способ усиления железобетонных панелей перекрытия

Формула изобретения

1. Способ усиления железобетонных панелей перекрытия путем подведения дополнительных стальных поперечных балок, отличающийся тем, что в начале проводят технический осмотр и поверочные расчеты железобетонных панелей перекрытия и элементов устройства усиления по несущей способности, потом проектируют и изготовляют элементы устройства усиления, после этого поперечные балки усиления опирают на нижние полки продольных балок каркаса здания, при этом поперечные балки подводят снизу усиляемых панелей перекрытия с зазором между верхом поперечных балок и низом усиляемых панелей перекрытия, затем поперечные балки оборудуют винтовыми распорными приспособлениями, которые устанавливают в зазоре между поперечными балками и панелями перекрытия; после введения распорных приспособлений в работу, распределительные упорные пластины и поперечные балки усиления соединяют между собой отрезками уголков или пластин; зазор между панелями перекрытия и поперечными балками заполняют конструктивным бетоном усиления в виде бетонной шпонки с косвенным армированием; позднее полки и ребра стальных балок усиления покрывают защитными материалами требуемой толщины из условия огнестойкости балок перекрытия как несущих элементов здания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае отсутствия проектных материалов, а также при наличии дефектов и повреждений, снижающих несущую способность железобетонных панелей перекрытия, производят поверочные расчеты по прочности с учетом данных технического осмотра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что железобетонные панели перекрытия, не отвечающие требованиям поверочного расчета по прочности, приводят в прежнее нормальное состояние путем усиления.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет и конструирование устройства для усиления железобетонных панелей перекрытия выполняют с учетом данных технического осмотра, которым устанавливают геометрические размеры опасного сечения, толщину деструктивного слоя бетона, армирование панелей, прочность бетона на сжатие и арматурной стали на растяжение после пожара, дефекты и повреждения, нагрузки и схему работы панелей перекрытия.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что учет дефектов и повреждений в поверочном расчете по прочности и огнестойкости производят путем уменьшения расчетной площади сечения бетона и арматуры панели, при этом изменение прочности бетона и арматуры учитывают введением дополнительных коэффициентов условий работы отожженных материалов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что элементы усиления включают в совместную работу с усиляемыми панелями перекрытия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для сильно поврежденной панели при разрушении 50% и более сечения бетона или 50% и более площади сечения рабочей арматуры элементы усиления рассчитывают на полную действующую нагрузку без учета остаточной несущей способности усиливаемой панели перекрытия.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения арматуры усиляемой железобетонной панели определяют с учетом уменьшения ее вследствие отжига в условиях пожара и анизотропности отожженной стали по сечению стержня.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину предварительного напряжения стали элементов усиления принимают равной (0,6±0,2)·R_y, где R_y - расчетное сопротивление стали растяжению, изгибу и сжатию по пределу текучести, МПа (кгс/см²).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при укладке нового бетона предусматривают очистку, насечку и устройство шпонок на поверхности усиливаемой панели, обеспечивающих прочность контактной зоны и совместную работу элементов усиления.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя облицовки _озс, мм, при гарантированном пределе огнезащиты изоляционного покрытия для стального элемента усиления определяют по формуле (1):

,

где _озс - толщина огнезащитного слоя (облицовки), мм;

D_ar - показатель тепловой диффузии (температуропроводности) материала облицовки, мм²/мин;

_кип - гарантируемый предел огнезащиты конструктивного изоляционного покрытия для стального элемента усиления, мин.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры сечения стального прокатного профиля поперечной балки принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления в процессе его монтажа.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры сечения железобетонной поперечной балки со стальным прокатным профилем, используемым в качестве жесткой арматуры, принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления панелей перекрытия.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в винтовое распорное приспособление включают верхнюю полку стального прокатного профиля в качестве опорного столика, распределительные пластины, распорные шпильки/болты-шпильки, упорные гайки, шайбы и контргайки.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что распорные приспособления устанавливают по ширине нижней полки каждой панели перекрытия не менее чем в двух точках.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что распределительные пластины распорного приспособления принимают разрезными для каждой усиливаемой панели перекрытия или цельными по ширине нескольких усиливаемых панелей перекрытия.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что зазор между верхней полкой стальных поперечных балок и низом усиливаемых панелей перекрытия принимают высотой не менее 50 мм.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что зазор между панелями перекрытия и стальными поперечными балками в виде шпонки усиления заполняют конструктивным бетоном класса по прочности на сжатие не ниже класса бетона усиливаемых железобетонных панелей перекрытия.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что шпонку из конструктивного бетона усиляют косвенной арматурой в виде сварных гнутых сеток или гнутых сеток «зигзаг» с выступами за боковые грани бетонной шпонки для последующего крепления обмотки из проволоки или сетки и нанесения на нее заданной толщины огнезащитного материала.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве огнезащитных материалов для облицовки стальных балок применяют теплоизоляционные бетоны, минвату, керамические кирпичи и штукатурку по сетке.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что сочленяющиеся с панелями перекрытия поверхности распределительных стальных пластин подвергают огневой обработке горелками, затем утопляют «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.

22. Способ по п.14, отличающийся тем, что после введения в работу распорного приспособления опорный столик и элементы распределительных пластин его соединяют в середине длины распределительных пластин металлической пластиной или отрезком уголка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и касается усиления железобетонных панелей перекрытия, поврежденных вследствие различных причин, в том числе пораженных огнем в условиях пожара или аварии.

Во время огневого воздействия железобетонные панели перекрытия нагреваются снизу. Максимальные температуры нагрева (800±200)°С наблюдаются на обогреваемой поверхности панели и на глубине до 10-20 мм. Бетон и арматура в сжатой зоне сечения панели прогреваются медленнее и незначительно. К повреждениям панелей огнем относят: хаотичное расположение поверхностных термоусадочных трещин, разрушение части сечения панели, прогретой выше критической температуры нагрева (600±50)°С, растрескивание бетона, отслоение защитного слоя бетона, изменение механических свойств прогретой арматуры.

Возможны и более тяжелые термосиловые повреждения многопустотных панелей: продольные и косые трещины шириной 3÷10 мм в стенках, разделяющих пустотные каналы. Вследствие этого происходит существенное снижение прочности и жесткости панелей перекрытия.

Изобретение предназначено для восстановления основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) железобетонных панелей перекрытия.

Известен способ усиления поврежденной огнем панели перекрытия путем установки дополнительной арматуры в виде отдельных арматурных стержней или гнутых сеток, нанизываемых на стержни существующей арматуры / пат. 2087653 RU, МПК-6, Е04G 23/02. Способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов/ Н.А.Ильин; заявка: 94012398/03 от 07.04.94; опубл. 20.08.97, Бюл. № 23.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления поврежденных панелей перекрытия, относится то, что дополнительную арматуру усиления выполняют дискретно в виде ряда арматурных элементов, которые располагают в плоскости существующей сетки снизу панели. Следовательно, известный способ нерационален для усиления панелей, неэкономичен и трудоемок.

Известен способ усиления железобетонных панелей перекрытия путем подведения снизу упруго-балочного разгружающего железобетонного элемента конструкции, который прикрепляют охватывающими хомутами к колоннам каркаса здания, и устанавливают в середине пролета подпирающий упор. Подведенные балки располагают от усиливаемого элемента на расстоянии 50-150 мм для удобства их бетонирования; подпирающие упоры выполняют после распалубки элемента усиления и его упругой осадки под влиянием собственного веса, представляя собой простую подбетонку фиксированного места собственно упругой опоры (или нескольких опор) /Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений./ - Л., - М.: Стройиздат, 1965, - 342 с. (см. с.90-91, рис.33, а);/[2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонных панелей перекрытия, относится то, что при выполнении обхвата колонн здания прикрепляющими хомутами скалывают защитный слой бетона и оголяют рабочую арматуру колонн, к которой приваривают охватывающие стержни арматуры подводимых балок; это приводит к возникновению ударных нагрузок на сооружение; бетонирование оголенных колонн и дополнительной железобетонной балки усиления увеличивают сроки возведения устройства усиления, снижая полезную высоту помещений; элементы усиления имеют ненадежную связь с усиляемыми панелями перекрытия; невозможно регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытия.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ усиления железобетонных панелей перекрытия путем дополнительного подведения стальных поперечных балок с изменением расчетной схемы панелей; ширину балочек принимают до 100 мм, а высоту - 1:10÷1:12 пролета / Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений./НИИСК. - М.: Стройиздат, 1989, - 105 с. (см. с.28, п.4.30, рис.2,Д; с.35, п.4.35); /[3] - прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонных панелей перекрытия, принятого за прототип, относится то, что пробивание дыр и отверстий на приопорных участках железобетонных панелей перекрытия для установки на верхних полках панелей опорных элементов усиления приводит к возникновению ударных нагрузок и к ослаблению конструкций, которые могут привести их к внезапному разрушению; установка элементов усиления сверху панелей снижает полезную площадь перекрытия, увеличивает рабочие габариты по высоте, создает неудобства при дальнейшей эксплуатации помещений, обслуживаемых напольным транспортом или авто; конструкции стальных поперечных балок усиления имеют ненадежную связь по ширине усиляемых панелей и требуют большого расхода строительной стали; дополнительная заделка бетоном дыр и отверстий в усиляемых панелях перекрытия увеличивает сроки возведения устройства усиления и расход бетона; использование стальных балок усиления без огнезащиты существенно снижает фактическую огнестойкость несущих балок перекрытия.

Следовательно, восстановление основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) панелей перекрытия известным способом усиления нерационально и некачественно.

Сущность изобретения заключается в следующем:

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в рациональном проведении технического осмотра и поверочных расчетов усиляемых панелей перекрытия по несущей способности, в рациональном устройстве конструкции усиления, в более экономичном восстановлении их основных эксплуатационных характеристик, в сокращении объема аварийно-восстановительных работ, в снижении расхода металла на дополнительные поперечные балки усиления.

Технический результат - достоверное исследование последствий пожара, обоснованное проведение технического осмотра и поверочных расчетов по несущей способности и огнестойкости усиляемых железобетонных панелей перекрытия, качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик панелей перекрытия; значительное повышение прочности и жесткости панелей перекрытия; существенное увеличение фактической огнестойкости панелей по признаку потери несущей способности в условиях пожара; повышение безопасности состояния поврежденных панелей в процессе проведения восстановительных работ; создание надежной связи усиляемых панелей и сочленяющихся элементов устройства усиления; исключение необходимости пробивки сквозных дыр и отверстий на приопорных участках железобетонных панелей перекрытия для установки по верху панелей опорных элементов усиления; плавное разгружение сильно поврежденных панелей перекрытия; регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытий.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе усиления железобетонных панелей перекрытия путем подведения дополнительных стальных поперечных балок, особенностью является то, что вначале проводят технический осмотр и поверочные расчеты железобетонных панелей перекрытия и элементов устройства усиления по несущей способности, потом проектируют и изготовляют элементы устройства усиления, после этого поперечные балки усиления опирают на нижние полки продольных балок каркаса здания, при этом поперечные балки подводят снизу усиляемых панелей перекрытия с зазором между верхом поперечных балок и низом усиляемых панелей перекрытия, затем поперечные балки оборудуют винтовыми распорными приспособлениями, которые устанавливают в зазоре между поперечными балками и панелями перекрытия; после введения распорных приспособлений в работу, распределительные упорные пластины и поперечные балки усиления соединяют между собой отрезками уголков или пластин; зазор между панелями перекрытия и поперечными балками заполняют конструктивным бетоном усиления в виде бетонной шпонки с косвенным армированием; позднее полки и ребра стальных балок усиления покрывают защитными материалами требуемой толщины из условия огнестойкости балок перекрытия как несущих элементов здания.

Следующей особенностью является то, что в случае отсутствия проектных материалов, а также при наличии дефектов и повреждений, снижающих несущую способность железобетонных панелей перекрытия, производят поверочные расчеты по прочности с учетом данных технического осмотра.

Железобетонные панели перекрытия, не отвечающие требованиям поверочного расчета по прочности, приводят в прежнее нормальное состояние путем усиления.

Расчет и конструирование устройства для усиления железобетонных панелей перекрытия выполняют с учетом данных технического осмотра, которым устанавливают геометрические размеры опасного сечения, толщину деструктивного слоя бетона, армирование панелей, прочность бетона на сжатие и арматурной стали на растяжение после пожара, дефекты и повреждения, нагрузки и схему работы панелей перекрытия.

Учет дефектов и повреждений в поверочном расчете по прочности и огнестойкости производят путем уменьшения расчетной площади сечения бетона и арматуры панели, при этом изменение прочности бетона и арматуры учитывают введением дополнительных коэффициентов условий работы отожженных материалов.

Элементы усиления включают в совместную работу с усиляемыми панелями перекрытия.

Для сильно поврежденной панели, при разрушении 50% и более сечения бетона или 50% и более площади сечения рабочей арматуры, элементы усиления рассчитывают на полную действующую нагрузку, без учета остаточной несущей способности усиливаемой панели перекрытия.

Площадь поперечного сечения арматуры усиляемой железобетонной панели определяют с учетом уменьшения ее вследствие отжига в условиях пожара и анизотропности отожженной стали по сечению стержня.

Величину предварительного напряжения стали элементов усиления принимают равной (0,6±0,2)·R _y, где R_y - расчетное сопротивление стали растяжению, изгибу и сжатию по пределу текучести, МПа (кгс/см² ).

При укладке нового бетона предусматривают очистку, насечку и устройство шпонок на поверхности усиливаемой панели, обеспечивающих прочность контактной зоны и совместную работу элементов усиления.

Толщину слоя облицовки _озс мм, при гарантированном пределе огнезащиты изоляционного покрытия для стального элемента усиления определяют по формуле (1):

где _озс - толщина огнезащитного слоя (облицовки), мм;

D_ar - показатель тепловой диффузии (температуропроводности) материала облицовки, мм²/мин;

_кип - гарантируемый предел огнезащиты конструктивного изоляционного покрытия для стального элемента усиления, мин.

Размеры сечения стального прокатного профиля поперечной балки принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления в процессе его монтажа.

Размеры сечения железобетонной поперечной балки со стальным прокатным профилем, используемым в качестве жесткой арматуры, принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления панелей перекрытия.

В винтовое распорное приспособление включают верхнюю полку стального прокатного профиля в качестве опорного столика, распределительные пластины, распорные шпильки/болты-шпильки, упорные гайки, шайбы и контргайки.

Распорные приспособления устанавливают по ширине нижней полки каждой панели перекрытия не менее чем в двух точках.

Распределительные пластины распорного приспособления принимают разрезными для каждой усиливаемой панели перекрытия или цельными по ширине нескольких усиливаемых панелей перекрытия.

Зазор между верхней полкой стальных поперечных балок и низом усиливаемых панелей перекрытия принимают высотой не менее 50 мм.

Зазор между панелями перекрытия и стальными поперечными балками в виде шпонки усиления заполняют конструктивным бетоном класса по прочности на сжатие не ниже класса бетона усиливаемых железобетонных панелей перекрытия.

Шпонку из конструктивного бетона усиляют косвенной арматурой в виде сварных гнутых сеток или гнутых сеток «зигзаг» с выступами за боковые грани бетонной шпонки для последующего крепления обмотки из проволоки или сетки и нанесения на нее заданной толщины огнезащитного материала.

В качестве огнезащитных материалов для облицовки стальных балок применяют теплоизоляционные бетоны, минвату, керамические кирпичи и штукатурку по сетке.

Сочленяющиеся с панелями перекрытия поверхности распределительных стальных пластин подвергают огневой обработке горелками, затем утопляют «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.

После введения в работу распорного приспособления, опорный столик и элементы распределительных пластин его соединяют в середине длины распределительных пластин металлической пластиной или отрезком уголка.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом работы заключается в следующем.

Использование предлагаемого способа позволяет экономически обоснованно провести технический осмотр и поверочные расчеты по несущей способности и огнестойкости усиляемых железобетонных панелей перекрытия.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить в 4-8 раз несущую способность усиляемых железобетонных панелей перекрытия и в 3-5 раз фактический предел огнестойкости панелей по признаку потери несущей способности в условиях пожара.

Плавное разгружение поврежденных панелей с использованием винтовых распорных приспособлений исключает возникновение ударных нагрузок и механических воздействий, что повышает безопасность состояния поврежденных конструкций в процессе проведения восстановительных работ.

Введение в работу распорных приспособлений устройства усиления и косвенно армированных бетонных шпонок надежно связывают между собой усиляемые панели и конструкцию усиления.

Опирание стальных поперечных балок устройства усиления на продольные балки каркаса здания исключает необходимость пробивания сквозных дыр и отверстий в панелях перекрытия.

Заполнение бетоном зазора между стальной поперечной балкой усиления и усиляемыми панелями перекрытия превращает металлическую балку усиления в железобетонную конструкцию с жесткой арматурой.

Регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытия позволяет производить более качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) усиляемых железобетонных панелей перекрытия с помощью дополнительно подведенных поперечных балок.

На чертежах представлено:

На фиг.1 изображен узел опирания стальной поперечной балки, подведенной снизу железобетонных панелей перекрытия, с продольной балкой каркаса здания (разрез 1-1 на фиг.2):

1 - усиляемая панель перекрытия; 2 - элементы распределительной пластины; 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 6 - стальная продольная балка перекрытия; 7 - гайка высокая упорная с шайбой; 8 - контргайка; 9 - отрезок уголка, пластины; 10 - шпонка бетонная; 11 - косвенная арматура.

На фиг.2 и 3 изображен схематический сборочный чертеж усиления железобетонных плит перекрытия подведением поперечной балки в виде упругой опоры (разрезы 2-2 и 3-3): 1 - усиляемая панель перекрытия; 2 - элементы распределительной пластины; 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 6 - стальная продольная балка перекрытия; 9 - отрезок уголка, пластины.

На фиг.4-6 изображена схема стальной поперечной балки устройства усиления в виде прокатного двутавра (разрезы 4-4; 5-5 и 6-6).

На фиг.7 изображено упорное приспособление упруго-опорной конструкции усиления: 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 7 - гайка высокая упорная с шайбой; 8 - контргайка; 9 - отрезок уголка, пластины.

На фиг.8 изображена сетка «зигзаг» для косвенного армирования бетона шпонки: 11 - косвенная арматура.

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

Осмотром участка здания площадью 100 м², поврежденного кратковременным (0,3-0,5 час) воздействием высоких температур (800±50)°С, установлено, что подлежащие усилению панели перекрытия состоят из многопустотных железобетонных панелей пролетом 7,2 м, шириной 1,2 и 1,5 м (высота поперечного сечения панелей 220 мм).

В процессе технического осмотра перекрытия здания зафиксирован очаг поражения и прилегающие к нему зоны (участки) средних и слабых термических повреждений железобетонных панелей. Вид бетона - тяжелый на известковом крупном заполнителе: показатель тепловой диффузии бетона D _bm=19,4 мм²/мин; толщина деструктивного слоя бетона _сс, мм, по зонам соответственно равна 8; 4 и 2 мм; при обогреве панелей с одной стороны m_о=1. Следовательно, мера тепловой защиты расчетных точек поперечного сечения панели, вычисленная при _о,min= _cc по формуле (2):

будет равна С_о=8,95 мм; C ₁=4,48 мм и С₂=2,24 мм.

Длительность натурного пожара, приведенная к стандартному огневому испытанию по зонам повреждения конструкции (в мин), вычисленная по формуле (3):

равна в очаге поражения _ст,оч=32 мин; в зоне средних и слабых повреждений соответственно: _ст,1=18 мин; _ст,2=10 мин.

Устройство усиления для группы поврежденных панелей запроектировано в плане участка здания в виде двух дополнительно подведенных под железобетонные панели поперечных балок с несущим металлическим стержнем двутавров № 18 (b×h×d× =180×90×5,1×8,1 мм). Поперечные балки усиления оперты на нижние полки продольных двутавров № 30 Ш1 (b×h×d× =291×135×6,5×10,2 мм) с зазором Z=100 мм до низа панелей.

Пространство между верхней полкой стальной поперечной балки усиления 5 и низом усиляемых панелей перекрытия 1 в виде шпонки заполнено бетоном класса В30 по прочности на сжатие; шпонка бетонная 10 усилена косвенной арматурой 11 в виде гнутых сеток «зигзаг»: класс арматуры Вр-I 5 мм; длина сеток 1,2 и 1,5 м, шаг ветвей 50÷80 мм. Натяжное приспособление включает опорный столик (верхняя полка стальной поперечной балки усиления) с отверстиями 20 мм; е=50 мм; парные упорные пластины длиной 800 и 1000 мм, толщиной 20 мм установлены под каждую усиляемую панель перекрытия 1 шириной 1,2 и 1,5 м, распорные шпильки/болты - шпильки 4 16 мм с упорной резьбой, с высокой упорной гайкой D=40 мм, h=22 мм, с шайбой толщиной S=3 мм, D_ш=44 мм; с контргайкой 8 D₁=40 мм, h₁=12 мм. Способ усиления предусматривают к внедрению в ЗАО «Аверс», г.Самара, 2008 г.

Источники информации

1. Ильин, Н.А. Патент 2087653 RU, МПК-6, Е04G 23/02. Способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов/ Н.А.Ильин; заявка: 94012398/03 от 07.04.94; опубл. 20.08.97, Бюл. № 23.

2. Онуфриев, Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений./Н.М.Онуфриев. - Л., - М.: Стройиздат, 1965, - 342 с. (см. с.90-91, рис.33, а).

3. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений./НИИСК. - М.: Стройиздат, 1989, - 105 с. (см. с.28, п.4.30, рис.2,Д; с.35, п.4.35).