Во многих случаях встречается необходимость в повышении несущей способности каменных столбов или простенков. Так, при реконструкции зданий, при их надстройке или увеличении нагрузок на существующие перекрытия, а также при восстановлении несущей способности частично разрушенной кладки значительное повышение прочности кладки столбов и простенков может быть достигнуто посредством включения ее в обойму - усиление кирпичных столбов обоймами. Этот способ усиления элементов каменных конструкций основан на том, что прочность материала при объемном напряженном состоянии (когда элемент подвержен всестороннему сжатию) выше, чем при одноосном сжатии; стальная арматура обоймы, обладая значительно более высоким модулем упругости, чем каменная кладка, препятствует ее поперечным деформациям, создавая по боковым граням элемента сжимающие напряжения.
На этом же принципе основано повышение прочности кладки армированием сетками. Опытами установлено, что при армировании сетками в горизонтальных рядах достигают большего повышения прочности кладки, чем при усилении кладки наружной обоймой при том же расходе стали (проценте армирования); это вызвано, очевидно, более равномерным распределением арматуры по объему кладки, по сравнению с укладкой такого же количества арматуры в наружной обойме. Поэтому область применения обойм следует ограничить случаями усиления конструкций существующих зданий. Обоймы часто применяют и для восстановления несущей способности частично разрушенной кладки.
Потеря несущей способности в каменных конструкциях обычно сопровождается появлением трещин. Правильное определение причин, вызвавших их появление в кладке, может способствовать созданию ясного представления как о степени их опасности, так и характере необходимых мероприятий для усиления конструкций. Появление отдельных вертикальных трещин, проходящих через 1-2 ряда кладки, свидетельствует о значительных перенапряжениях в простенках или столбах. Если трещины такого характера достигают значительных размеров (шириной более 1 мм и длиной больше. 30 см) и покрывают кладку в виде сетки, следует считать, что напряжения достигают величины, равной примерно 0,8-0,9 от сопротивления кладки сжатию. Состояние конструкции в этом случае нужно считать аварийным.
Значительные по величине трещины одиночного характера в глухих стенах или перемычках не являются признаками раздавливания кладки и не представляют непосредственной опасности, если они не сопровождаются значительным наклоном стен. При частичной потере стенами или столбами несущей способности необходимо прежде всего определить возможность производства восстановительных работ.
Одним из основных критериев для определения состояния конструкций, в которых появились трещины, являются результаты наблюдений за поведением маяков, поставленных на трещины. Если маяки рвутся - на их место ставят новые. При аварийном состоянии конструкции вновь поставленные маяки рвутся через более короткие интервалы времени. При затухании деформаций вновь поставленные маяки остаются целыми или до их разрыва проходит больше времени, чем до разрыва ранее поставленных маяков. Восстановление несущей способности которые имеют кирпичные простенки или столбы может быть достигнуто путем включения поврежденной кладки в обойму. В зависимости от степени повреждения кладки, производственных возможностей и получения желаемого результата от усиления обоймы применяют: а) из цементной штукатурки по стальной сетке; б) из кирпича на ребро с прокладкой в швах стальных хомутов; в) железобетонные; г) стальные (рис. 1).
Рис. 1. Типы обойм: а - из слоя цементного раствора по стальной сетке; б - из кирпича на ребро; в - железобетонная
Типы обойм для усиления кладок
Первый тип обоймы состоит из ряда хомутов, связанных между собой продольной арматурой; по образуемой таким образом сетке делают штукатурку из цементного раствора состава 1:3÷1:4; такой тип обоймы следует рекомендовать для случаев усиления без увеличения размеров поперечных сечений простенков или столбов.
Второй тип обоймы связан с некоторым увеличением размеров поперечных сечений усиливаемых элементов; по этому варианту обойма состоит из кирпича, укладываемого на ребро; швы армируют хомутами - стальными стержнями диаметром до 12 мм. Кладку обоймы ведут на смешанном растворе марки не ниже 25. Преимуществом такого типа обоймы является простота ее выполнения, возможность использования для обоймы обыкновенного кирпича, а также сохранение внешнего вида усиливаемой конструкции, что иногда может быть желательным с архитектурной точки зрения при усилении наружных фасадных стен.
Железобетонные обоймы нужны в случаях необходимости значительного повышения несущей способности усиливаемой конструкции. Бетон для обоймы при толщине ее от 6 до 10 см следует применять не ниже марки 100. Для столбов с размером поперечного сечения менее 77 см рекомендуется обойма толщиной 6 см. Большей толщины обоймы делают при значительных размерах поперечных сечений усиливаемых конструкций.
Усиление кладки обоймами из стальных уголков, соединенных между собой приваренными к ним планками, менее эффективно, так как требует большего расхода стали; при устройстве таких обойм углы каменных столбов предварительно выравнивают цементным раствором, затем устанавливают продольные уголки каркаса, к которым приваривают планки.
Для выявления эффективности обойм различных типов, определения несущей способности усиленной кладки, а также фиксации конструктивных требований были произведены экспериментальные исследования кладки в обойме. Хотя эти исследования не дают еще исчерпывающих ответов на вопросы, возникающие при проектировании кладки, включенной в обоймы, и до настоящего времени не созданы удовлетворительные предпосылки для теоретического определения прочности такой кладки, все же на практике во многих случаях произведенные исследования оказываются весьма полезными.
Еще в 1936 г. канд. техн. наук В. А. Камейко производил испытания кирпичных столбов в обойме из стальных уголков, соединенных приваренными к ним планками, а в 1944-1945 гг. канд. техн. наук М. Я. Пильдиш производил испытания кирпичных столбов, включенных в обоймы из оштукатуренной стальной сетки, из кирпича на ребро с прокладкой в горизонтальных швах стальных хомутов и железобетонных. Поскольку обычным для каменных конструкций является внецентренное сжатие, специальная серия образцов, усиленных обоймами, испытывалась при различных величинах эксцентриситета разрушающей продольной силы. Для выявления несущей способности кладки, частично разрушенной, а затем усиленной обоймой, специальная серия образцов до включения в обоймы подвергалась на прессе действию сжимающей силы до начала падения стрелки манометра пресса, свидетельствующего, что кладка доведена до предельного состояния.
В 1949-1950 гг. В. А. Камейко и Р. Н. Квитницким были произведены более многочисленные опыты, позволившие уточнить расчетные формулы для случая осевого сжатия кладки в обоймах, а также выявить величины усилий, непосредственно воспринимаемых обоймами (в зависимости от способа их опирания). Обычно обойма лишь охватывает тело усиляемой конструкции, не опираясь снизу на обрезы фундамента, уступы и т. п. и не воспринимая нагрузку непосредственно у верха. В этих случаях передача части продольного усилия на обойму происходит через плоскости сцепления кладки с обоймой. Исследования подтвердили принципиальные положения, установленные прежними опытами и позволили уточнить расчетные формулы.
Опытами было установлено, что включение кладки в обоймы может повысить ее несущую способность в 2-2,5 раза. При повышении процента армирования обойм их эффективность снижается; не рекомендуется применять обоймы с процентом армирования p>1-1,5%. Эффективность обойм понижается также при значительных эксцентриситетах нормальной силы: применение обойм следует ограничить предельными величинами эксцентриситета нормальных сил, которые предусматривает сетчатое армирование каменной кладки. Исследования производили на обоймах для столбов, имевших в плане сечение квадрата и прямоугольника с отношением сторон до 2. При большем соотношении сторон прямоугольного сечения, можно рекомендовать пропускать в теле кладки специальные связи, делящие площадь сечения усиливаемого элемента на квадраты. Расстояние между связями по высоте должно быть не более меньшей стороны сечения, а площадь поперечного сечения связей - не менее двойной площади сечения арматуры обоймы на высоте, равной расстоянию между связями.
