Как усилить балку перекрытия

Как усилить балку перекрытия

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.

Как известно, лучшее сечение балки — соотношение ее сторон (в сечении) 7 : 5 . Это сечение достаточно условно и редко когда соблюдается. Обычно используют тот пиломатериал, который есть. Прогиб балки в основном зависит от высоты балки, чем от ее ширины. Т.е. выгодно наращивать балку в высоту, чем просто пропорционально утолщать её. Это просто приведет к утяжелению самой балки и перерасходу материала с незначительным усилением ее несущих свойств.

Круглая балка также имеет свои недостатки.

Так например, она может выдержать в итоге бОльшую нагрузку, чем прямоугольная того же сечения, но она имеет гораздо больший прогиб. Поэтому если вам важна именно прочность, невзирая на форму балки (например при перекрытии хозяйственных помещений, навесов и пр.), то лучше использовать круглую балку. Если вам нужен плоский потолок и внешний вид — то прямоугольную.

Но и прямоугольную балку можно значительно усилить путем наращивания ее высоты. До определенных пределов, разумеется, пока не появится тенденция на боковой изгиб балки.

Непосредственная укладка одной балки на другую формально удваивает несущую способность балки. Такого же результата можно добиться и простым укладыванием двух балок рядом друг с другом.

Однако известна схема, которая позволит используя все те же две балки фактически учетверить несущую способность балки (и соответственно межэтажного перекрытия в целом). Это так называемая балка Деревягина. Я к сожалению е знаю предистории ее изобретения, но в данном случае это и не важно.

Как упоминалось выше, если две балки уложить друг на друга, это удвоит несущую способность. И балки эти будут работать каждая сама по себе, передавая нагрузку от верхней к нижней. При этом происходит небольшой сдвиг нижней грани верхней балки относительно верхней грани нижней балки. Это естественно, поскольку даже при одинаковом прогибе и образованию балкой дуги относительно некого гипотетического центра (у каждой балки свой центр), внутренние и внешние части балок имеют разный размер радиуса изгиба (на толщину балки). Соответственно, при неизменной длине балки (отрезка дуги), разница длин граней становится очевидной, так как они соприкасаются разными гранями (одна внешней, другая внутренней) . Т.е. балки работают порознь, каждая сама по себе.

Если же устранить возможность смещения балок относительно друг друга при прогибе, балка становится гораздо жестче. Соответственно значительно уменьшается ее прогиб под нагрузкой. Использование этого эффекта позволит наращивать балки при устройстве межэтажного перекрытия используя стандартный пиломатериал.

Например, если сделать балку из бруса 150 х 150 мм (стандартный, вобщем, случай), длиной 6 метров, расположив их через каждый метр, то нагрузочная способность будет около 250-300 кг на 1 кв. метр перекрытия. Если удвоить количество балок (на той же площади), уложив их через 0,5 метра или положив друг на друга, то нагрузочная способность возрастет до 400 – 500 кг/м2 . Но если использовать балки сечением 150 х 300 мм, то нагрузочная способность перекрытия будет уже около 1000 кг/м2. Но где же вы найдете такой брус? А если и найдете, стоить он будет просто нереально дорого.

Но такую же балку можно изготовить самостоятельно (что вобщем и сделал Дереевягин).

В нижнюю балку врубаются нагели или шканты (шпонки). Ориентация волокон древесины шпонок — перпендикулярно плоскости грани балки. В верхней балке так же вырезаются отверстия под шпонки. При соединении обеих балок шпонки с небольшим натягом входят в обе балки и связывают их. Теперь смещение одной балки относительно другой невозможно, и они стали фактически одной цельной балкой.

Это классическая схема балки Деревягина. И как видите, она достаточно трудоемка в исполнении, даже при наличии современного инструмента (фрезера, дисковой пилы или электрического лобзика). Поэтому не часто можно увидеть вживую такую балку.

Но обеспечить взаимную неподвижность балок в составе балки Деревягина можно и другими способами.

Во-первых, это клей. Современная промышленность предлагает настолько хорошие клеи для дерева, что при попытке разъединить склеенные детали, рвется и расщепляется обычно сама древесина, нежели место склейки. Но для качественного склеивания требуется хорошая подготовка деталей. В частности они должны быть абсолютно сухими (влажность не более 8-12 %), абсолютно гладкими (оструганными). Да и склейка ведется с использованием большого количества струбцин или прессов. Поэтому изготовление балки Деревягина в условиях самостоятельного дачного строительства кажется маловероятным.

Второй способ — использование резьбовых шпилек для стягивания двух балок между собой. (Тут можно использовать и клей). Обе балки сверлятся насквозь, например через каждые 25-30 см в шахматном порядке, и стягиваются резьбовыми шпильками. Это будет достаточно качественная замена шкантам, но и дорогая. И тоже достаточно трудоемкая, поскольку гайки шпилек придется заделывать заподлицо внешним граням балки. А значит придется сверлить еще и расширенные отверстия под них.

При некоторых условиях можно использовать т.н. глухари – длинные винты – саморезы с головкой как у болта. Но под них тоже надо будет сверлить отверстия. И сами глухари большого размера — удовольствие не дешевое.

Вот что действительно нельзя рекомендовать для балки Деревягина — это использование гвоздей. Дело в том, на сбитые гвоздями балки будут действовать как раз силы, направленные на вытаскивание гвоздя из нижней балки и его изгиб. А гвозди слабы на оба эти параметра. Они прекрасно вытаскиваются из дерева и хорошо гнутся. По этой же причине шпилечное соединение балок — не самый лучший вариант. Хотя шпилька или глухарь не будут «вылезать» из балки, то они они могут гнуться и к тому же твердый метал будет сминать древесину вокруг себя.

Самый простой способ изготовить балку Деревягина, на мой взгляд, можно с использованием круглых (цилиндрических) нагелей (шкантов). В их качестве могут выступить, например, напиленные черенки для лопат. Их можно купить готовые, в большом количестве и недорого. Сверлить отверстия под них можно с помощью широких сверел для дерева, которые называются пёрка. Можно использовать, конечно и фрезы. Единственный инструмент, которые потребуется — электрическая дрель.

Что бы отверстия в балках идеально совпадали друг с другом, можно изготовить несложный Н-образный шаблон (см. рисунок). Тогда в одной балке сверлят отверстия используя одну сторону шаблона, а в другой — другую. И отверстия совпадут совершенно точно.

При сборке балки желательно использовать и клей для дерева (особенно для закрепления нагелей). С торцов нагеля необходимо снять небольшую фаску, что бы нагель точнее вошел в отверстие.

Таки способом можно достаточно быстро и качественно сделать балку Деревягина и устроить в доме очень надежное и выносливое межэтажное перекрытие.

Обсудить конструкцию балки можно на форуме.

Усиление стальных балок

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 15Следующая ⇒

Усиление металлических балок осуществляют увеличением сечения, при этом необходимо выполнить их разгрузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры.

Рис 11.3. Схемы усиления балок симметричными накладками

Наиболее простой способ усиления — симметричными накладками (рис. 11.3), однако при этом возникает необходимость в большом объеме потолочной сварки. При большой ширине нижней накладки можно избежать потолочных швов, однако ширина ее не должна превышать 506, в противном случае возникает значительная концентрация напряжений по кромкам балки.

Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами

Местное усиление балок: 1,2 —ребра жесткости

Эффективным способом усиления сплошных балок являются натяжные устройства, которые обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки затяжек. Такие способы позволяют регулировать усилие предварительного напряжения в нижнем поясе балки.

Рис. 11.5.

Схема распорного устройства:

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

При усилении балок путем увеличения сечения (рис. 3) наиболее рациональными по расходу стали являются двусторонние симметричные или близкие к симметричным схемы усиления «а» — «е» с расположением элементов усиления по возможности дальше от центра тяжести неусиленного сечении балки.

Рис. 3. Усиление балок путем увеличения сечений

а — к — схемы усиления

Усиление балок путем изменения конструктивной схемы (рис. 4) мало зависит от места опирания плит настила, однако при усилении по схемам «а» и «б» путем превращения разрезной конструкции в неразрезную требуется возможность доступа к узлам сопряжения.

Рис. 4. Усиление балок путем изменения их конструктивной схемы

а — л — схемы усиления

Практически во всех случаях усиления с изменением конструк­тивных схем целесообразно Использование методов активного регулирования усилий для включения в работу новых элементов.

При строительстве ответственных объектов и конструкций применяют швеллера, которые обладают высокой прочностью и способны выдерживать существенные нагрузки, а также возникающие сдвиговые и осевые напряжения без потери несущих свойств. Однако могут наступать такие ситуации, когда здание было возведено с ошибками в расчётах предполагаемых нагрузок или они были изменены в ходе эксплуатации в результате чего был достигнут предел его прочности.

Это означает, что дальнейшая эксплуатация конструкции невозможна, так как велика вероятность создания аварийной ситуации. Поэтому единственным выходом из сложившейся ситуации без изменений условий нагружения будет выполнение усиления конструкции.

Усиление швеллера на прогиб и изгиб

Одним из самых простых способов усиления швеллера является установка подпоры. Она позволит существенно разгрузить несущую балку без внесения существенных изменений в готовую конструкцию. Способ соединения должен в полной мере соответствовать типу нагружения: в случае постоянного действия поперечной силы можно выполнять любые соединения деталей способных обеспечить высокую надёжность и прочность, а вот при динамических — стоит использовать клёпаные и болтовые соединения.

В некоторых ситуациях установка подпорки невозможна из-за особенностей эксплуатации объекта. Следовательно, придётся увеличивать поперечное сечение путём приваривания стальных накладок или уголков в продольном направлении либо приварить еще один швеллер таким образом, чтобы получилась симметричная конструкция. Благодаря этому основная нагрузка сместится с точки возможного разрыва металла и распределится равномерно по площади балки новой формы.

Ещё одним способом усиления швеллера считается перераспределение нагрузки между всей конструкцией при помощи конструктивных изменений каркаса или его элементов. Это позволит снизить возникшие изгибающие напряжения и обеспечить необходимый запас прочности. Однако при этом не стоит забывать о проведении новых расчётов объекта, так как проблема может стать более серьёзной.

Усиление швеллера на кручение

Чтобы усилить швеллер на скручивание следует обеспечить установку симметричной конструкции методом сварки. Считается, что сварные швы в углах балки способны её ослабить, так как при нагреве металла она может продеформироваться, а накладной металл, особенно при локальной установке, принять на себя нагрузку. Поэтому нужно использовать специальные методы двухсторонней сварки.

Стандартным методом усиления считается приваривание второго швеллера параллельно установленному, чтобы получить в итоге двутавр или коробку. Оба варианта являются примерно одинаковыми по эффективности, но их реализация возможна только при полном доступе ко всей поверхности стального каркаса, в противном случае придётся разрушать часть отделки, а также устанавливать временные страховочные опоры.

Вторым способом увеличения устойчивости к кручению является выполнение бетонирования.

При этом повысится продольная нагрузка на балку из-за общего веса, но улучшится жёсткость.

Заключение

Усиление швеллера при различных напряжениях и нагрузках требует особого подхода, изучающего их характер. Только так можно подобрать наиболее подходящий способ, который бы обеспечил высокую прочность конструкции. В каждом случае потребуется обязательное проведение расчётов, чтобы внесённые изменения не оказались ошибочными.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *