4. Усиление кирпичных, каменных и деревянных конструкций зданий

4.1. Основные способы усиления кирпичных, каменных конструкций зданий

Конструктивные схемы усиления каменных конструкций [9, 15]

Эффективным способом усиления каменных конструкций является заключение кладки в стальную или железобетонную обойму.

Стальная обойма состоит из вертикальных уголков, устанавливаемых на растворе по углам усиливаемого элемента и хомутов из полосовой стали или круглых стержней, привариваемых к уголкам. Расстояние между хомутами должно быть не более меньшего размера сечения и не более 50 см. Стальная обойма должна быть защищена от коррозии слоем цементного раствора толщиной 25-30 мм. Для надежного сцепления раствора стальные уголки закрываются металлической сеткой.

Железобетонная обойма выполняется из бетона класса не ниже В12,5 с армированием вертикальными стержнями и сварными хомутами. Расстояние между хомутами должно быть не более 15 см. Толщина обоймы назначается по расчету и может быть от 4 до 12 см. Ремонт поврежденной кладки стен, столбов, простенков, фундаментов осуществляется методом инъецирования, при котором в поврежденную кладку под давлением нагнетается жидкий цементный или полимерный раствор, что способствует замоноличиванию в кладке трещин, пор и пустот.

Подготовительные работы при инъецировании кладки включают: определение места расположения скважин, высверливание скважин и установку в них металлических патрубков; очистку трещин и поверхности кладки от образующегося при сверлении шлама и пыли; герметизацию всех трещин путем оштукатуривания тонким слоем цементного раствора. При инъецировании применяется в качестве вяжущего для цементных и цементно-полимерных растворов портландцемент марки не ниже 400 тонкостью помола не менее 2400 см²/г. Раствор нагнетается в конструкцию под давлением до 0,6 МПа. Инъекционные патрубки длиной 6-10 см изготовляются из обрезков газовых труб и имеют на одном конце резьбу 5-6 витков.

Ремонт каменных конструкций может осуществляться способом замены поврежденной кладки новой. Способ замены конструкций новыми требует предварительного устройства временных креплений на период производства работ, способных воспринять передающиеся на них вышерасположенные нагрузки. После устройства временных креплений допускается разборка старой кладки и выполнение новой с применением сетчатого армирования.

Ремонт кирпичных и бетонных стен (рис. 4.1) при разрушении кладки от размораживания в сооружениях с повышенной влажностью производят путем нанесения с наружной стороны стены дополнительного слоя утеплителя с одновременным устройством воздушной прослойки. Дополнительный утеплитель защищает конструкцию стены от воздействия отрицательных температур, а воздушная прослойка служит для удаления из стен избытка влаги.

Рис. 4.1 Устройство дополнительного слоя утеплителя с наружной стороны стены

Стекло или минераловатные утеплители и профилированные листы (стальные или асбестоцементные) крепятся опорными уголками к стене с помощью специальных элементов. Профилированные листы к опорным уголкам крепятся самонарезающимися винтами. Вентилируемые прослойки образуются внутренними полостями профилированных листов.

В случае ослабления прочности кладки до устройства ограждения с на-ружной стороны необходимо выполнить усиление кладки торкретированием.

Усиление столбов, простенков и пилястр обоймами показано на рис. 4.2; 4.3. Несущая способность каменных и кирпичных столбов, простенков, пилястр и пилонов может быть значительно увеличена устройством стальных, железобетонных или армированных растворных обойм, создающих боковое обжатие кладки. Обоймы устраивают в тех случаях, когда несущая способность столбов, простенков и пилястр недостаточна при реконструкции и надстройке зданий или при значительных повреждениях кладки (трещины, раздробления, сколы).

Рис. 4.2 Усиление столбов (простенков) обоймами: а - металлической; б - железобетонной; 1- кирпичный столб; 2 - стальные уголки; 3 - планки; 4 - бетон; 5 - продольная арматура диаметром 6-12 мм; 6 - хомуты диаметром 4-10 мм; 7 - новая кладка, армированная сетками через 3 ряда; 8 - сварка

Рис. 4.3 Усиление пилястр обоймами: а - стальными; б - железобетонными; 1 - стальные уголки; 2 - соединительные планки (хомуты); 3 - упорная шайба 10-12 мм; 4 - болт диаметром 18-22 мм; 5 - зачеканка цементным раствором; 6 - хомут диаметром 18-22 мм; 7 - арматурная сетка диаметром 8-12 мм; 8 - бетон; 9 - бетонные сухарики

Стальная обойма состоит из вертикальных уголков, устанавливаемых на растворе по углам усиливаемого элемента, и хомутов (поперечных планок) из полосовой стали или круглых стержней, привариваемых к уголкам. Расстояние между хомутами должно быть не более меньшего размера сечения элемента и не более 55 см. Для защиты от коррозии стальную обойму оштукатуривают цементным раствором М50-100 толщиной 2-3 см по металлической сетке. Сечение уголков и хомутов определяют расчетом. Рекомендуется применять уголки с полками размером 50-75 мм и хомуты из полосовой стали сечением 40х5-60х12 мм или из круглой стали диаметром 12-30 мм.

Для получения эффекта обжатия кладки зазор между кладкой и уголками следует тщательно заделывать (зачеканивать) цементным раствором М50-100 и обжимать с помощью напрягаемых обойм (рис. 4.4). Для натяжения гайки закручивают динамометрическим ключом. Величина натяжения 30-40 кН.

Рис. 4.4 Усиление каменных столбов металлическими напрягаемыми обоймами: 1 - уголки; 2 - отрезок уголка; 3 - поперечный стержень; 4 - гайка; 5 - шайба; 6 - штукатурный слой; 7 - прямой клин; 8 - обратный клин; 9 - peбро жесткости; 10 - опорный уголок

Железобетонная обойма выполняется из бетона В 12,5 и выше с армированием вертикальными стержнями диаметром 10-16 мм и хомутами диаметром 6-10 мм. Расстояние между хомутами должно быть не более 15 см. Класс бетона должен быть больше марки кирпича. Толщина обоймы принимается по расчету и может изменяться от 4 до 12 см. Бетонирование производится в опалубке.

Усиление каменных конструкций армированными растворными обоймами производится так же, как и железобетонными обоймами. При этом на поверхность конструкций вместо бетона наносят слоями по 2-3 см цементный раствор М75-200 вручную, с помощью растворонасоса или торкретированием.

При отношении ширины столба или простенка к толщине более двух в середине устанавливают дополнительные поперечные связи, пропускаемые через кладку на расстоянии не более двух толщин и не более 100 см.

Поврежденные пилястры усиливают стальными или железобетонными обоймами, как показано на рис. 4.3. Обоймы должны охватывать пилястру с трех сторон. При этом через стену пропускают стяжные хомуты диаметром 18-22 мм. Хомуты после установки обоймы затягивают снаружи с помощью гаек, под которые подкладывают стальные упорные шайбы 10х10 см толщиной 10-12 мм или обрезки швеллеров.

Перед устройством обойм поврежденную трещинами кладку столбов, простенков и пилястр рекомендуется усилить инъецированием цементного или цементно-полимерного раствора.

Стальные, железобетонные и растворные обоймы рассчитывают в соответствии с Руководством по проектированию каменных и армокаменных конструкций (М.: Стройиздат, 1984).

При местном повреждении кладки простенков, столбов, пилястр (вертикальные или косые трещины небольшой длины, раздробление и сколы кладки под концами перемычек в местах опирания балок, ферм) устройство обойм необязательно. Поврежденные участки достаточно стянуть одиночными хомутами (бандажами) из полосовой стали 6х60 (80) мм (рис. 4.5), а поврежденную кладку заинъецировать цементным раствором под давлением.        

Рис. 4.5 Усиление простенка стальным хомутом: 1 - хомут из полосовой стали 6х60 (80) мм; 2 - перемычка; 3 - заделка цементным раствором М100; 4 - трещина; 5 - простенок; 6 - сварка

Монолитность и несущая способность поврежденных трещинами каменных конструкций (стен, столбов, простенков, сводов и т. п.) можно восстановить путем нагнетания (инъекции) в кладку под давлением до 0,6 МПа цементных, цементно-полимерных и полимерных растворов с помощью ручных или механических насосов. Монолитность и прочность кладки повышается благодаря склеивающему эффекту растворов и заполнению ими пустот и трещин в кладке.

Несущую способность поврежденной трещинами кирпичной кладки при сжатии после инъецирования цементным и цементно-полимерным раствором рассчитывают как монолитной кладки в соответствии со СНиП П-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции» с умножением на коэффициенты m_к: при инъецировании цементным и цементно-полимерным растворами m_к=1,1; то же, полимерными растворами m_к=l,3; при инъецировании отдельных трещин, возникших под воздействием температуры, усадки, при неравномерных осадках фундаментов m_к=1.

Несущая способность кладки стен и фундаментов может быть значительно увеличена путем прикладки (новой кладки) или набетонки стен с одной или двух сторон. Прикладку стен и фундаментов выполняют из тех же материалов, что и основную стену.

Для повышения несущей способности кладку армируют сетками и каркасами. Толщина прикладки, определяемая расчетом, может изменяться от 12 до 38 см и более. Для обеспечения совместной работы с основной кладкой прикладка должна иметь конструктивную связь с основной кладкой (перевязка, шпонки, штыри, сквозные стержни и т. п.).

Набетонка стен выполняется из тяжелого или легкого бетонов В7,5-15, армированных сетками диаметром 4-12 мм (рис. 4.6). Толщина бетонных слоев, определяемая расчетом, колеблется от 4 до 12 см. Набетонку проводят на высоту этажа в опалубке с вибрированием или послойно бетонированием методом торкретирования.

Для повышения сцепления бетона с кладкой горизонтальные и вертикальные швы предварительно расчищают, поверхность кладки стен насекают и промывают водой.

Арматурные сетки крепят к стальным штырям диаметром 5-10 мм, заделанным на цементном растворе Ml00 в швы кладки или отверстия, просверленные электродрелью.

Для стен из кирпича и камней правильной формы глубина заделки штырей 8-12 см, шаг штырей по длине и высоте 60-70 см, при шахматном расположении - 90 см.

При двусторонней набетонке стен и фундаментов из бутовой кладки устанавливают сквозные связующие стержни диаметром 12-20 мм. Шаг стержней при хорошем сцеплении бетона с бутовой кладкой 1 м.

Несущую способность стен и фундаментов, усиленных набетонкой, рассчитывают как для многослойных стен с жесткой связью между слоями в соответствии с Пособием по проектированию каменных и армокаменных конструкций (М., 1987) к СНиП П-22-81 [14].

Рис. 4.6 Усиление стен набетонкой: 1 - стена; 2 - плиты перекрытий; 3 - набетонка; 4 - штыри диаметром 10 мм; 5 - арматурная сетка диаметром 6-8 мм

Столбы и простенки перекладывают в следующих случаях: когда усиление конструкций обоймами, инъекцией и т.п. экономически и технически нецелесообразно (значительное повреждение или ослабление сечения, аварийное состояние кладки); при надстройке и реконструкции зданий, когда указанные способы усиления недостаточны; при необходимости сохранения архитектурного облика здания.

Столбы и простенки, подлежащие перекладке, разбирают после устройства на время работ временных креплений, которые должны быть рассчитаны на восприятие нагрузок, действующих на заменяемый столб или простенок. Заменять простенки рекомендуется поочередно.

Временные крепления столбов и простенков рекомендуется выполнять в виде деревянных или металлических стоек на клиньях, устанавливаемых в непосредственной близости от разбираемой конструкции (рис. 4.7), либо путем частичной или полной временной закладки проемов по обе стороны от простенка.

Рис. 4.7 Укрепление поврежденных простенков стойками и разгрузка их от веса перекрытий: 1 - подкладка; 2 - стойка; 3 - клинья; 4 - лежень; 5 - перемычка; 6 - балка

При разборке простенков и столбов следует соблюдать меры безопасности при постоянном контроле состояния стоек и их подклинки. Использовать пневматические молотки для разборки кладки поврежденных простенков не рекомендуется.

Для кладки новых столбов и простенков применяют материалы повышенной прочности: каменные материалы (кирпич, бетонные и природные камни) марки 100 и выше на цементном растворе марки 100-150. При необходимости кладку армируют стальными сетками, располагаемыми в горизонтальных швах.

Для обеспечения плотного прилегания новой кладки к старой верх новой кладки не доводят до старой на 3-5 см с последующей тщательной зачеканкой зазора плотным («сухим») цементным раствором марки 100-150. Временные крепления разбирают при достижении раствором новой кладки 50 % проектной прочности.

Поверхностные слои и облицовку стен восстанавливают следующим образом. Выветрившиеся, размороженные и отслоившиеся слои кладки или облицовки стен удаляют и заменяют новой кладкой (облицовкой), конструктивно связанной со старой неповрежденной кладкой. Возводить новую кладку или облицовку без конструктивной связи со старой не допускается. Новая кладка (облицовка) выполняется из тех же или более прочных и морозостойких материалов на цементном растворе М50-100. Конструктивная связь новой и старой кладок обеспечивается перевязкой тычковых рядов (при возможности) либо с помощью стальных сеток и каркасов из стержней диаметром 3-4 мм или «усов» из вязальной или отожженной проволоки, заделанных в горизонтальные швы новой кладки через 60-90 см по высоте (кратно высоте ряда). Сетки, каркасы и «усы» крепят к стальным штырям диаметром 5-8 мм (рис. 4.8). Штыри забивают или заделывают на цементном растворе М100 в швы кладки на глубину 6-12 см. «Усы» могут заделываться в швы кладки на цементном растворе без штырей (петлей).

Вертикальный шов между старой и новой кладкой (облицовкой) заполняют цементным раствором. Замену разрушенных или отслоившихся слоев кладки и облицовки рекомендуется выполнять последовательно участками длиной не более 5 м в соответствии с ППР и с соблюдением мер безопасности.

В зависимости от конструктивных и архитектурных требований к монолитности и лицевой фактуре наружных поверхностей (фасадам) стен трещины рекомендуется заделывать путем инъекции и зачеканки цементным раствором, закладки кирпичом или заделки бетоном и путем залицовки поверхностей кладки кирпичом (камнем).

Инъекцию трещин с раскрытием до 4 мм выполняют нагнетанием цементного или цементно-полимерного раствора под давлением. При раскрытии трещин более 4 мм заделку трещин раствором можно выполнять с помощью растворонасоса или пневмонагнетателя.

Рис. 4.8 Крепление кирпичной облицовки к старой кладке штырями: 1 - старая кладка; 2 - облицовка; 3 - стальной штырь или гвоздь диаметром 5-8 мм; 4 - «усы» из проволки или арматурные сетки (пунктир) диаметром 3-4 мм; 5 - цементный раствор

Заделка (зачеканка) трещин цементным раствором рекомендуется при раскрытии трещин более 3 мм в случаях, когда полное заполнение трещин раствором не обязательно. Зачеканку цементным раствором М100 производят на глубину 2-4 см с каждой стороны после расчистки и промывки трещин водой.

Крупные трещины (разломы) с раскрытием более 5 см закладывают кирпичом на растворе М50-100 с перевязкой или без перевязки с основной кладкой или трещины заделывают бетоном (раствором) В3,5-7,5 на легких заполнителях.

Залицовку трещин и разломов стен выполняют, когда необходимо сохранить лицевую фактуру кладки из кирпича, камней или облицовки. При этом кладку стены по длине трещины разбирают на глубину в полкирпича и ширину не менее одного кирпича (камня) с последующей закладкой штрабы новым кирпичом в перевязку со старым (рис. 4.9).

В стенках и перегородках толщиной 25 см и менее разборку поврежденной кладки в зоне трещины и ее замену производят на всю толщину стены. Стены и простенки, имеющие продольное расслоение кладки (продольные трещины), должны стягиваться в поперечном направлении болтами с шайбой. Трещины заделывают инъекцией цементного или цементно-полимерного раствора, как указано выше. Диаметр стяжных болтов не менее 16 мм; шаг болтов по длине и высоте 60-70 см, при расположении болтов в шахматном порядке - 90 см.

Рис. 4.9 Заделка трещин с разборкой старой кладки

Усиление напрягаемыми стальными тяжами и поясами поврежденных трещинами стен и перекрытий одноэтажных и многоэтажных зданий (рис. 4.10, 4.11) проводят в целях: восстановления или повышения монолитности, пространственной жесткости зданий и прочности и устойчивости стен и перекрытий; прекращения развития деформаций стен из плоскости (наклонов, выпучивания); уменьшения или прекращения развития трещин в стенах и перекрытиях при неравномерных осадках фундаментов, температурно-влажностных воздействиях и при разной жесткости и нагруженности сопряженных стен.

Тяжи должны иметь натяжное устройство (муфты, гайки) или напрягаться термонагревом с помощью паяльных ламп или автогена. Усиление натяжения должно составлять 30-50 кН. Натяжение контролируют специальными приборами (тензометрами, тензодатчиками, индикаторами) или простукиванием (при ударе напряженный тяж должен издавать звук высокого тона). Натяжение проводят одновременно по всему контуру здания после заделки трещин цементным раствором под давлением. Расстояние между тяжами рекомендуется принимать 4-6 м с таким расчетом, чтобы на один тяж приходилась площадь стены не более 20 м².

Рис. 4.10 Крепление стен металлическими тяжами в уровне перекрытий: а - внутри здания; б - снаружи здания; в - разрез; г - вариант укладки тяжей в штрабу; 1 - тяж; 2 - муфта натяжения; 3 - металлическая подкладка; 4 - швеллер № 16-20; 5 - уголок; 6 - цементный раствор марки 100

Рис. 4.11 Крепление выпучившейся стены металлическими тяжами: 1 - стена; 2 - тяж; 3 - натяжная муфта; 4 - траверса из швеллера № 14-16; 5 - подкладка

В многоэтажных зданиях тяжи снаружи и внутри помещений устанавливают в уровне верха перекрытий. В одноэтажных промышленных зданиях тяжи устанавливают по осям ферм или несущих балок в непосредственной близости от их опор и крепят к ним от провисания.

При усилении каменных стен снаружи поясами (рис. 4.10) тяжи укладывают на поверхности стен в штрабы сечением 70х80 мм, вырубленные в кладке, которые после натяжения тяжей заделывают цементным раствором М100-150.

Концевые упоры тяжей выполняют в виде металлических пластинок 10х10-15х15 см толщиной 10-12 мм или из отрезков швеллеров. Концы стержней (тяжей) должны иметь нарезку с гайкой.

При отсутствии перевязки или образовании вертикальных трещин в местах сопряжения наружных и внутренних стен монолитность кладки можно восстановить путем установки в уровне верха перекрытий напрягаемых хомутов из стержней диаметром 20-24 мм длиной 1,5-2 м (рис. 4.12).

Хомуты анкерят в поперечные стены с помощью отрезков уголков или швеллеров. Натяжение хомутов производят закручиванием гаек. Трещины или зазор между стенами заделывают цементным раствором под давлением.

Местное усиление поврежденных трещинами углов зданий и отдельных участков стен может выполняться двусторонней накладкой (обвязкой) металлических полос сечением 6х80-10х100 мм или швеллеров № 14-20, стянутых болтами диаметром 16-20 мм (рис. 4.13).

Поврежденные трещинами или разрушенные рядовые или клинчатые перемычки проемов перекладывают или усиливают подводкой стальных балок из швеллеров. Балки укладывают в штрабы, вырубленные с двух сторон стены, и стягивают болтами или хомутами (рис. 4.14). Металлические балки после установки покрывают сеткой и штукатурят цементным раствором М50-100.

Железобетонные перемычки в зависимости от степени повреждения ремонтируют (усиливаются) или заменяют новыми. Перемычки, на которые опираются балки или плиты перекрытий, при замене или перекладке необходимо полностью разгрузить путем подводки под опоры балок и плит временных креплений в виде стоек или рам (см. рис. 4.7). Стойки и рамы должны устанавливаться на клиньях.

Стальные тяжи, балки, обвязки, шайбы, хомуты, подвергающиеся атмосферным воздействиям или находящиеся в помещениях с влажным и мокрым режимами, должны иметь антикоррозионную защиту.

Рис. 4.12 Усиление стальными тяжами пересечения кирпичных стен, ослабленного трещиной или швом: 1 - тяж диаметром 20 мм; 2 - шайба 75х75х8; 3 - трещина, инъецированная цементным раствором М100; 4 - уголок или швеллер; 5 - штраба, залицованная кирпичом

Рис. 4.13 Усиление угла металлическими балками 1 - металлические балки № 16-20; 2 - стяжные болты диаметром 16-20 мм

Рис. 4.14 Усиление рядовых и клинчатых перемычек 1 - кладка; 2 - швеллер; 3 - болт; 4 - штукатурка по сетке