PL236146B1 - Sposób aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego i konstrukcja do aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego - Google Patents

Abstract

Sposób aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego polega na tym, że równomiernie wokół słupowego elementu konstrukcyjnego rozmieszcza się co najmniej dwa elementy wzmacniające obustronnie przegubowo zamocowane do zastrzałów przegubowo wspartych na blokach oporowych, zaś bloki oporowe mocuje się sztywno do słupowego elementu konstrukcyjnego i/lub elementu ograniczającego, po czym elementy wzmacniające sprzęga się ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi korzystnie śrubowymi, które mocuje się prostopadle do osi słupowego elementu konstrukcyjnego korzystnie przelotowe i zaopatruje się w nakrętki napinające, a następnie równomiernie dokręca się nakrętki napinające, aż do uzyskania wymaganych parametrów konstrukcyjnych. Przedmiotem wynalazku jest także konstrukcja do realizacji tego sposobu, w której co najmniej dwa równoległe elementy wzmacniające (2) są obustronnie zamocowane przegubowo do zastrzałów (3) połączonych przegubowo z blokami oporowymi (4), przy czym elementy wzmacniające (2) sprzęgnięte są ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi (5) korzystnie śrubowymi, zaopatrzonymi na końcach w nakrętki napinające (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego i konstrukcja do aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego, mające zastosowanie szczególnie w naprawach i wzmocnieniach budowlanych konstrukcji stalowych, które uległy uszkodzeniu w wyniku działania ognia (pożaru), korozji lub innych losowych przyczyn zewnętrznych, powodujących uszkodzenie elementu i utratę nośności. Rozwiązanie to również może służyć jako sposób na usuwanie skutków błędów projektowych związanych z niedoszacowaniem obciążeń słupowych konstrukcji budowlanych w obiektach jedno i wielokondygnacyjnych lub w razie zastosowania nieodpowiednich, pod względem ich nośności, kształtowników tworzących układy słupowe (kolumnowe). Opisywane rozwiązanie może być również zastosowane w przypadku, gdy ze względu na zmianę sposobu użytkowania obiektu następuje wzrost wartości obciążeń, które muszą przenieść istniejące elementy słupowe obiektu.

Stosowane powszechnie metody wzmacniania konstrukcji stalowych polegają głównie na dodaniu do istniejących słabych fragmentów konstrukcji dodatkowych elementów w postaci blach lub typowych profili ze stalowych kształtowników walcowanych. Sposób rozmieszczenia i rodzaj zastosowanych dodatkowych elementów wzmacniających powoduje w pierwszej kolejności zwiększenie przekroju pola czynnego elementów łącznie przenoszących obciążenie (element istniejący plus element dodatkowy), jak również wpływają na zwiększenie jego sztywności. W wyniku zwiększenia sztywności, wzmacniane elementy konstrukcyjne wraz z nowymi stają się bardziej odporne na utratę stateczności ogólnej, istotną dla prętów ściskanych, z uwagi na poprawę odporności przekroju złożonego na zjawisko wyboczenia.

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

Tego typu sposoby wzmocnienia konstrukcji projektowane są jako wzmocnienia bierne, tzn. włączające się do procesu przenoszenia zadanego obciążenia dopiero po jego zwiększeniu, co powoduje, że część obciążenia jest już wcześniej przenoszona przez element wzmacniany. Często tego typu techniczne zastosowania wymagają w fazie realizacji operacji odciążenia konstrukcji obiektu, np. przez usunięcie elementów wyposażenia technologicznego, czy obudowy.

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

Znane sposoby, związane z czasowym przejęciem obciążenia ze wzmacnianego elementu, mają na celu zapewnienie wcześniejszego włączenia się do współpracy przy przenoszeniu docelowych obciążeń dodawanych nowych elementów wzmacniających.

W przypadku wzmacniania elementów przez dodanie dodatkowego przekroju trzeba uwzględniać istniejące na długości elementu deformacje związane z powstałymi uszkodzeniami, odkształceniami, imperfekcjami geometrycznymi konstrukcji, co ma istotny wpływ na możliwości wykonania poprawnego połączenia. Należy również uwzględniać ograniczenia geometryczne związane z samym obiektem.

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

Znane jest wzmacnianie słupów wstępnie sprężonymi rurami teleskopowymi, czy wzmacnianie betonem lub materiałami kompozytowymi. Jako elementy wzmacniające stosuje się także maty, taśmy, liny lub cięgna.

Z polskiego opisu patentowego nr Pat 202431 znany jest sposób naprawy słupów, zwłaszcza betonowych, w którym naprawiany lub wzmacniany słup otacza się stalowym płaszczem, korzystnie złożonym z dwóch części z zachowaniem szczeliny, w którą wtryskuje się zaprawę cementową. Po wypełnieniu szczeliny utrzymuje się ciśnienie wypełnienia do czasu stwardnienia substancji wypełniającej.

Sposób aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego charakteryzuje się według wynalazku tym, że równomiernie wokół słupowego elementu konstrukcyjnego rozmieszcza się co najmniej dwa elementy wzmacniające obustronnie przegubowo zamocowane do zastrzałów przegubowo wspartych na blokach oporowych. Bloki oporowe mocuje się sztywno do słupowego elementu konstrukcyjnego i/lub elementu ograniczającego, po czym elementy wzmacniające

PL236 146 B1 sprzęga się ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi korzystnie śrubowymi. Cięgna napinające mocuje się prostopadle do osi słupowego elementu konstrukcyjnego korzystnie przelotowo i zaopatruje się w nakrętki napinające. Następnie równomiernie dokręca się nakrętki napinające, aż do uzyskania wymaganych parametrów konstrukcyjnych.

Korzystnie jako element ograniczający wykorzystuje się elementy stropowe i/lub elementy belkowe połączone ze słupowym elementem konstrukcyjnym i/lub elementy fundamentowe.

Konstrukcja do aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego charakteryzuje się według wynalazku tym, że zawiera co najmniej dwa równoległe elementy wzmacniające obustronnie zamocowane przegubowo do zastrzałów połączonych przegubowo z blokami oporowymi. Elementy wzmacniające sprzęgnięte są ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi korzystnie śrubowymi, zaopatrzonymi na końcach w nakrętki napinające.

Korzystnie cięgna śrubowe zaopatrzone są w elementy stabilizujące.

Korzystnie elementy stabilizujące wykonane są w postaci nakrętek śrubowych z podkładkami osłaniającymi otwory w słupowym elemencie konstrukcyjnym.

W efekcie skręcenia nakrętek na cięgnach konstrukcji według wynalazku następuje zmniejszenie odległości pomiędzy elementami wzmacniającymi. Dochodzi do ruchu obrotowego w zakresie wahliwych, obustronnie przegubowo zamocowanych zastrzałów, które na skutek przemieszczenia się jednego z końców zaczynają oddziaływać siłą proporcjonalną do wartości przemieszczenia na punkty zamocowania i na pionowe elementy wzmacniające. W wyniku zmniejszenia poziomej odległości pomiędzy pionowymi elementami wzmacniającymi, powstałe przemieszczenia układu połączonego przegubowo z wahliwymi zastrzałami wywołuje efekt rozporu pomiędzy punktami mocowania układu powstały w wyniku wymuszenia kinematycznego. Dochodzi w ten sposób do sprężenia wszystkich elementów dodanego układu wzmacniającego. Podczas procesu sprężania układu wzmocnienia w elemencie poddanym wzmocnieniu dochodzi do redukcji wartości obciążenia, przez co element podlega wzmocnieniu.

Wielkość sprężenia układu wzmacniającego oraz wartość odciążenia istniejącego elementu regulowana jest pochodną wartości zmniejszenia początkowej odległości pomiędzy pionowymi elementami wzmocnienia, co techniczne realizowane jest za pośrednictwem wspomnianych cięgien napinających.

Skuteczność działania układu wzmocnienia zależna jest od wartości długości geometrycznych poszczególnych elementów składowych, kątów pomiędzy elementami oraz odległości od konstrukcji wzmacnianej, która jest redukowana przez efekt napinania cięgien.

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 wzmocnienia według wynalazku możliwe jest zastosowanie metody przemieszczeniowej - na poziomie cięgien napinających - przez geometryczny pomiar przemieszczenia podczas dokręcania nakrętek zlokalizowanych na cięgnach napinających.

W celu dokładnej weryfikacji wielkości przejmowanego obciążenia w układach wieloelementowych, jak również określenia wielkości odciążenia powstałego we wzmacnianych (uszkodzonych) elementach zaleca się zastosowanie metody kontroli opartej na tensometrycznych elementach pomiarowych znanych z tensometrii elektrooporowej lub podobnej.

Wynalazek może być zastosowany przy wzmacnianiu również innych rodzajów konstrukcji, w tym obiektów o konstrukcji żelbetowej, czy drewnianej, gdzie konieczne będzie wzmocnienie elementów słupowych i 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, a w skrajnych przypadkach, aż do ich całkowitego wyłączenia z przenoszenia obciążeń z konstrukcji włącznie. W takim przypadku, całe obciążenie przenosić będzie dodana konstrukcja wzmacniająca. Możliwe jest także odciążanie wybranych fragmentów słupowego elementu konstrukcyjnego na określonych odcinkach.

PL 236 146 B1

Zastosowanie konstrukcji wzmacniającej według wynalazku nie wymaga konieczności zastosowania procedury odciążenia elementu słupowego lub też dodatkowego, siłowego wyparcia (podniesienia) go na czas montażu przy zastosowaniu elementów pomocniczych typu rusztowania, siłowniki, tymczasowe podpory itp., co znacznie zmniejsza potrzeby organizacyjne i sprzętowe wykonawcy robót, skracając czas realizacji i naprawy. Możliwe jest wsparcie konstrukcji wzmacniającej na elementach nieuszkodzonych, nawet poza odcinkiem uszkodzonym tego samego elementu, jak również na płytach, stropach lub układach belek ograniczających uszkodzony element (belek stropu, ryglach układu konstrukcyjnego). W celu przeniesienia dodatkowych obciążeń powstałych w związku z przebudową lub modernizacją wyżej położonych kondygnacji lub ominięcia uszkodzonego układu słupowego na poziomie jednej i więcej kondygnacji, możliwe jest wykonanie konstrukcji aktywnego wzmocnienia przez więcej niż jedną kondygnację obiektu.

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

Przemieszczenia elementów skrajnych będące skutkiem sprężenia konstrukcji wzmacniającej (jej rozparcia) pomiędzy blokami oporowymi umożliwiają regulację wzajemnego, np. wysokościowego, ustawienia elementów dochodzących do uszkodzonego słupa.

Konstrukcja do aktywnego wzmacniania cechuje się brakiem konieczności przyłączania się elementami wzmacniającymi do uszkodzonego i zdeformowanego odcinka elementu słupowego - połączenie następuje poza obszarem uszkodzonym lub słabym wzmacnianego elementu lub za pośrednictwem elementów dochodzących, np. belek stropowych, rygli ramowych, czy płyt stropowych połączonych ze słupem.

Zasadniczą korzyścią zastosowania wynalazku jest umożliwienie szybkiego i skutecznego wzmocnienia słupowej 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. Możliwa jest regulacja wzajemnego wysokościowego położenia bloków oporowych, co oznacza możliwość podniesienia konstrukcji.

Wynalazek daje możliwość zastosowania układów pomiarowych opartych na prostych (pomiar przemieszczeń) lub bardziej zaawansowanych metodach pomiarowych (np. pomiar tensometryczny), które umożliwiają dokonanie precyzyjnego ustalenia rozdziału obciążenia na stare i nowe elementy.

Zastosowanie wynalazku daje możliwość użycia zdecydowanie mniejszych sił potrzebnych do napięcia układu, niż trzeba by użyć do bezpośredniego wyparcia elementów, z tym samym skutkiem geometrycznym i obciążeniowym, z uwagi na to, iż sprężenie odbywa się w płaszczyźnie prostopadłej do osi układu wzmacnianego.

Po operacji sprężenia nowy układ może być połączony miejscowo ze wzmacnianym kształtownikiem w celu zwiększenia sztywności całego wspólnego przekroju, co poprawia parametry wyboczeniowe, czy też zwichrzeniowe kształtowników. Konstrukcja do aktywnego wzmacniania może być stosowana dla elementów ściskanych, zarówno osiowo, jak i mimośrodowo.

Wynalazek w skrajnym przypadku może być wykorzystany jak regulowalna konstrukcja do wykonaniu operacji całkowitego usunięcia odcinka słupa, wynikającego np. z przyczyn technologicznych oraz wszelkiego rodzaju kolizji elementów i instalacji, przez co staje się zastępczym układem nośnym.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schematycznie konstrukcję do aktywnego wzmacniania zamocowaną bezpośrednio do słupowego elementu konstrukcyjnego, fig. 2 przedstawia schematycznie konstrukcję do aktywnego wzmacniania zamocowaną do elementów stropowych, fig. 3 przedstawia schematycznie interakcję sił pomiędzy konstrukcją do aktywnego wzmacniania a wzmacnianym słupowym elementem konstrukcyjnym, fig. 4 przedstawia wariant realizacji konstrukcji według wynalazku w przekroju pionowym, fig. 5 przedstawia warianty realizacji konstrukcji według wynalazku w przekroju poziomym.

Wykonuje się dwustronne obejście uszkodzonego w dowolny sposób słupowego elementu konstrukcyjnego 1 w postaci pionowych elementów wzmacniających 2 połączonych z konstrukcją nieuszkodzoną za pośrednictwem zastrzałów 3 wspartych przegubowo na blokach oporowych 4 montowanych sztywno do wzmacnianego obiektu poza zakresem naprawianego uszkodzenia. Pionowe elementy

PL236 146 B1 wzmacniające 2 przenoszące obciążenie pionowe połączone są pomiędzy sobą za pomocą śrubowych cięgien napinających 5. Śrubowe cięgna napinające 5 w celu stabilizacji mogą być oparte o słupowy element konstrukcji 1 już istniejący, lecz muszą mieć zapewniony luz technologiczny, otwór z odpowiednią tolerancją uwzględniającą ruch elementów podczas sprężenia. Nakrętki napinające 6 zamontowane na cięgnach napinających 5 służą w trakcie operacji sprężania do wymuszenia przemieszczenia układu pionowych elementów wzmacniających 2 w kierunku uszkodzonego słupowego elementu konstrukcyjnego 1. W wyniku przemieszczenia poziomego elementów wzmacniających 2 następuje wymuszony ruch zastrzałów 3, które przemieszczając się, każdy z jednej strony, po odcinku łuku, powodują wywołanie sił osiowych przedstawionych na fig. 3. Każde przemieszczenie poziome wymuszone za pomocą nakrętek napinających 6 na poziomie cięgien napinających 5 powoduje rozpychanie aktywnego układu wzmocnienia złożonego z elementów wzmacniających 2 i zastrzałów 3 pomiędzy blokami oporowymi 4 i stopniowe przejmowanie obciążenia z słupowego elementu konstrukcji 1 poddanego wzmacnianiu. W trakcie operacji sprężenia nowej konstrukcji układu wzmacniającego następuje odciążenie uszkodzonego słupowego elementu konstrukcyjnego 1. Po osiągnięciu wymaganego, określonego przez projektanta konstruktora, poziomu odciążenia uszkodzonego układu zamontowane elementy wspólnie uczestniczą w przenoszeniu wszystkich lub części obciążeń działających na wzmacniany odcinek słupowego elementu konstrukcyjnego 1.

W celu dodatkowej stabilizacji konstrukcji aktywnego wzmocnienia na poziomych cięgnach napinających 5 montowane mogą być elementy stabilizujące 7, które służą do dodatkowej stabilizacji elementu wzmacnianego. Po zakończeniu operacji sprężenia zaleca się, aby elementy stabilizujące 7 w postaci nakrętek były obustronnie dokręcone z zastosowaniem powiększonych elementów przekładkowych.

Po przeprowadzeniu operacji wzmocnienia mogą być zamontowane elementy dodatkowe 10 poprawiające stateczność ogólną wszystkich elementów przenoszących siły ściskające. Elementy dodatkowe 10 mogą być wstawiane pomiędzy sąsiadujące pionowe elementy wzmacniające 2 zlokalizowane po tej samej stronie słupowego elementu konstrukcyjnego 1. Zaleca się stosowanie elementów pośrednich 9 pomiędzy słupowym elementem konstrukcyjnym 1 a pionowymi elementami wzmacniającymi 2. Elementy te zaleca się montować w poziomie cięgien napinających 5 po zakończeniu operacji napięcia cięgien napinających 5 w celu zapewnienia stałej odległości pomiędzy słupowym elementem konstrukcji 1 i elementami wzmacniającymi 2. Ma to na celu zapobieganie ewentualnym dodatkowym niekontrolowanym operacjom sprężania układu, jak też informuje o jego ewentualnym naruszeniu w wyniku rozkręcenia nakrętek napinających 6. Zaleca się, aby elementy te wykonać ze stalowego kształtownika otwartego typu ceownik. Nakrętki napinające 6 powinny być każdorazowo zabezpieczone przed samoistnym rozkręcaniem przez zastosowanie np. nakrętek kontrujących lub innych powszechnie znanych metod w tym zakresie.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego, znamienny tym, że równomiernie wokół słupowego elementu konstrukcyjnego rozmieszcza się co najmniej dwa elementy wzmacniające obustronnie przegubowo zamocowane do zastrzałów przegubowo wspartych na blokach oporowych, zaś bloki oporowe mocuje się sztywno do słupowego elementu konstrukcyjnego i/lub elementu ograniczającego, po czym elementy wzmacniające sprzęga się ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi, które mocuje się prostopadle do osi słupowego elementu konstrukcyjnego i zaopatruje się w nakrętki napinające, a następnie równomiernie dokręca się nakrętki napinające, aż do uzyskania wymaganych parametrów konstrukcyjnych.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako element ograniczający wykorzystuje się elementy stropowe i/lub elementy belkowe połączone ze słupowym elementem konstrukcyjnym i/lub elementy fundamentowe.
3. 3. Konstrukcja do aktywnego wzmacniania słupowego elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza stalowego, znamienna tym, że zawiera co najmniej dwa równoległe elementy wzmacniające (2) obustronnie zamocowane przegubowo do zastrzałów (3) połączonych przegubowo z blokami oporowymi (4), przy czym elementy wzmacniające (2) sprzęgnięte są ze sobą co najmniej dwoma cięgnami napinającymi (5), zaopatrzonymi na końcach w nakrętki napinające (6).

   PL236 146B1
4. 4. Konstrukcja według zastrz. 3, znamienna tym, że cięgna napinające (5) zaopatrzone są w elementy stabilizujące (7).
5. 5. Konstrukcja według zastrz. 4, znamienna tym, że elementy stabilizujące (7) wykonane są w postaci nakrętek śrubowych z podkładkami osłaniającymi otwory w słupowym elemencie konstrukcyjnym (1).