Улучшение и усиление каменных конструкций

При реконструкции зданий и сооружений, выполнен­ных из каменных конструкций, важно оценить фактиче­скую прочность несущих элементов. Эта оценка для ар­мированных и неармированных конструкций выполняется методом разрушающих нагрузок на основании фак­тической прочности кирпича, раствора и предела теку­чести стали. При этом необходимо наиболее полно учи­тывать все факторы, которые могут снизить несущую спо­собность конструкции (трещины, локальные поврежде­ния, отклонения кладки по вертикали и соответствующее увеличение эксцентриситетов, нарушение связей между несущими конструкциями, смещения плит покрытий и перекрытий, прогонов, стропильных конструкций и т. п.).

В связи с тем что каменные конструкции испытывают в основном сжимающие усилия, наиболее эффективным способом их усиления является устройство стальных, железобетонных и армированных растворных обойм (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Усиление каменных столбов стальной (а), железобетон­ной (б) и армированной растворной (в) обоймами:

1 — планки 35X5...60XI2 мм; 2 – уголки; 3 — сварка; 4 — стержни ø 5...12 мм; 5 —хомуты 0 4...10 мм; 6 —бетон В12.5...В14; 7 —стержни и 6...12 мы; в — раствор марки 50...75; 9 — кладка

Каменная кладка в обойме работает в условиях все­стороннего сжатия, при этом ее поперечные деформации значительно уменьшаются и, как следствие, существен­но увеличивается сопротивление продольной силе.

Стальная обойма состоит из двух основных элемен­тов— вертикальных стальных уголков, которые устанав­ливаются по углам простенков или столбов на цемент­ном растворе, и хомутов из полосовой или круглой ста­ли. Шаг хомутов принимается не более меньшего раз­мера сечения и не более 500 мм. Для обеспечения вклю­чения обоймы в работу кладки необходимо тщательно зачеканивать или инъецировать зазоры между стальны­ми элементами обоймы и каменной кладкой цементным раствором.

После устройства металлической обоймы ее элемен­ты защищают от коррозии цементным раствором тол­щиной 25...30 мм по металлической сетке.

Железобетонная обойма выполняется из бетона клас­са В10 и выше с продольной арматурой классов A-I, АН, A-III и поперечной арматурой класса A-I. Шаг по­перечной арматуры принимается не более 15 см. Толщи­на обоймы определяется расчетом и принимается в пре­делах 4...12 см.

Армированная растворная обойма отличается от же­лезобетонной тем, что вместо бетона применяется це­ментный раствор марки 75... 100, которым защищается арматура усиления.

Эффективность железобетонных и цементных обойм определяется процентом поперечного армирования, прочностью бетона или раствора, сечением обоймы, со­стоянием каменной кладки и характером приложения нагрузки на конструкцию.

Следует, однако, отметить, что увеличение процента армирования поперечными хомутами не обеспечивает пропорционального прироста прочности кладки — увели­чение несущей способности происходит по затухающей кривой.

При увеличении размеров сечения элементов эффек­тивность обоймы несколько снижается, однако это сни­жение незначительно и в расчетах может не учиты­ваться.

Для обеспечения совместной работы элементов обой­мы при ее длине, превышающей в 2 раза и более тол­щину, необходимо установить дополнительные попереч­ные связи, которые пропускают через кладку (рис. 10.16), расстояние между этими связями в плане при­нимается не более 1 м и не более двух толщин стен, а по высоте — не более 75 см.

Одновременно с усилением стен обоймами рекомен­дуется также выполнять инъекцию в имеющиеся трещи­ны в кирпичной кладке цементного раствора.

Инъекция осуществляется путем нагнетания в по­врежденную кладку жидкого цементного или полимерцементного раствора под давлением. При этом происхо­дит общее замоноличивание кладки, восстанавливается и даже увеличивается ее несущая способность.

б)

Рис. 10.16. Усиление простенков стальными обоймами:

1 — кирпичный столбик; 2 — стальные уголки; 3 — планка; 4 — поперечная связь

Достоин­ством такого метода усиления является возможность его осуществления без остановки производства, при не­больших затратах материалов и без увеличения попереч­ных рамеров конструкций.

Для обеспечения эффективности инъецирования при­меняют портландцемент марки не менее 400 с тонко­стью помола не менее 2400 см²/г с густотой цементного теста 22...25%, а также шлакопортландцемент марки 400 с небольшой вязкостью в разжиженных растворах. Песок для раствора применяют мелкий с модулем круп­ности 1,0:.. 1,5 или тонкомолотый с тонкостью помола равной 2000...2200 см²/г.

Для повышения пластичности состава в раствор добавляют пластифицирующие добавки в виде нитрита натрия (5% от массы цемента), поливинилацетатную эмульсию ПВА с полимерцементным отношением П/Ц= =0,6 или нафталиноформальдетидную добавку в коли­честве 0,1 % от массы цемента.

К инъекционным растворам предъявляются доста­точно жесткие требования: малое водоотделение, необ­ходимая вязкость, требуемая прочность на сжатие и сцепление, незначительная усадка, высокая морозо­стойкость.

При небольших трещинах в кладке (до 1,5 мм) при­меняют полимерные растворы на основе эпоксидной смолы (эпоксидная смола ЭД-20 (ЭД-16) — 100 мас.ч.; модификатор МГФ-9—30 мас. ч.; отвердитель ПЭПА — 15 мас. ч.; тонкомолотый песок—50 мас. ч.), а также цементно-песчаные растворы с добавкой тонкомолотого песка (цемент — 1 мас. ч.; суперпластификатор нафталиноформальдегид — 0,1 мас. ч.; песок — 0,25 мас. ч.; водоцементное отношение — 0,6).

При более значительном раскрытии трещин приме­няют цементно-полимерные растворы состава 1:0,15: 0,3 (цемент: полимер ПВА : песок) или цементно-пес­чаные растворы состава 1 : 0,05: 0,3 (цемент : пласти­фикатор нитрит натрия : песок), В/Ц=0,6, модуль круп­ности песка М_к=1.0.

Раствор нагнетается под давлением до 0,6 МПа. Плотность заполнения трещин определяется через 28сут после инъецирования неразрушающими методами.

Предел прочности кладки R, усиленной инъецирова­нием, определяется по СНиП II-22—81 «Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования» с введением поправочных коэффициентов т_к, величина которых зависит от причин образования трещин в кир­пичной кладке н от вида инъекционного раствора (т_к = 1,1—при наличии трещин от силовых воздействий и при применении цементного и цементно-полимерного раствора; т_к =1,3 — то же, при полимерных растворах т_к =1,0—при наличии одиночных трещин от неравно­мерных осадок опор или при нарушении связи между совместно работающими стенами и усиленном инъециро­вании цементно-песчаным или полимерными растворами). Прочность инъекционных растворов на сжатие должна составлять 15...25 МПа.

Совместное усиление кирпичной кладки стальной обоймой и инъецированием позволяет существенно по­высить ее несущую способность и используется в том случае, если раздельное применение этих способов уси­ления недостаточно.

При устройстве комбинированного усиления сначала устанавливают металлическую обойму, затем произво­дят инъецирование раствора в кладку. Расчет несущей способности при этом осуществляют как для кладки усиленной обоймой, но несущую способность кладки при этом определяют с учетом коэффициента т_к.

При надстройке и реконструкции кирпичных зданий и сооружений, а также в случае аварийного состояния стен рекомендуется полная замена каменных конструк­ций. Замена производится после временного крепления стен конструкциями из дерева или стального проката, способных воспринять нагрузки, передающиеся на раз­бираемые простенки или столбы.

При необходимости замены узких простенков уста­навливают временные стойки, которые опираются на подоконные участки и поддерживают перемычки. При ширине простенка более 1 м устанавливают две и более стоек. Включение стоек в работу осуществляется с по­мощью клиновидных подкладок.

Новую кладку выполняют из каменных материалов более высокой прочности, но не ниже марки 100 на ра­створе марки 100 и выше. При этом осуществляют плот­ное осаживание кирпича для получения тонких швов кладки. При необходимости горизонтальные швы арми­руют стальными сетками. Верх новой кладки не доводят до старой на 3...4 см и затем этот зазор плотно зачеканивают жестким цементным раствором марки 100 и вы­ше. При необходимости плотность прилегания новой и старой кладки обеспечивается путем забивки в неот­вердевший раствор плоских стальных клиньев.

Временные крепления разбирают после того, как ра­створ новой кладки наберет 50 % проектной прочности.

При реконструкции кирпичных зданий часто возни­кает необходимость в повышении их жесткости и проч­ности в связи с появлением в процессе эксплуатации не­допустимых трещин и деформаций. Эти дефекты могут быть вызваны неравномерными осадками фундаментов в результате ошибок при проектировании, строительст­ве или эксплуатации, плохой перевязкой швов и т. п. Одним из наиболее эффективных способов восстановленния и усиления несущей способности здания в этом слу­чае является его объемное обжатие с помощью металли­ческих тяжей диаметром 25...36 мм, располагаемых в уровне перекрытий.

Объемное обжатие может осуществляться для зда­ния в целом или для его отдельной части. Тяжи могут располагаться по поверхности стен или в бороздах се­чением 70x80 мм. После натяжения борозды заделыва­ются цементным раствором; тяжи, расположенные по поверхности стен, также оштукатуриваются, образуя горизонтальные пояса, которые не должны ухудшать архитектурный облик здания.

Крепление тяжей осуществляется к вертикальным уголкам, устанавливаемым на цементном растворе на углах и выступах здания (рис. 10.17). Натяжение тяжей осуществляется с помощью стяжных муфт одновремен­но по всему контуру здания. Предварительно тяжи разо­греваются автогеном, паяльными лампами или электро­нагревом.

Механическое натяжение осуществляется вручную с помощью рычага длиной 1,5 м с усилием 300...400 Н. Общее усилие натяжения составляет около 50 кН, его контроль осуществляется по отсутствию провисания тя­жей, различными приборами, индикаторами, простуки­ванием (хорошо натянутый тяж издает чистый звук вы­сокого тона).

Поврежденные или отклонившиеся от вертикали уг­лы зданий усиливаются металлическими балками из шнеллеров № 16...20, которые устанавливаются в уров­не перекрытий в вырубленные с двух сторон стены бо­розды или на поверхности стены и соединяются друг с другом стяжными болтами.

Кирпичные опоры под железобетонные или стальные перемычки при необходимости усиливают бандажами или обоймами, а при сильных повреждениях разбирают и перекладывают, предварительно установив под конца­ми перемычек временные разгружающие стойки на клиньях.

Усиление перемычек или устройство новой перемыч­ки над проемом большего размера осуществляется пу­тем подведения стальных балок, которые устанавлива­ются над проемом в вырубленные борозды и стягивают­ся между собой болтами. После разборки нового проема балки оштукатуриваются по металлической сетке.

При нарушении совместной работы продольных и по­перечных стен вследствие образования трещин рекомен­дуется устанавливать поперечные стальные гибкие свя­зи диаметром 20...25 мм в уровне перекрытий, закрепив их к стенам с помощью распределительных прокладок из швеллеров или уголков.

Рис. 10.17. Усиление стен объемным обжатием:

1— тяжи; 2 — муфта натяжения; 3 — металлическая прокладка; 4 — швеллер № 16—20; 5 —уголок

При реконструкции часто возникает необходимость во временном усилении (раскреплении) стен и перегоро­док из каменных материалов. Такое усиление необходи­мо при отклонении стен от вертикали и их выпучивании на величину более ^1/₃ толщины. При высоте стен до 6 м их раскрепляют подкосами из бревен, установленными с шагом 3...4 м, причем верхние концы подкосов упира­ют в металлические штыри, забитые в швы кладки. При большей высоте стен (до 12 м) применяют двойные подкосы из бревен (брусьев), которые крепятся в при­стенные стойки и распределительные брусья.

При высоте стен более 12 м крепление стен осущест­вляется тяжами с натяжными муфтами. Рационально при этом использовать расположенные рядом устойчи­вые здания и сооружения (рис. 10.18).

Рис. 10.18 Крепление наклонившейся стены к стенам устойчивых зданий:

1 — деформированное здание; 2—распорка; 3 — ус­тойчивое сооружение

Поврежденные несущие простенки возможно разгру­зить, установив в смежных проемах временные стойки или (при технологической возможности) заложив их кирпичной кладкой.

При опирании на усиливаемые простенки стропиль­ных конструкций, балок и прогонов их разгружают пу­тем подведения под опорные части этих конструкций временных деревянных или металлических рам или кирпичных столбов на гипсовых растворах.