Повреждения стропильных ферм. Соединение элементов фермы в узлах создает предпосылки для концентрации в них разнородных по знаку и характеру напряжений: сжимающих, растягивающих, касательных.
В результате концентрации напряжений узлы подвержены наиболее интенсивному трещинообразованию и требуют значительного расхода арматуры.
Большие растягивающие усилия в нижнем поясе приводят к появлению сквозных вертикальных трещин, а сжимающие усилия в верхнем поясе — к появлению несквозных горизонтальных трещин. Картина трещинообразования в раскосной стропильной ферме сегментного очертания представлена на рис. 1. Трещины опорного узла ферм по своей природе близки к трещинам на опорах балок. Появление горизонтальных трещин в нижнем напряженном поясе 6 свидетельствует об отсутствии или недостаточности поперечного армирования в обжатом бетоне.
Нормальные (перпендикулярные к продольной оси) трещины типа 9 появляются в растянутых стержнях при необеспеченности трещиностойкости элементов. Причем следует обратить внимание на то обстоятельство, что снятие внешней нагрузки на ферму, уменьшая растягивающие усилия в нижнем поясе, приводит к закрытию трещин типа 9, но при этом может вызвать увеличение раскрытия трещин типа 4, 5. Появление повреждений в виде лещадок типа 13 свидетельствует об исчерпании прочности бетона на отдельных участках сжатого пояса или на опорах.
Рис. 1. Картина трещинообразования в стропильной раскосной ферме. Наклонные трещины опорного узла: 1 — низкий класс бетона, недостаточное количество поперечной арматуры: большой шаг стержней, малый диаметр; 2 — недостаточное преднапряжение продольной арматуры, проскальзывание ее в зоне заанкеривания, недостаточное количество поперечной арматуры; 3 — нарушение анкеровки преднапряженной арматуры: низкий класс бетона, недостаточная прочность бетона на момент обжатия.
Лучеобразные вертикальные трещины: 4 — недостаточное косвенное армирование от усилий обжатия пред-напряженной арматуры. Горизонтальные трещины: 5 и 6 — отсутствие косвенного армирования (сетки, замкнутые хомуты) в зоне заанкеривания преднапряженной арматуры, низкая прочность бетона на момент обжатия, наклонные трещины в верхнем поясе; 7 — недостаточное косвенное армирование узла поперечными стержнями (сетками). Трещины, перпендикулярные оси элементов фермы: 8 — недостаточное заанкеривание рабочей арматуры растянутого элемента в узле фермы, слабое косвенное армирование узла; 9 — недостаточное преднапряжение нижнего пояса, перегрузка фермы.
Продольные трещины в сжатых элементах: 10 — низкий класс бетона, перегрузка фермы. Монтажные трещины; 11 — изгиб из плоскости фермы при монтаже, перевозке, складировании.
Нормальные трещины в растянутых элементах: 12 — перегрузка фермы, смещение арматурного каркаса относительно продольной оси элемента; 13 — откол лещадок. 4. Усиление ферм предварительно напряжёнными гибкими элементами Усиление растянутых железобетонных элементов рекомендуется проводить металлическими затяжками. Наиболее эффективны предварительно напряженные затяжки (рис.2). Предварительное напряжение затяжек можно создавать механическим, термомеханическим и электротермическим способами.
Выбор того или иного способа определяется условиями производства работ и наличием необходимого оборудования. Рис. 2. Усиление поясов ферм 1 – усиливаемая ферма; 2 – плиты покрытия; 3 – металлическая обойма; 4 – предварительно напряженные затяжки; 5 – анкерное устройство на опорном узле; 6 – ребро жесткости; 7 – хомут для фиксации затяжек; 8 – фиксатор. Продольные затяжки в виде арматурных стержней или прокатных профилей располагают вдоль растянутой грани ферм (балок) и закрепляют на торцах.
Под воздействием внешней нагрузки балка прогибается, а ее опорные сечения (торцы) поворачиваются (рис. 3). При повороте торцы увлекают за собой затяжку, удлиняют ее и вызывают в ней растягивающее усилие, которое, в свою очередь, действует на балку в виде сжимающей силы Р. От этой силы в балке возникает разгружающий момент Мp=-Ре, где е — расстояние от силы Р до центра тяжести сечения. В отличие от усиления шпренгелем, поперечные силы здесь не уменьшаются и разгружение опорных участков (наклонных сечений) не происходит.
Чем больше снято нагрузки с балки до начала усиления, тем больше последующие углы поворота торцов, тем больше и усилие Р. Разумеется, при этом требуется заранее устранить (выбрать) начальную слабину затяжки. Но даже и при условии полного предварительного снятия нагрузки напряжения в затяжке достигнут небольшой величины — как правило, не более 100 МПа. Ведь она работает как внешняя арматура без сцепления с бетоном, у которой растягивающие напряжения по длине постоянны, в то время как рабочая арматура балки в опасных сечениях испытывает куда более высокие напряжения.
Поэтому в затяжках создают предварительное напряжение, которое позволяет значительно увеличить силу обжатия Р и, соответственно, увеличить разгружающий момент Mp. Расчет затяжек можно выполнять приближенно. Из требуемой величины разгружающего момента Mp находят величину Р, а далее из выражения Р = [(100ΔMm/Mtot) + σsp] Assγss  0,8RsAss. находят требуемую площадь сечения Ass стержней затяжки, задавшись величиной их предварительного напряжения σsp. Здесь ΔMm и Мtot — величины соответственно дополнительного изгибающего момента, возникающего от прикладываемой после усиления нагрузки, и изгибающего момента от полной нагрузки (без учета Mp), γss=0,85 — коэффициент, учитывающий потери напряжений.
Размерность в формуле приведена в Н и мм, при размерности в кг и см коэффициент 100 заменяется на 1 000. Рис. 3. Усиление поясов ферм 1. усиливаемая ферма (балка); 2. затяжка.
Усилие предварительного натяжения создают взаимным сближением (стягиванием) ветвей затяжки с помощью стяжных болтов на величину а, по которой контролируют и величину самого усилия N. Ветви можно натягивать также с помощью домкратов и нарезных муфт, но в последнем случае для контроля величины σsp необходимо применять специальные приборы (а не динамометрические ключи, которые дают слишком большую погрешность). Независимо от способов натяжения, величина предварительного напряжения σsp не должна превышать 0,9Rsn для мягкой стали (имеющей физический предел текучести) и 0,7Rsn для высокопрочной стали.
Максимальные напряжения в стержнях затяжки (после вычета потерь напряжений и добавления напряжений от дополнительно приложенной нагрузки) должны быть не более 0,8Rs. 5. Последовательность выполнения работ по усилению фермы