Способы усиления металлических балок
Обновлено: 04.10.2024
Колонны, балки, перекрытия, фермы являются наряду со стенами и крышами основными несущими элементами зданий, а потому исправному их состоянию должно уделяться п о - стоянное внимание. Они отличаются материалами и разнообразными конструктивными решениями. Их износ, а также увеличение полезных нагрузок при реконструкции сооружений и установке нового технологического оборудования, выявление дефектов, допущенных в проекте и при возведении, приводят к необходимости ремонта или усиления. При выборе способа усиления любых несущих конструкций должны быть учтены многие факторы, и прежде всего обеспечены:
минимальная длительность остановки технологического процесса;
максимальное выполнение подготовительных работ за пределами зоны ремонта;
технологичность конструктивных решений усиления, серийность и простота изготовления новых конструкций; необходимые монтажные средства; высокое качество ремонтных работ; ремонтопригодность новой конструкции.
Следует учесть также возможность осуществления профилактических мер как временного, так и постоянного характера, в частности снятие или уменьшение временных и постоянных нагрузок на ремонтируемые конструкции (тогда при загрузке элементы усиления лучше включаются в работу), очистка их от снега, пыли, увеличение расстояния между подвижными нагрузками (кранами, тельферами), ограничение их грузоподъемности, а также устранение технологических воздействий путем снижения агрессивности среды, перепадов температур и т. п.
Эффективность выбранного способа усиления любых конструкций, затраты на его проведение, как и на ремонтные работы в целом, трудно точно заранее определить по действующим расценкам из-за плохо поддающихся расчету убытков вследствие нарушения ритма производства, непредвиденных осложнений при ремонте и пр. И все же экономические расчеты должны проводиться, так как они дают наиболее полное
И достоверное представление об эффективности усиления ПЛИ ремонта конструкции.
Рассмотрим способы усиления балок, перекрытий, ферм из металла, железобетона и дерева. Металлические балки можно усилить несколькими способами (табл. 12.4): 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.
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 и конструкция защищена от коррозии.
Усиление металлических балок (рис. 12.8) 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). 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 объек
тов, в частности простотой и доступностью приемов и контроля регулирования усилий, исключением громоздкого оборудования при производстве работ, использованием домкратов, муфт и пр.
Усиление металлических ферм для повышения их жесткости и несущей способности может быть 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.
Рис. 12.8. Способы усиления металлических балок
а, б — накладками; в — обетонированием; г — шпренгелем; д, рах; ж, з — сопряжением балок на опорах
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.
Эффективны и разнообразны приемы усиления конструкций с изменением расчетных схем и регулированием напряжений в процессе усиления. Общие затраты и их материалоемкость в несколько раз ниже, чем других способов, а потому дальней
шему изучению и разработке таких способов необходимо уделять больше внимания.
Усиление железобетонных балок намного сложнее, чем металлических, вследствие их монолитности и наличия скрытой арматуры. Можно выделить два основных способа усиления или восстановления несущей способности железобетонных балочных конструкций (рис. 12.9): усиление без изменения первоначальной конструктивной схемы; усиление с ее изменением.
Первый способ заключается в увеличении поперечного сечения усиливаемого элемента, что достигается установкой хомутов или устройством специальных рубашек, обойм, накладок, наращиваний с добавлением арматуры, расширением опор; все это приводит к уменьшению пролета.
Рис. 12.9. Способы усиления железобетонных балок
а, в — обетонированием; б — хомутами; г, д, е, ж — заделкой и сопряжением на опорах
Второй способ состоит в установке дополнительных горизонтальных или шпренгельных затяжек с предварительным натяжением либо комбинированных затяжек, сочетающих оба упомянутых способа.
Оба способа усиления обладают существенными достоинствами, поскольку используемые при этом элементы конструктивно просты, изготавливаются из арматуры или фасонного проката вне реконструируемого объекта, устанавливаются с минимальными трудовыми затратами, сразу же включаются в работу после установки и натяжения или увеличения сечения без применения других приспособлений, в 2—2,5 раза повышают первоначальную несущую способность изгибаемых элементов, не нарушают интерьеров помещений, могут быть скрыты подвесным потолком и т. п., занимают мало места и незначительно увеличивают сечение или высоту конструкций.
Усиление деревянных балок и стропил чаще всего производится по их концам: концы балок, заделанные в кирпичные стены, загнивают вследствие использования сырой древесины, закупорки торцов, увлажнения балок влагой кирпичной кладки или атмосферными осадками и т. п.
Можно выделить два варианта усиления (протезирования) балок: накладками и прутковыми протезами [16 и 18]. Первый способ применяют при усилении одиночных балок, а второй — многих балок, когда протезы заготавливают в механических мастерских. В обоих случаях сгнившие концы балок удаляют, до начала протезирования перекрытия укрепляют временными стойками. Древесину, пораженную грибами, необходимо н е - медленно сжечь, а для усиления рекомендуется воздушносухая или антисептированная древесина.
Усиление стропильных ног и мауэрлатов может быть осуществлено по одному из трех вариантов [16 и 18]: с помощью деревянных накладок на стропильные ноги; прутковыми протезами, как и деревянными балками; посредством накладок и подбалки. Во всех вариантах кровля разбирается захватками, так чтобы работы закончить в течение дня и не замочить перекрытие возможными атмосферными осадками.
Усиление перекрытий можно производить сверху или снизу конструкции: это зависит от высоты и назначения помещения, цели усиления и др.
Перекрытия по металлическим балкам можно усилить снизу путем установки дополнительных опор под балками, связав их, в неизменяемую систему. Более сложно устройство снизу железобетонных сводов. Сверху перекрытие усиливается дополнительным армированием и бетоном. При этом над металлическими или железобетонными балками (рис. 12.10, а, б) производится дополнительное армирование по ширине в обе стороны от балки для восприятия опорных изгибающих моментов.
Железобетонные перекрытия тоже могут быть усилены сверху путем устройства дополнительной железобетонной плиты, как показано выше. Снизу плоские железобетонные перекрытия усиливаются металлическими предварительно-напряженными тяжами, заделанными в опорные части панелей, настилов. Балочные железобетонные перекрытия можно усилить дополнительным армированием и обетонированием балок, но чаще для этого используют шпренгели, располагая их по обе стороны балки,а снизу под балкой стягивая для придания им предварительного напряжения и включения в работу (рис. 12.10, в—г). Поперечное стягивание шпренгелей не так эффективно и приводит к смятию бетона на боковых гранях балки. Автор предложил составные по длине шпренгели с натяжением их в продольном направлении (рис. 12.10, д).
Весьма эффективно усиление балок шарнирно-стержневой цепью (рис. 12.10, е), разработанное Ю. И. Лозовым и Е. Р. Хило [10]. По характеру работы такое усиление является предварительно-напряженным шпренгельного типа. Все соединения усиления выполняются шарнирными, и если тангенсы углов наклона звеньев начиная от середины относятся как 1:3:5 и т. д., то усилия в подвесках и стойках оказываются одинаковыми. В цепи делают три-семь промежуточных узлов в зависимости от пролета балки. Подвески располагаются с разных сторон балки и соединяются снизу планкой. При натяжении всей цепи последней натягивают среднюю подвеску. Иногда требуется несколько попыток для осуществления равномерного, замеренного динамометром усилия натяжения всех подвесок.
Автор предложил улучшить работу такой конструкции путем подведения под подвески швеллера-подкладки, а по концам усиливаемой балки — постановки напряженных хомутов (рис. 12.10, ж). Швеллер-подкладка объединяет работу всех подвесок воедино и устраняет обмятие бетона под отдельными подвесками, а хомуты по концам позволяют усилить балку на перерезывающую силу.
Металлические конструкции усиления перекрытий, в частности тяжи, могут быть скрыты дополнительным потолком, штукатуркой по закрепленной сетке или листами сухой штукатурки. Они могут быть, особенно в производственных помещениях, выкрашены и оставлены открытыми.
Способы усиления металлических балок
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО УСИЛЕНИЮ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ЭНЕРГОПРЕДПРИЯТИЙ
СОСТАВЛЕНО Государственным институтом проектирования предприятий по производству запасных частей и ремонту энергетического оборудования ("Гипроэнергоремонт")
Составители В.А.Колесник, В.В.Буланов, В.Д.Кузнецов, Р.Р.Турбабина, Г.Б.Ярославцева, И.А.Стрепкова
УТВЕРЖДЕНО Главным инженером Союзтехэнерго Г.Г.Яковлевым 15 августа 1983 г.
Настоящие Рекомендации предназначены для проектных организаций, проектно-конструкторских бюро, а также персонала специализированных ремонтных предприятий и служб эксплуатации производственных зданий и сооружений районных энергетических управлений и производственных энергообъединений Минэнерго СССР, министерств и главных управлений энергетики и электрификации союзных республик, связанных с ремонтом производственных зданий и сооружений.
В настоящих Рекомендациях изложены предложения по усилению стальных строительных конструкций и их элементов, приведены основные способы и методы расчета усиления стальных конструкций, даются характеристики примененных ранее конструкционных сталей и прокатных профилей, классификация дефектов и повреждений стальных конструкций.
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1.1. Необходимость усиления конструкций производственных зданий и сооружений возникает в процессе эксплуатации, во время проведения ремонтов и реконструкций как основного технологического оборудования, так и строительных элементов конструкций.
1.2. Заключение о необходимости усиления стальных конструкций (далее по тексту "конструкций") составляется специальной комиссией при их обследовании. В результате обследования должны быть получены следующие материалы:
- документация и данные натурных обмеров, необходимые для расчетов;
- данные о времени возведения металлоконструкций, их ремонта и реконструкции с начала эксплуатации;
- ведомость допущенных отступлений от проекта или соответствующих СНиП;
- ведомость дефектов несущих металлоконструкций;
- геодезические данные по несущим металлоконструкциям;
- данные о нагрузках (схема нагрузок);
- сертификаты или лабораторные данные химического анализа и механических испытаний сталей, из которых выполнены конструкции;
- данные о фактической несущей способности конструкции.
1.3. Обследования и усиления конструкций, выполненных из кипящей углеродистой стали, необходимо производить в соответствии с [5] и [6].
1.4. Вопросы усиления ранее деформированных, а затем выправленных элементов конструкций с учетом остаточных напряжений в тех частях сечений, которые были подвержены пластическим деформациям, в настоящих Рекомендациях не рассматриваются.
1.5. В связи с необходимостью ремонта производственных зданий и сооружений, построенных в более ранние годы, в приложениях 1-18 настоящих Рекомендаций приводятся характеристики применявшихся ранее конструкционных сталей и прокатных профилей.
1.6. Условные обозначения, принятые в настоящих Рекомендациях, приведены в приложении 19.
2. ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ
НЕОБХОДИМОСТЬ УСИЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Усиление конструкций - одно из наиболее эффективных мероприятий по продлению их долговечности, восстановлению или увеличению их несущей способности и предотвращению аварий.
Причины, вызывающие необходимость усиления конструкций, следующие:
- реконструкция и модернизация основного и вспомогательного технологического оборудования, увеличение производительности оборудования, вызывающие увеличение нагрузок на конструкции;
- физический износ конструкций в результате интенсивной или длительной их эксплуатации;
- поражение конструкций коррозией;
- вредные температурные воздействия на конструкции;
- воздействия стихийного характера на конструкции;
- различные повреждения конструкций в результате нарушения правил их эксплуатации;
- повреждения (погнутости, вмятины и т.п.), полученные во время транспортировки и монтажа;
- ошибки при проектировании, изготовлении и производстве строительно-монтажных работ.
2.2. Основные виды дефектов и повреждений, характерных для конструкций покрытий и конструкций подкрановых путей производственных зданий, приведены в табл.1.
Усиление существующей стальной балки наращиванием сечения. Варианты.
Есть стальная сварная балка, опирающаяся сверху на ж.б. колонны (см. рис). Верхний пояс раскреплен профлистом H114x1, на опорах и в центре раскреплена связями из ГСП. Сейчас сверху непосредственно на балку будут опираться новые конструкции. Требуется усилить балку на 15-20%. Новый изгибающий момент порядка 80тм, Q=35т. Сталь 345, Wсуществующ.сечения=2290см3, формально требуется W~2700 см3, но надо с запасом, т.к. полностью разгрузить балку перед усилением не получится. Думаю, усиливать балку несимметричным наращиванием снизу. Балка такая одна, поэтому экономить сталь не нужно, главное – надежность и простота исполнения.
Планирую, чтобы избежать потолочных швов усилить двумя кв. трубами 180 (предварительно сваренных между собой), не доводя до опор несколько см.
Может есть у кого идеи получше?
Специальный Институт Строительных Конструкций Изделий
__________________
Горев В.В., том 1, стр.109, 1 абзац, 4-ое предложение. Не пугайтесь этого произвола.
Балка на балку, кирпич на кирпич.
Может таки лучше листом усилить? Его ширину можно регулировать по эпюре моментов, а с трубами такого не получится.
Спасибо за ответы.
Не, лист приваренный только к одной полке дает совсем копейки. Например лист 400х25 дает Wmin= 2565см3 (исходное сечение 2290см3). Швеллер 40П приваренный горизонтально дал Wmin= 2618см3, что маловато (так же, как писал выше, хочу здесь с приличным запасом сечение подобрать).
Конечно, смущает, что трубы при сварке поведет, а просто приваренный двутавр потолочным швом в этом плане будет лучше?
С фермой вариант не очень, т.к. ее будут прямо на месте варить.
В конструкциях, требующих усиления по прочности при работе на изгиб, любое одностороннее усиление неэффективно. Ради интереса прикиньте, сколько дадут 2 листа 400х25, при приварке их к обеим полкам .
Это дает еще больше сварных швов - 4шт.
Естественно я бы с двух сторон усиливал, если была бы такая возможность. Но проще было бы тогда вообще балку заменить. )
Кстати, при одностороннем усилении, вероятно еще потребуется проверка стенки балки, т.к. бОльшая ее часть оказывается в сжатой зоне.
Естественно я бы с двух сторон усиливал, если была бы такая возможность. Но проще было бы тогда вообще балку заменить. )
Так по внешним граням полок и не обязательно. Лишь бы приблизительно одинаковые площади равно (и максимально возможно) отстояли от центра тяжести существующей балки. Вон сколько Вам вариантов представили - только выбирайте.
Не обязательно. Наверняка бОльшую часть нагрузки составляет снег. И вообще напряжения перераспределятся.
Планирую, чтобы избежать потолочных швов усилить двумя кв. трубами 180 (предварительно сваренных между собой),
Вполне рабочее решение. Швы прерывистые. Можно приварить и швеллер. Исходя из прочности усиление не доводить до опоры на четверть пролета (можно посчитать точнее).
Согласен. Только лучще в шпренгельную балку.
С трубами, или швеллером работать все же удобнее.
----- добавлено через ~5 мин. -----
А сколько балок требуется усилить?
Если опорные узлы шарнирные - можно попробовать сделать жёсткими. Момент при жёстких узлах в середине ql^2/24. На опорах ql^2/12.
Если высота позволяет - то очень. Вариант шпренгельной балки возможно будет самым эффективным по металлоемкости и трудоемкости - всего 3 узла и возможно связи или подкосы.
.
Они безразлично устойчивы, вот чтоб ветер их не колыхал и ставят связи. Причем одна связь болтается не прикрепленной
Cfytrr, Offtop: т.е. эти связи не влияют на устойчивость балок и поставлены чисто из эстетических соображений, можно было и обойтись без них, верно ? Допустим если дать расцентровку и сместить ось шпренгеля ниже оси балки, конструкция будет устойчива.
Вот пост о конструкции почти как на фото, да и вся тема там не безынтересна.
Вариант жизнеспособный, хотя далеко не факт, что самый оптимальный.
К нему, вероятно, понадобится добавить рёбра жесткости в сам двутавр с определённым шагом.
В любом случае надо считать.
Желательно не только разгрузить, сколько подпереть, чтобы начальный прогиб стал нулевым (и варить будет проще, и будущие напряжение равномерной будет по сечению).
П.С. Узлы опирания на колонны (или что там) и сами колонны не забудь проверить. Как и фундамент. Увеличение нагрузки не может ограничиться одной балкой.
Если высота позволяет - то очень. Вариант шпренгельной балки возможно будет самым эффективным по металлоемкости и трудоемкости - всего 3 узла и возможно связи или подкосы.
По металлоемкости - да (по меня она не интересует, такая балка всего одна), а по трудоемкости не согласен - очень ответственный опорный узел для монтажа по месту. И в принципе, вряд ли она по высоте устроит (согласовывать надо).
Желательно не только разгрузить, сколько подпереть, чтобы начальный прогиб стал нулевым (и варить будет проще, и будущие напряжение равномерной будет по сечению).
П.С. Узлы опирания на колонны (или что там) и сами колонны не забудь проверить. Как и фундамент. Увеличение нагрузки не может ограничиться одной балкой.
Это было бы желательно. Мне уже приходилось усиливать фермы и перекрытия, и там я даже рисовал схемы поддомкрачивания конструкций. Строители были этому не рады (плохо они понимают зачем это надо), но делали. Но здесь, увы, не получается.
Конечно, другие элементы тоже проверяются. Кстати, для колонн несимметричное усиление снизу даже лучше, нейтраль опускается и меньше распор.
Не, это точно не вариант - опорный момент надо же куда-то деть.
Так по внешним граням полок и не обязательно. Лишь бы приблизительно одинаковые площади равно (и максимально возможно) отстояли от центра тяжести существующей балки.
Кстати, при одностороннем усилении возникают на первый взгляд нелогичные результаты, например, приваренный к нижней полке горизонтально небольшой двутавр дает больше Wmin, чем этот же двутавр приваренный вертикально (хоть сечение получается и выше, но при этом и нейтраль сильнее смещается).
Поэкспериментировал с разными сечениями и мой первоначальный вариант с приваркой труб ГСП оказался один из самых эффективных. Но так как действительно относительно ГСП при сварке может сильно повести винтом, склоняюсь к варианту с толстостенным сварным швеллером (см. рис) (по большому счету то, что предложил Yuzer в посте 7).
В принципе, при более тщательном сборе нагрузок, моя балка уже практически проходит по прочности (спасибо предыдущим проектировщикам, которые очень сильно перезаложились в сечениях), не проходит по прогибам, а тут одностороннее усиление как раз эффективно.
Читайте также: