определение несущей способности усиленной кладки

определение сцепления инъекционного раствора с кирпичом

определение прочности сцепления инъекционного раствора с кирпичом

образцы после испытания на разрыв

испытания кладки из исторического кирпича, отобранного с Большого театра после усиления инъекцией

испытания кладки из исторического кирпича, отобранного с ЦВЗ "Манеж", после усиления инъекцией

подготавливаемый для усиления инъекцией образец из исторического кирпича

Зам.директора ЦНИИСК им.Кучеренко,
зав. лабораторией реконструкции уникальных
каменных зданий и сооружений, к.т.н. М.К.Ищук,
инж. И.Г.Фролова, инж. Е.М.Ищук


Усиление каменных конструкций

1. ВВЕДЕНИЕ
Большая часть аварий каменных зданий вызвана нарушениями при производстве работ: применении заниженных марок кирпича и раствора, пропусках армирования, отсутствия специальных мероприятий при выполнении кладки зимой. Наиболее часто встречающиеся дефекты, возникающие по вине проектировщиков, связаны с обрушением лицевого слоя кладки, образованием деформационных трещин (температурных, осадочных и т. д.). В связи с возросшим объемом возведения стен из многослойной кладки, увеличилось число дефектов, связанных с отслоением лицевого слоя и обеспечением необходимых теплотехнических характеристик стен.
Для обеспечения совместной работы стен расчет узлов их сопряжений должен вестись с учетом поэтапности и длительности возведения. В стенах из многослойной кладки разрушение слоев, отрыв лицевого слоя также часто происходит из-за неправильного учета совместной работы слоев, узлов их сопряжений (гибких связей, вертикальных и горизонтальных кирпичных диафрагм и т.д.).
При восстановлении и усилении каменных конструкций особое внимание следует уделить проектированию и выполнению узлов сопряжений усиливаемых конструкций с элементами усиления (обоймами, сердечниками, стойками, набетонками, новой кладкой и т.д.) с целью надежного включения элементов усиления в работу.
Не все известные методы и применяемые материалы могут быть применены для усиления каменных конструкций исторических зданий, памятников архитектуры.

2.УСИЛЕНИЕ КЛАДКИ МЕТОДОМ ИНЪЕКЦИИ.

Проведенные в ЦНИИСК им. В.А Кучеренко исследования показали, что несущая способность кладки с силовыми трещинами после ее усиления инъекцией может увеличиться по сравнению с первоначальной до 30%, чего нельзя сказать о кладке без трещин. Определенного эффекта здесь удалось бы достичь путем не столько инъекции, сколько пропитки кладки специальными составами, способными распространяться по телу кладки по микротрещинам и порам. Не способствует повышению несущей способности и усиление кладки с отдельными деформационными трещинами, плохо заполненными вертикальными швами.
Учитывая большую неопределенность в том, насколько увеличится в результате инъекции прочность кладки на сжатие в зависимости от имеющихся в ней дефектов, следует рассматривать инъекцию в первую очередь как метод, позволяющий восстановить монолитность кладки с трещинами и пустотами. При этом сопротивление кладки сжатию в случаях, когда возникает малейшее сомнение, должно приниматься таким же, как для кладки без дефектов (трещин, пустот).
Составы растворов и технология их подачи могут существенно отличаться в зависимости от вида материалов, из которых выполнена кладка, характера имеющихся в ней дефектов, материальной базы. Применение различных составов растворов при значительном различии их в цене в ряде случаев может дать один и тот же эффект.
При проведении работ по усилению каменных конструкций на исторических или архитектурных памятниках выбор составов растворов и технология их подачи должны обязательно согласовываться с организациями по охране памятников. Как и при любых других способах усиления, реставраторы должны ограничить круг применяемых материалов, согласовать места и глубину подачи раствора, давление в системе, типы патрубков.
Оптимальным способом усиления расслоившейся в результате превышения несущей способности кладки является инъекция с одновременным устройством буроинъекционных шпилек либо двухсторонних обойм.
В настоящее время в лаборатории реконструкции уникальных каменных зданий и сооружений ЦНИИСК им.Кучеренко продолжаются исследования по подбору новых и проверке по единой методике существующих составов, включая известных зарубежных производителей. Исследования проводятся в два этапа. На первом этапе раствор с помощью насоса подается под давлением 2-6 атм в зазор между двумя кирпичами, предварительно стянутыми между собой струбцинами. Ширина зазора для различных образцов варьируется от 1 до 5мм. После схватывания раствора образцы испытываются в разрывной машине на нормальное сцепление. Такие испытания позволяют подбирать составы для инъекции в зависимости от ширины раскрытия трещин (см. фото1). На втором этапе исследуется несущая способность кладки при сжатии на больших образцах, усиленных методом инъекции после их предварительного испытания в прессе. Часть опытных образцов была выложена из кирпича, отобранного после пожара из стен Манежа. В настоящее время на основе проводимых исследований разрабатывается стандарт организации по усилению кладки методом инъекции.

3. УСИЛЕНИЕ КЛАДКИ ОБОЙМАМИ.

Обоймами может быть усилена кладка стен, столбов. Существует три основных типа обойм – четырехсторонние, трехсторонние и двухсторонние. На одном фрагменте стены могут сочетаться различные типы обойм. По конструкции обоймы могут быть стальными, железобетонными, арморастворными, армокирпичными.
Наиболее технологичными в изготовлении являются стальные обоймы, которые могут выполняться с дискретным расположением горизонтальных связей, выполненных из полосы уголка, арматуры и т.п., либо из листовой стали.
В Пособии к СНиП 2-22-81 также даны рекомендации по устройству железобетонных и арморастворных обойм.

4. УСИЛЕНИЕ КЛАДКИ БАНДАЖАМИ.

Бандажи выполняются для обеспечения устойчивости стен и часто устраиваются по наружному периметру здания, работая совместно с затяжками и т.п.
Во втором случае бандажи могут быть применены для увеличения несущей способности кладки при сжатии, выступая в качестве элементов косвенного армирования. В этом случае бандажи располагаются на кирпичных столбах, узких простенках и т.п. Эффективность бандажей 2- го типа по сравнению с обоймами ниже и может быть сопоставима с ними только при шаге бандажей не более 20 см. При больших размерах сечения стен, как и в случае обойм, требуется установка дополнительных горизонтальных шпилек, стягивающих бандажи между собой.
Бандажи могут выполняться как из стали, так и композитных материалов.

5. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ОБОЙМ И БАНДАЖЕЙ 2-ГО ТИПА

Эффективность обоймы определяется сечением и расположением поперечных элементов, работающих аналогично косвенному горизонтальному армированию, и несущей способностью вертикальных элементов (стальных уголков, листов, железобетонных стенок и т.д.).
Работа обоймы во многом определяется тем, на сколько все ее элементы включились в работу. Поэтому формулы для расчета кладки, усиленной обоймой, могут быть получены только на основании экспериментальных данных. Испытания различных типов и конструкций обойм проводились в ЦНИИСК, начиная с 30-х годов ХХ столетия.
Трехсторонние обоймы в силу неопределенности полученных экспериментальных данных в запас следует считать как усиление только вертикальными элементами, а поперечные планки рассматривать только как связи.

6. УСИЛЕНИЕ КЛАДКИ СЕРДЕЧНИКАМИ.

Вертикальные сердечники, выполняемые в стенах, могут быть двух основных типов. Сердечники первого типа, служащие для усиления кладки, должны работать совместно с ней и делаться из монолитного железобетона как с жесткой так и с гибкой арматурой, либо из гибкой арматуры, напрягаемой или нет, устанавливаемой в пробуренные в кладке отверстия.
Сердечники второго типа должны воспринимать нагрузку только на себя, не передавая ее на кладку, в которую они установлены.

7.НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ УСИЛЕННЫХ СТЕН И СТОЛБОВ.

При совместной работе двух или более материалов, например кладки и вертикального элемента усиления, предельное состояние может наступить первоначально только в одном из них.
Так как на момент окончания работ по усилению деформации ползучести могли еще не проявиться, то в запас прочности усилия в кладке следует определять на момент окончания работ по усилению. При определении усилий , действующие в элементах усиления, деформации ползучести кладки, наоборот, следует учитывать с максимальным значением, т.е. на момент времени, равный пяти годам с момента окончания работ по усилению.
.
Оценка степени использования несущей способности вертикального элемента усиления может быть осуществлена при помощи совместного графика деформаций кладки и вертикального элемента усиления. Несущая способность кладки проверяется на момент времени после усиления и приложения нагрузки и на момент времени спустя пять лет после выполнения усилений .
Соотношение между уровнем напряжений в элементе усиления, соответствующем предельному состоянию кладки, и уровнем напряжений, при которых наступает предельное состояние элемента усиления, назовем коэффициентом использования несущей способности вертикального элемента усиления.
Несущая способность усиленной кладки складывается из несущей способности кладки с поперечными элементами усиления и несущей способности вертикальных элементов усиления:
Спустя примерно пять лет после окончания работ по усилению вертикальные усилия в вертикальных элементах усиления вследствие развития длительных деформаций в кладке будут максимальными. На этот момент времени производится проверка несущей способности усиленной конструкции с целью подбора сечения вертикальных элементов усиления.
Проверка несущей способности совместно работающих кладки и элементов усиления производится на момент окончания работ по усилению t.


8.ПРОЧНОСТЬ КЛАДКИ С ПОПЕРЕЧНЫМ АРМИРОВАНИЕМ.

К поперечному армированию кладки могут быть отнесены:
- сетчатая, зигзагообразная арматура, установленная в процессе кладки;
- отдельные стержни, вставленные в просверленные в кладке отверстия (буроинъекционные шпильки), связи в обоймах;
- горизонтальные хомуты, планки, проходящие по наружным граням стены, столба, выполняемые из стали, композитных материалов.
Расчетное сопротивление сжатию, которое обозначим Rswkb, кладки с поперечным армированием, состоящим из арматурных сеток, заложенных еще в процессе кладки, и поперечного армирования из элементов усиления, может быть описано одной формулой.
При назначении величины коэффициентов, характеризующих степень включения в работу поперечных элементов усиления, исходим из того, что они включаются в работу тем больше, чем больше после их установки кладка будет деформироваться в поперечном направлении и чем выше их предварительное натяжение. При уровне вертикальных напряжений s Ј 0,6Ru вертикальные трещины в кладке практически отсутствуют. Поэтому условно считаем, что установленное в это время поперечное армирование включится в работу не менее чем на 80% от величины, которая была получена при испытании кладки со стальными обоймами, установленными до начала приложения нагрузки. При большей величине вертикальных напряжений, действующих в кладке до ее усиления, эффект от поперечных элементов усиления будет снижаться.
Коэффициенты условий работы поперечной арматуры в кладке зависят от типа и процента армирования.

В лаборатории реконструкции уникальных каменных зданий и сооружений в настоящее время проводятся исследования по прочности и деформациям кладки, усиленной буроинъекционными шпильками. Было установлено, что несущая способность усиленной предварительно напряженными шпильками кладки оказывается выше в 1.5 – 2 раза, чем кладки с сетчатым армированием того же сечения.

9.ДЕФЕКТЫ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ВЫЗВАННЫЕ НЕКАЧЕСТВЕННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ РАБОТ
Работы по усилению конструкций, в том числе и каменных, должны производиться, как правило, специализированными организациями, в противном случае улучшения работы конструкций может и не произойти, а в ряде случаев можно получить и обратный эффект.
Так при производстве работ по вычинке кладки наиболее типичными дефектами является некачественная перевязка старой и новой кладки. Часто после окончания работ этот дефект уже невозможно обнаружить, пока он не проявится в виде трещины.
На одном из уникальных объектов в г. Москве работы по восстановлению простенков были начаты с вычинки кладки, т.е. разборки как поврежденной кладки, так и выборки из нее отдельных кирпичей для обеспечения в дальнейшем перевязки старой и новой кладок. В результате этого простенки наружной и внутренней продольных стен были ослаблены на столько, что могло произойти их обрушение. После того, как на объект были приглашены специалисты ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, работы по вычинке кладки и разборке балкона, служившего горизонтальной опорой для стен, были срочно остановлены до выполнения работ по восстановлению кладки простенков, благодаря чему удалось избежать аварии.
При реконструкции здания сбербанка в г. Туле при частичной закладке проемов новой кладкой с целью перевязки старой и новой кладок выполнялась вычинка. Вычинка была выполнена некачественно. Это привело к ослаблению старой кладки, в то время, как новая в работу практически не включилась.
Перед выполнением работ по вычинке кладки следует проверить несущую способность стен с учетом дальнейшего ослабления сечения при производстве работ. При необходимости надо предусмотреть противоаварийные мероприятия, такие как устройство временных вертикальных подпорок в проемах, горизонтальных опор и т.п., ограничить фронт работ по одновременному производству работ по вычинке.
Инъекция кладки имеет смысл только при наличии там трещин, пустот, незаполненных швов и т.п. В противном случае эффект при очень частом устройстве отверстий для подачи раствора будет в лучшем случае пулевым. В худшем случае кладку можно ослабить. И уж совсем неправильным будет после проведения такого «усиления» увеличивать расчетное сопротивление кладки.
Инъекцию часто выполняют в несколько этапов, на первых этапах подавая раствор в небольшом количестве и при низком давлении. В этом случае раствор распространяется на небольшую глубину и после схватывания тампонирует трещины и полости, не позволяя распространению раствору дальше.
В случае отсутствия промывки трещин, сцепление инъекционного раствора с кладкой может быть очень низким и добиться хорошего качества работы не удастся.
Другим типичным нарушением является не обеспечение требуемого давления при инъекции, равного, как правило, 6 атмосферам. В этом случае распространение раствора по трещинам может быть недостаточным.
При инъекции кладки с крупными трещинами и полостями должны применяться безусадочные растворы. Для этих целей в цементных растворах в качестве заполнителя используется молотый песок, либо специальные добавки. Большинство даже специализированных организаций либо в целях экономии, либо отсутствия необходимого оборудования, закачивают цементный раствор с очень большим содержанием воды.


посмотреть фильм