КОНСТРУКЦИЯ КРЕПЛЕНИЯ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК E04G23/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использована при ремонте, усилении и реконструкции зданий, более конкретно для исправления тяжелых повреждений и увеличения пространственной жесткости каменных стен здания.

Известно крепление каменных стен здания, включающее каркас из парных вертикальных элементов, расположенных с обеих сторон стен здания и связанных между собой стяжными болтами, проходящими через сквозные отверстия в стене, пояса жесткости и ограждающую сетку (см. А.с. SU №1838551, E04G 23/00. Устройство усиления зданий и сооружений кирпичной или каменной кладки. Жуков А.П., Горюнов Г.В., Макулин И.С. и др. опубл. 30.08.93; Бюл. №32) [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве применена громоздкая и сложная конструкция усиления, частое расположение поперечных связей - стяжных болтов, ведет к пробиванию значительного числа отверстий в стене и ее дополнительному ослаблению.

Известно крепление каменных стен зданий, включающее деревянный каркас усиления, состоящий из стержневых вертикальных и горизонтальных элементов, выполненных из неразрезных деревянных прогонов, установленных с обеих сторон стены (см. Патент RU №2150557, МПК-7 E04G 23/00. Устройство усиления каменных конструкций / Ильин Н.А. опубл. 10.06.2000; Бюл. №16) [2].

К причинам препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного крепления, относится то, что в известном креплении применена громоздкая и сложная конструкция усиления, применение древесины в качестве материала для крепления стен приводит к снижению класса конструктивной пожарной безопасности здания.

Наиболее близким техническим решением к полезной модели по совокупности признаков является крепление ослабленных, поврежденных каменных стен здания, включающее продольные и поперечные стальные тяжи из круглой стали Ø 20÷38 мм, приваренные к отрезкам уголков, установленных по углам здания; натяжение тяжей произведено стяжными муфтами по всему контуру здания (см. "Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений". - М.: Стройиздат, 1984, - 36 с. (пп. 3.1÷3,5 рис. 6,б; с. 21-22)) [3] - взято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного крепления, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве применены малоэффективные стальные тяжи круглого сечения Ø 20÷38 мм, которые не плотно прижаты к поверхности каменных стен здания, стяжные муфты трудоемки в изготовлении и не соответствуют требованиям контроля натяжения стальных тяжей, соединение муфтами несовершенно для включения в работу элементов крепления и не обеспечивает пространственную жесткость здания, натяжные пояса имеют малое тяговое усилие (до 50 кН).

Сущность изобретения заключается в повышении несущей способности каменных стен, получивших тяжелые повреждения, и в обеспечении пространственной жесткости здания.

Технический результат - повышение эксплуатационной надежности существующего здания; обеспечение пространственной жесткости реконструируемого здания; обеспечение целостности совместной работы связанных между собой продольных и поперечных стен здания; повышение надежного включения балочного напряженного пояса в работу каменных стен здания; повышение прочности и деформативных характеристик каменной кладки; сокращение трудозатрат и расхода стали на изготовление крепления; обеспечение контроля натяжных прогонов балочного напряженного пояса и замыкания раскрытых трещин в каменных стенах здания; увеличение показателей экономичности, долговечности и конструктивной пожарной безопасности крепления каменных стен здания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной конструкции крепления каменных стен здания, содержащей продольные и поперечные стальные тяжи, узел для их сочленения и натяжения, особенностью является то, что стальные тяжи выполнены в виде прогонов балочного напряженного пояса с опорными пластинами на концах, узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса состоит из анкерного уголка и крепежных болтов, снабженных натяжными гайками; продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса установлены на одном уровне стен здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями, при этом одновременное закручивание натяжных гаек крепежных болтов узлов сочленения производит натяжение продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса по всему контуру, осуществляя объемное обжатие здания.

Продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде швеллера из облегченного стального проката.

Продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде прямоугольной трубы из гнуто-сварного профиля.

Каждый прогон балочного напряженного пояса с обоих концов оборудован опорными пластинами с жестким прикреплением к ним крепежных болтов.

Каждый прогон балочного напряженного пояса оборудован с одного конца опорной пластиной, снабженной отверстиями для размещения крепежных болтов, с другого конца прогон оборудован опорной пластиной в виде одной полки анкерного уголка, другая полка анкерного уголка снабжена отверстиями для размещения крепежных болтов.

Каждый узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса снабжен плавающим при монтаже анкерным уголком, который обеспечен отверстиями для размещения крепежных болтов.

Опорные пластины каждого прогона балочного напряженного пояса соединены со стенками и полками прогонов сварным швом по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

Ширина b_уs, мм, и высота h_ys, мм, анкерного уголка приняты соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

Величина рабочего зазора Z, мм, между сочленяющимися поверхностями опорной пластины и полки анкерного уголка определяют по алгебраическому выражению (1):

где Z - величина рабочего зазора, мм; L_min - длина поперечного прогона, мм; σ_st - напряжение растяжения в сечении прогона от тягового усилия, МПа; E_s - модуль упругости стали, МПа.

Крепежные болты расположены безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся прогонов балочного напряженного пояса. Диаметры крепежных болтов и их количество приняты по расчету в зависимости от величины тягового усилия в прогонах балочного напряженного пояса. Крепежные болты оборудованы контргайками и упругими шайбами.

Анкерный уголок для сопряжения прогонов снабжен ребром жесткости.

Прогоны напряженного пояса установлены в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.

На фиг. 1 и 2 изображены фасад (фиг. 1) и план (сечение A-A, фиг. 2) здания с креплениями каменных стен балочными натяжными поясами: 1 - здание; 2 - каменная стена; 3 - трещина в каменной кладке; 4 - балочный натяжной пояс снаружи стен; 5 - балочный напряженный пояс в выемке в стене.

На фиг. 3 и 4 изображены узлы сопряжения продольного и поперечного балочного напряженного пояса - исполнение первое (фиг. 3), исполнение второе (фиг. 4): 2 - каменная стена; 6 - продольный прогон; 7 - поперечный прогон; 8 - опорная пластина; 9 - анкерный уголок; 10 - полка анкерного уголка; 11 - ребро жесткости анкерного уголка; 12 - крепежный болт; 13 - натяжная гайка; 14 - упругая шайба; Z₁; Z₂ и Z₃ - рабочий зазор. Узел А - сочленяющиеся прогоны расположены с наружных стен здания; Узел Б - выемки стены здания. Исполнение первое - анкерный уголок жестко соединен с прогоном; исполнение второе - анкерный уголок выполнен плавающим в процессе монтажа прогонов.

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

Пример конкретного выполнения. Конструкция крепления каменных стен здания толщиной 640 мм балочным напряженным поясом содержит пару продольных прогонов - 6 и пару поперечных прогонов - 7, опорные пластины - 8, анкерный уголок - 9, крепежные болты - 12, натяжные гайки - 13 и упругие шайбы - 14.

Продольные и поперечные прогоны - длиной L=18 и 12 м выполнены из облегченных швеллеров №18 с размерами поперечного сечения h×b×d=180×70×5,1×3,7 мм, здесь h×b×d - высота, ширина и толщина пластины); площадь сечения A=20,7 см²; опорные пластины - 8 выполнены из толстолистовой стали размером h×b×d=160×65×10 мм (здесь h×b×d - высота, ширина и толщина пластины); анкерный уголок - 9 выполнен из равнопологого уголкового профиля - с размерами сечения b×δ=70×8 мм (здесь b×b - ширина и толщина полки), высотой h=180 мм, площадь сечения A₁=10,7 см²; анкерный уголок - 9 имеет ребро жесткости и снабжен двумя отверстиями Ø 21 мм в полке уголка и двумя крепежными болтами Ø 20 мм, болты с шестигранной головкой класса В (нормальной точности), шайбы с диаметром отверстия d₁=21 мм; натяжные гайки - 13 шестигранные высокие (H=16 мм) класса точности В диаметром резьбы d=20 мм.

Балочный напряженный пояс замкнут по контуру здания и установлен в плоскости подвального перекрытия с углублением в кирпичную стену толщиной B=640 мм выемки размерами h₁×b₁=190×80 мм; (здесь h₁×b₁ - высота и глубина выемки в стене).

Максимально допустимое усилие в напрягаемом поясе определено по алгебраическому выражению (2):

где N_T,max - максимально допустимое усилие в крепежных болтах узла сочленения, MПa; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа; L - длина поперечного прогона балочного напряженного пояса, см; B_ус - толщина каменной стены, усеченной штрабой, см; (B_ус=B-b₁=64-8=56 см).

При марке раствора кирпичной кладки M=35, расчетном сопротивлении срезу R_sg=0,3 МПа (3 кгс/см²), длине поперечного прогона L_min=1200 см и расчетной толщине усеченной каменной стены B_ус=56 см наибольшее допустимое усилие в напряженном прогоне равно

N_T,mах=0,15·3·1200·56=30240 кгс≈30 т.с.

Конструктивно принято 2 крепежных болта Ø 20 мм, площадь сечения болтов A_bn=2·3,142=6,28 см²; для болтов класса по прочности 8.8 сопротивление на растяжение R_bt=400 МПа (4000 кгс/см²), отсюда расчетное усилие в болтах N_b=A_bn·R_bt=6,28·4000=25140 кгс≈25 т с<30 т с.

Напряжения растяжения в сечении поперечного прогона равно

σ_рас=N_b/A=25140/20,7=1215 кгс/см² (121,5 МПа).

Из расчета на прочность: применяют анкерный уголок в виде отрезка уголкового профиля b×b×δ=100×100×8 мм; e=55 мм; (здесь b, δ, e - соответственно ширина и толщина полки, e - расстояние от обушка до центра отверстия в уголке); расчетная длина сварного шва полки уголка lω≥30 мм; принято lω=80 мм; длина анкерного уголка l_уг=h=180 мм; анкерный уголок усилен ребром жесткости толщиной 8 мм.

Величина рабочего зазора вычислена по алгебраическому выражению (1)

Z=L_min·(σ_st/E_s)=1200·(1215/2·10⁶)=0,73 см≈7 мм.

Введение элементов крепления в работу производят следующим образом: изготавливают в мастерских продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса, по торцам которых устанавливают опорные пластины - 8, с одного конца к опорной пластине приваривают анкерный уголок - 9, на другом - высверливают два отверстия Ø 21 мм под крепежные болты - 12.

Затем продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса укладывают в штрабу, пропуская крепежные болты - 12 в отверстия анкерного уголка - 9, натяжными гайками - 13 подтягивают сочленяющиеся прогоны, создавая рабочий зазор Z=7 мм между опорной пластиной - 8 и полкой анкерного уголка - 10.

Натяжение прогонов осуществляют одновременным затягиванием натяжных гаек - 13 по всему контуру балочного напряженного пояса, убирая рабочий зазор между торцами прогонов. Этим обеспечивают натяжение элементов крепления.

Применение предложенного крепления каменных стен здания позволяет улучшить качественные показатели: элементы крепления просты в изготовлении и монтаже вследствие рационального использования прокатного металла, минимального числа деталей и отсутствия проведения сварочных работ на высоте; устройство крепления многоцелевого назначения, так как оно одновременно разгружает и исправляет каменные стены здания, а также обжимает каменную кладку балочным напряженным поясом; крепление надежно при его эксплуатации, обладает необходимой жесткостью и несущей способностью.

Предложенная конструкция крепления использована при усилении и реконструкции строительных объектов г. о. Самара (2010-2014 гг.).

Источники информации

1. А.с. SU №1838551, МКИ-5 E04G 23/00. Устройство усиления зданий и сооружений кирпичной или каменной кладки / Жуков А.П., Горюнов Г.В., Макулин И.С., и др.; опубл. 30.08.1993; Бюл. №32.

2. Патент RU №2150557, МПК-7 E04G 23/00. Устройство усиления каменных конструкций / Ильин Н.А.; опубл. 10.06.2000; Бюл. №16.

3. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984, - 36 с. (пп. 3.1÷3.5, рис. 6,б; с. 21÷22).

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при ремонте, усилении и реконструкции зданий и сооружений, более конкретно для исправления тяжелых повреждений и обеспечения пространственной жесткости каменных стен здания. Каменные стены существующего здания укреплены балочным напряженным поясом, содержащим продольные и поперечные тяжи в виде стальных прогонов и приспособление для их сочленения и натяжения, состоящего из анкерного уголка и крепежных болтов с натяжными гайками. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности и пространственной жесткости стен вследствие рационального крепления сильно поврежденного здания. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Конструкция крепления каменных стен здания, содержащая продольные и поперечные стальные тяжи, узел для их сочленения и натяжения, отличающаяся тем, что стальные тяжи выполнены в виде прогонов балочного напряженного пояса с опорными пластинами на концах, узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса состоит из анкерного уголка и крепежных болтов, снабженных натяжными гайками; продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса установлены на одном уровне стен здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями, при этом одновременное закручивание натяжных гаек крепежных болтов узлов сочленения производит натяжение продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса по всему контуру, осуществляя объемное обжатие здания.

2. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде швеллера из облегченного стального проката.

3. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что продольные и поперечные прогоны балочного напряженного пояса выполнены в виде прямоугольной трубы из гнуто-сварного профиля.

4. Конструкция крепления по п. 1 и по любому из пп. 2-3, отличающаяся тем, что каждый прогон балочного напряженного пояса с обоих концов оборудован опорными пластинами с жестким прикреплением к ним крепежных болтов.

5. Конструкция крепления по п. 1 и по любому из пп. 2-3, отличающаяся тем, что каждый прогон балочного напряженного пояса оборудован с одного конца опорной пластиной, снабженной отверстиями для размещения крепежных болтов, с другого конца прогон оборудован опорной пластиной в виде одной полки анкерного уголка, другая полка анкерного уголка снабжена отверстиями для размещения крепежных болтов.

6. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что каждый узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного напряженного пояса снабжен плавающим при монтаже анкерным уголком, который обеспечен отверстиями для размещения крепежных болтов.

7. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что опорные пластины каждого прогона балочного напряженного пояса соединены со стенками и полками прогонов сварным швом по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

8. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что ширина b_ys, мм, и высота h_ys, мм, анкерного уголка приняты соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

9. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что величина рабочего зазора Z, мм, между сочленяющимися поверхностями опорной пластины и полки анкерного уголка определена по алгебраическому выражению (1):
Z=L_min·(σ_st/E_s); (1)
где Z - величина рабочего зазора, мм; L_min - длина поперечного прогона, мм; σ_st - напряжение растяжения в сечении прогона от тягового усилия, МПа; E_s - модуль упругости стали, МПа.

10. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что крепежные болты расположены безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся прогонов балочного напряженного пояса.

11. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что диаметры крепежных болтов и их количество приняты по расчету в зависимости от величины тягового усилия в прогонах балочного напряженного пояса.

12. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что крепежные болты оборудованы контргайками и упругими шайбами.

13. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что анкерный уголок для сопряжения прогонов снабжен ребром жесткости.

14. Конструкция крепления по п. 1, отличающаяся тем, что прогоны балочного напряженного пояса установлены в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.