Лекція 7 Підсилення дерев’яних конструкцій

Стояки та стіни

Найчастіше дерев'яні стояки руйнуються у місцях обпирання. Тому немає необхідності підсилювати конструкцію по всій висоті, а виконують реконструкцію стояків лише у місцях значного пошкодження (недостатньої несучої здатності). Найбільш простим способом підси­лення є заміна пошкодженої частини стояка дерев'яним елементом. Варіанти кріплення такого протеза можуть бути різними (рис. 7.1): на болтах; хомутах або на накладках упритул. При такому методі під­силення пошкоджена частина стояка видаляється. Стяжні болти вста­новлюються в заздалегідь просвердлені отвори, а гідроізоляція виконується 3...4 шарами руберойду або толю.

Рис. 7.1. Заміна нриопорної пошкодженої ділянки стояка: а — в півдерева на болтах; б — на хомутах; в - на накладках: 1 — стояк, що підсилюється; 2— новин елемент; 3— стяжні болти з шайбами; 4- - існуючий фундамент: 5 — гідроізоляція; 6 — стяжні хомути; 7 — металеві або дерев'яні накладки.

Пошкоджена частина стояка може бути замінена протезом, ви­конаним із іншого матеріалу. Частіше з цією метою використову­ють металеві обойми з прокатних профілів (рис. 7.2, а), рідше — залізобетонні пасинки (рис. 7.2, б). Пошкоджена частина деревини при цьому може відновлюватись або зовсім видалятись.

Аналогічним методом можуть підсилюватися і наскрізні де­рев'яні стояки. Такі стояки реконструюються шляхом заміни по­шкодженої приопорної частини на металевий елемент (рис. 7.3).

Підсилення вищеназваними методами повинне виконуватись при повністю розвантажених та вивішених стояках.

Якщо є необхідність підсилення дерев'яних стояків по всій висоті (у разі пошкодження чи збільшення навантаження після реконструкції), використовують метод нарощування поперечного пере­різу або розвантажування конструкції шляхом установлення додаткових елементів.

Нарощування може здійснюватись як за допомогою дерев'яних накладок (рис. 7.4, а), так і металевих прокатних профілів (рис. 7.4, б). Конструкції, що підсилюються при цьому, повинні бути максимально розвантажені, а отвори для стяжних болтів завчасно просвердлені. Стяжні болти та цвяхи при такому методі підсилення працюють як нагелі й забезпечують сумісну роботу мате­ріалу конструкції і підсилення, тому особливу увагу слід звертати на якість виконання цих з'єднань.

Рис. 7.2. Підсилення опорної частини стояків: а— обоймами із швелерів; б — залізобетонними пасинками: 1 — стояк, що реконструюється; 2 — відновлена частина деревини; 3— обойма зі швелерів; 4— стяжні болти; 5 — існуючий фундамент; 6— гідроізоляція; 7— видалена пошкоджена ділянка стояка; 8 — залізобетонні пасинки; 9 — скрутки з дроту;

Рис. 7.3. Установка металевого елемента на приопорну частину стояка: 1 — наскрізний стояк, що підсилюється; 2 — новий металевий елемент, зваре­ний із металевих пластин; 3 - - фундамент; 4 — анкерні болти; 5 — наявна ко­ротка прокладка; 6 — додаткові прокладки; 7 — наявні стяжні болти; 8 — нові стяжні болти; 9 — гідроізоляція

Рис. 7.4. Підсилення стояків: а —- дерев'яними накладками; б —метале­вими профілями: 1 — стояк, що підсилюється; 2 — фундамент; 3 — перекриття; 4 — дерев'яні накладки; 5 — стяжні болти; 6 ■ - цвяхи; 7 — прокладки із прокат­ного металу

Розвантажуючі конструкції у вигляді дерев'яних (рис. 7.5, а) чи металевих (рис. 7.5, б) стояків установлюються поряд існую­чих конструкцій та включаються в роботу шляхом розклинювання, влаштування розпірних плит тощо.

Рис. 7.5. Улаштування розвантажуючих стояків: а— дерев'яних; б — металевих: 1 — стояк, що реконструюється; 2— фундамент; 3— перекриття; 4 — дерев'яний стояк; 5 — лежень; 6 — дерев'яні клинці; 7 — в'язі із штаб та болтів; 8— цвяхи; 9— металевий стояк; 10— опорна металева база; 11 — розпірні гвинти; 12 — металеві пластини, приварені до бази; 13 — анкери

Простим методом підсилення суцільних стояків є влаштування дерев'яних підкосів (рис. 7.6). Гнучкість існуючої конструкції при цьому методі зміни розрахункової схеми зменшується, її жорсткість у площині підсилення збільшується і несуча здатність зростає.

Рис. 7.6. Установка дерев'яних підкосів: 1 — гнучкий дерев'яний стояк, що підсилюється; 2 — фундамент; 3 — перекриття; 4 — дерев'яні

Наскрізні дерев'яні стояки підсилюються аналогічними методами. Такі конструкції за рахунок обшивки їх фанерою (рис. 7.7, а) чи дошками (рис. 7.7, б) можуть бути перетворені у суцільні (з внутрішніми отворами). При цьому поліпшується робота окремих гілок наскрізної системи, а також збільшується поперечний переріз стояків.

Дерев'яні стіни із брусів чи колод реконструюють шляхом заміни нижніх пошкоджених вінців. Для цього стіни в місцях заміни елементів виважують, тобто навантаження від стін передають на тимчасові опори, пошкоджені бруси або колоди видаляються та замінюються на нові. Після цього тимчасові опори знімаються. Опори можуть бути встановлені у віконні отвори або виконуються похилими та кріпляться до додаткових брусів на стінах (рис. 7.8). Стіни виважуються за допомогою домкратів (механічних чи гідравлічних), важелів, клинців тощо. Після виконання заміни про­міжок між існуючими та новими вінцями повинен бути мінімальним, інакше після зняття навантаження з тимчасових опор та передачі їх на стіни будуть мати місце значні деформації. Це може призвести до перекосу стін, виникнення надмірних деформацій і зусиль в інших елементах будівлі.

Найбільш навантажені елементи стін — простінки — можуть втрачати свою стійкість із площини стіни. Такі пошкодження усуваються улаштуванням вертикальних стяжних брусів (рис. 7.9). В якості брусів можуть використовуватися також металеві прокатні профілі. Стяжні болти діаметром не менше ніж 16 мм установлюються через 1 м по висоті бруса. Отвори в стяжних брусах чи металевих профілях (під болти) виконують овальної форми (витягнуті у вертикальній площині) для вільної осадки стін при подальшій експлуатації.

Рис. 7.7 Підсилення наскрізних стояків обшивкою: а — фанерою; б — дошками: І — стояк,що підсилюється; 2— фундамент; З— перекриття; 4— фанера; 5 — цвяхи; 6 — перехрестні дошки

Рис. 7.8. Заміна пошкоджених нижніх ділянок стін: 1 — вінці, що замінюються; 2 — збережені вінці; 3 — фундамент; 4 — додатковий брус із врубкою; 5 — стяжні болти; 6 — опори; 7 — лежень; 8 — опорний брус із врубкою; 9 — цвяхи

Рис. 7.9. Установлення стяжних бру­сів на простінки: 1 — простінок, що втра­тив стійкість (випинається); 2 — бруси; 3 — стяжні болти; 4— гнізда; 5— шайби; 6 — отвори

Балки

Пошкоджені або ті, що не зможуть нести додаткове навантаження після реконструкції будівлі, балки перекриття можуть розвантажуватися за рахунок улаштування зверху обманного перекриття (рис. 7.10). Ідея такого підсилення полягає в тому, що існуюче перекриття в подальшому буде сприймати лише власну вагу, а нове перекриття — повне навантаження (власна вага його та корисне навантаження). Переваги такого методу підсилення наступні:

- можливість використання приміщень, що знаходяться під перекриттям, яке реконструюється, без обмежень та зупинень;

- існуюче перекриття під час реконструкції служить робочим майданчиком для влаштування нового;

- зберігається архітектура існуючого перекриття (особливо це важливо для історичних будівель);

- зменшується обсяг опоряджувальних робіт.

Рис. 7.10. Влаштування додаткового перекриття: 1 — балка існуючого перекриття; 2 — черепні бруски; 3 — накат; 4 — засипка; 5 — штукатурка; 6 — демонтована підлога; 7— металеві балки нового перекриття; 8 - лаги; 9 — підлога; 10 — підвіски

Нове перекриття не зв'язане з існуючим. Навпаки — між цими конструкціями повинен бути проміжок не менше ніж 50 мм для вільного деформування перекриття, яке зводиться. Лише в разі необхідності між конструкціями перекрить установлюють гнучкі підвіси (поз. 10 на рис. 7.10). Нове перекриття може бути виконане із різних матеріалів: дерева; прокатного металу; збірного чи монолітного залізобетону; залізобетону з жорсткою арматурою у вигля­ді двотаврів чи швелерів.

У процесі експлуатації часто трапляються випадки, коли по­шкодженими є одна або декілька (в різних місцях) балок перекриття. Таке явище пов'язане з місцевим зволоженням (наприклад, унаслідок протікань покрівлі) конструкцій. У цьому випадку, при обґрунтуванні розрахунками, є можливість передати навантаження від балки, що вийшла з ладу, на непошкоджені за допомогою роз­подільних прогонів (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Підвішування пошкоджених балок: 1 — існуючі непошкоджені балки; 2 — пошкоджена балка; 3 — прогін; 4 — стяжний болт; 5 — шайба; 6 — гайка

Зміна розрахункової схеми балок (установленням додаткових опор (рис. 7.12), створення нерозрізності в розрізних конструкціях (рис. 7.13), перетворення в раму (рис. 7.14) тощо) призводить до зменшення діючих на конструкцію зусиль, а значить, до дотримання умов міцності. Однак є ряд обмежень на використання таких методів реконструкції. Як уже вказувалось раніше, встановлення додаткових опор на своїх нових фундаментах спричиняє додаткові деформації неущільнених грунтів під ними. Це може викликати значні осадки фундаментів під опори та їх неефективність. Установлення рам вимагає значного простору зверху конструкції, що підсилюється.

Рис. 7.12. Установка додаткових опор: 1 — балка, що підсилюється; 2 — дерев'яний стояк; 3 — додаткові фундаменти під стояки; 4 — підбалка; 5 — стяжні болти; 6 — кутики; 7 — анкерні пластини; 8 — гідроізоляція

Рис. 7.13. Створення нерозрізності на опорі встановленням накладок на цвяхах: І — балки, шо реконструюються; 2 — проміжна опора; З — сталева накладка; 4 — цвяхи; 5 — дерев'яні накладки

Рис. 7.14. Підсилення балки шпренгелем у вигляді портальної рами: 1— балка, що підсилюється; 2 — шпренгель із бруса; 3 — підвіски із сталі; 4 - упори; 5— цвяхи; 6 - скоби; 7 — шайби; 8 — гайки

У ряді випадків, коли, наприклад, на покритті влаштовується мансарда або просто скатна покрівля, такий спосіб підсилення не тільки ефективний, але і доцільний у випадку підсилення міжповерхового перекриття, створення рам практично завжди неможливе через дефіцит простору. Підсилення дерев'яних балок шляхом зміни розрахункової схеми повинне проводитись при максимальному розвантаженні конструкцій, інакше перерозподіл зусиль, а значить, і зменшення їх в розрахункових перерізах буде незначним і мети не буде досягнуто.

Підсилення дерев'яних балок найефективніше виконувати методом нарощування. При такому методові підсилення не змінюється розрахункова схема, не з'являються додаткові опори та пов'язані з цим проблеми, висота конструкції зростає (якщо є така можливість) незначно або зовсім не збільшується, а розвиток перерізу здійснюється за рахунок ширини.

Нарощування перерізу може здійснюватися по всій довжині конструкції, в найбільш пошкоджених, тобто ослаблених, перерізах (як правило, такі місця знаходяться в приопорній частині) або в місцях найбільш навантажених (у середині прольоту балки). В якості матеріалу нарощування використовується дерево, метал. Дерев'яні бруси можуть установлюватись на болтах (рис. 7.14, а) чи на цвяхах (рис. 7.14, б). Металеві елементи нарощування можуть установлюватися в розтягнутій, стиснутій або в обох цих зонах. Кріпляться вони аналогічно дерев'яним — за допомогою болтів чи цвяхів (рис. 7.15).

Підсилення дерев'яних балок може виконуватись також за допомогою арматури. Вона може розміщуватися в тілі дерев'яної балки (рис. 7.16) або зовні у вигляді шпренгельної затяжки (рис. 7.17).

Рис. 7.15. Підсилення балок нарощуванням дерев'яним брусом: а— на болтах; б — на цвяхах: 1 — балка, що підсилюється; 2— дерев'яні накладки; З - стяжні болти; 4 — шайби; 5 — цвяхи

Рис. 7.16. Установлення металевих накладок: 1 — балка, що підсилюється; 2 — сталеві накладки; 3 — стяжні болти; 4 — шайба; 5 — цвяхи

У першому випадку балку розвантажують шляхом установлення по середині її прольоту тимчасової опори. В нижній частині за допомогою фрези вибирають паз для наступного встановлення в ньому арматурного стрижня. Під загнуті кінці стрижня висвердлю ють отвори. Арматурний стрижень відповідної форми (певної довжини та із загнутими кінцями) очищують від продуктів корозії, обезжирюють ацетоном і встановлюють у проектне положення на полімерному, наприклад епоксидному, клеєві. Тимчасову опору знімають після повної полімеризації клею.

Рис. 7.17. Підсилення дерев'яної балки арматурним стрижнем: 1 — балка, що підсилюється; 2 — арматура; 3 - - паз; 4 - свердловини під кінець стрижня; 5 — клей; 6 — тимчасова опора

У випадку підсилення шпренгельною затяжкою, яка, до речі, може бути одно-та двогілковою й виготовлятись як із арматурної, так і з прокатної сталі, затяжка напружується або шляхом затягування опорних гайок (рис. 7.18), або стягуванням гілок затяжки між собою (аналогічно методу підсилення залізобетонних балок).

Приопорні частини балок можуть підсилюватися протезами із прокатних профілів та дерев'яних брусів (аналогічно прольотним частинам балок), а також шляхом установленням пруткових протезів (рис. 7.19), залізобетонних протезів різного профілю. Такі протези в перерізі можуть мати П-подібний контур, бути виготовлені у вигляді двох вертикальних залізобетонних накладок або у вигляді залізобетонної плити, що кріпиться зверху конструкції, яка підсилюється (рис. 7.20).

Рис. 7.18. Улаштування шпренгельної затяжки: 1 — балка, що підсилюється; 2-— підрізка в балці; 3 — затяжка; 4 —- у порний кутик; 5 — підкладка у вигляді котка, привареного до пластини; 6 — гайка для натягування затяжки; 7 — контргайка

Ферми

Кроквяні дерев'яні та металодерев'яні ферми вирізняються великою різноманітністю.

Вони мають різні прольоти, обриси, решітку і навіть матеріали (дерево чи метал) різних елементів конструкцій. Однак, незважаючи на все це, підсилення окремих елементів та конструкцій у цілому, як правило, зводиться до встановлення дерев'яних чи металевих протезів.

Стиснуті елементи ферм найчастіше підсилюються (аналогічно дерев'яним стійкам) шляхом накладання дерев'яних (рідше — металевих) протезів (рис. 7.21). Для включення елементів підсилення в роботу перед їх установленням елемент ферми, що підсилюється, має бути максимально розвантаженим, а з'єднувальні елементи (цвяхи, болти з гайками, шурупи тощо) повинні надійно передавати зсувні зусилля.

Рис. 7.19. Прутковий протез на приопорній частині дерев'яної балки: 1 — балка, що підсилюється; 2 — частина балки, що видаляється; 3 — несуча стіна; 4 — гніздо в стіні; 5 — тимчасовий розвантажуючий стояк; 6 — кінцевий прутковий протез; 7 — опорний швелер; 8 — опорний елемент (швелер із ребром жорсткості); 9 — рухома штаба; 10—цвяхи; 11 — опорна подушка; 12 —частина гнізда, що закладається; 13 — підрізка балки знизу; 14 — вільний проміжок (120... 140 мм) — заповнюється бетоном

Рис. 7.20. Підсилення опорної частини балки залізобетонною плитою: 1 — балка, що реконструюється; 2 — пошкоджена частина (видаляється); 3 — несуча стіна; 4— штраба; 5— тимчасовий стояк; 6— протез у вигляді залізобетонної плиті:; 7— отвори в плиті; 8— швелери; 9— стяжні болти; 10 — шайби; 11 — розчин

Рис. 7.21. Підсилення стиснутих елементів кроквяних ферм накладками: а — дерев'яними; б — металевими: 1 —- елемент, що підсилюється; 2 — дерев'яні накладки; 3 — болти з гайками; 4 — металеві швелери.

Розтягнутий нижній пояс доцільно підсилювати металевою затяжкою, яка закріплюється в опорних вузлах ферми (рис. 7.22). Попереднє напруження в елементі підсилення може створюватись різними шляхами: затягуванням гайок на опорах; розігрівом гілок затяжки та фіксуванням її кінців у такому стані; стягуванням гілок затяжок між собою (за наявності двох стрижнів із кожної сторони); відтягуванням стрижнів від пояса в горизонтальному напрямі тощо.

Проміжні та опорні (які найбільш часто пошкоджуються) вузли ферм підсилюються встановленням металевих протезів, що замінюють прокородовану деревину (рис. 7.23).

Дерев'яні ферми часто мають пошкодження у вигляді зрізування деревини у лобовій врубці опорного вузла. В таких випадках по-цільно лобову врубку замінити на лобовий упор (рис. 7.24). При такому виді підсилення металевий тяж прикріплюється до закладної деталі, влаштованої за допомогою двох пластин з обох боків нижнього пояса. Попередній натяг тяжа здійснюється затягуванням гайки, яка розміщена на торці нижнього пояса ферми (поз. 6 на рис. 7.24).

Рис. 7.22. Підсилення нижнього пояса ферми металевою затяжкою: 1 — нижній пояс; 2 — сталеві тяжі; 3 — металеві траверси; 4 — гайки з шайбами

Рис. 7.23. Установлення металевого протеза на опорний вузол ферми: 1 — сталевий протез; 2 — зварювальні шви; 3 — болти.

Рис. 7.24. Перетворення лобової врізки на лобовий упор: 1 — площина сколювання деревини; 2 — металева траверса із швелера; 3 — металеві пластини з двох сторін нижнього пояса; 4 — болти з гайками та шайбами;5— сталевий тяж; 6 — натяжна гайка з шайбою

7.4 Кроквяна система

Окремі елементи будівельних конструкцій кроквяної системи будівлі сприймають згинаючі, розтягуючі чи стискаючі зусилля. Підсилення їх виконується аналогічно вищенаведеним схемам реконструкції стояків або балок.

Найчастіше найбільш економічним та простим у виконанні робіт є нарощування елементів крокв дерев'яними (рідше металевими) накладками, що закріплюються за допомогою цвяхів, шурупів, болтів тощо (рис. 7.25). Перед установкою підсилюючих елементів (накладок) конструкцію слід максимально розвантажити. Розвантаження виконується з метою усунення набутого під час експлуатації прогину шляхом постановки додаткових тимчасових опор. Після включення в роботу додаткових накладок ці опори знімаються.

Рис. 7.25. Улаштування дерев'яних накладок на кроквяну ногу: 1 — нога; 2 - тимчасовий розвантажуючий підкіс; 3— дерев'яні накладки; 4 — цвяхи; 5 — обрешітка

Кроквяна система складається з певної кількості окремих елементів, об'єднаних у систему. Підсилення такої системи часто буває ефективним шляхом уведення нових конструкцій: розвантажуючих підкосів (рис. 7.25), стояків, підвісок тощо. В такій системі може корінним чином змінюватися напружено-деформований стан окремих стрижнів: стиснуті елементи можуть стати розтягнутими та навпаки, тому обов'язково необхідними є перевірні розрахунки всіх елементів кроквяної системи.

Окремі елементи системи можуть бути перетворені у складні несучі конструкції — ферми, арки,.рами. На рисунку 7.26 показаний варіант перетворення кроквяної ноги в плоску ферму. Нова конструкція має значно більшу несучу здатність та жорсткість.

Ефективним є об'єднання конструкцій кроквяної системи з конструкціями перекриття горища в одну плоску чи просторову стрижневу систему. При цьому опорні частини кроквяних ніг об'єднуються з опорними частинами балок, а балки, що перетворюються в нижній пояс ферми, повинні бути надійно зв'язані між собою.

Рис. 7.26. Установлення додаткових елементів кроквяної системи: 1 — кроквяна нога, що підсилюється; 2— розвантажуюча дерев'яна балка; 3 — підкіс із бруса; 4 — опорний лежень; 5 — скоби; 6 — цвяхи

Рис. 7.27. Улаштування ферми на кроквяній нозі: 1 — кроквяна нога, що підсилюється; 2 — нижній пояс із дошок; 3 — прокладки (брус); 4 — прокладки із дошок; 5 — розріджена решітчаста стінка; 6 — мауерлат; 7 — цвяхи