РЕКОНСТРУКЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВСТРАИВАЕМОГО КАРКАСА
УДК
РЕКОНСТРУКЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ с применением встраиваемого КАРКАСА С ПЛОСКИМИ СБОРНО-МОНОЛИТНЫМИ ПЕРЕКРЫТИЯМИ
Мордич А.И. канд.техн.наук, Белевич В.Н., Навой Д.И.
Научно-исследовательское и экспериментально-проектное унитарное предприятие
«Институт БелНИИС» г.Минск, Беларусь
Приведен опыт реконструкции 5-этажного жилого дома с наружными кирпичными стенами, основанный на замене внутренних несущих стен и деревянных перекрытий на встраиваемый внутри существующего объема неполный железобетонный каркас с плоскими сборно-монолитными дисками из многопустотных плит. Проведены натурные испытания фрагмента перекрытия каркаса и даны основные результаты.
Введение
К настоящему времени в городских фондах жилищно-коммунальных хозяйств накопилось достаточно большое количество зданий средней этажности (до 4..5 этажей) старой постройки c наружными и внутренними несущими стенами из кирпича и междуэтажными перекрытиями и покрытиями по деревянным балкам. Такие перекрытия после длительного срока эксплуатации в большинстве случаев исчерпали ресурс по прочности и надежности, имеют большой физический износ, не удовлетворяют требованиям пожарной безопасности, потребительским качествам и подлежат демонтажу и замене, либо сносу здания. Последнее требует дополнительных затрат на демонтаж и утилизацию старых строений, перекладку инженерных сетей, коммуникаций и др., что вызывает рост себестоимости вновь возводимых площадей для потребителей. Вместе с тем, в силу сложившейся градостроительной ситуации и исторических традиций, отдельные здания могут иметь статус памятников архитектуры как историческая ценность и охраняются государством. Поэтому для сохранения таких зданий предпочтительным является их реконструкция без изменения внешнего облика с максимальным использованием существующих конструкций и применением новых, более надежных конструктивных решений, позволяющих при минимальной себестоимости обеспечивать современную планировку внутреннего пространства, удовлетворять требованиям действующих Норм. В УП «Институт БелНИИС» разработано и апробировано на практике техническое решение по ремонту и модернизации зданий старой постройки, замене деревянных перекрытий и внутренних несущих стен и перегородок на встраиваемый в существующий объем неполный железобетонный каркас с плоскими сборно-монолитными дисками перекрытий из многопустотных плит. Такое решение впервые реализовано в историческом центре г.Могилева (Республика Беларусь) при реконструкции 5-этажного жилого дома с надстройкой мансардного этажа с использованием доступных материалов.
Конструктивное решение по модернизации здания
В этом здании были демонтированы конструкции кровельного покрытия, деревянные междуэтажные перекрытия, внутренняя продольная стена, а также конструкции дымоходов печного отопления до уровня существующего железобетонного перекрытия над подвалом и над первым этажом в одной из секций. При этом полностью сохранены наружные несущие стены из глиняного кирпича (рис.1), конструкции бутобетонных фундаментов и существующие перекрытия из монолитного железобетона, а также внутренние стены лестничных клеток. В образовавшееся пространство, после соответствующего обследования и определения несущей способности кирпичной кладки стен, фундаментов и оснований под ними, был встроен неполный железобетонный каркас с плоскими сборно-монолитными перекрытиями из многопустотных плит. Это позволило расчистить внутренний объем здания и обеспечить гибкую планировку квартир, офисов, предприятий торговли и др. помещений, с возможностью ее изменения на любой стадии строительного процесса и эксплуатации.
Рис.1. Общий вид реконструируемого в г.Могилеве 5-этажного жилого дома в процессе разборки (а), на стадии СМР (б) и после реконструкции (в)
В местах опирания монолитных колонн встраиваемого каркаса на существующие ленточные фундаменты из бутобетона, последние для восприятия сосредоточенной нагрузки были усилены охватывающими их по боковым сторонам железобетонными обоймами, уширенными в основании. На средних участках внутренней продольной кирпичной стены подвала и монолитном перекрытии над ним для пропуска колонн устроены сквозные проемы (рис.2), а в местах сопряжения внутренней продольной кирпичной стены подвала с торцевыми стенами и с поперечными стенами лестничных клеток выполнялось их усиление металлопрокатом, выводимого на уровень отметки пола первого этажа. К конструкциям усиления крепили на сварке стальные оголовники, которые одновременно являлись пятами крайних колонн каркаса в каждой секции (рис.3в). Такое конструктивное решение позволило обеспечить совместную работу существующих и дополнительных конструкций по восприятию действующих нагрузок.
Рис.2. Сопряжение монолитных колонн каркаса с существующими фундаментами (а, б); узел сопряжения крайних колонн каркаса в уровне первого этажа с конструкцией усиления кирпичных стен подвала через стальной оголовник (в)
Плоское сборно-монолитное междуэтажное перекрытие в ячейках каркаса образовано группами многопустотных плит и скрытыми в пределах толщины перекрытия продольными и поперечными монолитными железобетонными ригелями. Последние в створе колонн и по периметру стеновых ограждений объединяют группы плит в единый диск с жесткими узлами и образуют перекрестно-балочную систему, опертую на колонны сечением 400х400 мм в жестких узлах и шарнирно – на кирпичную кладку наружных несущих стен здания и внутренних стен лестничных клеток. Сопряжения многопустотных плит с поперечными ригелями осуществлено посредством выпусков рабочей арматуры из плит, заанкеренных в ригелях на длину 150±10 мм, а также бетонных шпонок, входящих в открытые по торцам плит пустоты на глубину 100±10 мм до заранее установленных в них заглушек из бетонных вкладышей. Опирание дисков перекрытий на кирпичные стены решено дискретно с шагом 800 мм посредством армированных монолитных железобетонных выступов крайних монолитных ригелей (рис.3а,б), наглухо забетонированных в существующих нишах по месту расположения демонтированных деревянных балок. Кроме того, применение монолитных ригелей в дисках перекрытий позволило на наружном фасаде здания выполнить устройство балконов, которые решены на консолях (см.рис.1б,в), пропущенных сквозь кирпичную кладку стен.
Рис.3. Узлы сопряжения перекрытия каркаса с существующими стенами
а - схема опирания сборно-монолитного диска перекрытия на стену; б - общий вид примыкания перекрытия к стене с арматурой консолей крайнего ригеля, заведенной в существующие ниши по месту установки демонтированных деревянных балок;
Для более полного использования резервов несущей способности существующих конструкций и расширения полезных площадей в здании, по результатам обследования была выявлена возможность надстройки дополнительного мансардного этажа из легких ячеистобетонных блоков. В результате общая площадь перекрытий и покрытия над мансардным этажом с учетом площадей балконов после реконструкции здания составила 3485 м2, а удельная себестоимость СМР конструктивной части на 1 м2 согласно объектных смет составила 34 у.е.
Технология устройства каркаса
Работы по изготовлению встраиваемого в существующий объем здания неполного каркаса осуществляли следующим образом. После бетонирования монолитных колонн в уровне подвального этажа с устройством выпусков их рабочей арматуры над сохраняемым железобетонным перекрытием над подвалом, устанавливали арматурные каркасы колонн верхнего яруса. Затем монтировали опалубку колонн, раскрепляли ее в проектном положении и производили послойную укладку бетонной смеси с виброуплотнением. Для ускоренного набора распалубочной прочности в холодное время года использовали противоморозные добавки с электропрогревом. После распалубки колонн в местах размещения монолитных ригелей (в створах колонн и по периметру стеновых ограждений) устанавливали монтажно-технологическую оснастку из телескопических стоек (рис.4а) со щитами из ламинированной фанеры, уложенной по балкам, служащую временными опорами для монтируемых на них многопустотных плит с зазорами между торцами и опалубкой монолитных ригелей.
Рис.4. Общий вид монтажно-технологической балочно-стоечной оснастки (а), монтаж многопустотных плит перекрытия (б) и укладка бетонной смеси (в)
На опалубку укладывали рабочую арматуру монолитных ригелей, монтировали многопустотные плиты (рис.4б) и производили заполнение бетонной смесью зазоров между плитами с виброуплотнением глубинными вибраторами (рис.4в). После набора бетоном монолитных ригелей распалубочной прочности оснастку демонтировали и переставляли на верхние ярусы с повторением всего технологического цикла.
Методика натурных испытаний фрагмента перекрытия каркаса
Поскольку при реконструкции жилого дома были впервые применены новые технические решения по сопряжению колонн каркаса с существующими фундаментами и сборно-монолитного диска перекрытия с несущими кирпичными стенами, то потребовалось выполнить проверку их несущей способности по восприятию вертикальной нагрузки и соответствие требованиям действующих норм по жесткости и трещиностойкости. Для этого с участием представителей Генподрядчика, Стройнадзора, Генпроектировщика были проведены натурные контрольные испытания вертикальным нагружением фрагмента сборно-монолитного перекрытия каркаса над 2-м этажом кратковременной равномерно распределенной нагрузкой, соответствующей эксплуатационной. Испытания проведены по стандартной методике ГОСТ 8829-94 в соответствии со специально разработанной в БелНИИС и согласованной с Заказчиком и Генподрядчиком Программе.
Цель испытаний - оценка несущей способности наиболее ответственных при эксплуатации элементов и узлов сборно-монолитного диска перекрытия встроенного каркаса при действии нагрузки от собственного веса и статическом нагружении вертикальной кратковременной равномерно распределенной нагрузкой.
При этом испытания были проведены в два этапа - на действие нагрузки от собственной массы перекрытия, составляющей gw=3,5 кПа и последующим его кратковременным нагружением полезной вертикальной равномерно распределенной нагрузкой до уровня, соответствующего эксплуатационной gn=3,5 кПа [350 кГс/м2]. Таким образом, полная нагрузка на перекрытие при испытании составляла g=7 кПа (700 кГс/м2).
Перед испытаниями фрагмента перекрытия каркаса был выполнен осмотр технического состояния его несущих элементов, при котором было установлено фактическое исполнение сборно-монолитного перекрытия, конструкция опирания перекрытия на продольные наружные несущие стены и колонны, определена прочность монолитного бетона несущих ригелей. Дефектов и повреждений в конструкциях, влияющих на снижение их несущей способности в зоне приложения нагрузок не обнаружено.
Для измерения контролируемых деформаций - вертикальных перемещений (прогибов), деформаций бетона в характерных сечениях несущих элементов в зонах действия наибольших изгибающих моментов, по верхним и нижним граням перекрытия были установлены (рис.5) измерительные приборы - прогибомеры 6ПАО и индикаторы ИГМ на базе с ценой деления 0,001 мм.
Рис.5. План фрагмента перекрытия встраиваемого каркаса и схема расстановки прогибомеров (а) и механических приборов по нижней (б) и верхней (в) граням
Усредненная прочность бетона монолитных ригелей перекрытия на сжатие в день испытаний составила R=21 МПа, или 70% от проектного класса В25.
После распалубки монолитных ригелей и замера при этом деформаций (I-й этап), полезную равномерно распределенную вертикальную нагрузку на перекрытие создавали штучными грузами в виде фундаментных бетонных блоков ФБС24-6-4, ФБС12-6-4 и ФБС9-6-4 и ступенями прикладывали к плитам испытуемых ячеек диска через деревянные прокладки, уложенные поперек плит с равномерным шагом вдоль их пролетов (II-й этап). При этом непосредственно на монолитные ригели нагрузку не прикладывали, а передача на них нагрузки с плит происходила посредством выпусков рабочей арматуры и бетонных шпоночных соединений ригелей с плитами. Массу блоков контролировали по показаниям стрелочного динамометра, подвешенного между крюком и грузом.
На каждой ступени нагружения, составляющей 0,2 от максимальной испытательной нагрузки, давали выдержку в течение 15-20 минут, в процессе которой осуществляли обследование технического состояния несущих элементов перекрытия, монолитных участков между плитами и ригелями, обнаружение, фиксацию и измерение ширины раскрытия трещин, регистрацию показаний механических приборов.
При достижении максимальной полезной нагрузки на перекрытие, соответствующей эксплуатационной и равной g=3.5 кПа (без учета собственного веса перекрытия), выдержка под нагрузкой согласно требованиям ГОСТ 8829-94 составляла не менее 30 мин.
Основные результаты испытаний
В процессе нагружения перекрытия продольные и поперечные монолитные ригели работали в стадии, близкой к упругой, что подтверждается графиками развития прогибов, приведенными на рис.6. При действии на перекрытие каркаса полной вертикальной равномерно распределенной нагрузки, складывающейся от собственного веса, равной gw=3,5 кПа (350 кГс/м2) и дополнительного пригруза полезной нагрузкой, равной gn=3,5 кПа (350 кГс/м2), наибольшие прогибы в середине пролетов монолитных ригелей составили:
· в середине пролета наиболее нагруженного несущего монолитного ригеля, расположенного вдоль оси «В1» (рис.6а) между осями 17/1-18/1 – f4=0,9 мм, в пролете между осями 18/1-19 - f5=6,8 мм.
· в середине пролета связевых ригелей (рис.6б) расположенных между плитами в осях «А-В/1»/18/1 - f6=1,49 мм, в осях «В/1-Г»/18/1 – f2=3,7 мм, в осях «А-В/1»/19 – f8=0,8 мм.
Рис.6. Графики роста вертикальных перемещений (прогибов) под нагрузкой монолитных поперечных (а) и продольных (б) ригелей фрагмента сборно-монолитного диска перекрытия
Наибольшие прогибы в серединах пролетов плит перекрытий составили (рис.7):
·в ячейке, ограниченной осями «А-В/1»/18/1-19 – f7=9,0 мм,
·в ячейке, ограниченной осями «В/1-Г»/18/1-19 – f1=5,2 мм,
в ячейке, ограниченной осями «В/1-Г»/17/1-18/1 - f3=3,5 мм;
Таким образом, измеренные прогибы во всех случаях не превышали предельно допустимых величин согласно СНиП 2.01.07-85 (Дополнения. Раздел 10. Прогибы и перемещения) и составляющих 1/200 пролета [f]=6400/200=32 мм, что свидетельствует о достаточной несущей способности перекрытия для восприятия эксплуатационных нагрузок. При действии на перекрытие полной нагрузки, равной g=7,0 кПа (700 кГс/м2) поперечных и продольных трещин на нижней поверхности плит не обнаружено, что подтверждается незначительными по величине относительными деформациями бетона по их верхней (ebt=-0,5х10-5) и нижней ebc=1,0х10-5 граням (рис.8), достигнутыми к концу нагружения и не превышающих предельную сжимаемость (ebc,u=300..350х10-5) и растяжимость бетона (ebt,u=15..20х10-5).
Образование трещин происходило, в основном, по верхней грани монолитного несущего ригеля в зоне стыка с колоннами с наибольшей величиной отрицательного момента на опоре. Ширина раскрытия трещин на уровне рабочей арматуры к концу нагружения при полной нагрузке, равной g=7,0 кПа (700 кГс/м2) достигла значения, равного аcrc=0,17 мм (рис.9). Относительные деформации удлинения бетона по верхней грани сопряжения торцов плиты с монолитными несущими ригелями в зоне действия изгибающих моментов на опоре в середине пролета несущего ригеля по оси В/1 достигли значения εbt=1,2х10-5 (рис.10), что не превышает предельную растяжимость бетона εbt,u=15-30х10-5.
В сопряжении торца плиты с крайним монолитным ригелем, примыкающим к наружной стене наблюдались деформации укорочения бетона, которые к концу нагружения достигли величины εbс=-2,8х10-5. Это означает, что при таких незначительных по величине относительных деформациях от действующей нагрузки образования трещин в шпоночном сопряжении плиты с ригелями не происходило.
Измеренные деформации бетона в сечении защемленного в нише наружной стены консольного выступа крайнего несущего монолитного ригеля показали, что по его верхней грани у обреза стены образовалась трещина (рис.10), ширина раскрытия которой к концу нагружения достигла величины аcrc=0,13 мм, что меньше предельно допустимой [аcrc]=0,4х0,7=0,28 мм. Наибольшие относительные деформации сжатия бетона по верхней грани в пролетном сечении наиболее нагруженного поперечного ригеля по оси В/1 при действии полной испытательной нагрузки (g=7,0 кПа) с учетом собственного веса перекрытия составили ebc=-26х10-5 (рис.11), что значительно меньше предельной сжимаемости бетона (ebc=-300-350х10-5).
Проведенные натурные испытания встроенного фрагмента плоского сборно-монолитного диска перекрытия каркаса, опертого на колонны и несущие кирпичные стены на действие вертикальной нагрузки от собственного веса и статического нагружения кратковременной равномерно распределенной нагрузкой, соответствующей эксплуатационной (расчетной по второй группе предельных состояний) и полученные результаты показали, что конструкции каркаса удовлетворяют требованиям СНиП2.03.01-84*, СНиП2.01.07-85, ГОСТ 8829-94 по жесткости и трещиностойкости, имеют достаточный запас прочности и могут использоваться по назначению.
Выводы1. Разработано принципиально новое конструктивное решение по модернизации зданий старой постройки и замене внутренних несущих конструкций на встраиваемый в существующий объем здания неполный каркас с плоскими сборно-монолитными перекрытиями из многопустотных плит.
2. Реализация предложенного решения позволяет обеспечить гибкость планировки помещений, повышение уровня потребительских качеств, минимальное удельное ресурсопотребление из доступных материалов.
Литература
