CC BY
188
/40 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 3 (45) УДК: 699.84
Сейсмоусиление зданий в г. Петропавловск-Камчатский, возведенных по каркасно-панельной серии КПСу с платформенными стыками
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2015
Г.П. Тонких, О.А. Симаков Аннотация
Разработано новое техническое решение по сейсмоусилению существующих зданий, выполненных по серии КПСу с устройством диафрагм жесткости из торкрет-бетона и усилением несущих элементов с применением внешнего армирования на основе углеродных волокон (на примере системы FibArm).
Ключевые слова: сейсмоусиление; внешнее армирование; углеродные волокна; углеродные ленты.
Seismic Strengthening of Buildings in Petropavlovsk-Kamchatsky Buit in Frame and Panel series KPSu with Platform Joints
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2015
G. Tonkikh, O. Simakov
Abstract
Developed a new technical solution on reinforcing existing buildings, the KPSu series with diaphragm stiffness of shotcrete and reinforcement of load-bearing elements with the use of external reinforcement-based carbon fibers (for example, system FibArm).
Key words: seismic reinforcement; external reinforcement; carbon fiber; carbon tape; carbon lamel.
В настоящее время, учитывая резкое повышение сейсмической активности территории Российской Федерации, после введении в действие новых карт общего сейсмического районирования территории страны (ОСР-97), остро встает вопрос об усилении строительных конструкций существующих зданий и сооружений. Повышение сейсмостойкости традиционными методами, за счет повышения прочностных свойств материала несущих конструкций, не всегда бывает возможным, учитывая длительный срок их эксплуатации, а также появления за это время существенных дефектов и повреждений.
В связи с этим, наиболее целесообразным способом повышения сейсмостойкости существующих зданий и сооружений является способ сейсмоуси-ления с изменением конструктивного решения и расчетной схемы основных несущих конструкций, путем устройства дополнительных железобетонных элементов, соединенных с существующими конструкциями здания.
Учитывая изложенное, в качестве объекта исследования по повышению сейсмостойкости зданий за счет изменения расчетной схемы, было выбрано существующее здание детского сада, расположенное в г. Петропавловск-Камчатский на площадке с сейсмичностью 10 баллов.
Здание сборное железобетонное каркасного типа простой квадратной формы, с размером в плане 18,0 х 18,0 м, при сетке колонн 6,0 х 6,0 м, двухэтажное, высота 1-го этажа — 3,0 м, второго — 3,3 м.
Здание выполнено по усовершенствованной кар-касно-панельной серии (КПСу), разработанной институтом «Камчатскгражданпроект» в 1971—1972 гг. Серия КПСу разработана для применения при строительстве общественных, в отдельных случаях жилых, зданий, детских садов, школ, предприятий торговли, бытового обслуживания, административных и других в г. Петропавловске-Камчатском. Расчетная сейсмичность зданий 8, 9 баллов.
Сборный каркас серии решен в рамной схеме, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Каркас серии КПСу с совмещенными стыками колонн и ригелей состоит из однопролетных колонн, на которые опираются однопролетные несущие ригели. Колонны выше расположенного этажа опираются непосредственно на торцы несущих ригелей.
Колонны и ригели образуют рамы, располагаемые поперек и вдоль здания и воспринимающие вертикальные нагрузки от перекрытий, а также горизонтальные (ветровые или сейсмические) нагрузки, действующие в плоскости рам.
В направлении, перпендикулярном основным несущим рамам, восприятие горизонтальных нагрузок обеспечивается созданием рам с применением ригелей второго (ненесущего) направления такой же высоты, как и несущие ригели. Ригели второго направления снизу привариваются к нижним горизонтальным листам несущих ригелей, а по верху — с помощью накладок, присоединяются к оголовкам колонн (в верхних узлах к опорным столикам несу-
щих ригелей) и при помощи вертикальных накладок к боковым вертикальным листам опорных столиков несущих ригелей.
В качестве материалов несущих конструкций применен легкий конструктивный бетон на основе Камчатских вулканических шлаков.
Фундаменты здания — столбчатые, отдельно стоящие под несущими колоннами стаканного типа. Цокольные наружные панели опираются на фундаментные балки. Наружные стены — навесные панели из бетона на вулканическом шлаке. Внутренние ненесущие стены — панельные стеновые перегородки из шлакобетона толщиной 80 мм.
Сечение всех колонн 400 х 400 мм. Колонны выполнены из шлакобетона класс В25 (марки 350). Продольная арматура класса А400 (АШ), поперечная — А240 (А1). Колонны на концах имеют замкнутые стальные оголовки из листового проката различной толщины. С торца колонн на боковых металлических листах оголовков выполняется фаска для возможности приварки швом встык к опорным столикам несущих ригелей.
Глубина заделки колонн в фундамент принята одинаковой для всех типов колонн — 600 мм с дополнительной анкеровкой стержней продольной рабочей арматуры.
В здании использованы два типа ригелей — несущие и ненесущие.
Несущие ригели сечением 600 х 550 (К) мм выполнены с полкой понизу, на которую опираются плиты перекрытий, стеновые панели или конструкции лестниц.
Не несущие ригели прямоугольного сечения 400 х 550 (К) мм служат для обеспечения общей жесткости сооружения и полезную нагрузку не несут.
Ригели выполнены из шлакобетона класса В25 (марки 350).
Рабочая продольная арматура ригелей из класса АШ (А400), поперечная А240 (А1). Полки ригелей армируются сварными сетками из обыкновенной арматурной проволоки.
В местах сопряжения с колоннами ригели имеют специальные металлические опорные столики из листового проката различной конструкции.
Общий вид узла соединения ригелей с колонной приведен на рис.1.
Перекрытия выполнены из сборных железобетонных преднапряженных панелей с круглыми пустотами длиной 5560 мм, шириной 1190 и 990 мм и ребристых преднапряженных панелей для пропуска коммуникаций.
Для восприятия перерезывающих сил, возникающих в швах сборных железобетонных перекрытий и продольных гранях панелей, предусмотрены пазы, образующие после заливки цементным раствором шпонки, которые обеспечивают совместную работу панелей на сдвиг в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для связи панелей друг с другом и с ригелями каркасов в углах панелей сверху установлены закладные детали.
/42 См! SecurityTechnology, Уо1. 12, 2015, N0. 3 (45)
Рис. 1. Общий вид узла соединения ригелей с колонной
Плиты с круглыми пустотами изготовлены из шлакобетона класс В15 (марки 200), ребристые из тяжелого бетона класс В22,5 (марки 300).
Расчетная оценка фактической несущей способности каркаса здания выполнялась с применением программного комплекса SCadOffice.
В результате проведенных в соответствии с [1, 6] расчетов установлено:
у 100 % колонн требуемая несущая способность для восприятия нагрузки, соответствующей землетрясению в 10 баллов, превышает фактическую (проектную) несущую способность колонн (по моменту и поперечной силе) более чем в 6 раз;
требуемое армирование ригелей превышает проектное в среднем более чем в три раза.
Таким образом, фактическая несущая способность существующего каркаса существенно ниже требуемой для восприятия сейсмической нагрузки интенсивностью 10 баллов.
Принимая во внимание возникающие в элементах усилия, а также конструктивные особенности серии с платформенным стыком колонн и ригелей, можно сделать вывод о невозможности усиления отдельных элементов каркаса. Для повышения сейсмостойкости данного здания необходимо изменение расчетной схемы, путем введения в нее диафрагм жесткости или установки сейсмоизоляторов.
В качестве усиления каркаса здания предложено использовать монолитные железобетонные диафрагмы толщиной 300 мм, установленные симметрично в центральной части здания в осях Б-В/2-3. Диафрагмы образуют ядро жесткости здания и полностью вос-
принимают горизонтальные сейсмические нагрузки, при этом изначально во всех диафрагмах предусматривается возможность устройства проемов шириной 2000 мм.
Расчетная модель и схема здания с элементами усиления приведены на рис. 2 и 3, соответственно.
Рис. 2. Расчетная модель здания
Рис. 3. Расчетная схема здания
После установки диафрагм усилия в элементах каркаса снижаются более чем в 5 раз (моменты снижены до 14 раз, поперечные силы до 5 раз). При этом также изменяется характер эпюр моментов (при сейсмических нагрузках), происходит значительное снижение усилий в узлах.
Предполагается, что диафрагмы опираются на собственные фундаменты и выполняются на всю высоту здания, при этом, через пересекаемые ими ригели прокладываются сквозные арматурные стержни, обеспечивая тем самым связь диафрагм по высоте. С колоннами диафрагмы связываются за счет анкерных стержней и частичного оголения арматуры колонн.
Материалом для устройства диафрагм может служить армированный торкрет-бетон класса В30 с добавлением фибры из ПАН-волокна [7].
При выполнении работ по усилению принимается следующий порядок производства работ: установка опалубки (с одной стороны); армирование;
подготовка бетонной смеси;
нанесение бетона методом торкретирования;
уход за бетоном.
Перед установкой арматурная сетка должна быть очищена от грязи и ржавчины.
Поверхность опалубки перед нанесением смеси должна быть продута сжатым воздухом и промыта напорной струей воды. Продувку и промывку выполняют непосредственно перед нанесением аппликации при помощи сопла цемент-пушки при давлении 0,2—0,3 МПа. Подготовленная поверхность должна быть предохранена от загрязнения.
Наносить торкрет на неувлажненную поверхность не рекомендуется, так как при этом происходит отсасывание воды из свежеуложенного материала, что резко снижает адгезию и прочность торкретбетона.
При торкретировании сухую цементно-песчаную смесь целесообразно приготавливать на стационарных растворных узлах или непосредственно на месте производства работ. В случае централизованного приготовления смеси схема технологической установки упрощается (отпадает необходимость в смесителе), а ее размеры уменьшаются.
Срок доставки и хранения приготовленной смеси не должен превышать 3 ч. Длительный промежуток времени между приготовлением и расходованием сухой смеси приводит к ее комкованию и снижению активности цемента.
В качестве эталонного предлагается использовать следующий состав:
цемент, расход 350 кг; заполнитель — 1 м3; микрокремнезем — 13,3 кг; ПАН-фибра — 1,5 кг.
По результатам ранее проведенных обследований различных зданий и сооружений, выполненных по серии КПСу и расположенных в г. Петропавлов-ске-Камчатском, установлено, что несущая способность отдельных колонн и ригелей снизилась на 10—30 %. Снижение несущей способности вызвано
в ряде случаев коррозией арматуры и, как следствие, снижение прочности бетона, а также более низкими физико-механическими характеристиками бетона на вулканическом шлаке, в частности более низкой длительной прочностью бетона. В связи с этим в колоннах и ригелях может возникнуть дефицит несущей способности до 20 %.
В связи с этим, несмотря на значительное снижение усилий в колоннах и ригелях за счет устройства диафрагм жесткости, было принято решение по их дополнительному усилению с помощью композитных материалов.
Усиление колонн и ригелей предполагается выполнять путем наклейки композитных материалов на основе углеволокна (ленты FibARMTape 530/300) с направлением волокон по высоте колонны и путем создания хомутов, а также путем наклейки композитных материалов на растянутую грань ригелей [2, 3, 4, 5].
Предусмотренная система распределения внешнего армирования FibARM [2, 3] должна обеспечивать миграцию влаги из тела бетона. Для этого в плитных конструкциях соседние ленты рекомендуется наклеивать с интервалом между ними в свету не менее 200 мм. В случае, если одна из горизонтальных поверхностей плиты является открытой для миграции влаги, то по другой поверхности наклейка лент может выполняться без интервалов. Наклейка продольных лент в балочных элементах должна быть выполнена так, чтобы в каждом поперечном сечении лентами было охвачено не более 50% периметра поперечного сечения усиливаемого элемента балки.
По результатам оценки влияния усиления нормального сечения ригеля композитными материалами на основе углеволокна (FibARM Tape 530/300), установлено, что повышение несущей способности составляет до 140 %.
Выводы. В результате проведенных расчетов установлено, что изменение расчетной схемы здания, за счет установки диафрагм жесткости, позволяет практически полностью воспринимать горизонтальную составляющую сейсмического воздействия, эквивалентного 10 баллам, существенно снижая при этом усилия в элементах каркаса: моменты в колоннах и ригелях снижаются до 14 раз, поперечные силы до 5 раз. Включение в работу диафрагм жесткости также позволяет уменьшить усилия в платформенных стыках элементов каркаса, что, учитывая выявленное при проведении обследования низкое качество сварочных работ, позволяет существенно повысить надежность здания не только при сейсмическом воздействии, но и при нормальной эксплуатации, при действии основного сочетания нагрузок.
Вместе с тем, учитывая наличие в отдельных колоннах и ригелях дефектов и повреждений, выявленных по результатам проведенных обследований, предлагается для их усиления использовать композитные материалы на основе углеволокна (FibARM Tape 530/300), позволяющие повысить несущую способность отдельных элементов каркаса до требуемого уровня.
/44 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 3 (45)
Литература
1. СП 14.13330.2014 «СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах».
2. СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования»
3. СТО 2256-002-2011 Система внешнего армирования из полимерных композитов FibArm для ремонта и усиления строительных конструкций.
4. ТУ 1916-018-61664530-2013 Углеродные однонаправленные ленты для систем внешнего армированияFibArmTape. ЗАО «Препрег-СКМ».
5. ТУ 2257-048-61664530-2014. Эпоксидное двухкомпонентное связующее FibArmResin 530+ для пропитки систем внешнего армирования FibArm. ЗАО «Препрег-СКМ».
6. 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.
7. Тонких Г. П., Кабанцев О. В., Симаков О.А, Баев С.М. Экспериментальные исследования сейсмоусиления каменной кладки наружными бетонными аппликациями // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2011. № 2.
Сведения об авторах
Тонких Геннадий Павлович: д. т. н., проф., ФГБУ ВНИИ ГОЧС(ФЦ), гл. н. с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: [email protected] SPIN-код —3954-1917.
Симаков Олег Александрович: к. т. н., ЗАО «Препрег-СКМ».
109316, Москва, Волгоградский пр-кт, 43, корп. 3. Тел.: (495) 787-88-28. E-mail: [email protected]
Information about authors
Tonkikh Gennady P.: Doctor of Technical Sciences, prof., Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and High Technology), Chief Researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: [email protected] SPIN-scientific — 3954-1917.
Simakov Oleg А.: Candidate of Technical Sciences, Closed
Joint-Stock Company "Prepreg-SKM".
109316, Moscow, avenue Volgograd, 43, Bldg. 3.
Тел.: (495) 787-88-28.
E-mail: [email protected]
