СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1998 года по МПК E04G23/02 

Изобретение относится к строительству и касается восстановления эксплуатационных качеств железобетонных элементов поврежденных конструкций существующих зданий, подвергавшихся совместному воздействию внешней сжимающей нагрузки и высокой температуры.

В сжатых элементах железобетонных конструкций вследствие воздействия на них высокой температуры, свыше 450^oC, и последующего остывания в рабочей арматуре образуются значительные, до 100 МПа и выше, продольные остаточные термические напряжения. В некоторых случаях значения остаточных напряжений составляют 0,25 - 0,5 величины нормативного сопротивления арматуры растяжению - R_c (см. Ильин Н. А., Битюцкий А. И., Борцова Г. В. Опыт оценки остаточных напряжений в железобетонных сооружениях после аварии. В кн.: Градостроительство, совершенствование методов расчета строительных конструкций. - Самара: СамАСИ, 1992, с. 125 [1]).

Отрицательное действие остаточных напряжений на работу сжатых железобетонных элементов восстанавливаемых элементов сооружений очевидно. Остаточные напряжения понижают прочность и устойчивость сжатого элемента. В этих конструкциях потеря их несущей способности происходит при нагрузке меньше расчетной. В процессе остывания нагретого сжатого элемента возможно его разрушение от возрастающих растягивающих напряжений в рабочей арматуре.

Остаточные напряжения являются носителями упругой деформации конструкций. Поэтому начавшееся по каким-либо причинам разрушение сооружения в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений.

В настоящее время известны способы восстановления поврежденных колонн металлическими и железобетонными обоймами.

Основным способом усиления колонн является устройство железобетонных рубашек, которые армируются продольными стержнями и хомутами (см. Рекомендации по обследованию зданий и сооружений, поврежденных пожаром.- М.: Стройиздат, 1987, с. 35, рис. 4 [2]).

Толщину стенок рубашки при обычном бетонировании принимают не менее 50 мм. При наличии в колоннах местных повреждений, усиливающую рубашку устанавливают в пределах поврежденного участка с перепуском в обе стороны не менее 0,5 м [2, с. 36].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что устройство железобетонных рубашек и металлических обойм усиления колонн, получивших тяжелые термические повреждения в условиях пожара, не могут устранить отрицательного влияния продольно-осевых остаточных напряжений на работу восстанавливаемой конструкции.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ восстановления железобетонных конструкций, когда в случае сильных искривлений и разрушений конструкции расчленяют на отдельные части, возвращают в проектное положение, после чего концы арматуры соединяют сваркой с помощью вставок и накладок, а затем устанавливают опалубку и соединенные части конструкции замоноличивают бетоном (см. Михно Е.П. Восстановление разрушенных сооружений.- М.: Воениздат, 1974, с. 224 [3]).

Это техническое решение принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что известный способ применим в случае исправления сильных искривлений и разрушений, полученных железобетонной конструкцией от механических воздействий или чрезмерных деформаций частей здания. При таких разрушениях железобетонных колонн (см. рис. VII, 19, с. 228 [3]) продольно-осевые остаточные температурные напряжения в рабочей арматуре в местах изломов образовываться не могут, а снятие остаточных напряжений на участках железобетонных элементов, где они образуются, этим способом невозможно. Следовательно, опасность разрушения сжатых конструкций, имеющих растягивающие напряжения в рабочей арматуре, не уменьшается после их восстановления таким способом.

Устройство усиления поврежденных конструкций в виде расчетных железобетонных обойм толщиной не менее 80 мм, с учетом остающихся остаточных напряжений требует значительных затрат и дополнительного расхода стали и бетона.

Кроме этого, в известном способе не приведены безопасные приемы усиления поврежденного сжатого элемента, имеющего продольные остаточные температурные напряжения; не приняты во внимание особенности работы стыкового соединения разрезанных при ремонте стержней старой арматуры, не учтена остаточная прочность ее на участке стыковки стержней; не учтена необходимость усиления отдельных участков сжатого железобетонного элемента с локальными термическими повреждениями.

Цель изобретения состоит в повышении надежности, безопасности и экономичности восстановления сжатых элементов железобетонных конструкций зданий и сооружений.

Технический результат - устранение отрицательного влияния продольных остаточных термических напряжений на дальнейшую работу восстанавливаемого сжатого железобетонного элемента; снижение дополнительной нагрузки на рабочее сечение сжатого железобетонного элемента, в том числе и нагрузки, возникающей от термического напряжения арматуры после воздействия на нее высокой температуры; выполнение безопасных приемов усиления поврежденного элемента; восстановление целостности разрезанных при ремонте стержней рабочей арматуры элемента стыковым соединением, обеспечивающим равнопрочность стали отожженной арматуры с металлом сварного шва; повышение безопасности состояния поврежденного элемента и снижение опасности его обрушения после усиления; учет остаточной прочности отожженной арматуры в работе усиливаемого элемента; снижение расходов на дополнительно укладываемую арматуру; возможность усиления или ремонта отдельных участков сжатого элемента с локальными термическими повреждениями; восстановление сжатым элементом утраченных при пожаре эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности, долговечности и огнестойкости, с минимальными экономическими затратами.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе восстановления сжатого железобетонного элемента, имеющего остаточные термические напряжения в поврежденной конструкции, вначале производят загружение несущей конструкции полностью или частично, определяют участки термического поражения сжатого элемента, в котором образовались остаточные растягивающие напряжения в рабочей арматуре, затем освобождают арматурные стержни и ядро неповрежденного бетона от деструктивного слоя; определяют прочность отожженной арматуры - R_c,тем, затем разрезают термически напряженные стальные стержни, подготавливают торцы стержней в местах разреза под стыковое соединение, восстанавливают сваркой целостность разрезанных и вследствие этого разгруженных от остаточных напряжений стержней рабочей арматуры, добавляя по необходимости новые стержни и затем укладывают новый бетон взамен деструктивного.

При определении участков с тяжелыми термическими поражениями железобетонных конструкций учитывают следующее. Продольно-осевые остаточные термические напряжения образуются в элементах, сопротивлявшихся огневому воздействию, при наличии двух условий: первое: железобетонный элемент работал на сжатие, второе: рабочая арматура нагревалась свыше температуры начала пластической деформации стали (порядка 450 - 500^oC).

На таких участках элемента толщина деструктивного слоя бетона (δ_c) равна или более глубины заложения арматуры (a), то есть δ_c≥ a .

Разрезку напряженных стержней рабочей арматуры ведут поочередно, по одному или попарно, симметрично расположенных в поперечном сечении элемента относительно его центра. Разрезание напряженных стержней арматуры приводит к их разгрузке и снятию в них остаточных напряжений.

Из условий безопасности работы конструкции целостность разрезанных стержней восстанавливают до начала разрезки последующих стержней арматуры в поперечном сечении элемента.

Целостность рабочих стержней арматуры восстанавливают стыковым соединением, металл шва которого равнопрочен стали отожженной арматуры.

В случае необходимости усиления зоны термического поражения сжатого элемента дополнительную арматуру устанавливают на рабочие стержни на требуемую длину по расчету. Площадь дополнительно установленной арматуры определяют по формуле:
A_c,лок = A_c,сум - A_c1•R_c,тем/R_c,
где A_c,лок - площадь дополнительной арматуры, кв.мм;
A_c,сум - требуемая суммарная площадь сечения рабочей арматуры в зоне усиления элемента, кв.мм;
A_c1 - площадь сечения существующей арматуры восстанавливаемого элемента, кв.мм;
R_c и R_c,тем - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию до и после воздействия высокой температуры, МПа.

Принципиальным отличием является то, что в известном способе не производят определение участков железобетонных элементов, получивших термические напряжения в условиях пожара; в предлагаемом способе в начале восстановления определяют участки сжатого железобетонного элемента, имеющего остаточные термические напряжения в поперечном сечении его.

В существующем способе восстановление переломанных на отдельные блоки сжатых конструкций не приводит в конечном счете к снятию термических напряжений в пролетах отдельных частей (блоков) элемента; в предлагаемом способе в процессе восстановления элемента сначала производят снятие остаточных напряжений в любом месте элемента, где они образовывались.

Существенным отличием является то, что в известном способе производят членение восстанавливаемого элемента в местах его излома, в предлагаемом способе железобетонный элемент не расчленяют, а поочередно разрезают термически напряженные рабочие стержни арматуры с последующим восстановлением их целостности; ядро бетона не расчленяют.

Следующим отличием является то, что известным способом производят возвращение в проектное положение железобетонной конструкции, расчлененной на термически напряжение блоки, без снятия остаточных напряжений; предлагаемым способом производят изменение напряженно- деформированного состояния термически пораженных участков сжатого железобетонного элемента.

Следующим отличием является то, что целостность разрезанных стержней арматуры восстанавливают стыковым соединением по ГОСТ 14098- 85, металл шва которого равнопрочен стали отожженной арматуры.

Следующим отличием является то, что в известном способе не учитывают особенности работы отожженной рабочей арматуры колонн после пожара; в предлагаемом способе учитывают степень изменения расчетного сопротивления арматурной стали растяжению (сжатию) после ее отжига в условиях пожара.

Разрезание растянутых рабочих стержней в поперечном сечении сжатого железобетонного элемента приводит к продольному сокращению термически напряженной арматуры, снятию продольно-осевых остаточных напряжений в ней и в сжатом бетоне.

Полная или частичная разгрузка поврежденного сжатого элемента перед расчленением рабочей арматуры снижает риск разрушения несущей конструкции в процессе ее восстановления.

На фиг. 1 показано состояние железобетонного элемента (колонны), имеющего участок с тяжелой степенью термического поражения после снятия внешних нагрузок: 1 -участок элемента с термическими поражениями; 2 - термонапряженная рабочая арматура; 3 - деструктивный слой бетона.

На фиг. 2 показано состояние поврежденной колонны после удаления деструктивного слоя бетона и разрезки одной пары термически напряженных стержней рабочей арматуры: 4 - ядро сечения поврежденного бетона; 5 - места разрезов напряженных стержней арматуры; e - удлинение элемента после снятия с рабочей арматуры продольных растягивающих термических напряжений; δ_c - толщина деструктивного слоя бетона, т.е. бетона с разрушенной структурой вследствие воздействия температуры свыше 550 - 600^oC.

На фиг. 3 показана схема армирования колонны и ее состояние после соединения вновь разрезанной рабочей арматуры и укладки нового бетона взамен деструктивного: 6 - новый бетон (бетон на мелком щебне, торкретбетон) или штукатурка; 7 - места приварки разрезанных арматурных стержней со снятыми термическими напряжениями, показан вариант установки дополнительной арматуры; 8 - нахлесточное соединение ее протяженными сварными швами.

Последовательность действий способа восстановления сжатого железобетонного элемента состоит в следующем.

По результатам технического осмотра здания сначала производят разгружение несущей конструкции полностью или частично. Затем определяют участки термического поражения 1 сжатого элемента, в котором образовались продольные остаточные термические напряжения в рабочей арматуре 2, освобождая арматурные стержни 2 и ядро 4 сечения неповрежденного бетона от деструктивного слоя 3. Затем определяют прочность на растяжение и расчетные характеристики существующей арматуры 2 сжатию до и после воздействия высокой температуры, соответственно R_c и R_c,тем, МПа.

Затем разрезают термически напряженные стальные стержни 2 по одному или попарно, симметрично расположенные в поперечном сечении сжатого элемента относительно его центра. Затем подготавливают торцы стержней в местах разреза 5 под стыковое соединение; восстанавливают сваркой целостность разгруженных от термических напряжений стержней рабочей арматуры 2. При этом целостность разрезанной продольной арматуры восстанавливают до начала разрезки последующих стержней элемента. Целостность разрезанных стержней восстанавливают стыковым соединением, металл сварного шва которого равнопрочен стали отожженной арматуры.

По необходимости добавляют новые стержни 7, соединяя их со старой арматурой 2 нахлесточным соединением 8. При этом площадь сечения дополнительной арматуры 7 определяют по расчету сжатого сечения железобетонного элемента на прочность с учетом восприятия части внешней нагрузки существующей арматурой 2 элемента.

Затем укладывают на восстанавливаемый элемент новый бетон 6 взамен деструктивного 3.

Использование предлагаемого способа восстановления конструкций, пораженных огнем, по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества: значительно сокращаются материальные затраты по предлагаемому варианту восстановления поврежденных элементов по сравнению с заменой их новыми конструкциями; полностью восстанавливается несущая способность отремонтированных конструкций; уменьшается риск обрушения сжатых железобетонных элементов от дополнительных усилий термического напряжения продольной арматуры; снижается опасность состояния термонапряженных элементов конструкций.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
а) средство, воплощающее заявленный способ, при его осуществлении предназначено для использования в строительной промышленности, а именно в способах восстановления сжатых железобетонных элементов типа колонн, стоек, сжатых элементов ферм;
б) для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
в) предложенный способ применен при восстановлении 120-ти железобетонных колонн основных сооружений элеватора, поврежденных технологической аварией, сопровождавшейся неконтролируемым горением. Длина колонн 6 м, размеры сечения 60 • 60 см; рабочая арматура - сталь класса А - III, диаметр 28-32 мм; продольные остаточные термические напряжения в арматуре после остывания и полной разгрузки колонн составляют порядка 100 МПа.

Сущность изобретения: разгруженные полностью или частично сжатые элементы железобетонных конструкций, поврежденные огнем, освидетельствуют, определяя участки термического поражения, в рабочей арматуре которых образовались продольные остаточные термические напряжения, затем освобождают арматурные стержни и ядро неповрежденного бетона от деструктивного слоя, снимают остаточные напряжения в рабочей арматуре на участках термического поражения сжатого железобетонного элемента путем поочередного разрезания растянутых стержней рабочей арматуры, затем сваркой восстанавливают целостность разрезанных стержней стыковым соединением, металл шва которого равнопрочен стали отожженной рабочей арматуры, дополнительную арматуру устанавливают в случае ее необходимости, рассчитывая ее площадь по предложенной формуле. Способ позволяет восстановить эксплуатационные свойства сжатого элемента, в том числе несущую способность, долговечность и огнестойкость с минимальными экономическими затратами. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ восстановления сжатых железобетонных элементов, отличающийся тем, что вначале производят разгружение несущей конструкции полностью или частично, определяют участки термического поражения сжатого элемента, в котором образовались остаточные растягивающие напряжения в рабочей арматуре, затем освобождают арматурные стержни и ядро неповрежденного бетона от деструктивного слоя, определяют прочность отожженной арматуры, разрезают термически напряженные стальные стержни, подготавливают торцы стержней в местах разреза под стыковое соединение, восстанавливают сваркой целостность разрезанных и, вследствие этого, разгруженных от остаточных напряжений стержней рабочей арматуры, добавляя по необходимости новые стержни, и затем укладывают новый бетон взамен деструктивного. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряженные стержни разрезают по одному или попарно, симметрично расположенные в поперечном сечении элемента относительно его центра, при этом целостность разрезанной продольной арматуры восстанавливают до начала разрезки последующих стержней элемента. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что целостность разрезанных стержней рабочей арматуры восстанавливают стыковым соединением, металл шва которого равнопрочен стали отожженной арматуры. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для усиления зоны термического поражения дополнительную рабочую арматуру устанавливают на требуемую длину элемента, рассчитывая ее площадь по формуле

где А_с,лок - площадь дополнительной арматуры, мм²;
А_с,сум - требуемая суммарная площадь сечения рабочей арматуры в зоне усиления, мм²;
- площадь сечения существующей арматуры восстанавливаемого элемента, мм²;
R_с и R_с,тем - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию до и после воздействия высокой температуры, МПа.