Усиление и восстановление отдельных элементов

— Усиление сжатых элементов обоймами исердечниками

Восстановление и усиление отдельных элементов зданий из каменной кладки (столбов, простенков, перемычек, участков перекрытий отдельных участков стен и узлов их сопряжений) в зависимости от технического состояния кладки, установленного при обследовании, сводится к трем основным случаям:

1. Несущая способность кладки с учетом имеющихся ослаблений достаточна. Повреждения кладки незначительные, общее состояние кладки работоспособное, снижение несущей способности не более 15% от первоначальной.

В этом случае проведение особых конструктивных мероприятий по восстановлению не требуется. Имеющиеся трещины заделываются раствором.

2. Несущая способность кладки по расчету достаточна и усиления не требуется, но ослабление кладки превышает 1/3 первоначальной прочности, имеет место значительное расслоение кладки и большое количество трещин. Техническое состояние кладки оценивается как ограниченно работоспособное.

В этом случае производится восстановление путем местной перекладки захваченного глубокими трещинами участка стен, мелкие трещины затираются раствором. При сквозных трещинах перекладка ведется по очереди с двух сторон на толщину половины кирпича с каждой стороны. Столбы и простенки оштукатуриваются по конструктивной сетке из арматурной стали диаметром 4…6 мм с ячейками 15x15 см.

3. Несущая способность каменных элементов недостаточна, их техническое состояние оценивается как недопустимое (неработоспособное), требуется выполнение усиления.

Одним из наиболее эффективных методов повышения несущей способности существующей каменной кладки является включение ее в обойму. В этом случае кладка работает в условиях ограничения поперечных деформаций, а при использовании напряженных поперечных элементов обоймы – в условиях всестороннего сжатия, что существенно повышает сопротивление кладки воздействию продольной силы.

Устройство обойм повышает несущую способность кладки в 1,25÷2,5 раза при незначительных трудозатратах. Обоймами усиливают как отдельные конструктивные элементы (столбы, простенки) (рис. 4), так и участки стен, работающие на центральное и внецентренное сжатие (рис. 5).

Наряду с традиционными решениями усиления каменной кладки всë более широкое применение находит метод усиления с использованием композитных материалов, который в ряде случаев является более эффективным. Основой технологии является инъектирование имеющихся трещин специальными растворами, выравнивание поверхности в зоне наклейки лент из углеродистых или стеклянных волокон, создание бандажей из композитных материалов с наружной и, при необходимости, с внутренней поверхности (при наличии сквозных трещин). Созданные таким образом бандажи включают в работу большую зону кирпичной кладки (рис. 5, г, 5, в).

Рис. 4. Усиление каменных конструкций устройством обоймы: а – стальной, при соотношении сторон сечения меньше 1:2; б – то же, при соотношении сторон сечения больше 1:2; в – железобетонной и растворной; г – бандажами из углеволокна; 1 – хомуты (планки) из круглой или полосовой стали; 2 – уголки; 3 – промежуточные вертикальные планки из полосовой стали; 4 – стяжные болты; 5 – слой цементно-песчаного раствора; 6 – вертикальная арматура обоймы; 7 – сварные хомуты обоймы; 8 – растворная или железобетонная обойма; 9 – усиливаемый каменный элемент; 10 – слой цементно-песчаного раствора

Рис. 5. Усиление стен обоймами: а – железобетонной; б – штукатурной предварительно-напряженной; 1 – усиливаемая стена; 2 – арматурные стержни Ø10÷14 мм; 3 – хомуты-связи Ø10 мм; 4 – отверстия в стене; 5 – арматурные сетки, привязанные к арматурным стержням; 6 – бетон обоймы; 7 – стальные пластины с отверстиями для тяжей; 8 – тяжи-связи; 9 – арматурные стержни, приваренные к пластинам и попарно стянутые; 10 – сжимы; 11 – штукатурка из цементно-песчаного раствора

Применяют четыре основных вида обойм: стальные, железобетонные, армированные растворные и из угле- и стекловолокна.

Основными факторами, влияющими на эффективность обойм, являются: процент поперечного армирования обоймы (хомутами), класс бетона или марка штукатурного раствора и состояние кладки, а также схема передачи усилия на конструкцию.

С увеличением процента армирования хомутами прирост прочности кладки растет не пропорционально, а по затухающей кривой.

Опытами установлено, что кирпичные столбы и простенки, имеющие трещины, а затем усиленные обоймами, полностью восстанавливают свою несущую способность.

Стальная обойма состоит из вертикальных уголков устанавливаемых на растворе по углам очищенного от штукатурного слоя усиливаемого элемента, и хомутов из полосовой стали или круглых стержней, приваренных к уголкам. Расстояние между хомутами должно быть не более меньшего размера сечения и не более 50 см (рис. 4, а, б). Для включения обоймы в работу зазоры между кладкой и уголками зачеканиваются или инъцируются цементно-песчаным раствором. Стальная обойма должна быть защищена от коррозии слоем цементно-песчаного раствора толщиной 25÷30 мм. Для надежного сцепления раствора стальные уголки закрываются металлической сеткой.

Наряду с обычной стальной обоймой усиление каменных конструкций может выполняться обоймой с предварительным напряжением только поперечных хомутов или с преднапряжением поперечных хомутов и продольных стальных уголков. Обоймы по конструктивному исполнению могут быть навесными и работающими как обоймы-стойки. Несущая способность сжатых элементов из каменной кладки, усиленных предварительно напрягаемыми стальными навесными обоймами равна

а обоймами-стойками

где n – число уголков, непосредственно воспринимающих эксплуатационную нагрузку; N_sl–значение эксплуатационной нагрузки на усиливаемый элемент на период обследования; m_g–коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки [76]; – коэффициент продольного изгиба [76]; - приращение несущей способности усиленного элемента; - несущая способность металлических уголков, принимаемая

N₁ – несущая способность вертикальных уголков обоймы-стойки из условия устойчивости в точке приложения усилий от поперечных хомутов;

N₂ – то же из условия устойчивости на участке между поперечными хомутами.

При выполнении расчетов усиления учитывать потери предварительных

напряжений от усадки раствора между обоймой и кладкой, от релаксации, от деформации обжатия кладки по плоскости трещины. Минимальное значение усилия предварительного напряжения хомутов определяется из условия совместности работы каменной кладки и стальной обоймы.

Условия, при выполнении которых предварительное напряжение создается только в поперечных стержнях, а когда в стальных уголках, а также более подробные сведения по проектированию рассматриваемых обойм приведены в [585].

Железобетонная обоймавыполняется из бетона классов В12.5÷В15 с армированием вертикальными стержнями и сварными хомутами. Расстояние между хомутами должно быть не более 15 см. Толщина обоймы назначается по расчету и принимается от 6 до 10 см (рис. 4, в; рис. 5, а)

Обойма из раствораармируется аналогично железобетонной, но вместо бетона арматура покрывается слоем цементно-песчаного раствора марок М50÷М100 (рис. 4, в).

Обойма из композиционных материаловна основе специальных стекло-, арамидных и углеродных волокон, наклеиваемых на усиливаемый элемент специальными клеящими составами (рис. 4, г).

Расчет конструкций из кирпичной кладки, усиленных обоймами, при центральном и внецентренном сжатии при эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения, производится по формулам:

при стальной обойме

; (1)

при железобетонной обойме

; (2)

при армированной растворной обойме

; (3)

при обойме из углеволокна [508]

(4)

Коэффициенты y и h принимаются: при центральном сжатии y = 1, h = 1; при внецентренном сжатии (по аналогии с внецентренно сжатыми элементами с сетчатым армированием):

; . (5)

В формулах (1)… (4):

N - продольная сила;

A - площадь сечения усиливаемой кладки;

A^/_s - площадь сечения продольных уголков стальной обоймы или продольной арматуры железобетонной обоймы;

A_b - площадь сечения бетона обоймы, заключенная между хомутами и кладкой (без учета защитного слоя);

R_sw - расчетное сопротивление поперечной арматуры обоймы;

R_sc - расчетное сопротивление уголков или продольной сжатой арматуры;

j - коэффициент продольного изгиба (при определении j значение a принимается как для неусиленной кладки);

m_g - коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки;

m_k - коэффициент условий работы кладки, принимаемый равным 1 для кладки без повреждений и 0,7 - для кладки с трещинами;

m_b - коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным 1 - при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу обоймы, 0,7 - при передаче нагрузки на обойму и отсутствии опоры снизу обоймы и 0,35 - без непосредственной передачи нагрузки на обойму;

m - процент армирования хомутами и поперечными планками, определяемый по формуле:

, (6)

где A_s - площадь поперечного сечения хомута или планки;

h,b - размеры сторон усиливаемого элемента;

s - расстояние между осями планок при стальных обоймах (h ³ s £ b, но не более 50 см) или между хомутами при железобетонных и штукатурных обоймах (s £ 15 см).

Учитывая, что при дискретном усилении каменных элементов (столбов, простенков) полосами из углеволокна, элементы усиления располагаются не в объеме кладки, как при усилении сетками, а по её наружной поверхности, вводится коэффициент поверхностного армирования кладки

(7)

где – коэффициент поверхностного армирования кладки; S_арм – площадь поперечного сечения полосы из углеволокна толщиной , определяемая по формуле (рис. 4, г)

- площадь участка длинной стороны усиливаемого элемента, приходящаяся на одну полосу из углеволокна, определяемая по формуле (рис. 4, г)

Несущая способность сжатого элемента из каменной кладки может быть оценена по условию (ООО «СК Практик»)

(8)

где - процент армирования кладки углехолстом сечением A_carbone при размерах сечения кладки h b и расстоянием между осями бандажей по высоте кладки s;

k₁, k₂– коэффициенты, учитывающие склеиваемость холста (k₁=0,9) и дефекты работы (k₂=0,8);

h – толщина простенка (стены);

b – ширина простенка.

Соединительные планки стальных обойм рассчитывают как элементы безраскосных ферм [24, 38]:

- на силу, срезывающую планки:

(9)

- на момент, изгибающий планку в плоскости:

, (10)

где - условная поперечная сила, определяемая по формуле (23)* [24];

- шаг планок;

- расстояние между осями ветвей.

Условная поперечная сила ориентировочно определяется:

- для низкоуглеродистой стали:

, (11)

- для низколегированной стали:

, (12)

где - сечение ветви.

Сварные швы крепления планок к ветвям проверяют на совместное действие срезывающих и изгибающих усилий:

, где , , (13)

где , - катет и длина сварного шва;

- коэффициент условий работы шва;

- расчетное сопротивление шва срезу.

С увеличением размеров сечения (ширины) элементов при соотношении их сторон от 1:1 до 1:2,0 эффективность обойм несколько снижается, однако снижение незначительное, его можно не учитывать.

Когда соотношение сторон сечения элемента превышает указанную выше величину (широкие простенки, стены и т.п.), необходима установка дополнительных поперечных связей, пропускаемых через кладку и располагаемых по длине сечения на расстоянии не более и не более 100 см, где - толщина стены. По высоте стен расстояние между связями должно быть не более 75 см (рис. 5, б). Связи должны быть надежно соединены со стальными элементами обоймы. Расчет дополнительных поперечных связей производится по формуле (3), при этом коэффициент условий работы связей принимается равным 0,5.

Усиление поврежденных элементов обоймами рекомендуется вести с последующей инъекцией поврежденной трещинами кладки цементным раствором, что обеспечивает наиболее высокую несущую способность конструкций.

На рис. 6, 7 показано усиление столбов из кирпичной кладки, выполненное в музее-заповеднике, являющимся памятником русской архитектуры второй половины XVIII века. Целью усиления являлось устранение повреждений и повышение их несущей способности. Усиление столбов осуществлялось по специально разработанному проекту с выполнением следующих работ [508]:

- инъецирование раствора в трещины кладки;

- разметку поверхности столбов в соответствии с проектом;

- очистку поверхности кладки от отслаивающихся частиц;

- выравнивание очищенной поверхности кладки столбов безусадочной шпатлевкой для реставрации;

- раскройку углеволокна фирмы «Sika» - «SikaWrapHex230C» на полосы проектной ширины;

- приклеивание элементов внешнего армирования из углеволокна с помощью клея «Sikadur 330».

Наряду с описанными методами усиления как отдельно стоящих каменных элементов (столбов, простенков), так и стен, с целью повышения несущей способности, возможно их усиление устройством обойм из сборных плитных железобетонных элементов. Соединение элементов обойм может быть в различных вариантах (рис. 8).

Основным требованием при устройстве таких обойм для эффективного включения их в работу является тщательное заполнение зазоров между обоймой и поверхностью усиливаемого элемента цементно-песчаным раствором.

Рис. 6. Общий вид столбов из кирпичной кладки с повреждениями трещинами

а

б

Рис. 7. Усиление столбов из кирпичной кладки в реконструируемом здании:

а – выравнивание поверхности кирпичной кладки столбов шпатлевкой; б – усиление столбов бандажами из углеволокна

Рис. 8. Усиление столбов и стен из каменной кладки обоймами из сборных железобетонных элементов: а – усиление столбов с соединением плит обоймы на сварке закладных деталей; б – то же с омоноличиванием петлевых выпусков; в – то же с соединением плит обоймы на сварке выпусков арматуры и омоноличивания ; г – усиление стен; 1 – усиливаемый столб; 2 – сборные железобетонные плиты обоймы; 3 – закладные детали в плитах обоймы; 4 – накладка на сварке; 5 – цементно-песчаный раствор; 6 – петлевые выпуски арматуры из плит; 7 – вертикальные арматурные стержни; 8 – обетонирование стыка; 9 – сборные железобетонные уголковые плиты обоймы; 10 – выпуски арматуры из плит обоймы; 11 – сварка выпусков арматуры; 12 – усиливаемая стена из каменной кладки; 13 – деревянные пробки; 14 –анкерные связи; 15 – штукатурка

Следует отметить, что рассмотренные методы усиления (кроме инъецирования) приводят к увеличению размеров поперечного сечения усиливаемого элемента. В случае же использования металлических обойм или поперечных арматурных стержней (хомутов) при железобетонной (растворной) обойме кроме увеличения размеров простенков возникает проблема, связанная с образованием конденсата на внутренней поверхности стены в зоне металлических уголковых обойм или поперечных арматурных хомутов, пропускаемых через кладку. Кроме этого, использование указанных методов усиления при наличии в межоконном простенке кирпичных четвертей весьма проблематично без их среза. Следует также отметить, что при реконструкции зданий с несущими конструкциями из каменной кладки, являющихся историческими памятниками, применение описанных методов усиления не всегда возможно, либо ведет к изменению архитектурных пропорций сооружения.

Если простенки с наружной стороны по архитектурным или иным соображениям нарушать запрещается или при небольших размерах их поперечных сечений и необходимости значительно увеличить на них нагрузку, то усиление простенка может быть выполнено устройством металлического или железобетонного сердечника, размещаемого в вертикальной нише, вырубленной в простенке (рис. 9). Устройство железобетонных сердечников может быть осуществлено с одной или двух сторон стены.

Кроме этого, применяются инъецирование и перекладка. Столбы и простенки перекладываются в случаях, когда усиление обоймами, инъекцией и т.п. экономически и технически нецелесообразно (значительные повреждения, ослабление сечения, аварийное состояние кладки): когда другие способы усиления недостаточны и при необходимости сохранения внешнего вида здания.

Перекладка простенков производится с сохранением размеров сечения и существовавшей системы перевязки или с увеличением размеров сечения за счет сокращения размеров проемов.

Во всех случаях, когда усиление простенков сопровождается временным ослаблением конструкций или их перекладкой, необходимо обеспечить разгрузку простенков от перекрытий и перемычек.

Для этого в проемах и под перекрытиями всех нижележащих этажей устанавливают временные конструкции (подклиненные деревянные или металлические стойки), способные воспринять передаваемые на них нагрузки (рис. 10).

Следует обратить внимание на индивидуальность подхода к выбору метода усиления в каждом конкретном случае, как при усилении простенков, столбов, так и при усилении и восстановлении ниже рассматриваемых конструктивных каменных элементов или их участков. При этом предпочтение нужно отдавать такому методу, при котором наилучший эффект усиления достигается при минимальном расходе материалов и трудозатрат.

Рис. 9. Усиление каменных простенков устройством несущего сердечника: а – сварного из двух швеллеров; б – железобетонного; 1 – усиливаемый простенок; 2 – стальной сердечник; 3 – бетон класса В10…В15; 4 – опорные пластины стального сердечника; 5 – вертикальная ниша, пробитая в простенке; 6 – арматурный каркас

Рис. 10. Временное усиление простенков стен из каменной кладки: а – подведением деревянных разгружающих стоек под перемычки; б – инвентарными металлическими обоймами; в – установкой стальных разгружающих стоек под перемычки; 1 – разгружаемый простенок; 2 – перемычка; 3 – разгружающая деревянная стойка (бревно, брус); 4 – подкладка из бруса; 5 – лежень из бруса; 6 – встречные деревянные клинья для включения стоек в работу; 7 – усиливаемый простенок; 8 – уголки обоймы; 9 – поперечные хомуты-тяжи; 10 – уголки-коротыши, приваренные к уголкам обоймы, для крепления хомутов-тяжей; 11 – разгружающая металлическая стойка (труба, коробка из швеллеров или уголков); 12 – подкладка из швеллера; 13 – лежень из швеллера; 14 – встречные металлические пластины-клинья