A NEW RESOURCE EFFICIENT STONE WALLS SUPPORT STRUCTURE OF A BUILDING

Full Text

В технической литературе известна конструкция крепления каменных стен здания, включающая каркас из парных вертикальных элементов (которые расположены с обеих сторон стен здания и связаны между собой стяжными болтами, проходящими через сквозные отверстия в стене) пояса жесткости и ограждающую сетку [1]. Однако в известной конструкции крепления применено громоздкое и сложное устройство усиления. Частое расположение поперечных связей (стяжных болтов) ведёт к пробиванию большого числа отверстий в стене и ее дополнительному ослаблению [1]. Имеются сведения о конструкции крепления каменных стен зданий, которые включают деревянный каркас усиления, состоящий из стержневых вертикальных и горизонтальных элементов, которые выполнены из неразрезных деревянных прогонов, установленных с обеих сторон стены [2]. Однако и в этой конструкции крепления применено громоздкое и сложное устройство усиления. Применение древесины в качестве материала для крепления стен приводит к снижению класса конструктивной пожарной безопасности здания [2]. Известна общепризнанная конструкция крепления ослабленных или повреждённых каменных стен здания, которая включает продольные и поперечные стальные тяжи из круглой стали диаметром 20÷38 мм, приваренные к отрезкам уголков, установленных по углам здания. Натяжение стальных тяжей произведено стяжными муфтами по всему контуру здания [3; 4]. Однако при использовании общепризнанной конструкции крепления применены стальные тяжи круглого сечения диаметром 20 ÷ 38 мм, которые неплотно прижаты к поверхности каменных стен здания. Стяжные муфты трудоёмки в изготовлении и не соответствуют требованиям контроля натяжения стальных тяжей, соединение муфтами не совершено для включения в работу элементов крепления каменных стен и не обеспечивает пространственную жесткость здания. Натяжные стальные пояса имеют малое тяговое усилие (до 50 кН) [3; 4]. Суть нового конструктивного решения крепления стен заключается в повышении несущей способности каменных стен, получивших тяжёлые повреждения, и в обеспечении требуемой пространственной жёсткости здания. При использовании новой конструкции крепления стен положительный технический результат включает: 1) повышение эксплуатационной надёжности существующего здания; 2) обеспечение требуемой пространственной жёсткости реконструируемого здания; 3) обеспечение целостности совместной работы связанных между собой продольных и поперечных каменных стен здания; 4) повышение надёжного включения балочного пояса в работу каменных стен здания; 5) повышение прочности и деформативных характеристик каменной кладки; 6) сокращение трудозатрат и расхода стали на изготовление конструкции крепления каменных стен; 7) обеспечение контроля натяжных прогонов балочного пояса и замыкания раскрытых трещин в каменных стенах здания; 8) увеличение показателей ресурсоэнергосбережения, экономичности, долговечности и конструктивной пожарной безопасности устройства крепления каменных стен здания [5]. Особенности конструкции крепления каменных стен здания, содержащих продольные и поперечные стальные тяжи и узел для их сочленения и натяжения, следующие: а) стальные тяжи выполнены в виде прогонов балочного пояса из стального облегчённого профиля; б) узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного пояса состоит из анкерного уголка и крепёжных болтов, которые снабжены натяжными гайками; в) продольные и поперечные прогоны балочного пояса установлены на одном уровне стен здания с рабочим зазором между сочленяющими поверхностями опорной пластины одного прогона и поверхностью полки анкерного уголка смежного прогона; г) одновременное закручивание натяжных гаек крепёжных болтов узлов сочленения производит натяжение продольных и поперечных прогонов балочного пояса по всему контуру, осуществляя объемное обжатие здания; д) продольные и поперечные прогоны балочного пояса выполнены в виде швеллера из облегчённого стального проката или в виде прямоугольной трубы из гнутосварного профиля; е) каждый прогон балочного пояса оборудован с одного конца опорной пластиной, снабжённой отверстиями для размещения крепёжных болтов, с другого конца прогон оборудован опорной пластиной в виде одной полки анкерного уголка. Другая полка анкерного уголка снабжена отверстиями для размещения крепёжных болтов; ж) каждый прогон балочного пояса с обоих концов оборудован опорными пластинами с жёстким прикреплением к ним крепёжных болтов; з) каждый узел сочленения продольных и поперечных прогонов балочного пояса снабжен плавающим при монтаже анкерным уголком, который обеспечен отверстиями для размещения крепёжных болтов; и) опорные пластины каждого прогона балочного пояса соединены со стенками и полками прогонов сварным швом по расчёту на величину тягового усилия от крепёжных болтов; к) ширину bуs, мм, и высоту hys, мм, анкерного уголка принимают соответственно равными bуs = b; hys = h - 2 · δ (где b и h - ширина и высота полки уголка; δ - толщина полки уголка, мм); л) величину рабочего зазора Z, мм, между сочленяющимися поверхностями опорной пластины и полки анкерного уголка определяют из уравнения Z = Lmin · (σst / Es) , (1) где Z - величина рабочего зазора, мм; Lmin - длина поперечного прогона, мм; σst - напряжение растяжения в сечении прогона от тягового усилия, МПа; Es - модуль упругости стали, МПа; м) крепёжные болты расположены безмоментно относительно центров тяжести поперечных сечений сочленяющихся прогонов балочного пояса. Диаметры крепёжных болтов и их количество принимают по расчёту в зависимости от величины тягового усилия в прогонах балочного пояса. Для предупреждения ослабевания натяжной гайки под нагрузкой крепёжные болты оборудуют контргайками и упругими шайбами; н) анкерный уголок для сопряжения прогонов снабжён ребром жесткости; о) прогоны балочного пояса установлены на поверхности стен или в выемке, которые вырезают в каменных стенах здания. На рис. 1 изображены фасад и план (сечение А-А) здания, оборудованного креплениями каменных стен балочными поясами. На рис. 2 изображены узлы сопряжения продольного и поперечного прогонов балочного пояса. Исполнение 1-е - анкерный уголок выполнен плавающим в процессе монтажа прогонов; исполнение 2-е - анкерный уголок жёстко соединен с прогоном. А - А Рис. 1. Фасад здания и план (сечение А - А) здания с креплениями каменных стен балочными поясами: 1 - здание; 2 - каменная стена; 3 - трещины в каменной кладке; 4 - балочный натяжной пояс снаружи стены; 5 - балочный натяжной пояс в выемке в стене; 6 - продольный прогон; 7 - поперечный прогон натяжного пояса. Узел А - прогоны расположены на наружных стенах здания; узел Б - прогоны расположены в выемках стен здания Исполнение 1-е Исполнение 2-е Рис. 2. Узлы сопряжения продольного и поперечного прогонов балочного напряжённого пояса - исполнение 1-е, исполнение 2-е: 2 - каменная стена; 6 - продольный прогон; 7 - поперечный прогон; 8 - опорная пластина; 9 - анкерный уголок; 10 - полка анкерного уголка; 11 - ребро жёсткости анкерного уголка; 12 - крепёжный болт; 13 - натяжная гайка; 14 - упругая шайба; Z1, Z2 и Z3 - рабочий зазор; исполнение 1-е - анкерный уголок выполнен плавающим в процессе монтажа прогонов; исполнение 2-е - анкерный уголок жёстко соединен с прогоном Пример конкретного выполнения. Конструкция крепления каменных стен существующего здания толщиной 640 мм балочным поясом содержит пару продольных прогонов 6 и пару поперечных прогонов 7, опорные пластины 8, анкерный уголок 9, крепёжные болты 12, натяжные гайки 13 и упругие шайбы 14 (рис. 2). Продольные и поперечные прогоны (соответственно длиной L = 18 и 12 м) выполнены из облегчённого швеллера № 18 с размерами поперечного сечения h×b×d = 180×70×5,1×3,7 мм (здесь h, b и d - высота, ширина и толщина пластины); площадь сечения А=20,7 см2; опорные пластины 8 выполнены из толстолистовой стали размером h×b×d = 160×65×10 мм (здесь h, b и d - высота, ширина и толщина пластины); анкерный уголок 9 выполнен из равнополочного уголкового профиля - с размерами сечения b×δ = 70×8 мм (здесь b и δ - ширина и толщина полки), высотой h = 180 мм, площадь сечения А1=10,7 см2; анкерный уголок 9 имеет ребро жёсткости 11 и снабжён двумя отверстиями диаметром 21 мм в полке уголка и двумя крепёжными болтами диаметром 20 мм, болты с шестигранной головкой класса B, шайбы с диаметром отверстия d=21 мм; натяжные гайки 13 шестигранные высокие (H = 16 мм) класса точности B с диаметром резьбы d = 20 мм. Балочный 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 и b1 - высота и глубина выемки в стене). Максимально допустимое усилие в балочном поясе определено из выражения NT,max = 0,15 · Rsg · Lmin · Byc, (2) где NT,max - максимально допустимое усилие в крепёжных болтах узла сочленения, МПа; Rsg - сопротивление каменной кладки срезу, МПа; Lmin - длина поперечного прогона балочного пояса, см; Byc - толщина каменной стены, усечённой штрабой, см; (Byc = B - b1 = 64 - 8 = 56 см). Для кирпичной кладки при марке камня М50 расчётное сопротивление срезу Rsg = 0,4 МПа (4 кгс/см2), при длине поперечного прогона Lmin = 1200 см и расчётной толщине усечённой каменной стены Byc = 56 см, наибольшее допустимое усилие в балочном прогоне равно: NT,max = 0,15 · 4 · 1200 · 56 = 40320 кгс ≈ 40 тс. Конструктивно принято два крепёжных болта диаметром 20 мм, площадь сечения болтов Аbn = 2 · 3,142 = 6,28 см2; для болтов класса по прочности 8.8 сопротивление на растяжение Rbt = 400 МПа (4000 кгс/см2) - расчётное усилие в болтах Nb = Аbn · Rbt = 6,28 · 4000 = 25140 кгс ≈ 25 т с < 40 т с. Напряжение растяжения в сечении поперечного прогона равно: σрас = Nb / А = 25140 / 20,7 = 1215 кгс/см2 (121,5 МПа). Из расчёта на прочность применяют анкерный уголок в виде отрезка уголкового профиля b×b×δ=100×100×8 мм; e = 55 мм (здесь b, δ - соответственно ширина и толщина полки, e - расстояние от обушка до центра отверстия в уголке); расчётная длина сварного шва полки уголка ℓω ≥ 30 мм, принято ℓω = 80 мм; длина анкерного уголка ℓуг = h = 180 мм; анкерный уголок усилен ребром жёсткости толщиной 8 мм. Величина рабочего зазора вычислена из выражения (1): Z = Lmin · (σst / Es) = 1200 · (1215 / 2 · 106) = 0,73 см ≈ 7 мм. Введение элементов конструкции 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 диаметром 21 мм под крепёжные болты 12. Затем продольные и поперечные прогоны балочного пояса укладывают в выемку, пропуская крепёжные 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 пояса, убирают рабочий зазор между торцами прогонов, обеспечивая натяжение элементов конструкции крепления. Предложенная конструкция крепления каменных стен здания использована при усилении и реконструкции строительных объектов г. Самары (2010-2014 гг.). Выводы. Применение предложенной конструкции крепления каменных стен здания позволяет улучшить качественные показатели: 1) элементы крепления просты в изготовлении и монтаже вследствие рационального использования прокатного металла, минимального числа деталей и отсутствия проведения сварочных работ на высоте; 2) конструкция крепления многоцелевого назначения, так как оно одновременно разгружает и исправляет каменные стены здания, а также обжимает каменную кладку балочным поясом; 3) конструкция крепления надёжна при его эксплуатации, обладает необходимой жёсткостью и несущей способностью.

About the authors

Nikolay Alekseevich ILYIN

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergei Valer'evich STEPANOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Denis Aleksandrovich PANFILOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Denis Vladimirovich LITVINOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files