Основы проектирования усилений стальных конструкций при реконструкции зданий и сооружений

Необходимость усиления стальных конструкций зданий и сооружений определяется по результатам проверочных расчетов, выполняемых с учетом: 

• фактического состояния конструкций;

• требований, предъявляемых реконструкцией;

• вероятных резервов, не использованных при первоначальном проектировании (рассмотренных выше).

При этом проверочные конструктивные расчеты элементов конструкций и их соединений на новые сочетания нагрузок следует выполнять с учетом обнаруженных дефектов и повреждений, в том числе и коррозионного характера.

Цель усиления конструкций – обеспечить их достаточную несущую способность и нормальную эксплуатацию в новых условиях, вызванных реконструкцией.

Под усилением подразумевается комплекс конструктивных мер, направленных или на восстановление утерянных эксплуатационных свойств конструкций (при ремонте), или на повышение несущей способности и надежности конструкций, их элементов и соединений (при «малой» реконструкции).

Необходимость усиления обуславливается факторами, препятствующими продолжению нормальной эксплуатации конструкций. Часть таких факторов приведена выше. В [12] дана обобщенная классификация причин, вызывающих необходимость усиления строительных (в том числе и стальных) конструкций инженерных сооружений (см. табл. 4).

При проектировании реконструкции следует иметь в виду, что при производстве работ по усилению конструкций неизбежно стеснение технологического процесса (в производственны зданиях) и функционального использования площадей (в гражданских и общественных зданиях), что приводит к определенным экономическим потерям. Поэтому усиление конструкций необходимо рассматривать как крайнее средство по обеспечению нормальных условий эксплуатации, если этой цели невозможно достичь за счет выявленных резервов несущей способности.

Для выбора оптимального (рационального) варианта усиления следует по экономическим критериям сравнить несколько решений [9, с. 305].

Практический опыт усиления каркасов производственных зданий обобщен в [9, 11, 12], в альбомах типовых решений проектных институтов.

 

Классификация способов усилений стальных конструкций

Согласно [3, с. 305] способы усилений разделены на четыре основных вида:

- аварийное усиление – в экстремальных случаях для срочного восстановления несущей способности конструкций. Здесь применяют наиболее простые и технологические решения для короткого срока эксплуатации до капитального ремонта (восстановление конструкций);

– временное усиление – для конструкций, нормальную эксплуатацию которых в плановом порядке следует обеспечить на период до капитального ремонта здания (сооружения);

– капитальное усиление – для решения задач при «средней» и «малой» реконструкциях;

– перспективное усиление – в конструкциях, на которые предполагается с течением времени установка нового оборудования с увеличенными нагрузками.

Классификация способов усиления в разных источниках литературы имеет менее или более подробную структуру. В [15] для усиления конструкций под нагрузкой предлагается шесть основных способов, два способа как «специальные мероприятия» и способы дополнительного применения предварительного напряжения [15, с. 13…15]. В [9, с. 306] предлагается классифицировать способы усиления по признаку нагруженности: под нагрузкой, с частичной разгрузкой и с полной разгрузкой. При этом в каждом способе предлагается использовать любое из семи решений:

= изменение условий эксплуатации при косвенном усилении;

= изменение схемы конструкций;

= искусственное регулирование напряжений;

= увеличение площади сечений;

= усиление соединений;

= повышение хладостойкости;

= повышение ресурса выносливости.

На наш взгляд, наиболее полная классификация способов усиления стальных конструкций инженерных сооружений при реконструкции представлена в [12] (см. табл. 5).

Согласно табл. 5 способы усиления стальных конструкций зданий и сооружений разделены на 4 вида: неотложно-аварийное, временное, постоянное (капитальное) и перспективное, что в основном согласуется с [9, с. 305]. Однако структура реализации указанных способов в [12] описана более подробно, чем в [9]:

– предложен вариант восстановления несущей способности без снижения нагрузки: правкой погнутых элементов (рис. 6, п. 2.8); усилением стенок балок (рис. 7, п. 2.8) и колонн (рис. 8, п.2.8); усилением узловых соединений (рис. 9, п.2.8); усилением сварных швов, болтов, заклепочных соединений, - в зависимости от конкретных повреждений;

– как крайняя мера предложена разгрузка стальных конструкций путем: передачи нагрузок на другие конструкции; введения распределительных устройств; снижения нагрузки; подведения дополнительных балок (рис. 10, 11, п.2.8) при частичном разгружении; замены конструкций; установки новых конструкций для полного разгружения существующих при полном разгружении;

– увеличение несущей способности конструкций предлагается в трех вариантах: без демонтажа существующих конструкций под нагрузкой; без демонтажа, но после частичной разгрузки; после демонтажа конструкций, предназначенных к усилению. Для каждого из этих вариантов рассмотрены схемы усилений: без изменения расчетной схемы, с изменением расчетной схемы, с изменением напряженного состояния. Для каждой схемы усиления предложены варианты технических решений:

– для случая «без изменения расчетной схемы» - увеличением сечений элементов (рис. 12, 13, п.2.8); подведением разгружающих стоек (для колонны); подведением разгружающих элементов (для балок) (рис. 14, 15,

 

 

п.2.8); постановкой дополнительных связей (рис. 16, п.2.8); выявлением неучтенных запасов прочности конструкций или материала;

– для случая «с изменением расчетной схемы» - подведением дополнительных опор (рис. 16, п.2.8); замыканием существующих шарниров в

рамах и арках; уменьшением расчетных длин; регулированием усилий в неразрезных конструкциях (рис. 17, п.2.8); включением в совместную работу с другими конструктивными элементами; созданием неразрезности;

– для случая с изменением напряженного состояния – установкой предварительно напряженных затяжек, распорок (рис. 18, п.2.8); введением дополнительных элементов (рис. 19, 20, п.2.8).

Из других источников, опубликованных в последнее время и посвященных усилению строительных конструкций при реконструкции можно отметить [16]. Здесь вопросы реконструкции рассмотрены комплексно по всем видам строительных конструкций, в том числе и стальных. Основной объем пособия [16] посвящен обследования и реконструкции жилых зданий и, следовательно, каменных, железобетонных и деревянных конструкций. Приведены методы и перечень современных приборов и приспособлений для выполнения измерений в обследуемых конструкциях. Обобщенные в пособии материалы по повреждениям и способам усиления конструкций из разных материалов (а усиление, в основном, проводится с применением стального проката, стержневой арматуры и арматурных сеток) весьма полезны студентам при освоении соответствующих учебных программ (С. 3.16. Обследование и испытание зданий и сооружений; С.3.17. Эксплуатация и реконструкция зданий и сооружений).

Другой источник [17] также посвящен комплексным вопросам реконструкции зданий и сооружений. Приведены методы и средства для выполнения обследований, оценки состояний конструкций и экономической целесообразности проведения реконструкции. Значительное место уделено описанию видов диагностики, проектированию усилений железобетонных, каменных и деревянных конструкций (с применением стальных элементов усиления).

Из последних публикаций по реконструкции зданий можно отметить работу [18], в которой рассмотрены основы реконструкции и реставрации зданий различного назначения. Приведены сведения по определению технического состояния зданий и сооружений. Для детального обследования зданий приведена приборно-инструментальная база с учетом современных достижений. Приведены примеры конструктивных решений при реконструкции и методика определения физического износа гражданских зданий. Рассмотрены вопросы по выполнению строительно-монтажных работ при реконструкции.

В учебном пособии [19] весьма подробно рассмотрены вопросы надежности, физического и морального износа строительных конструкций зданий и сооружений в целом. Отражено влияние различных факторов на эксплуатационные характеристики оснований и строительных конструкций из разных материалов на стадии эксплуатации в разных условиях. Приведена классификация и виды дефектов и повреждений строительных конструкций из разных материалов. Представлена методика обследований, оценки технического состояния по результатам обследований. Впервые сравнительно четко (для учебного пособия) проведено разделение строительных объектов на «здания» и «сооружения», (для сравнения см. [1, с. 27]) – что, по нашему мнению, важно при разработке технических заданий и программ обследований и усилений строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

Здание – строительная система, состоящая из несущих и ограждающих конструкций, образующих наземный замкнутый объем, предназначенный: для проживания или пребывания людей в зависимости от функционального назначения и для выполнения различного вида производственных процессов.

Сооружение – объемная, плоская или линейная наземная, надземная или подземная система, состоящая из несущих, а в отдельных случаях и ограждающих конструкций и предназначенная: для выполнения производственных процессов различного вида; хранения материалов, изделий, оборудования; для временного пребывания людей, грузов и т.п.

В [19] информация о металлических конструкциях при эксплуатации представлена в следующих разделах:

– воздействие силовых факторов (1.3.2.2);

– виды и механизмы коррозии (1.4.4);

– влияние повышенной температуры (1.5.1.3);

– влияние пониженной температуры (1.5.2.2);

– классификация дефектов и повреждений (2.2.3);

– оценка качества сварных соединений (3.4.4.1);

– оценка физико-механических характеристик стали эксплуатируемых конструкций (3.5.4);

– оценка состояния металлических конструкций, подверженных пожару (3.6.6.3), (3.6.7.4);

– оценка несущей способности стальных конструкций с дефектами и повреждениями (3.7.4);

– признаки аварийного состояния стальных конструкций (3.8.5).

В пособии [19] также представлен большой раздел приложений с многочисленными справочниками данными из разных источников.

Ниже в п. 2.8; п. 2.9; п. 2.10; п. 2.11; п. 2.12 приведены примеры усиления стальных конструкций зданий и сооружений как при «малой», так и при «полной» реконструкциях (определение видов реконструкции приведено выше в п. 2.1).

В приложении П.1 приведен из [12] алгоритм оценки прочности стальных конструкций инженерных сооружений, имеющих повреждения. Рассмотрены центрально растянутые и центрально сжатые и изгибаемые элементы, подверженные коррозии, а также сжатые сплошностенчатые стержни с общими погибями.

В приложении П.2 приведен из [12]алгоритм оценки деформативности усиливаемых стальных балок инженерных сооружений с использованием сварки при частичной разгрузке перед усилением.