Установка дополнительных опор
Для уменьшения пролетов балок и моментов инерции
Кроме железобетонных балок
Увеличение сечения балок
Установка тяжей, шпренгелей, шарнирно-стержневых систем
Дополнительные накладки, обетонирование
Разгрузка балок с помощью предварительно-напряженных тяжей, шпренгелей, шарнирно-стержневых систем
Пригоден для любых балок
Для усиления железобетонных и других балок
Изменение конструктивной схемы балок на опорах
Замена шарнирного сопряжения балок
Кроме деревянных балок
Усиление металлических балок осуществляют увеличением сечения, при этом необходимо выполнить их разгрузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры.
При проектировании усиления необходимо придерживаться следующих технологических правил: объем сварки должен быть минимальным, сварные швы следует располагать в удобных доступных местах, необходимо избегать потолочной сварки, сначала надо усиливать нижний пояс, а затем верхний, что исключает прогиб балки в момент усиления.
Рис. 1 Схемы усиления балок симметричными накладками
Наиболее простой способ усиления — симметричными накладками (рис. 3), однако при этом возникает необходимость в большом объеме потолочной сварки.
При большой ширине нижней накладки можно избежать потолочных швов, однако ширина ее не должна превышать 506, в противном случае возникает значительная концентрация напряжений по кромкам балки.
Проверку прочности и устойчивости усиленной балки производят как для цельного сечения, так как критические усилия не зависят от величины напряжении, существовавших до усиления.
Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами (рис. 4).
Эффективным способом усиления сплошных балок являются натяжные устройства, которые обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки затяжек.
Такие способы позволяют регулировать усилие предварительного напряжения в нижнем поясе балки. Один из вариантов усиления представлен на рис. 5 Распорные элементы выполняют в виде секторов с гнездами, образующих с осью разрезные шарниры, расположенные между скошенными торцами распираемых балок, натяжное устройство требуемой массы располагают внутри колонны.
Этот способ наиболее эффективен при усилении подкрановых балок, так как требует минимальных трудовых и материальных затрат.
Рис. 2 Местное усиление балок: 1,2 — ребра жесткости
2. Колонны
Колонна — это одна из несущих конструкций здания, которая воспринимает на себя нагрузки от поперечных элементов сооружения, таких как балки, перекрытия, ригели и т.д. От состояния колонн и их способности справляться со своими функциями зависит устойчивость всего здания. Так как любой строительный объект подвержен износу, деформации или разрушению, иногда колонны нуждаются в усилении. Чаще всего причинами подобной необходимости становятся:
- Видимые дефекты колонн — трещины, крены, разного рода деформации, которые могут появляться вследствие природных факторов и механического воздействия на колонны;
- При необходимости повысить сейсмическую устойчивость здания;
- При надстройке новых этажей (то есть при необходимости повысить несущую способность здания);
- При реконструкции или капитальном ремонте сооружения.
Традиционные методы усиления колонн
Традиционно, чтобы усилить колонны, используются дополнительные элементы: обоймы (железобетонные или стальные), двусторонние или односторонние распорки, разгружающие элементы (стойки или опоры), а также предварительно напряжённые конструкции — пояса и хомуты.
Использование всех этих элементов обладает несколькими значимыми недостатками: их объём значительно влияет на внутреннюю геометрию здания, вес существенно утяжеляет конструкцию, а сами работы являются весьма дорогостоящими, так как требуют расширенной бригады специалистов и дополнительного оборудования.
Инновационный метод усиления колонн
Прогрессивные строительные компании проводят усиление колонн инновационными методами — с помощью углеволокна. Этот композитный материал обладает множеством преимуществ перед своими устаревшими «конкурентами»:
- Пластины углеволокна в толщину составляют всего несколько миллиметров, благодаря чему внутренние размеры помещения остаются практически неизменными;
- Углеволокно настолько лёгкое, что не дает никакой дополнительной нагрузки на строительную конструкцию;
- Прочность углепластика на растяжение не менее чем в 6 раз выше по сравнению с классической железобетонной арматурой — а это значит, что данный материал способен справляться с невероятными нагрузками;
- Углеволокно легко и быстро монтируется, не требуя дополнительного оборудования и расширенного состава рабочих;
- Углепластик обладает высочайшей коррозийной стойкостью;
- Консервация объекта во время усиления колонн углеволокном не требуется.
Суть метода заключается в том, что перпендикулярно к оси колонны наклеиваются волокна углепластика, благодаря чему поперечное деформирование элемента ограничивается. Кроме того, колонны, усиленные данным композитом, будут хорошо воспринимать не только центральную нагрузку, но и изгибающий момент. Чтобы добиться этого, необходимо наклеить платины углепластика вдоль плоскости действия момента.
Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью.
В изгибаемых элементах обоймы рекомендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ.
Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны (рис. 1).
При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.
Рис. 3 Усиление колонны железобетонной обоймой: 1 — усиливаемая колонна 2 — обойма3 — продольная арматура обоймы 4 — поперечная арматура обоймы 5 — жесткая продольная обойма 6 — опорные уголки
Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т.п.).
Как правило, она не превышает 300 мм.
Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение.
Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.
При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм.
При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов.
Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 2) из проволоки диаметром не менее 6 мм.
При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру.
Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью.
Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона.
В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной арматурой.
Рис. 4 Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой: 1 — усиливаемая колонна 2 — обойма 3 — спиральная арматура
Рис. 5 Усиление колонны металлическими обоймами: 1 — усиливаемая колонна 2 — ветви обоймы 3 — планки обоймы 4 — опорный уголок
Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10-16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров продольной арматуры в шахматном порядке.
При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекомендуется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок.
При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек».
В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.
При усилении «рубашками» локальных поврежденных участков, как и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».
По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов — 6 мм.
При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 4).
Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.
Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором.
Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100-120°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок.
Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса.
При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность.
Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок.
Одно- или двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн (рис. 5).
Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.
Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки и имеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок.
Рис. 6 Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками: а — в период монтажа б — в напряженном состоянии; 1 — крепежный монтажный болт 2 — натяжной монтажный болт 3 — усиливаемая колонна 4 — уголки распорок 5 — упорные уголки 6 — планка для натяжения болтов в месте перегиба 7 — планки-упоры 8 — соединительные планки
Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100-120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов.
Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с наружной гранью колонн.
Для этого защитный слой бетона в верхней и нижней зонах колонны скалывают и устанавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально.
До установки распорок в проектное положение в боковых полках уголков в середине их высоты выполняется вырез и осуществляется их незначительный перегиб.
Ослабление поперечного сечения уголков в месте выреза компенсируется приваркой дополнительных планок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов.
Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок.
Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками.
Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40-70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков.
При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис. 5).
Рис. 7 Усиления консолей предварительно напряженными тяжами: 1 — усиливаемая консоль 2 — опорные элементы 3 — упоры из уголков 4 — предварительно напряженные тяжи 5 — анкеры 6 — упоры из швеллеров
Предварительное напряжение создается завинчиванием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Применяют также разгрузку консолей с помощью дополнительных металлических кронштейнов (рис. 6) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряженных тяжей (&?sp = 40-50 МПа).
9
Рис. 8 Усиление опирания балок: а — при короткой консоли б — при длинной консоли; 1 — хомут вокруг колонны 2 — колонна 3 — тяжи 4 — подклинка 5 — подставка из отрезка двутавра 6 — подвесная балка из швеллерор 7 —гайка тяжей 8 — упорный уголок 9 — ригель 10 — уголковая поперечная подпорка 11 — горизонтальные упоры из уголков12 — вертикальные крепежные болты
Железобетонные сжатые элементы, усиленные обоймами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные.
При этом учет влияния продольного изгиба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме.
Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыкают к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП.
3. Рамы каркаса и фермы
При длительной эксплуатации каркасы промышленных зданий от воздействия внешних и внутренних усилий расшатываются и нуждаются в усилении. Практикой установлены следующие основные способы усиления рамных каркасов промышленных зданий:
- увеличение степени статической неопределенности рам;
- повышение жесткости элементов рам;
- увеличение связности системы рам;
- перераспределение усилий в отдельных рамах или в системе в целом.
Повысить жесткость каркаса промышленного здания можно за счет устройства продольных горизонтальных связей в плоскости нижних поясов ферм и вертикальных связей между фермами, которые обеспечивают пространственную работу каркаса здания, объединения отдельные вертикальные рамы в пространственную систему (рис.3.39).
Постановка горизонтальных связей по нижнему поясу ферм создает жесткий диск, воспринимающий все горизонтальные реакции колонн в уровне нижнего пояса ферм и передающий их на конструкции торцевого фахверка. Для этой же цели целесообразно вдоль здания установить горизонтальные распорки между колоннами (рис.3.39, поз.4), а в центре температурного блока — вертикальные связи. Такой способ усиления приводит к разгрузке отдельных рам при воздействии на них крановых нагрузок за счет перераспределения части нагрузок на смежные рамы в уровне нижнего пояса ферм и передачи их на конструкции торцевого фахверка.
Установку продольных вертикальных связей между фермами целесообразно выполнять, когда рамы каркаса испытывают воздействие подвесного транспорта. Эти связи позволяют перераспределить нагрузку от подвесного транспорта на несколько ферм и повышают продольную жесткость каркаса здания.
Одним из способов усиления металлических рам является введение затяжек, которые могут быть расположены в узлах сопряжения ригеля и стоек и на некотором расстоянии ниже ригеля (рис.3.40, а).
Размещение затяжек на уровне опорных шарниров нерационально, так как разгрузка средней части ригеля связана с одновременным возрастанием усилий в стойках и узлах рамы.
Рис. 9 Усиление металлических ферм введением продольных вертикальных (а) и горизонтальных (б) распределительных систем связей 1 — усиливаемая ферма; 2 — продольная дополнительная вертикальная ферма; 3 — горизонтальная дополнительная связевая ферма; 4 — дополнительная горизонтальная распорка
Усиление стальных ферм осуществляют подведением новых конструкций, введением дополнительных элементов решетки, изменением схемы конструкции и увеличением сечений отдельных элементов.
Выбор того или иного способа усиления зависит от причин, вызвавших усиление стропильных конструкций.
Подведение новых конструкций осуществляют в том случае, если другие способы усиления не дают требуемого эффекта и если по условиям производства допустима установка дополнительных промежуточных стоек.
Дополнительные элементы решетки вводятся для уменьшения гибкости стержней в плоскости фермы, для усиления верхнего пояса фермы на местный изгиб, а также для увеличения жесткости и несущей способности фермы в целом.
Усиление нижнего пояса осуществляют, как правило, увеличением его сечения.
Верхний пояс усиливают шпренгельной решеткой. Дополнительную перекрестную решетку устанавливают для повышения несущей способности и жесткости фермы в целом.
В этом случае ферма превращается в статически неопределимую систему и возникает опасность перераспределения усилий в элементах решетки (растянутые элементы испытывают сжимающие усилия, и наоборот).
Поэтому иногда возникает необходимость дополнительного усиления отдельных элементов решетки.
Наиболее распространенный характер повреждений стропильных ферм — погнутость стержней решетки, которая достигает 50-70 мм.
В этом случае увеличивают сечение решетки или устанавливают предварительно напряженные элементы, снижающие искривления элементов решетки.
Существенного увеличения несущей способности фермы можно добиться установкой третьего пояса (шпренгельной системы) в пределах высоты фермы или (если допускает высота помещения) путем его закрепления в нижних опорных узлах.
Такое усиление не требует дополнительных опор и может выполняться из высокопрочных канатов (пучков), обеспечивая минимальную материалоемкость усиления.
Стойки шпренгельной системы выполняют из жестких профилей. Разгрузку существующей фермы осуществляют предварительным напряжением третьего пояса, поэтому его сечение должно быть достаточным для воспринятия максимальных напряжений при полной нагрузке фермы.
Усилия в различных элементах конструкции суммируются из усилий, возникающих при предварительном напряжении третьего пояса, а также усилий, в статически неопределимой усиленной конструкции от всех нагрузок, приложенных после усиления.
Одним из способов усиления ферм является надстройка висячих (вантовых) систем, к которым подвешивается усиливаемая конструкция. Этот способ особенно эффективен, если ванты можно подвешивать к рядом стоящим более высоким и устойчивым сооружениям.
Усиления ферм можно добиться включением в их работу светоаэрационных фонарей.
Наиболее эффективен этот метод при расположении фонарей не по середине пролета, а над колоннами в двух и многопролетных цехах.
Как уже отмечалось, усиления верхнего пояса ферм можно добиться за счет включения в его работу железобетонных плит покрытия.
Эффективным средством усиления сжатых стальных стержней является применение предварительно напряженных телескопических труб и элементов из других жестких профилей.
Рис. 10 Усиление предварительно напряженной стойкой: 1 — предварительно напряженная стойка 2 — сварной шов 3 — накладки
Сущность способа (рис. 1) заключается в том, что разгружающая предварительно напряженная стойка состоит из двух труб требуемого диаметра, причем внутренняя труба сжата, а наружная растянута.
Достигается это следующим образом: наружную трубу устанавливают в горизонтальное положение, с одного торца трубы приваривают фланец с центральным отверстием диаметром 30-40 мм, с другого торца на расстоянии 2-3 м строго по оси наружной трубы устанавливают внутреннюю трубу чуть меньшего диаметра, чтобы она могла с небольшим зазором входить в наружную.
Затем газовыми горелками производят нагрев наружной трубы до расчетного удлинения, вводят в нее внутреннюю трубу и обваривают по всему периметру свободного торца.
Сокращаясь при остывании, наружная труба обжимает внутреннюю. В таком виде предварительно напряженный элемент устанавливают рядом с усиливаемой стойкой и плотно подклинивают под разгружаемую конструкцию.
Затем двумя газовыми горелками наружную трубу разрезают в нижней части по окружности, освобождая таким образом усилие предварительного напряжения во внутренней трубе.
Удлиняясь, она разгружает рядом стоящую стойку.
После этого наружная труба в сечении разрезки заваривается и в состоянии воспринять часть добавочной нагрузки на колонну (стойку) после усиления.
Этот способ может применяться также при усилении внецентренно сжатых элементов.
Эффективным способом увеличения жесткости каркасов промышленных зданий является устройство предварительно напряженных тяжей и оттяжек.
Однако оттяжки требуют массивных анкерных устройств, увеличения площади застройки, а также они увеличивают сжимающие усилия в колоннах.
Более эффективны тяжи, которые крепятся к соседним устойчивым зданиям.
Натяжение таких затяжек осуществляют механическим, электротермическим или комбинированным способом, а контроль эффективности усиления — по уменьшению смещений верхних узлов каркаса при горизонтальных нагрузках.
Повышения жесткости продольных и поперечных рам возможно добиться установкой крестовых диагональных жестких связей, а когда это невозможно, — жестких распорок (ригелей) в сочетании с диагональными раскосами.
Эффективный способ увеличения прочности и жесткости металлических ригелей — подведение под них прокатных или сварных балок с приваркой под нагрузкой в нагретом состоянии.
При ограниченных габаритах помещений усиливающую балку устанавливают сверху, вскрывают пол и приваривают ее к верхней полке усиливаемого ригеля в предварительно напряженном состоянии.
Усиливающие балки в первом и во втором случаях заводят и жестко закрепляют в узлах рамы.
Повышения несущей способности стропильных балок и ригелей перекрытия возможно добиться устройством сплошного железобетонного настила, жестко связанного с верхним поясом балки.
В этом случае жесткость ригеля существенно повышается, и его можно рассматривать как тавровую железобетонную балку с жесткой арматурой.
Наиболее часто требуют усиления сжатые стальные элементы. Традиционным способом их усиления является увеличение сечения приваркой полос, уголков и других элементов без предварительного напряжения.
Однако такой способ усиления обладает существенным недостатком: элементы усиления поздно включаются в работу, приварка этих элементов вызывает в сжатых стойках дополнительные деформации, что снижает эффективность усиления. Поэтому традиционные способы усиления применяют, если временная нагрузка на стойки составляет не менее 40 % от постоянной и во время выполнения работ по усилению она отсутствует. Усиление стальных стоек ненапряженными элементами осуществляют увеличением их сечения и уменьшением их свободной длины, при этом следует стремиться к максимальному увеличению радиусов инерции сечения (рис.).
При выполнении усиления нагрузка на стойке не должна превышать 60-60 % расчетной. При небольшой гибкости усиливаемого элемента необходимо уменьшать эксцентриситет от смещения, а при гибкости > 80 — увеличивать его устойчивость. Присоединение элементов усиления осуществляют в основном сваркой. Сварочный прогиб для элементов, которые усиливаются под нагрузкой, является нагружающим фактором, поэтому сначала усиливаемый элемент приваривают точечной сваркой, а затем накладывают основной шов. При этом предпочтение следует отдавать шпоночным (прерывистым) швам, которые уменьшают деформации элементов, сокращают сроки сварочных работ и уменьшают массу наплавленного металла.
4. Соединения элементов каркаса
металлический балка колонна каркас
При недостаточной прочности сварных швов их усиливают увеличением длины.
Усиление заклепочных соединений осуществляют высокопрочными болтами с предварительным напряжением.
Болты устанавливают от середины узла к краям с помощью тарировочных ключей для измерения крутящих моментов.
Из-за ослабления старых заклепок при установке новых высокопрочных болтов последние должны быть рассчитаны на воспринятие полной нагрузки.
Из-за различной жесткости сварных и болтовых соединений усиление последних при помощи сварки не рекомендуется.
