11. Оценка несущей способности каркаса промышленных зданий. Способы и методы реконструкции элементов каркаса промышленных зданий

При реконструкции промышленных предприятий возникает необходимость оценить состояние несущих и ограждающих конструкций, выявить возможность их эксплуатации, а в ряде случаев запроектировать усиление отдельных элементов или конструкций каркаса. Все работы при этом можно подразделить на три основных этапа:

- обследование существующих конструкций, выявление резервов несущей способности каркаса и необходимости его усиления;

- выбор способа усиления, расчет и конструирование усиленной конструкции;

- производство работ по усилению конструкций.

При изготовлении конструкций могут быть допущены некоторые отклонения от проекта. В связи с этим первой задачей обследования является составление обмерочных чертежей. При этом производится геодезическая съемка с определением основных горизонтальных и вертикальных размеров. Замеряют размеры сечений всех элементов каркаса, составляют эскизы узлов и стыков конструкций. Для замеров используют металлические линейки, а для измерения толщин элементов – штангенциркули и толщиномеры различных конструкций .

При выявлении несущей способности конструкции важно оценить качество материала, из которого выполнены ее элементы. Необходимо знать прочность, пластичность, склонность к хрупкому разрушению и свариваемость стали. Необходимо проводить химический анализ материала и механические испытания образцов.

При обследовании уточняются нагрузки, передающиеся на каркас здания. Для определения нагрузки от собственного веса кровли в нескольких местах кровля вскрывается и определяются толщина и масса всех ее слоев. Уточняется масса мостовых кранов и другого оборудования. Устанавливается места подвески к конструкциям различных трубопроводов и подсчитывают нагрузки от них. Проверочный статистический расчет поперечных рам и других конструкций проводится с учетом фактически выявленных при обследовании.

Свариваемость стали оценивается по ее химическому составу.

При изготовлении, монтаже, а также при эксплуатации здания в конструкциях проявляются дефекты и повреждения, которые снижают несущую способность элементов и, следовательно, должны быть выявлены при обследовании.

Характерные повреждения колонн – это поражение коррозией нижней заглубленной части стержня колонны и механические повреждения решетки и ветвей нижней части колонны из-за ударов по ним во время эксплуатации здания.

В фермах покрытия часто наблюдаются искривление стержней и различные дефекты узлов. В некоторых производствах наблюдаются заметные поражения элементов ферм коррозией.

В подкрановых балках наиболее часто повреждаются поясные сварные швы и заклепки, крепящие стенку к верхнему поясу балки. Особенно часто эти повреждения возникают у опор балок и в местах стыков подкрановых рельсов. Трещины, возникающие в сварных швах, часто распространяются на околошовную зону и на основной металл.

Все дефекты и повреждения тщательно фиксируются и в дальнейшем учитываются при проверочном расчете.

Составление при обследовании ведомости дефектов, выполненные проверочные расчеты позволяют составить техническое заключение о состоянии конструкций каркаса и его несущей способности. При этом особое внимание обращается на выявление резервов несущей способности конструкций каркаса.

В техническом заключении приводятся также рекомендации по усилению отдельных элементов каркаса или всей конструкции в целом и ориентировочно выбираются способы увеличения несущей способности каркаса и усиления его элементов.

По условиям производства работ возможно усиление под нагрузкой с частичной разгрузкой и с частичным демонтажем конструкции. Наиболее выгодно, но не всегда возможно усиление под нагрузкой, которое обеспечивает наименьшие трудности для производства, размещаемого в здании.

Частичная разгрузка необходима тогда, когда во время усиления приходится временно ослабить элементы и соединения, воспринимающие большие усилия.

Частичный демонтаж необходим в тех случаях, когда часть элементов имеет настолько существенные повреждения, что их целесообразно заменить новыми. Эти элементы перед демонтажем должны быть полностью загружены.

Простейший способ разгрузки стропильных ферм – это установка временных стоек, опирающихся на временные же фундаменты. Верх стоек снабжается домкратами или приспособление, позволяющими приподнять нижние узлы ферм. Стойки большой высоты получаются достаточно тяжелыми, и поэтому часто оказывается целесообразным использовать другие способы разгрузки – установка подмостей на мостовом кране и с помощью домкратов передать на них нагрузку от ферм.

Разгрузка колонн возможна с помощью стоек, установленных внутри или вне здания. При проектировании разгружающих элементов нужно учитывать, что опоры должны располагаться в узлах ферм, чтобы избежать изгиба элементов верхнего или нижнего пояса.

В подкрановых конструкциях усилия от собственного веса составляют незначительную часть суммарного усилия, и поэтому, ограничив движение мостовых кранов, можно производить усиление этих конструкций.

По конструктивному признаку способы усиления можно разделить на три вида: усиление с изменением статической схемы или мест передачи нагрузок, усиление с изменением сечения элементов и комбинированный метод, при котором изменяется статическая схема и увеличивают сечения отдельных элементов.

При выборе способа изменения статической схемы каркаса или его элементов требуется тщательный анализ вариантов.

Например, достаточно эффективный способ усиления стропильных ферм шпренгелем возможен только при большом расстоянии между габаритом крана и низом стропильных ферм. Если недостаточна несущая способность нижнего пояса ферм, можно использовать затяжки в уровне нижнего пояса, напрягаемые при усилении. При необходимости увеличения несущей способности верхнего пояса ферм часто целесообразно устройство дополнительной шпренгельной решетки, уменьшающей расчетную длину стержней пояса в плоскости. При воздействии на фермы подвесного транспорта возможна установка вертикальных связей по вей лине цеха. Эти связи будут перераспределять нагрузку на несколько ферм.

При необходимости усиления колонн наиболее часто используются дополнительные стойки, воспринимающие часть нагрузки на колонну. В коротких зданиях целесообразна установка дополнительных связей по нижнему поясу ферм, которые создают в уровне нижнего пояса ферм жесткий диск, воспринимающий все горизонтальные реакции колонн в уровне нижнего пояса ферм и передающие их на конструкции торцевого фахверка. Поперечные рамы в этом случае можно считать несмещаемыми, а конструкции фахверка должны быть усилены для восприятия реакции рам.

Увеличить несущую способность разрезных подкрановых балок можно установкой дополнительных элементов, воспринимающих опорные моменты, т.е. превращая балки в неразрезные. Возможна и установка различных стоек, а также устройство шпренгелей.

При усилении путем изменения схемы широко используются все способы предварительного напряжения и регулирования усилий.

Сечения стержней ферм из парных уголков можно изменить, приваривая к ним листы, уголки, круглую сталь. При изменении площади меняется и радиус инерции.

Сечения колонн можно увеличить при помощи листов, уголков, швеллеров, приваренных к стержню колонны.

Подкрановые балки усиливаются приваркой к верхней и нижней полкам вертикальных или наклонных листов. При этом размеры листов выбираются так, чтобы избежать потолочной или полупотолочной сварки. При недостаточной местной устойчивости стенки наиболее часто устраиваются дополнительные ребра жесткости.

Усиление ж/б конструкций может производиться двумя основными способами: изменением конструктивной схемы; наращиванием элементов. По первому способу производят усиление элементов главным образом исправных конструкций без остановки производства. По второму способу увеличивают размеры поперечного сечения элементов с добавлением арматуры; таким способом усиливают исправные и поврежденные конструкции.

Усиление элементов конструкций изменением конструктивной схемы. Значительное увеличение несущей способности изгибаемых элементов достигается введением затяжек, подвергаемых предварительному натяжению на бетон. При этом изменятся напряженное состояние балочной конструкции – она становится внецентренно сжатой.

Усиление колонн достигается устройством предварительно напряженных распорок ломаного очертания, расположенных с одной или с двух сторон.

Каждая ветвь распорок составляется из уголков, связанных между собой планками на сварке. Предварительное напряжение в ветвях распорок достигается взаимным стягиванием ветвей попарно, а при односторонних распорках – подтягиванием к боковой поверхности колонны. Устройство односторонних распорок возможно для усиления внецентренно сжатых колонн с большими эксцентриситетами.

Усиление элементов конструкций наращиванием. Усиление плит ребристых монолитных перекрытий и сборных плит, уложенных по ж/б или стальным балкам, выполняют устройством новой монолитной плиты по старому бетону. После снятия слоев старого пола и нарушенного верхнего слоя старого бетона укладывают арматуру слой нового бетона толщиной не менее 3 мм. Усиленная таким наращиванием плита рассматривается как монолитная.

Плиты сборных перекрытий усиливают таким же способом.

Усиление балок и ригелей возможно приваркой к освобожденной от защитного слоя обнаженной арматуре дополнительных продольных стержней с последующим их оштукатуриванием цементным раствором или нанесением слоя торкрет-бетона. Значительного повышения несущей способности можно достичь увеличением сечения снизу с установкой дополнительной арматуры приваривают к стержням старой арматуры.

Для усиления колонн применяют устройство рубашек, армированных продольными стержнями и хомутами или спиралью. Толщина рубашки должна быть не менее 5 см при бетонировании в опалубке и не менее 3 см при торкретироаниии. Для усиления колонн многоэтажных зданий и пропуска дополнительной продольной арматуры в плите перекрытия пробивают отверстия, а в пределах сечения балок с колонной устраивают местные уширения.

11. Способы и методы восстановления и усиления аварийных участков элементов каркаса промышленных зданий (ж/б, металл, древесина)

    Восстановление и усиление железобетонных конструкций

    Выбор методов восстановления и усиления

4.1. При оценке состояния железобетонных конструкций предусматриваются четыре степени их повреждения (см. табл. 2):

слабая, не снижающая несущей способности конструкции;

средняя, снижающая несущую способность;

сильная, значительно снижающая несущую способность конструкции;

полная, вызывающая полное разрушение конструкции.

4.2. При слабых повреждениях восстановление конструкций следует производить заделкой трещин, раковин, сколов цементно-песчаным раствором или бетоном с заполнителями мелких фракций с использованием поливинилацетатной эмульсии.

Восстановление железобетонных конструкций при средних и сильных повреждениях следует производить усилением конструктивных элементов или заменой отдельных конструкций новыми.

Усиление конструктивных элементов достигается:

увеличением сечений элементов путем одностороннего или двустороннего наращивания железобетоном;

устройством железобетонных рубашек или обойм;

устройством разгружающих конструкций в виде распределительных плит, балок, ферм, а также кронштейнов, выносных опор, предварительно напряженной арматуры, предварительно напряженных металлических распорок, накладных хомутов, предварительно напряженных тяжей и т.п.

4.3. Разгружающие конструкции представляют собой отдельные балки, плиты или фермы, подведенные под усиляемую конструкцию и работающие с ней совместно. Для включения разгружающей конструкции в работу применяется подклинка.

4.4. Обойма представляет собой конструктивное решение, когда усиливаемый элемент охватывается с четырех сторон железобетоном с установкой продольной рабочей и поперечной (хомутов) арматуры.

4.5. Рубашка - когда усиливаемый элемент охватывается с трех сторон железобетоном. Поперечная арматура (хомуты) приваривается в этом случае к существующим хомутам усиливаемой конструкции.

4.6. Наращивание сечений - когда дополнительная продольная арматура приваривается к продольной арматуре усиливаемого элемента через коротыши-планки или наклонные стержни - «утки» (с одной или с двух сторон).

4.7. Разгружающие кронштейны представляют собой треугольные фермы, устанавливаемые на средних опорах сборных балок покрытия, уменьшающие их пролет и воспринимающие часть поперечной нагрузки.

4.8. Выносные опоры представляют собой короткие балки, устанавливаемые на средних опорах сборных балок, уменьшающие их пролет и воспринимающие часть поперечной нагрузки.

4.9. Дополнительная предварительно напряженная арматура может быть двух типов: в виде прямолинейных стержней, привариваемых к продольной арматуре усиливаемого ненапряженного элемента, или в виде шпренгельной системы.

4.10. Предварительно напряженные металлические распорки представляют собой конструкции из уголков, расположенных вдоль граней по углам, соединенных между собой по периметру припаренными после предварительного напряжения стальными планками из листового металла.

4.11. Накладные хомуты представляют собой конструкцию из уголков и хомутов из круглой арматурной стали. Применяются для усиления опорных зон балок и ферм.

4.12. Предварительно напряженные тяжи представляют собой конструкцию из уголков и хомутов из круглой арматурной стали, применяемые для усиления консолей колонн.

4.13. При выборе способа усиления следует учитывать факторы, определяющие возможность применения того или иного способа усиления в данных условиях с учетом агрессивности среды и пожароопасности производственных помещений, фактора, определяющего возможность выполнения усиления без остановки основного производства или с его остановкой, недопустимости запыленности и сварочных работ во взрывоопасных помещениях, а также уменьшения габаритов помещений в результате усиления.

4.14. При усилении обоймами, рубашками, наращиванием дополнительной ненапрягаемой арматурой следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемой конструкции. При усилении конструкций под нагрузкой рекомендуется в основном применять предварительно напряженные элементы усиления.

4.15. При усилении конструкций, работающих в помещениях с агрессивной средой, материал усиления и метод защиты от коррозии должны учитывать требования соответствующего СНиПа.

4.16. В пожароопасных помещениях металлические конструкции усиления необходимо обетонировать.

4.17. В тех случаях, когда восстановление поврежденных элементов осуществляется бетонированием и последующим оштукатуриванием трещин и сколов, необходимо предусматривать расчистку поврежденных участков от разрушенного бетона с вырубанием полостей, подлежащих бетонированию, до прямоугольной формы. При этом основные грани полости должны быть по возможности перпендикулярны к направлению действующих усилий, а остальные грани параллельны этому направлению. Механические повреждения при расчистке сохранившейся арматуры не допускаются.

При устройстве обойм, рубашек и наращивании бетона кроме вышеуказанных расчисток и подрубок следует предусматривать для обеспечения надежного сцепления нового и старого бетонов подготовку поверхности бетона усиляемой конструкции насечками, зачисткой стальными щетками, пескоструйной очисткой, промывкой водой и т.п.

4.18. При одностороннем или двустороннем наращивании, а также устройстве железобетонных рубашек усиляемый элемент рассчитывается вместе с усилением как единая конструкция. При этом дефекты (коррозия пли обрывы арматуры, расслоения, трещины, повреждения бетона и т.п.), снижающие несущую способность, элемента, учитываются при расчете усиливаемой конструкции так же, как и при проверочном расчете конструкции до усиления (если не предусматривается их усиление).

При расчете учитывается возможность повреждения при сварке стержней арматуры усиливаемого элемента: сечение стержней принимается ослабленным на 25 %.

4.19 . Усиление конструкций односторонним и двусторонним наращиванием следует предусматривать с учетом приварки к обнаженной арматуре усиливаемого элемента дополнительных арматурных стержней и хомутов. Для бетонирования наращиваемой части следует предусматривать бетон прочностью не ниже фактической прочности бетона усиливаемого элемента и не ниже класса В 25.

Приварка дополнительной арматуры к стержням основной арматуры осуществляется при помощи прокладных коротышей или наклонных стержней (отгибов или «уток») вразбежку; при этом приварка с незаведенным на опору арматурным стержнем не допускается.

Применение арматурных стержней диаметром менее 12 мм для усилений наращиванием не рекомендуется.

4.20. При усилении элементов железобетонных конструкций обоймами поперечное армирование обойм следует конструировать, как правило, замкнутым. При трехсторонних рубашках хомуты следует замыкать или соединять сваркой со специальными анкерами (уголки, полосовая сталь и т.д.); на свободной стороне элемента предусматриваются защитные мероприятия против коррозии.

Рубашки устанавливают по всей длине поврежденного участка железобетонного элемента с перепуском на неповрежденные части на длину не менее: длины анкеровки рабочей арматуры рубашки, пяти толщин стенок рубашки, поперечного размера ширины грани или диаметра усиливаемого элемента (но не менее 50 см).

Класс бетона рубашек следует принимать не ниже фактической прочности бетона усиливаемого железобетонного элемента и не ниже класса В 25.

Армирование рубашек устанавливается расчетом, при этом не допускается применять арматуру диаметром менее 12 мм для продольных стержней и 8 мм для хомутов.

Рекомендуется устанавливать продольную (рабочую) арматуру диаметром не менее 16 мм в сжатых и 12 мм в растянутых зонах; шаг хомутов рекомендуется принимать не более 15 диаметров рабочей арматуры, не более трехкратной толщины обоймы и не более 200 мм.

Продольная арматура в необходимых случаях может быть пропущена через узлы неразрезных монолитных или сборно-монолитных конструкций. Независимо от этого хомуты обойм в узлах, в целях восприятия местных напряжений следует устанавливать с шагом, уменьшенным вдвое, как при обоймах со спиральным, так и с обычным поперечным армированием. На опорах балок следует устраивать замкнутые обоймы; трехсторонняя рубашка допустима лишь при ее устройстве по всей длине балки.

Железобетонные обоймы и рубашки, а также одностороннее или двустороннее наращивание применяются как для центрально-сжатых, так и для внецентренно сжатых и изгибаемых элементов.

4.21. Железобетонные обоймы со спиральным армированием применяются, как правило, для центральносжатых элементов. Обойма со спиральным армированием и усиливаемый элемент рассматриваются при расчете как монолитная конструкция. При этом прочность бетона обоймы должна приниматься не ниже прочности бетона усиливаемого элемента и не менее класса В25.

4.22. При усилении металлическими обоймами последние рассчитывают как самостоятельные конструкции, а их гибкость принимают в зависимости от расположения креплений к усиливаемой железобетонной конструкции.

4.23. Конструкции усилений, не замоноличиваемые и являющиеся для усиливаемой конструкции разгружающими системами, следует рассчитывать как самостоятельные конструкции или составные конструктивные системы, частью которых является усиливаемый конструктивный элемент.

Для обеспечения совместной работы разгружающих систем и усиливаемой конструкции между ними должны быть предусмотрены предварительно напряженные связи (механическим, термическим или другим способом), а также распорки, клинья, подбетонки, подчеканки или другие устройства, которые должны передавать нагрузки на конструкции усиления. При этом конструкция усиления должна воспринимать не менее 30 % усилия, действующего в усиливаемой конструкции.

4.24. Расчет усиления железобетонных конструкций при изменении их начальной статической схемы производится с учетом действительного напряженного состояния.

Усиляемые конструкции следует рассчитывать на предельные состояния первой группы (по прочности). Расчет конструкций по предельным состояниям второй группы (трещиностойкость, раскрытие трещин, жесткость, деформации) следует производить лишь в особо сложных случаях при усилении резервуаров, конструкций в агрессивной среде, элементов, несущих динамические нагрузки, или особо точных машин и т.д.

4.25. Усилия, действующие в элементах статически неопределимых конструкций, рекомендуется определять методами предельного равновесия. Разрешается определять усилия из предположения упругой работы железобетона.

4.26. При расчете конструкций усиления на основании данных обследования для предварительно напряженных элементов рекомендуется вводить коэффициент условий работы m , учитывающий снижение степени предварительного напряжения: для - горизонтальных затяжей m = 0,85; для шпренгелей m = 0,8; для распорок усилений колонн m = 0,85; для хомутов и наклонных тяжей m = 0,9.

При расчете усиления ненапряженных элементов коэффициент m принимается в зависимости от степени разгрузки усиливаемого элемента. При полной разгрузке он равен 0,95; при разгрузке, достигшей 75 % расчетной величины, - 0,9; 50 % - 0,8; 25 % - 0,7.

4.27. Если предварительное напряжение затяжек или распорок производится стягиванием парных ветвей, то для определения величины напряжения в зависимости от угла наклона ветвей i рекомендуется пользоваться графиком на рис. 25 с исключением участка малых уклонов i < 0,01 ( i = tg φ ; φ - угол наклона ветви к усиляемому элементу).

4.28. При расчетах следует учитывать степень податливости узлов сопряжения конструкций усиления с элементами усиляемых железобетонных конструкций в зависимости от их конструкции: металлический упор на бетон без раствора - 2 - 5 мм/узел; с раствором - 2 - 4 мм/узел; сочленение металла с металлом через болты - 1 мм/узел.

Эти деформации не учтены коэффициентами условий работы, приведенными в п. 4.26. Их следует учитывать в зависимости от местных условий в каждом конкретном случае.

4.29. В изгибаемых конструкциях выбор схемы усиления зависит от характеристики сечения ξ = х/ h . Если для усиляемой конструкции ξ > ξ _R то усилению подлежит в первую очередь сжатая зона, при этом после усиления в сечении должно соблюдаться условие ξ £ ξ _R m .

В зависимости от этого выбирается тип усиления, удовлетворяющий указанному условию (железобетонная рубашка, наращивание сечения со стороны растянутой или сжатой зоны, шпренгель с усилением сжатой зоны или без него, усиление растянутой зоны; под варкой стержней, усиление сжатой зоны швеллерами и т.п., а также их сочетание). Источник: http://www.znaytovar.ru/gost/2/RekomendaciiRekomendacii_po_oc.html