ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Усиление металлических балок, ферм и прогонов

aae06e3002fef623709e2eaf267fdf4Понятие потери устойчивости очень разнообразно, но основной причиной является недостаточная жесткость сжатого элемента конструкции в плоскости, перпендикулярной действующему усилию.

В результате этого происходит не предусмотренная расчетом деформация элемента, увеличиваются краевые напряжения, процесс деформации развивается, в результате чего элемент выключается из работы или разрушается.

При восстановлении или усилении металлических конструкций необходимо соблюдать следующие правила:

  • проект усиления должен выполняться специализированной (по металлоконструкциям) проектной организацией и должен включать раздел по технологии производства работ;
  • основанием для проектирования усиления металлоконструкции служат материалы натурных обследований, включающие дефектную ведомость со схемами повреждений и предварительные оценки состояния несущих элементов объекта;
  • обследование (освидетельствование) конструкции начинается с изучения имеющейся проектной документации и материалов по ее эксплуатации.

Усиление конструкции посредством увеличения сечения основного несущего элемента

а — усиление металлического элемента деревянными брусьями; б — увеличение несущей способности швеллерной балки обетонированием (приведена схема армирования); в — усиление верхнего пояса и решетки фермы добавлением сплошной полосы между уголками; г — схема раскосной фермы с обозначением усиливаемых элементов стальными полосами или уголками; 1 — усиление стержней фермы полосовым металлом; 2 — усиливаемые стержни

Усиление конструкции путем изменения первоначальной конструктивной схемы
а — введение дополнительных подкосов в рамный каркас; б — добавление шпренгеля в балочную конструкцию; в — введение дополнительной стойки в пролете фермы с усилением опорного узла и подкосов (раскосов); 1 — введены подкосы; 2 — введен шпренгель; 3 — подведена колонна

При натурных обследованиях тщательно измеряется каждый элемент конструкции. Сварные швы и прилегающая к ним зона металла осматривается с помощью лупы, причем эта зона на ширину до 20 мм должна быть расчищена от краски и ржавчины до металлического блеска. Высота сварного шва устанавливается с помощью специального шаблона (калибра).

Работу по усилению следует выполнять при отсутствии временных нагрузок и при наружной температуре не ниже минус 15 °С для обычной стали и не ниже минус 5 °С для стали кипящей плавки. Во всех случаях при усилении сварных конструкций под нагрузкой температура металла не должна быть ниже порога хладноломкости.

При усилении швов наплавкой напряжение в усиливаемом элементе не должно превышать 0,8 расчетного сопротивления стали, а с поверхности шва обязательно механическим способом должны быть удалены все дефекты. Запрещается применять комбинированные соединения, в которых часть усилий воспринимается заклепками и болтами, а часть — сварными швами.

Для увеличения пространственной жесткости здания или сооружения рекомендуется использовать следующие способы:

  • постановку дополнительных или перестановку существующих связей;
  • увеличение жесткости горизонтальных связевых дисков покрытия или перекрытия;
  • использование диафрагм жесткости;
  • включение в пространственную работу каркаса таких элементов, как антресольные площадки, тормозные конструкции подкрановых балок, несущие конструкции под технологическое оборудование и т.п.

Для усиления конструкций рекомендуется использовать следующие методы их предварительного напряжения:

  • применение предварительно напряженных тяжей, затяжек и оттяжек;
  • предварительное напряжение регулируемыми распорками;
  • регулировку опор путем их принудительного смещения;
  • устройство шпренгелей;
  • электротермический способ;
  • предварительный выгиб и последующую сварку профилей балок.

Соединение элементов стальных конструкций следует предусматривать, как правило, с помощью сварки с учетом мероприятий по подготовке восстанавливаемых конструкций к сварочным работам (зачистка, выравнивание краев разрыва, засверливание трещин или узких длинных отверстий и т.д.). Не исключается применение болтовых соединений.

Для элементов усиления следует применять сталь того же класса, что и сталь восстанавливаемой конструкции. Тип электродов выбирается в соответствии с классом стали элемента усиления.

Рабочие чертежи конструкций, изготавливаемых заново, а также узлов и участков ремонтируемых конструкций должны содержать схемы расположения усиляемых и новых элементов по видам конструкций (прогоны, балки, фермы и т.д.), рабочие чертежи элементов и узлов, спецификацию стали, а также необходимые требования по технологической последовательности выполнения работ по усилению конструкции, влияющей на эффективность применяемого решения.

Проектирование восстанавливаемых стальных конструкций следует осуществлять, как правило, в одну стадию рабочих чертежей КМД. Дефектные ведомости конструкций должны составляться по пролетам для каждого поврежденного элемента на основании результатов технического обследования. В процессе восстановления следует проверить состояние соединений конструкций, ранее недоступных для осмотра, и включить их в ведомость исправляемых дефектов.

Усиление металлических балок может быть местным (путем установки накладок и ребер) или общим (посредством шпренгелей, изменением опорного сопряжения; наиболее эффективна затяжка вдоль нижнего пояса, при которой несущая способность балки может быть увеличена до 80% при минимальных затратах материала).

Повышение несущей способности изгибаемых элементов достигается при симметричном расположении элементов усиления или создании симметрии относительно нейтральной оси. При этом должна быть обеспечена надежная совместная работа нового сечения с балкой, а вся конструкция не только защищена от коррозии, но и от возникновения «мостиков холода».

Металлические балки можно усилить несколькими способами:

  • установкой дополнительных опор;
  • увеличением сечения накладками, особенно на высокопрочных болтах; шпренгельными системами;
  • изменением опорных сопряжений посредством перевода разрезных балок в неразрезные;
  • регулированием напряжений натяжными и распорными устройствами.

Весьма эффективным и перспективным усилением балочных систем является изменение их расчетной схемы путем создания неразрезной системы и опорных подкреплений, а также регулирования напряжений натяжными и распорными устройствами.

Эти устройства еще мало разработаны, но обладают важными достоинствами в условиях реконструкции действующих объектов, в частности простотой и доступностью приемов и контроля регулирования усилий, исключением громоздкого оборудования при производстве работ, использованием домкратов, муфт и пр.

 

Способы усиления металлических балок

а, б — накладками; в — обетонированием; г — шпренгелем; д, е — заделкой на опорах; ж, з — сопряжением балок на опорах

 

Усиление металлических балок с возможными трещинами: I – у опоры; II – в середине пролета; 1 – место коррозии; 2 – место возможной трещины в пролете; 3 – металлическая балка; 4 – металлическая подпорка; 5 – временная подпорка; 6 – металлическая накладка; 7 – сварные швы

При разработке проектов усиления изгибаемых элементов следует учитывать следующие требования:
 

  • предусматривать максимальную разгрузку балок перед усилением временной нагрузки и части постоянных нагрузок;
  • ограничивать объем работ по усилению участками, в которых усиление требуется по расчету;
  • предусматривать такое усиление, при котором минимальные сечения дополнительных деталей позволяет максимально увеличить геометрические характеристики усиливаемых сечений, т.е. принимать расположение усиливающих деталей на возможно большем расстоянии от нейтральной оси;
  • предусматривать минимальный объем сварки в потолочном положении;
  • производить усиление в следующей последовательности: нижний пояс, стенка, верхний пояс — во избежание сварочных деформаций, увеличивающих прогиб (седловидность балки) до недопустимых величин.

При выборе варианта усиления сечения следует учитывать, что наиболее простое усиление отличается большим объемом потолочной сварки при производстве работ без демонтажа балок. Балочное усиление ограничено максимальной шириной нижней накладки из условия обеспечения местной устойчивости полки.

При необходимости размещать усиливающие детали внутри поясов, однако при этом возникают трудоемкие срезки верхушек ребер и подгонка надставок ребер к верхнему поясу балок — при наличии круглых прутков и труб; при увеличении высоты балок за счет создания дополнительного нижнего пояса, если это допустимо по технологическим габаритам.

aae06e3002fef623709e2eaf267fdf44В усиливаемых балках проверяют прочность и местную устойчивость, при этом в расчет вводят целиком новое сечение балки после усиления. Если по результатам проверки местной устойчивости возникает необходимость в усилении сжатой зоны отдельных отсеков стенки балки, это можно выполнить установкой в этих отсеках дополнительных «коротких» ребер жесткости с одновременным окаймлением их продольными ребрами.

Расчет усиления балок выполняют в предположении, что дополнительные детали работают совместно с усиливаемой балкой за счет развития в ее крайних фибрах ограниченных пластических деформаций.

Ремонт (усиление) балок и прогонов следует выполнять при наличии в них следующих повреждений:

  • общие искривления в плоскости большего или меньшего моментов инерции;
  • скручивание;
  • погнутости, трещины, пробоины; надрывы в стенке.
  • Повреждения могут быть частичными и комбинированными.

Балки и прогоны с искривлениями в плоскости большего момента инерции, величина которых не менее 1/100 пролета, следует демонтировать и выправлять. При резких искривлениях балки рекомендуется разрезать в местах наибольших выгибов, выправлять и затем стыковать.

Хотя балочные конструкции относятся к изгибаемым элементам, необходимо помнить, что верхний пояс у них сжат и испытывает местное сжатие от сосредоточенной нагрузки.

Местная потеря устойчивости, как правило, проявляется в виде смятия стенки цилиндрической колонны каркаса здания с образованием гофра на стенке оболочки от изгибающего момента, превышающего предельное значение момента сопротивления сечения колонны, а также показана потеря формы поперечного сечения двутавровой балки при действии на нее сосредоточенной силы без местного усиления полки двутавра, предусмотренного нормами.

Местная потеря устойчивости металлической конструкции от чрезмерного изгибающего момента
а — смятие цилиндрической оболочки (трубы); б — деформация двутавровой балки от сосредоточенной нагрузки; в — изгиб колонны под нагрузкой

При недостаточной жесткости сжимаемой конструкции или первоначальной ее деформации (например, стойки), возникшей при перевозке или во время выполнения монтажных работ, происходит потеря ее устойчивости из плоскости, конструкция должна быть рассчитана на продольный изгиб с учетом ее гибкости при определении соответствующей критической силы.

В плоскости меньшего момента инерции при искривлениях балок и прогонов на величину, не превышающую половину ширины полки, следует ставить дополнительные связи из тяжей и распорок.

Во всех случаях при исправлении балок и прогонов необходимо обеспечивать достаточную ширину площадки опирания на них элементов перекрытий и кровли.

Варианты усиления сечений изгибаемых элементов: 1 — трубы; 2 — высокопрочные болты; 3 — линия реза; 4 — линия обреза ребра; 5 — надставка ребра по месту (размеры даны в мм)
Усиление стенки балки дополнительными ребрами: 1 — существующие ребра жесткости; 2 — дополнительные короткие ребра жесткости, окаймленные продольным ребром

Погнутости стенок балок и прогонов рекомендуется устранять усилением поврежденных мест приваркой ребер жесткости, которые пригоняют по изогнутости стенки. Расстояние между ребрами жесткости не должно превышать половины высоты балки.

Местные вмятины, искривления, пробоины, трещины, надрывы и разрывы по всему сечению балок и прогонов, выполненных из горячекатаных, гнутых и сварных двутавров и швеллеров, рекомендуется устранять приварком накладок.

Размеры накладки определяются по усилию, приходящемуся на поврежденную часть сечения, т.е. полку, стенку или на все сечение. Ширина накладки назначается так, чтобы выполнялось условие Р/аδ £ R , где R — расчетное сопротивление стали; δ — толщина поврежденной части сечения; Р — усилие в поврежденной части сечения исходя из его несущей способности.

Местные вмятины и искривления в одной из плоскостей или винтообразные искривления, если они не могут быть устранены правкой, следует вырезать, а вырезанное место заменить.

Трещины, расположенные только в части высоты стенки, рекомендуется перекрывать накладками с одной стороны стенки, а трещины по всей высоте — с обеих сторон; концы трещин засверливают.

Удаление трещин на балках из метала, у опоры (1) и в середине пролета (2):
1 – месторасположение коррозии; 2 — место расположение возможной трещины в пролете; 3 — балка перекрытия , металлическая; 4 — металлическая подпорка; 5 — подпорка временная; 6 — накладка металлическая; 7 — сварочные швы.
Схема конструкции протеза, для наращивания балки перекрытия:
1 — раскос в плоскости; 2, 3 — опорные планки- верхняя и нижняя; 4 — элемент жесткости нижнего пояса; 5 — решетка; 6 — планка передвижная; 7 – пояса- верхний и нижний; 8 — подкос фермы; 9 — элемент жесткости верхнего пояса.

При необходимости, вследствие коррозии, нарастить на опоре балку перекрытия, устанавливается корсет, металлический. Если поставить накладку на место повреждения невозможно, то следует перекрыть трещины несколькими отдельными ромбическими накладками, пригнанными по погнутости, и укрепить стенку ребром жесткости (или вырезать погнутый участок и перекрыть место выреза накладкой).

Балки и прогоны, в стенках которых имеются мелкие пробоины размерами, не превышающими по высоте 0,2, а по длине 0,5 высоты балки, восстанавливают путем засверловки острых входящих углов (кромок). Накладки при этом не требуются.

Погнутость свесов сжатых полок, распространяющуюся более чем на половину их ширины, следует выправлять или перекрывать накладками. Сварные швы, имеющие трещины, рекомендуется усиливать подваркой либо рассверловкой или фрезеровкой дефектных участков с последующей проваркой швов.Ремонт балки при повреждении по высоте всего сечения, если необходима замена участка балки на некотором протяжении, рекомендуется выполнять с установкой накладок. Ремонт панели сплошной балки, имеющей большую вмятину в листе стенки, следует осуществлять правкой.

При невозможности правки усиление стенки рекомендуется осуществлять приваркой ребер жесткости, перекрытием накладкой или (в редких случаях) укреплением деревянными брусьями. Если одновременно с восстановлением предусматривается увеличение нагрузки на балку, то с целью уменьшения усилий на ее поврежденные участки рекомендуется менять конструктивную схему балки устройством шпренгеля, подкосов, затяжки, превратить балку в железобетонную с использованием стальной балки в качестве жесткой арматуры.

Исправление повреждений сварных балок: А — разрыв нижнего пояса и пробоины в стенке; Б — замена поврежденного участка балки; В — усиление вмятины в стенке около опоры; 1 — линия обреза; 2 — линия обрыва; 3 — контур вмятины Примеры усиления балок: А — устройством шпренгеля, расположенного в пределах высоты балки; Б — подведением предварительно напряженной затяжки; 1 — двутавр; 2 — шпренгель; 3 — затяжка; 4 — опорные уголки

Фермы и связи.

Для усиления решетчатых конструкций рекомендуется использовать следующие способы: подведение новых конструкций и введение новых (дополнительных) элементов решетки; изменение схемы всей конструкции; увеличение сечений отдельных элементов.
Для усиления сжатых элементов ферм за счет уменьшения расчетных длин в их плоскости предусматривают дополнительные подкосы от ближайшего узла; для усиления пояса фермы, подвергающегося местному изгибу от внеузлового приложения нагрузки, устанавливают дополнительные шпренгели к верхнему или подвески к нижнему поясу фермы.

Усиление фермы: А — уменьшением расчетной длины сжатого раскоса в плоскости фермы; Б — установкой дополнительных шпренгелей и подвеской при местном изгибе поясов; 1 — сжатый стержень; 2 — дополнительный стержень; 3 — дополнительные шпренгели; 4 — дополнительная подвеска
Усиление фермы дополнительными коротышами и косынками: А — постановкой коротышей на заклепках; увеличением размеров в клепаных (Б) и сварных (Г, Д ) фермах; В — обваркой существующего заклепочного соединения; 1 — коротыш; 2 — дополнительные косынки; 3 — заклепки усиления; 4 — сварные швы усиления

При необходимости обеспечить повышение общей несущей способности ферм рекомендуются следующие способы усиления:

  • устройство дополнительной опоры подведением стойки с временным фундаментом под ней;
  • надстройка вантовой или висячей системы, если позволяют габариты здания и имеются надежные опоры для крепления вант;
  • включение фонаря в совместную работу со стропильной фермой;
  • крепление третьего пояса осуществляется в нижних опорных узлах, устройство третьего пояса целесообразно при наличии достаточно мощного сечения поясов.

При наличии надежных анкерных устройств, натяжного оборудования и обеспечения контроля натяжения рекомендуется усиление балок и ферм с помощью предварительного напряжения затяжек.

Жесткость узлов ферм в их плоскости рекомендуется увеличить дополнительными косынками и коротышами. Крепление косынок к поясу рассчитывается на разность усилий в соседних панелях пояса; в местах стыков стержней пояса крепление дополнительных косынок рассчитывается на полное усилие, действующее в стержнях.

Жесткость узлов из плоскости фермы может быть увеличена прикреплением дополнительных стыковых накладок.

Схемы усиления ферм: А — устройством дополнительной вантовой системы; Б — устройством дополнительной висячей системы; В — включением фонаря в общую работу фермы
Усиление фермы третьим поясом, прикрепленным: А — к нижнему поясу; Б — к верхнему поясу
Усиление решетчатой подкрановой фермы установкой дополнительной опоры в середине пролета Усиление фермы дополнительной затяжкой: 1 — усиливающая предварительно напряженная затяжка

При проектировании усиления центрально-растянутых элементов ферм путем приварки к ним дополнительных элементов необходимо соблюдать следующие требования:

  • центр тяжести элемента после усиления должен совпадать с центром тяжести старого сечения или быть к нему как можно ближе;
  • концы дополнительных деталей должны быть заведены в узлах до конца старых элементов; при усилении под нагрузкой накладывать сварные швы поперек дополнительного элемента не допускается;
  • усиление под нагрузкой рекомендуется производить при напряжениях в старом элементе, не превышающих 0,5 R , где R — расчетное сопротивление стали;
  • размер сварных швов, соединяющих дополнительные элементы с усиливаемыми, назначается из расчета передачи максимально возможных усилий в элементах усиления (расчет по площади);
  • толщина угловых швов за один проход не должна превышать 6 мм. При необходимости наложения толстых швов их следует выполнять в два слоя и более, увеличивая катеты швов в каждом на 2 мм. Во всех случаях сварные швы должны быть сплошными во избежание концентрации напряжений в местах подрезов;
  • сварные швы следует накладывать с концов элемента, переходя затем к швам средней части;
  • сборку усиливаемых элементов можно выполнять с помощью прихваток сваркой в местах наименьших напряжений.

Усиление центрально-сжатых элементов ферм для восприятия новых заданных величин усилий может быть произведено одним из способов:

  • уменьшением расчетной длины и соответствующим увеличением коэффициента j ;
  • прямым увеличением расчетной площади сечения без существенного изменения гибкости элемента;
  • комбинированным способом, при котором производят одновременное увеличение расчетной площади и жесткости сечения при прежних расчетных данных. Этот способ рекомендуется как более экономичный и технологичный.

Как более технологичные варианты усиления центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов — рекомендуются усиления с применением круглых стержней.

Восстановление ферм, связей, имеющих повреждения (частичное обрушение, прогибы узлов, погнутости элементов, трещины, вмятины и пробоины, надрывы и разрывы сечений), следует производить, как правило, после предварительного снятия действующей на них нагрузки.

При прогибах узлов ферм, не превышающих 1/400 пролета, необходимо укрепить связи, проверить надежность закрепления опорных узлов на поддерживающих фермы конструкциях и укрепить элементы кровли. Если прогибы превышают указанную величину, они в отдельных случаях могут быть уменьшены вывешиванием фермы на промежуточных временных опорах, устраиваемых в каждой трети пролета в тех узлах верхнего пояса, в которых сходятся раскосы. Перед этим расчетом следует установить, не перегружены ли отдельные стержни и не работают ли они на усилия обратного знака.

Усиление сечений центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов

При невозможности вывешивания фермы ее следует демонтировать для ремонта или замены. При этом соседние фермы укрепляют связями. Пояса демонтируемой фермы для предотвращения их выпучивания временно укрепляют деревянными элементами. Разорванные элементы фермы закрепляют, чтобы они не раскачивались при спуске фермы.

Восстановление погнутых элементов демонтированной фермы рекомендуется производить:

  • правкой; выравниванием и заменой поврежденной части;
  • усилением дополнительными деталями, накладками, ребрами и т.д.;
  • заменой новыми.

К усилению следует прибегать только в случае невозможности правки и местной вставки. В сложных случаях (искривления в обеих плоскостях, закручивание стержня и т.д.) усиление элементов ферм рекомендуется выполнить вырезанием и заменой поврежденной части. Он может быть применен в случаях, когда величина перекоса не превышает размера вертикальной полки основного элемента.

Если усиление сжатого элемента пояса перечисленными выше приемами затруднительно, оно может быть выполнено устройством шпренгеля.

Восстановление элементов ферм вырезанием и заменой поврежденной части: А, Б — элементов из парных уголков; В , Г — элементов из одиночного уголка Исправление местных погнутостей элементов ферм с помощью дополнительных накладок: А , Б , В — со стороны обушка; Г , Д — со стороны пера

При искривлении элементов ферм на длинных участках и невозможности произвести их правку рекомендуется вырезать изогнутые части и заменять их новыми (рис. 54 ) с сохранением прежней геометрической схемы и без изменения сечений.

Восстановление поврежденных элементов ферм с помощью накладки на вырванный участок: А — сверху; Б — снизу Усиление искривленных стальных элементов: А — в вертикальной плоскости; Б — в горизонтальной плоскости; В — изогнутых в горизонтальной плоскости; Г — изогнутых в вертикальной плоскости; Д — усиление шпренгелем

При искривлении стержней ферм, когда необходимость ремонта определяется устойчивостью, а не прочностью, усиление возможно прикреплением к ним деревянных брусков или бревен болтами или проволокой.

Пример усиления фермы заменой поврежденных раскосов и участка пояса или выправлением погнутых элементов (жирными линиями показаны новые элементы) Усиление погнутого раскоса фермы с помощью брусьев для обеспечения устойчивости сжатого элемента

При значительном количестве повреждений в решетке фермы рекомендуется устанавливать вторую решетку по всей длине фермы или ее части, способной воспринять усилия, приходящиеся на решетку (рис. 56).

Повреждения элементов ферм в виде трещин и пробоин перекрываются накладками на сварке, а разорванные элементы восстанавливаются перекрытием разрыва ветвей. Если необходимо заменить поврежденные элементы по всей длине панели фермы, то рекомендуется применять вставки из жестких профилей.

При сильной деформации узла, разрыве фасонки, разрушении нескольких элементов и других повреждениях, сходящихся в узле, стержни следует отсоединять от фасонки и заменять.

Примеры восстановления: А — колонны — заменой поврежденных частей; Б — ферм — устройством второй решетки (жирными линиями показаны новые раскосы и фасонки)

Усиление элементов приваркой круглых стержней рекомендуется применять для нижних поясов ферм и связей. При погнутости поясов ферм из плоскости следует устанавливать дополнительные распорки.

Если деформация фермы из своей плоскости вызвана недостаточной прочностью поперечных связей или нарушениями, допущенными при монтаже покрытия, — происходит потеря общей устойчивости элементов фермы в большепролетном покрытии.

Разрушение сварных швов происходит или непосредственно по шву в результате его среза, или по основному металлу конструкции в зоне шва вследствие возникновения концентрации напряжений, вызванных сваркой или хрупкостью металла. Такие дефекты, как правило, являются результатом неправильной технологии сварочных работ, применения неподходящей к конкретным условиям марки электродов или низкой квалификации сварщиков.

Разрушение по металлу как первопричина обрушения конструкции возникает в результате ее изготовления (даже отдельной ее части) из металла непрокатной марки или вследствие ошибки в расчете.

Потеря общей устойчивости фермы в составе покрытия: а — фронтальный вид раскосной фермы; б — расположение ферм в плане со схемой потери устойчивости формы одной фермы из ее плоскости; 1 — вертикальные связи; 2 — фермы;3 — форма потери

В отношении стальных конструкций понятие «восстановление» применимо лишь в небольшой мере, так как в основном это касается вспомогательных связей. Металлоконструкцию можно усилить, заменить новой, но восстанавливать разрушившийся элемент, как это делается обычно в каменной стене или в железобетонной конструкции, приходится редко, так как после разрушения даже одного стыка или элемента основной несущей конструкции, как правило, следует общее обрушение. Что же касается восстановления отдельных разрушившихся элементов, если в целом конструкция сохранилась, то она просто приводится в первоначальное проектное состояние, возможно с некоторым усилением.

Для уменьшения усилий в наиболее нагруженных или поврежденных элементах в существующую конструкцию вводят дополнительные несущие элементы, например, подвести дополнительные балки, предназначенные для разгрузки существующих балок. Для уменьшения изгибающего момента в пролете балки, — возможно устройство напрягаемой затяжки.

Для разгрузки колонны каркаса при отсутствии домкратов используют способ подведения дополнительных преднапряженных стоек, которые состоят из вложенных одна в другую двух труб, сваренных по концам. трубы должны быть сварены тогда, когда температура специально нагреваемой наружной трубы достигнет (400-500) °С, а потому после остывания внутренняя труба оказывается сжатой. Установив и раскрепив такую преднапряженную стойку, наружную трубу разрезают по окружности возле нижнего шва, после чего внутренняя труба, упертая в ригель, расширяясь, разгружает колонну. Затем наружная труба по разрезанному поясу сваривается накладками и также включается в работу. Такая процедура может быть выполнена также с помощью обычной стойки и домкрата. Во всех случаях должны быть предусмотрены страховочные мероприятия.

Схема введения дополнительных несущих элементов в усиливаемую конструкцию

а — усиление с помощью дополнительных балок; б — усиление балки с помощью напрягаемой затяжки; в — схема подведения дополнительных преднапряженных стоек для разгрузки каркаса;г — усиление фермы введением дополнительных элементов в решетку; 1 — дополнительные разгружающие балки; 2 — талреп; 3 — дополнительные элементы решетки; 4 — сварка;5 — преднапряженные стойки; 6 — крепления при монтаже; 7 — разрезка после установки стойки; 8 — внутренняя сжатая труба

Усиление металлических конструкций часто выполняют установкой дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок и т.п. и применяют для восстановления или усиления пространственной системы большепролетных несущих металлоконструкций. Главное его предназначение — это дополнительное увеличение жесткости и устойчивости отдельных плоских конструкций и элементов, не связанных между собой, и объединение их в единую трехмерную систему. Установка дополнительных связей также способствует лучшему распределению усилий между плоскими несущими конструкциями, составляющими пространственную систему. Например, можно установить дополнительные ребра, повышающие устойчивость стенки сварной двутавровой балки, или установить дополнительные вертикальные связи между фермами покрытия. Для увеличения общей жесткости покрытия в плоскости нижнего пояса ферм – также устраиваются дополнительные связи.

При проектировании усиления элементов желательно сохранить положение центра тяжести сечения стержня. Если в результате усиления расцентровка превышает 1,5 % высоты сечения стержня, его необходимо рассчитывать как внецентренно сжатый. При усилении искривленных сжатых стержней целесообразно располагать элементы усиления таким образом, чтобы увеличить радиус инерции сечения и уменьшить эксцентриситет приложения силы. В сжатых стержнях элементы усиления можно не заводить на фасонки, если обеспечена прочность неусиленных стержней. Элементы усиления растянутых стержней необходимо завести на фасонки на длину, достаточную для передачи воспринимаемого этими элементами усилия. Наиболее удобно усилить стержень по типу б (два шва, выполняемые в нижнем положении), но при этом заметно смещается центр тяжести сечения. Кроме того, при необходимости завести уголок на фасонку требуется устройство в нем прорези.

Усиление стержней стропильных ферм способом увеличения сечений

Способом изменения конструктивной схемы можно усилить как отдельные стержни, так и ферму в целом. Усиление сжатых стержней ферм выполняется постановкой шпренгелей, уменьшающих расчетную длину стержней в плоскости фермы. Такой метод усиления повышает устойчивость стержней только в плоскости фермы и его можно использовать при незначительном увеличении усилий в стержнях или при искривлении стержня в плоскости фермы. Растянутый пояс фермы можно усилить предварительно напряженной затяжкой.

При усилении стропильных ферм путем изменения конструктивной схемы обычно требуется и усиление отдельных стержней за счет увеличения их сечений.

Усиление узлов крепления стержней стропильных ферм

Рационально применять способы изменения конструктивной схемы, повышающие несущую способность нескольких или всех стержней фермы. Применение этого метода целесообразно при значительном увеличении нагрузок на всю конструкцию. Возможности регулирования усилий возрастают с применением предварительного напряжения. При использовании способа изменения конструктивной схемы в целях усиления фермы обычно не удается обойтись без усиления некоторых стержней способом увеличения сечений. Их сочетание приводит к наиболее экономичным по расходу стали и трудоемкости изготовления конструктивным решениям.

Наиболее просто изменить конструктивную схему стропильных ферм можно обеспечив неразрезность их на опорах. В результате уменьшаются усилия в средних панелях поясов ферм, но увеличиваются в опорных раскосах у неразрезных опор. В опорных панелях нижнего пояса возможно появление сжатия. Эффективно включение в работу стропильных ферм фонарей, расположенных по средним рядам колонн. При этом может потребоваться усиление элементов фонарей. На рис. 9.17, а…д приведены способы изменения конструктивной схемы с помощью вновь устанавливаемых элементов.

Усиление стержней стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы Усиление стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы

При наличии свободного пространства под фермой целесообразно применить схему а с передачей сжимающего усилия от наклонных элементов шпренгеля на растянутый пояс. Если в здании имеются мостовые краны, можно уменьшить высоту шпренгеля, но при этом эффективность усиления снижается.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, перспективно применение комбинированных систем с использование гибких элементов (вант, гибких и жестких нитей с подвесками). К числу достоинств этих систем относится использование элементов, работающих на растяжение, а также проведение работ по усилению в условиях, не ограниченных действующим производством. Недостатки: необходимость вскрытия кровли и последующее обеспечение ее водонепроницаемости, сложность восприятия распора. При установке новых или повышении грузоподъемности существующих подвесных кранов целесообразно установить вертикальные связи между фермами по всей длине. Эти связи перераспределяют нагрузку от подвесных кранов между фермами, снижают усилия в стержнях ферм.

При повреждении стыков, изменении конструктивной схемы, увеличении нагрузки на конструкцию и т.п. применяют усиление соединений элементов. Усиление соединений может осуществляться путем сварки или использования высокопрочных болтов, что во многих случаях предпочтительнее. Как правило, усиление производится двумя металлическими полосами сварного таврового профиля, изготовленного из листовых элементов. На практике применяется также вариант усиления стыка прокатных двутавровых балок с помощью накладок, приваренных к полкам и стенкам двутавра. Узлы сварной фермы усиливаются путем наращивания узловой фасонки для возможности увеличения длины сварных швов и соответственно увеличения жесткости узла.

Если необходимо повысить общую несущую способность конструкции широко применяют при восстановительных работах усиление сечения элементов. При этом должны соблюдаться следующие основные правила:

а) усиление сечения конструкции не должно нарушать ее центровку;

б) в растянутых элементах усиление должно быть доведено до узлов крепления;

в) усиление изгибаемых элементов достаточно выполнить на участках, перекрывающих участок максимальных моментов, при этом сварку по присоединению усиливающих элементов следует начинать с растянутой зоны;

г) внецентренно сжатые элементы должны быть усилены так, чтобы уменьшался эксцентриситет рабочего сечения;

д) варианты усиления сечения должны выбираться из соображений удобства ведения работ и технологичности сварки.

Усиление конструкции добавлением элемента жесткости и связи

а — увеличение пространственной жесткости балки усиливающими ребрами; б — усиление ферм покрытия диагональными стяжками; в — схема усиления перекрытия полосами диагональных связей между фермами для увеличения горизонтальной жесткости; 1 — дополнительные ребра жесткости; 2 — дополнительные связи; 3 — фермы

Для ускоренного усиления металлического элемента, а также при отсутствии металла или сварочного оборудования используют деревянные брусья, которые жестко крепят хомутами или болтами, обеспечивающими их совместную работу. Усиление швеллерной балки возможно осуществить ее обетонированием с дополняющим арматурным каркасом, прикрепленным к балке; усиление элементов верхнего пояса металлической фермы несложно выполнить размещением между уголками сплошной полосы, которую соединяют прерывистой сваркой с двух сторон; при необходимости можно усилить выборочно элементы фермы при недостаточном восприятии ими сейсмических и других нагрузок.

Изменение конструктивной схемы является наиболее радикальным способом увеличения несущей способности существующей конструкции. Это усиление связано с введением дополнительных несущих элементов и, как следствие, с изменением напряженного состояния основных частей конструкции.

Усиление стыка и соединительных элементов: а — усиление таврового стыка листовыми элементами; б — усиление стыка двутавровых балок накладками из листового металла; в — усиление узла сварной фермы путем наращивания фасонки; 1 — усиливаемое соединение; 2 — элементы усиления; 3 — усиливающие накладки

Простейшие пути изменения первоначального проектного решения включают в себя: введение подкосов, изменяющих характер напряжений в ригелях и стойках рамной конструкции; и устройство шпренгеля, позволяющее эффективно уменьшить пролетный момент в балке. Создаваемое при этом осевое обжатие балки практически не существенно; установка опорной стойки в пролете фермы позволяет значительно уменьшать напряжения в ее поясах и качественно изменять работу решетки (однако в последнем случае возникает необходимость усиления некоторых узлов и элементов).

Усиление конструкции с изменением схемы ее работы требует серьезного расчетного анализа. Тем не менее, этот способ отличается рядом достоинств, основные из которых следующие:

— имеется возможность усилить всю конструкцию в целом;

— возникает возможность регулировать усилия в элементах конструкции и достичь наиболее благоприятного их распределения;

— можно использовать такое эффективное средство, как преднапряжение части или всей конструкции;

— способ применим при наличии в конструкции значительных остаточных деформаций, когда другие способы не могут привести к искомой цели;

— во многих случаях не требуется разгрузка усиливаемой конструкции;

— экономичность рассматриваемого метода усиления — сравнительно небольшая трудоемкость и малый расход материалов.

Стержневые пространственные покрытия. К возможным видам повреждений стержневых пространственных покрытий относятся:

  • снос или местное повреждение кровли при сохранении целостности несущих элементов;
  • разрыв или искривление несущих элементов (стержней) — прогонов поясов, решетки;
  • обрушение стержневой несущей системы при разрыве поясов, опорных раскосов, повреждении колонн (от удара, перегрузок, пожара и т.д.). При этом большинство стержней, как правило, сильно деформируются (искривляются, скручиваются, разрываются).

При восстановлении кровли рекомендуется:

  • в системах с дополнительными, кроме поясов, прогонами применять любой подручный материал плиточного или пластинчатого типа;
  • в системах из прокатных профилей профилированный настил укладывать по поясам и прикреплять каждую волну электрозаклепками и самонарезающими болтами, либо применять другой кровельный материал;
  • при условии обеспечения боковой жесткости верхнего пояса и создания необходимого основания для опирания плит (например, приваркой к поясам дополнительных стержней из уголков).

При местном повреждении стержневой системы необходимо измерять дополнительный прогиб участка покрытия, величина которого после восстановления не должна превышать 0,01 l , где l — пролет покрытия.

При устранении местных повреждений рекомендуется следующий порядок действий:

  • поддомкрачивание блока (ячейки) покрытия и удаление вышедших из строя элементов;
  • усиление или замена поврежденных элементов и установка их на место (в узловые соединения).
Усиление поврежденных элементов поясов и связей приваркой круглых стержней (различные случаи приварки круглых стержней) Пример усиления ферм покрытия установкой дополнительных распорок по нижним поясам ферм при погнутости их из плоскости

Правку искривленных стержней (трубчатых, из прокатных профилей) допускается производить в нагретом состоянии.

В изогнутых и скрученных элементах рекомендуется вырезать наиболее деформированные участки и вваривать вставки из того же или несколько большего профиля.

При отсутствии профилированного настила или при замене его, например асбестоцементными листами, следует производить усиление верхних поясов покрытий из прокатных профилей приваркой накладок из уголков или листового металла.

При обрушении обширных участков или целых блоков покрытий из трубчатых элементов следует иметь в виду, что их восстановление с сохранением конструктивной схемы возможно лишь в том случае, если имеется в наличии запас узловых соединений, изготавливаемых только заводским способом.

Для повышения жесткости и несущей способности металлических ферм — усиление может быть выполнено местным (отдельных стержней) или общим (главным образом путем усиления нижнего пояса).

Для усиления используются накладки с целью увеличения сечений и моментов сопротивления отдельных элементов решетки, дополнительные пояса, шпренгели, сокращающие длину растянутых или сжатых элементов.

Из рассмотренных способов усиления металлических конструкций наиболее трудоемко и металлоемко по совокупному эффекту увеличение сечений усиливаемых элементов, так как оно требует сплошного или прерывистого скрепления их по длине, точной подгонки и т. п.

Наиболее эффективны приемы усиления конструкций с изменением расчетных схем и регулированием напряжений в процессе усиления.