Результат интеллектуальной деятельности: РАСПОРКА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ ЗДАНИЯ

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при усилении (ремонте, реставрации и реконструкции) несущих конструкций, более конкретно при усилении бетонных, железобетонных и каменных колонн зданий.

Известно устройство распорки для усиления колонны, которое содержит пару ненапрягаемых распорок металлической обоймы, каждая распорка которой выполнена из двух уголков, устанавливаемых по граням колонны, и соединительных планок между ними. Шаг планок принят равным минимальному размеру сечения колонны. Металлическая обойма выполнена как самостоятельная система по нормам проектирования стальных конструкций. / Реконструкция зданий и сооружений; под ред. А.Л.Шагина; учебное пособие. - М.: Высш.шк., 1991, - 352 с.; (см. п.10.5 Усиление колонн; рис.10.40, стр.182-183)/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства распорки стальной обоймы для усиления колонны, относится то, что известное устройство весьма громоздкое и металлоемкое, так как стальная обойма имеет большие габариты в плане вследствие выступа соединительных планок, за наружние грани угловых стоек распорок; при этом размеры поперечного сечения соединительных планок приняты конструктивно, с большим коэффициентом запаса по несущей способности (k₃≥3); фактическая огнестойкость колонны, усиленной стальной обоймой, не высока вследствие отсутствия конструктивной огнезащиты ее металлических элементов.

Известно устройство распорки для усиления колонны предварительно напряженными металлическими профильными элементами (распорками). / A.c. SU 100439, Кл E04G 23/02. Способ усиления колонны. / Н.М.Онуфриев (класс 37b, 3-03); заявка №9351/449 710 от 28.09.1953/ [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства распорки стальной обоймы, относится то, что сечение соединительных планок принято конструктивно, вследствие этого расходы стали на их изготовление велики.

Известно устройство распорки для усиления многоэтажной колонны, которое содержит две двухсторонние преднапряженные распорки, состоящие из двух уголков L 75×50×5 мм и соединительных планок (шаг S=55 см) сечением 100×6 мм (принято по конструктивным соображениям); здесь же приведена последовательность расчета на прочность и подбора профиля угловых стоек, сечения планок, а так же порядок проверки сварных швов; /Рекомендации по усилению монолитных железобетонных конструкций зданий и сооружений предприятий горнодобывающей промышленности. - М.: Строиздат, 1974. - 96 с (см. Усиление колонны преднапряженными распорками, п.6.9 стр.60-61; приложение 1, пример расчета, стр.79-81)/ [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство распорки усиления весьма громоздкое и металлоемкое, так как стальная обойма имеет большие габариты в плане вследствие выступа соединительных планок за наружние грани угловых стоек распорки; размеры сечения соединительных планок приняты конструктивно, с большим перерасходом строительной стали.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является устройство, содержащее стальные преднапряженные распорки (две пары), соединительные планки, упорные уголки, планки - упоры, крепежные монтажные болты; при этом соединительные планки, выполнены из конструктивных соображений (из толстолистовой стали толщиной δ≥6 мм; шириной b=80 мм), натяжные болты ⌀20 мм; проектирование составных сжатых элементов их уголков выполнено как сплошно-стенчатых при условии, что наибольшее расстояние на участках между приваренными планками (в свету) не превышает S_u≤40·τ_x (где τ_x - радиус инерции равнополочного уголка угловой стойки); проектирование соединительных планок выполнены на срез и изгиб. / Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л., М: Стройиздат, 1965. - 342 с. (см. 22 Усиление колонн посредством преднапряженных распорок усиления; рис.83, стр.241-247; пример 20, рис.86, стр.252-256)/ [4], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства распорки для усиления колонны, принятого за прототип, относится то, что известное устройство металлоемко и громоздко вследствие увеличения габаритов обоймы в плане из-за выступа за наружние грани угловых стоек распорок соединительных планок, геометрические размеры которых приняты по конструктивным соображениям с коэффициентом запаса k₃≥3 (перерасход прокатной стали по массе в 3,5-4 раза); элементы стальной обоймы запроектированы и изготовлены без учета совместной работы с усиливаемой колонной, следовательно принятые предельные гибкости уголковых стоек распорки, определяющие шаг соединительных планок для сжатых (растянутых) элементов приняты необоснованно малыми: S_min=40·τ_x (здесь S_min - минимальный шаг планок, см; τ_x - радиус инерции равнополочного уголка, см); при конструировании сварных соединений не учтены современные виды сварных швов; фактическая огнестойкость колонны, усиленной распорками стальной обоймы, не высока вследствие отсутствия конструктивной огнезащиты ее металлических элементов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции распорок стальной обоймы для усиления колонны здания, уменьшение габаритов стальной обоймы в плане, снижение погрешности при назначении геометрических размеров соединительных планок по расчету на изгиб, повышение точности определения размеров и фактической несущей способности сварных швов, соединяющих угловые стойки распорки и соединительных планок, по расчету на срез и изгиб, сокращение расхода строительной стали на изготовление распорок для усиления колонны здания.

Технический результат изобретения - упрощение конструкции распорки стальной обоймы, уменьшение ее габаритов в плане, проектирование геометрических размеров соединительных планок по расчету на изгиб, повышение фактической несущей способности сварных швов для соединительных планок из расчета швов на срез и изгиб, рациональное применение различных видов сварных швов для соединяющихся элементов распорки встык и внахлестку; повышение качества и надежности работы сварных соединений; снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления распорок стальной обоймы; повышение степени огнезащиты металлических элементов стальной обоймы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной распорке усиления колонны здания, включающей пару угловых стоек распорки и соединительные планки, которые скреплены между собой сварным соединением внахлест в виде углового шва по торцам планки, особенностью является то, что каждая соединительная планка распорки выполнена в виде стальной пластины, размеры и форма концевого участка которой приняты из условия несущей способности сварного соединения с угловой стойкой распорки и условия размещения сварного соединения встык или в нахлестку, рассчитанного на сдвиг и изгиб; размеры поперечного сечения среднего участка соединительной планки распорки приняты из условия прочности планки на изгиб.

Концевой участок соединительной планки выполнен в виде тавра. Концевой участок соединительной планки выполнен с вырезкой в виде прямоугольника, треугольника, полукруга.

Концевой участок соединительной планки выполнен с раззенкованными отверстиями для точечного сварного соединения с угловой стойкой распорки. Соединительная планка выполнена укороченной в виде пластины, установленной между торцами перьев уголка уголковых стоек распорки и скрепленной с помощью стыковых сварных швов.

Соединительная планка выполнена из отрезка листа просечно-вытяжной стали.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено внахлестку в виде угловых лобового и фланговых швов.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено внахлестку в виде угловых односторонних лобовых швов по торцу соединительной планки и по торцу пера стойки распорки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено внахлестку в виде углового лобового шва по торцу соединительной планки совместно со сварным точечным соединением на концевом участке соединительной планки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено внахлестку в виде угловых сварных швов по торцу соединительной планки и по торцу пера угловой стойки распорки в комплекте со сварным точечным соединением на концевом участке соединительной планки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено в виде угловых фланговых горизонтальных и наклонных под углом 60° сварных швов на концевом участке соединительной планки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено в виде односторонних угловых фланговых горизонтальных и кругового сварных швов на концевом участке соединительной планки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполнено в виде сварного стыкового шва между пером угловой стойки распорки и торцом соединительной планки.

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой, принятой в виде отрезка листа просечно-вытяжной стали, выполнено в виде шпоночного шва длиной 1≥50 мм.

Соединительная планка, при использовании сварного стыкового шва, выполнена с большой высотой с отверстиями для пропуска бетона или строительного раствора усиления колонны.

На чертежах представлено:

На фиг.1 изображена конструкция распорки для усиления колонны здания: 1 - усиливаемая колонна; 2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов; 5 - фланговый сварной шов; 10 - концевой участок соединительной планки; 11 - средний участок соединительной планки; 13 - крепежная планка; 14 - угловой сварной шов (с тыльной стороны); 15 - упорный уголок; 16 - планка - упор; 17 - крепежный болт (пластина); (S_n - шаг соединительных планок; Z_o - расстояние от центра тяжести (ц.т.) угловой стойки до наружной грани полки; С - расстояние между ц.т. угловых стоек распорки).

На фиг.2 изображен разрез А-А распорки для усиления колонны:

2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов; 14 - угловой сварной шов (с тыльной стороны); (обозначения Z_o, С и ц.т. приведены в подрисуночной подписи к фиг.1).

На фиг.3 и 4 изображено соединение веток угловой стойки распорки с соединительной планкой в виде сварного стыкового шва между перьями угловых стоек распорки и торцами соединительной планки (поперечный разрез соединения - сечение Б-Б): 2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 6 - стыковой сварной шов; (l_o - укороченная длина соединительной планки, δ - толщина планки; l_ш -длина стыкового шва).

На фиг.5 и 6 соответственно изображена укороченная соединительная планка в виде двутавра и пластины с отверстиями: 3 - соединительная планка; 6 - стыковой сварной шов; (l_o - укороченная длина планки, δ - толщина планки; l_ш -длина сварного шва).

На фиг.7 и 8 изображено соединение внахлестку угловой стойки и соединительной планки в виде комплексного сварного шва, включающего угловой лобовой, шпоночный шов и сварное точечное соединение:

2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов;

5 - фланговый сварной шов; 7 - сварное точечное соединение;

9 - шпоночный шов; 10 - концевой участок соединительной планки;

11 - средний участок соединительной планки.

На фиг.9 изображено соединение внахлестку угловой стойки и соединительной планки путем наложения угловых сварных швов с лицевой и тыльной стороны: 2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов; 10 - концевой участок соединительной планки; 11 - средний участок соединительной планки; 14 - угловой сварной шов (с тыльной стороны).

На фиг.10 и 11 - изображено соединение внахлестку угловой стойки и соединительной планки, выполненной с вырезом на концевых участках пластины в виде треугольника (фиг.10) и прямоугольника (фиг.11) путем наложения комплексного сварного шва: 2 - угловая стойка;

3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов; 5 - фланговый сварной шов; 9 - шпоночный шов; 10 - концевой участок соединительной планки;

11 - средний участок соединительной планки; 14- угловой сварной шов (с тыльной стороны).

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

Пример конкретного выполнения. Стальная обойма для усиления железобетонной колонны сечением 400×500 мм содержит напрягаемые распорки, составленные из двух пар угловых стоек и соединительных планок 3. Угловые стойки 2 выполнены из стального (сталь С 245) прокатного профиля - равнополочных уголков 2L 125×125×10 мм: ширина полки b=125 мм; толщина полки S=10 мм; момент инерции J_x,y=360 см⁴; радиус инерции τ_х=3,85 см; площадь сечения А=24,3 см²; расстояние от центра тяжести до наружной грани полки Z_o=3,45 см; плотность проката ρ=7850 кг/м³; модуль упругости Е=2,1·10⁶ кгс/см². Соединительные планки 3 выполнены из толстолистовой стали С 235 (марка ВСт3кп2); толщина планок δ=8 мм; высота планок b=80 мм; сварное соединение угловых стоек 2 распорки и соединительной планки 3 выполнено комплексным сварным швом, включающим два угловых сварных шва 4 и 14 (с фронтальной и тыльной стороны планки) длиной l_уг=8 см каждый, плюс один угловой фланговый сварной шов 5 длиной l_фл=6 см; всего на каждом концевом участке соединительной планки длина комплексного шва равна:

l_ш=2·l_уг+l_фл=2·8+6-22 см;

катет сварного шва k_ш=6 мм; сварка произведена покрытыми электродами типа Э-42А (ГОСТ 9467-75*); расчетное сопротивление сварных соединений с угловыми швами R_ωf=180 МПа (1850 кгс/см²).

Введение соединительных планок в работу угловых стоек распорки произведено следующим образом.

Сначала изготовляют в мастерских угловые стойки 2, соединительные планки 3 и крепежные планки 13. Для плотного прилегания угловых стоек 2 поверхность бетона по граням усиляемой колонны 1 тщательно выравнивают скалыванием поврежденного бетона и зачеканкой цементным раствором. Предварительное напряжение соединительных и крепежных планок осуществляют термическим способом. Для этого соединительную планку 3 или крепежную планку 13 приваривают одной стороной к угловым стойкам 2 распорки, затем разогревают средний участок соединительной планки 11 газовой горелкой до (120±20)°C и в разогретом состоянии приваривают второй конец планки.

Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса. При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений усиливаемой колонны, - это существенно повышает ее несущую способность. Эффективным средством усиления нагруженных колонн здания является устройство преднапряженных стальных распорок: преднапряжение (60±20) МПа или (600±200) кгс/см². Шаг соединительных крепежных планок (болтов) в свету принят равным ширине грани сечения колонны (S₁=40 см; S₂=50 см).

Применение предложенной распорки для усиления колонны здания позволяют восстановить эксплуатационные свойства (несущую способность, огнестойкость) и улучшить качественные показатели: устройство просто в использовании и монтаже вследствие рационального использования прокатного металла; конструкция распорки снижает расходы металла на изготовление соединительных и крепежных планок в 3,5-4 раза; геометрические размеры поперечного сечения соединительных и крепежных планок приняты непосредственно по результатам расчета их на поперечную силу и изгиб (k_з=1,05-1,1); уменьшение габаритов поперечного сечения обоймы усиления колонны вследствие отсутствия выступов за наружние грани угловых стоек соединительных и крепежных планок распорок (при условии их стыкового сварного соединения); при конструировании сварных соединений внахлестку и встык приняты комплексные виды сварных швов (угловой лобовой, фланговый, шпоночный, стыковой, сварное точечное соединение в раззенкованные отверстия соединительных и крепежных планок). Высокий предел огнестойкости колонны, усиливаемой стальной обоймой, достигается применением конструктивной огнезащиты ее стальных элементов.

Предложенное устройство применено в строительной промышленности при усилении колонн жилого дома (с встроенным торговом залом на первом этаже), поврежденного продолжительным пожаром. Работы по обследованию сильно поврежденных колонн первого этажа высотой Н=3,8 м и выдача рекомендаций по восстановлению колонн проведены в кротчайшие сроки (г.Самара, 2011 г.).

Источники информации

1. Реконструкция зданий и сооружений; под ред. А.Л.Шагина; учебное пособие. - М.: Высш. шк., 1991, - 352 с. (см.п.10.5 Усиление колонн; рис.10.40, стр.182-183).

2. A.c. SU №100439, кл E04G 23/02. Способ усиления колонны./Н.М.Онуфриев (класс 37b, 3-03); заявка №9351/449 710 от 28.09.1953.

3. Рекомендации по усилению монолитных железобетонных конструкций зданий и сооружений предприятий горнодобывающей промышленности. - М.: Строиздат, 1974. - 96 с. (см. Усиление колонны преднапряженными распорками, п.6.9 стр.60-61; приложение 1, пример расчета, стр.79-81).

4. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л., М: Стройиздат, 1965. - 342 с. (см.22 Усиление колонн посредством преднапряженных распорок усиления; рис.83, стр.241-247; пример 20, рис.86, стр.252-256).