Усиление каменных зданий

9.2.1 В настоящем подразделе рассматриваются здания со стенами из кирпичной кладки и кладки из мелких, средних и крупных блоков.

Здания и сооружения с несущими каменными стенами отличаются большой массой, большой материало- и трудоемкостью. Поэтому, если их усиление не будет чрезмерным, экономически всегда целесообразно сохранение такого объекта, так как для нового строительства помимо больших материальных затрат потребуется в несколько раз больше времени.

Анализ статистических данных результатов обследования поведения каменных зданий и сооружений при землетрясениях выявил, что в оценке их сейсмостойкости необходимо различать, по крайней мере, три основных фактора - силу сейсмического воздействия, качество проектного решения и его исполнение при строительстве.

При квалифицированном проектировании сейсмостойкого объекта и высоком качестве строительных работ землетрясение расчетной силы, как правило, вызывает умеренные повреждения каменных стен, и лишь в отдельных местах они могут быть существенными. В этом случае работы по усилению объекта сводятся к приданию несущим конструкциям дополнительной прочности.

Иначе обстоит дело при низком качестве строительства - плохой кладке, недостаточной прочности стенового материала и т.д. В этом случае даже от землетрясения интенсивностью ниже расчетной повреждения могут быть очень сильными, и наблюдаются они, как правило, по всему зданию. Решение о повышении сейсмостойкости такого объекта должно означать, что все его конструкции будут усилены в такой мере, чтобы они были способны воспринимать расчетные сейсмические воздействия.

9.2.2 Возникающая при землетрясении горизонтальная составляющая сейсмической нагрузки вызывает в элементах стен деформации сдвига, вследствие чего в кладке возникают большие скалывающие напряжения, которые могут быть восприняты только при условии высококачественной кладки - из прочных соответствующих проекту материалов и с хорошим заполнением швов.

Кроме того, прочность кладки снижает вертикальная составляющая сейсмического воздействия. Поэтому, чтобы сейсмостойкость обеспечивалась реально, в кладку вводят специальное армирование, которое следует использовать при усилении несущих конструкций стен.

9.2.3 В зданиях следует различать несущие стены, обычно это продольные стены, на которые опираются конструкции перекрытий и покрытий, и стены перпендикулярного направления - самонесущие. Первые, несущие полезную нагрузку, являются наиболее ответственным конструктивным элементом здания, однако на восприятие сейсмической нагрузки работают и те и другие.

Вследствие различной нагруженности продольных и поперечных стен в зоне их сопряжения существуют повышенные скалывающие напряжения, для восприятия которых между стенами необходима надежная перевязка (связь). Поэтому в сейсмостойких зданиях и сооружениях для усиления узла пересечения стен вводится горизонтальное армирование кладки; этому же служат и антисейсмические пояса.

При монолитных железобетонных покрытиях и перекрытиях возможно такое конструктивное решение объекта, при котором продольные и поперечные стены могут быть несущими.

9.2.4 Наружные стены имеют, как правило, большое число проемов, поэтому простенки являются элементами, воспринимающими повышенную горизонтальную нагрузку, а места опирания перемычек - это естественные зоны концентрации напряжений. Именно здесь возникают первые трещины.

Особую опасность представляет сильное повреждение простенка несущей стены, так как полная потеря несущей способности такого элемента ведет к обрушению не только части стены, но, no-существу, и части здания (рисунок 9.1). Поэтому к усилению простенков необходимо относиться с повышенным вниманием. Эту работу надлежит выполнять в первую очередь и обязательно по полному технологическому циклу.

 

 

Рисунок 9.1 - Обрушение части стены в результате потери несущей способности перегруженного простенка

 

9.2.5 Перемычки, помимо того что воспринимают вертикальную нагрузку над проемом, вместе с кладкой над ними укрепляют простеночные части стены, повышают их устойчивость. По сравнению с простенками повреждения перемычек обычно менее опасны, и они имеют более локальный характер. Тем не менее, необходимо обеспечить надежную целостность перемычек и монолитность расположенной над ними кладки.

9.2.6 Глухие участки стены вследствие однородности напряженного состояния являются наиболее надежной частью конструкции здания. В частности, даже будучи пересеченными трещинами, они воспринимают большую часть сейсмической нагрузки на здание во время земетрясения. Опыт свидетельствует, что причиной преждевременного образования трещин в глухой стене служат ее местные ослабления - каналы, отверстия, штрабы и др., являющиеся зонами концентрации напряжений. Чтобы обеспечить сейсмостойкость на будущее, в глухих стенах при работах по усилению следует ликвидировать даже самые незначительные дефекты и ослабления.

9.2.7 Перекрытия в здании играют роль диафрагм, обеспечивающих его пространственную жесткость. Объединяя и связывая стены, они распределяют горизонтальную сейсмическую нагрузку между стенами одного направления и служат опорой для стен другого направления. Поэтому перекрытия сейсмостойких зданий должны быть замоноличены и надежно связаны со стенами.

9.2.8 В каменных зданиях и сооружениях при землетрясении обычно происходят следующие повреждения:

- отрыв наружной продольной стены здания от поперечных стен (рисунок 9.2). Об этом свидетельствует вертикальная трещина в их примыканиях;

- в наружных и внутренних стенах образуются косые и крестообразные трещины (рисунок 9.3);

 

1 - отклонение верха стены от вертикали; 2 - выпучивание средней части стены после разрушения связей

Рисунок 9.2 - Схема отрыва продольных несущих стен от поперечных конструкций здания

 

Рисунок 9.3 - Схема расположения трещин в несущих конструкциях стен, вызванных землетрясением и просадками фундамента из-за деформации грунта основания

 

- в простенках помимо трещин часто расслаивается кладка, а в углах возле перемычек образуются выколы и даже обрушения (рисунки 9.4, 9.5);

- в местах сопряжения металлических и железобетонных конструкций (балки перекрытий, обвязки, элементы лестничных клеток и лифтовых коробок) с каменной кладкой образуются различные выколы, расслоения, раздавливания и другие повреждения (рисунки 9.6, 9.7);

- в угловых соединениях и крестообразных пересечениях стен образуются вертикальные и ступенчатые (по шву кладки) трещины и нарушения монолитности кладки (рисунок 9.8).

 

а - д - повреждения в относительно узких простенках; е, ж - повреждения в более широких простенках

Рисунок 9.4 - Схематическое изображение характерных повреждений каменных простенков при землетрясении

 

а, б - повреждение перемычки; в - е - повреждение кладки под перемычкой

Рисунок 9.5 - Характерное повреждение перемычки и каменной кладки над перемычкой

 

а - сдвиг по бетонной подкладке; б - разрушение кладки в местах опирания плит; в - вырыв конца плиты из кладки стены

Рисунок 9.6 - Смещение плит перекрытий и повреждение кладки стен

 

а - основные места повреждений кладки и конструкций лестниц; б - повреждение над дверным проемом

Рисунок 9.7 - Повреждение конструкций в лестничной клетке

 

а - в - трещины; г - расслоение кладки в средней части стены; 1 - дверной проем; 2 - вентиляционный канал

Рисунок 9.8 - Возможное повреждение глухих участков стен

 

9.2.9 Землетрясение может вызвать неравномерную просадку грунта основания, и тогда здание получит дополнительные разрушения. При этом самые сильные повреждения конструкций здания происходят в зонах просадки (см. рисунок 9.3). Восстанавливать и усиливать такой объект следует после заключения специалистов о том, что развитие просадки может быть остановлено. Работы на объекте должны начинаться с укрепления грунта основания и фундаментов.

9.2.10 При землетрясении может произойти частичное разрушение стены, например, как результат потери несущей способности перегруженного простенка. Наиболее характерное повреждение стен - это появление косых и X-образных трещин, которые проходят главным образом по швам кладки, начинаясь в углах проемов и других местах ослабления стен. Если трещина пересекает и камни, то это признак недостаточной их прочности, а расслоение кладки - свидетельство слабого сцепления раствора с камнем. Величины раскрытия трещин могут быть различными, вплоть до сквозных и зияющих, и являются главным признаком при оценке степени повреждения элемента стены.

9.2.11 Перекрытия и конструкции лестниц, выполняемые, как правило, из сборного железобетона, получают повреждения в большинстве случаев в виде взаимного смещения смежных элементов, что происходит вследствие недостаточной прочности связей между ними: разрушение сварных соединений, отрыв закладных деталей из-за отсутствия достаточной анкеровки, плохая сварка, непрочный бетон или отсутствие замоноличивания стыков и т.д.

Смещение конструкций, вызванное небольшими допусками в сборных конструкциях и малыми площадками опирания железобетонных элементов, каждый из которых легко приходит в движение при землетрясении, требует надежности соединений и тщательного замоноличивания.

9.2.12 Поврежденный участок каменной кладки, нуждающийся в усилении в случае недостаточной его несущей способности (или усиливаемый, например, в связи с изменением сейсмичности территории), может быть временно разгружен подмостями, а затем разобран и восстановлен более прочной кладкой за счет замены материала или введения дополнительного армирования кладки.

9.2.13 Усиление с помощью армированной «рубашки» заключается в закреплении на поверхности кладки арматурной сетки из металла или армопластика и последующего нанесения на эту поверхность слоя торкрет-бетона или простого набрызга цементного раствора маркой более М100. Такой армированный слой толщиной 2 - 4 см может быть выполнен с одной или обеих сторон, а на столбах и узких простенках - со всех сторон (рисунок 9.9).

 

а - усиление участка стены; б - усиление угловой части стены; 1 - дополнительные угловые стержни d = 6 мм через 25 - 30 см по высоте; 2 - арматурная сетка; 3 - анкер d = 6 - 8 мм через 50 - 80 см; 4 - сквозной анкер d = 10 - 12 мм через 100 - 120 см; 5 - приварить или закрепить вязальной проволокой

Рисунок 9.9 - Укрепление стены арматурной сеткой с последующим торкретированием

 

Таким методом можно надежно усилить как угодно сильно разрушенный, но не потерявший устойчивости участок стены. Способность такой комплексной конструкции воспринимать сдвигающие усилия Q_сд от сейсмической нагрузки определяется площадями сечения кладки F_кл, нанесенного бетонного или песчано-цементного слоя F_cл, общего сечения арматуры одного направления F_ap и определяется зависимостью

,                                                      (9.1)

где к - коэффициент, учитывающий уменьшение прочности существующей кладки стены (поврежденной или потерявшей часть первоначальных прочностных свойств);

,  - расчетное сопротивление кладки и бетона (раствора) на срез;

R_ар - расчетное сопротивление арматуры растяжению.

9.2.14 Металлический «корсет», иногда его называют обойма или бандаж, используется (рисунок 9.10) для восстановления или усиления простенков и столбов. Поврежденная или недостаточно прочная конструкция каменной кладки плотно охватывается по всей высоте объемным металлическим каркасом в виде корсета и затем торкретируется или оштукатуривается цементным раствором. Для каркаса применяется уголок, полосовая или арматурная сталь. Перед устройством «корсета» удаляется старая штукатурка, проводится насечка поверхности кладки и ее промывка струей воды. Желательно также инъецирование раствора внутрь растрескавшейся кладки, что должно выполняться после установки и закрепления металлического «корсета».

 

1 - удалить штукатурку; 2 - насечь поверхность кладки и промыть; 3 - сварить металлический бандаж; 4 - штукатурить по металлической сетке; 5 - трещина; 6 - трещина сквозная со сдвигом кладки простенка

Рисунок 9.10 - Усиление каменного простенка или колонны металлическим «корсетом» (бандажом)

 

9.2.15 В случае необходимости восстановления или усиления перемычки или разгрузки поврежденного участка стены или фундамента устраивается разгрузочная балка, как правило, из двух швеллеров номерами от 12 до 20 включительно (рисунок 9.11).

 

1 - разгрузочная балка; 2 - поврежденная перемычка; 3 - 2 швеллера; 4 - поврежденная несущая перемычка длиной l

Рисунок 9.11 - Схема разгрузочной балки над поврежденным участком стены

 

Технология производства работ по устройству разгрузочной балки для восстановления или усиления стены или перемычек следующая:

- над подлежащим усилению участком стены выбирают с внешней или внутренней стороны горизонтальную штрабу, обычно глубиной в полкирпича;

- в штрабе на растворе М50 закрепляют металлический швеллер, имеющий два-три отверстия для стяжных болтов диаметром 16 - 18 мм;

- через эти отверстия стену просверливают насквозь;

- с противоположной стороны стены, ориентируясь на просверленные отверстия, выбирают вторую штрабу и устанавливают на растворе второй швеллер;

- оба швеллера скрепляют проходящими через стену болтами, после чего они могут выполнять функции разгрузочной балки;

- после установки разгрузочной балки под ее защитой разбирают, заменяют или усиливают недостаточно прочную конструкцию стены.

9.2.16 Укрепление стен металлическими тяжами используют при нарушении монолитности в пересечении наружных и внутренних стен, а также при отрыве наружной стены (см. рисунок 9.1).

В случае, когда вертикальная трещина в углу по внутренней стене имеет небольшое раскрытие, но прослеживается на одном или нескольких этажах, устраивается укороченная страховочная стяжка (рисунок 9.12, а). Если трещина в пересечении стен зияющая и тем более разорван антисейсмический пояс, а наружная стена имеет существенные отклонения в плане или по вертикали, то тяжи устраивают проходящими через все здание и снабжают стяжными муфтами (рисунок 9.12, б).

 

а - укороченная стяжка при укреплении участка стены; б - схема усиления здания тяжами в уровне перекрытия; 1 - стяжная муфта: 2 - металлическая шайба-упор

Рисунок 9.12 - Схема укрепления стен каменного здания металлическими тяжами

 

В первом случае в наружной стене по граням внутренней стены просверливают два отверстия, через которые пропускают тяжи из арматурной стали диаметром 16 - 20 мм, притягивающие снаружи здания горизонтальный отрезок швеллера. Для анкеровки тяжей на внутренней стене на расстоянии 1,5 - 2,0 м от внешней стены пробивают отверстие, в которое вмуровывают неравнобокий уголок или отрезок швеллера с отверстиями для тяжей. Тяжи должны прилегать плотно к внутренней стене, для чего в стене делают пазы, в которых они размещаются.

Во втором случае тяжи прокладывают через все здание и снабжают стяжными муфтами. Тяжи прокладывают по перекрытиям с шагом 3 - 6 м. На концах они снабжены жесткими шайбами-упорами размером в поперечнике около 0,3 м. В частности, это могут быть крестовины из уголка с полкой 100 - 120 мм.

9.2.17 Общий каркас, охватывающий здание (рисунок 9.13), используют как средство для предотвращения обрушения поврежденных наружных стен. Он рекомендуется, когда наружные стены оказываются пересеченными многочисленными, прослеживающими на всю высоту здания трещинами, а также для профилактического усиления зданий, признанных недостаточно сейсмостойкими.

Основными элементами этой конструкции являются сплошные пояса, охватывающие здание в уровнях перекрытий и стянутые проходящими через здание тяжами, а также поддерживающие пояса стойки, располагаемые через 6 - 12 м на самостоятельных фундаментах (рисунок 9.13, а). Чтобы такой каркас выполнил свое назначение при землетрясении, стойки и пояса должны плотно прилегать к стене. Конструкция каркаса может быть металлической, сборной железобетонной или комбинированной. Для уменьшения сейсмической нагрузки на стены в каркас может быть введена раскосная решетка (рисунок 9.13, б).

9.2.18 Железобетонные конструкции в каменных зданиях и сооружениях (перекрытия, антисейсмические пояса, лестницы, монолитные включения и т.д.) могут быть повреждены или недостаточно прочны для восприятия ожидаемого сейсмического воздействия.

Основной способ восстановления или усиления таких конструкций заключается в следующем:

- расчищают поврежденные участки;

- по данным обследования и результатам расчетов выполняют восстановление или усиление арматурного каркаса;

 

а - расположение элементов каркаса на плане здания; б - вариант схемы размещения каркаса по наружным стенам;

1 - пояс; 2 - стойки; 3 - тяжи; 4 - каркас

Рисунок 9.13 - Укрепление несущих стен общим, охватывающим здание металлическим каркасом

- укрепляют соединительные элементы, а при необходимости устанавливают дополнительные связи;

- устанавливают опалубку и осуществляют замоноличивание конструкции бетоном класса на одну ступень выше класса бетона конструкции.

При достаточном обосновании в технологические процессы по восстановлению или усилению конструкций включают новые высокопрочные материалы (полимерные бетоны, синтетические растворы и клеи) с гарантированной их долговечностью в течение расчетного времени эксплуатации объекта.

9.2.19 Разрушенные сборные железобетонные элементы (настилы, марши, косоуры и т.д.) удаляют и заменяют усиленными железобетонными изделиями или собираемыми по месту металлоконструкциями.

9.2.20 Для высококачественного восстановления или усиления железобетонных конструкций необходимо, чтобы твердые фракции в составе бетона не превышали 30 % минимальной толщины укладываемого слоя и 0,2 ширины заполняемой трещины.