CC BY
102ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НАУЧНОЙ РАБОТЫ
МЕТОДЫ СЕЙСМОУСИЛЕНИЯ ЗДАНИЙ С НЕСУЩИМИ СТЕНАМИ ИЗ КАМЕННОЙ КЛАДКИ
Карпов Анатолий Евгеньвич Российский экологический фонд «ТЕХЭКО», г.Москва E-mail: techeco@expert-center. ru
Кошарнова Юлия Евгеньевна Томский государственный архитектурно-строительный университет, г.Томск E-mail: [email protected]
Ласковенко Андрей Георгиевич Российский экологический фонд «ТЕХЭКО», г.Москва E-mail: techeco@expert-center. ru Ласковенко Георгий Андреевич Российский экологический фонд «ТЕХЭКО», г.Москва E-mail: techeco@expert-center. ru
Усеинов Эмиль Сейранович Томский государственный архитектурно-строительный университет, г.Томск E-mail: [email protected]
Аннотация. В настоящей статье приводятся обоснования задач сейсмического усиления зданий и сооружений с несущими стенами из каменной кладки; основные способы и методы сейсмоусиления элементов зданий, а также проблемы, возникающие при их реализации.
Ключевые слова: сейсмоусиление, сейсмостойкость, усиление, каменная кладка.
Изменение уровня сейсмичности ряда районов территории России в сторону увеличения привело к необходимости решения следующих задач для существующей застройки городов:
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
- проведение обследования зданий и сооружений с целью определения исходных данных для расчета фактической сейсмостойкости;
- определение дефицита сейсмостойкости зданий и сооружений;
- выполнение работ по сейсмическому усилению зданий с целью доведения их сейсмостойкости до требуемого уровня.
Традиционное сейсмоусиление зданий и сооружений по сложившейся до 1988-1991 гг. схеме осуществлялось, как правило, в рамках концепции повышения несущей способности конструктивных элементов. Такое сейсмоусиление проводилось только в случае повреждения зданий землетрясением. Превентивно такие мероприятия на территории СССР и РФ не проводились. Проблема повышения сейсмостойкости каменных зданий (в рамках концепции повышения несущей способности конструктивных элементов) изучена и проанализирована многими авторами [1 - 8].
Решению задач сейсмического усиления зданий и сооружений с несущими стенами из каменной кладки посвящены исследования [1, 2, 4, 6, 9 - 17], которые нашли свое отражение в нормативно-технической документации, в практике строительства и реконструкции. Это означает, что для большинства • существующих типов и конструктивных схем зданий с несущими стенами из каменной кладки имеются отработанные и проверенные практикой технические решения по сейсмическому усилению.
При разработке проектов повышения сейсмостойкости кирпичных и каменных зданий может быть выявлена необходимость усиления следующих несущих конструкций, элементов и узлов:
- простенков, стен, включая междуоконные перемычечные участки стен, перегородок и кирпичных столбов;
- сопряжений продольных и поперечных стен;
- связей между стенами и перекрытиями;
- узлов опирания и сопряжения плит перекрытий, балок;
- сопряжений антисейсмических поясов и перекрытий;
- лестничных площадок, балконов и других выступающих конструкций.
К основным способам и методам сейсмоусиления наружных и внутренних стен, перегородок, простенков и кирпичных столбов следует отнести:
- обжатие кирпичной кладки преднапряженными стержнями, струнами, анкерами и распорками, тяжей с накладками;
- устройство обойм из железобетона, армированием штукатурки и т.д.;
- устройство контрфорсов, дополнительных пилястр, аппликаций и других дополнительных элементов;
- устройство железобетонных армопоясов с анкеровкой с плитами перекрытий с внешней стороны стен;
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
- устройство железобетонных, стальных и комбинированных обойм кирпичных столбов и колонн;
- устройство железобетонных поясов на уровне опирания плит перекрытия и покрытия;
- устройство балочных железобетонных поясов для анкеровки с плитами перекрытия и покрытия;
- установка связей распорок;
- устройство напряженных стальных поясов с наружной или внутренней сторон стен здания;
- увеличение пространственной жесткости здания путем создания жестких горизонтальных дисков (диафрагм) жесткости;
- установка армокаркасов с внешней, внутренней или с обоих сторон на анкерах с обетонированием;
- устройство в кирпичных стойках железобетонных или металлических сердечников, а также подведение стоек из угловой стали.
Основные способы и методы сейсмоусиления перекрытий и покрытий:
- включение сборных железобетонных плит в совместную работу (стяжные • болты, стяжные болты с накладками, железобетонные шпонки и т.п.);
- анкеровка железобетонных плит в стенах (анкера, арматурные каркасы и стержни и т.п.);
- наращивание сечений железобетонных плит;
- установка разгружающих элементов (балок, стоек, кронштейнов, затяжек и
т.п.);
- установка арматурных каркасов (в стыковочных швах, в пустотах и под опорами и т.п.).
Основными способами и методами усиления узлов опирания и сопряжения плит перекрытий, перегородок, балок являются:
- устройство стальных опорных столиков (на болтах, сварке, тяжах, консолях, балках-коромыслах и т.п.);
- наращивание опорных частей железобетоном;
- подведение дополнительных опор;
- установка угловых накладок, скоб и анкеров на стыках стен и перегородок;
- наращивание стен железобетоном или штукатуркой с установкой анкеров и металлических сеток на стыках стен и перегородок;
- установка стальных полос, пластин и уголков-держателей на стыках перегородок со стенами и перекрытиями.
На рисунке 1 приведена общая классификация методов усиления каменной кладки, предложенная Поляковым С. В [23].
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Рис. 1 Классификация методов усиления каменных конструкций
На современном этапе развития сейсмостойкого строительства в качестве основных принципов усиления (повышения сейсмостойкости) зданий с несущими стенами из каменной кладки применяются:
- повышение прочности конструктивных элементов (инъецирование, преднапряжение);
- повышение несущей способности конструктивных элементов (металлические обоймы, железобетонные обоймы, торкретирование, одно- и двухсторонние железобетонные аппликации);
- повышение жесткости конструктивных элементов (железобетонные или металлические диафрагмы жесткости, продольные или поперечные рамы);
- снижение нагрузки (уменьшение полезной нагрузки, дополнительные опоры и стены, перераспределение нагрузки).
Эти принципы могут быть реализованы с изменением расчетной схемы здания и без изменения, с выселением людей из усиливаемого здания и без остановки эксплуатации (рисунок 2).
Рис. 2 Основные принципы и методы сейсмоусиления зданий
Основными направлениями сейсмоусиления конструктивных элементов каменных зданий являются:
- недопущение превышения растягивающих напряжений в кирпичной кладке выше расчетного значения по неперевязанным швам;
- недопущение превышения расчетных усилий в каменной кладке на сжатие при внецентренном сжатии, а также на смятие;
- снижение изгибающих моментов в пролетах и в стыках строительных конструкций;
- повышение жесткости конструкций в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- включение конструктивных элементов в совместную работу.
Многообразие методов сейсмоусиления порождает проблему
эффективности применения их как в отдельности, так и в комплексе. Выбор того или иного направления, способов и методов сейсмоусиления каменных зданий и их отдельных конструктивных элементов зависит от следующих факторов:
- от расчетной и фактической сейсмостойкости здания и его конструктивных элементов;
- фактической и прогнозируемой степени повреждения здания и его конструктивных элементов;
- технико-экономических обоснований целесообразности применения того
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
или иного способа и метода сейсмоусиления.
При усилении существующих зданий главными аспектами проблемы также являются временная эвакуация жильцов и сохранение существующего архитектурного облика. Временная эвакуация жильцов очень болезненна, так как связана с большими материальными затратами, психологической неподготовленностью людей, особенно для многоэтажных зданий, в которых проживает большое количество разных семей. Как показывает опыт многих стран по реконструкции и усилению домов старой постройки, городским властям приходится тратить немало усилий и времени для получения согласия всех жильцов на временную эвакуацию и их размещение в других домах.
Рассмотрим два основных метода сейсмоусиления простенков и стен, позволяющих не останавливать эксплуатацию здания при производстве работ.
1. Установка вертикальных преднапряженных стержней (рисунок 3).
Повышение сейсмостойкости каменных зданий путем установки напрягаемой продольной арматуры обеспечивается за счет:
- повышения напряжений сжатия в конструктивном элементе;
- включения в работу каменного элемента при внецентренном сжатии • вертикальных арматурных стержней, при этом наличие напряжения в арматурных стержнях (то есть ликвидация люфтов) обеспечивает включение их
в работу с начального момента деформирования каменного элемента;
- изменения характера деформирования каменного элемента, усиленного напрягаемой продольной арматурой, появления выраженного участка кривой деформирования, реализующей пластическое остаточное перемещение, то есть увеличением упругопластических свойств конструктивной системы.
Метод установки напрягаемой продольной арматуры в конструктивные элементы из каменной кладки обеспечивает увеличение сейсмостойкости каменных зданий в следующих случаях:
- малоэтажные (1 -3 этажа) каменные здания с незначительными величинами сжимающих напряжений в конструктивных элементах стен - за счет повышения напряжений сжатия и включения в работу каменных элементов при внецентренном сжатии арматурных стержней;
- каменные здания высотой до 3-х этажей при наличии внутренних ненесущих стен с малыми величинами сжимающих напряжений - за счет повышения напряжений сжатия в ненесущих стенах и включения в работу, каменных элементов при внецентренном сжатии арматурных стержней;
- каменные здания с несущими стенами из крупных блоков (малопрочных бетонных или из природных материалов) - за счет включения в работу каменных элементов при внецентренном сжатии арматурных стержней.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Рис. 3 Конструктивное решение усиления стен из каменной кладки вертикальной напрягаемой арматурой: 1 - продольная напрягаемая арматура канат К-7, К-19; 2 - усиливаемая стена из • каменной кладки; 3 - плиты перекрытия; 4 - конструкция кровли; 5 - карнизная плита; 6-фундаментные блоки; 7-ж/б фундаментная подушка; 8 - продольная скважина; 9 - распределительная ж/б балка; 10 - распределительная пластина;
11 - анкерное устройство; 12 - нагнетательный патрубок для иньецирования раствора; 13 - защитная подбетонка; 14 - песчаная засыпка приямка.
2. Усиление кладки железобетонными аппликациями (рисунок 4).
Повышение сейсмостойкости каменных зданий путем устройства железобетонной аппликации обеспечивается за счет включения в работу аппликации совместно с существующими конструкциями здания. Включение в работу монолитных железобетонных аппликаций происходит только при сейсмических воздействиях на дополнительную нагрузку к воспринимаемой статической нагрузки, что позволяет разгрузить существующие конструкции.
Исследованиями [24] подтверждена эффективность односторонних армированных бетонных аппликаций. Однако конструктивные решения, требующие установки через толщу стены стального анкерного болта и обеспечивающего связь аппликации со стеной, не могут быть признаны удовлетворительными для российских климатических условий, так как через анкерный болт будет происходить промерзание.
Данный метод исследовался и в работах [1, 13], в которых рекомендуется выполнять усиление эксплуатируемых зданий путем устройства одностороннего внешнего армирования бетонного или штукатурного слоя. Основываясь на проведенных исследованиях, В.И. Коноводченко утверждает, что для выявления
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
эффективности одностороннего усиления необходима постановка специальной серии опытов с образцами кладки, изготовленных из местных материалов, усиленных арматурой с различными процентами армирования.
е-
цп
ед
ezh
ед
ezh
г~г
ед:
п
та
щ
ii iii ii
1-1
Рис. 4 Конструктивное решение усиления стен из каменной кладки железобетонными аппликациями: 1 - железобетонная аппликация; 2 - усиливаемая стена из каменной кладки; 3 - плиты перекрытия; 4 - арматурная сетка; 5 - металлический анкер.
Зарубежные исследования [25, 26] также показывают эффективность применения односторонних аппликаций из различных материалов - от наружного армирования стен под защитой растворных рубашек до аппликаций из синтетических материалов.
Литература:
1. Джабаров М.К, Мардон М. Методы усиления кирпичных зданий пневмобетоном и штукатурными слоями в сейсмических районах. - Ташкент: 1985.
2. Еременок П.Л., Измайлов Ю.В. Монолитность и сейсмостойкость конструкций из естественного камня. - Кишинев, 1968. - 202 с.
3. Измайлов Ю.В. и др. Усиление зданий, поврежденных землетрясением / Измайлов Ю.В., Буровенко В.А., Кирпий А.Ф. // Карпатское землетрясение 1986 г. / Под ред. Друмя A.B., Шебалина Н.В., Складнева H.H., Графова С.С., Ойзермана В.И. - Кишинев, 1990. - С 303-317.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
4. Кабанцев О.В., Тонких Г. П. и др. Пособие по оценке сейсмостойкости и сейсмоусилению общевойсковых зданий с несущими стенами из каменной кладки. - М.: 26 ЦНИИ МО РФ, 2002 г. - 79 с.
5. Коноводченко В.И. Усиление стен кирпичных зданий для повышения их сейсмостойкости // Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий. - М.: 1967. - С. 180-186.
6. Мартемьянов А.И., Ширин В.В. Способы восстановления зданий и сооружений, поврежденных землетрясением. - М.: 1978. - 204 с.
7. Тонких Г.П., Кабанцев О.В., Кошаев В.В. Методика экспериментальных исследований по усилению зданий из каменной кладки железобетонными аппликациями. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - №6, ВНИИНТПИ - 2005 г. - С 63-65.
8. Тонких Г.П., Кабанцев О.В., Кошаев В.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния каменной кладки, усиленной железобетонной аппликацией, при совместном действии статических вертикальных и горизонтальных нагрузок. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений №6, ВНИИНТПИ. - 2007 г. - С 26-31. •
9. Абдурашидов К.С., Рузметов А.С. Методы восстановления зданий после сильных землетрясений // Строительство и архитектура Узбекистана. - Ташкент: 1974. - С. 24-31.
10. Айзенберг Я.М., Килимник Л.Ш. О критериях предельных состояний и диаграммах восстанавливающая сила-перемещение при расчетах на сейсмические воздействия. // Сборник «Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений» / Под ред. Гольденблата И.И. - М.: 1972. - С. 46-60.
11. Ашкинадзе Г.Н., Соколов М.Е. // Железобетонные стены сейсмостойких зданий. Исследования и основы проектирования. - М. СИ. 1988 г. - 486 с.
12. Кожаринов С.В. Исследование деформаций кирпичной кладки при действии горизонтальных нагрузок // Динамика и сейсмостойкость зданий и сооружений/ Сб. ИССС АН ТаджССР. - Душанбе, 1980 г. - С. 127-134.
13. Коноводченко В.И. Усиление стен кирпичных зданий для повышения их сейсмостойкости // Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий. - М.: 1967. - С. 180-186.
14. Корчинский И.Л. и др. Сейсмостойкое строительство зданий. - М.: 1971. - 320 с.
15. Н. Ньюмарк, Э. Розенблюет. Основы сейсмостойкого строительства / Сокр. пер. с англ. / Под. ред. Я.М. Айзенберга. - М.: 1980. - 344 с.
16. Серия 0.00-2.96с. Повышение сейсмостойкости зданий. / Выпуск 0-0. Общие материалы для проектирования / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: 1997. - 16 с.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
17. Серия 0.00-2.96с. Повышение сейсмостойкости зданий / Выпуск 0-1. Каменные и кирпичные здания. Материалы для проектирования / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: 1997. - 83 с.
18. Kopanitsa D.G., Useinov E.S. RELATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRICK MASONRY FRAGMENT AT FRACTURE UNDER STATIC AND DYNAMIC LOADING. В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Advanced Materials in Construction and Engineering. Сер. "International Scientific Conference of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Engineering, TSUAB 2014". - 2015. С. 012-031.
19. Копаница Д.Г., Кабанцев О.В., Усеинов Э.С. Экспериментальные исследования фрагментов кирпичной кладки на действие статической и динамической нагрузки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - №4 (37). - С. 157-178.
20. Копаница Д.Г., Усеинов Э.С., Устинов А.М. Деформации и разрушение фрагмента каменной кладки при кратковременном действии сжимающей статической нагрузки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - №6 (53). - С. 90-97. •
21. Kopanitsa D.G., Useinov E.S. Relation of dynamic parameters of brick masonry fragment at fracture under static and dynamic loading. В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Advanced Materials in Construction and Engineering. Сер. "International Scientific Conference of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Engineering, TSUAB 2014" 2015. С. 012031.
22. Нугужинов Ж.С., Копаница Д.Г., Кошарнова Ю.Е., Устинов А.М., Усеинов Э.С. Экспериментальные исследования облегченной кирпичной кладки на центральное и внецентренное нагружение // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2016. - №2 (55). - С. 107-116.
23. Поляков С.В., Сафаргалиев С.М. Монолитность каменной кладки. - Алма-ата.: 1991. - 160 с.
24. Поляков С.В., Коноводченко В.И., Прочность и деформации виброкирпичных панелей при перекосе // Сейсмостойкость сборных крупноэлементных зданий. -М.: 1963. - С. 131-148.
25. Ersoy U. Seismic Rehabilitation - Applications, Research and Current Needs // Proc. XT WCEE. Acapulco, Mexico, 1996. Электронный документ.
26. Kaminosono T. Japanese Experience on Building Rehabilitation: The Case of Kobe City // Proc. XT WCEE. Acapulco, Mexico, 1996. Электронный документ.
