способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов

Формула изобретения

Способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов, включающий подготовку их к бетонированию, выправку существующей арматуры, последующее бетонирование, отличающийся тем, что дополнительную арматуру в виде отдельных арматурных стержней или гнутых сеток нанизывают на стержни существующей арматуры, прикрепляют эти отдельные стержни или гнутые сетки к поперечной и/или продольной выправленной арматуре сеток или каркасов в плоскости с существующей арматурой с отгибами во внутрь сечения элемента, производят обетонирование или торкретирование поврежденных мест без изменения сечения восстанавливаемого элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и касается восстановления изгибаемых железобетонных элементов эксплуатируемого здания, поврежденных вследствие различных причин, в том числе пораженных огнем в условиях пожара.

Известные способы усиления осуществляются посредством увеличения поперечного сечения изгибаемого железобетонного элемента, трудоемки, требуют значительного расхода нового бетона и металла на дополнительную арматуру [1]

Прототипом является способ усиления элементов железобетонных конструкций, поврежденных от пожаров и аварий [2, с. 3; с. 28-65]

Суть этого способа заключается в том, что восстанавливаемая конструкция увеличивается по высоте, ширине (снизу, с боков или сверху усиливаемого сечения) или по длине наращиванием железобетона. При этом связь между старым и новым железобетоном осуществляется путем передачи касательных напряжений, возникающих в плоскости сопряжения нового бетона к старому, на дополнительную рабочую и монтажную арматуру, приваренную к арматуре восстанавливаемой конструкции. Существующую арматуру предварительно обнажают в местах приварки. Таким способом достигается увеличение площади рабочей арматуры и рабочей высоты изгибаемого элемента. В этом случае прирост высоты сечения элемента составляет 100 мм и более [2, с. 44, рис. 15] Железобетонные элементы, незначительно снизившие прочность, восстанавливают увеличением количества основной продольной арматуры. При этом производят параллельную приварку к существующей арматуре дополнительных стержней посредством приварочных коротышей. В этом случае высота сечения восстанавливаемого элемента увеличивается на 20-80 мм [2, с. 26-29]

Недостатком прототипа является невозможность его рационального использования при восстановлении изгибаемых элементов железобетонных конструкций, получивших сильные повреждения бетона на глубину, превышающую в 3-5 раз и более толщины защитного слоя, со стороны обогреваемой поверхности. Во время пожара на конструкции перекрытий здания высокие температуры порядка 800-1000^oC воздействуют с нижней стороны. В этом случае бетон, послойно прогреваясь свыше 500-600^oC, откалывается на глубину 20-80 мм и более. Обнаженная во время пожара горячекатанная арматурная сталь незначительно изменяет прочность после ее охлаждения. Следовательно, способом наращивания восстановление железобетонных элементов невозможно в прежних габаритах, а это приводит к увеличению собственной массы восстанавливаемых конструкций и неоправданному перерасходу дополнительно уложенных материалов арматурной стали и бетона. Нанесение же нового бетона без дополнительно установленной арматуры не обеспечивает передачу касательных напряжений, возникающих в плоскости присоединения нового бетона к старому.

Цель изобретения улучшение качества восстановления эксплуатационных характеристик железобетонных элементов и снижение материальных затрат на восстановительные работы, а также рациональное восстановление эксплуатационных характеристик (прочности, жесткости, трещиностойкости, огнестойкости) поврежденных изгибаемых элементов железобетонных сооружений.

Достижение этой цели обусловлено тем, что поврежденные места бетона восстанавливаемого элемента подготавливают к бетонированию, выправляют существующую арматуру, затем на нее нанизывают дополнительно отдельные стержни или гнутые сетки с отгибами вовнутрь сечения элемента, прикрепляют гнутые стержни (сетки) непосредственно к существующей арматуре и производят бетонирование поврежденных мест железобетонного элемента без существенного изменения первоначальных габаритов (высоты и ширины) сечения.

Подготовка к бетонированию железобетонных элементов включает удаление деструктивного бетона, вырубку пазов и местных углублений, ликвидацию деформаций и разрывов (выправление) арматуры.

Вырубку пазов или местных углублений производят в старом бетоне на расстоянии от проекции стержня выправленной арматуры, где h_н толщина дополнительно укладываемого нового бетона, см; пазы вырубают или высверливают под углом 30-90^o к поверхности элемента на глубину 5d₃, где d₃ диаметр отгиба гнутого стержня.

Удаление деструктивного бетона производят до неповрежденной части сечения элемента. Расчистке подлежат сильно разрушенные участки бетона с полным разрушением сцепления между арматурой и бетоном, а также термодеструктивный слой бетона до глубины, на которой он перестает выкрашиваться при простукивании бетона слесарным молотком.

Расчистку и скол поврежденного огнем бетона производят механизированным инструментом отбойным молотком, пневмозубилом. При небольших объемах работ скол бетона производят с помощью зубила и слесарного молотка или кувалды; поэтому дополнительно насечку шероховатой поверхности старого бетона не производят.

Ликвидация деформаций и разрывов арматурных стержней восстанавливаемого элемента включает операции по ремонту существующей арматуры: выправку, разрезку, сращивание, замену термовыпученных и пережженных стержней, установку провисших стержней арматуры в проектное положение.

Для обеспечения надежного сцепления старого бетона с новым на расчищенной поверхности старого бетона устраивают местные пазы и углубления, очищают поверхность от мусора, промывают струей воды под напором 0,3^oC0,5 МПа (3^oC5 атм), прикрепляют дополнительно на выправленную арматуру гнутые стержни и на влажную поверхность укладывают новый бетон.

Непосредственно перед бетонированием расчищенную поверхность старого бетона покрывают слоем пластинчатого цементно-песчаного раствора состава 1: 1,5^oC1: 2 или жирного цементного теста в виде тонкой пленки толщиной 1-1,5 мм. В процессе бетонирования производят вибрирование или штыкование нового бетона. При торкретировании эти виды работ не производят.

Отдельные гнутые стержни сначала нанизывают плотным перекрестным зацеплением между собой на поперечные стержни существующей арматурной сетки или каркаса восстанавливаемого элемента. Затем, по необходимости, таким же приемом гнутые стержни нанизывают и на продольные стержни существующей арматуры.

Длину прямолинейных участков отдельных арматурных стержней при изготовлении принимают кратной шагу стержней существующей сетки или каркаса, к которым прикрепляют дополнительную арматуру. Превышение длины прямолинейных участков новой арматуры более требуемой величины ликвидируют местным симметричным изгибом стержня в средней его части.

Длину отгиба гнутого арматурного стержня принимают в зависимости от толщины укладки нового бетона, глубины вырубленных пазов или местных углублений, а также от угла наклона отгиба. Погрешности в изготовлении длины отгибов ликвидируются по месту изменением угла наклона отгибов.

Существенное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что дополнительную арматуру восстанавливаемого железобетонного элемента устанавливают в одной плоскости с существующей арматурой, а восстановление поврежденной конструкции осуществляют в прежних габаритах, без наращивания поперечного сечения.

Следующее отличие заключается в том, что дополнительную арматуру нанизывают на существующие арматурные стержни, устраняя этим проведение огневых (электро-газосварочных) работ при восстановлении поврежденных конструкций эксплуатируемого сооружения.

Следующее отличие предлагаемого способа восстановления заключается в том, что при его использовании значительно улучшается качество восстанавливаемого элемента.

Улучшение качества восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов в предложенном способе достигаются вследствие:

1) повышения восприятия касательных усилий в плоскости соединения старого и нового бетона, которое обеспечивается устройством шероховатой поверхности старого бетона, пазов и местных углублений и вводом в них отгибов дискретно установленных гнутых стержней;

2) усиления существующей арматуры за счет части дополнительно устанавливаемой арматуры вдоль рабочих стержней; компенсация возможного снижения прочности старой арматуры, находившейся в неблагоприятных условиях (перегрев, пережог, коррозия), за счет установки зацепленных между собой отдельных гнутых стержней параллельно существующей рабочей арматуре;

3) обеспечения одновременного включения в работу старой и новой арматуры вследствие плотного нанизывания дополнительно устанавливаемой арматуры в одной плоскости с существующей арматурой;

4) повышения прочности сцепления старого и нового бетона за счет среза и смятия нового бетона, заполняющего пазы и местные углубления;

5) улучшения сцепления нового бетона со старой и новой арматурой за счет установки дополнительной арматуры на существующую в виде отогнутых стержней;

6) повышения удерживающего эффекта для дополнительно укладываемого бетона снизу поврежденного элемента в процессе его исправления за счет образования более частого расположения арматурных стержней в зоне защитного слоя бетона;

7) уменьшения размеров ячейки арматурной сетки, снижающих влияние усадочных напряжений в новом бетоне, за счет установки дополнительной арматуры в виде скоб между стержнями существующих сеток (каркасов) железобетонного элемента;

8) надежной фиксации расположения старой арматуры в процессе исправления и обетонирования элемента путем установки в упор отгибов гнутых стержней в заранее подготовленные пазы, вырубки и местные углубления;

9) предотвращения наращивания сечений железобетоном за счет использования гнутых стержней диаметром менее рабочей арматуры, устанавливаемых вовнутрь сечения.

Следующее отличие заключается в том, что, используя предлагаемый способ, существенно снижают материальные затраты на восстановление поврежденных конструкций. Снижение материальных затрат при восстановлении поврежденных элементов железобетонных сооружений в предложенном способе достигается за счет:

1) использования тяжело поврежденных огнем железобетонных элементов к повторной эксплуатации после их восстановления предложенным способом;

2) Снижение массы восстанавливаемого элемента по сравнению с известными решениями [1, 2] вследствие предотвращения образования наращиваний из железобетона;

3) снижения трудоемкости установки и крепления дополнительной арматуры вследствие отсутствия протяженных потолочных швов при электросварочных работах;

4) сокращения сроков восстановления поврежденных элементов и снижения убытков по конструктивной части здания вследствие возможности ремонта даже аварийных железобетонных конструкций вместо демонтажа поврежденных частей сооружения;

5) снижения расхода нового бетона вследствие предотвращения наращиваний восстанавливаемых железобетонных элементов и возможного обетонирования в прежних габаритах;

6) снижения расхода металла на дополнительную рабочую арматуру вследствие предотвращения наращиваний, снижающих эффективность работы существующей арматуры при перемещении ее к нейтральной оси сечения восстанавливаемого элемента известным способом [1, 2]

Следующее отличие заключается в том, что предлагаемый способ более рационален, чем существующий.

Рациональное восстановление эксплуатационных характеристик поврежденных железобетонных элементов в предложенном способе достигают путем:

1) восстановления поврежденных сечений в прежних габаритах без существенного изменения их первоначальной высоты и ширины, предотвращения образования наращиваний восстанавливаемых элементов вследствие установки дополнительной арматуры в одной плоскости с существующей;

2) улучшения состояния восстанавливаемого элемента под возрастающей нагрузкой вследствие включения в работу дополнительно уложенной арматуры, плотно нанизанной на существующие стержни в процессе восстановления железобетонного элемента;

3) повышения рабочей высоты сечения восстановленного железобетонного элемента при неизменных первоначальных габаритах вследствие прикрепления новой арматуры к низу рабочих стержней существующей;

4) увеличения несущей способности (прочности) восстановленного сечения вследствие увеличения рабочей высоты сечения и установки дополнительной рабочей арматуры;

5) увеличения трещиностойкости восстановленного элемента со стороны нового бетона вследствие уменьшения размеров ячейки арматурных сеток, дисперсного армирования нового бетона гнутыми стержнями и повышения прочности дисперсно-армированного бетона на растяжение;

6) устранения локальных глубоких повреждений бетона за счет использования любого числа отогнутых стержней для ремонтно-восстановительных работ по месту;

7) обеспечения нормативной огнестойкости восстановленных элементов путем нанесения защитного слоя бетона рабочей арматуры не менее требуемой величины;

8) обеспечения требуемой безопасности железобетонных сооружений при восстановлении поврежденных элементов и при допуске к повторной эксплуатации вследствие сокращения особо опасных (например, электросварочных) работ при восстановлении частей эксплуатируемого сооружения, а также увеличением прочностной надежности восстановленных элементов;

9) дополнительного восприятия поперечных сил в сечении элемента за счет установки гнутых стержней (отгибов) у опорных частей восстановленного изгибаемого элемента;

10) улучшения совместной работы различных материалов железобетона восстановленного сечения вследствие дополнительного рабочего и дисперсного (косвенного) армирования, плотного нанизывания новой арматуры на существующую, устройства пазов и вырубок;

11) улучшения качества восстановления элементов и снижения материальных затрат при ремонте железобетонных конструкций.

Установка зацепленных между собой отдельных гнутых стержней параллельно рабочей арматуре компенсирует возможное снижение прочности арматурной стали, находившейся в неблагоприятных условиях (перегрев, пережог).

Использование гнутых стержней диаметром менее рабочей арматуры позволяет не увеличивать первоначальную массу элемента, что наблюдается при наращивании сечения железобетоном.

Устройство шероховатой поверхности бетона, пазов или местных углублений для ввода в них отгибов дискретно установленных гнутых стержней, обеспечивает восприятие касательных напряжений, возникающих в плоскости присоединения нового бетона к старому.

Повышение качества восстановительных работ в предложенном способе достигается за счет лучшего сцепления существующей и дополнительно установленной изогнутой арматуры с новым бетоном. Установка гнутых стержней у опорных частей восстанавливаемого элемента дополнительно воспринимает поперечные силы в сечении, возникающие от внешних нагрузок. Старая и новая арматуры, установленные в одной плоскости, в работе восстановленного элемента принимают непосредственное участие без снижения прочности сечения при условии ее размещения в несколько рядов по высоте сечения в растянутой зоне элемента.

Установка дополнительной арматуры в виде скоб между стержнями сеток (каркасов) уменьшает размер ячейки арматурной сетки. Это также позволяет более качественно произвести бетонные работы и уменьшить влияние усадочных напряжений в новом бетоне.

Установка арматуры в виде отдельных гнутых стержней или гнутых сеток, плотно зацепленных между собой, позволяет частично нагруженной дополнительной арматуре после восстановления элемента сразу же включаться в работу.

На фиг. 1 изображена схема армирования поврежденной железобетонной плиты (вид снизу); на фиг. 2, 3 и 4 продольные разрезы 2-2, 3-3, 4-4 восстановленного элемента с использованием гнутых стержней; на фиг. 5 - поперечный разрез 5-5 восстановленного элемента; на фиг. 6, 7, 8, 9 виды гнутых стержней, варианты их изготовления и зацепления.

Пример конкретного выполнения.

На поперечные стержни 1, обнаженные от бетона, закрепленные на продольной арматуре 2 сетки железобетонной плиты нанизаны гнутые стержни 3 и прикреплены вязаной проволокой 4 (фиг. 1). Стержни с отгибами выполнены из арматурной стали классов A-I и B-I при любых углах загиба, из арматуры классов A-II и A-III при угле загиба не более 90^o (фиг. 6, 7, 8). Диаметр изгибаемых стержней из стали класса A-I не более 12 мм, классов A-II и A-III не более 10 мм. Очертания гнутых стержней принято таковыми, что угол загиба находится в пределах 90-180^o, а длина прямоугольного участка гнутого стержня кратна расстоянию между стержнями существующей арматуры. Длина крюков гнутых стержней взята в зависимости от величины зазора между выправленной арматурой и старым бетоном, глубины пазов в бетоне, угла загиба и диаметра d₃ гнутого стержня, но не менее 5d₃.

Изложенный способ восстановления изгибаемых железобетонных элементов позволяет выборочно производить арматурные работы снизу перекрытия без использования протяженных потолочных сварочных швов.

Восстановление прочности изгибаемых железобетонных элементов, пораженных снизу огневым воздействием, предлагаемым способом позволяет производить восстановительные работы без демонтажа даже сильно поврежденных огнем несущих конструкций, с толщиной полностью поврежденного слоя бетона на глубину в 3-5 и более раз превышающей величину защитного слоя бетона. Вследствие этого прямые затраты на восстановление строительных конструкций эксплуатируемого здания после пожара снижается в 25-30 раз.

Дискретное армирование позволяет производить местное восстановление прочности поврежденного сечения, обеспечивает значительную экономию металла и бетона по сравнению с вариантом наращивания железобетона по всей длине элемента.

Экономия дополнительно установленной арматурной стали по сравнению со способом наращивания составляет 75% и более, расход нового бетона вследствие восстановления железобетонного элемента без увеличения поперечного сечения снижается в 2-3 раза.