Восстановление и усиление крупнопанельных зданий

Восстановление поврежденных землетрясениями, а также усиление эксплуатируемых зданий - относятся к одной общей проблеме - сейсмозащите зданий и сооружений. Запроектированные в соответствии с действующими нормами объекты, как правило, не получают в результате расчетных сейсмических воздействий серьезных повреждений. Если же такие и наблюдаются, то они являются либо следствием ошибок в проектировании, либо неудовлетворительного качества строительномонтажных работ. В меньшей мере причина повреждений может быть приписана некачественному изготовлению сборных конструкций, поскольку их качество контролируется заводскими лабораториями. Чаще всего повреждения вызываются комплексом причин. В ряде случаев ликвидация последствий землетрясений заключается в незначительном ремонте зданий.

Необходимость усиления последних возникает в случаях изменения сейсмичности района строительства и если объект неоднократно подвергался воздействиям нерасчетных землетрясений и в нем произошло накопление повреждений.

Под термином "восстановление" понимается воссоздание первоначального уровня сейсмообеспеченности здания. Восстановление производится, если к моменту землетрясения сейсмообеспеченность должна была соответствовать действующим нормам проектирования сейсмостойких зданий.

В понятие "усиление" вкладывается иной смысл - повышение сейсмообеспеченности зданий, являющейся недостаточной по сравнению с той, которая требовалась бы по действующим нормам проектирования. Мероприятия по усилению выполняются до землетрясения по специально разработанному плану.

В процессе ликвидации последствий землетрясений могут осуществляться комплексные мероприятия по сейсмозащите зданий — восстановление с усилением. Предполагается не только воссоздание первоначальной сейсмообеспеченности здания, но и доведение ее либо до уровня, соответствующего требованиям норм проектирования, либо до уровня, установленного специальным распоряжением.

Способность здания или сооружения- воспринимать тот или иной уровень сейсмических нагрузок обозначается термином "сейсмообеспеченность". Следует различать начальную и конечную сейсмообеспеченность. Под первой понимается заложенная в процессе проектирования здания его способность воспринимать те или иные сейсмические нагрузки. Сейсмообеспеченность, являющаяся результатом осуществления предусмотренного проектом комплекса конструктивных мероприятий при ликвидации последствий землетрясений или работ по усилению, называется условно конечной.

Практически любое крупнопанельное здание имеет определенную сейсмообеспеченность, но это не означает, что оно обязательно сейсмостойкое. Если конечная сейсмообеспеченность отвечает уровню действующего СШПа, то здание или сооружение следует считать сейсмостойким.

Таким образом, мероприятия, направленные на восстановление или повышение сейсмообеспеченности зданий, могут быть разделены на три группы: мероприятие по восстановлению, по усилению и на мероприятия по восстановлению с усилением.

По уровню начальной сейсмообеспеченности крупнопанельные здания целесообразно также отнести к трем группам: I - к зданиям, запроектированным без учета сейсмических воздействий; II — к зданиям, проекты которых разрабатывались с учетом ранее действовавших норм проектирования на сейсмические воздействия; III — к зданиям, разработанным по действующим на момент землетрясения расчетной интенсивности нормам проектирования на сейсмические воздействия.

Уровни конечной сейсмообеспеченности должны назначаться с учетом: градостроительных задач развития застройки населенного пункта; грунтовых условий, на которых расположены намеченные к восстановлению или усилению здания; срока последующей эксплуатации здания; функционального назначения здания; количества перенесенных зданием землетрясений нерасчетной интенсивности; наличия и характера осуществленных после предыдущих землетрясений восстановительных мероприятий; наличия и характера усиления несущих конструкций зданий, осуществленных в соответствии с долговременным планом предупреждения возможных повреждений от ожидаемого землетрясения.

По уровню конечной сейсмообеспеченности крупнопанельные здания с учетом продолжительности последующего срока эксплуатации рекомендуется подразделять на две группы: а - с последующей эксплуатацией до пяти лет; б - более пяти лет.

Для зданий группы Ша (не имеющих антисейсмических мероприятий со сроком последующей эксплуатации до пяти лет) экономически оправданным следует считать восстановление несущих конструкций без расчета на сейсмические воздействия с учетом воспринятая только вертикальных нагрузок.

Здание группы Iб рекомендуется восстанавливать в целях доведения конечной сейсмообеспеченности до уровня, при ко-котором могут быть восприняты нагрузки, возникающие при 7-балльном землетрясении.

Восстановление до воссоздания начальной сейсмообеспеченности следует осуществлять в зданиях группы IIа.

В зданиях группы IIб должно сочетаться восстановление с усилением с целью наделения здания сейсмообеспеченностью по требованиям действующих норм. Наконец, первоначальная сейсмообеспеченность (сейсмостойкость) восстанавливается в зданиях группы III.

Известен ряд способов восстановления и усиления несущих конструкций и зданий в целом. При выборе способа рекомендуется учитывать: требование высоких темпов, ведения строительно-монтажных работ; необходимость обеспечения высокого качества работ, позволяющих сохранить в течение последующего срока эксплуатации достигнутые уровни сейсмообеспеченности здания; надежность используемых в проектах способов в части сохранения в течение планируемого срока уровня сейсмообеспеченности здания; требование минимума затрат на осуществление мероприятий по восстановлению или усилению.

Ликвидации повреждений и работам по усилению должно предшествовать вариантное проектирование с анализом экономической и технической эффективности каждого варианта проектных предложений. Реализации подлежит проект, обеспечивающий: высокие темпы ликвидации последствий землетрясений; надежность восстановления (усиления) здания; минимум затрат; комфортность подвергнутого восстановлению (усилению) жилья.

При разработке проектов восстановления (усиления) крупнопанельных зданий возможно использование как одного, так и нескольких различных способов. Наружные и внутренние стены и их пересечения (вертикальные стыковые соединения) рекомендуется восстанавливать (усиливать) с помощью: железобетонных и растворных армированных односторонних или двухсторонних рубашек; сеток в слое прочного цементного раствора в пределах поврежденного участка стены или узла; металлических скоб, накладок и уголков; железобетонных шпонок; инъецирования обычных цементных и специальных растворов; полимерармированных шпонок (ПАШ); наклейки стеклоткани.

Железобетонные обоймы применяются в случае недостаточной несущей способности панелей. Обычно они устраиваются на всю ширину и высоту стены (рис. 1.49). Толщина бетонных слоев, марка бетона и количество арматуры в виде плоских сварных сеток определяется расчетом. В варианте двухсторонних рубашек сетки объединяются между собой посредством стержней диаметром не менее 6 мм, пропускаемых в сквозные отверстия диаметром не менее 12 мм. Шаг отверстий не должен быть меньше 500 мм. Более редкое размещение соединительной поперечной арматуры ухудшает совместность работы железобетонных слоев [122].

Сетки армирования бетонных односторонних слоев могут крепиться к обнажаемой арматуре каркасов панелей, либо с помощью специальных анкеров, заделываемых в отверстиях прочным раствором. Возможна пристрелка сетки к поверхности панели. В любом случае необходимо обеспечивать зазор между поверхностью стены и сеткой с целью образования защитного слоя и создания условий наиболее эффективной работы сетки.

В случае возникновения в панеле отдельных и не очень протяженных трещин возможен вариант с применением локальных сеток, размещаемых в пределах трещин (рис. 1.50). Такой способ восстановления требует устройства шграб глубиной 25— 30 мм для размещения сеток в слое прочного цементного раствора заподлицо с поверхностью панели. Крепление сеток производится либо к обнаженной арматуре панелей, либо с помощью поперечной соединительной арматуры в виде шпилек диаметром 3—5 мм из стали В-I или Вр-I. После установки стержней в отверстия производится их зачеканка раствором той же марки, что и раствор армированного сеткой слоя. Раствор следует принимать не ниже марки 100. Расстояние от конца трещины до торца сетки принимается не менее 300 мм. Напуск сетки в каждую сторону от трещины должно быть порядка 150 мм. Сетка с ячейками 150x50 мм должны прикрепляться к панели поперечной арматурой с шагом не более 200 мм в обоих направлениях. Скобы выполняются из арматуры классов А-I и A-II диаметром, устанавливаемым из расчета. П-образные скобы пропускаются сквозь отверстия, размер которых следует увеличивать против диаметра арматуры на 10 мм, чтобы иметь возможность зачеканить отверстие с арматурой. По поверхностям панелей между отверстиями пробиваются борозды глубиной не менее, чем на 5 мм превышающие диаметр скобы. Выступающие из отверстий свободные концы скоб загибаются и свариваются между собой (рис. 1.51, а)Борозды заполняются раствором заподлицо с поверностью панели.

Металлические пластины, как показали опыты, могут рассматриваться в качестве достаточно надежного решения, способного предотвратить полную потерю несущей способности поврежденной стеновой панели от последующих сейсмических сотрясений. Пластины, как и скобы, должны размещаться в специально подготовленных выемах, пересекающих трещину под прямым углом (рис. 1.51, б). Пластины следует устанавливать попарно, соединяя их через сквозные отверстия в панелях стяжными болтами или привариваемыми к пластинам стержнями арматуры. Болты или арматура, а также пластины устанавливаются на прочном цементном растворе. Вместо обычных могут применяться полимеррастворы. Марка раствора должна приниматься не менее 100. В промежутках между пластинами трещины могут инъецироваться цементным либо полимеррастворами. Возможна также расчистка трещин под У-образное поперечное сечение для последующей расшивки раствором.

Одним из эффективных способов восстановления поврежденной трещиной стеновой панели считаются железобетонные шпонки, пересекающие трещину под прямым углом (рис. 1.52, а). Шпонки могут быть сквозными и устанавливаемыми с двух сторон панели. Армируются эти элементы восстановления плоскими и пространственными каркасами. Двухсторонние шпонки должны обязательно связываться поперечными стержнями для создания условий совместной работы. Сквозные шпонки предпочтительно делать типа "ласточкиного" хвоста в целях повыше-шения надежности заделки их в теле панели. Неперехваченные участки трещин желательно заинъецировать цементным раствором. Во избежание появления трещин по контакту старого и нового бетонов желательно использовать расширяющиеся цементы.

Менее эффективным при самостоятельном применении и достаточно надежным в сочетании с инъецированием следует считать наклейку на трещины стеклотканевых "пластырей" с помощью эпоксидных клеев и полимеррастворов (рис. 1.52,6). Инъецирование обычных цементных растворов в качестве самостоятельного способа не может рассматриваться достаточно эффективным. Как уже подчеркивалось, его целесообразно применять в сочетании с другими способами. Причина кроется в слабой, по сравнению с растворами на полимерных основах или эпоксидными клеями, клеящей способности цементных растворов. С другой стороны, полимеррастворы и эпоксидные композиции допустимо применять самостоятельно при ширине раскрытия трещин ОД мм и более. Исследования ТбилЗНИИЭП [94] убедительно свидетельствуют о подобной возможности. При соответствующем подборе составов можно добиться разрыва не по клеевому шву, а по материалу стены непосредственно. Данный способ правильнее применять для "залечивания" трещин при варианте неполного отселения людей из здания на время ремонтно-восстановительных работ.

Опыт Газлийских землетрясений 1976 г. свидетельствует о надежности еще одного способа восстановления или повышения сейсмообеспеченности крупнопанельных зданий - полимерраст-ворными шпонками (ПАШ). Они предложены, применены на практике ТбилЗНИИЭП и ТашЗНИИЭП в процессе ликвидации последствий Газлийских землетрясений [8].

В поврежденной трещинами панели под прямыми углами к ним подготавливаются шпоночные выемы (рис. 1.53), в которых с соответствующими зазорами укрепляются или отдельные трещины, или плоские сварные каркасы. После установки опалубки из бумаги или картона шпонки заполняются полимер-растворами. Шпонки могут быть односторонними и двухсторонними. Прочность сцепления полимеррастворов с бетоном столь велика, что не требуется постановка дополнительной поперечной связующей арматуры. Армирование шпонок подбирается в зависимости от действующих в плоскости трещины усилий. К недостаткам способов восстановления (усиления) с помощью эпоксидных композиций и полимеррастворов относится зависимость от погодных условий (предпочтительно применять при положительных температурах). Кроме того, использование в здании только этих материалов неизбежно отразится на последующем пределе огнестойкости восстановленного (усиленного) здания. Установлено, что эпоксидные клеи и по-лимеррастворы теряют свои свойства при температуре 250— 300°С, в то время как стандартный пожар поднимает температуру до 900-1000°С. Чтобы снизить остроту вопроса, необходимо описываемый способ сочетать с "традиционным".

Практически всеми описанными выше способами можно восстанавливать (усиливать) места пересечений наружных панелей с внутренними и внутренних между собой.

Поскольку, как показывает осмотр зданий после землетрясений, чаще и прежде всего повреждаются стыковые соединения, может производиться локальное (в пределах определенного расстояния от угла пересечений стен) торкретирование по сетке бетона и раствора (рис. 1.54). Ширина полосы торкретирования принимается не более 500 мм для удобства установки соединительной поперечной арматуры. Опыты ЦНИИСК показали, что доведенные до полного разрушения при сдвиге узлы пересечений с помощью рубашек могут восстановить несущую способность до 85 % первоначальной. Расчет арматуры сеток усиления рекомендуется устанавливать на основании расчета из условия восприятия элементами восстановления сдвигающих усилий в стыке с учетом его остаточной (после землетрясения) несущей способности в размере 0,2-Ю,3 от первоначальной. Аналогичный подход должен иметь место и при расчете элементов восстановления с использованием уголков.

Экспериментально проверен способ восстановления или усиления узлов пересечений внутренних стеновых панелей с помощью металлических уголков (рис. 1.55). Уголки изготовляются из полосовой стали шириной 50—80 мм и толщиной 5—8 мм и устанавливаются в специально подготовленных выемах в панелях на прочном цементном растворе марки не ниже 100, Стяжными болтами уголки прижимаются к панелям, после чего выемы с уголками заполняются раствором заподлицо с поверхностью панели. Перед постановкой уголков поврежденный или разрушенный бетон замоноличивания удаляется и заменяется либо бетоном (в случае повреждения больших объемов), либо цементным раствором указанной выше марки. Трещины могут быть заинъецированы обычным цементным или полимерраствором. В этом случае несущая способность узла пересечения при сдвиге может быть восстановлена практически на 100%. Шаг уголков и диаметр стяжных болтов принимается по расчету на воспринятие сдвигающих усилий, действующих в месте пересечения стен.

При ликвидации последствий землетрясения возможны два варианта подхода к расчету элементов восстановления. По первому варианту, когда бетон замоноличивания поврежден отдельными трещинами, остаточную несущую способность стыка рекомендуется учитывать в размере не более 0,2?0,3 от первоначальной. В случае значительного разрушения бетона замоноличивания и разрыва отдельных стержней соединительной горизонтальной арматуры элементы восстановления рассчитываются на полную величину сдвигающей нагрузки в зоне вертикального стыка.

Решение задачи усиления здания также требует оценки остаточной несущей способности при сдвиге узла пересечения стен. Если здание возведено без антисейсмических мероприятий, остаточная несущая способность принимается равной нулю. В случае ограниченных мероприятий она может приниматься в пределах 0,2?0,5 от первоначальной несущей способности.

Восстановление совместной работы стен ортогональных направлений может осуществляться полимерармированными шпонками. Они предназначаются для воспринятая сдвига и растяжения. С их помощью целесообразно повышать сейсмообеспеченность не подвергавшимся землетрясениям зданий.

ПАШ могут располагаться как изнутри, так и снаружи здания (рис. 1.56, а). Однако следует учитывать, что введение их в стык между наружными и внутренними стенами в районах с низкими зимними температурами вызовет снижение теплозащитных функций ограждения. Поэтому наружное размещение ПАШ более оправданно применять в районах с незначительными отрицательными температурами. Благодаря конструктивному решению полимерармированные шпонки обладают в определенной мере универсальностью (рис. 1.56, б): они используются для подкрепления вертикальных, горизонтальных стыков, связей наружных стен с перекрытиями. Одновременно с восстановлением (усилением) связей с перекрытиями в последнем случае будут воссоздаваться (или создаваться) связи между панелями в горизонтальном шве.

Известны и другие конструктивные решения, используемые для ликвидации последствий землетрясений, например металлические пояса, предварительно напрягаемые и без напряжения. Однако они здесь не приводятся в силу недостаточности экспериментальной изученности при действии знакопеременных динамических типа сейсмических нагрузок. К тому же данное решение чрезвычайно металлоемко. Вероятно, целесообразно использовать металлические пояса в качестве временных устройств с целью предотвращения прогрессирующего развития деформаций поврежденных конструкций. После осуществления мероприятий по восстановлению описанными выше способами конструкции поясов следует демонтировать.