Эксплуатация и усиление деревянных горизонтальных конструкций: балок, стропил, перекрытий
Балки, перекрытия, фермы относятся к горизонтальным элементам, рассчитываемым на изгиб в отличие от вертикальных элементов (стен и колонн), рассчитываемых на сжатие. Поэтому они не только являются (наряду со стенами и крышами) основными несущими и конструктивными элементами зданий, но и работают в наиболее сложных условиях загружения.
Они отличаются материалами и разнообразными конструктивными решениями. Их износ, а также увеличение полезных нагрузок при реконструкции сооружений и установке нового технологического оборудования, выявление дефектов, допущенных в проекте и при возведении, приводят к необходимости ремонта или усиления. При выборе способа усиления любых несущих конструкций должны быть учтены многие факторы, и прежде всего обеспечены:
технологичность конструктивных решений усиления, серийность и простота изготовления новых конструкций;
необходимые монтажные средства;
высокое качество ремонтных работ;
ремонтопригодность новой конструкции.
Следует учесть также возможность осуществления профилактических мер как временного, так и постоянного характера, в частности снятие или уменьшение временных и постоянных нагрузок на ремонтируемые конструкции (тогда при загрузке элементы усиления лучше включаются в работу), очистка их от снега, пыли, ограничение их грузоподъемности, а также устранение технологических воздействий путем снижения агрессивности среды, перепадов температур и т. п.
Эффективность выбранного способа усиления любых конструкций, затраты на его проведение, как и на ремонтные работы в целом, трудно точно заранее определить по действующим расценкам из-за плохо поддающихся расчету убытков вследствие нарушения ритма эксплуатации, непредвиденных осложнений при ремонте и пр.
|
|
Особое внимание в ходе эксплуатации изгибаемых элементов обращается на состояние их узлов опирания, т.к. именно через них передается нагрузка на сжатые элементы сооружения. Наиболее часто различные дефекты возникают при недостаточной площади опирания, что, как правило, вызвано недопустимым отклонением сжатых элементов от вертикали, некачественным выполнением оголовков колонн и др. причинами.
Узлы опирания горизонтальных элементов – наиболее ответственный участок любого усиления, поскольку здесь происходит передача нагрузки между элементами, работающими в совершенно различных расчетных схемах: на сжатие (вертикальные элементы) и на изгиб (горизонтальные элементы).
Основные способы усиления балок
Способ Характеристика способа Условия применения
Установка дополнительных Для уменьшения пролетов Кроме железобетонных балок
опор балок и моментов инерции
Увеличение сечения балок Дополнительные накладки Пригоден для любых балок
Установка тяжей, обетонирование Для усиления
шпренгелей, шарнирно Разгрузка балок с помощью железобетонных и других
-стержневых систем предварительно-напряженных балок
тяжей, шпренгелей, шарнирно
стержневых систем
Изменение конструктивной Замена шарнирного сопряжения Кроме деревянных балок
схемы балок на опорах балок
|
|
Деревянные балки междуэтажных и чердачных перекрытий
. В качестве несущих конструкций в междуэтажных и чердачных перекрытиях жилых и общественных малоэтажных зданий применяют балки из брусьев, изготовляемые по ГОСТ 4981-69. В практике строительства применяются два основных варианта расположения балок в перекрытиях: поперек здания с опиранием на наружные и внутренние несущие стены или на кирпичные столбы и вдоль здания с опиранием на поперечные несущие стены или на прогоны. Наиболее часто наблюдаемый дефект — загнивание из-за конденсационного увлажнения концов балок, заделанных в наружные стены.
Протекание кровли в местах расположения настенных желобов и водосточных воронок также ведет к загниванию древесины. Такая далеко не совершенная конструкция кровли требует постоянного наблюдения и обслуживания в процессе эксплуатации: своевременная очистка желобов от листьев и мусора, удаление образующейся зимой наледи и т.п
Свес кровли на деревянной обрешетке
Разрез веса кровли на деревянной обрешетке1) карнизная доска, занижена; 2) фальшппанка из оцинкованной стали; 3) капельник; 4) круглое окончание свеса кровли с обратной окантовкой; 5) подвесной желоб, крепление желоба; 6) кляммер крепится непосредственно над капельником; 7) капельник из зоны продуха
Практика эксплуатации показывает, что лежачие фальцы стальной кровли при минимально допускаемом нормами уклоне настенных желобов 2 % не обладают необходимой герметичностью. При засорении, наледи и возникающих вследствие этого застоях воды в этих местах наблюдаются протечки, вызывающие увлажнение концов балок чердачного перекрытия и вышерасположенных концов стропильных ног.
|
|
В одноэтажных и двухэтажных зданиях со стальной кровлей, как правило, не устраиваются настенные желоба, считается целесообразней осуществлять неорганизованный сток воды. При этом для предохранения стен от намокания рекомендуется увеличить вылет карниза до 70…80 см.
Существенное значение для предупреждения увлажнения имеет наличие вентиляции в междуэтажных перекрытиях. При отсутствии вентиляционных розеток в углах помещения, особенно в случаях укладки пола без лаг, при увлажнении создаются благоприятные условия для развития дереворазрушающих грибов.
При наличии деревянных чердачных перекрытий недопустимо устройство парапетов, расположенных перпендикулярно скату стальной кровли.
Распространенным примером является загнивание концов балок в местах их заделки у парапетных стен. Недопустима также установка по направлению ската каких-либо сплошных рекламных щитов, способствующих образованию снеговых мешков.
В чердачных перекрытиях наблюдаются случаи загнивания балок при недостаточной толщине утепляющего слоя — образуется конденсат, увлажняющий балки и накат. Причиной загнивания балок может быть также неправильная укладка пароизоляционного слоя в чердачном перекрытии, например, когда пароизоляционный слой у балок загнут кверху, из-за чего вдоль боковых поверхностей балок образовались пазухи, в которых происходит конденсация водяных паров.
Пример неправильной укладки пароизоляционного слоя в чердачном перекрытии:
I — пароизол; 2 — балка перекрытия с пазухами
При укладке вентиляционных коробов в покрытии необходимо выполнять тщательную теплоизоляцию, чтобы теплый воздух из коробов не проникал в чердачное пространство и при минусовой температуре в чердачном помещении на внутренней поверхности стапьной кровли не образовывался обильный конденсат, вызывающий сильное увлажнение балок и наката.
Характерные дефекты и повреждения деревянных балок
Схема повреждения Причина повреждения
Загнивание балок междуэтажного и чердачных перекрытий
Причина повреждения
Использование при строительстве сырой древесины, влажностью более 25%. Закупорка торца балки антисептиком и гидроизоляцией исключающей высыхание древесины. Увлажнение балки от кладки, например, при протечке кровли и т. п.
Загнивание балок и пола первого этажа
Причина повреждения
Использование при строительстве сырой древесины, влажностью более 25%. Закупорка торца балки антисептиком и гидроизоляцией исключающей высыхание древесины. Плохая вентиляция подполья, поражение древесины грибком
Загнивание стропильных ног и мауэрлата
Причина повреждения
Использование при строительстве сырой древесины, влажностью более 25% и недостаточная вентиляция чердака (высоко расположены слуховые окна, мала их площадь и т. п.) Отсутствие гидроизоляционного слоя между древесиной и кладкой и увлажнение древесины от кладки. Увлажнение древесины (стропильных ног и мауэрлата) при протечке кровли
Недопустимый прогиб балок, изгиб стоек. Разрыв растянутых элементов конструкций
Причина повреждения
Превышение величины расчетной нагрузи. Несоответствие фактической работы конструкции принятой расчетной схеме или качества строительных материалов проекту
В основу разработки технической документации по усилению деревянных конструкций должны быть положены следующие принципы:
— обеспечение существующих габаритов помещений, исключение дополнительной установки стоек или подкосов (кроме временных на период производства работ);
— установка усиленных конструкций, которые должны полностью (либо частично) выполнять свои первоначальные функции, (в случае частичного усиления решается вопрос об уменьшении шага конструкций путем подведения аналогичных по очертанию новых конструкций);
— проведение работ по усилению без нарушения технологического режима здания, используя минимальную площадь «захватки» для производства работ;
— решения усиления для однотипных конструкций с одинаковыми дефектами должны быть унифицированы и отличаться лишь объемами работы;
— недопустима разработка вариантов временного усиления (на 2—3 года), допустимо только временное раскрепление;
— усиленные конструкции должны удовлетворять требованиям действующих нормативных документов на момент реконструкции.
Укладка (опирание) деревянных балок на стены: а — на наружную стену при глухой заделке, б — на наружную стену при открытой заделке, в — на внутреннюю несущую стену впритык, г — на внутреннюю несущую стену вразбежку; 1 — наружная стена (каменная), 2 — слой раствора, 3 — балка, 4 — гвозди, 5 — анкер (металлическая накладка), 6 — два слоя толя на мастике, 7 — внутренняя несущая стена, 8 — слой толя на мастике.
Усиление деревянных балок и стропил чаще всего производится по их концам: концы балок, заделанные в кирпичные стены, загнивают вследствие использования сырой древесины, закупорки торцов, увлажнения балок влагой кирпичной кладки или атмосферными осадками и т. п.
Можно выделить два варианта усиления (протезирования) балок: накладками и прутковыми протезами. Первый способ применяют при усилении одиночных балок, а второй — многих балок, когда протезы заготавливают в механических мастерских. В обоих случаях сгнившие концы балок удаляют, до начала протезирования перекрытия укрепляют временными стойками. Древесину, пораженную грибами, необходимо немедленно сжечь, а для усиления рекомендуется воздушно-сухая или антисептированная древесина.
Методы усиления деревянных конструкций квалифицируются по двум признакам: без изменения, с изменением схемы работы.
Метод усиления без изменений схемы работы применяется, как правило, при локальных повреждениях конструкций. При этом производится установка дополнительных крепежных механических связей; дополнительных смежных элементов по боковым плоскостям усиляемой конструкции; устраиваются протезы для сгнивших опорных узлов балок, заделанных в кирпичные стены. При этом наиболее рациональным решением протеза является консоль из металлического профиля (уголок, швеллер), закрепленная в кирпичной стене, свободный конец которой является опорой для укороченной до здоровой древесины балки. Используются металлические протезы для усиления опор зон треугольных ферм.
Для повышения сопротивления балок или сжато-изгибаемых элементов ферм сдвигу на приопорных участках, где поперечная сила достигает максимального значения, а также, чтобы повысить сопротивление растяжению поперек волокон в гнутоклееных изгибаемых конструкциях применяется установка металлических стержней на эпоксидном клее. Технология вклеивания заключается в засверливании вертикальных или наклонных (направление наклона должно обеспечивать растяжение стержня) отверстий, диаметр которых на 5 мм больше диаметра стержня из арматуры периодического профиля. После очистки отверстия от стружки и пыли в нижний выход вставляется деревянная пробка. Клей, объем которого определяется расчетом по высверленному отверстию, вводится шприцем. Для обеспечения подъема клея, вытесняемого вводимым стержнем, желательно, чтобы стержень имел профрезерованные по длине пазы прямоугольного сечения.
Метод усиления с изменением схемы работы заключается в введении дополнительных элементов, изменяющих расчетную схему конструкции.
Наращивание опорной части деревянными накладками
Наращивание опорной части металлическими накладками
Установка надбалок и подбалок
Установка прутковых протезов
Установка концевых протезов из прокатных профилей
Безраскосная ферма при наличии повреждения верхнего пояса может быть превращена в раскосную ферму; рамная конструкция с аварийным карнизным узлом — в подкосную раму. Балка со значительным прогибом может быть усилена шпренгелем.
На рисунке приведен вариант усиления гнутоклееной части полурамы с использованием внешнего армирования. Принцип усиления заключается в передаче растягивающих усилий на арматуру, закрепленную на анкере — металлической детали с арматурными стержнями, вклеенными во взаимно перпендикулярном направлении в древесину под углом 45° к направлению волокон. При этом один стержень работает на продавливание, а другой — на выдергивание. Требуемая расчетная высота усиливаемого сечения и предварительное натяжение осуществляются винтами, закрепленными в зоне усиления.
Усиление несущих конструкций изменением расчетной схемы: а — усиление безраскосной фермы (трехшарнирной арки) с расслоением клееного верхнего пояса; б — усиление трехшарнирной рамы с аварийным карнизным узлом; в — усиление балки шпренгелем; 1 — подбалка из древесины;2 подкос из древесины; 3 тяж из арматуры; 4 — деревянный подкос; 5 — металлическая растянутая деталь; 6 — стойка; 7 — затяжки из арматуры
При всех вариантах усиления с изменением или без изменения расчетной схемы качественное исполнение работ требует выполнения следующих основных операций:
— максимально возможная разгрузка конструкций от временных и постоянных нагрузок;
— «вывешивание» конструкции домкратами с помощью промежуточных опор при необходимости опорных узлов в проектное положение с обследованием и ремонтом;
— создание домкратами некоторого обратного выгиба, величина которого зависит от типа конструкции, места и способа усиления, а также замера выгиба в определенных местах с точностью до 0,1 мм;
— после выполнения усиления необходимо замерить вертикальные деформации с точностью до 0,1 мм в процессе снятия нагрузки с домкратов.
Только по анализу этих деформаций можно сделать вывод о качестве усиления и возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.
Схема усиления карнизного узла гнутоклееной рамы: 1 — габарит здания; 2 фрагмент гнутоклееной рамы; 3 — металлическая деталь с V-образными вклеенными стержнями; 4 — стойки для натяжения арматуры; 5 — внешняя арматура
Для увеличения несущей способности стропильных ног как в наслонных, так и висячих стропильных системах применяют установку разгружающих балок (подмог), двухсторонних накладок и подкосов.
Как показывают многочисленные поверочные расчеты, стропила в пролете между мауэрлатной балкой и подстропильной ногой с размерами сечения, подобранными по прочностным характеристикам, часто не проходили расчет на прогиб и приходилось увеличивать их высоту.
Изготовить стропильную ногу переменного сечения можно включением в нее подмоги.
Подмогу крепят в пролете между мауэрлатом и подстропильной ногой, ее высотой добирают высоту сечения стропила, чтобы оно проходило по расчету на прогиб. Крепление подмог производится болтовыми хомутами или металлическими зубчатыми пластинами.
Установка протезов в пролете балки
Установка шпренгелей
Усиление растянутых деревянных элементов конструкций
Усиление стропильных ног подмогой
Усиление опорного узла путем увеличения ширины стропила
Усиление низа стропильной ноги установкой дополнительных подкосов
В неразрезной стропильной ноге, как правило, возникает необходимость усилить узел ее опирания на подкос. По расчетной схеме в узле опирания на подкос возникает наибольший изгибающий момент. Если усиление не выполнить вовремя, впоследствии придется увеличивать сечение всей стропильной ноги. Прогиба в этом узле нет, поэтому можно увеличить не высоту стропила, а его ширину, путем закрепления двусторонних дощатых накладок.
Ширина накладок подбирается при расчете сечения стропила на максимальный изгибающий момент. Накладки крепятся гвоздевым боем, болтами или, как и в предыдущем случае, болтовыми хомутами. Если стропило уже усиливается подмогой, то ее нужно сделать длиннее и вывести край за узел опирания на покос. В этом случае решается сразу две задачи: усиление опорного узла и прогиба в пролете.
Усиление стропильных ног и мауэрлатов может быть осуществлено по одному из трех вариантов: с помощью деревянных накладок на стропильные ноги; прутковыми протезами, как и деревянными балками; посредством накладок и подбалки. Во всех вариантах кровля разбирается захватками, так чтобы работы закончить в течение дня и не замочить перекрытие возможными атмосферными осадками.
При реконструкции кровли под более крутой скат устанавливают новые стропила, сращивая их со старыми (если они не сгнили) дощато-гвоздевой перекрестной стенкой. Новые стропила могут быть введены, как поверх старых стропил, так и ниже их. Образующаяся при этом ферма обеспечивает не только новый уклон, но и повышенную жесткость стропильной конструкции. Этот метод позволяет не разбирать старую крышу и ускоряет работы, но и подкрышное пространство не увеличивает. Если целью изменения уклона скатов было устройство мансарды, то объем чердака останется прежним.
Усиление стропил устройством дощато-гвоздевой фермы
Если обследованием выявлено, что конец стропильной ноги подгнивает, опирание на мауэрлат получается ненадежным, в этом случае к нижнему концу стропильной ноги можно прикрепить дополнительные подкосы, которые упирают в ту же мауэрлатную балку или в дополнительный лежень. Рекомендуется раздвигать нижние концы дополнительных подкосов — они обеспечивают лучшую устойчивость стропила. А подкосы, опертые на дополнительный лежень, частично могут уменьшить прогиб стропила в пролете между подстропильной ногой и мауэрлатом. Дополнительные подкосы крепят гвоздевым боем с опиранием в прибоины на стропиле.
При использовании в строительстве крыши сырой древесины (влажностью более 25%) и недостаточной вентиляции холодного чердака, при высоко расположенных слуховых окнах, малой их площади, либо при отсутствии чердачных продухов, возможно загнивание нижнего конца стропильных ног или мауэрлата.
Также загнивание может наступить при отсутствии или повреждении пароизоляции и воздушных продухов в конструкции утепленной мансардной крыши или закупоривание их концов. Либо при увлажнении древесины стропильных ног и мауэрлата в крышах любого типа при протечке кровли, либо при отсутствие гидроизоляционного слоя между древесиной и кладкой стены и увлажнение древесины от кладки.
Существует несколько способов восстановления и усиления локально поврежденных деревянных конструкций.
Ремонт узла опирания стропил на мауэрлат накладками и протезами
Ремонт узла опирания стропил при повреждении мауэрлата
Применение деревянных накладок эффективно при одиночном повреждении стропильных ног. Усиление проводят путем установки усиливающих деревянных накладок с закреплением болтами или гвоздевым боем. Опирание накладок на мауэрлат должно быть всем торцом с последующей установкой проволочной скрутки.
Использование прутковых протезов позволяет усилить конструкцию при массовом повреждении стропильных ног. До начала работ поврежденную стропильную ногу укрепляют на временных опорах, разбирают покрытие и выпиливают сгнившую часть стропильной ноги. Протез надевают на стропильную ногу и укладывают на мауэрлат. Спиленный торец стропильной ноги упирают в опорную площадку протеза, которая предотвращает ее сползание. Жесткость верхнего сжатого пояса протеза обеспечивает подкосная решетка.
К усилению накладками, опирающимися на балку, прибегают при необходимости замены сгнившего участка мауэрлата и конца стропильной ноги. До начала работ стропильную ногу укрепляют временными опорами, вырезают сгнившие участки ноги и мауэрлата, забивают в кладку костыли и укладывают на них балку длиной 1 м. Если конструкция стен и перекрытия позволяет, а чаще всего это именно так, то на стену или перекрытие укладывают метровый кусок лежня. В эту балку упирают два подкоса, закрепленные на гвоздях по обе стороны стропильной ноги. Обрешетку поддерживают новой удлиненной кобылкой
Устройство нормального процесса воздухообмена в чердачной крыше
При недостаточном воздухообмене чердачного помещения, а вследствие этого развитии грибковых спор и загнивания древесины деревянных конструкций крыши проводят ряд мероприятий для восстановления вентиляции.
Следует изучить характер движения воздуха в чердачном помещении, определить температуру воздуха на верхней границе утеплителя (она не должна превышать 2°С при любой отрицательной температуре наружного воздуха) и устроить дополнительные продухи и слуховые окна. Площадь сечения слуховых окон и продухов должна составлять 1/300–1/500 площади чердачного перекрытия.
Ширина продухов должна быть в пределах 2–2,5 см. Нужно измерить и при необходимости увеличить до расчетной толщину утеплителя. Слежавшийся утеплитель необходимо разрыхлять примерно один раз в пять лет. У наружных стен при ширине до 1 м толщина его может быть увеличена до 50% выше расчетной. Следует проверить и, если необходимо, то восстановить пароизоляцию под слоем утеплителя.