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

Изобретение относится к области строительства и может найти применение для повышения прочности, устойчивости и пространственной жесткости существующего здания с сильно поврежденной каменной кладкой.

Известен способ усиления крепления каменных стен здания, включающий устройство железобетонных балочных поясов по контуру стен в уровне перекрытия, путем укладки их в штробы (см. патент RU №918408, М. кл. - 3 E04G 23/00; E04H 9/02/ Марджанишвили М.А., Костриц А.И. и др. Способ усиления кирпичных стен. Заявл. 22.10.79; опубл. 07.04.82; Бюл №13 [1]).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение железобетонных балочных поясов увеличивает трудоемкость, массу стен и сроки восстановления здания, применение опалубки осложняет конструкцию крепления и повышает материальные затраты.

Известен способ крепления каменных стен здания, включающий установку разгружающих элементов в виде деревянных стоек с распорным устройством, которое располагают с внутренней и наружной сторон здания и связывают между собой натяжными болтами, горизонтальные элементы каркаса выполняют из деревянных брусьев, а горизонтальные связи жесткости выполняют в виде продольных, поперечных и пересекающихся тяжей (см. патент RU №2196868, МПК - 7 E04G 23/100/ Ильин Н.А., Кузнецов А.С. Способ усиления каменных конструкций здания. Заявл. СГАСУ 10.03.2000; опубл. 20.01.2003; Бюл №2) [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение деревянных элементов крепления снижает класс конструктивной пожарной безопасности стен здания, применение сложной конструкции крепления каменных стен увеличивает трудоемкость работ, их стоимость и сроки восстановления здания.

Известен способ крепления каменных стен здания, включающий сооружение за пределами внешних стен металлического или железобетонного каркаса, жестко соединенного в узлах на всю высоту вокруг здания с зазором относительно стен; горизонтальные пояса жесткости устраивают в уровнях перекрытий по всему периметру, закрепляя их на стенах здания через сквозные отверстия болтовыми соединениями (см. патент RU №2274718, МПК E04G 23/00 (2006.1 г.) / Белов М.В., Раевский А.Н. Способ реконструкции с усилением здания по всему периметру. Заявл. 25.05.2004, опубл. 20.04.2006; Бюл. №8) [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе применение сложной конструкции усиления увеличивает расход материалов, например стали на изготовление пространственного каркаса, повышает трудоемкость, сроки восстановления здания и материальные затраты.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ крепления каменных стен здания, который включает установку элементов крепления каменных стен напрягаемым поясом в виде продольных и поперечных стальных тяжей с приспособлением для их натяжения (см. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984. - 36 с. (Крепление стен напрягаемыми поясами; пп. 3.1÷3.5, рис. 6, с. 21÷22)) [4], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе принимают стальные тяжи ⌀ 20÷38 мм, которые натягивают посредством стяжных муфт. Такой способ крепления каменных стен здания ненадежен и существенно не повышает пространственную жесткость сильно поврежденных каменных стен; включение элементов напрягаемого пояса в работу сильно поврежденных каменных стен не полно, контроль натяжения элементов напрягаемого пояса затруднен.

Технический результат - повышение эксплуатационной надежности и роста пространственной жесткости в результате крепления сильно поврежденного здания; восстановление целостности совместной работы связанных между собой стен здания, повышение надежного включения балочного напрягаемого пояса в работу каменных стен здания, повышение жесткостных, прочностных и деформативных характеристик каменной кладки; повышение контроля натяжения прогонов балочного напрягаемого пояса, обеспечение замыкания раскрытых трещин в каменных стенах; сокращение трудозатрат и расхода стали на изготовление крепления, повышение показателей экономичности, долговечности и класса конструктивной пожарной безопасности стен здания.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемом способе крепления каменных стен здания, включающем установку продольных и поперечных элементов напрягаемого пояса и приспособления для их натяжения, особенностью является то, что вначале проводят технический осмотр и проверочные расчеты поврежденных стен здания по прочности, затем проектируют и изготовляют элементы напрягаемого пояса в виде балочных прогонов, оборудуя с одного конца опорной пластиной с отверстиями для размещения крепежных болтов, и устанавливают их на одном уровне по высоте стен здания; узел сочленения продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса выполняют из анкерного уголка и крепежных болтов, оборудуя их натяжными гайками; продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса перед включением их в работу устанавливают на уровне перекрытий здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями опорной пластины одного балочного прогона и поверхностью полки анкерного уголка смежного балочного прогона, затем, одновременно закручивая натяжные гайки крепежных болтов узлов сочленения, производят натяжение продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса по всему контуру здания, осуществляя его объемное обжатие.

Продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса выполняют в виде швеллера из облегченного стального проката или из стального облегченного профиля.

Опорные пластины каждого балочного прогона напрягаемого пояса соединяют со стенками и полками балочных прогонов, приваривая сваркой по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

Ширину b_ys, мм, и высоту h_ys, мм, анкерного уголка принимают соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

Величину 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 располагают безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся балочных прогонов напрягаемого пояса. Для предупреждения ослабевания натяжной гайки под нагрузкой, крепежные болты оборудуют контргайками и упругими шайбами.

Максимально допустимое усилие растяжения (N_s,max, кН) в балочном напрягаемом поясе определяют по алгебраическому выражению (2):

где b - толщина рабочего сечения каменной стены, см; L - длина каменной стены, см; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа (кгс/см²).

Балочные прогоны напрягаемого пояса по высоте здания устанавливают сначала снизу стены, к каждому последующему поясу переходят после натяжения предыдущего. Балочные прогоны напряженного пояса устанавливают в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.

Работы по креплению стен здания проводят независимо от температуры воздуха окружающей среды.

На фиг. 1 изображен фасад здания с креплениями поврежденных каменных стен балочными напрягаемыми поясами: 1 - здание; 2 - каменная стена; 3 - сквозная трещина в каменной кладке; 4 - балочный напрягаемый пояс, уложенный снаружи стены (узел - А); 5 - балочный напрягаемый пояс (уложенный в выемку, вырезанную в стенах здания, узел - Б).

На фиг. 2 изображен план здания, сечение А-А, с креплениями каменных стен балочными напрягаемыми поясами: 1 - здание, 2 - каменная стена, 3 - сквозная трещина в каменной кладке, 4 - балочный напрягаемый пояс, уложенный с наружи стены (узел - А); 6 - продольный балочный прогон.

На фиг. 3 изображен узел сопряжения продольного и поперечного прогонов балочного напрягаемого пояса, исполнение первое (анкерный уголок тесно соединяют с прогоном): 2 - каменная стена; 6 - продольный балочный прогон; 7 - поперечный балочный 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 - рабочие зазоры.

На фиг. 4 изображен узел Б сопряжения продольного и поперечного балочных прогонов напрягаемого пояса, исполнение второе (анкерный уголок вставляют плавающим в процессе монтажа прогонов: 2 - каменная стена; 6 - продольный балочный прогон; 7 - поперечный балочный 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; Z₂ - рабочий зазор.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого способа с получением указанного выше технического результата

Пример конкретного выполнения. Осмотром существующего здания установлено: 3-х этажное здание размером в плане 12×18 м; толщина кирпичной кладки стен 64 см; кладка с сетью параболических трещин, расширяющихся кверху и наклонных к краям здания; марка раствора каменной кладки М-35, расчетное сопротивление кладки срезу 0,3 МПа (3 кгс /см²); прогоны крепления из облегченных швеллеров №18; опорные пластины из толстолистовой стали 10 мм; анкерные уголки из прокатного профиля 70×70 мм; крепежные болты ⌀ 20 мм (класс точности В; класс по прочности 8.8).

Крепление каменных стен здания толщиной 640 мм балочным напрягаемым поясом содержит пару продольных прогонов - 6 и пару поперечных балочных прогонов - 7, опорные пластины - 8, анкерный уголок - 9, крепежный болт - 12, натяжные гайки - 13 и упругие шайбы - 14.

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 опорной 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 опорной пластины); анкерный уголок 9 выполнен из разнопологоуголкового профиля - с размерами сечения b×δ=70×8 мм (здесь b×δ - ширина и толщина полки), высотой h=180 мм, площадь сечения A₁=10,7 см²; анкерный уголок имеет ребро жесткости - 11 и снабжен двумя отверстиями ⌀ 21 мм в одной полке уголка, двумя крепежными болтами ⌀ 20 мм, крепежные болты 12 с шестигранной головкой класса В (нормальной точности), упругие шайбы 14 с диаметром отверстия d₁=21 мм; натяжные гайки 13 шестигранные высокие (H=16 мм) класса точности В диаметром резьбы d=20 мм.

Балочный напрягаемый пояс замкнут по контуру здания и установлен в плоскости подвального перекрытия с углублением в кирпичную стену, толщиной B=640 мм, выемка в стене имеет размеры h₁×b₁=190×80 мм (здесь h₁×b₁ - высота и глубина выемки, вырезанной 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, МПа; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа; L - длина поперечного прогона балочного напрягаемого пояса, см; В_ус - толщина каменной стены, усеченной выемкой, см (В_ус=B-b₁=64-8=56 см).

При марке раствора кирпичной кладки М=35 расчетное сопротивление срезу R_sg=0,3 МПа (3 кгс/см²), длина поперечного балочного прогона L_mjn=1200 см и расчетная толщина усеченной каменной стены В_ус=56 см, наибольше допустимое усилие в напрягаемом балочном прогоне равно

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

Конструктивно принято 2 крепежных болта ⌀ 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) - 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, расстояние от обушка до центра отверстия в уголке); расчетная длина сварного шва полки анкерного уголка lω≥30 мм, принято lω=80 мм; длина анкерного уголка l_уг=h=180 мм; анкерный уголок усилен ребром жесткости толщиной 8 мм.

Рабочий зазор вычисляют по алгебраическому выражению (1):

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

Затем продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого 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 9. Натяжение прогонов осуществляют одновременным закручиванием натяжных гаек 13 по всему контуру балочного напрягаемого пояса, уложенного в выемку, вырезанную в стенах здания 5, убирая рабочий зазор между торцами прогонов. Этим обеспечивают натяжение элементов крепления.

Применение предложенного способа 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 поясом; крепление надежно при его эксплуатации, обладая необходимой жесткостью и несущей способностью.

Предложенное крепление использовано при усилении и реконструкции строительных объектов г. Самара (2010-2014 гг.).

Источники информации

1. Патент RU №918408, М. Кл. - 3 E04G 23/00, E04H 9/02/ Марджанишвилли М.А., Костриц А.И. др. Способ усиления кирпичных стен. Заявл. 22.10.79, опубл. 07.04.82; Бюл. №13.

2. Патент RU, №2196868 МПК-7 E04G 23/00 Ильин Н.А., Кузнецов А.С. Способ усиления каменных конструкций здания. Заявл. СГАСУ 10.03.2000; опубл. 20.01.2003; Бюл. №2.

3. Патент RU №2274718, МПК E04G 23/00 (2006.1), Белов М.В., Раевский А.Н. Способ реконструкции с усилением здания по всему периметру. Заявл. 25.05.2004, опубл. 20.04.2006; Бюл. №8.

4. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984. - 36 с. (с. 21-22, рис. 6).

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, который содержит 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. Крепление выполнено с учетом обеспечения пространственной жесткости и несущей способности без демонтажа существующих конструкций эксплуатируемого здания. Технический результат состоит в повышении жесткостных, прочностных и деформативных характеристик каменной кладки. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ крепления каменных стен здания, включающий установку продольных и поперечных элементов напрягаемого пояса и приспособления для их натяжения, отличающийся тем, что вначале проводят технический осмотр и проверочные расчеты поврежденных стен здания по прочности, затем проектируют и изготовляют элементы напрягаемого пояса, в виде балочных прогонов оборудуя с одного конца опорной пластиной с отверстиями для размещения крепежных болтов, и устанавливают их на одном уровне по высоте стен здания; узел сочленения продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса выполняют из анкерного уголка и крепежных болтов, оборудуя их натяжными гайками; продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса перед включением их в работу устанавливают на уровне перекрытий здания с рабочим зазором между сочленяющимися поверхностями опорной пластины одного балочного прогона и поверхностью полки анкерного уголка смежного балочного прогона, затем, одновременно закручивая натяжные гайки крепежных болтов узлов сочленения, производят натяжение продольных и поперечных балочных прогонов напрягаемого пояса по всему контуру здания, осуществляя его объемное обжатие.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что продольные и поперечные балочные прогоны напрягаемого пояса выполняют в виде швеллера из облегченного стального проката.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что балочные прогоны напрягаемого пояса выполняют из стального облегченного профиля.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что опорные пластины каждого балочного прогона напрягаемого пояса соединяют со стенками и полками балочных прогонов, приваривая сваркой по расчету на величину тягового усилия от крепежных болтов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ширину b_ys, мм, и высоту h_ys, мм, анкерного уголка принимают соответственно равными b_ys=b; h_ys=h-2·δ; где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину рабочего зазора Z, мм, между сочленяющимися поверхностями опорной пластины и полки анкерного уголка определяют по алгебраическому выражению:
Z=L_min·(σ_st/E_s); 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.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крепежные болты располагают безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся балочных прогонов напрягаемого пояса.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крепежные болты оборудуют контргайками и упругими шайбами.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимально допустимое усилие растяжения (N_s,max, кН) в балочном напрягаемом поясе определяют по алгебраическому выражению:
N_т,max=0,15 b·L·R_sg; где b - толщина рабочего сечения каменной стены, см; L - длина каменной стены, см; R_sg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа (кгс/см²).

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что балочные прогоны напрягаемого пояса по высоте здания устанавливают сначала снизу стены, к каждому последующему поясу переходят после натяжения предыдущего.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что балочные прогоны напрягаемого пояса устанавливают в выемки, вырезанные в каменных стенах здания.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что работы по креплению стен здания проводят независимо от температуры воздуха окружающей среды.