Вопросы усиления ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича, кирпичных блоков, камней и так далее, а также их элементов – перемычек над проёмами, простенков, узлов сопряжения стен с элементами покрытия, перекрытий и фундаментами, в настоящее время проработаны достаточно подробно; имеются надёжные рекомендации и инструкции [1, 2, 3, 4]. Однако все эти рекомендации касаются стен, открытых с двух сторон – и с наружной стороны, и с внутренней. Вместе с тем встречаются сооружения, в которых необходимо усилить (или заменить) пришедшие в негодность перемычки над проёмами, открытых только с одной стороны. Таковыми сооружениями являются, в частности, галереи подачи песка и щебня на растворо-бетонных узлах. Конструктивной особенностью перемычек над проёмами в таких сооружениях является то, что перемычка открыта для обзора только с двух сторон: снизу и с одной, как правило, внутренней стороны стены. К другой, внешней стороне стены примыкает, обычно, наклонный тоннель, потолок которого находится на одном уровне с низом перемычки, то есть совпадает с верхом проёма (рис. 1).

При замене или усилении перемычки использовать стандартный подход, заключающийся в установке выше перемычки с двух сторон стены стальных швеллеров в вырубленные в кирпичной стене борозды с последующим их соединением стяжными болтами, в данном случае является, очевидно, неприемлемым. Вместе с тем стену выше перемычки необходимо каким то образом поддержать, поскольку при замене перемычек необходимо не только обеспечить нужную прочность стены, но и не допустить деформации перекрытий, опирающихся на эту стену.
Предлагается два варианта замены перемычек в кирпичных стенах, открытых только с одной стороны.
В соответствии с первым вариантом, замена перемычки выполняется в следующей последовательности (рис. 2):

1. Над проёмом на расстоянии 500 мм от низа проёма устанавливается металлический уголок усиления из прокатного профиля №100×65 и закрепляется на стене анкерными двухраспорными болтами с гайками 20×500 мм (20 мм – внешний диаметр, 500 мм – длина болта). Длина уголка должна перекрывать проём не менее чем на 500 мм в каждую сторону. Оптимальное расстояние между анкерными двухраспорными болтами должно определяться расчётом.
2. Железобетонные плиты перекрытия (покрытия), расположенные над проёмом подпираются разгрузочными стойками, которые включаются в работу при помощи подклинивания металлическими пластинами-клиньями. Разгрузочные стойки по высоте крепятся к стене хомутами для обеспечения устойчивости положения.
3. При помощи перфоратора или фрезы («балгарки») осторожно убираются разрушенные элементы перемычки.
4. Образовавшиеся в стене отверстия очищаются от обломков кирпича, промываются водой и подготавливаются к установке новых элементов перемычки.
5. Устанавливаются в проектное положение новые элементы перемычки с использованием подпорных страховочных стоек.
6. Восстанавливается кирпичная кладка стен, при необходимости под новые элементы перемычек устанавливаются опорные железобетонные подушки.
7. Через 4 – 6 дней убираются разгрузочные стойки.При выборе первого варианта необходимым условием его успешной реализации является достаточная прочность и, главное, сплошность кирпичной стены над перемычкой. В противном случае уголок усиления с анкерными двухопорными болтами не будет выполнять в полной мере роль распорного элемента кирпичной стены над проёмом, что может привести к её обрушению после снятия дефектных элементов перемычки.

В соответствии со вторым вариантом, замена перемычки осуществляется следующим образом (рис. 3а, б).1. Железобетонные плиты перекрытия (покрытия), расположенные над проёмом подпираются разгрузочными стойками, которые включаются в работу при помощи подклинивания металлическими пластинами-клиньями. Разгрузочные стойки по высоте крепятся к стене хомутами для обеспечения устойчивости положения.
2. Внутри проёма вплотную к боковым стенам устанавливаются опорные стойки под двумя внешними элементами перемычки (рис. 3а) и крепятся к стене хомутами для обеспечения устойчивости положения.
3. Для включения опорных стоек в совместную работу с перемычкой, их подклинивают пластинами-клиньями.
4. При помощи перфоратора или фрезы («болгарки») осторожно убирают разрушенные элементы перемычки, свободные от опорных стоек (внутренние элементы перемычки).
5. Образовавшиеся в стене отверстия очищаются от обломков кирпича, промываются водой и подготавливаются к установке новых внутренних элементов перемычки.
6. Устанавливают в проектное положение новые (внутренние) элементы перемычки с использованием подпорных стоек.
7. Восстанавливается кирпичная кладка стен, при необходимости под новые элементы перемычек устанавливаются опорные железобетонные подушки.
8. Через 4 – 6 дней опорные стойки внутри проёма переставляются под новые (внутренние) элементы перемычки, в двух местах по высоте крепятся к стене хомутами для обеспечения устойчивости положения, подклиниваются пластинами-клиньями для включения в совместную работу с перемычкой (рис. 3б).
9. Затем выполняются работы в соответствии с пунктами 5, 6, 7 и 8 для внешних элементов перемычки.
10. Через 4 – 6 дней опорные стойки внутри проёма, а также разгрузочные стойки под плиты перекрытия (покрытия) убираются.

Основным недостатком второго варианта является достаточно продолжительный срок выполнения работ.
Как следует из представленных выше описаний замены перемычек в «глухих» стенах, кирпичная стена выше перемычки не повреждается, то есть прочность стены не нарушается, а, следовательно, деформации перекрытий, опирающихся на эту стену, будут отсутствовать, поскольку, как указано в работе [4], «…Отвердевшая кладка при отсутствии в ней трещин нагрузку на перемычку практически не передаёт».
Перед началом производства работ по замене перемычек следует тщательно обследовать кирпичную стену вокруг проёма с дефектными элементами перемычки. Если в стене обнаруживаются трещины, пустоты, выкрашивание кирпича, выветривание и повреждение растворных швов, то необходимо, установив причину появления указанных повреждений и устранив их, провести затем мероприятия по устранению повреждений: трещины следует заделать, например инъекцией цементного или полимерраствора, либо, при необходимости, установить металлические шины; пустоты следует забить цементным раствором, дефектные кирпичи заменить новыми, повреждённый раствор следует удалить и заделать швы новым раствором.
Высоту перемычки определяют исходя из условий её прочности и жёсткости, руководствуясь при этом и конструктивными соображениями: высота перемычки принимается кратной рядам кирпичной кладки. При оценке прочности и жёсткости перемычки при отвердевшей кирпичной кладке максимальный изгибающий момент в одном элементе перемычки можно приблизительно определить как в шарнирно опёртой балке, нагруженной сосредоточенными силами, приложенными на расстоянии  от опор, по формуле [4]:

. (1)

Здесь толщина стены;  расчётный пролёт перемычки, равный пролёту в свету, увеличенному на длину заделки перемычки в кладку;  плотность кладки; ускорение силы тяжести;  коэффициент надёжности по нагрузке.
Для обеспечения целостности кладки, расположенной выше перемычки, её максимальный прогиб не должен превышать 1/1000 пролёта, то есть момент инерции одного элемента перемычки должен удовлетворять условию[4]:

. (2)

Здесь модуль упругости материала перемычки.
Кроме обеспечения целостности кладки над перемычкой, необходимо обеспечить целостность кладки и под концами перемычки. Для этого необходимо выполнить расчёт кладки на местное сжатие под опорными плоскостями перемычки от действия местной, а также местной и основной нагрузок [5].
Перемычка над проёмом должна воспринимать нагрузку от вышележащих перекрытий и свежеуложенной, неотвердевшей кладки. В этом случае за нагрузку от свежеуложенной кирпичной кладки принимают вес массива кладки высотой, равной одной трети перекрываемого пролёта в свету для кладки в летних условиях и целому пролёту для кладки в зимних условиях [5].
Оценим расстояние между анкерными духраспорными болтами с гайками для крепления металлического уголка усиления. Будем, в первом приближении, рассматривать массив кирпичной стены выше перемычки как сплошное однородное изотропное бесконечное невесомое упругое тело. В системе цилиндрических координат с осью , совпадающей с осью отверстия под анкерный болт, напряжения в произвольной точке массива, определяемой координатой , будут равны [6]:

. (3)

Здесь нормальное напряжение на площадках, перпендикулярных к радиусу;  нормальное напряжение на площадках, параллельных радиусу; касательное напряжение на площадках, перпендикулярных к радиусу; давление на цилиндрической поверхности отверстия под болт; радиус отверстия под болт; отношение радиуса отверстия под болт к радиусу внешней поверхности цилиндрического тела.
Для рассматриваемого случая можно считать, что . В связи с этим, формулы (3) для нормального  и тангенциального  напряжений получают вид:

. (4)

Из соотношений (4) следует, что напряжения и  достигают своих максимальных значений (по абсолютной величине) на цилиндрической поверхности отверстия под болт, то есть при .
Поскольку рассматривается упругое тело, то напряжения на площадках в точке, расположенной посередине между двух отверстий под болты, расстояние между которыми обозначим буквой , на основании принципа суперпозиции будут равны:

. (5)

Подставляя соотношения (4) в формулы (5), получим:

. (6)

Принимая рабочую гипотезу о том, что напряжения в точке посередине между отверстиями не должно превышать напряжений в точках на цилиндрической поверхности отверстия под болт, из формул (6) получаем:

. (7)

Итак, расстояние между болтами должно удовлетворять условию (7). Для обеспечения безопасной работы кирпичного массива над перемычкой при его усилении металлическим уголком, следует расстояние между анкерными двухраспорными болтами, вычисленное по формуле (7), умножить на коэффициент безопасности, принимаемым равным не менее 2.
Оценим прочность кирпичной кладки на внутренней поверхности цилиндрической полости под болт, то есть при . Напряжениями на внутренней поверхности цилиндрической полости под болт от соседних болтов пренебрегаем. Воспользуемся теорией прочности Мора и, учитывая, что напряжения  и  являются главными напряжениями, получим:

. (8)

Учитывая соотношения (4) из условия (8) найдём:

. (9)

Здесь максимальное давление на внутренней поверхности цилиндрической полости под болт;  расчётное сопротивление материала кирпичной кладки растяжению; расчётное сопротивление материала кирпичной кладки сжатию.
Итак, максимальное давление на стенку отверстия под болт должно удовлетворять условию (9). При выводе условия (9) введено предположение о равномерном распределении давления от лепестков анкерного болта на стенки отверстия.
Величина радиального перемещения [6] точек кирпичного массива за пределами отверстия под болт, с учётом всех введённых гипотез, будет равна:

. (10)

Здесь  модуль упругости материала кирпичной кладки; коэффициент поперечной деформации кладки.
Из формулы (10), с учётом неравенства (9), получаем значение максимального перемещения границы цилиндрической полости отверстия под болт:

. (11)

Зная  и величину раскрываемости лепестков двуханкерного болта за один оборот гайки, можно найти максимально допустимое число оборотов, на которое можно завернуть анкерный болт в кирпичную стену, не нарушая её прочности.
Представленные в статье результаты могут быть использованы при усилении и замене перемычек в кирпичных стенах, открытых лишь с одной стороны.

1. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП., 2003. -26 с.
2. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений / НИСК им. Кучеренко. – М.: Стройиздат, 1984. – 36 с.
3. Кушнирюк Ю.Г, и др. Справочник по технологии капитального ремонта жилых и общественных зданий /Ю.Г.Кушнирюк, А.Л.Морин, А.А.Чернышов. – К.: Будивэльнык, 1989. – 256 с.: ил.
4. Гроздов В.Т. Некоторые вопросы ремонта и реконструкции зданий. – СПб, Издательский дом КХ – 1999. 72с., 33 рис., 2 табл.
5. СП 15.13330.2012.Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81^*/ М.: ЦНИИСК им В.А.Кучеренко., 2013. – 81 с.
6. Пономарёв С.Д. и др. Расчёты на прочность в машиностроении. Том II: Некоторые задачи прикладной теории упругости. Расчёты за пределами упругости. Расчёты на ползучесть. /С.Д.Пономарёв, В.Л.Бидерман, К.К.Лихарев, В.М.Макушин, Н.Н.Малинин, В.И.Феодосьев. – М.: Машгиз, 1958. – 974 с.: ил.

Все статьи автора «Зайцев Михаил Борисович»