А.Н. Асаул, Ю.Н. Казаков, В.И. Ипанов
Реконструкция и реставрация объектов недвижимости
Учебник Под редакцией д.э.н., профессора А.Н. Асаула. – СПб.: Гуманистика, 2005. – 288с.

Раздел 4. Реконструкция подземной части зданий

Глава 9. Ремонт и усиление подземной части здания

9.3.Усиление строительных конструкций

Укрепление при перегрузках. Необходимость усиления каменных стен столбов возникает при механических повреждениях кладки, растесках проемов, ликвидации промежуточных перекрытий, чрезмерных нагрузках, наличии трещин или других признаков деформации и т.д. Следствием каждой из причин становится перегрузка рабочих сечений кладки, либо внецентренно обжатых, либо многократно сокративших несущую способность, например при расслоении инструкции на отдельные гибкие элементы. Поэтому большинство видов укрепления стен и столбов заключается в обеспечении местной устойчивости обжатой кладки.

Традиционным способом укрепления служит устройство внешнего «корсета» или обойм, препятствующих горизонтальному «расползанию» кладки. Обоймы столбов и узких простенков представляют собой систему нескольких угловых профилей, объединенных горизонтальными полосовыми связями, шаг которых зависит от гибкости стоек и величины сжимающего давления. Металлическими обоймами укреплено множество столбов и простенков древних зданий, том числе центральный столб Грановитой палаты Московского Кремля и столбы в помещениях так называемой Собственной половины Большого Кремлевского дворца.

Для усиления широких простенков используются иногда двухсторонние корсеты в виде плоских сварных решеток, соединенных с арматурными стержнями через просверленные в кладке отверстия. Подобным образом закреплены слабые и перегруженные стены старого здания МХАТа (реставрация 1980 гг.). Металлические корсеты маскируются обычно в специально пробиваемых штрабах или внутри толстого штукатурного слоя, что создает значительные трудности при укреплении столбов и пилонов сложного профиля, несущих лепной или живописный декор.

В практике реставрации нередки случаи замены старого строительного материала более прочным современным.

Это может быть простая внешняя с перевязкой и сквозная перекладка с армированием опасной зоны. Например, аварийный просевший столб крыльца церкви Троицы в Никитниках (Москва) был разобран и переложен вместе с фундаментом (с временным сложным «вывешиванием» вышеуказанных конструкций).

Иногда старая кладка сохраняется фрагментарно или только в качестве облицовочного слоя, скрывающего внедренный в тело конструкции металлический или железобетонный несущий элемент (Рис. 9.5). Заделка современного несущего каркаса в ветхую или перегруженную кладку – довольно сложная задача, связанная с необходимостью глубокого штрабления, введения разгрузочного элемента, временного крепления и т.д. Кроме того, должна быть обеспечена полная передача нагрузки на новую конструкцию, так как включение в совместную пропорциональную работу разнородных материалов практически неосуществимо из-за различных модулей деформации.

Металлические стойки достаточно часто применяются также для усиления или разгрузки деревянных зданий каркасного типа и срубов.

Укрепление при структурном разрушении кладки.  Под структурным разрушением здесь подразумевается, во-первых, деструкция строительного материала кладочных элементов, а во-вторых, нарушение монолитности кладочной структуры целых конструкций. Структурному разрушению подвергается перегруженная, а также мокрая кладка (при протечках кровель и коммуникаций, капиллярном подсосе влаги из грунта, коррозии закладного металла, изменении температурно-влажностного режима).

Характерные признаки структурного разрушения при перегрузках – образование системы Х-образных трещин, выкалывание треугольных призм и истощение обжатых сечений, иногда-вертикально ориентированных трещин, расслоение или волнообразное искривление поверхностей.

Морозное и солевое разрушение при замачивании может быть выражено в размягчении и высыпании раствора из швов в поверхностном слое, отслоении и падении целых пластов кладки, образовании рыхлого, осыпающегося щебеночного конгломерата.

Перечисленные виды разрушений создают необходимость разработки так называемых технологических или комбинированных способов укрепления, например армирования и инъекции кладки (Рис. 9.6.)

Рис. 9.6.  –  Инъекционное и комбинированное укрепление кладки

Расслоившиеся кирпичные конструкции могут быть укреплены системой анкерных стержней, установленных в просверленные отверстия нормально или под некоторым углом к плоскости расслоения. На первой стадии стержни работают как противоаварийные элементы, препятствующие дальнейшему расслоению и уменьшающие свободную длину каждого слоя как самостоятельной сжимаемой конструкции. На второй стадии при инъецировании зазоров между слоями анкерные стержни воспринимают избыточное давление раствора, создаваемое насосом и способное вызвать обрушение наружного слоя. Далее, после твердения раствора и склеивания слоев стержни служат элементами армирования.

Часто расположенными пересекающимися стержнями «косвенного» армирования укрепляются перегруженные аварийные конструкции небольшого сечения – столбы, контрфорсы, аркбутаны. Для массивных стен большого протяжения, имеющих одну или две открытые боковые поверхности, возможно только поперечное армирование. Поярусное расположение стержней, концы которых могут быть объединены арматурными сетками, удобно для создания «опорных» армированных рядов или железобетонных поясов при восстановлении утраченной лицевой кладки.

Анкерное крепление и другие комбинированные способы требуют высокой культуры производства. Для армирования рекомендуется применять нержавеющий металл, количество черного металла должно быть минимальным даже при его антикоррозийном покрытии. Коррозия закладного металла в сырой кладке способна привести к ее разрывам и расслоениям, выдергиванию растянутого стержня или анкера, сдвигу и обрушению блоков кладки. Практика показывает, что в условиях некачественного производства работ анкерное крепление или армирование особо ответственных конструкций следует рассматривать только как часть укрепительного комплекса, но не как основной или единственный вид укрепления.

Инъецирование специально подобранными растворами – современный и весьма рациональный способ укрепления кирпичной, каменной и смешанной кладки, расчлененной трещинами на крупные и средние блоки или на щебеночные фракции. Эффективность инъекционного укрепления зависит от структуры кладки, степени ее расслоения, влажности и химического состава материала, качества раствора, частоты скважин и других факторов. Наилучшие результаты обычно достигаются при инъецировании сравнительно сухой, расслоившейся кладки из кирпича, белого камня, песчаника и туфа при раскрытии трещин более 1 мм. Тесаная кладка из гранита, базальта и других тяжелых непористых материалов укрепляется инъекцией плохо, так как не происходит отбора воды, и раствор, заполняющий швы, остается рыхлым, слабо сцепляющим разорванные трещинами блоки и отдельные камни.

Вообще затвердевший инъекционный раствор должен быть близок по своим физико-техническим свойствам к материалу кладки. Компонентами растворов могут быть известь-тесто, цемент, кварцевая пыль, белокаменная мука, цемянка. Для нагнетания растворов используются ручные или механические насосы, создающие давление до 6-8 атм.

Инъекция нежелательна для укрепления кладки стен и сводов, имеющих темперную или масляную живопись, так как отбор воды из раствора сопровождается движением солей, разрушающим грунт и живописный слой.

Укрепление гибких и наклонных стоек и стен.

К внешне неустойчивым конструкциям, требующим введения открытых, логически завершающих рабочую схему элементов усиления, относятся наклоненные крепостные и подпорные стены, а также ограждающие стены и столбы зданий с обрушенными или разобранными междуэтажными перекрытиями. Если восстановление этих перекрытий трудноосуществимо или не оправдано методически, то чрезмерная свободная длина стен и колонн может быть снижена с помощью стержневых связей-затяжек и распорок, объединяющих элементы в пространственные блоки (Рис. 9.7).

Отдельно стоящие гибкие стены при отсутствии близких жесткостных модулей (лестничных клеток, угловых сопряжений стен и т. п.) могут быть укреплены открытыми подкосами трубчатого и иного сечения, решетчатыми диафрагмами, а также контрфорсами. Контрфорсы – достаточно распространенный способ укрепления в реставрации.

В зависимости от архитектурных требований и характера нагрузки они выполняются либо из традиционных материалов – кирпича и камня, либо из железобетона. Эффективная работа контрфорса возможна лишь при надлежащей устойчивости его основания. Практика доказывает, что многие исторические контрфорсы, возведенные как до, так и после начала деформаций, своих функций не выполняют, существуя независимо от укрепляемого объекта. При укреплении подпорных стен возможно применение обратных контрфорсов, а также буроинъекционных свай в сочетании с распределительными подхватами, зачеканкой и инъецирование кладки.

 

Рис. 9.7. – Укрепление неустойчивых конструкций

Выпрямление стен, столбов, пилонов. Если наклон стен, пилонов, башен и т.п. достаточно заметен, а укрепление с помощью открытых конструкций не представляется возможным, например, из эстетических соображений, возникает необходимость в их подъеме (повороте).

Наиболее просто выпрямление отдельно стоящих сплошных сооружений или компактных жестких объемов – обелисков, пьедесталов, пилонов, невысоких декоративных башенок, крепостных зубцов и консольных простенков, масса которых не превышает 10-15т. В этом случае подъем может производиться легкими винтовыми и гидравлическими домкратами при минимальных трудозатратах.

В основание выпрямляемой конструкции врезается временная обойма из металлических профилей (железобетона), служащая либо непосредственно над домкратной балкой, либо упором при рычажном приложении сил (выпрямление надгробия Ахмета Ясави в г. Туркестане). Нижним упором домкрата может быть фундаментная кладка или специально укрепленная плита. Для подъема наклоненных барабанов собора Нижегородского Благовещенского монастыря в качестве нижнего упора домкрата использованы железобетонные пояса стягивающего собор корсета. Если выпрямляется не целиком все сооружение, а какая-то его часть или ярус, то усилие домкрата расходуется не только на подъем этой части, но и на «разрыв» сооружения, то есть на преодоление сил сцепления раствора. Поэтому в зоне предполагаемого разрыва производится штрабление кладки или расчистка шва.

Сравнительно высокие столбы, а также сквозные или расчлененные трещинами конструкции выпрямляются с применением страховочных креплений оттяжек, траверс, рам и т. п. Усилие домкратов с помощью наклонных бревенчатых или металлических упоров передается на вертикальный распределительный элемент или в обойму одного из верхних ярусов крепления.

Выпрямление звонниц, минаретов, и башен, то есть зданий с очень высоко расположенным центром тяжести, представляет собой сложную задачу, требующую по-стадийного расчета устойчивости и разработки системы взаимосвязанных подъемных и удерживающих устройств. Так как длина толкающих упоров ограничивается предельной их гибкостью, массой и углом наклона (не более 45°), выпрямление высотных сооружений осуществляется натяжными тросовыми системами.

Существуют методы выпрямления, основанные не на подъеме, а на опускании сооружения с помощью домкратов, мешков с песком, сгораемых шпальных клеток, закладываемых в специальные штрабы и проемы со стороны, противоположной наклону. Как при подъеме, так и при опускании промежуточное положение конструкции фиксируется временными прокладками и контролируется системой отвесов. При достижении проектного положения штрабы закладываются, швы зачеканиваются и инъецируются.

Особого рода сложность возникает при выпрямлении длинных волнообразно наклоненных стен, например, крепостных, или фрагментов деформированных зданий. Принцип подъема или опускания сохраняется, однако возникает необходимость в искусственном расчленении конструкции на блоки – при вертикальном распиливании и горизонтальном штраблении стен. Подъем крепостных прясел многометровой толщины и стен так называемой полубутовой кладки требует двухстороннего или сквозного крепления, так как может сопровождаться расслоением кладки и выпучиванием лицевого слоя.

Усиление деревянных конструкций. Основной вид усиления стержневых систем – ферм, стропил и завершающих конструкций – частичная или полная замена их поврежденных элементов. Способ замены и стыковки зависит от характера работы стержня в системе. Сжатые элементы – верхние пояса ферм и подкосы соединяются и включаются в работу с помощью лобовых и угловых врубок, подстрахованных хомутами и шпильками.

Наиболее ответствен в сжатых частях ферм опорный узел. При его неплотном соединении, допускающем люфт, происходит «расползание» контура верхнего пояса. Соответственно опускаются подвешенные к нему конструкции перекрытия или затяжка. Провис нижнего пояса тем больше, чем острее угол наклона верхнего, например, при наклоне верхних поясов ферм московского Манежа 18° провис затяжек и потолка составляет 40-60 см.

Замена растянутых элементов – подвесок и нижних поясов ферм – сложнее, так как при любом способе соединения материал стыкуемых конструкций работает в невыгодном режиме скалывания или поперечного смятия волокон. Обычно стык нижних поясов осуществляется с помощью боковых деревянных или металлических накладок, стянутых болтами. Иногда при небольших растягивающих усилиях применяется старый способ соединения – так называемый «голландский зуб».

Короткая вставка в поясах ферм, стропил, а также в балках перекрытий называется обычно протезом. Протезирование изгибаемых элементов, например, концов длинных потолочных балок, требует высокой прочности работ, применения тщательно подогнанных хомутов и стержней. Протезируют обычно уникальные неразрезные пояса ферм и балки или потолочные конструкции, несущие ценный лепной декор и имеющие акустическое значение (конструкции перекрытий Московской консерватории).

Если по какой-либо причине протезирование элементов и подтяжка узлов не обеспечивают несущей способности конструкции (или надлежащей геометрии подвесного перекрытия), фермы и стропила или усиливаются дополнительными стержнями, или дублируются современными конструкциями. К частичному дублированию относят, например, устройство металлических затяжек, разгружающих нижние пояса ферм и распорных завершающих систем, стойки и прогоны металлических фахверков в каркасных деревянных зданиях. При полном дублировании разгружаются все элементы исторических конструкций, которым отводится главным образом экспозиционная роль. Пропорциональное и контролируемое разделение функций между дублирующими и основными элементами, например стальными и деревянными балками перекрытий, представляется нереальным как из-за различных жесткостных характеристик материалов, так и из-за сложности передачи нагрузки.

Кроме решения методических проблем, а также вопросов статики и конструирования узлов из разнородных материалов, усиление и консервация деревянных сооружений подразумевают и обеспечение оптимального температурно-влажностного режима, вентиляции и пожарной защиты. Лесоматериал, заменяющий разрушенные элементы, должен быть кондиционным и ни в коем случае не служить стимулятором распространения гриба и жуков.

Укрепление и консервация срубов. Укрепление массивных деревянных сооружений в виде простых и сложных срубов, мостов, ряжей и т.п. заключается, главным образом, в переборке венцов стен, подвалов, наката. Выборочная замена сгнивших венцов производится с местным «разжимом» сруба клиньями или домкратами. При замене подряд нескольких целых венцов, углов и несущих простенков вышерасположенная часть сруба вместе с конструкцией перекрытия предварительно вывешивается. Наиболее сложно укрепление высоких срубов – башен, церквей, мельниц.

Следует заметить, что введение свежих бревен в сильно деформированные (перекошенные и провалившиеся) срубы мало влияет на их устойчивость. Более того, новые элементы, не связанные в самостоятельный каркас, могут оказаться чужеродными жесткими включениями в пластичную структуру старого сруба, концентрирующими нагрузки и напряжения. Угловые соединения при высыхании новой (сырой) древесины расходятся, причем, чем больше диаметр венцов и их влажность, тем больше зазор на врубках. Неплотные и пустые угловые сопряжения могут стать причиной выпадения целой стены или обрушения всего сруба под действием ветровой и любой другой боковой нагрузки.

Среди способов сохранения срубов существует полная их переборка с предварительной нумерацией венцов и последующая специальная обработка древесины, например пропитка в вакуумных камерах. Необработанный, разобранный материал, оставаясь на площадке или в штабеле, может быстро потерять свои кондиции – усохнуть, загнить или деструктироваться из-за смены среды существования. Вновь собираемые на старом или, тем более, новом месте срубы из необработанной древесины часто настолько меняют свою геометрию, что их столярные и декоративные элементы – двери, окна и др. оказываются совершенно непригодными, значительно не «вписываясь» в свои проемы и места.