Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАСПОРОК ДЛЯ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ ЗДАНИЯ

Изобретение относится к строительству и касается способа изготовления распорок для усиления (ремонта, реставрации и реконструкции) бетонных, железобетонных и каменных колонн здания.

Известен способ изготовления распорок для усиления колонны, который включает пару ненапрягаемых распорок металлической обоймы, при этом каждую распорку выполняют из двух уголков, которые устанавливают по граням колонны и соединительных планок между ними. Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. Металлическую обойму выполняют как самостоятельную систему 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 способа изготовления распорок стальной обоймы для усиления колонны, относится то, что в известном способе изготовления используют 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 принимают конструктивно, с большим коэффициентом запаса по несущей способности (k₃≥3); фактическая огнестойкость колонны, усиливаемой стальной обоймой, не высока вследствие отсутствия конструктивной огнезащиты ее металлических элементов.

Известен способ изготовления распорок для усиления колонны предварительно напряженными металлическими профильными элементами (распорками); / А.с. 100439 SU, Кл E04G 23/02. Способ усиления колонны/Н.М. Онуфриев (класс 37b, 3-03); заявка №9351449 710 от 28.09.1953/[2].

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

Известен способ изготовления распорок для усиления колонны, который 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 (принимают по конструктивным соображениям); здесь же приводят 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 способа изготовления относится то, что в известном способе изготовления распорок усиления применяют весьма громоздкое и металлоемкое устройство, так как стальная обойма имеет большие габариты в плане вследствие выступа соединительных планок за наружние грани угловых стоек распорок; размеры сечения соединительных планок принимают конструктивно, с большим перерасходом строительной стали.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ изготовления распорок для усиления колонны, включающий стальные преднапряженные распорки (две пары), соединительные планки, упорные уголки, планки - упоры, крепежные монтажные болты; при этом соединительные планки, выполняют из конструктивных соображений (из толстолистовой стали толщиной δ≥6 мм; шириной b=80 мм), натяжные болты ⌀20 мм; проектирование составных сжатых элементов их уголков выполняют как сплошно-стенчатых при условии, что наибольшее расстояние на участках между приваренными планками (в свету) не превышают S_u≤40·τ_х; (где τ_х - радиус инерции равнополочного уголка угловой стойки); проектирование соединительных планок выполняют 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], - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления распорок для усиления колонны, принятого за прототип, относится то, что известный способ включает изготовление металлоемкого и громоздкого усиления вследствие увеличения габаритов обоймы в плане из-за выступа за наружние грани угловых стоек распорок соединительных планок, геометрические размеры которых принимают по конструктивным соображениям с коэффициентом запаса k₃≥3 (перерасход прокатной стали по массе в 3,5-4 раза); элементы стальной обоймы проектируют и изготовляют 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_х, - здесь S_min - минимальный шаг планок, см; τ_х - радиус инерции равнополочного уголка, см); при конструировании сварных соединений не учитывают 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 способа изготовления 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 способа изготовления распорок усиления колонны здания, уменьшение габаритов стальной обоймы 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 внахлест; повышение качества и надежности работы сварных соединений; снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления распорок для усиления колонны; повышение степени огнезащиты металлических элементов стальной обоймы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления распорок для усиления колонны здания, включающем проведение технического осмотра и поверочного расчета усиливаемой колонны, проектирование, изготовление и установку опорных и упорных углов, угловых стоек, соединительных и крепежных планок, натяжного узла, напрягающего распорки с регулируемым усилием с последующим обжатием и бетонированием, а также сочленение угловых стоек и соединительных пластин сварным соединением внахлест с использованием углового сварного шва по торцам соединительной планки, особенностью является то, что что каждую соединительную планку распорки выполняют в виде стальной пластины, размеры и форму концевого участка которой принимают из условия несущей способности сварного соединения с угловой стойкой распорки и условия размещения сварного соединения встык или внахлест, рассчитанного на сдвиг и изгиб; размеры поперечного сечения среднего участка соединительной планки распорки принимают из условия прочности планки на изгиб.

Концевой участок соединительной планки выполняют в виде тавра. Концевой участок соединительной планки выполняют с вырезкой в виде прямоугольника, треугольника, полукруга. Концевой участок соединительной планки выполняют с раззенкованными отверстиями для точечного сварного соединения с угловой стойкой распорки. Соединительную планку выполняют укороченной в виде пластины, установленной между торцами перьев уголка уголковых стоек распорки и скрепленной с помощью стыковых сварных швов. Соединительную планку выполняют из отрезка листа просечно - вытяжной стали.

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

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

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

Сварное соединение угловой стойки распорки с соединительной планкой выполняют 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, выполняют в виде шпоночного шва длиной l≥50 мм.

Соединительную планку, при использовании сварного стыкового шва, выполняют с большой высотой с отверстиями для пропуска бетона или строительного раствора усиления колонны.

На чертежах представлено:

На фиг.1 изображена конструкция распорок 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; Z₀ - 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 распорок для усиления колонны: 2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 4 - угловой сварной шов; 14 - угловой сварной шов (с тыльной стороны); (обозначения Z₀, С и ц.т. приведены в подрисуночной подписи к фиг.1);

На фиг.3 и 4 изображено соединение веток угловой стойки распорок с соединительной планкой в виде сварного стыкового шва между перьями угловых стоек распорок и торцами соединительной планки (поперечный разрез соединения - сечение Б-Б): 2 - угловая стойка; 3 - соединительная планка; 6 - стыковой сварной шов; (l₀ - укороченная длина соединительной планки, 5 - 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; (10 - укороченная длина планки, 8 - толщина планки; l_ш - длина сварного шва);

На фиг.7 и 8 изображено соединение внахлест 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 планки; 11 - средний участок планки;

На фиг.9 изображено соединение внахлестку угловой стойки и соединительной планки путем наложения угловых сварных швов с лицевой и тыльной стороны: 4 - угловой сварной шов; 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: 4 - угловой сварной шов; 5 - фланговый сварной шов; 9 - шпоночный шов; 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 Z₀=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 с фронтальной и тыльной стороны планки длиной 1_уг=8 см каждый, плюс один угловой фланговый шов длиной 1_фл=6 см; всего на каждом концевом участке соединительной планки длина комплексного шва равна:

1_ш=2·1_уг+1_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 распорок 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 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. Шаг соединительных крепежных планок (болтов) в свету принят равным ширине грани сечения колонны (S₁=40 см; S₂=50 см).

Применение предложенного способа изготовления распорок для усиления колонны здания позволяют восстановить эксплуатационные свойства (несущую способность, огнестойкость) и улучшить качественные показатели: способ изготовления прост 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 принимают непосредственно по результатам расчета их на поперечную силу и изгиб (k₃=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 внахлест и встык принимают 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, достигают применением конструктивной огнезащиты ее стальных элементов.

Предложенный способ изготовления распорок усиления колонны применен в строительной промышленности при усилении колонн жилого дома (с встроенным торговом залом на первом этаже), поврежденного пожаром (t=1000±50°C; τ=120 мин). Работы по обследованию сильно поврежденных несущих конструкций первого этажа высотой Н=3,8 м и выдача экспертами СГАСУ 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 37 b,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 И.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)