Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЯ

Изобретение относится к области строительства и может найти применение для повышения прочности, устойчивости и пространственной жесткости существующего здания с сильно поврежденной каменной кладкой.

Известен способ усиления крепления каменных стен здания, включающий устройство железобетонных балочных поясов по контуру стен в уровне перекрытия, путем укладки их в штробы (см. патент RU №918408, М. кл. - 3 E04G 23/00; E04H 9/02/ Марджанишвили М.А., Костриц А.И. и др. Способ усиления кирпичных стен. Заявл. 22.10.79; опубл. 07.04.82; Бюл №13 [1]).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение железобетонных балочных поясов увеличивает трудоемкость, массу стен и сроки восстановления здания, применение опалубки осложняет конструкцию крепления и повышает материальные затраты.

Известен способ крепления каменных стен здания, включающий установку разгружающих элементов в виде деревянных стоек с распорным устройством, которое располагают с внутренней и наружной сторон здания и связывают между собой натяжными болтами, горизонтальные элементы каркаса выполняют из деревянных брусьев, а горизонтальные связи жесткости выполняют в виде продольных, поперечных и пересекающихся тяжей (см. патент RU №2196868, МПК - 7 E04G 23/100/ Ильин Н.А., Кузнецов А.С. Способ усиления каменных конструкций здания. Заявл. СГАСУ 10.03.2000; опубл. 20.01.2003; Бюл №2) [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение деревянных элементов крепления снижает класс конструктивной пожарной безопасности стен здания, применение сложной конструкции крепления каменных стен увеличивает трудоемкость работ, их стоимость и сроки восстановления здания.

Известен способ крепления каменных стен здания, включающий сооружение за пределами внешних стен металлического или железобетонного каркаса, жестко соединенного в узлах на всю высоту вокруг здания с зазором относительно стен; горизонтальные пояса жесткости устраивают в уровнях перекрытий по всему периметру, закрепляя их на стенах здания через сквозные отверстия болтовыми соединениями (см. патент RU №2274718, МПК E04G 23/00 (2006.1 г.) / Белов М.В., Раевский А.Н. Способ реконструкции с усилением здания по всему периметру. Заявл. 25.05.2004, опубл. 20.04.2006; Бюл. №8) [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение сложной конструкции усиления увеличивает расход материалов, например стали на изготовление пространственного каркаса, повышает трудоемкость, сроки восстановления здания и материальные затраты.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ крепления каменных стен здания, который включает установку элементов крепления каменных стен напрягаемым поясом в виде продольных и поперечных стальных тяжей с приспособлением для их натяжения (см. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984. - 36 с. (Крепление стен напрягаемыми поясами; пп. 3.1÷3.5, рис. 6, с. 21÷22)) [4], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе принимают стальные тяжи ⌀ 20÷38 мм, которые натягивают посредством стяжных муфт. Такой способ крепления каменных стен здания ненадежен и существенно не повышает пространственную жесткость сильно поврежденных каменных стен; включение элементов напрягаемого пояса в работу сильно поврежденных каменных стен не полно, контроль натяжения элементов напрягаемого пояса затруднен.

Технический результат - повышение эксплуатационной надежности и роста пространственной жесткости в результате крепления сильно поврежденного здания; восстановление целостности совместной работы связанных между собой стен здания, повышение надежного включения балочного напрягаемого пояса в работу каменных стен здания, повышение жесткостных, прочностных и деформативных характеристик каменной кладки; повышение контроля натяжения прогонов балочного напрягаемого пояса, обеспечение замыкания раскрытых трещин в каменных стенах; сокращение трудозатрат и расхода стали на изготовление крепления, повышение показателей экономичности, долговечности и класса конструктивной пожарной безопасности стен здания.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемом способе крепления каменных стен здания, включающем установку продольных и поперечных элементов напрягаемого пояса и приспособления для их натяжения, особенностью является то, что вначале проводят технический осмотр и проверочные расчеты поврежденных стен здания по прочности, затем проектируют и изготовляют элементы напрягаемого пояса в виде балочных прогонов, оборудуя с одного конца опорной пластиной с отверстиями для размещения крепежных болтов, и устанавливают их на одном уровне по высоте стен здания; узел сочленения продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса выполняют из анкерного уголка и крепежных болтов, оборудуя их натяжными гайками; продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса перед включением их в работу устанавливают на уровне перекрытий здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями опорной пластины одного балочного прогона и поверхностью полки анкерного уголка смежного балочного прогона, затем, одновременно закручивая натяжные гайки крепежных болтов узлов сочленения, производят натяжение продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса по всему контуру здания, осуществляя его объемное обжатие.

Продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса выполняют в виде швеллера из облегченного стального проката или из стального облегченного профиля.

Опорные пластины каждого балочного прогона напрягаемого пояса соединяют со стенками и полками балочных прогонов, приваривая сваркой по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

Ширину b_ys, мм, и высоту h_ys, мм, анкерного уголка принимают соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

Величину 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 располагают безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся балочных прогонов напрягаемого пояса. Для предупреждения ослабевания натяжной гайки под нагрузкой, крепежные болты оборудуют контргайками и упругими шайбами.

Максимально допустимое усилие растяжения (N_s,max, кН) в балочном напрягаемом поясе определяют по алгебраическому выражению (2):

где b - толщина рабочего сечения каменной стены, см; L - длина каменной стены, см; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа (кгс/см²).

Балочные прогоны напрягаемого пояса по высоте здания устанавливают сначала снизу стены, к каждому последующему поясу переходят после натяжения предыдущего. Балочные прогоны напряженного пояса устанавливают в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.

Работы по креплению стен здания проводят независимо от температуры воздуха окружающей среды.

На фиг. 1 изображен фасад здания с креплениями поврежденных каменных стен балочными напрягаемыми поясами: 1 - здание; 2 - каменная стена; 3 - сквозная трещина в каменной кладке; 4 - балочный напрягаемый пояс, уложенный снаружи стены (узел - А); 5 - балочный напрягаемый пояс (уложенный в выемку, вырезанную в стенах здания, узел - Б).

На фиг. 2 изображен план здания, сечение А-А, с креплениями каменных стен балочными напрягаемыми поясами: 1 - здание, 2 - каменная стена, 3 - сквозная трещина в каменной кладке, 4 - балочный напрягаемый пояс, уложенный с наружи стены (узел - А); 6 - продольный балочный прогон.

На фиг. 3 изображен узел сопряжения продольного и поперечного прогонов балочного напрягаемого пояса, исполнение первое (анкерный уголок тесно соединяют с прогоном): 2 - каменная стена; 6 - продольный балочный прогон; 7 - поперечный балочный 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 - рабочие зазоры.

На фиг. 4 изображен узел Б сопряжения продольного и поперечного балочных прогонов напрягаемого пояса, исполнение второе (анкерный уголок вставляют плавающим в процессе монтажа прогонов: 2 - каменная стена; 6 - продольный балочный прогон; 7 - поперечный балочный 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; Z₂ - рабочий зазор.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого способа с получением указанного выше технического результата

Пример конкретного выполнения. Осмотром существующего здания установлено: 3-х этажное здание размером в плане 12×18 м; толщина кирпичной кладки стен 64 см; кладка с сетью параболических трещин, расширяющихся кверху и наклонных к краям здания; марка раствора каменной кладки М-35, расчетное сопротивление кладки срезу 0,3 МПа (3 кгс /см²); прогоны крепления из облегченных швеллеров №18; опорные пластины из толстолистовой стали 10 мм; анкерные уголки из прокатного профиля 70×70 мм; крепежные болты ⌀ 20 мм (класс точности В; класс по прочности 8.8).

Крепление каменных стен здания толщиной 640 мм балочным напрягаемым поясом содержит пару продольных прогонов - 6 и пару поперечных балочных прогонов - 7, опорные пластины - 8, анкерный уголок - 9, крепежный болт - 12, натяжные гайки - 13 и упругие шайбы - 14.

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 опорной 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 опорной пластины); анкерный уголок 9 выполнен из разнопологоуголкового профиля - с размерами сечения b×δ=70×8 мм (здесь b×δ - ширина и толщина полки), высотой h=180 мм, площадь сечения A₁=10,7 см²; анкерный уголок имеет ребро жесткости - 11 и снабжен двумя отверстиями ⌀ 21 мм в одной полке уголка, двумя крепежными болтами ⌀ 20 мм, крепежные болты 12 с шестигранной головкой класса В (нормальной точности), упругие шайбы 14 с диаметром отверстия d₁=21 мм; натяжные гайки 13 шестигранные высокие (H=16 мм) класса точности В диаметром резьбы d=20 мм.

Балочный напрягаемый пояс замкнут по контуру здания и установлен в плоскости подвального перекрытия с углублением в кирпичную стену, толщиной B=640 мм, выемка в стене имеет размеры h₁×b₁=190×80 мм (здесь h₁×b₁ - высота и глубина выемки, вырезанной 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, МПа; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа; L - длина поперечного прогона балочного напрягаемого пояса, см; В_ус - толщина каменной стены, усеченной выемкой, см (В_ус=B-b₁=64-8=56 см).

При марке раствора кирпичной кладки М=35 расчетное сопротивление срезу R_sg=0,3 МПа (3 кгс/см²), длина поперечного балочного прогона L_mjn=1200 см и расчетная толщина усеченной каменной стены В_ус=56 см, наибольше допустимое усилие в напрягаемом балочном прогоне равно

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

Конструктивно принято 2 крепежных болта ⌀ 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) - 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, расстояние от обушка до центра отверстия в уголке); расчетная длина сварного шва полки анкерного уголка lω≥30 мм, принято lω=80 мм; длина анкерного уголка l_уг=h=180 мм; анкерный уголок усилен ребром жесткости толщиной 8 мм.

Рабочий зазор вычисляют по алгебраическому выражению (1):

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

Затем продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого 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 9. Натяжение прогонов осуществляют одновременным закручиванием натяжных гаек 13 по всему контуру балочного напрягаемого пояса, уложенного в выемку, вырезанную в стенах здания 5, убирая рабочий зазор между торцами прогонов. Этим обеспечивают натяжение элементов крепления.

Применение предложенного способа 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 поясом; крепление надежно при его эксплуатации, обладая необходимой жесткостью и несущей способностью.

Предложенное крепление использовано при усилении и реконструкции строительных объектов г. Самара (2010-2014 гг.).

Источники информации

1. Патент RU №918408, М. Кл. - 3 E04G 23/00, E04H 9/02/ Марджанишвилли М.А., Костриц А.И. др. Способ усиления кирпичных стен. Заявл. 22.10.79, опубл. 07.04.82; Бюл. №13.

2. Патент RU, №2196868 МПК-7 E04G 23/00 Ильин Н.А., Кузнецов А.С. Способ усиления каменных конструкций здания. Заявл. СГАСУ 10.03.2000; опубл. 20.01.2003; Бюл. №2.

3. Патент RU №2274718, МПК E04G 23/00 (2006.1), Белов М.В., Раевский А.Н. Способ реконструкции с усилением здания по всему периметру. Заявл. 25.05.2004, опубл. 20.04.2006; Бюл. №8.

4. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984. - 36 с. (с. 21-22, рис. 6).