Усиление металлических балок и прогонов производственных зданий

Металлические балки и прогоны обычно применяются в многоэтажных производственных зданиях и в различных этажерках химической промышленности (рис.3.9).

Рис.3.9. Типы сечений металлических балок перекрытий пролетом до 12 м (а)

и более 12 м (б)

1- усиленная балка в сечении с максимальным изгибающим моментом; 2- усиленная балка железобетонной плитой перекрытия

Усиление металлических балок и прогонов может быть местным и общим. Местное усиление осуществляется с помощью металлических накладок, ребер, обетонирования и т.д., а общее – путем установки шпренгелей, затяжек или жесткого опорного закрепления.

Наиболее простым способом усиления металлических балок и прогонов является увеличение их сечения на участках наибольших напряжений с помощью приварки или крепления на высокопрочных болтах специальных усиливаемых элементов из прокатных профилей (уголков, труб, швеллеров и двутавров), варианты которых приведены на рис.3.10.

Наиболее рациональны схемы двустороннего усиления балок, не приводящие к значительному смещению центра тяжести сечения (рис.3.10, а).

В случаях, когда усиление верхнего пояса по схеме (рис.3.10, а ) связано с необходимостью частичного или полного демонтажа настила, возможно выполнить усиление по типу схем (рис.3.10, б-г). Недостатком схем (рис.3.10, б-г) является большой объем сварочных работ, связанных с наложением потолочных швов, и значительное ослабление сечений при сварке под нагрузкой. Кроме того, эти схемы связаны с трудоемкими операциями по обрезке и надставке ребер жесткости (рис.3.10, в, г; детали Б и В).

Рис.3.10. Варианты усиления изгибаемых элементов путем увеличения сечения

а-г - схемы двустороннего усиления; д-ж - то же, одностороннего усиления; 1- существующее ребро жесткости; 2- линия обреза ребра; 3- надставка ребра

К несимметричному одностороннему усилению по схеме (рис.3.6, д) прибегают в тех случаях, когда двустороннее усиление экономически и технически нецелесообразно. Несимметричное одностороннее усиление обычно осуществляют с помощью швеллеров, тавров и двутавров по типу схем (рис.3.10, е-ж). Недостатком такого усиления является сложность прикрепления элементов усиления с помощью потолочных швов или высокопрочных болтов. Кроме того, такой способ усиления связан с необходимостью предварительного выгиба прокатных элементов усиления в соответствии с формой изгиба усиливаемых балок, а поэтому при усилении под нагрузкой требует применения мощных домкратов или иных натяжных устройств.

Для повышения местной устойчивости и недостаточной несущей способности участков стенок балок устанавливают на этих участках короткие поперечные, продольные или наклонные ребра жесткости, ограничивая их продольными ребрами (рис.3.11).

Рис.3.11. Схемы местного усиления стенок двутавровых балок

1-дополнительные накладки; 2-5 дополнительные поперечные, продольные и наклонные ребра

Дополнительные ребра к стенке балки можно прикреплять с помощью высокопрочных болтов, прерывистых или сплошных сварных швов. Сварные соединения более технологичны, но приводят к ослаблению сечения усиливаемого элемента в процессе сварки.

Достаточно простым и эффективным способом усиления металлических балок является преобразование разрезных балок в неразрезные многопролетные (рис.3.13).

Он выполняется без увеличения строительной высоты, но требует свободного доступа к узлам сопряжения. Преобразование осуществляется путем жесткого крепления (сварка) внутренней и наружной стороны полок металлическими пластинами (рис.3.13, а). Металлические накладки должны заходить на каждый элемент не менее чем на 100 мм от стыка. При этом способе в балках и прогонах возникает изгибающий момент меньшей величины, что способствует повышению несущей способности усиливаемых конструкций (рис.3.13, б ).

Рис.3.13. Схема усиления металлических балок путем замены шарнирной заделки на жесткую

а)- схема усиления; б)- изгибающие моменты; 1- элемент усиления

Более эффективным способом повышения несущей способности металлических балок (прогонов) является изменение их конструктивной схемы за счет установки в пролете балки дополнительной опоры (рис.3.14, а) или дополнительных усиливающих элементов в виде подкосов (рис.3.14, б).

Рис.3.14. Усиление балок установкой дополнительных опор (а) или подкосов (б):

1- усиливаемая балка; 2- колонна; 3- дополнительная опора; 4- элемент усиления; 5- подкос

В этих случаях уменьшается величина пролета балок с превращением их в многократно статически неопределимые системы и значительно увеличивается несущая способность усиливаемых конструкций. Усиление по схеме (рис. 3.14, а) связано с постановкой в пролете балки дополнительной опоры, но применять такой способ не всегда допустимо по технологическим причинам. Установка подкосов более целесообразно, так как не загораживает центр пролета и не нуждается в устройстве дополнительного фундамента (рис. 3.14, б).

Наряду с дополнительными опорами и длинными подкосами для усиления металлических балок применяют подвески, короткие подкосы, и кронштейны, за счет установки которых также уменьшается величина пролета балок (рис. 3.15).

Для подкосов и кронштейнов рекомендуется устраивать предварительное напряжение, которое может осуществляться за счет стяжных устройств (рис.3.15, б) или оттяжки консолей кронштейнов путем подвески к ним монтажных пригрузов с последующей постановкой прокладок (рис.3.15 в). Изменяя величину пригрузов, можно регулировать величину предварительного напряжения в кронштейнах.

Рис. 3.15. Усиление металлических балок постановкой подкосов(а, б, г), подвесок (в) и кронштейнов (д)

1- подкосы; 2- существующие колонны; 3- подвески; 4- стяжные устройства; 5- кронштейны

В усиливаемых балках для получения желаемого распределения моментов и поперечных сил рекомендуется регулировать усилия за счет выбора мест установки дополнительных опор или поперечных балок, как это показано на рис.3.16. Увеличение количества дополнительных опор в значительной мере снижает величину изгибающего момента в пролетах с возникновением его на опорах.

Рис.3.12. Расчетные схемы и схемы усиления балок при введении дополнительных опор (а) и поперечных балок (б)

1-усиливаемые конструкции; 2- существующие опоры; 3- дополнительные опоры

Значительного повышения несущей способности металлических балок и прогонов можно достичь путем подведения под нижний пояс дополнительных усиливаемых элементов или превращения их в шпренгельные системы (рис.3.13).

Рис.3.13. Усиление металлических балок установкой дополнительных усиливаемых элементов (а, б, в, г) или превращением их в шпренгельные системы (д, е, ж)

1– усиливаемый элемент; 2 - 3 – шпренгель

Эти приемы рекомендуется применять при недостаточной жесткости конструкций и отсутствия ограничений в габаритах цеха. Усиление возможно выполнять как без нагрузки, так и под нагрузкой, с предварительным напряжением шпренгельной системы и без него. В качестве дополнительных элементов используют, как правило, прокатные профили, которые прикрепляют к стенке (рис.3.13, а), полке (рис.3.13, в) или с помощью уголковых подвесок (рис.3.13, б) к усиливаемой балке. Шпренгельные системы устраивают треугольного или трапецеидального вида, прикрепляя их к стенке или нижнему поясу усиливаемых балок (рис.3.13, е,ж). В местах установки шпренгельных систем с целью обеспечения местной устойчивости стенок балок необходимо устраивать вертикальные ребра жесткости, как это показано на рис.3.13, е -ж.

Создание предварительного напряжения в металлических балках (прогонах) обычно устраивается с помощью стальных затяжек, изготовленных из круглой стали, которые устанавливают попарно на 5-10 см ниже или выше полок балок или прогонов, приваривая одни концы к полкам, а другие – к стяжным болтам (рис.3.14).

Рис.3.14. Усиление металлического прогона предварительным напряжением

1 – металлический прогон; 2 –металлический упор; 3 – затяжка из круглой стали; 4 – болт с гайкой для предварительного натяжения затяжки; 5 – бетонная заделка; 6 – упор из круглой стали

Это конструктивно удобный и эффективный метод усиления, который может осуществляться под нагрузкой и без нагрузки. Предварительное напряжение в затяжках обеспечивают с помощью натяжных болтов и тарированных гайковертов, которые создают заданное усилие.

Зазор между полками балок или прогонов и затяжкой образуется за счет металлических упоров из уголков или круглой стали, привариваемых к нижним или верхним полкам усиливаемых конструкций на расстоянии 1 м от опор.

Эффективным способом усиления сплошных балок является распорное устройство, выполненное в виде сектора с гнездами, образующими с осью разрезные шарниры, расположенные между скошенными торцами распираемых балок (рис.3.15).

В результате в нижних поясах балок возникают продольные усилия S, выгибающие балку вверх и уменьшающие величину изгибающего момента. Распорные устройства обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки затяжек.

Рис.3.15. Схема распорного устройства

1- усиливаемая балка; 2- шарнир; 3- упоры; 4- сектор; 5- трос; 6- груз

Для компенсации продольных усилий нижних поясов балок необходимо в крайних пролетах установить новые связи (рис.3.16).

Рис.3.16. Усиление металлических балок с помощью распорного устройства

1- усиливаемая конструкция; 2- распорное устройство; 7- новые связи

Усиление большепролетных балок можно осуществить с помощью введения поддерживающих арочных систем, которые могут иметь ломанный или полукруглый профиль (рис.3.17). В местах передачи нагрузки от большепролетных балок на арочные системы должны устанавливаться дополнительные элементы усиления стенок в виде вертикальных ребер жесткости, которые крепятся с двух сторон стенки и не доводятся до верхнего пояса балок.

Арочные системы опираются и передают нагрузку на фундаменты смежных колонн, поэтому такой способ может потребовать усиления фундаментов из-за возникающих распорных усилий.

Рис.3.17. Усиление большепролетных балок введением арочных систем с ломанным (а) и полукруглым профилем (б)

1- усиливаемая балка; 2- колонна; 3- поддерживающая арочная система

Эффективным методом усиления металлических балок больших пролетов является устройство над усиливаемой конструкцией тросовых систем (рис.3.18). Этот метод применяется при возможности свободного размещения тросовой системы над усиливаемой конструкцией. Основные сложности при устройстве тросовых систем связаны с восприятием и передачей распорных усилий, возникающих в системах. С этой целью целесообразно закреплять окончания тросов вне здания.

Рис.3.18. Схемы усиления большепролетных балок устройством тросовых систем

Для повышения несущей способности металлических балок можно использовать устройство железобетонных обойм (рис.3.19, а) или устройства междубалочного заполнения монолитным бетоном (рис.3.19, б). Во втором случае существующие балки играют роль жесткой арматуры железобетонных конструкций (как правило, с добавочным армированием). Этот способ основан на превращении стальных балок и железобетонного настила в единую комплексную конструкцию путем надлежащего их соединения с помощью упоров, препятствующих сдвигу настила относительно балок. .

Рис.3.19. Усиление металлических балок устройством железобетонной обоймы (а) или междубалочного заполнения монолитным бетоном (б)

1- металлические балки; 2- монолитный железобетон

Способ эффективен при усилении дефективных или сильно корродированных балок.