КОНСТРУКЦИЯ КРЕПЛЕНИЯ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЯ

Изобретение относится к области строительства и может быть использована при ремонте, усилении и реконструкции зданий, более конкретно для исправления тяжелых повреждений и увеличения пространственной жесткости каменных стен здания.

Известно крепление каменных стен здания, включающее каркас из парных вертикальных элементов, расположенных с обеих сторон стен здания и связанных между собой стяжными болтами, проходящими через сквозные отверстия в стене, пояса жесткости и ограждающую сетку (см. А.с. SU №1838551, E04G 23/00. Устройство усиления зданий и сооружений кирпичной или каменной кладки. Жуков А.П., Горюнов Г.В., Макулин И.С. и др. опубл. 30.08.93; Бюл. №32) [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве применена громоздкая и сложная конструкция усиления, частое расположение поперечных связей - стяжных болтов, ведет к пробиванию значительного числа отверстий в стене и ее дополнительному ослаблению.

Известно крепление каменных стен зданий, включающее деревянный каркас усиления, состоящий из стержневых вертикальных и горизонтальных элементов, выполненных из неразрезных деревянных прогонов, установленных с обеих сторон стены (см. Патент RU №2150557, МПК-7 E04G 23/00. Устройство усиления каменных конструкций / Ильин Н.А. опубл. 10.06.2000; Бюл. №16) [2].

К причинам препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного крепления, относится то, что в известном креплении применена громоздкая и сложная конструкция усиления, применение древесины в качестве материала для крепления стен приводит к снижению класса конструктивной пожарной безопасности здания.

Наиболее близким техническим решением к полезной модели по совокупности признаков является крепление ослабленных, поврежденных каменных стен здания, включающее продольные и поперечные стальные тяжи из круглой стали Ø 20÷38 мм, приваренные к отрезкам уголков, установленных по углам здания; натяжение тяжей произведено стяжными муфтами по всему контуру здания (см. "Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений". - М.: Стройиздат, 1984, - 36 с. (пп. 3.1÷3,5 рис. 6,б; с. 21-22)) [3] - взято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного крепления, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве применены малоэффективные стальные тяжи круглого сечения Ø 20÷38 мм, которые не плотно прижаты к поверхности каменных стен здания, стяжные муфты трудоемки в изготовлении и не соответствуют требованиям контроля натяжения стальных тяжей, соединение муфтами несовершенно для включения в работу элементов крепления и не обеспечивает пространственную жесткость здания, натяжные пояса имеют малое тяговое усилие (до 50 кН).

Сущность изобретения заключается в повышении несущей способности каменных стен, получивших тяжелые повреждения, и в обеспечении пространственной жесткости здания.

Технический результат - повышение эксплуатационной надежности существующего здания; обеспечение пространственной жесткости реконструируемого здания; обеспечение целостности совместной работы связанных между собой продольных и поперечных стен здания; повышение надежного включения балочного напряженного пояса в работу каменных стен здания; повышение прочности и деформативных характеристик каменной кладки; сокращение трудозатрат и расхода стали на изготовление крепления; обеспечение контроля натяжных прогонов балочного напряженного пояса и замыкания раскрытых трещин в каменных стенах здания; увеличение показателей экономичности, долговечности и конструктивной пожарной безопасности крепления каменных стен здания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной конструкции крепления каменных стен здания, содержащей продольные и поперечные стальные тяжи, узел для их сочленения и натяжения, особенностью является то, что стальные тяжи выполнены в виде прогонов балочного напряженного пояса с опорными пластинами на концах, узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса состоит из анкерного уголка и крепежных болтов, снабженных натяжными гайками; продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса установлены на одном уровне стен здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями, при этом одновременное закручивание натяжных гаек крепежных болтов узлов сочленения производит натяжение продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса по всему контуру, осуществляя объемное обжатие здания.

Продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде швеллера из облегченного стального проката.

Продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде прямоугольной трубы из гнуто-сварного профиля.

Каждый прогон балочного напряженного пояса с обоих концов оборудован опорными пластинами с жестким прикреплением к ним крепежных болтов.

Каждый прогон балочного напряженного пояса оборудован с одного конца опорной пластиной, снабженной отверстиями для размещения крепежных болтов, с другого конца прогон оборудован опорной пластиной в виде одной полки анкерного уголка, другая полка анкерного уголка снабжена отверстиями для размещения крепежных болтов.

Каждый узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса снабжен плавающим при монтаже анкерным уголком, который обеспечен отверстиями для размещения крепежных болтов.

Опорные пластины каждого прогона балочного напряженного пояса соединены со стенками и полками прогонов сварным швом по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

Ширина b_уs, мм, и высота h_ys, мм, анкерного уголка приняты соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

Величина рабочего зазора Z, мм, между сочленяющимися поверхностями опорной пластины и полки анкерного уголка определяют по алгебраическому выражению (1):

где Z - величина рабочего зазора, мм; L_min - длина поперечного прогона, мм; σ_st - напряжение растяжения в сечении прогона от тягового усилия, МПа; E_s - модуль упругости стали, МПа.

Крепежные болты расположены безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся прогонов балочного напряженного пояса. Диаметры крепежных болтов и их количество приняты по расчету в зависимости от величины тягового усилия в прогонах балочного напряженного пояса. Крепежные болты оборудованы контргайками и упругими шайбами.

Анкерный уголок для сопряжения прогонов снабжен ребром жесткости.

Прогоны напряженного пояса установлены в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.

На фиг. 1 и 2 изображены фасад (фиг. 1) и план (сечение A-A, фиг. 2) здания с креплениями каменных стен балочными натяжными поясами: 1 - здание; 2 - каменная стена; 3 - трещина в каменной кладке; 4 - балочный натяжной пояс снаружи стен; 5 - балочный напряженный пояс в выемке в стене.

На фиг. 3 и 4 изображены узлы сопряжения продольного и поперечного балочного напряженного пояса - исполнение первое (фиг. 3), исполнение второе (фиг. 4): 2 - каменная стена; 6 - продольный прогон; 7 - поперечный прогон; 8 - опорная пластина; 9 - анкерный уголок; 10 - полка анкерного уголка; 11 - ребро жесткости анкерного уголка; 12 - крепежный болт; 13 - натяжная гайка; 14 - упругая шайба; Z₁; Z₂ и Z₃ - рабочий зазор. Узел А - сочленяющиеся прогоны расположены с наружных стен здания; Узел Б - выемки стены здания. Исполнение первое - анкерный уголок жестко соединен с прогоном; исполнение второе - анкерный уголок выполнен плавающим в процессе монтажа прогонов.

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

Пример конкретного выполнения. Конструкция крепления каменных стен здания толщиной 640 мм балочным напряженным поясом содержит пару продольных прогонов - 6 и пару поперечных прогонов - 7, опорные пластины - 8, анкерный уголок - 9, крепежные болты - 12, натяжные гайки - 13 и упругие шайбы - 14.

Продольные и поперечные прогоны - длиной L=18 и 12 м выполнены из облегченных швеллеров №18 с размерами поперечного сечения h×b×d=180×70×5,1×3,7 мм, здесь h×b×d - высота, ширина и толщина пластины); площадь сечения A=20,7 см²; опорные пластины - 8 выполнены из толстолистовой стали размером h×b×d=160×65×10 мм (здесь h×b×d - высота, ширина и толщина пластины); анкерный уголок - 9 выполнен из равнопологого уголкового профиля - с размерами сечения b×δ=70×8 мм (здесь b×b - ширина и толщина полки), высотой h=180 мм, площадь сечения A₁=10,7 см²; анкерный уголок - 9 имеет ребро жесткости и снабжен двумя отверстиями Ø 21 мм в полке уголка и двумя крепежными болтами Ø 20 мм, болты с шестигранной головкой класса В (нормальной точности), шайбы с диаметром отверстия d₁=21 мм; натяжные гайки - 13 шестигранные высокие (H=16 мм) класса точности В диаметром резьбы d=20 мм.

Балочный напряженный пояс замкнут по контуру здания и установлен в плоскости подвального перекрытия с углублением в кирпичную стену толщиной B=640 мм выемки размерами h₁×b₁=190×80 мм; (здесь h₁×b₁ - высота и глубина выемки в стене).

Максимально допустимое усилие в напрягаемом поясе определено по алгебраическому выражению (2):

где N_T,max - максимально допустимое усилие в крепежных болтах узла сочленения, MПa; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа; L - длина поперечного прогона балочного напряженного пояса, см; B_ус - толщина каменной стены, усеченной штрабой, см; (B_ус=B-b₁=64-8=56 см).

При марке раствора кирпичной кладки M=35, расчетном сопротивлении срезу R_sg=0,3 МПа (3 кгс/см²), длине поперечного прогона L_min=1200 см и расчетной толщине усеченной каменной стены B_ус=56 см наибольшее допустимое усилие в напряженном прогоне равно

N_T,mах=0,15·3·1200·56=30240 кгс≈30 т.с.

Конструктивно принято 2 крепежных болта Ø 20 мм, площадь сечения болтов A_bn=2·3,142=6,28 см²; для болтов класса по прочности 8.8 сопротивление на растяжение R_bt=400 МПа (4000 кгс/см²), отсюда расчетное усилие в болтах N_b=A_bn·R_bt=6,28·4000=25140 кгс≈25 т с<30 т с.

Напряжения растяжения в сечении поперечного прогона равно

σ_рас=N_b/A=25140/20,7=1215 кгс/см² (121,5 МПа).

Из расчета на прочность: применяют анкерный уголок в виде отрезка уголкового профиля b×b×δ=100×100×8 мм; e=55 мм; (здесь b, δ, e - соответственно ширина и толщина полки, e - расстояние от обушка до центра отверстия в уголке); расчетная длина сварного шва полки уголка lω≥30 мм; принято lω=80 мм; длина анкерного уголка l_уг=h=180 мм; анкерный уголок усилен ребром жесткости толщиной 8 мм.

Величина рабочего зазора вычислена по алгебраическому выражению (1)

Z=L_min·(σ_st/E_s)=1200·(1215/2·10⁶)=0,73 см≈7 мм.

Введение элементов крепления в работу производят следующим образом: изготавливают в мастерских продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса, по торцам которых устанавливают опорные пластины - 8, с одного конца к опорной пластине приваривают анкерный уголок - 9, на другом - высверливают два отверстия Ø 21 мм под крепежные болты - 12.

Затем продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса укладывают в штрабу, пропуская крепежные болты - 12 в отверстия анкерного уголка - 9, натяжными гайками - 13 подтягивают сочленяющиеся прогоны, создавая рабочий зазор Z=7 мм между опорной пластиной - 8 и полкой анкерного уголка - 10.

Натяжение прогонов осуществляют одновременным затягиванием натяжных гаек - 13 по всему контуру балочного напряженного пояса, убирая рабочий зазор между торцами прогонов. Этим обеспечивают натяжение элементов крепления.

Применение предложенного крепления каменных стен здания позволяет улучшить качественные показатели: элементы крепления просты в изготовлении и монтаже вследствие рационального использования прокатного металла, минимального числа деталей и отсутствия проведения сварочных работ на высоте; устройство крепления многоцелевого назначения, так как оно одновременно разгружает и исправляет каменные стены здания, а также обжимает каменную кладку балочным напряженным поясом; крепление надежно при его эксплуатации, обладает необходимой жесткостью и несущей способностью.

Предложенная конструкция крепления использована при усилении и реконструкции строительных объектов г. о. Самара (2010-2014 гг.).

Источники информации

1. А.с. SU №1838551, МКИ-5 E04G 23/00. Устройство усиления зданий и сооружений кирпичной или каменной кладки / Жуков А.П., Горюнов Г.В., Макулин И.С., и др.; опубл. 30.08.1993; Бюл. №32.

2. Патент RU №2150557, МПК-7 E04G 23/00. Устройство усиления каменных конструкций / Ильин Н.А.; опубл. 10.06.2000; Бюл. №16.

3. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984, - 36 с. (пп. 3.1÷3.5, рис. 6,б; с. 21÷22).