент его приведенной длины весьма значителен; опорная площадка под ригель удалена от ветви распорки, следовательно, дополнительно возникает изгибающий момент, действующий на эту ветвь распорки и опорный столик, увеличены общие габариты сечения оголовка усиливаемой колонны; в известном способе используют металл без конструктивной огнезащиты, следовательно, снижается фактическая огнестойкость элементов усиления в частности и колонны в целом.

Известен способ усиления колонны, включающий установку опорных столиков, усиливающих элементов колонны, распорного устройства, напряжение усиливающей распорки с регулируемым усилием с последующим обжатием и бетонированием / А.с. SU №1162729, кл. 4Е04G 23/02. Способ восстановления капителей и колонн железобетонных конструкций. / Н.А.Ильин. Опубл. 23.06.85. Бюл. №23 / [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа усиления железобетонной колонны, является то, что в известном способе расходуется значительная масса металла, не эффективно используемая для усиления колонны, опорные узлы известного устройства внизу и вверху колонны не имеют жесткого закрепления, составные части ветвей обоймы соединены натяжным винтом, характеризующим их шарнирное примыкание, в известном способе расположение натяжных винтов не по центру тяжести поперечного сечения уголка обоймы приводит к возникновению изгибающего момента от распорного усилия, действующего на напрягаемые ветви составных частей обоймы; при использовании металла без конструктивной огнезащиты снижается фактическая огнестойкость элементов усиления и колонны.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ, включающий технический осмотр и поверочные расчеты усиливаемой колонны, проектирование, изготовление и установку опорных столиков, усиливающих элементов колонны, элементов распорного устройства, напряжение усиливаемой распорки с регулируемым усилием с последующим обжатием и обетонированием / Патент RU 2308585, МПК Е04G 23/02. Способ восстановления железобетонной колонны и ее оголовка. / Н.А.Ильин, Е.М.Комов, П.П.Яценко; заявл. 03.10.2005; опубл. 20.10.07. Бюл. №28 / [4] - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления колонны, относится то, что в технический осмотр не включено освидетельствование навесных панелей стены, не разработаны меры по усилению крепления навесных панелей стены; в техническом осмотре отсутствует определение величины остаточных термических напряжений в стержнях продольной арматуры усиливаемой колонны; не приведен порядок снижения термических напряжений в арматурных стержнях усиливаемой колонны; при использовании арматурных каркасов усиления колонны поперечную арматуру (хомуты и отгибы) сначала нарезают, затем каждый отрезок стержня приваривают к угловым стержням устройства усиления и к ветвям остова напрягаемой распорки; следовательно, велики объемы резки поперечной арматуры плоских составных каркасов, большое число свариваемых пересечений поперечной арматуры с угловыми стержнями устройства усиления; значительны трудоемкость и расход металла при раскрое поперечной арматуры.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении надежности и безопасности состояния усиливаемой колонны и навесных панелей стены, получивших тяжелые термические повреждения, в снижении расхода стали и материальных затрат за счет рациональной установки элементов усиления предлагаемым способом.

Технический результат - рациональное проведение технического осмотра и оценки состояния поврежденной колонны навесных панелей стены, надежное включение в совместную работу напрягаемой распорки (с контролем предварительных напряжений) усиливаемой колонны; жесткое соединение грузового винта с несущей ветвью распорки, вдвое снижающее коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента, упрощение конструкции передачи «грузовой винт - упорная гайка» натяжного узла при проектировании и изготовлении его, размещение грузовых винтов в центре тяжести поперечных сечений уголков распорок, улучшающих работу напрягаемых ветвей распорок при сжатии, повышение контроля степени разгружения усиливаемой колонны напряженными распорками, снижение расхода металла на изготовление устройства усиления и получение возможности эффективного использования металла при усилении колонны и ее оголовка, обеспечение огнезащиты металлических элементов усиления и гарантированного предела огнестойкости усиливаемой колонны.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе усиления колонны и навесных панелей стены, включающем проведение технического осмотра и поверочных расчетов усиливаемой колонны, проектирование, изготовление и установку опорных столиков, усиливающих элементов колонны, частей распорного узла, напрягающей распорки с регулируемым усилием с последующим обжатием и обетонированием, особенностью является то, что в технический осмотр дополнительно включают определение величины остаточных термических напряжений в стержнях продольной арматуры усиливаемой колонны, проводят сколы слоев термоповрежденного бетона, затем изготовляют элементы усиления, при этом упорные элементы усиливаемой колонны выполняют в виде упорных столиков колонны, сочлененных с продольной арматурой колонны, опорный столик выполняют из отрезка гнутого стального уголка или прокатной угловой стали, усиливая ребрами жесткости и оборудуя отверстиями для установки грузовых винтов натяжного узла; остов напрягающей распорки составного каркаса выполняют из двух ветвей, соединенных планками и поперечной арматурой в виде арматурной сетки «зигзаг» по длине ветвей; натяжной узел, установленный между верхом опорного столика и верхним упорным столиком, оборудуют грузовыми винтами с натяжными гайками; поперечную арматуру на боковых гранях колонны выполняют в виде арматурных сеток «зигзаг», сочлененных с угловыми элементами устройства усиления; элементы усиления крепления навесных панелей стены к колонне оборудуют угловыми уголковыми стержнями, накладками на панели и монтажными стяжными болтами.

Несущий каркас устройства усиления колонны и навесных панелей стены составляют из двух ветвей остова напрягающей распорки и пары ненапрягаемых угловых стержней.

Напрягающую распорку установливают между опорным столиком, прикрепленным сверху ветвей остова распорки, и упорным столиком колонны, прикрепленным снизу ветвей остова распорки на стержни продольной арматуры усиливаемой колонны.

Площадь поперечного сечения ветвей остова напрягающей распорки принимают с учетом восприятия величины остаточных термических напряжений в стержнях продольной арматуры усиливаемой колонны.

Ветви остова напрягающей распорки, работающие на сжатие, выполняют из стальных неравнополочных уголков усиленного сечения, с большей толщиной полок по сортаменту.

Соединение ветвей остова напрягающей распорки выполняют в виде планок - элементов упорных столиков из отрезков углового проката - по концам ветвей распорки и поперечной зигзагообразной арматуры по длине напрягающей распорки.

Составные каркасы усиления колонны выполняют из стальных угловых уголковых элементов и зигзагообразных стержней поперечной арматуры диаметром ⌀ 6-16 мм классов А 240 (A-I), А 300 (A-II) или А 400 (A-III) в виде горизонтальных и наклонных ветвей, расположенных под углом θ=(45±15) градусов к продольной оси колонны.

Усиление колонны осуществляют с разгрузкой ее термонапряжений в продольной арматуре.

Угловые уголковые стержни устройства усиления установливают в углах примыкания усиливаемой колонны с навесными панелями стены обушком вовнутрь поперечного сечения, а полками наружу усиливаемой колонны.

Навесные панели стены соединяют стяжными болтами с угловыми уголковыми стержнями несущего каркаса усиления колоны.

Упорные столики усиливаемой колонны и опорный столик напрягаемой распорки, работающие на продольный изгиб, выполняют из стальных равнополочных уголков, с меньшей толщиной полок по сортаменту.

Угловые уголковые стержни, работающие на сжатие и изгиб, выполняют из стальных неравнополочных уголков, с меньшей толщиной полок по сортаменту.

Размеры поперечного сечения опорного столика, усиленного ребром жесткости, принимают по результатам проверки устойчивости малой и большой полки, работающих на сжатие и изгиб.

Поверхности упорных столиков, подвергнутые огневой обработке горелкой, утопляют «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.

После введения напрягающей распорки в работу опорный столик и верхний упорный столик колонны соединяют наглухо металлическими пластинами или отрезками уголка наложением сварных швов.

Грузовые винты натяжного узла выполняют съемными, многократного использования, снимаемыми после ввода в работу напрягаемой распорки и установки наглухо соединительных пластин между упорным столиком колонны и опорным столикам напрягаемой распорки.

Грузовые винты натяжного узла выполняют постоянными, одноразового использования, остающимися в бетоне усиления колонны.

Стальные элементы распорного устройства подвергают огневой обработке горелкой и покрывают огнезащитным материалом, толщину которого принимают в зависимости от требуемого предела огнестойкости колонны по признаку потери несущей способности.

Металлические элементы устройства усиления покрывают огнезащитным материалом, толщину которого определяют по формуле (1)

где δ_озс - толщина огнезащитного слоя, мм;

D_ar - показатель термодиффузии огнезащитного материала, мм²/мин;

τ_кип - гарантируемый предел огнезащиты защитного слоя, мин.

На чертежах представлено:

на фиг.1-3 изображены элементы устройства усиления колонны и навесных панелей стены: продольные разрезы А-А и Б-Б (фиг.1 и 2) и поперечное сечение В-В (фиг.3):

1 - усиливаемая колонна; 2 - стержни продольной арматуры колонны;

3 - термонапряженные стержни продольной арматуры колонны;

4 - грузовые винты натяжного узла; 5 - ветви напрягаемой распорки;

6 - угловые уголковые стержни устройства усиления; 7 - составные каркасы остова усиления колонны; 8 - нижний упорный столик;

9 - навесные панели стены; 10 - монтажные стяжные болты панелей;

11 - балка покрытия;

на фиг.4-6 изображены поперечные сечения усиливаемой колонны на уровне верхнего упорного столика (сечение Г-Г; фиг.4), на уровне опорного столика (сечение Д-Д; фиг.5) и на уровне нижнего упорного столика (сечение Е-Е; фиг.6) (обозначения элементов 1-3, 5-9 см.описание к фиг.1-3):

12 - верхний упорный столик; 13 - опорный столик;

14 - деструктивный слой бетона; 15 - сварные швы;

на фиг.7-10 изображены схемы закрепления опорного столика и упорных столиков на термонапряженные стержни продольной арматуры усиливаемой колонны:

3 - термонапряженные стержни продольной арматуры колонны;

5 - ветви напрягаемой распорки;

8 - нижний упорный столик;

12 - верхний упорный столик;

13 - опорный столик;

15 - сварные швы.

на фиг.11 и 12 изображен натяжной узел устройства усиления - продольный разрез А-А (фиг.7) и поперечный разрез Б-Б (фиг.8):

3 - термонапряженные стержни продольной арматуры колонны;

4 - грузовые винты натяжного узла;

15 - сварные швы;

16 - остов упорного столика колонны; 17 - буртик грузового винта;

18 - упорная высокая гайка; 19 - остов опорного столика;

20 - отверстия сквозные для грузового винта;

21 - уголковый элемент напрягаемой распорки;

22 - пластина жесткости; 23 - ребро жесткости;

24 - контргайка; 25 - пружинная шайба;

26 - соединительная планка, отрезок уголка (показаны пунктиром);

на фиг.13 и 14 изображены арматурные сетки «зигзаг» составных каркасов КРС-1 и КРС-2 для напрягающей распорки:

27 - стержни арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-1;

28 - стержни арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-2;

31 - место вязки арматурной проволокой;

на фиг.15 и 16 изображен остов напрягающей распорки, оборудованный соединительными планками и арматурной сеткой «зигзаг» составного каркаса КРС-1 из гнутого стержня:

продольный разрез А-А (фиг.11); поперечный разрез Б-Б (фиг.12);

5 - ветви напрягающей распорки;

7 - составные каркасы остова усиления колонны;

15 - сварные швы;

26 - соединительная планка, отрезок уголка (показаны пунктиром);

27 - стержни арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-1;

на фиг.17 и 18 изображены составные каркасы КРС-3 и КРС-4 для боковых граней усиливаемой колонны:

5 - ветви напрягающей распорки;

6 - угловые уголковые стержни устройства усиления;

15 - сварные швы;

29 - стержни арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-3 с поперечными стержнями, напрягаемыми путем их стяжки;

30 - стержни арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-4;

31 - место вязки арматурной проволокой; 32 - стяжные гайки;

33 - подкладки - подпоры для стягиваемых стержней поперечной арматуры;

34 - положение горизонтальных стержней поперечной арматуры после их стяжки;

35 - монтажные сварные швы; 36 - стяжной болт - хомут;

37 - планка - шайба стяжного болта - хомута;

38 - составные части стяжного стержня; 39 - стяжная муфта;

40 - защитный слой бетона (дополнительно укладываемый);

В - ширина составного каркаса; b - ширина арматурной сетки «зигзаг»; u, u_i - шаг поперечных стержней; d - диаметр стержня; l₀ - длина остова распорки; s, s_i - длина лапок.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.

Пример конкретного выполнения. Железобетонная колонна одноэтажного однопролетного складского здания высотой H=7,2 м выполнена в виде сплошного квадратного сечения В×С=400×400 мм с навесными панелями стены; бетон тяжелый класса В 30, продольная арматура колонны из стали класса А 400 (A-III), - 8⌀22 мм; глубина заложения арматуры а=40 мм, толщина защитного слоя u=30 мм; толщина деструктивного слоя бетона δ=(35-45) мм; тяжелые термические повреждения бетона обнаружены на участке длиной 2,6 м от оголовка на трех обогревавшихся гранях колонны; термические напряжения растяжения порядка (9000±1000) Н/см² имеют угловые стержни продольной арматуры, расположенные с лицевой поверхности колонны.

Устройство усиления колонны содержит упорные элементы нижний упорный столик 8 и остов упорного столика колонны 16, ветви напрягающей распорки 5, составные каркасы и натяжной узел; элементы усиления крепления навесных панелей стены к колонне включают угловые уголковые стержни устройства усиления 6, накладки на панели и монтажные стяжные болты панелей 10.

Остовы упорных столиков и опорного столика усиливаемой колонны 1 выполняют из отрезка уголка размерами h×b×s=75×75×6 мм, длиной l=В-2·u=400-2·30=340 мм. Для повышения жесткости остова упорного и опорного столиков натяжного узла на уголки дополнительно устанавливают пластины жесткости 22 толщиной 30 мм. В остовах упорного и опорного столиков и их пластинах жесткости 22 для пропуска концов грузового винта диаметром d=20 мм высверливают сквозные отверстия диаметром d_o=21 мм или вырезают овальные пазы шириной b_o=d_о=21 мм и длиной e_o=b+0,5·d-e=75+0,5·20-45=40 мм.

Ветви остова напрягаемой распорки выполняют из отрезков неравнополочного уголка прокатного профиля размером B×b×s=75×50×6 мм и имеют концевые соединительные планки размером l×b×s=360×80×6 мм и поперечную арматуру в виде арматурной сетки «зигзаг» составного каркаса КРС-1 или КРС-2.

Гнутые стержни арматурных сеток выполняют из арматуры класса А 240 (A-I) диаметром d=8 мм с шагом u=300 мм, или класса A300 (A-II), диаметром d=6 мм, с шагом u=250 мм.

Грузовой винт натяжного узла 4 изготовляют с буртиком, диаметр винта d=20 мм, длина винта 260 мм, длина нарезки метрической резьбы М20 на концах винта b₁=50 мм, b₂=150 мм.

Грузовой винт натяжного узла 4 оборудуют с верхнего конца шестигранной контргайкой 24 высотой m=16 мм и пружинной шайбой 25 для винта диаметром отверстия d₁=20,5 мм, толщиной s=4 мм; с нижнего конца грузовой винт натяжного узла 4 оборудуют двумя упорными высокими гайками 18 высотой m=20 мм, диаметр резьбы М20 и шестигранной контргайкой 24 высотой m=16 мм и двумя пружинными шайбами 25 (для винта d₁=20,5 мм) толщиной s=4 мм.

Введение в работу деталей устройства усиления колонны и навесных панелей стены производят следующим образом.

В процессе технического осмотра колонны и навесных панелей стены, отбивая слесарным молотком деструктивный слой бетона (температура нагрева t_b≥550°C), устанавливают участки усиливаемой колонны 1 с тяжелыми повреждениями и остаточными после пожара термическими напряжениями в продольной арматуре (температура нагрева t_s≥500°C).

Предварительно в механической мастерской изготовляют остовы опорного и упорных столиков, грузовые винты натяжного узла 4, упорные высокие гайки 18, контргайки 24 и пружинные шайбы 25, пластины жесткости 22 и ребра жесткости 23, соединительные планки 26, арматурные сетки «зигзаг», уголковые элементы напрягающей распорки, угловые уголковые стержни устройства усиления 6, стяжные муфты 39 и стяжные болты - хомуты 36, монтажные стальные болты панелей 10 для навесных панелей стены 9.

Сначала к усиливаемой колонне 1 прикрепляют нижний и верхний упорные столики на термонапряженные стержни продольной арматуры колонны 3 с помощью сварного шва 15 высотой не менее 6 мм.

Затем устанавливают угловые уголковые стержни устройства усиления 6 и остов напрягаемой распорки, на которую прикрепляют поперечную арматуру в виде арматурных сеток «зигзаг» на лицевую и боковые поверхности усиливаемой колонны 1.

Затем на остовы опорного и упорного столиков прикрепляются пластины жесткости 22; укомплектовывают грузовые винты натяжного узла 4 упорными высокими гайками 18, контргайками 24, пружинными шайбами 25 и устанавливают по месту грузовые винты натяжного узла 4 в натяжной узел. Одновременным заворачиванием упорных высоких гаек 18 грузовых винтов натяжного узла 4 с заданным (контролируемым) усилием - разгружают продольную арматуру от термических напряжений, увеличивая при этом несущую способность усиливаемой колонны 1.

После введения ветвей остова напрягающей распорки в работу, пластины жесткости 22 верхнего упорного и опорного столиков соединяют наглухо отрезками уголка или соединительными планками 26 с помощью сварных швов 15.

На металлические элементы устройства усиления наносят огнезащитное покрытие 40 - слой тяжелого бетона по прочности на сжатие принимают равным классу бетона усиливаемой колонны, но не менее В 15.

Использованием предложенного способа усиления колонн и навесных панелей стены устраняют тяжелые повреждения без демонтажа или предварительной разгрузки несущей конструкции, наиболее полно используя остаточную прочность материалов при дальнейшей ее эксплуатации.

Предложенный способ усиления позволяет рационально и эффективно произвести усиление тяжелоповрежденной колонны за счет надежного включения в совместную работу напрягающей распорки с контролем предварительных напряжений.

Жестким соединением грузового винта с несущей ветвью распорки вдвое снижают коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента.

Предложенный способ усиления упрощает конструкцию передачи «грузовой винт - упорная гайка» натяжного узла при проектировании и изготовлении его, повышая надежность в работе, выигрыш в силе и обеспечивая бесшумное, медленное и плавное перемещение напрягаемой распорки с большой точностью. Размещение грузовых винтов в центре тяжести поперечных сечений уголков распорок улучшает работу напрягаемых ветвей распорок при сжатии.

Предложенный способ усиления позволяет повысить степень контроля разгружения усиливаемой колонны напряженными распорками, снизить в 2-3 раза расход металла на его изготовление и обеспечить требуемую огнезащиту металлических элементов устройства усиления.

Предложенный способ усиления применен в промышленности при восстановлении крайней колонны и навесных панелей стены здания.

Усиливаемая колонна с тяжелыми термическими повреждениями верхней части находилась на границе между ограниченно работоспособным и аварийным состоянием. Материал элементов устройства усиления - сталь марки Ст.3 кл. 2-1. Расчетная нагрузка на колонну 505 кН (50,5 тс).

Работы по усилению железобетонной колонны и керамзитобетонных навесных панелей стены были проведены без остановки технологического процесса в одноэтажном промышленном здании (г. Самара, 2010 г.).

Источники информации

1. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. / ЦНИИСК. - М.: Стройиздат, 1989. - С.50-56, рис.23.

2. А.с. SU №607932, кл. 2 Е04G 23 / 02. Способ усиления колонн. / В.В.Гусельников, опубл. 25.05.78. Бюл. №19.

3. А.с. SU №1162729, кл. 4Е04G 23 / 02. Способ восстановления капителей и колонн железобетонных конструкций. / Н.А.Ильин. заявл. 10.02.83; опубл. 23.06.85. Бюл. №23.

4. Патент RU 2308585, МПК Е04G 23/02. Способ восстановления железобетонной колонны и ее оголовка. / Н.А.Ильин, Е.М.Комов, П.П.Яценко; заявл.03.10.2005; опубл.20.10.07. Бюл.№28.