Усиление стен зданий с целью увеличения сейсмостойкости

Конструктивные решения усиления ограждающих конструкций

Произошедшие сильные землетрясения в сейсмоопасных районах России и более детальное изучение их последствий вызвало необходимость повышения сейсмичности отдельных регионов (Камчатка, Сахалин, Северный Кавказ, Краснодар и т.д.), в результате чего возникла необходимость массового увеличения сейсмостойкости зданий существующей застройки.
Для использования проектными и строительными организациями три разработке проектов повышения сейсмостойкости зданий и их реализации в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов была разработана Серия0.00-2.96с «Повышение сейсмостойкости зданий».
Серия разработана на основе СНиП 11-7-8 ''Строительство в сейсмических районах", в котором отсутствуют положения по усилению несейсмостойких зданий. Этот выпуск содержит общие материалы для разработки проектов усиления несейсмостойких зданий.
Проектная документация по повышению сейсмостойкости зданий до соответствующей расчетной сейсмичности строительной площадки разрабатывается на основе анализа проектной документации на здание и материалов натурного детального обследования основания и конструктивных элементов здания.
При выборе способов усиления несейсмостойкнх жилых, общественных и промышленных зданий необходимо руководствоваться общими принципами проектирования сооружений для сейсмических районов, изложенными в действующих нормах.
В случаях, когда полное выполнение требований норм невозможно, или их выполнение приводит к экономической нецелесообразности усиления, допускается реализация обоснованны расчетом технических решений усиления здания при неполном соответствии требованиям норм с их согласованием в установленном порядке.

Усиление каменных и кирпичных зданий

При разработке проектов повышения сейсмостойкости кирпичных и каменных зданий может быть выявлена необходимость усиления следующих несущих конструкций, элементов узлов:

простенков и стен, включая междуоконные перемычечные участки стен;
сопряжений продольных и поперечных стен;
связей между стенами и перекрытиями;
фронтонов и других выступающих участков стен;
сопряжений антисейсмических поясов и перекрытий.

Каменные и кирпичные здания могут быть усилены путем увеличения несущей способности его элементов без изменения расчетной схемы или путем устройства дополнительных элементов для восприятия сейсмических усилий. Для усиления каменных и кирпичных зданий необходимо применять следующие способы:

устройство "рубашки" с одной или с двух сторон;
устройство металлических или железобетонных обойм;

При разработке проекта повышения сейсмостойкости здания могут быть выявлены следующие недостатки конструкции существующего здания, требующие усиления его элементов или иных мероприятий по повышению надежного здания:

объемно-планировочные решения не соответствуют требованиям СНиП;
чрезмерная высота здания, размеры отсека или высота этажа, план сложной формы, перепады высот, несимметричное расположение жесткостей, большие расстояния между стен или недостаточное их количество, наличие изломов или выступов стен, не выдержаны цельные размеры проемов, простенков, велика высота парапетов и т.д.);
не обеспечена суммарная несущая способность стен по восприятию горизонтальных усилий одного из направлений или несущая способность отдельных простенков, вертикальных диафрагм жесткости, вертикальных связей, рам или железобетонных включений;
недостаточна несущая способность элементов соединения сборных конструкций стен;
недостаточно надежная связь между стенами различных направлении;
не обеспечена жесткость дисков перекрытия, надежность соединения из элементов, отсутствие или недостаточная надежность антисейсмических поясов;
недостаточно надежная связь между перекрытиями и стенами.

При разработке технических решений по усилению надземных конструкций здания могут быть увеличены вертикальные нагрузки, что потребует усиления фундаментов. Усиление основания может быть также выполнено с целью его перевода в другую категорию с соответствующим уменьшением расчетной сейсмичности площадки.
Элементы здания с недостаточной несущей способностью выявляются расчетом. При разработке проекта усиления вне зависимости от результатов расчета должны быть учтены конструктивные требования, изложенные в 3 разделе СНиП II-7-81*.
При выявлении элементов здания с недостаточной несущей способностью производится разработка технических решений по их усилению или вводятся дополнительные элементы, воспринимающие соответствующую часть горизонтальной нагрузки. При разработке проекта усиления может быть существенно изменена расчетная схема здания с целью перераспределения усилий в элементах здания для более эффективной работы.

Усиление фронтонов

В зданиях с железобетонными сборными или деревянным»! перекрытиями с фронтонами, выполненными из тех же материалов, что и стены, усиливают стальным профилированным настилом или металлическими элементами. Возможен вариант усиления двухсторонними железобетонными рубашками. Выбор варианта усиления фронтонов зависит от принятого решения усиления стен, т.к. фронтоны из кирпичной или каменной кладки являются продолжением стен из тех же материалов. В этих случаях профилированный настил и железобетонные рубашки продолжают на фронтоны. При этом профилированный настил используют для усиления фронтона как с наружной, так и с внутренней сторон. Укрепляемый болтами и дополнительными анкерами настил на внутренней стороне прикрепляют стене и к элементам железобетонного сборного перекрытия. К перекрытиям настил прикрепляют пристрелкой дюбелей с шагом 500-700мм. Диаметры стяжных болтов, класс бетона принимают такими же, как при усилении стен. С внутренней стороны фронтоны могут усиливать вместо профнастила железобетонной "рубашкой". Сетку армирования в этом случае прикрепляют к железобетонным перекрытиям анкерами, замоноличенными в пустотах плит.

Усиление стен и простенков профилированным настилом

Использование стального профилированного настила позволяет произвести усиление наружных стен из кирпича или из мелких штучных каменных блоков. Профилированный настил выполняет роль несъемной опалубки и внешнего армированния. При этом в зависимости от результатов расчета на сейсмические нагрузки профнастил устанавливается либо по поверхности всех стен, либо лишь по простенкам. Прикрепление настила к стенам осуществляют стяжными болтами, пропускаемыми сквозь просверливаемые в кладке отверстия и анкерами. Диаметр болтов принимают не менее 10мм, анкеров - не менее 8мм. При устройстве сплошного настила болтами настил закрепляют над и под оконными проемами и в пределах дверных проемов. Шаг анкеров назначают в зависимости от типа настила (толщины, размеров и конфигурации профиля), но не более 500-700мм в обоих направлениях. При усилении простенков по всей высоте здания настил закрепляют на стене анкерами диаметром не менее 8 мм с шагом в обоих направлениях не более 500мм. Длину анкеров принимают в пределах 170-200мм. В обоих случаях для установки анкеров отверстия в кладке выполняют| диаметром меньшим диаметра анкеров и под углом 30°-45° к поверхности стен. Анкера с головками вбивают в отверстия насухо. Настил прижимают платно к кладке. Промежутки между стеной и профнастилом заполняют мелкозернистым бетоном класса не менее В15 или раствором марки не ниже 100.

Усиление стен и простенков двухсторонними железобетонными "рубашками

Толщину слоев железобетона принимают либо одинаковой по внутренней и наружной поверхностям стен, либо разной и назначают по расчету, но не менее 50 мм. Для армирования используют сварную арматурную сетку из арматурных стержней диаметром не менее 5,5 мм, с ячейкой не более 100/100 и закрепляют на стенах сквозными болтами диаметром не менее 10 мм с шагом в обоих направлениях 1200-1500 мм в зависимости от размеров простенков, угловых участков стен и стен без проемов. Дополнительно сетки закрепляют анкерами, диаметром не менее 8 мм с шагом не менее 300 мм в обоих направлениях. В целях улучшения работы слоев усиления совместно с кладкой анкера вводят в кладку под углом 30° - 45°, для чего диаметр отверстий принимают меньше диаметра анкеров.
Для анкеров длиной 170-200 мм предпочтительно использовать арматуру периодического профиля. Кладкой и сеткой обеспечивают зазор не менее 10 мм. Класс бетона по прочности назначают по расчету, но не менее В15. На оконных простенках "рубашки" устраиваются по всем четырем сторонам.
Усиление стен рекомендуется производить по расчету односторонними или двусторонними железобетонными или растворными армированными "рубашками", выполняемых методом торкретирования. Торкретирование по сетке позволяет повысить несущую способность и жесткость до расчетного уровня сейсмообеспеченности сооружения как несущих конструкций, так и здания в целом.
Сетки усиления, установленные по обеим сторонам стены, соединяются друг с другом c помощью поперечных связевых стержней, проходящих сквозь просверленные в стенах отверстия.
Усиление простенков и подоконных участков стен производится растворными армированными "рубашками", железобетонными или металлическими обоймами, которые могут размещаться как на отдельных простенках, так и непрерывно по высоте на несколько этажей. Перед усилением кладку следует очистить от штукатурки. Арматурные сетки железобетонных обойм и "рубашек", установленные с обеих сторон стены, объединяются в пространственный каркас с помощью поперечных связевых стержней, размещаемых по торцам и по граням простенка, а в простенках шириной более 800мм в просверленных в кладке отверстиях. Отверстия с установленными в них поперечными стержнями необходимо тщательно зачеканить раствором марки не ниже 50. Класс бетона по прочности на сжатие железобетонных обойм принимается на основании расчетов, но не ниже В15.

Усиление простенков металлическими обоймами

Обоймы конструируют в соответствии с результатами расчета простенка на приходящуюся на него величину горизонтальной сейсмической нагрузки и выполняют из уголков, устанавливаемых по углам простенка. Сечение и шаг пластин определяют расчетом, но принимают не менее 50х5 мм и 400 мм соответственно.
При ширине простенка 1,2 - 1,5 м пластины соединяют между собой через кладку болтами диаметром не менее 10 мм. При ширине простенка 2,5 - 3,5 м количество стяжных болтов устанавливают не менее трех.
Металлические обоймы выполняются из полосовой, уголковой и круглой стали. Beртикальные уголки по углам проемов устанавливаются на растворе и прижимаются к кладке струбцинами, после чего производится приварка полосовых элементов. Для обжатия кладка металлические полосы рекомендуется предварительно нагреть до температуры 100-120°С широких простенках полосы следует соединять поперечными стержнями, пропускаемым через отверстия в кладке простенка.
При усилении простенков возможно устройство обойм, сочетающих в себе жесткие уголковые элементы и плоские сварные арматурные сетки. Горизонтальные стержни привариваются к вертикальным уголкам, при этом диаметр стержней сеток следует принимать не менее 6 мм.
Шаг поперечной арматуры железобетонных обойм рекомендуется принимать по расчету, но не более 150 мм. Перед укладкой поверхность плит перекрытий смачивается водой. Бетон при укладке уплотняется с помощью поверхностного вибратора. Антисейсмические пояса из проката оштукатуриваются, номер ячейки - не менее 100 мм, диаметр тяжей - 12...20 мм из арматуры класса A400. Жесткость дисков перекрытий, их совместная работа с элементами здания может обеспечиваться устройством напрягаемых горизонтальных и вертикальных поясов. Участки стен, выступающие над покрытием: парапеты и фронтоны рекомендуется усиливать с использованием жестких вертикальных элементов или устройством двухсторонних растворных или железобетонных "рубашек". Вертикальные элементы усиления следует надежно закреплять в основании, арматура "рубашек" заводится на нижележащие конструкции и прикрепляется к ним.

Преобразование кирпичной перегородки в диафрагму жесткости

С обеих сторон перегородки толщиной в 1/2 кирпича в местах ее примыкания к стенам во всю высоту здания устанавливают металлические уголки с пропуском сквозь перекрытия прикреплением анкерами к стенам с шагом по высоте 600-700 мм. Уголки пропускают до верха фундаментных плит и также анкерами присоединяют к фундаменту. Анкера диаметром менее 10 мм и длиной 150-170 мм вбивают в кладку стен и фундаментов насухо под углом 45°, для чего диаметр просверливаемых отверстий принимают меньше диаметра анкеров, зонах примыкания перегородок к перекрытиям также с обеих сторон размещают металлические утолки одинакового со стойками размерами профиля и по слою раствора марки не ниже 50 прижимают к перекрытиям пропускаемыми сквозь перекрытия болтами диаметром не менее 8 мм. Шаг болтов принимают не более 1000 мм. Перекрестные диагональные связи уголков присоединяют на сварке к контурным металлическим элементам и к перегородкам стяжными болтами диаметром не менее 8мм через кладку. Перегородка омоноличивают бетоном по сетке.
Класс бетона и характеристику сетки назначают по расчету перегородки совместно с металлическими элементами на соответствующую данному уровню величину горизонтальной нагрузки от расчетного сейсмического воздействия.

Усиление каркасных зданий

Одним из наиболее представительных типов зданий, решенных в железобетоне, являются каркасные здания. При усилении зданий с железобетонным каркасом рекомендуется применять два принципиальных подхода:

поэлементное усиление несущих конструкций;
усиление здания в целом.

При поэлементном усилении предполагается усиление отдельных конструктивных элементов (колонн, ригелей, дисков перекрытий и т.п.) при помощи "рубашек", металлических и железобетонных обойм.
При усилении здания в целом применяют мероприятия по устройству дополнительных жестких элементов: диафрагм жесткости, крестовых связей или порталов из железобетона и металла. Уменьшение сейсмических расчетных нагрузок за счет снижения массы здания заменой в покрытии тяжелого утеплителя на легким эффективный утеплитель, железобетонных плит покрытия и подвесного потолка на стальной профилированный настил, демонтаж верхних этажей.
Железобетонные диафрагмы устанавливаются по расчету по осям колонн и соединяются с вышерасположенными ригелями с помощью дюбелей или цанговых болтов.
В зданиях со связывающим каркасом в качестве дополнительных элементов жесткости сле- дует использовать вертикальные связи портального или треугольного очертания в зависи- мости от высоты этажа и длины пролета.
Усиление колонн рекомендуется производить металлическими или железобетонными обоймами. Вертикальные элементы обойм следует заанкеривать в фундаменты путем приварки к дополнительным стержневым выпускам из них или при помощи металлических соединительных пластин.
При повышении сейсмостойкости здания путем перехода на жесткие узлы сопряжения колонн с ригелями усилению подлежат все колонны в зоне узлов на длину 1,5h вверх от поверхности плит и вниз от низа консолей, при этом усиление осуществляется металлическими обоймами (h - сторона сечения колонны).
Металлические обоймы выполняются из четырех уголков, соединяемых между собой пластинами на сварке. Связь между ними по высоте осуществляется через соединитель, пластины сечением 50x16 мм, привариваемые к уголкам. В зоне консоли уголки привариваются к анкерам, устанавливаемым в отверстия с последующей зачеканкой раствором.
При усилении колонн железобетонными обоймами вокруг них собирается пространственный каркас из продольных стержней с минимальным диаметром 20 A400 и хомут диаметром не менее 6 мм A240 шагом 200 мм. В зоне консолей продольные стержни связываются поперечными стержнями и анкерами. Связь продольных стержней между этажами осуществляется сваркой к соединительным стержням, пропущенным через зазор между колонной и торцом плит.
Набетонка выполняется из класса на одну ступень выше класса бетона плит перекрытий (покрытия), армированного сетками с ячейкой 200x200 мм проволоки диаметром 4...5мм класса В500. Сетки стыкуются внахлест, толщина слоя бетон 60...70 мм. Перед устройством набетонки поверхность плит и швы между ними тщательно очищаются для обеспечения сцепления между старым и новым бетоном.
При невозможности устройства в здании диафрагм и металлических связей на всю высоту, узлы сопряжения ригелей и колонн в поперечном направлении превращаются в жесткие неподатливые узлы, а в продольном направлении устраиваются монолитные железобетонные ригели. Для устройства ригеля бетон средней части межколонных плит выкалывается на ширину 600 мм по всей длине и в пределах перекрытия на высоту 600 мм, армируется про- странственным каркасом и бетонируется ригель. Жесткий узел сопряжения ригеля с колонной создается устройством металических обойм вокруг зоны усиления колонн и приваркой, продольных арматурных стержней ригеля к этим обоймам. Верхние и нижние стержни риге- ля соединяются замкнутыми хомутами с шагом 100 мм на участке 1200 мм от грани колонны и 200 мм по длине ригеля. В приопорной зоне ригеля устанавливаются три сетки. Верхняя и нижняя обоймы соединяются между собой уголками на сварке.

Антисейсмические пояса

Антисейсмические пояса из сборных железобетонных элементов устраивают внутри помещении под плитами перекрытий, снаружи - по периметру стен в одном с внутренними поясами уровне. Пояса монтируют из предварительно изготовленных балочных элементов квадратного или прямоугольного поперечного сечения с размерами соответственно не менее 150x150 мм и 150x200 мм. Класс бетона для их изготовления принимают не ниже В20. По торцам каждого элемента предусматривают выпуски продольной арматуры пространственных каркасов. Сборные элементы укрепляют на стенах анкерами, пропускаемыми в сквозные отверстия, предусмотренные при бетонировании элементов. Анкера диаметром не менее 10 мм вбивают в просверливаемые в стенах несквозные отверстия меньшего диаметра.
Сборные элементы соединяют между собой путем сварки выпусков арматуры и последующего замоноличивания зоны стыков бетоном класса не ниже В20. Для замоноличивания в плитах пробивают сквозные отверстия. В зону стыка на глубину не менее 200 мм вводят анкера диаметром не менее 10 мм для связи пояса с перекрытиями. Возникающие при монтаже зазоры между сборными элементами и плитами перекрытий зачеканивают раствором марки не ниже 100 предпочтительно на расширяющемся цементе.
При невозможности обеспечения требуемой сейсмостойкости здания указанными выше способами следует рассмотреть вопрос снижения нагрузок путем демонтажа верхних этажей. После демонтажа необходимо производить усиление оставшихся конструкций.