Основные положения по проектированию усиления МК

- допускается не усиливать элементы конструкций, гибкость которых выше предельных значений, если эти элементы не имеют искривлений, превышающих допускаемые, и усилия в этих элементах не будут возрастать, а возможность их использования проверена расчетом;
- допускается не усиливать конструкции, выполненные с отступле­ниями от конструктивных требований, если отсутствуют вызванные этими отступлениями - повреждения элементов конструкций, исключены изменения в неблагоприятную сторону условия экс­плуатации конструкций и их несущая способность подтверждена расчетом с учетом влияния дефектов;
- допускается использовать без усиления элементы, прогибы которых превышают предельные значения, но не препятствуют нормальной эксплуатации (надежной работы ограждающих конструкций, движению кранов, бесперебойной эксплуатации оборудования и т.п.).
- выполнение конструкций из стали, марка или свойства которой не со­ответствуют, не может служить основанием для замены или усиления конструкций, однако дальнейшая эксплуатация конструкций требует специального обоснования.
Основными способами усиления стальных конструкций являются:
- увеличение площади поперечного сечения отдельных эл-тов конструкции;
- изменение конструктивной схемы всего каркаса или отдельных элементов его, в результате чего меняется расчетная схема; . - регулирование напряжений.

Каждый из этих способов может применяться самостоятельно или в комбинации с другими. При выборе способа усиления и разработке проекта усиления необходимо учитывать требования монтажной техно­логичности. Основным требованием при разработке того или иного способа усиления является обеспечение совместности работы элементов усиления и усиливаемой конструкции.
Усиление увеличением сечений элементов
Усиление стальных конструкций путем увеличения сечений эле­ментов является наиболее распространенным способом увеличения не­сущей способности конструкций. Основными способами присоединения элементов усиления к усиливаемым конструкциям являются сварка или болтовые соединения, в некоторых случаях заклепки. Применение обычных болтов не гарантирует необходимую совместную работу усиливаемого и усиливающего элементов. При использование сварки необхо­димо учитывать снижение несущей способности элементов за счет их нагрева и накопления остаточных деформаций. При усилении путем увеличения сечений необходимо:
- обеспечить надежную совместную работу элементов усиления и усиливаемой конструкции;
- принятые решения не должны: затруднять проведение работ по антикоррозионной защите стальных конструкций и способствовать процессам коррозии или образованию замкнутых полостей;

- назначать места сопряжения элементов усиления из условия работы неусиленных сечений при действии расчетных нагрузок в упругой стадии, не допуская резких концентраторов напряжений в указан­ных местах;
- учитывать допустимость увеличения габаритов строительных конструкций;
- обеспечивать технологичность производства работ по усилению: доступность сварки, отсутствие потолочных швов, возможность сверления отверстий, закручивания болтов и т.п.
Усиление конструкций путей изменения конструктивной схемы
При данном способе усиление достигается перераспределением усилий и напряжений в элементах кон­струкций, что обеспечивает рациональную работу усиливаемой конст­рукции.
Изменение конструктивной схемы здания или конструкции мож­но осуществить:
- за счет изменения его поперечной или продольной схем, а иногда той и другой схем одновременно;
- изменением жесткостей отдельных конструкций и элементов или условий их прикрепления;
- поста­новкой новых связей пространственной жесткости;
- введением подкосов и жестких узлов;

- вантовых и висячих систем;
- полным изменением конст­руктивной схемы введением шпренгеля и т.д.
Применение способа усиления путем изменения конструктивной схемы позволяет проводить усиление всего сооружения (в некоторых случаях без предварительной разгрузки конструкций) и возможность ис­пользования предварительного напряжения конструкций с искусствен­ным регулированием напряжений.
Способ усиления конструкций, предусматривающий регули­рование напряжений
Данный способ позволяет уменьшить усилия, действующие в конструкции. Преимущество его состоит также в том, что усиление мо­жет производиться без разгрузки конструкции и остановки технологиче­ского процесса.
Усиление строительных конструкций является трудоемким и доро­гостоящим процессом, поэтому принятию решения по выбору способа усиления должен предшествовать тщательный анализ возможности использования суще­ствующих конструкций в новых условиях эксплуатации. Этого можно до­биться за счет более рационального размещения технологических на­грузок, применения временных приспособлений для демонтажа и мон­тажа тяжелого оборудования, принятия обоснованных ограничений на сочетание различных временных нагрузок, путем снижения эффектов динамических воздействий за счет эффективной виброизоляции и т.п.

При выборе вариантов усиления следует отдавать предпочтение решениям с четкой расчетной схемой, обеспечивающей совместную ра­боту усиливаемой конструкции с элементами усиления и позволяющей достоверно определить дополнительно воспринимаемую нагрузку. При этом рекомендации по усилению должны учитывать не только перспек­тиву увеличения нагрузок, но и ликвидировать обнаруженные на стадии обследования дефекты изготовления, монтажа и эксплуатации.
С целью сокращения объемов работ по усилению, а в некоторых случаях и отказа от усиления необходимо выявлять и использовать ре­зервы несущей способности сохраняемых конструкций путем:
- уточнения усилий, действующих в перенапряженных элементах, за счет учета пространственной работы каркаса;
- фактических условий соединения и закрепления;
- учета фактических значений нагрузок, воздействий и их сочетаний;
- уточнения прочностных характеристик материала конструкций и со­единений, фактических размеров сечений и элементов;
- включения в работу ограждающих конструкций или других вспомога­тельных элементов зданий и сооружений.
С этой целью необходимо разработать мероприятия по улучшению условий работы несущих конструкций, а именно:

- по возможности уменьшить на­грузки, действующие на все здание или отдельные элементы его (огра­ничение грузоподъемности кранов, изменение конфигурации кровли для уменьшения снеговых мешков и т.д.);
- уменьшить нагрузки от веса ограждающих конструкций путем замены их более легкими, особенно в случае их не­удовлетворительного состояния.
Элементы усиления следует проектировать с учетом их изготовле­ние в заводских условиях. В некоторых случаях допускается изготовле­ние деталей усиления с припуском и последующей обработкой на месте установки.
Прочностные характеристики стали, элементов усиления следует назначать с учетом прочностных характеристик стали усиливаемой конструкции. Если эти конструкции выполнены без сварки и отсутствуют данные, о сваривае­мости стали, то для их усиления сварку можно применять только после проведения оценки свариваемости. Применяемая для элементов усиле­ния сталь не должна уступать по качеству стали усиливаемых конст­рукций (по механическим свойствам, вязкости и свариваемости). При усилении конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, коррози­онная стойкость металла элементов усиления должна быть не ниже стойкости металла усиливаемой конструкции.

Усиление металлических балок
Усиление балок необходимо проектировать так, чтобы эпюра дей­ствующих изгибающих моментов приближалась к расчетной. При усиле­нии целесообразно усиливающие элементы располагать в зоне действия макси­мальных моментов, где это необходимо по расчету, а не по всей длине балки.
Усиление балочных конструкций можно осуществлять всеми спо­собами, применяемыми для стальных конструкций, их со­четаниями с обязательным учетом специальных мероприятий, выявляя ре­зервы несущей способности балок и возможность снижения действую­щих нагрузок.
Выбор способа усиления определяется (по верхнему или нижнему поясу):
- возможностью увеличения строительной высоты балки и наличием пространства для размещения элементов усиления;
- условиями опирания на балку элементов перекрытий или покрытий;
- возможностью выполнения работ без остановки производства или во время технологических перерывов;
- технологическими возможностями изготовления и монтажа эле­ментов усиления.

Усиление балок путем увеличения сечения
Для ба­лок наиболее рационально увеличить сечение в наиболее удаленных от нейтральной оси волокнах, при этом, если позволяют габариты увели­чить и общую высоту балки, учитывая возможную потерю общей устой­чивости. При таком усилении в большей степени возрастают мо­мент инерции и момент сопротивления балки относительно нейтральной оси.
а-г - двусторон­ние симметричные или близкие к симметричным схемы усиления
1 - усиливаемая балка; 2 - элементы усиления
При опирании настила по верхнему поясу балки возможно приме­нение схем в-л несимметричного усиления наиболее эффективного при использовании упругопластической стадии работы материала существующей конструкции или при регулировании усилий, в остальных случаях более целесообразна схема к -одностороннего усиления со значительным увеличением вы­соты сечения.

д-е - двусторон­ние симметричные схемы усиления; ж-и - двусторон­ние несимметричные схемы усиления
1 – усиливаемая балка; 2 – элементы усиления
При опирании настила по верхнему поясу балки возможно приме­нение схем несимметричного усиления наиболее эффективного при использовании упругопластической стадии работы материала существующей конструкции или при регулировании усилий, в остальных случаях более целесообразна схема одностороннего усиления со значительным увеличением вы­соты сечения.
Усиление составных сварных балок, имеющих ребра жесткости, с использованием схемы требует вырезки ребер или под­гонки элементов усиления, поэтому более рациональны в данном слу­чае схемы д, е.
При необходимости увеличения прочности верхней части стенки (в случае передачи сосредоточенных нагрузок) может быть применена схе­ма ж.

к - односторон­нее несимметричное усиление; м-н - схемы усиления с использованием бетона или фибробетона
1 - усиливаемая балка; 2 - элементы усиления; 3 - продоль­ная арматура; 4 - бетон или фибробетон; 5 - хомуты; 6 - бетон на расширяющемся цементе НЦ-400; 7 - опалубка; 8 - самонарезающие болты ∅ 6...8 мм с шагом S = 300 мм
Усиление сильно деформированных балок можно проводить увеличением их сечений при помощи бетона, железобе­тона или фибробетона (схема м). В этом случае расчет полученного сече­ния ведется как железобетонного, армированного гибкой или жест­кой арматурой.
Усиление стальных балок перекрытий можно осуществлять по схеме н, выполняя на верхней полке ж. б. элемент. Бетон изготавливается из напрягающего цемента, тем самым достигает­ся обратный выгиб балок, при этом бетонирование необходимо вести одновременно по всей длине балки. Расчет такого элемента выполняет­ся как изгибаемого ж. б. с внешней арматурой с учетом преднапряжения, вызванного расширяющимся цементом.

Усиление балок способом увеличения сечения рекомендуется про­водить только при действии постоянной нагрузки, временная нагрузка должна полностью отсутствовать. Если это, возможно, желательно до предела снизить и посто­янную нагрузку на балки. Расчет балок усиленных способом увеличения сечений может выполняться как в упругой стадии, так и с учетом разви­тия пластических деформаций, кроме балок изготовленных из кипящей стали, а также балок, эксплуатирующийся при температуре ниже – 30 °С, или работающих под действием динамических и вибрационных нагрузок.
Сталь для элементов усиления рекомендуется принимать с рас­четным сопротивлением Ry , не превышающим более чем на 15 % рас­четное сопротивление стали существующей балки. В этом случае допус­кается рассчитывать сечение как единое целое на полный изгибающий момент.
Усиление балок путем изменения конструктивной схемы
Данный способ усиления применяется с целью повышения несущей способности балок, уменьшения или более равномерного распределения в них изгибающих моментов и мало зависит от места опирания элементов настила. Изменение распределения изгибающих моментов в балках достигается путем:
- переустройства разрезной конструкции в неразрезную (схемы а, б). При таком способе усиления необходим доступ к узлам сопряже­ния. Помимо этого элементы усиления (поз. 2, 3) должны воспринимать возникающие опорные изгибающие моменты;

в-г - схемы установки дополнительных подкосов
1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 4 - дополнительные опоры в виде подкосов; 5 - усиление стенки балки в месте ее опирания на подкос
а-б - схемы переустройства разрезных конструкций в неразрезные
1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 2, 3 - сталь­ные или железобетонные элементы усиления, создающие неразрезность конструкции

д-е - схемы установки шпренгелей
1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 6 - ветви шпренгельных систем; 7 - стойки для одно- и двустоечного шпренгеля
Применения схем д, е с одно- или двустоечным шпренгелем возможно при наличии свободного пространства под центральной частью балки. Применение этих схем возможно при обеспечение раскрепления точек перегиба шпренгеля из плоскости системы. Оптимальный угол наклона одностоечного шпренгеля α=20...30 ° (балки пролетом L = 6...9 м), α=15...20 ° (балки пролетом L = 12 м). Для двустоечных шпренгелей исходя из наименьшего расхода стали а = 30 ° и расположением стоек на расстоянии с = (0,3...0,35) L от опор.
Схе­мы в, г возможны при наличии свободного пространства под балками и усиления стенки балки в месте опирания на подкос постановкой ребер жесткости. Применение этих схем зависит от несущей способности колонн и фундаментов, т. к. при коротких подкосах в колоннах при разной загрузке балок возникают изгибающие моменты от горизонталь­ной составляющей усилия в подкосе.

ж-и - схемы установки горизонтальной и шпренгельной затяжек 1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 6 - ветви шпренгельных систем;
8, 9 - устройства для анкеровки и натяжения ветви шпренгеля; 10 - талреп
Усиления балок с помощью дополнительных горизонтальных за­тяжек (ж) или шпренгельной затяжки (и) из троса, арматурных сталей или прокатных элементов с эффективным использова­нием прочности стали, работающей на растяжение. Чем больше проч­ность затяжки, тем эффективнее усиление. Сталь для затяжки принима­ется с прочностью не более чем в 4 раза превышающая прочность стали усиливаемой балки.

к-л - схемы подведения дополнительных балочных конструкций 1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 11 - дополнительно подведенные балочные конструкции усиления; 12 - подклинивающие устройства для включения элементов усиления в работу; 13 - опора для передачи нагрузки на колонну
Данные конструкции усиления включаются в совместную работу с балками с помощью домкратов и подклинок в одной или нескольких точках.
м - подведение дополнительных опор
1 - усиливаемая конструкция (балка, прогон); 14 - подведенные дополнительные опоры

Подведенные дополнительные опоры передают на­грузку на параллельно устанавливаемые двухконсольные подпруги, с соответствующим изменением пролета и расчетной схемы балки или прогона.
Практически по всех случаях усиления с изменением конструктив­ных схем целесообразно использование методов активного регулиро­вания усилий для включения в работу новых элементов.
Исходя из расхода стали способ усиления увеличением сечений наиболее выгоден при малых начальных нагрузках и незначительном, до 30...40 % увеличении временных нагрузок.
Усиление с помощью предварительного напряжения рационально при больших пролетах (L > 9,0 м), увеличение временной нагрузки до 150 % и большой доле постоянной нагрузки (g > 0,5q).
Усиление одностоечным шпренгелем может быть эффективно при большой начальной нагрузке и большом (более 200 %) увеличении вре­менной.
Усиление двустоечным шпренгелем экономично по расходу стали при малых начальных нагрузках и увеличении временной на 30 % и более.

Усиление балок постановкой дополнительных элементов – ребер жесткости
Если при увеличении нагрузок не обеспечена прочность стенки по срезу или ее устойчивость, то рекомендуется установка дополнительных поперечных (между существующими), продольных (при очень тонких стенках) или наклонных ребер жесткости.
Наклонные ребра жесткости могут использоваться как без пригонки к поясам балки, так и с пригонкой:
в первом случае они считаются не работающими на поперечную силу и служат только для обеспечения местной устойчивости;
во втором - значительно снижают касательные напряжения в стенке.
При проверке дополнительных ребер рекомендуется использовать одностороннее расположение ребер и швы минимального катета. Диа­гональные ребра, пригнанные к поясам, рекомендуется проектировать парными (двусторонними) из полосовой стали или уголков с креплением к полкам и вертикальным ребрам и устанавливать их вдоль сжатой диагонали отсека.