PL232807B1 - Sposób wzmocnienia dźwigara kratownicowego, zwłaszcza stalowego i konstrukcja wzmacniająca - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób aktywnego wzmocnienia kratownicowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego charakteryzujący się tym, że obustronnie na obu końcach elementu konstrukcyjnego mocuje się bloki podporowe, do których następnie wzdłuż obu stron elementu konstrukcyjnego mocuje się pasy górne (2) konstrukcji wzmacniającej, wykonanej w ten sposób, że do każdego z pasów górnych mocuje się ramiona co najmniej dwóch kozłów oporowych (3), których dolne wierzchołki łączy się ze sobą za pomocą elementów sprężających, zaś pasy górne łączy się ze sobą dystansowo. Przedmiotem wynalazku jest także konstrukcja wzmacniająca wykonana tym sposobem.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmocnienia kratownicowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego i konstrukcja wzmacniająca, mające zastosowanie zarówno w budownictwie mieszkaniowym, jak i przemysłowym, szczególnie w naprawach i wzmocnieniach kratownicowych konstrukcji stalowych, powszechnie stosowanych jako elementy nośne dachów w obiektach halowych.

W wyniku działania ognia (pożaru), korozji lub innych losowych przyczyn zewnętrznych, dźwigary kratownicowe mogą ulegać uszkodzeniom powodującym zniszczenie fragmentu konstrukcji lub utratę nośności, szczególnie w zakresie prętów skratowania istniejących dźwigarów kratowych.

Stosowane powszechnie metody wzmacniania konstrukcji stalowych polegają głównie na dodaniu do istniejących słabych, lub uznanych za wadliwe fragmentów konstrukcji stalowej dodatkowych elementów w postaci blach lub typowych profili ze stalowych kształtowników walcowanych, które z istniejącym elementem łączone są najczęściej za pomocą technik spawalniczych. Sposób rozmieszczenia i rodzaj zastosowanych dodatkowych elementów wzmacniających powoduje w pierwszej kolejności zwiększenie przekroju pola czynnego elementów, co w konsekwencji powoduje wzrost nośności elementu w celu łącznego przenoszenia obciążeń zewnętrznych (element istniejący plus element dodatkowy), jak również wpływają najczęściej na zwiększenie sztywności istniejących elementów konstrukcyjnych. W wyniku zwiększenia sztywności prętów ściskanych w kratownicach, wzmacniane elementy konstrukcyjne wraz z nowymi stają się bardziej odporne na utratę stateczności ogólnej, istotną dla prętów ściskanych (co ma miejsce w górnych pasach kratownic), z uwagi na poprawę odporności przekroju złożonego na zjawisko wyboczenia. Dodatkowe elementy wzmacniające mogą również powodować dodatkowe podparcie istniejących prętów kratownic, co w ten sposób może przyczyniać się do zmniejszenia długości wyboczeniowej.

Stosowane są również układy, przy których zwiększenie nośności istniejących elementów konstrukcji kratownicowej realizowane jest jedynie przez modyfikację warunków podparcia ściskanych prętów skratowania lub pasów, np. przez dodanie dodatkowych elementów stężających, ograniczających efekty wyboczenia elementów, zmianę warunków podparcia itp.

Tego typu sposoby wzmocnienia istniejącej konstrukcji kratownicowej projektowane są jako wzmocnienia bierne, tzn. włączające się do procesu przenoszenia nowego obciążenia dopiero po jego zwiększeniu, co powoduje, że część obciążenia jest już wcześniej przenoszona przez element wzmacniany ze wszystkimi tego konsekwencjami w postaci np. ugięć konstrukcji, deformacji prętów ściskanych (wyboczenia).

Wyżej opisane rozwiązania techniczne wymagają zastosowanie w fazie wzmacniania konstrukcji odciążenia wzmacnianego elementu kratownicowego wchodzącego w skład konstrukcji obiektu, np. przez usunięcie elementów wyposażenia technologicznego, czy obudowy.

Znane są rozwiązania polegające na zastosowaniu dodatkowego sprzętu siłownikowego służącego do wyparcia konstrukcji w celu czasowego przejęcia obciążenia, tak aby element wzmacniany został częściowo lub też całkowicie odciążony na czas wymiany uszkodzonych elementów lub czas potrzebny do montażu dodatkowych elementów wzmacniających elementy uszkodzone (słabe//wadliwe).

W przypadku wzmacniania elementów przez dodanie dodatkowego przekroju trzeba uwzględniać istniejące na długości elementu deformacje związane z istniejącymi uszkodzeniami, odkształceniami, imperfekcjami geometrycznymi konstrukcji, co ma istotny wpływ na możliwości wykonania poprawnego połączenia. Należy również uwzględniać ograniczenia geometryczne związane z samym obiektem. Te aspekty geometryczne wpływają na znaczne wydłużenie czasu realizacji prac związanych ze wzmocnieniem konstrukcji.

W przypadku tego typu wzmocnień nie można dokonywać regulacji wartości obciążeń przejmowanych przez poszczególne elementy, zarówno dotychczasowy, jak i dodatkowy element nośny konstrukcji.

Znane jest wzmacnianie kratownic przez zastosowanie kabli sprężających, jednak i ten sposób wymaga odpowiedniego przygotowania istniejącej kratownicy do montażu zakotwień, dewiatorów rozlokowanych na długości wzmacnianej konstrukcji i sprzętu najczęściej hydraulicznego do napinania cięgien.

Sposób wzmocnienia kratownicowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego charakteryzuje się według wynalazku tym, że obustronnie na obu końcach elementu konstrukcyjnego mocuje się bloki podporowe, do których następnie wzdłuż obu stron elementu konstrukcyjnego mocuje się pasy

PL 232 807 B1 górne konstrukcji wzmacniającej. Konstrukcję wzmacniającą wykonuje się w ten sposób, że do każdego z pasów górnych mocuje się ramiona co najmniej dwóch kozłów oporowych, których dolne wierzchołki łączy się ze sobą za pomocą elementów sprężających. Pasy górne łączy się ze sobą dystansowo.

Korzystnie elementy sprężające wykonuje się w postaci cięgien napinających korzystnie wykonanych z prętów z gwintem zewnętrznym naciętym na nich i zaopatrzonych w nakrętki i przeciwnakrętki zabezpieczające.

Korzystnie elementy sprężające łączy się z kozłami oporowymi przegubowo.

Konstrukcja wzmacniająca charakteryzuje się według wynalazku tym, że zawiera dwa pasy górne, do każdego z których zamocowane są ramiona co najmniej dwóch kozłów oporowych. Dolne wierzchołki kozłów oporowych połączone są ze sobą za pomocą elementów sprężających. Pasy górne połączone są ze sobą dystansowo.

Korzystnie elementy sprężające są w postaci cięgien napinających korzystnie wykonanych z prętów z gwintem zewnętrznym naciętym na nich i zaopatrzonych w nakrętki i przeciwnakrętki zabezpieczające.

Korzystnie elementy sprężające połączone są z kozłami oporowymi przegubowo.

Proponowany sposób aktywnego wzmocnienia kratownicowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego charakteryzuje się według wynalazku tym, że przy podlegającej wzmocnieniu kratownicy umieszczane są, po obu jej stronach, dwa zewnętrzne układy wzmacniające o pasach równoległych. Wymiary tych elementów mogą być zbliżone do wysokości istniejących układów nośnych. Wymiary te są określane indywidualnie w każdym przypadku. Zewnętrzny układ wzmacniający ma za zadanie wytworzyć dodatkowych układ nośny złożony z pasa górnego wykonanego z pręta sztywnego i pasa dolnego, na który stosowany będzie pręt wiotki łączony z pozostałym układem za pomocą, umożliwiających regulację długości połączeń.

Nowy układ wzmacniający wymaga oparcia na swych obu końcach oparcia na układzie konstrukcyjnym obiektu (np. ściana, dodatkowe belki, wsporniki itp.). Podparcie to realizowane jest jako przegubowe. Po uzyskaniu dwóch punktów podparcia element jest łączony w jedną całość w pasie górnym (możliwość podziału na dowolną ilość elementów składowych) i dolnym (pręt z układem regulacji jego długości).

W zależności od ukształtowania istniejącego pasa górnego pas elementu wzmacniającego wyposażany jest w elementy zapewniające możliwość połączenia dodatkowego elementu wzmacniającego z już istniejącymi. To połączenie / podparcie liniowe istniejącego pasa górnego ma za zadanie umożliwić usztywnienie istniejącego pasa górnego, jak również przejęcie obciążeń (części lub całości) za jego pomocą. Wzmacniające elementy pasa górnego wyposażane są w co najmniej dwa trójkątne układy kozła oporowego, których wysokość może być regulowana. Kozioł umożliwia montaż pasa dolnego opisywanego wzmocnienia, który wyposażony jest w elementy zapewniające możliwość regulowania jego długości.

Zasada wzmocnienie/odciążenia/przejęcia części obciążenia/wyłączenia z pracy istniejącego dźwigara kratowego polega na odpowiednim skróceniu pręta pasa dolnego zamontowanego elementu wzmacniającego. Wprowadzone skrócenie pasa dolnego zamontowanego do kozłów oporowych powoduje ich zbliżenie się, które ograniczone jest sztywnym pasem górnym. W efekcie skrócenia pasa dolnego następuje obrót obu układów kozłowych co powoduje siłowe wyparcie nowej konstrukcji do góry. Powstały efekt wyparcia konstrukcji powoduje dociśnięcie pasa górnego wzmocnienia do pasa górnego istniejącej kratownicy. Poprzez taki efekt wyparcia następuje przejęcie przez nowy układ określonej projektowo (ustalonej z góry) części istniejącego obciążenia zewnętrznego. Powstały efekt zmniejszenia obciążenia przekłada się na zmniejszenie sił wewnętrznych w prętach istniejącej konstrukcji kratownicowej. Może to również prowadzić, w zależności od ukształtowania strefy kozła oporowego, nawet do całkowitego odciążenia prętów skratowania zlokalizowanych w ścianach bocznych.

Wielkość sprężenia układu wzmacniającego oraz wartość odciążenia istniejącego elementu regulowana jest pochodną wartości zmniejszenia początkowej odległości pomiędzy kozłami oporowymi, co techniczne realizowane jest za pośrednictwem wspomnianych cięgien napinających, co może być zrealizowane za pomocą współosiowych z osią pręta połączeń gwintowanych.

Skuteczność działania takiego układu została zweryfikowana w wyniku przeprowadzonych obliczeń analitycznych i komputerowych oraz przeprowadzonego testu badawczego potwierdzającego słuszność przyjętych założeń i skuteczność działania konstrukcji do aktywnego wzmacniania.

W celu weryfikacji wielkości obciążenia przejmowanego przez konstrukcję do aktywnego wzmocnienia możliwe jest zastosowanie metody przemieszczeniowej - na poziomie cięgien napinających

PL 232 807 B1 przez geometryczny pomiar przemieszczenia charakterystycznych punktów konstrukcji podczas skracania długości pasa dolnego oraz przez pomiar efektu podniesienia konstrukcji zarówno wzmacniającej jak i wzmacnianej.

W celu dokładnej weryfikacji przejmowanej wielkości obciążenia w układach wieloelementowych, jak również określenia wielkości odciążenia powstałego we wzmacnianych (uszkodzonych) elementów zaleca się zastosowanie metody kontroli opartej na tensometrycznych elementach pomiarowych znanych z tensometrii elektrooporowej lub podobnej. Wynalazek daje możliwość zastosowania układów pomiarowych opartych na prostych (pomiar przemieszczeń) lub bardziej zaawansowanych metodach pomiarowych (np. pomiar tensometrycznych), które umożliwiają dokonanie precyzyjnego ustalenia rozdziału obciążenia na stare i nowe elementy.

Wynalazek może być zastosowany przy wzmacnianiu również innych rodzajów konstrukcji, w tym obiektów o konstrukcji żelbetowej, jak i drewnianej, gdzie konieczne będzie wzmocnienie elementów kratownicowych, czy też nawet elementów typu belkowego jak również elementów blachownicowych, w których będzie wymagane przejęcie obciążenia z istniejących elementów konstrukcyjnych obiektu.

Dzięki zastosowaniu wynalazku możliwe jest natychmiastowe włączenie się elementów konstrukcji aktywnego wzmacniania do przenoszenia obciążenia już podczas montażu i stosownym sprężeniu układu.

Dzięki zastosowaniu wynalazku możliwe jest zapewnienie regulacji wartości przejmowanego obciążenia przez nowe, dodatkowe elementy wzmacniające, jak również regulacji wartości odciążenia przenoszonego przez elementy poddane wzmacnianiu, czy też uszkodzone.

Proponowany wynalazkiem sposób wzmacniania konstrukcji umożliwia odciążenie istniejącego układu nośnego aż do całkowitego wyłączenia się jego z przenoszenia obciążeń, podczas gdy całe obciążenie przenosić będzie nowo dodany układ wzmacniający.

Zastosowanie konstrukcji wzmacniającej według wynalazku nie wymaga konieczności zastosowania procedury odciążenia istniejącej konstrukcji lub też dodatkowego jej siłowego wyparcia (podniesienia) na czas montażu przy zastosowaniu elementów pomocniczych typu rusztowania, siłowniki, tymczasowe podpory, itp., co znacznie ogranicza potrzeby organizacyjne i sprzętowe wykonawcy robót skracając czas realizacji i naprawy.

Możliwe jest zastosowanie proponowanego rozwiązania układu wzmacniającego jako systemowy element do podpierania poszycia dachów wykonanych z blach trapezowych jak i żelbetowych płyt w przypadkach konieczności wytworzenia dodatkowej liniowej (jak również odcinkowej podpory) dla istniejącej konstrukcji poszycia.

Rozwiązanie może służyć jaki sposób na wykonywanie dodatkowych konstrukcji wsporczych dla obiektów lokalizowanych na dachach, gdzie konstrukcję nośną trzeba ukryć w obiekcie.

Rozwiązanie może być wykorzystywane do selektywnego podpierania elementów na długości (podparcie punktowe lub liniowe) (na przy realizacji przejść w płytach stropowych/blachach stalowych poszycia dachu.

Wynalazek zapewnia dopasowanie się prawie do każdej geometrii elementu wzmacnianego i warunków lokalnych instalacji. Do jego wykonania można wykorzystać standardowo dostępne w ofercie handlowej profile metalowe.

W przypadku stosowania tego rozwiązania na kilku sąsiadujących ze sobą konstrukcjach możliwe jest dokonanie regulacji położenia wysokościowego wzmacnianych elementów.

Opisywany układ wzmocnienia cechuje się brakiem konieczności przyłączania się elementami wzmacniającymi do uszkodzonego i zdeformowanego odcinka konstrukcji kratownicowej (np. pasów dolnych, prętów skratowań ścian bocznych) potrzebne połączenie następuje poza obszarem uszkodzonym lub słabym wzmacnianej konstrukcji lub za pośrednictwem dodatkowych elementów podpierających.

Zasadniczą korzyścią zastosowania wynalazku jest umożliwienie szybkiego i skutecznego wzmocnienia kratownicowej konstrukcji obiektu oraz przywrócenia obiektom pełnej funkcjonalności użytkowej w zakresie przenoszenia obciążeń bez konieczności wymiany (usuwania) elementów uszkodzonych. Wynalazek umożliwia przywrócenie wymaganej nośności konstrukcji w sytuacji, gdy niemożliwe jest dokonanie usunięcia uszkodzonego elementu lub podania go procesom spawalniczym z uwagi na jego czynny udział w przenoszeniu istniejących obciążeń lub warunki otoczenia jego usytuowania.

Zastosowanie wynalazku daje możliwość użycia zdecydowanie niewielkich sił potrzebnych do napięcia układu, niż trzeba by użyć do bezpośredniego wyparcia elementów, z tym samym skutkiem

PL 232 807 B1 geometrycznym i obciążeniowym. W wielu przypadkach możliwe będzie wykonanie sprężania przy wykorzystaniu powszechnie dostępnych narzędzi ręcznych w postaci kluczy do śrub lub kluczy zaciskowych siłą ręki pojedynczej osoby.

W większych przypadkach wymagane może być użycie zwiększonej siły, np. dłuższego ramienia klucza, lub możliwe jest w skrajnych przypadkach pras hydraulicznych do naciągania cięgien.

Po operacji sprężenia nowy układ może być połączony miejscowo z kształtownikiem pasa górnego wzmacnianej kratownicy - nadaje to zwiększona sztywności całego wspólnego przekroju, co poprawia parametry wyboczeniowe, czy też zwichrzeniowe kształtowników.

Rozwiązanie to może służyć jako sposób na usuwanie skutków błędów projektowych związanych z niedoszacowaniem obciążeń dźwigarów kratownicowych stanowiących nośną konstrukcję szczególnie dachów, w razie zastosowania nieodpowiednich, pod względem ich nośności, kształtowników tworzących układy kratownicowe. Opisywane rozwiązanie może być zastosowane w przypadku, gdy ze względu na zmianę sposobu użytkowania obiektu, jego przebudowy, lub tym podobnych sytuacji, następuje wzrost wartości obciążeń, które nie są w stanie przenieść istniejące elementy konstrukcyjne obiektu wykonane w postaci kratownic.

Opracowane rozwiązanie szczególnie nadaje się do wzmacniania kratownic o pasach równoległych. Doskonale nadaje się do wzmacniania kratownic przestrzennych - o przekroju poprzecznym opartym na planie trójkąta (kratownica trójpasowa), trapezu równoramiennego, prostokąta (kratownica czteropasowa). Rozwiązanie może być zastosowane również do modernizacji kratownic płaskich (kratownica dwupasowa).

Sposób wzmocnienia na przykładzie kratownic przestrzennych oraz konstrukcja wzmacniająca według wynalazku została bliżej przedstawiona w przykładzie wykonania na rysunku. Fig. 1 i fig. 2 przedstawiają schematycznie wzmocnienie kratownicowego elementu konstrukcyjnego we fragmencie z kozłem w różnych przypadkach oparcia, w widoku z boku:

a) fig. 1 przedstawia przykładowe rozwiązanie aktywnego układu wzmacniającego na którym przedstawiono sztywny pas górny 1, cięgno tworzące regulowanej długości pas dolny 2, kozioł oporowy za pomocą którego połączone są elementy pasa dolnego i górnego, oraz przykładowy przegubowy węzeł podporowy 4;

b) fig. 2 przedstawia przykład zastosowania połączenie konstrukcji do aktywnego wzmacniania elementu kratownicowego ze wzmacnianą przestrzenną kratownicą o trójkątnym przekroju poprzecznym.

Rozwiązanie polega na wykonaniu punktów oparcia układu wzmacniającego na istniejącej konstrukcji (ścienne/ramowej/inne) poprzez montaż przegubowych bloków podporowych 4, które lokalizowane są na obu końcach wzmacnianej kratownicy, po obu jej stronach. Następnie montowany jest metodą co najmniej połówkową pas górny 1 z przyłączonym kozłem oporowym 3. W dalszej kolejności montowane są cięgna dolne 2. W celu zapewnienia współdziałania obu układów wzmacniających element zaleca się wzajemnie połączyć przeponą w obrębie kozła oporowego 3. Po ustabilizowaniu konstrukcji i sprawdzeniu dopasowania do wzmacnianej kratownicy przystępuje się do stopniowego równomiernego napinania prętów dolnych. Elementy napinające wykonane są z prętów z gwintem zewnętrznym naciętym na nich i zaopatruje się w przeciwnakrętki zabezpieczające przed rozkręceniem się połączeń i spadkiem prowadzonej siły (skrócenia) oraz w nakrętki. Taki rodzaj połącznia umożliwia bezstopniowe i równomierne wprowadzenie siły sprężającej oraz szeroki zakres regulacji skrócenia prętów. Napinanie pasów (skrócenie) prowadzi się do momentu osiągnięcia wymaganych parametrów wzmocnienia istniejącej konstrukcji. Po operacji naprężenia prętów pasa dolnego należy zabezpieczyć elementy regulacyjne przed zmianą położenia/siły naciągu. Dzięki wynalazkowi wykorzystuje się istniejące elementy wzmacnianej konstrukcji, jako elementy, przez które przekazuje istniejące obciążenie na dodawane elementy wzmocnienia, w związku z czym nie ma potrzeby przebudowy warunków podparcia elementów oparty/przyłączonych do wzmacnianej kratownicy, a możliwa jest regulacja wzajemnego wysokościowego położenia elementów poziomych, np. możliwe jest podniesienie wzmacnianej kratownicy, np. do przejęcia obciążenia z konstrukcji w celu całkowitej wymiany „słabego” odcinka układu kratownicowego. W skrajnym przypadku może być wykorzystana jako regulowalna konstrukcja do wykonaniu operacji całkowitego usunięcia istniejącego układu kratowego np. z przyczyn technologicznych oraz wszelkiego rodzaju kolizji elementów oraz instalacji, przez co staje się zastępczym układem nośnym w obiekcie. Konstrukcja wzmacniająca może służyć wytworzenia odcinkowej podpory liniowej lub podpory punktowej w przypadku konieczności lokalnego podparcia istniejącej konstrukcji.

PL 232 807 B1

W zależności od przyjętej metody kontroli działania aktywnego wzmocnienia na elementy w punktach charakterystycznych mogą być zamontowane tensometry elektrooporowe przeznaczone do elektronicznej kontroli napięcia lub może być prowadzona kontrola przez pomiar wielkości skrócenia pasa dolnego. Może być niezależnie kontrolowana wielkość przemieszczeń całego układu w płaszczyźnie pionowej (jako redukcja ugięć wzmacnianego układu). Nie jest wymagane żadne odciążenie istniejącej konstrukcji nośnej obiektu podczas operacji montażu konstrukcji wzmacniającej oraz podczas jej napinania. Konstrukcja wzmacniająca tworzy przestrzenny dźwigar obejmujący element wzmacniany.

Konstrukcja wzmacniająca może być z wykonana z różnego rodzaju kształtowników metalowych dostępnych w handlu.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (6)

1. Sposób wzmocnienia kratownicowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego, znamienny tym, że obustronnie na obu końcach elementu konstrukcyjnego mocuje się bloki podporowe (4), do których następnie wzdłuż obu stron elementu konstrukcyjnego mocuje się pasy górne (1) konstrukcji wzmacniającej, wykonanej w ten sposób, że do każdego z pasów górnych (1) mocuje się ramiona co najmniej dwóch kozłów oporowych (3), których dolne wierzchołki łączy się ze sobą za pomocą elementów sprężających (2), zaś pasy górne (1) łączy się ze sobą dystansowo.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy sprężające (2) wykonuje się w postaci cięgien napinających korzystnie wykonanych z prętów z gwintem zewnętrznym naciętym na nich i zaopatrzonych w nakrętki i przeciwnakrętki zabezpieczające.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elementy sprężające (2) łączy się z kozłami oporowymi (3) przegubowo.

4. Konstrukcja wzmacniająca, znamienna tym, że zawiera dwa pasy górne (1), do każdego z których zamocowane są ramiona co najmniej dwóch kozłów oporowych (3), których dolne wierzchołki połączone są ze sobą za pomocą elementów sprężających (2), zaś pasy górne połączone są ze sobą dystansowo.

5. Konstrukcja według zastrz. 4, znamienna tym, że elementy sprężające (2) są w postaci cięgien napinających korzystnie wykonanych z prętów z gwintem zewnętrznym naciętym na nich i zaopatrzonych w nakrętki i przeciwnakrętki zabezpieczające.

6. Konstrukcja według zastrz. 4 albo 5, znamienna tym, że elementy sprężające (2) połączone są z kozłami oporowymi (3) przegubowo.