Усиление стропильных конструкций

Конструктивные решения усиления

При дополнительной нагрузке на стропильные фер­мы и балки часто возникает необходимость усиления конструкций в целом или их отдельных элементов и узлов. Эффективным и достаточно простым способом уси­ления являются предварительно напряженные шарнирно-стержневые цепи, располагаемые в пределах высоты ферм (при наличии мостовых кранов) или ниже конст­рукции (рис. 10.45).

Рис. 10.45. Усиление ферм шарнирно-стержневыми цепями:

а — одноярусное в пределах высоты ферм: б — го же, двухъярусное; в — одноярусное ниже поя­са фермы

При больших пролетах или значительном увеличении нагрузки шарнирно-стержневые цепи усиления располагаются в двух уровнях.

Усиление состоит из двух одинаковых цепей по обе стороны от конструкции, анкерных устройств в верхней зоне на опорах, подвесок из круглой стали или стоек из профильного металла, расположенных в местах переги­ба ветвей цепей.

Ветви обычно выполняют из уголков, вертикальные полки которых подрезают в местах изгиба цепей, а так­же из арматурных стержней диаметром до 36 мм или ка­натов из высокопрочной проволоки. Анкеры изготовляют из листовой или профильной стали. Арматуру эле­ментов усиления принимают классов A-I, A-II, А-III, К7, К.19, металлические конструкции — из сталей ВСт3сп, ВСт3пс и ВСт3кп. Шарнирно-стержневые цепи разгружают усиливаемые элементы, создавая антинагрузку, приложенную в заранее намеченных точках, ко­торые определяются очертанием цепей. Величина раз­грузочных реактивных сил задается расчетом и дости­гается путем предварительного напряжения статически определимой шарнирно-стержневой цепи.

Очертание цепи принимают с таким расчетом, чтобы тангенсы углов наклона отдельных звеньев, начиная от середины, относились между собой как 1:3:5 и т. д. Это обеспечивает примерно одинаковую величину реак­тивных сил в стойках и подвесках, при этом основное натяжение можно производить в месте расположения центральной стойки (подвески). Величину усилия пред­варительного напряжения цепи определяют расчетом.

Предварительное напряжение шарнирно-стержневой системы осуществляют путем закручивания гаек дина­мометрическим ключом, домкратом с оттарированным манометром или штучными грузами.

Усиление сжатых поясов ферм производят путем ус­тановки металлических обойм из листового или про­фильного металла. Усиление нижнего пояса осуществля­ют предварительно напряженными затяжками (рис. 10.46 и 10.47). Опорные части анкерных устройств затя­жек выполняют из пластин толщиной 10...24 мм, под­крепленных ребрами. Для включения затяжек в работу ферм в них необходимо создавать предварительное на­пряжение порядка 15...20 МПа. Анкерные устройства должны плотно прилегать к опорным частям ферм, для чего в некоторых случаях между опорными плитами и бетоном выполняют слой цементного раствора марки 25.

Растянутые раскосы фермы усиливают предваритель­но напряженными затяжками, крепление которых к уз­лам фермы осуществляют путем приварки к фасонным деталям или опорным уголкам (рис. 10.48). Концевые участки затяжек снабжают коротышами с резьбой, при­чем диаметр коротышей должен превышать диаметр за­тяжками не менее чем на 4 мм.

Металлические обоймы сжатых элементов ферм включаются в работу за счет распорных сил, возникаю­щих при приложении к ферме дополнительной нагрузки.

Рис. 10.46. Усиление нижнего пояса ферм затяжками из уголков:

1 — усиливаемая ферма; 2 — затяжка из уголков: 3 — торцевой упор; 4 — пазуха, заполняемая бетоном; 6 — хомут-упор; 6 — распорный винт; 7—ребро жесткости, привариваемое после распирания затяжки; 8 — боковой лист тор­цевого упора

При необходимости разгрузки сжатых элементов ферм выполняют предварительно напряженные одно­сторонние или двусторонние распорки. Распорки упира­ются в специальные обоймы из листовой стали, устанав­ливаемые в узлах фермы.

Рис. 10.47. Усиление нижнего пояса стропильной фермы затяжками

из швеллеров:

1 — усиливаемая ферма; 2—Соковые предварительно напряженные затяжки: 3 — торцевой упор; 4 — пазуха, заполняемая бетоном; б — вертикальный дер­жатель по торцам ферм; 6 — то же, в середине пролета; 7 — хомут из листо­вой стали; 8 — распорный винт упора; 9 — квадратный элемент с нарезкой для винта

Рис. 10.48. Усиления элементов решетки и узлов фермы:

1 — усиливаемая ферма; 2 — металлический тяж; 3 — элементы усиления; 4 —

хомуты; 5 — уголки-фиксаторы; 6 — предварительно напряженные стойки; 7 —

уголки обоймы; 8 — планки обоймы; 9 — хомуты обоймы

Усиление узлов фермы осуществляется металличес­кими предварительно напряженными хомутами, обой­мами из листовой стали или железобетона (рис. 10.49).

В связи с тем что в процессе усиления конструкция теряет свое стабильное состояние и ее несущая способ­ность может существенно снизиться, необходимо обес­печить надежную страховку путем устройства специаль­ных подпорок. Подпорки устанавливают в узлах ферм или в любом месте нижнего пояса балок с обязательным раскреплением их в обоих направлениях. Для вклю­чения подпорок в работу применяют клинья или вы­движные винты.

Для усиления стропильных балок рекомендуются шпренгельные предварительно напряженные затяжки из уголков или двутавра и уголков. Предварительное напряжение необходимо для надежного включения

Рис. 10.49. Усиление нижнего пояса и узлов стропильной фермы:

I — усиливаемая конструкция; 2 — горизонтальные тяжи; з —хомуты усиления; 4 — планки-фиксаторы; 5 — торцевой хомут; 6 — обетонированный узел

шпренгеля в работу балки. Шпренгельная затяжка включаёт два боковых уголка, которые крепятся к анкерным коробкам, устанавливаемым на цементном растворе по торцам балки (рис. 10.50). Предварительное напряже­ние шпренгеля осуществляется путем взаимного стяги­вания горизонтальных уголков нижнего пояса с помо­щью специальных болтов. Чтобы избежать размолкования полок уголков, затяжку болтов необходимо произ­водить одновременно.

Нижняя горизонтальная часть шпренгеля может быть выполнена из двутавра или швеллера. В этом случае предварительное напряжение шпренгеля осуществляет­ся путем оттягивания двутавра от балки с помощью натяжных винтов, причем сначала одновременно затя­гиваются винты в местах перегиба тяжей, а затем — средний болт. После затяжки болты приваривают к нижнему поясу шпренгеля для исключения их раскручи­вания.

Рис. 10.50. Усиление стропильной балки предварительно напряжен­ным шпренгелем из уголков:

а — общий вид усиления; б — предварительное напряжение шпренгеля с по­мощью натяжного винта; в — то же, с помощью домкрата; 1—усиливаемый элемент; 2 — наклонный тяж; 3 — уголок нижнего пояса; 4 — компенсирующие накладки; 5 — монтажные подвески: 6 — горизонтальный тяж шпренгеля: 7 — распорная планка; 8 — боковой лист анкерной коробки; 9 — прижимное ребро анкерной коробки; 10 — сварной шов; 11 — упорный торцевой лист; 12 — соединительная планка; 13 — соединительные болты; 14 — упор из отрезка швелле­ра; 15 — ребро жесткости; 16 — круглый коротыш упора; 17 — гайка; 18 — стяжной болт; 19 — сварная сетка; 20—натяжной винт-упор; 21 — квадратный элемент с нарезкой; 22 — пементно-песчаный раствор: 23 — накладки-упоры; 22 — подвесная конструкция для установки домкрата; 25 — домкрат (гидравли­ческий)

Предварительное напряжение может быть также осуществлено с помощью гидродомкратов, подвешенных к шпренгелю в местах перегиба тяжей.

Контроль напряжений в затяжке при механическом натяжении осуществляется по формуле проф. Н. М. Онуфриева с учетом тангенса угла отклонения затяжки α

(10.57)

где σ_s и E_s — напряжения в затяжке и ее модуль дефор­маций; l — длина участка перегиба; l₁ — полная длина шпренгеля по его оси; m_о=О,8—коэффициент условий работы.

Фиксация предварительного напряжения осущест­вляется путем заполнения зазора между нижним поя­сом балки и двутавром цементным раствором или спе­циальными подкладками из отрезков полосовой стали.

После выполнения усиления все металлические дета­ли окрашивают защитным лаком или эмалью.

При необходимости усиления только нижнего пояса стропильных ферм осуществляют установку горизон­тальных предварительно напряженных затяжек из швел­леров, с боков нижнего пояса. Предварительное напря­жение затяжек для включения их в совместную работу с фермой выполняют путем отжатая швеллеров от ниж­него пояса. Достигается это тем, что в отдельных местах швеллеры связываются между собой, а между стяжка­ми— распираются распорными винтами. Пространство между тяжами и бетоном нижнего пояса заполняется мелкозернистым бетоном.

Эффективное включение затяжек в работу обеспечи­вается при напряжениях 70...100 МПа. Контроль натя­жения может быть осуществлен по уклону отдельного участка затяжки l₁ с использованием формулы (10.57) при m_о=0,85. С целью исключения изгиба нижнего поя­са ферм предварительное напряжение затяжек произ­водят одновременно в обеих ветвях и симметрично от­носительно середины пролетов ферм.

После завинчивания распорных винтов их привари­вают к затяжкам и осуществляют антикоррозионную защиту металлоконструкций усиления перхлорвиниловым лаком или эмалями.

Вместо швеллеров в качестве затяжек могут быть применены уголки по два с каждой боковой стороны нижнего пояса. Этот вариант имеет ряд конструктивных преимуществ (достаточная длина сварных Швов в мес­тах крепления затяжки к торцевым упорам, более вы­годное расположение уголков по высоте, что позволяет соединить их планками снизу и сверху и т.п.), а также позволяет более экономично подбирать сечение тяжей.

Если необходимо незначительно увеличить несущую способность стропильных балок и ферм, достаточно вы­полнить усиление нижнего пояса горизонтальными за­тяжками из стержневой арматурной стали (рис. 10.51). Предварительное напряжение затяжек осуществляется механическим способом с помощью взаимного стягива­ния двух стержней затяжки, динамометрическим ключом с помощью стяжных муфт или путем их электроразо­грева с одновременным завинчиванием гаек на торцах.

Для анкеровки арматурных канатов классов К-7 и К-19, а также плохо свариваемой стержневой арматуры рекомендуется применять анкеры типа «обжатая гиль­за»: для свариваемой арматуры классов A-IV (марка 20ХГ2Ц) и A-V — высаженные головки и приваренные коротыши. Вид анкерного устройства, его диаметр и га­бариты должны учитываться при назначении расстоя­ний между осями напрягаемых стержней. Длина стерж­ней усиления и расположение анкерных устройств дол­жны назначаться с учетом расчетного удлинения арма­туры, после которого анкеры должны занять свое про­ектное положение.

Дополнительная предварительно напряженная арма­тура усиления может располагаться под нижней поверхностью балки или вдоль ее боковой поверхности у нижней грани. В обоих случаях должна быть обеспечена совместная работа дополнительной арматуры с усили­ваемой конструкцией.

При расположении напрягаемой арматуры на боко­вой поверхности балки устанавливаются — образные

Рис. 10.51. Усиление нижнего пояса стропильной балки горизонтальной предварительно напряжен­ной затяжкой:

1 — усиливаемая балка; 2 — тяжи горизонтальной затяж­ки; 3 — держатели тяжей; 4 — торцевой упор; 5 — ниж­ний лист упора; 6 — боковые листы

с крючками соединительные элементы из листовой ста­ли, а при ее расположении под балкой — соединитель­ные прокладки. Шаг прокладок или соединительных элементов не должен превышать высоту балки.

Конструктивное решение усиливающего устройства должно обеспечить надежный контроль усилия натяже­ния в арматуре. Проще всего это решается с помощью динамометров, а в случае невозможности их использо­вания — специальными приборами (ДПС-2, ПРД, ЭМИН-3, ИНА-3, ИПН-6, ИПН-7). Эффективность при­менения того или иного прибора зависит от диаметра и вида напряженной арматуры, расстояния между стерж­нями и точками закрепления, усилия натяжения арма­туры и паспортной погрешности прибора.

При расстоянии между стержнями усиления 20 мм и более рекомендуется механический прибор ЭМИН-3; если стержни расположены на более близком расстоянии, могут быть использованы приборы ИНА-3, ИПН-6 и ИПН-7. Усилия в канатной арматуре определяют с по­мощью приборов ДПС-2, ПРД и ЭМИН-3.

Для усиления применяют любую арматуру, рекомен­дуемую СНиП 2.03.01—84 для предварительно напря­женных конструкций. При выборе дополнительной ар­матуры необходимо учитывать условия выполнения ра­бот по усилению (например, необходимость выполнения сварных работ), а также условия эксплуатации (агрес­сивность среды, температурный режим и т. п.).

Расчет усиления железобетонных ферм

Прочность растянутых элементов, усиленных метал­лическими затяжками, определяют по формуле

N = R_s1 A_s + R_s2 A_sP + R_s,_ad A_sp,ad, (10.58)

где N — несущая способность усиленного элемента;. R_sl, R_s2 и R_s,ad — расчетные сопротивления соответственно существующей ненапряженной и напряженной армату­ры, а также затяжки усиления; A_s, A_sp и A_sp,_ad — пло­щади сечений вышеуказанной арматуры.

Предварительное напряжение в затяжке определяют с учетом приращения напряжений при увеличении внеш­ней нагрузки и потерь напряжений:

(10.59)

Приращение напряжений в затяжке при увеличении на­грузки: для элементов без трещин

(10.60)

для элементов с трещинами

(10.61)

где E_s,_ad и l_s,_ad — модуль упругости и длина затяжки; ѱ_s— коэффициент, учитывающий работу бетона между тре­щинами (по СНиП 2.03.01—84).

При расчете усиления элементов ферм длину решет­ки или пояса принимают без учета размеров узлов.

Потери напряжений в затяжке от деформаций анкерных устройств определяют по формуле

(10.62)

где — деформации анкерных устройств затяжек.

Деформации анкерных устройств зависят от способа их установки и состоят из начальных и упругих . При установке на растворе начальные деформации при­нимают по 0,25 мм на каждый анкер, а при установке насухо по 0,5 мм. Эти деформации можно уменьшить на 0,25 мм при обжатии опорных пластин обжимными бол­тами с интенсивностью 10 МПа.

Упругие деформации анкерных устройств не зависят от способа установки и определяются по формуле

(10.63)

где — изменение усилия в затяжке при увеличе­нии нагрузки; E_SJ_S — жёсткость опорных пластин ан­кера;

(10.64)

(10.65)

где t₁ — толщина боковой пластины; t₂ — то же, опор­ной пластины анкера; a₁ — расстояние от поверхности усиливаемого элемента до боковой пластины анкера; b — ширина опорной части усиливаемого элемента.

При усилении анкерных устройств ребрами жестко­сти уменьшается в 2 раза.

При усилении сжатых элементов ферм стальными обоймами или распорками обойменного типа дополни­тельные усилия распределяются между усиливаемым элементом и обоймой в следующих отношениях:

приращение усилия в усиливаемом элементе

(10.66)

приращение усилия в обоймах

(10.67)

где E_s,rin, A_s,_rin — модуль упругости и площадь сечения ветвей обоймы; δ_inc — коэффициент неплотности опор; φ — коэффициент продольного изгиба ветвей обоймы, определяемый по СНиП II-23—81.

Площадь A_s,_rin подбирают методом последовательных приближений. Усилие в предварительно напряженной распорке составит

(10.68)

Расчет опорных узлов ферм, усиленных предвари­тельно напряженными хомутами (см. рис. 10.49), осу­ществляется по двум схемам: из условия прочности в наклонном сечении по линии АВ

(10.69)

и из условия прочности на изгиб в наклонном сечении по линии АС

(10.70)

где a₂ — плечо опорной реакции; F — опорная реакция; х= (N_sp+-N_s)/(R_bb) — высота сжатой зоны; N_s — рас­четное усилие в первой панели нижнего пояса; N_sp = R_s A_sp — усилие в существующей продольной напрягаемой арматуре; N_s = R_s A_s то жe в ненапряженной арматуре; N_w=R_swA_swhctgα — усилие в су­ществующей поперечной арматуре;l_lim, l_lm,_sp — длина заделки соответственно ненапряженной и напряженной арматуры; l_win, l_win,sp—длина запуска ненапряженной и напряженной арматуры за возможные линии разруше­ния АВ и АВС; z_w,_red и z_sw,_red — приведенное плечо внут­ренней пары для существующей арматуры и арматуры усиления; п — количество поперечных стержней, пересе­кающих линию АВ.

Для промежуточных узлов фермы, усиленных пред­варительно напряженными хомутами, усилия в послед­них определяют по формуле

(10.71)

где N_t — усилие в растянутом раскосе; δ₁=δ_s/196, δ_s — напряжение в существующей арматуре раскоса от дей­ствия расчетной нагрузки, уменьшенное на величину 196 МПа; δ₂—коэффициент, учитывающий возможное увеличение заделки стержня в сжатой зоне (δ₂—1,1 для узлов со сжатой стойкой и растянутыми раскосами; для остальных случаев δ₁ = l); d — диаметр продольной арматуры раскоса, м; β—угол между растянутым рас­косом и поясом; A_sw— площадь сечения одного попе­речного стержня; R_sw — расчетное сопротивление попе­речной арматуры; п — число поперечных стержней, пересекающих линию АВ, за исключением тех, которые расположены ближе 100 мм к точке А.

Расчет усиления балок и ферм предварительно напряженными шарнирно-стержневыми цепями

Точный расчет железобетонных балок и ферм, уси­ленных шарнирно-стержневыми цепями, осуществляют как комбинированных статически неопределимых си­стем.

Допускается их рассчитывать по упрощенной мето­дике, изложенной ниже:

натяжение цепи осуществляют при нагрузке на уси­ливаемую конструкцию не менее 70 % расчетной;

стрелку прогиба цепи φ принимают максимально возможной с учетом допустимых габаритов, а количество узлов равным 3; 5; 7;

распор цепи передается ниже центра тяжести усили­ваемого элемента или не выше верхней границы ядра сечения;

из условия прочности определяют необходимую сте­пень разгрузки балки;

натяжение цепи определяют из условия, чтобы уси­лия в стропильной конструкции от ее натяжения (M_ch и Q_ch) были равны разности между соответствующими усилиями от полной нагрузки после реконструкции (M_rot и Q_tot) и усилиями, которые может воспринять конст­рукция без усиления (М_тах и Q_max), т. е.

M_ch=M_tot-M_max; (10.72)

Qch = Q_tot – Q_max; (10.73)

намечают очертание цепи, определяют ее первоначаль­ную длину L_Ch и усилия в подвесках.

При этом неизвестные усилия в подвесках F_sus рас­сматриваются как внешняя нагрузка, прикладываемая снизу вверх. Усилия в подвесках будут равны, если тангенсы углов наклона звеньев цепи, начиная от середины, относились между собой как 1:3 :5 и т. д. Усилия F_sus должны создавать моменты и поперечные силы, равные расчетным значениям М_сh и Q_ch, причем из двух значений F_sus принимается большее.

По значению F_sus определяют распор Н_сh (табл. 10.1) и, принимая его как продольную сжимающую силу, про­веряют прочность сечений балки как внецентренно сжа­того элемента по СНиП 2.03.01—84.

Эту проверку можно не производить, если x= (R_sA_s+H_ch)/(R_bb) <x_max. Если до усиления х>x_max,, тo F_sus определяют путем последовательных при­ближений. В первом приближении F_sus находят по мо­менту, равному 1,2M_ch.

Первоначальную длину цепи определяют по форму­лам:

при трех подвесках

L_с= l[1 +2,45 (φ/l)²];(10.74)

при пяти подвесках

L_ch = l[1+2,55(φ/l)²]; (10.75)

при семи подвесках

L_ch =l[1+ 2,66(φ/l)²] (10.76)

где l — пролет балки (фермы).

Сечения элементов цепи определяют по величине усилий s в отдельных звеньях, которые рассчитывают по известным значениям F_stus. Общее удлинение цепи равно

(10.77)

где l — длина звена цепи.

Стропильные железобетонные фермы, усиленные це­пями, рассчитывают аналогично балкам, при этом зна­чения F_sus подбирают по разности возникающих в эле­ментах фермы усилий от полной нагрузки и усилий, ко­торые могут быть восприняты без усиления. При этом следует учитывать то обстоятельство, что при усилении ферм цепями в отдельных элементах конструкции могут возникнуть усилия, превышающие их несущую способность. В связи с этим может возникнуть необходимость в их усилении обоймами, затяжками и т. п.