Усиление деревянных элементов зданий

К их числу в первую очередь относятся элементы деревянного каркаса (стойки и ригели), перекрытий (балки, и настил), покрытий (фермы и стропила), стен (рубленые и сборно-щитовые). Все перечисленные элементы соединяются либо устройством нагелей, шпонок, шипов из дерева твердых пород, соединений ”в полдерева” , ”в чашку”, ’’в лапу”, врубок типа ’’сковородня” и других, либо с помощью металлических накладок, в том числе зубчатых, хомутов, болтов, скоб, гвоздей и т.п.
Дерево обладает более высокой прочностью относительно плотности, чем большинство других строительных материалов, и поэтому является хорошим материалом при восстановительных работах, особенно в сейсмических районах. Однако массивные стены могут создавать высокую поперечную нагрузку на каркас. Для деревянных элементов наиболее характерны разрушения в месте соединения стойки и ригеля из-за значительного выреза (рис. 3.62, б), в узлах, вследствие отсутствия диагональных связей (рис. 3.62, в) в местах соединения стен с фундаментом, в результате скольжения всего здания и отсутствия анкерных болтов (рис. 3.63, а), при разрыве нижнего пояса стропильной фермы (рис. 3.63, б).

Ликвидацию повреждений или усиление деревянных элементов осуществляют наращиванием дополнительных деревянных или металлических элементов в местах ослабления или повышенной деформативности в узлах соединений. В случае если трещины или расколы находятся в непосредственной близости в зоне стыка, могут использоваться стяжные болты или скобы в качестве усиливающих элементов при условии, что соединения находятся в постоянно сжатом состоянии.

Обвязка стальными обручами может использоваться для зажима растрескавшегося элемента в месте соединения. Щели, влияющие на сопротивление сдвигу, могут быть отремонтированы с помощью эпоксидного клея. С открытых поверхностей должен быть удален всякий посторонний материал, препятствующий сцеплению эпоксидной смолы с древесиной, причем это вариант неэффективен, если в древесине наблюдались значительные колебания влажности. Огнейстойкость элементов и конструкций, отремонтированных с помощью эпоксидной смолы, оценивается в соответствии с требованиями строительных норм, так как первоначальные пределы могут быть уменьшены при ремонте или усилении. В некоторых случаях можно использовать штыри для увеличения прочности на сдвиг отдельных элементов при условии, что поперечное сечение (разделенное трещинами) сопоставимо с размерами штырей и соответствует требуемому шагу между ними.
Уменьшение сечения часто вызывает перенапряжение как растянутых, так и изогнутых элементов при растяжении, параллельном волокну. Это перенапряжение можно устранить стержнями с локализованным предварительным напряжением. Там, где это позволяют условия, поперечное сечение растянутых элементов может быть увеличено прибиванием гвоздей или приклеиванием накладок, используя пустото-порозаполняющий клей для наружного применения. Предварительное напряжение может быть применено вместо увеличения поперечного сечения, используя соединения на обеих сторонах элемента для стрежневой или канатной анкеровки. В некоторых случаях применяются стальные уголки, швеллеры, стержни или канаты для передачи всей нагрузки.
При любом из этих методов стальные элементы могут потребовать проверки на огнестойкость во избежание перевода в более низкую категорию. Поперечное сечение элементов, работающих на изгиб, наращивается также склеиванием, как и для растянутых элементов. Короткие колонны можно ремонтировать с помощью затяжных болтов или скоб. Несущая способность средних или длинных колонн может быть увеличена уменьшением гибкости элемента в результате создания колонны с распорками и с дополнительным элементом.
Во многих старых сооружениях деревянные диафрагмы выполнены из прямо положенных досок, прибитых парами гвоздей, которые не соответствуют допустимым срезывающим усилиям. В этом случае возникает необходимость в диагонально расположенной обшивке из фанеры для передачи на нее всего расчетного усилия сдвига. Фанеру можно укладывать лицевым волокном под углом 40° к направлению досок. Важно, чтобы все края фанерных листов примыкали к гвоздимой поверхности и не совпадали с первоначальными дощатыми диафрагмами. Горизонтальная система связей жесткости может быть использована как основной элемент распределения поперечного усилия наряду с уже имеющейся деревянной обшивкой, предназначенной для воспринятия только собственного веса.
Для примера приведем варианты усиления узлов деревянных ферм и балок деревянного перекрытия. В случае появления трещин и сколов в верхнем поясе деревянных ферм поврежденное место стягивают болтами d = 12 мм. Затем устанавливают деревянные накладки, равные по ширине укрепляемому поясу, которые прибивают гвоздями и стягивают через просверленные отверстия болтами d = 12 мм. Под все болтовые соединения устанавливают квадратные шайбы δ = 5 мм.
При частичном разрыве нижнего пояса усиление производят аналогично описанному случаю или заменяют элемент. Усиление при скалывании и опорном узле нижнего пояса деревянных ферм и выпадении подкоса при скалывании в верхнем поясе выполняют установкой в двух сторон сколотого опорного узла нижнего пояса фермы накладок площадью поперечного сечения, равновеликой площади сечения нижнего пояса фермы. Накладки крепят нагелями и болтами, площадь которых принимают по расчету. На торце опорного узла устанавливают обрезок швеллера. Через заранее просверленные отверстия в швеллере пропускают хомуты с диаметром, определяемым расчетом, которые охватывают накладки (рис. 3.62, а).
Возможен случай, когда расколотый верхний пояс и выпавший подкос укрепляют накладками из швеллеров N 8, стягиваемых болтами d = 12 мм. Болты пропускают в заранее просверленные отверстия (рис. 3.64, б). В случае горизонтального смещения деревянных балок перекрытия предусматривается следующий порядок производства восстановительных работ: снимают плинтусы, пробивают отверстия между верхом балки и кирпичной кладкой для пропуска полос 50х5 см. В пробитые отверстия устанавливают полосы с просверленными отверстиями для крепления к балкам с помощью костылей (рис. 3.64, в).

Усиление балок деревянного перекрытия, концы которых пришли в негодность ввиду значительного срока эксплуатации, осуществляют наращиванием конца балки в результате устройства с обеих сторон деревянных накладок того же сечения, что и балка. В промежуток между накладками вставляют доску, к которой накладки крепят гвоздями. Длина накладок 1...2 м. С балкой накладки соединяют нагелями и болтами. Этому методу усиления балок должна предшествовать установка временных опор для воспринятия нагрузок от перекрытия. Концы балок (накладок) перед установкой в гнезда оборачивают толем, а затем жестко соединяют с балкой.
Элементы деревянного каркаса при восстановлении и усилении следует рассматривать с двух сторон. Во-первых, это несущая конструкция, которая, как и другие, может быть повреждена и требовать усиления, во-вторых, это эффективный элемент усиления, особенно зданий со стенами из сырцового кирпича, а также глинобитными и глинолитными стенами. В этом случае устанавливают две деревянные стойки и с обеих сторон стены (под карнизом) обвязки из досок или балок.
Обвязки из досок укладывают плотно примыкающими к стенке и соединяют между собой стяжными болтами d = 12 мм. По длине стены стяжные болты располагают от внутренней грани стены на расстоянии 14, 64 и 164 см. Обвязки в углах крепят с помощью полосовой стали 50х4 мм, запускаемой вдоль обвязки на расстояние 1 м от внутренней грани стены. Полосовую сталь наряду со стяжными болтами крепят с обеих сторон наружной обвязки дюбелями 1 = 30 см, расположенными через 20 см.
Деревянные стойки должны плотно примыкать к стене и обвязке, для чего в стойке необходимо устраивать врубки в местах примыкания к цоколю, обвязке и карнизу. Стойки жестко крепятся в самостоятельные бетонные фундаменты через металлические косынки из швеллеров, заделываемых на глубине 40 см и соединенных со стойками стяжными болтами d = 12 мм.

Стеновые каркасы, состоящие из нижних брусьев, стоек и обвязок, должны иметь диагональные связи жесткости или обшивки с тем, чтобы каркасы (рамы) могли работать как несущие стены. Если обшивок нет, то стойки сечением 4х9 см должны быть присоединены к прилегающим стойкам горизонтальными ригелями на высоте не менее 150 см (рис. 3.65, а).
Минимальные размеры связей жесткости составляют 2x6 см. Связь жесткости по обоим концам и посередине крепится к элементам каркаса гвоздями (не менее двух штук), имеющими минимальную длину 5 см.
Максимальные расстояния между стойками сечением 40х90 мм в конструкции каркасных стен, например по стандартам Индии, рекомендуется принимать согласно приведенным в табл. 3.1.

Вариант крепления нижней обвязки к фундаменту приведен на рис. 3.65, б. Детали усиления элементов стропил, мауэрлата и деревянного антисейсмического пояса приведены на рис. 3.60, б.
Повышение жесткости деревянного перекрытия осуществляется либо с помощью пришиваемого поверху деревянного настила, уложенного перпендикулярно, или под углом 45°, либо с использованием варианта, применяемого в некоторых странах (рис. 3.66, а), когда обетонированная (δ = 4 см) стальная сетка, укладываемая по верху перекрытия, крепится к нему и к стене специальными анкерами.