Способы усиления зданий различных конструктивных схем

При землетрясениях здания и сооружения получают наряду с обычными дополнительные характерные повреждения, степень которых во многом зависит от распределения элементов, воспринимающих сейсмическую нагрузку в плане здания и по его высоте, т.е. от конструктивной схемы сооружения и вида материалов, использованных для изготовления строительных конструкций. Наглядным примером сравнительной сейсмостойкости зданий с конструкциями из различных материалов могут служить данные обследования последствий землетрясения с магнитудой M = 7,5 в мае 1960 г. в г. Консенсьоне (Чили), приведенные в табл. 6.1.

Последствия многих землетрясений в бывш. СССР позволяют дополнить конструктивные схемы, приведенные в табл. 6.1, крупнопанельными зданиями и зданиями со стенами из монолитного легкого и тяжелого бетонов.
Средняя степень повреждений при Кайраккумском 1985 г. землетрясении, по данным, составляла: кирпичных зданий 2,22...2,8; каркасных 1,5; крупнопанельных 1,33, а по данным, — крупнопанельных 1,3...1,7 и кирпичных 1,3...2,7. При Газлийском 1984 г. землетрясении степень повреждений составляла: кирпичных зданий 3...4, крупнопанельных 2...3, со стенами из монолитного керамзитобетона 2...3, степень повреждения монолитных домов, выполненных в скользящей опалубке при Карпатском 1986 г. землетрясении, по данным Госстроя Молдавии, составляла в зависимости от этажности 1,8...2,6.
Способы восстановления и усиления зданий, пострадавших в результате землетрясений, могут быть разделены на три типа. Первый тип — объединяет все приемы восстановления отдельных несущих элементов зданий (простенки, стены, колонны, ригели, плиты перекрытий, блоки, панели). Эти общие приемы восстановления, которые применимы и при ликвидации повреждений, вызванных землетрясениями, частично изложены ранее. Второй тип - способы восстановления связей между частями и элементами здания (углы, пересечения и сопряжения стен, панелей, блоков, узлы железобетонных рам и т.п.). Третий тип — включает в себя способы восстановления и повышения пространственной жесткости здания, увеличения способности здания как системы в делом воспринимать и распределять сейсмическую нагрузку между всеми несущими элементами. Для наглядности показаны все три типа восстановления в виде схемы на рис. 6.1.

Решения по обеспечению пространственной жесткости здания достаточно общие для зданий различных конструктивных схем, потому они выделены в самостоятельную группу. Утрата пространственной жесткости здания характеризуется значительным расстройством связей между вертикальными элементами здания, между вертикальными элементами и горизонтальными, а также повреждениями в местах заделки вертикальных элементов в грунт. Восстановление пространственной жесткости здания позволяет обеспечить перераспределение усилий между элементами, улучшить передачу и поглощение энергии соответствующими конструкциями.
Пространственная жесткость здания может быть обеспечена:
- устройством горизонтальных гибких напрягаемых поясов, которые выполняют из круглой стали или многопрядевых канатов. Напряжение их производится с помощью муфт (по две в каждом пролете) или болтовых соединений (рис. 6.2). По углам здания устанавливают уголки, к которым в уровне каждого тяжа крепится наружный горизонтальный пояс (рис. 6.2, в). Элементы пояса соединяются в местах пересечения стен стальными полосами толщиной 1...2 см. К этим же полосам крепятся с помощью гаек сквозные тяжи, уложенные вдоль внутренних поперечных стен (рис. 6.2, г). Предварительное напряжение производится в двух горизонтальных направлениях, значение напряжения определяется расчетом с учетом потерь при напряжении, как указано ранее;

- устройством наружного металлического каркаса. Каркас выполняется в виде сплошных поясов и стоек прижимов из швеллеров N 12 и угловых стоек из уголков 150х150х10, которые стягиваются со стеной болтами через 1...1,5 м по выпоте и длине, а в местах примыкания к поперечным стенам тяжами диаметром 24 мм с каркасом противоположной стены (рис. 6.3). Для этого в уровне перекрытия во внутренней стене просверливают отверстия, устанавливают, как и на внутренней стороне наружной стены, уголки или пластины для крепления тяжей. Тяжи натягивают с помощью муфт или нагревом и при достижении требуемой степени натяжения закрепляют. Отверстия инъецируют раствором, а выступающие наружные элементы защищают от коррозии;

- устройством дополнительных поперечных стен или рам каркаса из стали, дерева, железобетона от стены до стены, к которым с помощью изложенных в предыдущем случае мер прочно крепят стены. Для крепления допускается устройство тяжей-коротышей на сварке. Одним из вариантов является устройство наружных железобетонных рам, которые обрамляют здание как в плоскости всех поперечных стен, так и в пролете между ними (рис. 6.4). Поперечные П-образные рамы в продольном направлении связаны между собой монолитными или сборно-монолитными железобетонными ригелями в уровне конька, карнизов, перекрытий и фундаментных балок. Все конструкции усиления сваркой и последующим за-моноличиванием надежно соединяются с антисейсмическими обвязками поврежденного здания. Этот способ восстановления позволяет проводить работы, не прерывая эксплуатации здания.

Встречаются и другие решения, направленные на обеспечение пространственной работы здания. Например решения с устройством двухстороннего железобетонного пояса в уровне перекрытия (рис. 6.5) или под перекрытием (рис. 6.6), в том числе выполняемого из отдельных сборных железобетонных элементов (рис. 6.7).

Как следует из табл. 6.1 и других материалов, степень повреждения зданий зависит от их конструктивного решения, что диктует необходимость выработки для зданий каждого типа своих способов восстановления с учетом физического износа элементов и степени сейсмовооружения объекта. В связи с этим способы восстановления и усиления зданий и сооружений рассматриваются далее применительно к соответствующим конструктивным схемам.

Усиление каркасных зданий. Необходимость в усилении элементов каркасных зданий может быть вызвана ухудшением их технического состояния в процессе длительной эксплуатации или выявлении несоответствия несущей способности уточненным значениям расчетных нагрузок на здание в целом или его отдельные конструкции. Особенность повреждения каркасных зданий в результате сильных землетрясений состоит в том, что даже частичная потеря устойчивости сооружения наступает только тогда, когда большинство несущих элементов и узлов их сопряжений почти утратило несущую способность. Поэтому вопрос о восстановлении пространственной жесткости каркасных зданий в целом ставится исключительно редко, так как в большинстве случае это экономически нецелесообразно и равноценно возведению нового здания. В связи с этим основной задачей восстановления каркасных зданий является усиление отдельных деформированных элементов каркаса и связей между ними, что подробно рассмотрено ранее.
Повреждение зданий с каркасом из железобетонных элементов при землетрясениях часто происходит из-за низкой прочности бетона в колоннах и ригелях, недостаточного количества поперечной арматуры. Усиление железобетонных конструкций производится увеличением их сечений в результате устройства обойм из жесткой или гибкой арматуры с последующим обетонированием поверхностей. При этом должны предусматриваться конструктивные решения, обеспечивающие совместную работу старого и нового бетона конструкций. Чаще всего производится сварка старой и новой уставливаемой арматуры или выполняется предварительное напряжение поперечной арматуры. В последние годы при усилении железобетонных конструкций находят применение полимерные композиции для склеивания существующих и дополнительно устанавливаемых элементов из металла, предварительно напрягаемого железобетона или стекловолокна.
Опорные узлы сборных железобетонных каркасов могут усиливаться металлическими накладками, профильным металлом в сочетании со стяжными болтами, арматурными скобами, железобетонными обоймами; недостаточное количество поперечной арматуры на опорных участках ригелей следует компенсировать замкнутыми хомутами со стяжными муфтами, устройством металлических обойм. Усиление плоских железобетонных элементов, например плит перекрытий, может быть выполнено увеличением высоты их сечения, устройством дополнительных балок, соединением старого и нового бетона болтами, анкерами, тяжами или склеиванием полимерными составами.
Несущая способность металлических каркасов увеличивается обетонированием колонн, установкой дополнительных стальных элементов, увеличивающих сечение колонн, ригелей или выполняющих роль связей между колоннами, заменой ослабленных элементов, устройством диафрагм, воспринимающих частей сейсмических нагрузок и снижающих тем самым нагрузки на основные конструкции существующего здания.
Усиление крупнопанельных зданий. Крупнопанельные здания, рассчитанные с учетом сейсмической опасности, по своей надежности могут быть сопоставимы с сейсмостойкими каркасными зданиями. Анализ характера повреждений конструкций крупнопанельных зданий при землетрясениях показывает, что при необходимости повышения их сейсмостойкости для усиления конструкций таких зданий могут приниматься следующие способы: устройство шпонок ПАШ и инъецирование в трещины панелей полимеррастворов; установление дополнительных связей (шпонок, металлических накладок и т.п.) в горизонтальных и вертикальных стыках панелей, в местах сопряжения панелей стен и перекрытий; инъецирование раствора в трещины при ширине их раскрытия до 0,6 см или при недостаточной прочности панелей — торкретирование их поверхностей полностью или на участках панелей с дефектами или повреждениями, а в необходимых случаях замена отдельных панелей.
Анализ состояния усиленных крупнопанельных зданий показал, что в результате землетрясения в г. Газли в 1984 г. только 20% соединений ПАШ получили повреждения и потребовалась их замена. Основная доля поврежденных шпонок приходится на горизонтальный шов между цокольной панелью и стеновыми панелями первого этажа. Одна из причин такого повреждения — отсутствие пространства, в связи с чем нижний горизонтальный стык первого этажа оказался ослабленным.
Характер трещинообразования в стеновых панелях указывает на концентрацию напряжений в зоне ПАШ и на необходимость разработки способов, обеспечивающих более равномерное распределение связей в швах. Такими мероприятиями могут быть увеличение числа шпонок с уменьшением их сечения и армирования, оклейка стыка стеклотканью на эпоксидном клее и др. Повреждения стеновых панелей наблюдались в основном в наружных стенах из керамзитобетона в виде наклонных трещин от шпонок к углам проемов. Полученные повреждения легко устранимы и уже в первые месяцы после землетрясения были повторно восстановлены и сданы в эксплуатацию пять крупнопанельных зданий, а затем остальные.
Таким образом, впервые суммарно проверен способ восстановления крупнопанельных зданий с помощью инъецирования полимеррастворов в трещины панелей и усиление связей устройством ПАШ, причем образцы испытаны не только при статическом нагружении, на натурных фрагментах и на зданиях при динамических воздействиях, но и при землетрясении высокой интенсивности.
Усиление крупноблочных зданий. Сейсмостойкость зданий, построенных из крупных блоков, из природного камня или легких бетонов, зависит в основном от качества связей между отдельными блоками, между стенами взаимоперпендикулярного направления и связей между стенами и перекрытиями, прочности материалов, блоков, прочностных свойств оснований и фундаментов. Наиболее уязвимыми элементами крупнообломочных зданий при землетрясениях являются связи между конструкциями; для их усиления, кроме способов, изложенных выше рекомендуется; устройство предварительно напряженных тяжей не только в горизонтальном, но и вертикальном направлениях. Для этого с наружной стороны здания к арматуре перемычечных блоков через отрезки неравнобоких уголков приваривают вертикальные стальные тяжи d = 20...36 мм. Предварительное напряжение создается стягиванием соседних ветвей тяжа горизонтальными скобами. Расчет обжатия определяется из условия компенсации отклонений от требуемого нормального сцепления.
Если необходимо усилить внутренние стены, то тяжи устанавливают с двух сторон каждого простенка. В случае когда требуется усилить связи в вертикальных швах перемычечных блоков, тяжи крепят к напрягаемому горизонтальному металлическому поясу. Пояс выполняют из швеллера и прикрепляют на болтах к перемычечным блокам. Такой способ увеличения пространственной жесткости здания был применен при восстановлении домов из легких бетонных блоков, пострадавших в результате землетрясения в 1971 г. в Петропавловске-Камчатском (рис. 6.8, а). При установке горизонтального напрягаемого пояса в нему могут быть прикреплены стены перпендикулярного направления с помощью напрягаемых металлических тяжей, присоединенных к специально установленной закладной детали (рис. 6.8, б);

- устройство железобетонных или металлических шпонок для воспринятия сдвигающих усилий между блоками. Железобетонные шпонки размером 30х30 см ставят не более двух на вертикальный стык в пределах этажа. Металлические шпонки размером 40х20х2 см устанавливают на растворе в специально подготовленные углубления с двух сторон блоков (рис. 6.9).
При недостаточной прочности материалов блоков их несущая способность может быть повышена торкретированием поверхности стен по металлической сетке. При необходимости проводятся работы по устройству дополнительных стен или железобетонных рам, разделение сложного в плане здания на отдельные отсеки.

Усиление зданий со стенами из кирпича и камня. Сейсмостойкость зданий с кирпичными и каменными стенами в основном определяется: монолитностью кладки, зависящей от прочности сцепления раствора с кирпичом, камнем или блоками типа кладки, прочности материалов; прочностью связей между стенами взаимоперпендикулярного направления; наличием вертикального и горизонтального армирования кладки и горизонтальных антисейсмических поясов; конструкцией междуэтажных перекрытий и их связей со стенами.
В зависимости от состояния конструкций здания со стенами из мелкоштучных материалов — кирпича, блоков, из искусственных материалов или природного камня применяются следующие основные способы их усиления:
- торкретирование по металлической сетке с одной или с двух сторон стен с проемами или сплошных стен полностью или отдельными участками;
- устройство металлических каркасов, применяемых в случае массового отрыва стен (рис. 6.3). Для этого по наружным стенам здания в углах и местах пересечения с внутренними стенами устанавливают стойки, а в уровне перекрытий — пояса из проката. Все элементы притягивают к стенам через 100...150 см по высоте и длине. Отверстия под тяжами инъецируют, а открытые элементы оштукатуривают;
- использование напрягаемых вертикальных и горизонтальных жестких или гибких стальных поясов и затяжек. Металлические затяжки устраивают при отсутствии или недостаточном армировании пересечений стен, в случае взаимного их отрыва, а также при креплении выпучившейся стены (рис. 6.4, а). Затяжки выполняют в виде тяжей из арматуры и крепежных элементов из уголков, швеллеров и пластин. Тяжи обычно выполняют преднапряженными механическим и электрическим способами, а крепежные элементы устанавливают в специально пробитые штрабы или гнезда и оштукатуривают;
- устройство железобетонных или стальных антисейсмических поясов в уровнях перекрытий (см. рис. 6.5 и 6.6);
- введение в кладку железобетонных или стальных элементов усиления (рис. 6.10);

- устройство дополнительных стен или рам для уменьшения расстояния между несущими стенами и соответствующих вертикальных и горизонтальных нагрузок. При усилении кирпичных зданий введением дополнительных диафрагм, контрфорсов и рам особое внимание уделяется их связи со стенами и перекрытиями во всех уровнях. Диафрагмы и рамы выполняют в железобетоне или стали, а контрфорсы в кирпиче или монолитном бетоне. Крепление диафрагм и рам к стенам осуществляют анкерами, пропускаемыми сквозь стену, или устройством армированных торкрет-бетонных обойм (прокладок), а к перекрытиям — специальными шпонками или скобами;
- устройство специальных связей между продольными и поперечными стенами (анкеров, тяжей, шпонок), которые воспринимают сдвигающие, растягивающие, крутящие усилия;
- усиление отдельных участков стен цементацией или инъецированием полимерцементных растворов;
- замена или усиление конструкций междуэтажных перекрытий, не обеспечивающих равномерную передачу сейсмических нагрузок на стены.
В зданиях старой постройки со сложной конфигурацией плана может производиться разборка отдельных участков стен и разделение здания на отдельные отсеки. При значительных повреждениях и перекладке стен устанавливают каркасы из арматурной стали диаметром не менее 10 мм, как показано, на рис. 6.11. При усилении зданий могут применяться как отдельные из указанных способов, так и их комбинации.