УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ КОЛОНН И ИХ ОГОЛОВКОВ Российский патент 2007 года по МПК E04G23/00 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при усилении несущих конструкций эксплуатируемых зданий, более конкретно при усилении тяжело поврежденных железобетонных колонн и/или их оголовков в условиях пожара.

К тяжелым термическим повреждениям колонн и их оголовков относятся отслоение деструктивного бетона на глубину 40-80 мм и более, выпучивание стержней арматуры, появление остаточных термических напряжений растяжения (до 10 кН/см²) в рабочей арматуре колонн. Повреждения оголовков характеризуются большей степенью разрушения бетона в сечении оголовка, чем в сечении колонны, вследствие более глубокого прогрева оголовка, возможно существенное снижение площади опирания в местах соединения ригеля с колонной из-за выкрашивания деструктивного бетона под торцовой плитой и анкерами оголовка, вследствие этого возможны трещины среза в бетоне от совместного действия нагрузки и огневого воздействия.

При тяжелых повреждениях оголовков появляется опасность хрупкого разрушения колонн и последующего обрушения ригелей здания.

В ряде случаев целесообразно исправление поврежденных оголовков без демонтажа ригелей и колонн, полной или частичной их разгрузки.

Известно устройство для восстановления сжатых элементов (колонн) дополнительными напряженными металлическими профильными элементами. / см. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Стройиздат, 1965; гл.VIII: Преднапряженные распорки усиления. - С.241-247 / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства восстановления, относится то, что в известном устройстве преднапряженные распорки повышают несущую способность только колонны, следовательно, невозможно обеспечить надлежащее усиление поврежденного оголовка; при неточном изготовлении напрягаемых распорок по их длине в известном устройстве невозможно надежное их включение в совместную работу с усиливаемой колонной, следовательно, снижается точность контроля степени разгружения места сочленения ригеля и оголовка колонны; сечение ветвей распорки принимают конструктивно, с большим перерасходом металла на усиление, следовательно, при изготовлении известного устройства возрастают металлоемкость и трудоемкость; в известном устройстве, при применении металла без конструктивной огнезащиты, снижена фактическая огнестойкость элементов усиления, в частности и колонны в целом.

Известно устройство для усиления колонн, включающее преднапряженную металлическую обойму, в верхней части которой закреплен натяжной узел, обойму из 4 прокатных уголков, связанных попарно соединительными планками в две ветви, в продольном направлении которые обжаты распорными устройством. / см. А.с. SU №607932, кл. 2 Е04G 23/02. Способ усиления колонн. / В.В.Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19 / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства усиления колонны и ее оголовка, относится то, что в известном устройстве применена громоздкая, металлоемкая обойма из прокатных уголков; эффективность работы известного устройства усиления снижается вследствие того, что грузовой винт натяжного узла имеет шарнирное закрепление с обеих концов, при этом коэффициент его приведенной длины весьма значителен; опорная площадка под ригель значительно удалена от ветви распорки, следовательно, дополнительно возникает изгибающий момент, действующий на эту ветвь распорки и опорный столик, увеличены общие габариты сечения оголовка усиливаемой колонны; в известном устройстве при использовании металла без конструктивной огнезащиты снижена фактическая огнестойкость элементов усиления в частности и колонны в целом.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является устройство, включающее металлическую обойму, выполненную из уголков, установленных по граням колонны, снабженную натяжными узлами, каждый из которых состоит из опорных элементов и натяжного винта, при этом металлическая обойма выполнена по высоте составной, а опорные элементы закреплены на стыкуемых концах составных частей обоймы /см. А.с. SU №916722, кл. 3 Е04G 23/02. Устройство для усиления колонн. / М.Д.Бойко. Опубл. 05.04.82. Бюл. №12 / [3]; - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного устройства усиления колонн и их оголовков, принятого за прототип, является то, что в известном устройстве на его изготовление расходуется значительная масса металла, неэффективно используемая для усиления колонн и ее оголовков, опорные узлы известного устройства внизу и вверху колонны не имеют жесткого закрепления, составные части ветвей обоймы соединены натяжным винтом, характеризующим их шарнирное примыкание, в известном устройстве расположение натяжных винтов не по центру тяжести поперечного сечения уголка обоймы приводит к возникновению изгибающего момента от распорного усилия, действующего на напрягаемые ветви составных частей обоймы; при использовании металла для известного устройства усиления без конструктивной огнезащиты снижена фактическая огнестойкость элементов усиления и колонны.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении надежности и безопасности состояния усиливаемых колонн и их оголовков, получивших тяжелые местные повреждения, в снижении расхода стали и материальных затрат за счет рационального использования элементов устройства усиления.

Технический результат - рациональное и эффективное усиление поврежденной колонны и ее оголовка, надежное включение в совместную работу напрягаемой распорки с контролем предварительных напряжений, усиливаемой колонны и ее оголовка, жесткое соединение грузового винта с несущей ветвью распорки, вдвое снижающее коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента, упрощение конструкции передачи «грузовой винт - упорная гайка» предлагаемого натяжного узла при проектировании и изготовлении его, повышение надежности в работе, получение большого выигрыша в силе, обеспечение бесшумных, медленных и плавных перемещений с большой точностью, размещение грузовых винтов в центре тяжести поперечных сечений уголков распорок, улучшающих работу напрягаемых ветвей распорок при сжатии, повышение степени контроля разгружения усиливаемой колонны и ее оголовка напряженными распорками, снижение расхода металла на изготовление устройства усиления и получение возможности эффективного использования металла при усилении колонны и ее оголовка, обеспечение огнезащиты металлических элементов устройства усиления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для усиления колонн и их оголовков, включающее упорные элементы, напрягаемые распорки и натяжные узлы, упорный элемент усиливаемой колонны выполнен в виде опорного столика снизу и упорного башмака сверху напрягаемой распорки, опорный столик изготовлен из стального профиля, снабжен накладными стержнями для крепления его к рабочей арматуре колонны, усилен ребрами жесткости, оборудован отверстиями или пазами для установки грузовых винтов напрягаемой распорки и стяжных хомутов, снабженных шпильками с натяжными гайками, остов напрягаемой распорки выполнен из одной или нескольких ветвей, соединенных опорными пластинами по концам и хомутами-планками по их длине, натяжные узлы, установленные между нижней опорной пластиной распорки и верхом опорного столика, включает в себя грузовые винты с натяжными гайками, металлические элементы устройства усиления имеют огнезащитное покрытие.

Кроме этого, особенности устройства заключаются в том, что опорный столик установлен на любой заданной высоте усиливаемой колонны.

При усилении нагруженной колонны, поврежденной с одной стороны (грани), опорный столик и напрягаемая распорка установлены с той же стороны (грани).

При усилении нагруженной колонны, поврежденной с двух противоположных или четырех граней, опорные столики и напрягаемые распорки установлены с двух противоположный граней (сторон).

Опорный столик выполнен из отрезка гнутого стального уголка или прокатной угловой стали.

Опорный столик выполнен из отрезка стального гнутого или горячекатаного швеллера.

Опорный столик выполнен из металлических пластин, сваренных между собой и образующих угол или швеллерообразное поперечное сечение.

Размеры поперечных сечений элементов опорного столика, усиленного ребрами жесткости, приняты по результатам проверки устойчивости стоек и поясных листов изгибаемых и сжатых элементов.

Диаметры стяжных хомутов-шпилек опорного столика и их количество приняты по расчету прочности болтовых соединений на изгиб при стеснении поворота прикрепляющего элемента.

Несущие ветви распорки выполнены из отрезков гнутого стального уголка или прокатной угловой стали.

Несущие ветви распорки выполнены из стальной трубы прямоугольного или круглого сечения.

Несущие ветви распорки выполнены из отрезков стержневой горячекатаной арматурной стали ⊘ 10-80 мм.

Диаметр грузовых винтов и их число определены расчетом на прочность и устойчивость в зависимости от величины усилия разгружения колонны.

Каждый грузовой винт размещен в центре тяжести поперечного сечения несущей ветви и жестко прикреплен к распорке.

Башмак распорки выполнен из отрезка стального гнутого или горячекатаного швеллера.

Башмак распорки выполнен из стальных пластин толщиной не менее 6 мм, сваренных между собою в виде упорного ящика или швеллера.

Сочленяющиеся с опорой ригеля поверхности башмака, подвергнутые огневой обработке горелками, утоплены «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.

Накладные стержни-коротыши для крепления опорного столика к рабочей арматуре колонны выполнены из отрезков горячекатаной арматуры или круглой стали диаметром 10-40 мм.

Высота сварного шва, соединяющего элементы устройства усиления, принята по расчету на срез и изгиб, но не менее 6 мм.

После введения напрягаемой распорки в работу нижняя опорная плита распорки и верх опорного столика соединены металлической пластинкой или отрезком уголка.

В дополнительно укладываемом бетоне оголовка колонны установлена косвенная арматура в виде сеток или отдельных П-образных перекрещенных стальных скоб с приведенным сечением 25-50% от площади сечения продольной арматуры колонны.

Для предупреждения ослабевания натяжных гаек под нагрузкой произведено стопорение их относительно стяжных хомутов-шпилек и грузовых винтов пластическим деформированием, сваркой или упругими шайбами.

Металлические элементы распорного устройства подвержены огневой обработке горелками и покрыты слоем бетона, толщина которого принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости колонны по признаку потери несущей способности.

Класс дополнительно уложенного бетона по прочности на сжатие принят на обычном портландцементе или расширяющемся цементе равным классу бетона усиливаемой колонны, но не менее В 15.

На чертежах представлено:

на фиг.1 изображен остов распорки с грузовыми винтами снизу и башмаками сверху;

на фиг.2 - вид сбоку на фиг.1:

на фиг.3 - вид сверху на фиг.1;

1 - усиливаемая колонна с оголовком; 2 - башмак швеллерообразный; 3 - пластина жесткости под башмак; 4 - ветви (стойки) остова распорки; 5 - планки-хомуты остова распорки; 6 - упорная пластина остова распорки; 7 - грузовые винты; 8 - упорные гайки высокие;

на фиг.4 изображен опорный столик;

на фиг.5 - вид сверху на фиг.4;

на фиг.6 - вид сбоку на фиг.4:

9 - остов опорного столика; 10 - продольная арматура колонны; 11 - накладки-коротыши; 12 - пластины жесткости опорного столика; 13 - ребра жесткости; 14 - стяжные хомуты-шпильки;

на фиг.7 изображен натяжной узел ( винтовая распорка);

на фиг.8 - вид сбоку на фиг.7:

7 - грузовые винты; 8 - упорные гайки высокие; 15 - упругие шайбы или контргайки; 16 - соединительная планка - отрезок уголка; 17 - сварное соединение; 18 - огнезащитное покрытие металлических элементов устройства усиления.

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

Пример конкретного выполнения. Устройство усиления крайней колонны 1 одноэтажного производственного здания высотой Н=7,2 м (тяжелые термоповреждения на участке длиной 1,5 м от оголовка на трех гранях колонны сечением В×С=400×400 мм) содержит упорный башмак 2, остов распорки 4, натяжной узел с грузовыми винтами 7 и опорный столик 9.

Упорный башмак 2 под стропильную железобетонную ферму выполнен из отрезка швеллера №24 длиной 180 мм; под башмак для повышения его жесткости дополнительно установлена пластина 3 из листовой стали толщиной 30 мм.

Остов распорки содержит пластину жесткости 3 под упорный башмак, две ветви распорки 4 из стальных горячекатаных равнополочных уголков 2⊾75×75×8 мм, длиной 1930 мм, планки-хомутов 5 из стальных пластин сечением 6×60 мм, шаг хомутов 300 мм, упорную пластину 6 из листовой стали толщиной 50 мм.

Опорный столик содержит: остов 9 из отрезка стального горячекатаного швеллера №24 (длина 460 мм, высота швеллера 240 мм, ширина полки 90 мм, толщина стенки 5,6 мм, толщина полки 10 мм), дополнительную пластину 15 для увеличения жесткости полки швеллера, двух накладок-коротышей 11 (отрезки горячекатаной стержневой арматуры класса А 400, диаметр 22 мм), соединенных швом 18 к продольной арматуре 2 ⊘ 22 А 400 (A-III), стальных ребер жесткости 13 толщиной 10 мм, двух стяжных хомутов-шпилек 14 диаметром 24 мм, натяжной узел из упорной пластины 6 (листовая сталь толщиной 50 мм), пластины жесткости 12 (сталь толщиной 30 мм), двух грузовых винтов 7 с высокими натяжными гайками 8 (длина винта 260 мм, диаметр резьбы 36 мм, длина нарезки резьбы 36 мм, вид резьбы - метрическая).

Введение в работу деталей устройства усиления колонны и ее оголовка произведено следующим образом.

Ветви остова распорки 4, швеллерообразный башмак 2, грузовые винты 7 и остов опорного столика 9 изготовлены в механической мастерской.

Опорный столик к поверхности колонны 1 укрепляют хомутами-шпильками 14 с натягом, на остов опорного столика 9 установлена напрягаемая распорка 4 с швеллерообразным башмаком 2, подпирающим опорный узел стропильной фермы, заворачиванием упорных гаек 8 грузовых винтов 7 с заданным (контролируемым) усилием - разгружена верхняя часть колонны 1 и ее оголовок.

После введения ветвей остова распорки 4 в работу упорная пластина распорки 6 ее и верх остова опорного столика 9 соединены соединительной планкой (отрезком уголка) 16 с помощью сварного соединения 17.

Для предупреждения ослабевания упорных высоких гаек 8 под нагрузкой произведено стопорение их относительно стяжных хомутов-шпилек 14 и грузовых винтов 7 пластическим деформированием, сваркой или упругими шайбами 15.

Металлические элементы устройства усиления имеют огнезащитное покрытие 18 - слой тяжелого бетона по прочности на сжатие принят равным классу бетона усиливаемой колонны, но не менее В 15.

Использованием предложенного устройства усиления колонн и их оголовков устраняют тяжелые повреждения без демонтажа или предварительной разгрузки несущей конструкции, наиболее полно используя остаточную прочность материалов при дальнейшей ее эксплуатации.

Предложенное устройство позволяет рационально и эффективно произвести усиление тяжело поврежденной колонны и ее оголовка за счет надежного включения в совместную работу напрягаемой распорки с контролем предварительных напряжений.

Жесткое соединение грузового винта с несущей ветвью распорки вдвое снижает коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента.

Предложенное устройство упрощает конструкции передачи «грузовой винт - упорная гайка» предлагаемого натяжного узла при проектировании и изготовлении его, повышая надежность в работе, выигрыш в силе и обеспечивая бесшумное, медленное и плавное перемещение напрягаемой распорки с большой точностью.

Размещение грузовых винтов в центре тяжести поперечных сечений уголков распорок улучшает работу напрягаемых ветвей распорок при сжатии.

Предложенное устройство позволяет повысить степень контроля разгружения усиливаемой колонны и ее оголовка напряженными распорками, снизить в 2-3 раза расход металла на его изготовление и обеспечить требуемую огнезащиту металлических элементов устройства усиления.

Предложенное устройство применено в промышленности при усилении крайней железобетонной колонны и ее оголовка.

Колонна с тяжелыми термическими повреждениями верхней части находилась на границе между ограниченно работоспособным и аварийным состоянием.

Высота колонн 7,2 м, поперечное сечение 400×400 мм, армирована в верхней части 4 ⊘ 22 А 400 (A-III), при этом два продольных стержня 2 ⊘ 22 А 400 были освобождены при техническом осмотре от деструктивного слоя бетона и в поперечном сечении оголовка участия в работе не принимали.

Бетон колонны тяжелый на известняковом заполнителе класса В 25 (марка бетона по проекту М-300).

Материал элементов устройства усиления - сталь марки Ст. 3 кл. 2-1. Расчетная нагрузка на колонну 684 кН (68,4 тс).

Работы по усилению колонны и ее оголовка были проведены без остановки основного производства в здании (г.Самара, 2005 г.).

Источники информации

1. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Стройиздат, 1965; гл. VIII: Преднапряженные распорки усиления. - С. 241-247.

2. А.с. SU №607932, кл. 2 E04G 23/02. Способ усиления колонн. / В.В.Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19.

3. А.с. SU №916 722, кл. 3 E04G 23/02. Устройство для усиления колонн. / М.Д.Бойко. Опубл. 05.04.82. Бюл. №12.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении железобетонных колонн и их оголовков, поврежденных в условиях пожара, аварии. Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и безопасности усиливаемых колонн и их оголовков за счет рационального использования элементов устройства усиления. Устройство содержит упорные элементы в виде прижатого нормальной силой к усиливаемой колонне опорного столика и упорного башмака, остов распорного устройства, выполненных из одной или нескольких предварительно напрягаемых ветвей, натяжные узлы, включающие в себя грузовые винты и натяжные гайки, разгружающие частично или полностью поврежденную часть восстанавливаемых колонн и/или их оголовков, закручиванием гаек грузовых винтов, прикрепленных к остову распорки, устройство усиления включается в работу поврежденных колонн здания и затем бетонируется. 23 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для усиления колонн и их оголовков, включающее упорные элементы, напрягаемые распорки и натяжные узлы, отличающееся тем, что упорный элемент усиливаемой колонны выполнен в виде опорного столика снизу и упорного башмака сверху напрягаемой распорки, опорный столик изготовлен из стального профиля, снабжен накладными стержнями для крепления его к рабочей арматуре колонны, усилен ребрами жесткости, оборудован отверстиями или пазами для установки грузовых винтов напрягаемой распорки и стяжных хомутов, снабженных шпильками с натяжными гайками, остов напрягаемой распорки выполнен из одной или нескольких ветвей, соединенных опорными пластинами по концам и хомутами-планками по их длине, натяжные узлы, установленные между нижней опорной пластиной распорки и верхом опорного столика, включают в себя грузовые винты с натяжными гайками, металлические элементы устройства усиления имеют огнезащитное покрытие.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный столик установлен на любой заданной высоте усиливаемой колонны.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при усилении нагруженной колонны, поврежденной с одной стороны, опорный столик и напрягаемая распорка установлены с той же стороны.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при усилении нагруженной колонны, поврежденной с двух противоположных или четырех граней, опорные столики и напрягаемые распорки установлены с двух противоположных граней.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный столик выполнен из отрезка гнутого стального уголка или прокатной угловой стали.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный столик выполнен из отрезка стального гнутого или горячекатаного швеллера.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорный столик выполнен из металлических пластин, сваренных между собой и образующих угол или швеллерообразное поперечное сечение.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размеры поперечных сечений элементов опорного столика, усиленного ребрами жесткости, приняты по результатам проверки устойчивости стоек и поясных листов изгибаемых и сжатых элементов.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметры стяжных хомутов-шпилек опорного столика и их количество приняты по расчету прочности болтовых соединений на изгиб при стеснении поворота прикрепляющего элемента.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие ветви распорки выполнены из отрезков гнутого стального уголка или прокатной угловой стали.11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие ветви распорки выполнены из стальной трубы прямоугольного или круглого сечения.12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущие ветви распорки выполнены из отрезков стержневой горячекатаной арматурной стали ⊘ 10-80 мм.13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр грузовых винтов и их число определены расчетом на прочность и устойчивость в зависимости от величины усилия разгружения колонны.14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый грузовой винт размещен в центре тяжести поперечного сечения несущей ветви и жестко прикреплен к распорке.15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что башмак распорки выполнен из отрезка стального гнутого или горячекатаного швеллера.16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что башмак распорки выполнен из стальных пластин толщиной не менее 6 мм, сваренных между собою в виде упорного ящика или швеллера.17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сочленяющиеся с опорой ригеля поверхности башмака, подвергнутые огневой обработке горелками, утоплены «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что накладные стержни-коротыши для крепления опорного столика к рабочей арматуре колонны выполнены из отрезков горячекатаной арматуры или круглой стали диаметром 10-40 мм.19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота сварного шва, соединяющего элементы устройства усиления, принята по расчету на срез и изгиб, но не менее 6 мм.20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что после введения напрягаемой распорки в работу нижняя опорная плита распорки и верх опорного столика соединены металлической пластинкой или отрезком уголка.21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в дополнительно укладываемом бетоне оголовка колонны установлена косвенная арматура в виде сеток или отдельных П-образных перекрещенных стальных скоб с приведенным сечением 25-50% от площади сечения продольной арматуры колонны.22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для предупреждения ослабевания натяжных гаек под нагрузкой произведено стопорение их относительно стяжных хомутов-шпилек и грузовых винтов пластическим деформированием, сваркой или упругими шайбами.23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлические элементы распорного устройства подвержены огневой обработке горелками и покрыты слоем бетона, толщина которого принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости колонны по признаку потери несущей способности.24. Устройство по п.1, отличающееся тем, что класс дополнительно уложенного бетона по прочности на сжатие принят на обычном портландцементе или расширяющемся цементе равным классу бетона усиливаемой колонны, но не менее В 15.