Расчет усиления металлической колонны

Обновлено: 21.09.2024

Задание : Выполнить усиление металлической колонны способом увеличения сечения при следующих исходных данных:

При проведении обследования колонн цеха грануляции установлено следующее: колонны сварные двутаврового сечения с полкой ____×___ и стенкой ___×___ эксплуатируются в среднеагрессивной среде; остаточная толщина полок t_fef = ___ мм, остаточная толщина стенки t_wef = ___ мм; расчетная длина колонн: в плоскости действия изгибающего момента l_0х=____ м; из плоскости действия изгибающего момента l_0y=______м; сталь марки Вст3кп по ГОСТ 380-71 (приложение А); R_yn0=______ кгс/мм 2 ; расчетные усилия от полной нагрузки: М =_______ кН·м, N =_______ кН, в том числе от постоянной нагрузки: M_g = _____ кН·м, N_g = ______ кН .

Оснащение работы:

1) Рабочая тетрадь для практических работ по дисциплине «Усиление конструкций и оснований»;

2) П1-04 к СНиП II-23-81*. Усиление стальных конструкций;

3) СНиП II-23-81*. Стальные конструкции.

4) Альбом конструктивных решений усиления основных стальных элементов.

5) Инженерный калькулятор.

Результаты выполнения работы

Первоначальная площадь сечения А₀= _______________ см 2 .

Геометрические характеристики сечения с учетом коррозионного износа:

А_ef = ______ см 2 ; I_xef = _________ см 4 ; I_yef = _________ cм 4 ; i_xef = _____ см; i_yef = ________ см.

Коррозионный износ сечения: _______________________________

Коэффициенты: g_d =0,9(таблица Б.1),g_с =1,0.

Расчетное сопротивление стали по 20.1* СНиП II-23: R_y0=______ МПа.

Определяем условную гибкость колонны в плоскости и из плоскости действия изгибающего момента:

Проверяем местную устойчивость полок колонн по 7.23* СНиП II-23:

=___________________________.

Вывод: устойчивость полок колонн__________________________.

обеспечена (не обеспечена)

В расчет вводим приведенную ширину полок с учетом местной устойчивости

Геометрические характеристики сечения с учетом приведенной ширины полок:

Проверяем местную устойчивость стенки по 7.14* СНиП II-23:

по таблице 27 СНиП II-23:

при m = 0 при m = 1 где при m =0,747

т. е. местная устойчивость стенки не обеспечена.

В соответствии с 7.20* СНиП II-23 определяем приведенную площадь сечения:

Выполняем проверку устойчивости колонны в плоскости действия изгибающего момента:

по таблице 74 СНиП II-23 при

по формуле (51) СНиП II-23:

т. е. устойчивость колонны в плоскости действия момента не обеспечена.

Проверяем устойчивость колонны из плоскости действия момента по формуле (56) СНиП II-23:

b = 1;

j_у = 0,744;

т. е. устойчивость колонны из плоскости действия момента не обеспечена.

Усиление выполняем методом увеличения сечения путем наварки на полки колонн дополнительных пластин 340×12 (рис. 2).

Расчет усиления металлической колонны

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО УСИЛЕНИЮ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ЭНЕРГОПРЕДПРИЯТИЙ

СОСТАВЛЕНО Государственным институтом проектирования предприятий по производству запасных частей и ремонту энергетического оборудования ("Гипроэнергоремонт")

Составители В.А.Колесник, В.В.Буланов, В.Д.Кузнецов, Р.Р.Турбабина, Г.Б.Ярославцева, И.А.Стрепкова

УТВЕРЖДЕНО Главным инженером Союзтехэнерго Г.Г.Яковлевым 15 августа 1983 г.

Настоящие Рекомендации предназначены для проектных организаций, проектно-конструкторских бюро, а также персонала специализированных ремонтных предприятий и служб эксплуатации производственных зданий и сооружений районных энергетических управлений и производственных энергообъединений Минэнерго СССР, министерств и главных управлений энергетики и электрификации союзных республик, связанных с ремонтом производственных зданий и сооружений.

В настоящих Рекомендациях изложены предложения по усилению стальных строительных конструкций и их элементов, приведены основные способы и методы расчета усиления стальных конструкций, даются характеристики примененных ранее конструкционных сталей и прокатных профилей, классификация дефектов и повреждений стальных конструкций.

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1. Необходимость усиления конструкций производственных зданий и сооружений возникает в процессе эксплуатации, во время проведения ремонтов и реконструкций как основного технологического оборудования, так и строительных элементов конструкций.

1.2. Заключение о необходимости усиления стальных конструкций (далее по тексту "конструкций") составляется специальной комиссией при их обследовании. В результате обследования должны быть получены следующие материалы:

- документация и данные натурных обмеров, необходимые для расчетов;

- данные о времени возведения металлоконструкций, их ремонта и реконструкции с начала эксплуатации;

- ведомость допущенных отступлений от проекта или соответствующих СНиП;

- ведомость дефектов несущих металлоконструкций;

- геодезические данные по несущим металлоконструкциям;

- данные о нагрузках (схема нагрузок);

- сертификаты или лабораторные данные химического анализа и механических испытаний сталей, из которых выполнены конструкции;

- данные о фактической несущей способности конструкции.

1.3. Обследования и усиления конструкций, выполненных из кипящей углеродистой стали, необходимо производить в соответствии с [5] и [6].

1.4. Вопросы усиления ранее деформированных, а затем выправленных элементов конструкций с учетом остаточных напряжений в тех частях сечений, которые были подвержены пластическим деформациям, в настоящих Рекомендациях не рассматриваются.

1.5. В связи с необходимостью ремонта производственных зданий и сооружений, построенных в более ранние годы, в приложениях 1-18 настоящих Рекомендаций приводятся характеристики применявшихся ранее конструкционных сталей и прокатных профилей.

1.6. Условные обозначения, принятые в настоящих Рекомендациях, приведены в приложении 19.

2. ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ
НЕОБХОДИМОСТЬ УСИЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Усиление конструкций - одно из наиболее эффективных мероприятий по продлению их долговечности, восстановлению или увеличению их несущей способности и предотвращению аварий.

Причины, вызывающие необходимость усиления конструкций, следующие:

- реконструкция и модернизация основного и вспомогательного технологического оборудования, увеличение производительности оборудования, вызывающие увеличение нагрузок на конструкции;

- физический износ конструкций в результате интенсивной или длительной их эксплуатации;

- поражение конструкций коррозией;

- вредные температурные воздействия на конструкции;

- воздействия стихийного характера на конструкции;

- различные повреждения конструкций в результате нарушения правил их эксплуатации;

- повреждения (погнутости, вмятины и т.п.), полученные во время транспортировки и монтажа;

- ошибки при проектировании, изготовлении и производстве строительно-монтажных работ.

2.2. Основные виды дефектов и повреждений, характерных для конструкций покрытий и конструкций подкрановых путей производственных зданий, приведены в табл.1.

Усиление металлических колонн.

Усиление металлических колонн может осуществляться путем: уменьшения расчетной длины; введением затяжек и оттяжек; устройства переносных преднапряженных устройств; установки предварительно напряженных распорок; обетонирования колонн; увеличением сечения колонн.

Схему усиления колонн выбирают с учетом конкретных условий, состояния усиливаемых конструкций, причин, вызвавших необходимость усиления, а также экономических соображений.

Для группы колонн целесообразно использовать способ установки дополнительных связей или с помощью жестких предварительно напряженных раскосов и распорок, так как при этом помимо усиления происходит повышение их устойчивости (рис.3.1, а-б).

Для высоких колонн большой гибкости необходимо вводить предварительно напряженные оттяжки (рис.3.1, г) или шпренгельные затяжки (рис.3.1, д, е).

Рис.3.1. Схемы усиления металлических сжатых колонн

а - гибкими раскосами и распорками; б - предварительно напряженными жесткими раскосами и распорками; в- жесткими подкосами ; г - предварительно напряженными оттяжками; д, е - шпренгельными затяжками;

1-существующие колонны; 2- существующие связи; 3- дополнительные диагональные связи; 4- дополнительные распорки; 5- подкосы; 6- оттяжки; 7- шпренгельные затяжки

Возможен вариант превращения шарнирных баз колонн в жесткие путем усиления башмака колонны дополнительным армированием с последующим обетонированием этой конструкции. При этом рекомендуется вводить хомуты для обеспечения монолитного соединения башмака с фундаментом. Для восприятия значительной нагрузки на колонну одновременно с усилением башмака колонны необходимо увеличить размер опорной плиты и установить дополнительные ребра на сварке.

В настоящее время для усиления колонн многоэтажных промышленных зданий наиболее часто применяют следующие предварительно напряженные элементы: телескопический и инвентарный шпренгели и жесткие распорки с поддомкрачиванием (рис.3.2).

Рис.3.2. Усиление металлических колонн с помощью индивидуальных предварительно напряженных шпренгелей

а - телескопической опорой; б - жесткими распорками; в - индивидуальным шпренгелем: 1- усиливаемая колонна; 2- элемент усиления из трубы; 3- напрягаемая внутренняя труба; 4- тяж для стягивания стоек усиления; 5- распорные усиливающие стержни;; 6- элемент усиления; 7- шпренгельная тяга;

Телескопические предварительно напряженные трубы рекомендуется использовать для усиления под полной эксплуатационной нагрузкой как центрально, так и внецентренно сжатых колонн. При усилении центрально сжатых колонн опоры из телескопических труб необходимо устанавливать симметрично, а при внецентренно сжатых – в сторону эксцентриситета. Усиливаемый элемент изготавливают из двух телескопически соединенных труб, оба нижних торца которых приваривают к башмаку. Затем наружную трубу удлиняют нагреванием и приваривают ее верхний конец к оголовку внутренней трубы. При остывании наружная труба сжимает внутреннюю, в результате чего создается предварительно напряженный элемент усиления. Его устанавливают в проектное положение, расклинивают и соединяют с усиливаемой колонной хомутами. Затем наружную трубу разрезают по окружности для освобождения внутренней трубы от сжатия наружной и передачи части нагрузки с усиливаемой колонны на внутреннюю трубу. После чего разрез наружной трубы заваривают, образуя опору из двух совместно работающих телескопических труб.

Усиление колонн с помощью жестких распорок (рис.3.2, б), изготовленных из прокатных профилей, осуществляют в следующей последовательности. Жесткие распорки устанавливают симметрично с обеих сторон колонны на опорные уголки, временно раскрепляют, а затем с помощью домкрата и винтового устройства обеспечивают им вертикальное положение. В жестких распорках при этом создаются растягивающие напряжения, которые воспринимают часть нагрузки от горизонтальных ригелей и тем самым способствуют усилению колонн. После выпрямления жестких распорок, их сваривают с колонной, после чего снимают горизонтальные тяжи, траверсы, домкрат и винтовое устройство.

Индивидуальный переносной шпренгель состоит из элемента усиления в виде прокатного профиля, стального шпренгеля и винтового устройства (рис.3.2, в). В отличие от предыдущих устройств предварительное напряжение в индивидуальном переносном шпренгеле создается до установки в проектное положение за счет раскручивания винтового устройства. После установки шпренгеля в проектное положение винтовое устройство скручивается и в элементе усиления создается растягивающее напряжение, которое передается на балки перекрытия, разгружая при этом усиливаемую колонну.

Преимуществом таких устройств является выигрыш в силе, а также возможность простого и достаточно точного контроля. Напряжение в элементах усиления контролируют с помощью тензодатчиков или по изменению стрелки прогиба шпренгелей.

Для усиления колонн одноэтажных промышленных зданий обычно изменяют их конструктивную схему или увеличивают поперечное сечение.

Сущность первого способа заключается в введении в конструктивную схему отдельной ветви, которая не нарушая целостности ослабленной части усиливаемой колонны, позволяет увеличить ее несущую способность (рис.3.3, а-д).

Этот способ рекомендуется применять, когда нерационально увеличивать сечение старой колонны или использовать иные приемы усиления. В качестве дополнительных ветвей усиления обычно используют металлические трубы (рис.3.3, а), элементы таврового (рис.3.3, б) или двутаврового (рис.3.3, в) сечения, а также подкосы в виде соединения из двух швеллеров (рис.3.3, г) или стойки из парных двутавров (рис.3.3, д).

Рис.3.3. Повышение несущей способности металлических колонн одноэтажных зданий введением дополнительных элементов усиления

1 – усиливаемая колонна; 2 – элемент усиления колонны

Возможен вариант усиления решетчатых колонн с помощью звеньев телескопических труб, которые устанавливают внутри колонны. После установки в проектное положение звенья труб соединяют между собой в единую опору, которую расклинивают. Верхняя прокладка должна плотно прилегать к торцу телескопической опоры, а нижняя - к плите башмака колонны. Затем наружные трубы разрезают одновременно двумя газовыми резаками, обеспечивая плавную передачу усилий внутренней сжатой трубы на усиливаемую колонну.

Если колонна имеет деформации, не препятствующие ее нормальной эксплуатации, ее усиливают путем введения дополнительных элементов усиления решетки (рис. 3.5). Дополнительные элементы устанавливают в виде второй раскосной решетки снаружи из уголков или пластин (рис. 3.5, а, б), так и внутри колонны, соединяя наружные элементы решетки (рис. 3.5, в).

Рис.3.5. Повышение несущей способности металлических колонн одноэтажных зданий усилением решетки колонны

1 – усиливаемая колонна; 3- элемент усиления решетки колонны

Наиболее простым и часто употребляемым способом повышения несущей способности сплошных и сквозных колонн является способ, основанный на увеличении поперечного сечения колонн с помощью прикрепления к ним на сварке или высокопрочных болтах дополнительных элементов усиления из профильного или листового проката. Такой способ является достаточно эффективным и может применяться практически при любом повышении нагрузок.

Наиболее распространенные способы усиления металлических колонн сплошного сечения двутаврового профиля представлены на рис.3.6, а-п:

Рис.3.6. Схемы усиления металлических колонн сплошного сечения двутаврового профиля способом увеличения сечения

1- усиливаемая колонна; 2- усиливаемый элемент

На рис.3.7, а-д изображены варианты усиления металлических колонн квадратного и круглого сечения увеличением их поперечного сечения:

Рис.3.7. Схемы усиления металлических колонн сплошного сечения двутаврового профиля способом увеличения сечения

Для усиления решетчатых колонн применяют способы увеличения сечения, представленные на рис.3.8, а-е:

Рис.3.8. Схемы усиления металлических сквозных колонн способом увеличения сечения

Недостатком метода увеличения сечения колонн является необходимость частичной разгрузки на время усиления из-за возможности дополнительного изгиба свариваемых элементов под влиянием сварочных напряжений, которые могут привести к потере несущей способности элементов металлических колонн. Поэтому такое усиление колонн должно проводиться с частичной разгрузкой, чтобы напряжение в них не превышало 40% расчетного сопротивления старого металла. Этот способ усиления требует выполнения большого объема сварочных работ на месте усиления, что может вызвать необходимость остановки производственного процесса.

Усиление стропильных ферм

Усиление стропильных ферм покрытия может потребоваться: при увеличении нагрузок от покрытия; при возрастании снеговой нагрузки (например, в связи с пристройкой к существующему цеху более высокого здания, вследствие чего образуется снеговой мешок); в связи с креплением к фермам нового стационарного технологического оборудования (трубопроводов, галерей паровоздушного охлаждения, вентиляционного оборудования и т.д.); после установки новых или повышения грузоподъемности существующих подъемно-транспортных механизмов; в результате ослабления сечений элементов, вследствие механических или коррозионных повреждений при эксплуатации.

Необходимость усиления устанавливается в результате проведения проверочных расчетов стропильных ферм с учетом их фактического состояния

Сечения стержней стропильных ферм, усиленных способом увеличения сечений, представлены на рис. 9.15. При проектировании усиления элементов желательно сохранить положение центра тяжести сечения стержня. Этому условию соответствуют усиления по схемам рис. 9.15, в, д, е, ж. Если в результате усиления расцентровка превышает 1,5 % высоты сечения стержня, его необходимо рассчитывать как внецентренно сжатый. При усилении искривленных сжатых стержней целесообразно располагать элементы усиления таким образом, чтобы увеличить радиус инерции сечения и уменьшить эксцентриситет приложения силы (рис. 9.15, а, б, г). В сжатых стержнях элементы усиления можно не заводить на фасонки, если обеспечена прочность неусиленных стержней. Элементы усиления растянутых стержней необходимо завести на фасонки на длину, достаточную для передачи воспринимаемого этими элементами усилия. Наиболее удобно усилить стержень по типу б (два шва, выполняемые в нижнем положении), но при этом заметно смещается центр тяжести сечения. Кроме того, при необходимости завести уголок на фасонку требуется устройство в нем прорези.

Рис. 9.15. Усиление стержней стропильных ферм способом увеличения сечений

Способом изменения конструктивной схемы можно усилить как отдельные стержни, так и ферму в целом. На рис. 9.16, а показано усиление сжатых стержней ферм постановкой шпренгелей, уменьшающих расчетную длину стержней в плоскости фермы. Такой метод усиления повышает устойчивость стержней только в плоскости фермы и его можно использовать при незначительном увеличении усилий в стержнях или при искривлении стержня в плоскости фермы. Растянутый пояс фермы можно усилить предварительно напряженной затяжкой (рис. 9.16, б).

Рационально применять способы изменения конструктивной схемы, повышающие несущую способность нескольких или всех стержней фермы. Применение этого метода целесообразно при значительном увеличении нагрузок на всю конструкцию. Возможности регулирования усилий возрастают с применением предварительного напряжения. При использовании способа изменения конструктивной схемы в целях усиления фермы обычно не удается обойтись без усиления некоторых стержней способом увеличения сечений. Их рациональное сочетание приводит к наиболее экономичным по расходу стали и трудоемкости изготовления конструктивным решениям.

Наиболее просто изменить конструктивную схему стропильных ферм можно обеспечив неразрезность их на опорах. В результате уменьшаются усилия в средних панелях поясов ферм, но увеличиваются в опорных раскосах у неразрезных опор. В опорных панелях нижнего пояса возможно

Рис. 9.16. Усиление стержней стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы

Рис. 9.17. Усиление стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы

появление сжатия. Эффективно включение в работу стропильных ферм фонарей, расположенных по средним рядам колонн. При этом может потребоваться усиление элементов фонарей. На рис. 9.17, а. д приведены способы изменения конструктивной схемы с помощью вновь устанавливаемых элементов. При наличии свободного пространства под фермой целесообразно применить схему а с передачей сжимающего усилия от наклонных элементов шпрингеля на растянутый пояс. Если в здании имеются мостовые краны, можно уменьшить высоту шпренгеля (схема б), но при этом эффективность усиления снижается. В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, перспективно применение комбинированных систем с использование гибких элементов (вант, гибких и жестких нитей с подвесками). К числу достоинств этих систем относится использование элементов, работающих на растяжение, а также проведение работ по усилению в условиях, не ограниченных действующим производством. Недостатки: необходимость вскрытия кровли и последующее обеспечение ее водонепроницаемости, сложность восприятия распора. При установке новых или повышении грузоподъемности существующих подвесных кранов целесообразно установить вертикальные связи между фермами по всей длине (схема д). Эти связи перераспределяют нагрузку от подвесных кранов между фермами, снижают усилия в стержнях ферм.

Тема 8. Усиление металлических конструкций

существующих конструкциях, которое осуществляется двумя способами:

1. Снижение действующих нагрузок (см. п. 1 в таблице 8.1).

2. Снижение действующих усилий (см. п. 2 в таблице 8.1).

№ п/п	Наименова­ние способа усиления	Методы реализации усиления
Косвенное усиление или изменение условий экс­плуатации	1.1. Использование резервов несущей способности за счет: а. учета фактических механических характеристик ста­ли постоянных и временных нагрузок. б. учета эффекта от пространственной работы каркаса и поддерживающего влияния менее нагруженных элементов. в. уточнения схемы работы элементов конструкции. г. учета совместной работы несущих и ограждающих конструкций. 1.2. Ограничение работы технологического оборудова­ния или замена его на новое с меньшим воздействием. 1.3. Замена существующих ограждающих конструкций на другие с меньшей массой. 1.4. Подведение дополнительных промежуточных несу­щих и ограждающих, а также страховочных конструкций (например, подведение новых прогонов; установка упру­гих прокладок, экранов и т.п.).
Изменение конструктив­ной и расчет­ной схемы конструкций	2.1. Подведение или установка дополнительных опор, подкосов или подвесок. 2.2. Постановка дополнительных связей, распредели­тельных систем. 2.3. Превращение разрезных систем в неразрезные и на­оборот. 2.4. Введение новых стержневых элементов и систем для рационального изменения статической схемы. 2.5. Предварительное напряжение конструкций.
Увеличение площади се­чения	Присоединение к существующему элементу дополнитель­ного элемента, увеличивающего площадь первого.
Местное уси­ление	4.1. Установка элементов, перекрывающих местные де­фекты (накладки, дополнительные фасонки и т.п.). 4.2. Установка дополнительных скреплений элементов: планки и решетки между ветвями двухплоскостных эле­ментов и т.п. 4.3. Установка дополнительных ребер жесткости.
Усиление со­единений	5.1. Увеличение катета и длины сварных швов. 5.2. Постановка дополнительных болтов, замена закле­пок болтами для болтовых и заклепочных соединений.

3. Повышение несущей способности существующих конструкций или их элементов (см. п. 3, 4, 5 в таблице 8.1).

Цели выполнения усиления могут быть разбиты на две группы:

1. Восстановление несущей способности конструкций до проектной вели­чины. Производится при снижении несущей способности конструкций под воз­действием дефектов и повреждений. В зависимости от задач такое усиление может быть следующих видов:
- постоянное (капитальный ремонт);
- временное - осуществляется в том случае, когда необходимо обеспечить в плановом порядке нормальную эксплуатацию до капитального ремонта;
- аварийное - производится в экстренных ситуациях для срочного восста­новления несущей способности, при этом принимаются простые решения, рас­считанные на краткий срок эксплуатации до капитального ремонта.

2. Повышение несущей способности сверх предусмотренной проектом. Это требуется при увеличении нагрузок или интенсивности нагружений при реконструкции.

Особенности работ по усилению:

1. Наличие стесненных условий существующего здания, действующего технологического оборудования и др.

2. Стоимость работ по усилению значительно выше стоимости нового строительства.

3. При проектировании усиления всегда рассматривается несколько вари­антов, оптимальный выбирается по различным критериям в зависимости от конкретных условий:

- наличия ограничений на сроки и продолжительность ремонтных работ; - технологической сложности выполнения работ;
- стоимости работ и др.

Таблица 8.1. Способы усиления строительных металлоконструкций

Изменение конструктивной схемыможет осуществляться следующими способами:

1. Подведение дополнительныхопор, подкосов, подвесок (рис. 9.1), что позволяет повысить несущую способность балочных систем в 2. 4 раза, сни­зить прогибы в несколько раз. Этот способ усиления возможен при наличии свободного пространства под усиливаемой конструкцией, и при условии удов­летворительного состояния фундаментов и грунтов оснований. Рекомендуется применять при аварийном усилении.

Рис. 9.1. Усиление конструкций подведением (установкой) дополнительных опор: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - существующая опора; 3 - новая опора; 4 - элемент местного усиления; 5 - новый подкос; 6, 7, 8, 9 - соответственно дополнительные пилон, вант, несущий трос, подвеска; 10, 11 - дополнительные арка и стойка; 12, 13 — соответственно новые оттяжка и фундамент; 14 — мостовой кран.

2. Постановка дополнительных распределительных систем, связей. Распределительные системы - продольные вертикальные связевые фермы, горизонтальные продольные связи в плоскости нижних поясов ферм покрытия (если их не было) - применяются соответственно для повышения несущей способности стропильных ферм, повышения жесткости каркаса в целом и косвенно приводят к усилению колонн.

3. Превращение статически определимых балочных систем в неразрезные многопролетные или превращением шарнирного опирания колонн на фундаменты в заделку. Этим способом можно повысить несущую способность усиливаемой системы на 15. 20 %.

4. Введение новых стержневых элементов для изменения статической схемы (рис. 9.2) и превращение ее в шпренгельную систему, что дает возможность повысить несущую способность на 40. 60 % (а, г); постановка местных шпренгельных элементов в фермах с целью уменьшения расчетных длин сжатых элементов и восприятия местной нагрузки (в); включение существующих или новых фонарей в работу стропильных ферм (б); введение новых элементов решетки ферм, колонн.

Рис. 9.2. Усиление путем введения новых стержней, изменяющих внешнюю или внутреннюю статическую неопределимость: 1 - усиливаемая балка (ферма); 2 - новые стержни; 3 - детали местного усиления; 4 - демонтируемая опора; 5 - шпренгели.

5. Предварительное напряжениеконструкций, которое может произво­диться следующими способами:

а. Введение предварительно напряженных высокопрочных затяжек (рис. 9.3 б, е, г, д, е) функцию которых могут выполнять также шпренгели и ванты. В балках, фермах, рамах затяжки, как правило, ставятся вдоль нижнего пояса. Благодаря их натяжению создается изгибающий момент, противоположный по знаку моменту от постоянных и временных нагрузок, затяжки могут иметь ло­маное очертание и для удобства натяжения выводиться на верхний пояс.

б. Предварительный выгиб (деформация) конструкции (рис. 8.3 ж). Этот прием может применяться для включения в совместную работу настила с не­сущей конструкцией.

в. Регулированием усилий в неразрезной системе путем изменения уровня опор (рис. 8.3 з). При этом в балочной системе создаются изгибающие момен­ты, обратные по знаку моментам от эксплуатационной нагрузки, в результате чего можно уменьшить в наиболее напряженных сечениях расчетный момент для балок или расчетные усилия для элементов ферм.

Рис. 9.3. Усиление путем предварительного напряжения конструкций: 1 - усиливаемая конструкция; 2 - распорное устройство; 3 - предварительно натянутая

С помощью предварительной деформации дополнительных усиливающих стержней можно добиться разгрузки сжатых стоек. Для этого можно, например, использовать распорные усиливающие стержни и стянуть их с помощью дом­кратов или тяжей или с помощью трубы с затяжкой (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Усиление путем разгрузки сжатых колонн: 1 - усиливаемая колонна; 2 — элемент усиления из трубы; 3 - предварительно натянутая затяжка; 4 – нагреваемая внутренняя труба; 5 - распорные усиливающие стержни; 6 - тяж для стягивания стоек усиления.

Усиление конструкций путем увеличения сечения элементов.Этот ме­тод усиления применяется в тех случаях, когда несущая способность конструк­ции определяется одним или несколькими элементами, например, прочностью или устойчивостью нескольких стержней. При этом целесообразно увеличить сечение перегруженных элементов.

1. Усиление изгибаемых элементов. При усилении изгибаемых элемен­тов наиболее рациональным по расходу стали являются схемы (рис. 9.5), преду­сматривающие симметричное или близкое к симметричному усиление с распо­ложением усиливающих элементов по возможности дальше от центра тяжести сечений усиливаемого элемента. При усилении балок, как правило, нет необхо­димости располагать элементы по всей длине усиляемого элемента, а можно ограничиться только участком с максимальным изгибающим моментом

Крепление дополнительных элементов усиления для конструкций, рабо­тающих на циклические, динамические нагрузки и в условиях низких темпера­тур, производится только сплошными швами или болтами, в остальных случаях допускается применение прерывистых швов.

Рис. 9.5. Усиление изгибаемых элементов путем увеличения сечения: 1 - усиливаемый изгибаемый элемент; 2 - дополнительные усиливающие элементы.

2. Усиление центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов осуществляется по схемам рис. 9.6. Необходимо стремиться к сохранению по­ложения центра тяжести сечения после усиления. Крепление элементов усиле­ния для конструкций производится так же, как в балках.

Рис. 9.6. Усиление центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов путем увеличения сечения: 1 - усиливаемый элемент; 2 - дополнительный присоединяемый элемент

Усиление соединений:

1. Стыковые швы - усиливают путем установки поперечных накладок. Уг­ловые швы крепления накладок не доводятся до стыкового шва на 50 мм.

2. Угловые швы - усиливают путем увеличения их длины. При увеличении длины швов может возникнуть необходимость введения дополнительных эле­ментов.

3. Усиление клепаных соединений производится путем замены высоко­прочными болтами (класса 8.8; 10.9) диаметром 20. 27 мм с предварительным натяжением. Замену можно производить только полностью для одного или не­скольких поперечных рядов (по отношению к оси действующего усилия) закле­пок.

2. Усиление болтовых или заклепочных соединений с помощью сварных швов не рекомендуется из-за разных жесткостных характеристик этих соедине­ний; оно может применяться, как исключение в тех случаях, когда сварные швы усиления будут рассчитаны на восприятие всего усилия в элементе.

Расчет элементов усиления и усиленных конструкцийведется по мето­ду предельных состояний и в соответствии с действующими нормами. Цель расчета - обеспечить прочность и устойчивость конструкций, а также ограни­чить их деформативность.

Расчет по первому предельному состоянию выполняется на силовые воздействия, вызванные сообщенной начальной нагрузкой до усиления и расчетной добавочной нагрузкой , приложенной после усиления ( ).

Расчеты на прочность о упругой стадии и устойчивость производится в предположении, что усиливающие детали воспринимают только приращение усилия в элементе, возникающее от нагрузок, прилагаемых после усиления.

Расчет усиления центрально-растянутых элементовпроизводится в предположении, что усиливающие детали воспринимают только приращение усилия в элементе, возникающее от нагрузок, прилагаемых после усиления. Условие прочности растянутых элементов имеет вид

где - расчетное осевое усилие от нагрузок, действующих в момент усиления;

- расчетное осевое усилие от нагрузок, возникающих после усиления;

А_с - площадь нетто основного сечения элемента (до усиления);

- площадь сечения дополнительных (усиляющих) деталей.

Крепят усиливающие детали к основному сечению и к узлу электросварными швами, при этом, соединительные швы между узлами рекомендуется де­лать сплошными высотой 3-6 мм.

Врасчетах усиления центрально-сжатых элементовпринимается, что усиливающие детали воспринимают только приращение усилий от нагрузок, прикладываемых после усиления, однако, учитывается, что потеря устойчиво­сти происходит в стержне, имеющем новое сечение, поэтому в расчет вводится гибкость стержня после усиления.

К моменту усиления осевое усилие не должно превышать величины, опре­деленной из выражения

где - коэффициент продольного изгиба сечения до усиления;

А_с -площадь брутто основного сечения до усиления.

Условие устойчивости сжатых элементов имеет вид

где - коэффициент продольного изгиба для сечения после усиления (общего).

При расчете изгибаемых элементов условие прочности имеет вид

где - расчетный момент от нагрузок, действующих в момент усиления;

-расчетный момент от нагрузок, возникающих после усиления;

- напряжение от нагрузок, действующих в момент усиления;

- напряжение от нагрузок, возникающих после усиления;

- момент инерции основного сечения элемента (до усиления);

у_с - расстояние до крайней точки пояса до усиления;

- момент инерции для дополнительных (усиляющих) деталей.

Из формул видно, что чем меньше начальное напряжение, тем в большей степени можно повысить несущую способность.

Вопросы к разделу

1. Какие существуют основные методы повышения несущей способности балок?

2. Какие существуют основные методы усиления колонн?

3. Какие существуют основные методы повышения несущей способности решетчатых конструкций?

4. Как выполняется расчет усиления изгибаемых элементов?

5. Как подбирается сечение усиливающих элементов для колонн и стоек?

1. СТО 22-06-04 Эксплуатация стальных конструкций промышленных зданий.

2. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. М.: Минрегион России, 2011.

3. Пособие по проектированию усиления стальных конструкций ( к СП 16.13330.2011). -М.: Стройиздат, 1989. - 159 с.

4. Валь В.Н., Горохов Е.В., Уваров Б.Ю. Усиление строительных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции. - М.: Стройиз­дат, 1987. -208 с.

5. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных предприятий / А.И. Кикин, А.А. Васильев, Б.Н. Кашутин и др. // под ред. А.И. Кикина. - 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1984. - 301 с.

6. Проектирование металлических конструкций : Спец. курс. Учебн. посо­бие для вузов/В.В. Бирюлев, И.И. Кошин, И.И. Крылов, А.В. Сильвестров. - Л.: Стройиздат, 1990 - 432 с.

7. Реконструкция зданий и сооружений / под ред. А.Л. Шагина: Учеб, по­собие строит, спец, вузов. - М.: Высш. ж., 1991. - 352 с.

8. Долговечность стальных конструкций в условиях реконструкции / Е.В. Горохов, Я. Брудка, М. Лубиньски и др.; Под ред. Е.В. Горохова. - М.: Строй­издат, 1994. - 488 с.

9. Металлические конструкции в 3 т. Т. 3 (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. Кузнецова (ЦПИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельнико­ва) - М.: изд-во АСВ, 1999.

10. Сварные строительные конструкции в 3 т. Т. 3 / Под ред. Л.М. Лобано­ва. - К.: ИЭС им. Е.О. Патона. - 2003.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Методы усиления железобетонных колонн

Очень часто при обследовании здания или сооружения оказывается, что многие конструкции объекта находятся в аварийном состоянии и нуждаются в усилении. Если усиление невозможно или нецелесообразно, то конструкцию демонтируют и заменяют другой. Целесообразность того или иного способа усиления определяют сравнительным экономическим анализом (расход материала, трудоемкость выполнения работ, общая стоимость, уменьшение количества простоев производства). В наши дни существует достаточное количество методов по сохранению существующих конструкций колонн при реконструкции зданий. Характер повреждения, месторасположение конструкции в плане, эксплуатационная составляющая, назначение здания и т. д. — от всех этих важных аспектов и зависит способ и вид усиления.

Ключевые слова: усиление, колонна, железобетон, обойма, бетонное наращивание

Сборные железобетонные колонны чаще всего усиливают стальными или армированными бетонными обоймами, бетонными рубашками, с помощью наращивания или любыми другими разгружающими элементами, конструкциями.

Методов действительно очень много, и главное — выбрать наиболее подходящие, устраиваемые и в плане дальнейших эксплуатационных характеристик, и стоимости возведения/усиления, и эстетических нужд.

Усиление колонн осуществляется главным образом за счет увеличения сечения для обеспечения совместной работы существующего и дополнительного сечений. Обычно усиление выполняется с разгрузкой конструкции. Если напряжение в усиливаемой конструкции выше допустимого, то усиление под нагрузкой с использованием сварки не производится.

Рис. 1. Поврежденная железобетонная колонна

Непосредственно перед выбором метода усиления необходимо произвести обследование здания с дальнейшим присвоением зданию категории аварийного состояния. (Рис. 1)

По результатам предварительного обследования с учетом выявленных дефектов и повреждений на момент обследования конструкция относится к одной из пяти категорий состояния [3]:

I — исправное (хорошее) состояние — конструкция удовлетворяет требованиям по устойчивости, жесткости и трещиностойкости. Долговечность конструкции не снижена по сравнению с проектной.

II — неисправное (удовлетворительное) состояние — конструкция удовлетворяет требованиям по устойчивости, жесткости и трещиностойкости. Есть признаки снижения долговечности конструкции по сравнению с проектной.

III — ограниченно работоспособное (не достаточно удовлетворительное) состояние — конструкция удовлетворяет требованиям по жесткости и устойчивости. Долговечность конструкции существенно снижена.

IV — неработоспособное (неудовлетворительное) состояние — конструкция не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

V — предельное (предаварийное) состояние (Рис. 2) — конструкция не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Существует опасность обрушения.

Рис. 2. Аварийное состояние железобетонной колонны

После присвоения зданию категории, анализа состояния колонн и здания в целом, можно приступать к выбору метода усиления.

Для усиления железобетонной колонны существует достаточное количество методов. Наибольшее распространение получили следующие: железобетонные и стальные обоймы, одностороннее и двустороннее наращивание сечения, предварительно напряженные обоймы и распорки, приставные стойки и разгружающие элементы.

Усиление железобетонной обоймой считается наиболее простым и надежным способом увеличения несущей способности колонны. Обойма состоит из продольной и поперечной арматуры и бетонного слоя. (Рис. 3) Перед усилением поверхность колонны должна быть зачищена от старого штукатурного слоя, а поверхность существующего бетона за час до наращивания смочена водой. Чаще всего железобетонную обойму делают толщиной 6–12 см. [1] Сечение и количество продольной арматуры определяется исходя из расчетов. Совместная работа обоймы и колонной — очень важное условие. Поперечная арматура принимается диаметром не менее 6 мм и устанавливается с шагом S, удовлетворяющим требованиям:

;

где d -диаметр продольной арматуры; δ -толщина обоймы.

Рис. 3. Усиление железобетонной колонны с помощью железобетонной обоймы

Для внецентренно сжатых колонн для уменьшения начального эксцентриситета и увеличения прочности используют одностороннее наращивание сечения. Важным условием надежности является совместная работа нового слоя бетона со старым. Для этого предусматриваются те же мероприятия, что и при усилении железобетонными обоймами, и используется соединительная арматура маленького диаметра (10–30мм) с шагом 500–800 мм. В связи с большой трудоемкостью данное усиления применяется редко. [1]

Усиление колонн стальной обоймой (Рис. 4) — довольно простой метод в исполнении, позволяющий незначительно увеличить размер поперечного сечения и практически сразу ввести колонну в эксплуатационный режим. С использованием цементно-песчаного раствора устанавливаются продольные элементы обоймы из уголковой стали, прижимаемые к колонне с помощью струбцин, после чего к уголкам приваривают поперечные планки (шаг по длине колонны 400–600 мм). [1]

Рис. 4. Усиление железобетонных колонн стальными обоймами

Эффект преднапряженного состояния достигается путем приваренных, заранее нагретых до температуры 100–120°С, напряженных обойм поперечных планок. При остывании планки укорачиваются, создавая необходимое натяжение.

Достаточно эффективным методом увеличения несущей способности колонны является усиление с помощью стальных распорок. В данном случае несущая способность будет повышаться пропорционально площади поперечного сечения распорок.

Распорки состоят из двух уголков (швеллеров), которые связанны между собой соединительными планками и выпрямляются с помощью натяжных болтов. Распорки, включаясь в совместную работу с колонной, частично разгружают ее. Величина напряжений в распорках в момент их включения в работу по данным [2] достигает 60–80 МПа.

Усиление колонн предварительно напряженными распорками считается целесообразным при длине распорок не более 5 м для меньшего расхода металла при обеспечении устойчивости.

Решение о необходимости усиления колонн выдвигается на основании обследования здания с разработкой проекта и обоснованием выбранного метода.

Дополнительно составляется ведомость дефектов с фотофиксацией и карты дефектов строительных конструкций.

На основании проведенного визуально-инструментального обследования дается оценка технического состояния строительных конструкций и величина предельно-допустимых нагрузок.

Все обследуемые конструкции классифицируются по техническому состоянию и категории опасности дефектов.

1. Юдина А. Ф. Реконструкция и техническая реставрация зданий и сооружений [Текст]: учеб. пособие/А. Ф. Юдина. — 3-е изд., стер. — М.: Академия, 2014. — 319 с.
2. Бадьин, Г. М. Усиление строительных конструкций при реконструкции и капитальном ремонте зданий [Текст]: учеб. пособие / Г. М. Бадьин, Н. В. Таничева. — М.: Изд-во Ассоц. строит. вузов, 2010 (Курган). — 111 с.
3. Гроздов В. Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. СПб: Издательский Дом KN+, 2001. 140 с.

Основные термины (генерируются автоматически): усиление, колонна, конструкция, аварийное состояние, железобетонная обойма, обойма, усиление колонн, поперечная арматура, продольная арматура, совместная работа.

Читайте также:

  
• Изготовление металлических опор расценка в смете
  
• Огнетушитель для щелочных металлов
  
• Понятие о свариваемости металлов
  
• Грунтовка глубокого проникновения по металлу какая лучше
  
• Лестница с тротуарной плиткой металлическая