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).При больших пролетах или значительном увеличении нагрузки шарнирно-стержневые цепи усиления располагаются в двух уровнях.
Рис. 10.45. Усиление ферм шарнирно-стержневыми цепями:
а — одноярусное в пределах высоты ферм; б — то же, двухъярусное; в — одноярусное ниже пояса фермы
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 изготовля-
ют из листовой или профильной стали. Арматуру элементов усиления принимают классов A-I, A-II, A-III, К7, К.19, металлические конструкции — из сталей ВСтЗсп, ВСтЗпс и ВСтЗкп. 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. 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. 10.46. Усиление нижнего пояса ферм затяжками из уголков:
1 — усиливаемая ферма; 2 — затяжка из уголков; 3 — торцевой упор; 4 — пазуха, заполняемая бетоном; 5 — хомут-упор; 6 — распорный винт; 7—ребро жесткости, привариваемое после распирания затяжки; 8 — Соковой лист торцевого упора
Рис. 10.47. Усиление нижнего пояса стропильной фермы затяжками
из швеллеров:
1 — усиливаемая ферма; 2 — боковые предварительно напряженные затяжки; 3 — торцевой упор; 4 — пазуха, заполняемая бетоном; 5 —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-фикеяторы; 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 шпренгеля в работу балки. Шпренгельная затяжка включает 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.
Рис. 10.49. Усиление нижнего пояса и узлов стропильной фермы: 1 — усиливаемая конструкция; 2 — горизонтальные тяжи; 3 — хомуты усиления; 4 — планки-фиксаторы; 5 —торцевой хомут; 6 — обетонированный узел
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 — цементно-песчаный раствор; 23 — накладки-упоры; 24 — подвесная конструкция для установки домкрата; 25 — домкрат (гидравлический)
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.
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 а
где σs и Es — напряжения в затяжке и ее модуль деформаций; 1 — длина участка перегиба; l1 — полная длина шпренгеля по его оси; mо = 0,8 — 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 отжатия 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 mо = 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 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.
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
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 ЭМГШ-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
где N — несущая способность усиленного элемента; Rs1, Rs2 и Rs,ad — расчетные сопротивления соответственно существующей ненапряженной и напряженной арматуры, а также затяжки усиления; As, Asp и Аsp,ad — площади сечений вышеуказанной арматуры.
Предварительное напряжение в затяжке определяют с учетом приращения напряжений при увеличении внешней нагрузки и потерь напряжений:
Приращение напряжений в затяжке при увеличении нагрузки: для элементов без трещин
для элементов с трещинами
где Es,ad и l s ,ad — модуль упругости и длина затяжки; ψs — 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
где Δls,ad1 и Δ l s,ad2 — деформации анкерных устройств затяжек.
Деформации анкерных устройств зависят от способа их установки и состоят из начальных Δl01 и упругих Δlel. 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
где ΔNad — изменение усилия в затяжке при увеличении нагрузки; EsJs —жесткость опорных пластин анкера;
где t1 — толщина боковой пластины; t2 — то же, опорной пластины анкера; а1 — расстояние от поверхности усиливаемого элемента до боковой пластины анкера; b — ширина опорной части усиливаемого элемента.
При усилении анкерных устройств ребрами жесткости Δlel 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
приращение усилия в обоймах
где Es,rin, As,rin — модуль упругости и площадь сечения ветвей обоймы; δinc — коэффициент неплотности опор; φ — коэффициент продольного изгиба ветвей обоймы, определяемый по СНиП II-23—81.
Площадь As,rin подбирают методом последовательных приближений. Усилие в предварительно напряженной распорке составит
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
и из условия прочности на изгиб в наклонном сечении по линии АС
где а2 — плечо опорной реакции; F — опорная реакция; х = (Nsp+Ns)/(Rbb) — высота сжатой зоны; Ns — расчетное усилие в первой панели нижнего пояса;
NsP = Rs·AsP· 
— усилие в существующей продольной напрягаемой арматуре; Ns = Rs·As· 
— то же, в ненапряженной арматуре; Nw = RswAswh·ctga — усилие в существующей поперечной арматуре; llm, llm,sp — длина заделки соответственно ненапряженной и напряженнойарматуры; lwin, lwin,sp — длина запуска ненапряженной и напряженной арматуры за возможные линии разрушения АВ и ABC; zw,red и zsw,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
где Nt — усилие в растянутом раскосе; δ1 = δs /196, σ 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; Asw — площадь сечения одного поперечного стержня; Rsw — 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 (Mch и Qch) были равны разности между соответствующими усилиями от полной нагрузки после реконструкции (Mrot и Qtot) и усилиями, которые может воспринять конструкция без усиления (Мтax и Qmax), т. е.
намечают очертание цепи, определяют ее первоначальную длину Lch и усилия в подвесках.
При этом неизвестные усилия в подвесках Fsus 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 I: 3: 5 и т. д. Усилия Fsus должны создавать моменты и поперечные силы, равные расчетным значениям Mch и Qch, причем из двух значений Fsus принимается большее.
По значению Fsus определяют распор Hch (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 = (RsAs+Hch) /(Rbb) < xmax. Если до усиления x > xmax, to Fsus определяют путем последовательных приближений. В первом приближении Fsus находят по моменту, равному 1,2Мсh.
Первоначальную длину цепи определяют по формулам:
где l — пролет балки (фермы).
Сечения элементов цепи определяют по величине усилий s в отдельных звеньях, которые рассчитывают по известным значениям Fsus. Общее удлинение цепи равно
где l — длина звена цепи.
Стропильные железобетонные фермы, усиленные цепями, рассчитывают аналогично балкам, при этом значения Fsus 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 е их усилении обоймами, затяжками и т. п.
Таблица 10.1. Усилия в балке от натяжения цепи
| Схема усиления | Количество узлов | N | Ml/2 | Ml/4 | Qmax |
| 
| Fsus·l(0,5±  )
| Fsus·l(0,375±
± )
| 1,5·Fsus | |
| 
| Fsus·l (0,75±  )
| Fsus·l (0,542±± )
| 2,5·Fsus | |
| 
| Fsus·l (1±  )
| Fsus·l (0,75± )
| 3,5·Fsus |
