Устройство усиления железобетонных ребристых панелей перекрытия Российский патент 2023 года по МПК E04G23/02 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при усилении несущих конструкций эксплуатируемых зданий, более конкретно для усиления панелей перекрытий и покрытий (далее перекрытий) со средними и сильными повреждениями.

К сильным повреждениям ребристых панелей перекрытий относятся повреждения железобетонных ребристых панелей с потерей ими несущей способности.

Известно устройство усиления балочных конструкций односторонним наращиванием железобетона снизу перекрытия таврового сечения. При этом дополнительная арматура крепится к рабочей арматуре наращиванием бетона, см. рис. 13, а; с. 45 [1].

Известно усиление сборной плиты сталежелезобетонного перекрытия сверху. При этом дополнительная арматура установлена вверху панели, и она является над опорной арматурой неразрезной панели минимальной толщиной 30 мм (рис. 18, б, с.50)/ Хило Е. Р., Попович Б. С. Усиление железобетонных конструкций с изменением расчетной схемы и напряженного состояния. – Львов, Высшая школа, 1976. – 147с. [1].

Недостаток известных конструкций усиления панелей заключается в том, что усиление конструкций производится без изменения конструктивной схемы и напряженного состояния. При этом наращивание железобетонных балок таврового сечения для усиления ребристых плит затруднительно и неэкономично.

Известно устройство усиления сверху сборных ребристых плит покрытий толстым слоем нового бетона (рис. 3, с. 30, рис. 4 – А, с. 31) [2].

Известно усиление снизу ребристых плит путем подварки к рабочей арматуре панели перекрытия дополнительных стержней на коротышах (рис. 5 – А, с. 33) / Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промзданий и сооружений – М., Стройиздат, 1989. – 105с. [2] – прототип.

Недостатки этих конструкций усиления панелей заключается в том, что усиление железобетонных конструкций производится без улучшения конструктивной схемы сборных ребристых панелей перекрытия и без модернизации их напряженного состояния. Вследствие этого использование наращиваний ребристых панелей для усиления затруднительно и ведет к перерасходу нового бетона и дополнительной арматурной стали.

Сущность изобретения заключается в повышении надежности, несущей способности и огнестойкости усиливаемых сборных железобетонных ребристых панелей перекрытий, имеющих средние и сильные силовые и термические повреждения, в снижении расхода арматурной стали и конструктивного бетона за счет улучшения конструктивной схемы работы ребристых панелей, изменения их напряженного состояния, а также за счет эффективного использования дополнительной арматуры устройства усиления.

Технический результат – рациональное и эффективное усиление сборных ребристых панелей перекрытий, повышение надежности совместной работы дополнительных арматурных сеток и плоских каркасов; и жесткого соединения дополнительных арматурных стержней сопряженных ребер смежных панелей с существующими стержнями рабочей арматуры; снижение расхода строительной стали на изготовление устройств усиления и конструктивного бетона дополнительной плиты панели; обеспечение необходимой огнезащиты стальных элементов устройства усиления и требуемой огнестойкости ребристых панелей после усиления; упрощение изготовления дополнительных арматурных каркасов; сокращение объема потолочных сварочных работ.

Указанный технический результат при использовании предлагаемого технического решения достигается тем, что в известном устройстве усиления железобетонных ребристых панелей перекрытий здания, включающем существующую арматуру перекрытий и дополнительную арматуру элементов наращивания, которые расположены сверху и/или снизу поперечного сечения панелей перекрытий, а также защитный слой бетона или строительного раствора, отличительной особенностью является то, что элементы наращивания сверху выполнены в виде дополнительной монолитной плиты, вооруженной составной арматурной сеткой для армирования плит разной толщины из легкого бетона, при этом составная арматурная сетка монолитной плиты изготовлена со стержнями, расположенными по эпюре изгибающих моментов и выполнена в виде унифицированной сетки со стержнями, расположенными по эпюре изгибающего момента, с шагом продольных стержней мм или мм; элементы наращивания продольных ребер сопряженных панелей перекрытия снизу выполнены в виде дополнительного плоского армированного каркаса, поперечные стержни которого являются соединительными стержнями и прикреплены сварным швом к существующей рабочей арматуре продольных ребер сопряженных перекрытий, при этом продольные стержни дополнительного плоского арматурного каркаса установлены по расчету, выполнены из арматуры классов А400, А500 или А600 диаметром не менее 16 мм, поперечные стержни диаметром 6 – 16 мм, выполнены из арматуры классов А240, В500 или Вр500.

Высота сварного шва, соединяющего элемент наращивания устройства усиления с существующей рабочей арматурой продольных ребер, принята по расчету, но не менее 4 мм.

Поверхности существующей и дополнительной арматуры элементов наращивания сопряженных ребер снизу панелей, подвергнуты огневой обработке горелкой, утоплены в легкий бетон или высококачественный строительный раствор.

Толщина защитного слоя бетона или высококачественного строительного раствора для существующей и дополнительной продольной арматуры сопряженных ребер панелей принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости панелей здания по признаку потери несущей способности, а для дополнительной монолитной полки панели – по признаку потери теплоизолирующей способности.

Существующие стержни продольной рабочей арматуры ребер сопряженных панелей соединены при помощи контактной точечной сварки или скрутки с поперечными стержнями дополнительного плоского арматурного каркаса элемента наращивания.

Минимальную глубину заложения арматурного стержня существующей и дополнительной арматуры , мм выявляют по уравнению:

где – коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

– показатель условий обогрева арматурного стержня при одно – , двух–, трёхстороннем подводе тепла: 1; 0,5; 0,3;

Минимальная толщина защитного слоя бетона равна:

Минимальную толщину , мм монолитной полки панели по потере теплоизолирующей способности плиты определяют по уравнению:

где – требуемый предел огнестойкости, мин.

В предложенном техническом решении наращивание сечения ребристых перекрытий здания произведено снизу и сверху сопряженных панелей, существующие стержни продольной рабочей арматуры ребер сопряженных панелей соединены при помощи контактной точечной сварки или скрутки с поперечными стержнями дополнительного плоского арматурного каркаса; наращивание снизу продольных ребер сопряженных панелей перекрытия армированного дополнительным плоским каркасом, поперечные стержни которого являются соединительными стержнями, прикрепленными к существующей рабочей арматуре продольных ребер сопряженных панелей; наращивание сверху полок сопряженных ребристых панелей перекрытия здания в виде дополнительной монолитной плиты вооружено составной арматурной сеткой для армирования плиты разной толщины из легкого бетона, при этом составная арматурная сетка монолитной плиты изготовлена со стержнями, расположенными по эпюре изгибающих моментов.

Продольные стержни дополнительного плоского каркаса устанавливаются по расчету, выполнены из арматуры классов А400; А500 или А600 диаметром не менее 16 мм, поперечные стержни диаметром 6 – 16 мм выполнены из арматуры классов А240, В500 или Вр500.

Составная сварная сетка, установленная по расчету в дополнительной монолитной полке усиливаемой панели, выполнена в виде унифицированной сетки со стержнями, расположенными по эпюре изгибающего момента с шагом продольных стержней мм, или мм.

Высота сварного шва, соединяющего элемента устройства усиления, принята по расчету, но не менее 4 мм.

Поверхности существующей и дополнительной арматуры наращивания сопряженных ребер снизу панелей, подвергнутые огневой обработкой горелкой, утоплены «в сок» легкого бетона или высококачественного строительного раствора.

Толщина защитного слоя бетона или высококачественного строительного раствора для основной и дополнительной арматуры сопряженных ребер панелей принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости (, мин).

Минимальную глубину заложения арматурного стержня (, мм) вычисляют по уравнению (1):

– коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

– показатель условий обогрева арматурного стержня при 1, – 2, – 3 – стороннем подводе тепла (1; 0,5; 0,33)

Минимальная толщина защитного слоя бетона ( равна:

где – диаметр арматурного стержня, мм.

Минимальную толщину монолитной полки панели (, мм) по потере теплоизолирующей способности плиты вычисляют по уравнению (3):

где – требуемый предел огнестойкости, мин, по табл. 21 ФЗ №123- 22*.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом.

Использование предлагаемого устройства усиления сборных ребристых панелей обеспечивает улучшение качества усиления, снижение материальных затрат и рациональное восстановление эксплуатационных характеристик панелей перекрытия.

Улучшение качества усиления ребристых панелей перекрытия достигается вследствие:

а) увеличения рабочей высоты основного расчетного сечения в пролете железобетонной панели из-за приближения продольной рабочей арматуры к низу сочлененных ребер панели;

б) замены деструктивного слоя тяжелого бетона низа жестко сочлененных ребер панели на легкий бетон;

в) обеспечения требуемых пределов огнестойкости усиленных панелей перекрытия путем нанесения защитного слоя снизу и монолитной плиты сверху панели из легкого бетона не менее нормативной величины.

Снижение материальных затрат на усиление ребристых панелей перекрытия достигается вследствие:

а) использования средне и/или сильно поврежденных ребристых панелей перекрытий к повторной эксплуатации после усиления предложенным устройством;

б) снижения массы свеса усиливаемых панелей перекрытия вследствие использования легкого конструктивного бетона;

в) снижения трудоемкости установки дополнительной арматуры для нижнего наращивания ребер панелей;

г) сокращения сроков восстановления поврежденных панелей и снижение убытков по конструктивной части здания вследствие возможности ремонта даже аварийной панели вместо ее демонтажа и замены на новую панель.

Рациональное усиление ребристых панелей перекрытия достигается путем:

а) улучшения первоначальной расчетной схемы работы сочлененных ребер железобетонных панелей на изгиб;

б) повышения жесткости ребристых панелей перекрытия вследствие увеличения высоты поперечного сечения;

в) уменьшения фактических прогибов панелей перекрытия в пролете, вследствие возрастания жесткости;

г) экономии строительной стали по массе и по сечению при увеличении рабочей высоты ребер панелей:

д) компактного размещения дополнительных стержней арматуры;

е) снижения трудоемкости строительных работ за счет сокращения ручного труда и уменьшения потолочных сварочных работ;

ж) улучшения качества устройства усиления и снижения материальных затрат на ремонт и/или восстановление поврежденных ребристы панелей;

и) применения метода оценки тепловой нагрузки на железобетонные панели перекрытия, позволяющего более точно и достоверно дать оценку основных параметров температурного режима прошедшего пожара и, как следствие, степень разрушительного высокотемпературного воздействия на обследуемом участке панелей перекрытия.

На фиг.1 изображена схема усиленной железобетонной ребристой панели перекрытия, где показаны основные элементы усиленной ребристой панели 6x1,4x0,35 м: план, размеры, узлы, плоский каркас КР1, сетки С1, С2 и С3, рабочая арматура:

1 – арматурная сетка полки перекрытия;

2 – арматурный каркас продольного ребра;

3 – существующая рабочая арматура.

4 – дополнительная арматура каркаса;

5 – соединительные арматурные стержни сопряженных перекрытий;

6 – элемент наращивания снизу продольных ребер;

7 – торкрет-бетон или высококачественная штукатурка;

8 – дополнительная полка перекрытия;

9 – унифицированная арматурная сетка в монолитной полке перекрытия;

10 – элемент наращивания сверху полки панели;

11 – стык арматурных сеток внахлестку (без сварки);

12 – дополнительный арматурный каркас;

13 – контактная точечная сварка.

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

Проектное решение усиливаемых ребристых панелей многоэтажного складского здания: продольные ребра панелей высотой 350 мм, торцевые ребра высотой 150 мм, полка панели толщиной 50 мм.

Продольное ребро армировано 1Ø22 А400 и плоским каркасом – 2 (1 Ø6 А240 – продольные стержни, хомуты Ø4 В500 с шагом 150 мм.

Полка панели армирована сварными сетками в пролете и на стыке с продольным ребром из стержней Ø3 – 4 мм класса В500.

Существующая рабочая арматура – 3на панель 2 Ø22 А400, расчетные размеры плиты в виде тавра: мм; мм; мм; мм; мм; град; мм.

Бетон песчаный мелкозернистый класса B30, коэффициент термодиффузии .

Устройство усиления сборных железобетонных ребристых панелей содержит продольные ребра, существующую рабочую арматуру – 3, дополнительный арматурный каркас – 12 «лесенку», соединительные арматурные стержни сопряженных перекрытий – 5, являющиеся одновременно поперечными стержнями дополнительного арматурного каркаса – 12 «лесенка», унифицированную арматурную сетку в монолитной полке перекрытия – 9.

Усиливаемая железобетонная ребристая панель содержит арматурную сетку полки перекрытия 1, арматурный каркас продольного ребра 2, существую рабочую арматуру 3. Элемент наращивания снизу продольных ребер 6, торкрет-бетон или высококачественную штукатурку 7, дополнительную полку перекрытия 8, элемент наращивания сверху полки панели 10, унифицированную арматурную сетку в монолитной полке перекрытия 9.

Введение в работу устройства усиления сборных железобетонных панелей перекрытия произведено следующим образом.

В процессе обследования ребристых панелей перекрытия, отбивая слесарным молотком (топориком) деструктивный слой бетона, прогретого выше , устанавливаются степени повреждения и участки последующего усиления железобетонных ребристых панелей.

Количество и диаметр арматурных стержней определяются в результате изучения проектной документации и/или путем вскрытия и прямых замеров.

Поверочный расчет остаточной несущей способности железобетонных ребристых панелей производится в основных сечениях на основе данных обследования конструкций (геометрические размеры, расположение арматуры по высоте сечения, прочностные, деформационные и теплотехнические свойства материалов).

Расчетные сопротивления неповрежденной арматуры и бетона принимаются по нормам проектирования железобетонных конструкций, если они не подвергались действию огня.

Оценка состояния железобетонных панелей, подвергающихся воздействию высоких температур пожара, включает выявление признаков аварийности панелей (выпучивания арматурных стержней, прогиб панели более 1/50 пролета), выколы отслоения бетона на глубину (0,3-0,5) поперечного сечения; нагрев выше 300 °С для проволочной арматуры класса В500; нагрев выше 500-600 °С стержневой арматуры класса А400, А500, и А600; нагрев бетона выше 450±50 °С.

Сначала изготавливают дополнительный арматурный каркас 12 «лесенка»: диаметр продольных стержней мм, поперечных стержней мм. Наименьшее допустимое расстояние между осями стержней продольной арматуры принято 50 мм. Шаг продольных стержней при мм принят 100 мм; максимальный шаг – 600 мм.

Унифицированная арматурная сетка в монолитной полке перекрытия 9 выполнена из стержней Ø < 16 мм, стыкуется внахлестку без сварки заводя один конец за другой не менее, чем на 250 мм.

Элемент наращивания снизу продольных ребер 6 включает установку к существующей рабочей арматуре 3 дополнительного арматурного каркаса 12 «лесенки» посредством приварки к ней соединительных стержней дополнительного арматурного каркаса 12 «лесенки».

По результатам осмотра, простукивания и измерения отколов бетона угла поперечного сечения продольного ребра панели выявляется длительность и максимальная температура греющей среды натурного пожара:

а) толщину деструктивного бетона по граням продольного ребра и мм, определяют по уравнениям (4 и 5):

; (4)

; (5)

где и – размеры лучей отколов бетона смежных граней ребристой панели, мм.

б) при двустороннем обогреве продольного ребра панели показатель условий обогрева контрольной точки () определяют по уравнению (6):

; (6)

где –толщина деструктивного бетона по граням продольного ребра.

в) степень тепловой защиты (c, см) контрольной точки вычисляют по уравнению (7):

; (7)

– коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

–толщина деструктивного бетона по граням продольного ребра;

– показатель условий обогрева контрольной точки.

г) длительность натурного пожара, приведенного к стандартному (, мин) определена по уравнению (8):

; (8)

с – степень тепловой защиты контрольной точки, см

д) удельная пожарная нагрузка (, МДж/м²) на исследуемый участок панели вычислена по уравнению (9):

; (9)

–длительность натурного пожара, приведенного к стандартному, мин.

е) наибольшая температура натурного пожара ( вычислена по уравнению (10):

где – натуральный логарифм;

–удельная пожарная нагрузка, МДж/м²;

– время натурного пожара

Приведенная толщина плиты панели ( из тяжелого бетона к толщине плиты из легкого бетона вычислена по уравнению (11):

(11)

где – толщина плиты из тяжелого бетона, мм;

и – коэффициент термодиффузии для легкого и соответственно тяжелого бетона, мм²/мин.

Требуемая толщина монолитной плиты перекрытия из легкого бетона ( вычислена по уравнению (12):

; (12)

где – требуемый предел огнестойкости плиты перекрытия, мин по ФЗ №123-2008* [4].

Пример 1. Даны результаты осмотра простукивания и измерения отколов бетона угла поперечного сечения продольного ребра панели после пожара длительностью бетон тяжелый на известковом щебне (коэффициент термодиффузии мм²/мин); размеры лучей отколов бетона смежных граней ; . Определить длительность и наибольшую температуру среды натурного огневого воздействия и эквивалентного ему стандартного пожара.

Решение. 1)Толщина деструктивного бетона по граням продольного ребра ( и , мм) панели вычислен по уравнению (4 и 5):

; (;

2) При двустороннем обогреве контрольной точки ребра панели показатель условий обогрева вычислен по уравнению (6):

3) Степень тепловой защиты (c, см) контрольной точки вычислен по уравнению (7):

4) Длительность натурного пожара, приведенная к стандартному (, мин) определенный по уравнению (8):

5) Удельная пожарная нагрузка (, МДж/м²) на исследуемый участок панели определена по уравнению (9):

МДж/м²

6) Наибольшая температура натурного пожара ( вычислена по уравнению (10):

Пример 2. Дано: Конструкция усиливаемой сборной железобетонной ребристой плиты с полкой толщиной мм, выполненной из тяжелого мелкозернистого бетона (коэффициент термодиффузии мм²/мин); дополнительная монолитная плита перекрытия выполнена из легкого бетона (керамзитобетон) (коэффициент термодиффузии мм²/мин).

По ФЗ №123-2022* требуемый предел огнестойкости междуэтажных панелей перекрытия сооружения I (первой) степени огнестойкости равен мин.

Определить толщину дополнительной монолитной плиты панели перекрытия по признаку потери теплоизолирующей способности.

Решение. 1) Приведенная толщина существующей плиты перекрытия (, мм) из тяжелого песчаного бетона к толщине плиты из легкого бетона вычислена по уравнению (11):

2) Требуемую толщину плиты перекрытия ( вычисляют по уравнению (12):

;

3) Проектная толщина дополнительной плиты перекрытия из легкого бетона (керамзитобетона):

;

В результате использования изобретения возможно значительное повышение прочности и жесткости панели перекрытия.

Существенное увеличение фактической огнестойкости панели по признаку потери несущей и теплоизолирующей способности.

Создание надежной связи усиливаемой панели и сочленяющих элементов устройства усиления, улучшения статической схемы работы ребристых панелей.

Устройство усиления просто в проектировании и конструировании, экономично в его выполнении.

Источники информации

1. Хило Е. Р., Попович Б. С. Усиление железобетонных конструкций с изменением расчетной схемы и напряженного состояния. – Львов, Высшая школа, 1976. – 147с. (обоймы, рубашки, наращивание железобетона рис.13, а. Усиление конструкций способом одностороннего наращивания).

2. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промзданий и сооружений. – М., Стройиздат, 1989. – 105с. (п.п. 4.33; 4.36 рис 4 и 5.Усиление сборных ребристых плит покрытий), - прототип.

3. Патент RU №2 381 491с1 МПК G01N 25/00. Способ оценки параметров пожара в здании / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Ведерников С.С., заяв: 20.10.08; опубл. 10.02.10. Бюл. №4.

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройству усиления железобетонных ребристых панелей перекрытия зданий. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности, несущей способности и огнестойкости ребристых панелей, имеющих силовые и термические повреждения. Устройство усиления ребристых панелей включает существующую арматуру перекрытий и дополнительную арматуру элементов наращивания. Элементы наращивания сверху выполнены в виде дополнительной монолитной плиты, армированной арматурной сеткой. Элементы наращивания продольных ребер сопряженных панелей выполнены в виде плоского армированного каркаса. Арматурные стержни каркасов и сеток расположены в устройстве усиления по эпюре изгибающих моментов. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство усиления железобетонных ребристых панелей перекрытий, включающее существующую арматуру панелей перекрытий и дополнительную арматуру элементов наращивания, которые расположены сверху и/или снизу поперечного сечения панелей перекрытий, а также защитный слой бетона или строительного раствора, отличающееся тем, что элементы наращивания сверху выполнены в виде дополнительной монолитной плиты, вооруженной составной арматурной сеткой для армирования плит разной толщины из легкого бетона, при этом составная арматурная сетка монолитной плиты изготовлена со стержнями, расположенными по эпюре изгибающих моментов, и выполнена в виде унифицированной сетки со стержнями, расположенными по эпюре изгибающего момента, с шагом продольных стержней мм или мм; элементы наращивания продольных ребер сопряженных панелей перекрытия снизу выполнены в виде дополнительного плоского армированного каркаса, поперечные стержни которого являются соединительными стержнями и прикреплены сварным швом к существующей рабочей арматуре продольных ребер сопряженных панелей перекрытий, при этом продольные стержни дополнительного плоского арматурного каркаса установлены по расчету, выполнены из арматуры классов А400, А500 или А600 диаметром не менее 16 мм, поперечные стержни диаметром 6-16 мм выполнены из арматуры классов А240, В500 или Вр500.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота сварного шва, соединяющего элемент наращивания устройства усиления с существующей рабочей арматурой продольных ребер, принята по расчету, но не менее 4 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что существующие стержни продольной рабочей арматуры ребер сопряженных панелей соединены при помощи контактной точечной сварки или скрутки с поперечными стержнями дополнительного плоского арматурного каркаса элемента наращивания.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхности существующей и дополнительной арматуры элементов наращивания сопряженных ребер снизу панелей подвергнуты огневой обработке горелкой, утоплены в легкий бетон или высококачественный строительный раствор.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина защитного слоя бетона или высококачественного строительного раствора для существующей и дополнительной продольной арматуры сопряженных ребер панелей принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости панелей здания по признаку потери несущей способности, а для дополнительной монолитной полки панели – по признаку потери теплоизолирующей способности.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимальную глубину заложения арматурного стержня существующей и дополнительной арматуры, мм, выявляют по уравнению

где – коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

– показатель условий обогрева арматурного стержня при одно-, двух-, трёхстороннем подводе тепла: 1; 0,5; 0,3;

минимальная толщина защитного слоя бетона , равна

минимальную толщину , мм, монолитной полки панели по потере теплоизолирующей способности плиты определяют по уравнению

где – требуемый предел огнестойкости, мин.