Cz. 2 – Wzmacnianie konstrukcji stalowych.
Sposoby modyfikacji konstrukcji
Modyfikacja konstrukcji wykonywana podczas remontów i przebudowy obiektów obejmuje zwykle:
– wzmocnienie lub lokalną wymianę elementów uszkodzonych albo o zbyt małej nośności oraz naprawę lub wzmocnienie ich połączeń;
– zmiany szkieletu (układu) konstrukcyjnego;
– wzmocnienie przekrojów i/lub połączeń elementów;
– zastosowanie odpowiednich środków ochrony zwiększających trwałość konstrukcji.
Zmiany szkieletu (układu) konstrukcyjnego w celu zwiększenia nośności lub sztywności mogą dotyczyć:
– sztywności węzłów;
– wprowadzenia dodatkowych elementów konstrukcji ograniczających wpływy niestateczności, redukujących oddziaływania lub tworzących dodatkowe ścieżki przekazywania obciążeń;
– regulacji sił wewnętrznych korektą podpór, rozporami, odciągami lub sprężeniem.
Projekt przebudowy lub wzmocnienia konstrukcji powinien, wykorzystując wyniki ekspertyzy technicznej, zawierać najbardziej racjonalne zmiany szkieletu konstrukcyjnego lub wzmocnienia, pozwalające na uzyskanie projektowanych właściwości. W analizach obliczeniowych modyfikowanej konstrukcji przyjmuje się zweryfikowane oceną stanu technicznego: charakterystyki materiałów, urealnione wielkości oddziaływań projektowanych oraz uściślone modele obliczeniowe.
Wzmacnianie przekrojów elementów i połączeń
Wzmacnianie przekrojów elementów konstrukcji stalowych jest zabiegiem, który nawet przy całkowitym odciążeniu powiększa ryzyko zawodności ustroju konstrukcyjnego wynikające z ujawniania się wad materiałowych, lokalnego spiętrzenia naprężeń, nieuniknionych skutków procesu spawania lub wykonywania otworów do dodatkowych łączników mechanicznych. Z tego powodu wzmacnianie przekrojów elementów należy stosować dopiero wówczas, gdy ocena stanu bezpieczeństwa oraz dokładna analiza konstrukcji, jej połączeń i obciążeń wykażą, że jest to niezbędny i jedyny sposób modyfikacji konstrukcji. Określając nośność elementów przewidywanych do wzmacniania, należy przyjmować dokładną charakterystykę ich pola przekroju oraz dokładnie wyznaczony wpływ niestateczności miejscowej i ogólnej. Programy komputerowe do wymiarowania konstrukcji stalowych stosuje się tylko przy zachowaniu pełnej kontroli właściwości stosowanych wzorów i parametrów niestateczności. Przy wzmacnianiu przekrojów są używane modele obliczeniowe, w których:
– obciążenie projektowane docelowo przenosi przekrój wzmocniony – model stosowany przy pełnej zdolności do odkształceń plastycznych przekroju lub przy wzmacnianiu po całkowitym odciążeniu (zakłada się, że stan graniczny nośności przekroju będzie osiągnięty po uplastycznieniu przekroju istniejącego i jego wzmocnienia);
– obciążenie występujące podczas wzmacniania przenosi przekrój istniejący, a dalszy przyrost obciążenia przenosi przekrój wzmocniony – model stosowany przy braku zdolności do odkształceń plastycznych przekroju (dopuszcza się przyrost naprężeń w przekroju istniejącym wynikający z rezerwy jego nośności podczas wzmacniania).
Drugi sposób jest efektywny tylko przy znacznym odciążeniu elementu przed wzmacnianiem (do 0,3fy–0,4fy). Nie chroni on jednak przekroju istniejącego przed lokalnym uplastycznieniem na skutek naprężeń własnych, podczas przejmowania zwiększonego obciążenia przez przekrój wzmocniony. Przy braku rozpoznania właściwości stali można przyjmować wg [1] jako ogólną zasadę, że rezerwa plastyczna nie powinna być wykorzystywana w konstrukcjach nitowanych wykonanych przed 1930 r. i w konstrukcjach spawanych wykonanych przed 1950 r. Pomocne może się okazać bierne lub czynne odciążanie elementów przed wzmacnianiem. Elementy i węzły należy odciążać przed wzmacnianiem, gdy istniejące wytężenie przekrojów przekracza 75% ich nośności obliczeniowej, przy obciążeniu przeważająco statycznym oraz 50% nośności przy obciążeniu dynamicznym lub zmęczeniowym. Ze względu na potrzebę ograniczenia wytężenia przekrojów istniejących oraz odkształceń elementów do wzmacniania się stosuje stal o granicy plastyczności takiej jak stal w elementach istniejących. Stal ta powinna mieć dobre własności plastyczne umożliwiające uzyskanie odpowiedniej jakości spoin w określonych warunkach realizacji. W przypadkach wzmacniania elementów konstrukcji wykonanych z żeliwa lub stali niespawalnej właściwym rozwiązaniem może być zastosowanie technologii klejenia wzmocnień ze stali lub materiałów kompozytowych [2]. Technika klejenia jest szczególnie przydatna przy uzupełnianiu ubytków korozyjnych lub reperowaniu pęknięć zmęczeniowych. Zakres jej zastosowania jest jednak ograniczony do wartości temperatury użytkowania poniżej 50oC. Bardzo efektywne może być w pewnych przypadkach wzmocnienie elementów stalowych przez wypełnienie betonem, obetonowanie lub zespolenie z płytą żelbetową. Do wzmacniania węzłów powinny być używane łączniki i elementy o sztywności możliwie takiej samej (ale nie mniejszej) niż te, które w nich występują; z tego powodu nie używa się śrub do wzmacniania połączeń spawanych. W przypadku stosowania łączników o większej sztywności od istniejących konieczne jest uwzględnienie nierównomiernego rozdziału obciążenia. Elementy dodawane w celu wzmocnienia połączenia muszą być rozmieszczane w położeniu najbardziej korzystnym dla poprawienia charakterystyki wytrzymałościowej przekroju i uniknięcia nadmiernych mimośrodów oraz najbardziej dogodnym do wykonania połączenia w danych warunkach realizacji.
Wymagania wykonawcze
Powszechnie stosowane wymagania normowe i podział konstrukcji stalowych na klasy wykonania odnoszą się do konstrukcji i elementów nowych. Podczas wzmacniania konstrukcji obiektów istniejących potrzebna jest adaptacja wymagań normowych i określenie wymagań własnych niezbędnych do uzyskania odpowiedniej jakości i trwałości. Dlatego w projekcie powinny być określone:
– niezbędne zabezpieczenia i czasowe podpory konstrukcji;
– sposób i kontrola wykonywania operacji zmieniających rozkład sił wewnętrznych;
– sposób wykonywania wzmocnień i wymagania technologiczne;
– wymagana jakość i kwalifikowanie technologii specjalistycznych (np. spawanie, klejenie);
– przedmiot i zakres sukcesywnych badań kontrolnych;
– przedmiot i zakres ciągłego nadzoru specjalistycznego;
– zakres kontroli przy odbiorze konstrukcji i jej przeglądach okresowych.
inż. Jan Łaguna
Zdjęcie autora
Bibliografia
1. Verstarken und Sanieren alter Stahlkonstruktionen, Richtlinie 10, DSTV Institut fur Stahlbau, Leipzig GmbH.
2. M. Piekarczyk, Zastosowanie technologii klejenia w konstrukcjach budowlanych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2013.
