Усиление металлических конструкций под нагрузкой

Обновлено: 28.09.2024

При недостаточной несущей способности отдельных элементов, конструкций пли зданий и сооружений произ­водится их усиление, при этом, так же как и при конст­рукциях из других материалов, необходимо предусмот­реть минимальные потери из-за остановок технологиче­ского цикла.

Элементы сварных конструкций, испытывающие рас­тяжение, сжатие или изгиб, могут быть усилены увели­чением сечений путем приварки новых дополнительных деталей. Несущая способность элемента при этом воз­растает с увеличением его сечения или жесткости. Од­нако нагрев элемента в процессе сварки может снижать его несущую способность. Степень снижения зависит от режима сварки, толщины и ширины элемента, на­правления сварки. Для продольных швов снижение прочности не превышает 15%, для поперечных может постигать 40%. Поэтому наложение швов поперек эле­мента при его усилении под нагрузкой категорически запрещается.

В связи с некоторой потерей прочности элементов при сварке, а также перераспределением напряжений как по сечению элемента, так и между элементами уси­ление под нагрузкой производят при напряжениях, не превышающих 0,8 Rу, где Rу - расчетное сопротивление для стали, из которой изготовлен элемент.

Усиление сжатых стоек.

Эффективным средством усиления сжатых стальных стержней является применение предварительно напря­женных телескопических труб и элементов из других жестких профилей.

Сущность способа (рис. 39) заключается в том, что разгружающая предварительно напряженная стойка со­стоит из двух труб требуемого диаметра, причем внут­ренняя труба сжата, а наружная растянута. Достигает­ся это следующим образом: наружную трубу устанавли­вают в горизонтальное положение, с одного торца трубы приваривают фланец с центральным отверстием диа­метром 30-40 мм, с другого торца на расстоянии 2-3 м строго по оси наружной трубы устанавливают внутрен­нюю трубу чуть меньшего диаметра, чтобы она могла с небольшим зазором входить в наружную. Затем газо­выми горелками производят нагрев наружной трубы до расчетного удлинения, вводят в нее внутреннюю трубу и обваривают по всему периметру свободного торца.

Сокращаясь при остывании, наружная труба обжимает внутреннюю. В таком виде предварительно напряжен­ный элемент устанавливают рядом с усиливаемой стой­кой и плотно подклинивают под разгружаемую конст­рукцию. Затем двумя газовыми горелками наружную трубу разрезают в нижней части по окружности, осво­бождая таким образом усилие предварительного напряжения во внутренней трубе. Удлиняясь, она разгружает рядом стоящую стойку. После этого наружная труба в сечении разрезки заваривается и в состоянии воспри­нять часть добавочной нагрузки на колонну (стойку) после усиления. Этот способ может применяться также при усилении внецентренно сжатых элементов.

Эффективным способом увеличения жесткости кар­касов промышленных зданий является устройство пред­варительно напряженных тяжей и оттяжек. Однако от­тяжки требуют массивных анкерных устройств, увеличе­ния площади застройки, а также они увеличивают сжи­мающие усилия в колоннах. Более эффективны тяжи, которые крепятся к соседним устойчивым зданиям. На­тяжение таких затяжек осуществляют механическим, электротермическим или комбинированным способом, а контроль эффективности усиления - по уменьшению смещений верхних узлов каркаса при горизонтальных нагрузках.

Повышения жесткости продольных и поперечных рам возможно добиться установкой крестовых диагональ­ных жестких связей, а когда это невозможно, - жест­ких распорок (ригелей) в сочетании с диагональными раскосами.

Рис. 3.39. Усиление предварительно напряженной стойкой:

1 - предварительно напряженная стойка; 2 - сварной шов; 3 - накладки

Эффективный способ увеличения прочности и жест­кости металлических ригелей - подведение под них про­катных или сварных балок с приваркой под нагрузкой в нагретом состоянии. При ограниченных габаритах по­мещений усиливающую балку устанавливают сверху, вскрывают пол и приваривают ее к верхней полке уси­ливаемого ригеля в предварительно напряженном со­стоянии. Усиливающие балки в первом и во втором слу­чаях заводят и жестко закрепляют в узлах рамы.

Повышения несущей способности стропильных балок и ригелей перекрытия возможно добиться устройством сплошного железобетонного настила, жестко связанно­го с верхним поясом балки. В этом случае жесткость ри­геля существенно повышается, и его можно рассматри­вать как тавровую железобетонную балку с жесткой арматурой.

Наиболее часто требуют усиления сжатые стальные элементы. Традиционным способом их усиления являет­ся увеличение сечения приваркой полос, уголков и дру­гих элементов без предварительного напряжения. Однако такой способ усиления обладает существенным недостатком: элементы усиления поздно включаются в ра­боту, приварка этих элементов вызывает в сжатых стойках дополнительные деформации, что снижает эф­фективность усиления. Поэтому традиционные способы усиления применяют, если временная нагрузка на стой­ки составляет не менее 40 % от постоянной и во время выполнения работ по усилению она отсутствует.

Рис. 3.40. Схемы усиления стоек ненапряженными элементами

Усиление стальных стоек ненапряженными элемен­тами осуществляют увеличением их сечения и уменьшением их свободной длины, при этом следует стремиться к максимальному увеличению радиусов инерции сечения (рис. 3.40). При выполнении усиления нагрузка на стой­ке не должна превышать 50-60 % расчетной.

При небольшой гибкости усиливаемого элемента не­обходимо уменьшать эксцентриситет от смещения, а при гибкости l > 80 - увеличивать его устойчивость.

Присоединение элементов усиления осуществляют в основном сваркой. Сварочный прогиб для элементов, которые усиливаются под нагрузкой, является нагру­жающим фактором, поэтому сначала усиливаемый эле­мент приваривают точечной сваркой, а затем наклады­вают основной шов. При этом предпочтение следует отдавать шпоночным (прерывистым) швам, которые уменьшают деформации элементов, сокращают сроки сварочных работ и уменьшают массу наплавленного ме­талла.

Усиление балок.

Усиление металлических балок осуществляют увели­чением сечения, при этом необходимо выполнить их раз­грузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры. При проектировании усиления необходимо придерживаться следующих технологичес­ких правил: объем сварки должен быть минимальным, сварные швы следует располагать в удобных доступных местах, необходимо избегать потолочной сварки, снача­ла надо усиливать нижний пояс, а затем верхний, что исключает прогиб балки в момент усиления.

Рис. 3.41. Схемы усиления балок симметричными на­кладками

Наиболее простой способ усиления-симметричны­ми накладками (рис. 3.41), однако при этом возникает необходимость в большом объеме потолочной сварки. При большой ширине нижней накладки можно избежать потолочных швов, однако ширина ее не должна превы­шать 506, в противном случае возникает значительная концентрация напряжений по кромкам балки.

Проверку прочности и устойчивости усиленной бал­ки производят как для цельного сечения, так как крити­ческие усилия не зависят от величины напряжений, су­ществовавших до усиления.

Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами (рис. 3.42).

Эффективным способом усиления сплошных балок являются натяжные устройства, которые обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки за­тяжек. Такие способы позволяют регулировать усилие предварительного напряжения в нижнем поясе балки. Один из варианта усиления представлен на рис. 43. Распорные элементы выполняют в виде секторов с гнез­дами, образующих с осью разрезные шарниры, располо­женные между скошенными торцами распираемых балок, натяжное устройство требуемой массы располага­ют внутри колонны. Этот способ наиболее эффективен при усилении подкрановых балок, так как требует ми­нимальных трудовых и материальных затрат.

Усиление ферм.

Усиление стальных ферм осуществляют подведением новых конструкций, введением дополнительных элемен­тов решетки, изменением схемы конструкции и увеличе­нием сечений отдельных элементов. Выбор того или ино­го способа усиления зависит от причин, вызвавших уси­ление стропильных конструкций. Подведение новых конструкций осуществляют в том случае, если другие способы усиления не дают требуе­мого эффекта и если по условиям производства допусти­ма установка дополнительных промежуточных стоек.

Дополнительные элементы решетки вводятся для уменьшения гибкости стержней в плоскости фермы, для усиления верхнего пояса фермы на местный изгиб, а также для увеличения жесткости и несущей способно­сти фермы в целом. Усиление нижнего пояса осуществляют, как правило, увеличением его сечения. Верхний пояс усиливают шпренгельной решеткой. Дополнитель­ную перекрестную решетку устанавливают для повыше­ния несущей способности и жесткости фермы в целом. В этом случае ферма превращается в статически неоп­ределимую систему и возникает опасность перераспре­деления усилий в элементах решетки (растянутые эле­менты испытывают сжимающие усилия, и наоборот). Поэтому иногда возникает необходимость дополнитель­ного усиления отдельных элементов решетки.

Наиболее распространенный характер повреждений стропильных ферм — погнутость стержней решетки, ко­торая достигает 50-70 мм. В этом случае увеличивают сечение решетки или устанавливают предварительно на­пряженные элементы, снижающие искривления элемен­тов решетки.

Существенного увеличения несущей способности фер­мы можно добиться установкой третьего пояса (шпрен­гельной системы) в пределах высоты фермы или (если допускает высота помещения) путем его закрепления в нижних опорных узлах. Такое усиление не требует до­полнительных опор и может выполняться из высоко­прочных канатов (пучков), обеспечивая минимальную материалоемкость усиления. Стойки шпренгельной си­стемы выполняют из жестких профилей.

Разгрузку су­ществующей фермы осуществляют предварительным на­пряжением третьего пояса, поэтому его сечение должно быть достаточным для воспринятая максимальных на­пряжений при полной нагрузке фермы. Усилия в раз­личных элементах конструкции суммируются из усилий, возникающих при предварительном напряжении третье­го пояса, а также усилий, в статически неопределимой усиленной конструкции от всех нагрузок, приложенных после усиления.

Одним из способов усиления ферм является над­стройка висячих (вантовых) систем, к которым подве­шивается усиливаемая конструкция. Этот способ осо­бенно эффективен, если ванты можно подвешивать к ря­дом стоящим более высоким и устойчивым сооружениям.

Усиления ферм можно добиться включением в их работу светоаэрационных фонарей. Наиболее эффекти­вен этот метод при расположении фонарей не по сере­дине пролета, а над колоннами в двух- и многопролет­ных цехах.

Как уже отмечалось, усиления верхнего пояса ферм можно добиться за счет включения 8 его работу желе­зобетонных плит покрытия.

Усиление соединений.

При недостаточной прочности сварных швов их уси­ливают увеличением длины.

Наращивание швов следует производить электрода­ми Э42, Э42А или Э46Т диаметром не более 4 мм при силе тока не более 220 А со скоростью, при которой за один проход размер катета не превышает 8 мм. Для элементов из уголков новые швы следует накладывать, начиная со стороны обушка от края фасовки в направ­лении существующих швов. Сварку последующего шва производят только после охлаждения предыдущего до 100°C. При усилении швов напряжения в усиливаемом элементе не должны превышать 0,8Ry, где Ry-расчет­ное сопротивление стали. Усиление должны производить высококвалифицированные, сварщики не ниже 5-го раз­ряда.

Усиление заклепочных соединений осуществляют вы­сокопрочными болтами с предварительным напряжени­ем. Болты устанавливают от середины узла к краям с помощью тарировочных ключей для измерения крутя­щих моментов. Из-за ослабления старых заклепок при установке новых высокопрочных болтов последние дол­жны быть рассчитаны на воспринятие полной нагрузки.

Из-за различной жесткости сварных и болтовых со­единений усиление последних при помощи сварки не ре­комендуется.

Усиление металлических конструкций под нагрузкой. Бельский М.Р. 1975

Усиление металлических конструкций под нагрузкой. Бельский М.Р. 1975

В книге описаны средства и методы усиления металлических конструкций под нагрузкой в условиях действующих предприятий. Особое внимание уделено вопросам усиления стоек рам, каркасов зданий и сооружений. Приведены практические методы расчета и производства работ по усилению металлических конструкций. Книга предназначена для инженеров-строителей, проектировщиков и производителей работ.

Определение необходимости и способов усиления металлических конструкций
Обследование конструкций, находящихся под нагрузкой, и их усиление
Причины аварий, вызывающих необходимость усиления конструкций
Классификация усилений; Предварительное напряжение при усилении конструкций

Увеличение жесткости рамных сооружений, конструкций и их элементов
Увеличение пространственной жесткости рамных сооружений и отдельных конструкций
Предварительное напряжение при увеличении жесткости конструкций
Постановка дополнительных ребер, листов и распорок
Применение предварительно напряженных тяжей и оттяжек
Увеличение жесткости узлов и сопряжений
Усиление рам жесткими диагональными раскосами, подкосами и гибкими связями
Усиление рам жесткими ригелями и диагональными раскосами

Усиление подведением новых конструкций (элементов) и изменением конструктивных схем
Подведение новых конструкций и введение новых дополнительных элементов для усиления отдельных конструкций
Основные приемы изменения конструктивной схемы
Превращение балочных разрезных конструкций в неразрезные
Превращение балочных конструкций в шпренгельные

Усиление увеличением сечений элементов
Область применения способа и его особенности
Выбор материала для усиления
Усиление изгибаемых элементов
Усиление центрально растянутых элементов
Усиление внецентренно растянутых элементов
Усиление центрально сжатых элементов
Усиление внецентренно сжатых элементов

Усиление соединений элементов и конструкций
Причины усиления соединений элементов и конструкций
Усиление сварных швов
Усиление заклепочных и болтовых соединений

Усиление рамных конструкций промышленных зданий
Усиление рамных конструкций под нагрузкой
Усиление затяжками рам с двухскатным ригелем
Усиление стоек и колонн рамных каркасов одноэтажных промышленных зданий
Усиление стоек и колонн стальных каркасов промышленных многоэтажных зданий и сооружений
Усилие решетчатых ригелей, балок и ферм

Приложение
1. Данные для расчетов электротермического натяжения затяжек
2. Допускаемые отклонения для основных дефектов и повреждений стальных конструкций
3. Сортаменты
Литература

Предисловие

Усиление конструкций — эффективное средство увеличения их несущей способности, продления срока нормальной эксплуатации и предотвращения аварий.

Большие объемы работ в этой области приходится выполнять при различных повреждениях, возникающих во время изготовления, транспортировки или монтажа конструкций, а также при реконструкции промышленных предприятий.

В этой связи немаловажное значение приобретает разработка и усовершенствование способов усиления конструкций непосредственно под эксплуатационной нагрузкой, в стесненных условиях действующих цехов и сооружений.

Как показала практика, применение предварительного напряжения позволяет усиливать даже сильно поврежденные стальные конструкции непосредственно под полной эксплуатационной нагрузкой, без какой-либо остановки производственного процесса, а также значительно сокращать сроки строительно-монтажных работ.

Для разработки более эффективных способов усиления конструкций под нагрузкой полезно использовать опыт исследований в области предварительно напряженных металлических конструкций. Большой интерес в этом направлении представляют работы таких советских ученых, как Е.И. Белени, Ю.В. Гайдарова, М.М. Жербина, В.В. Трофимовича и др.

Предварительное напряжение впервые было исследовано, разработано и применено М.Н. Лащенко при усилении металлических рам с двухскатными ригелями. Ю.И. Лозовой впервые в строительной практике применил термический и электротермический методы предварительного напряжения стержней при усилении металлических конструкций. Эти методы позволяют получать не только необходимую величину напряжения в усиливающих элементах, но и применять достаточно простую технологию производства работ.

Следует заметить, что каждая проектная организация обычно разрабатывает свои способы усиления, внедряя в практику в ряде случаев более или менее рациональные решения. Однако даже самые экономичные решения порой становятся «уникальными» из-за отсутствия обмена опытом между различными проектными организациями и родственными им учреждениями или специалистами, занимающимися по мере необходимости усилением металлических конструкций. Поэтому необходимо объединить усилия проектных, строительных, учебных и научно-исследовательских организаций по обмену опытом и созданию единого нормативного документа в области проектирования усилений стальных конструкций, находящихся под нагрузкой, в условиях действующих предприятий.

В настоящей работе обобщается опыт ряда строительных и проектных организаций по усилению металлических конструкций в напряженном состоянии в условиях действующих цехов и сооружений.

Усиление стержневых металлических конструкций. Ребров И.С. 1988

Усиление стержневых металлических конструкций. Ребров И.С. 1988

Книга посвящена вопросам проектирования и расчета усиления стержневых металлических конструкций. В ней с единых позиций рассматриваются работа и расчет различных типов плоских стержневых конструкции н их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Значительное внимание уделено вопросам расчетной оценки влияния технологии усиления, и особенно напряжений и деформаций, возникающих при усилении с помощью сварки. Приведены рекомендации по проектированию и приближенным методам расчета усиления стальных конструкций. Предназначена для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Раздел I. Особенности проектирования и расчета усиления стержневых конструкций

Глава 1 Методы и схемы усиления стержневых металлических конструкции
Общие методы и приемы усиления
Схемы усиления стержневых конструкций

Глава 2. Общий подход к расчету усиления стержневых конструкций
Основные расчетные предпосылки
Особенности работы и расчета конструкций при их усилении под нагрузкой
Общий подход к решению задач статики нелинейных стержневых систем

Раздел II. Стержень, усиливаемый под нагрузкой

Глава 3. Основы расчета нелинейно-упругого стержня
Деформационный расчет упругого сжато-изогнутого стержня
Расчет нелинейно-упругого стержня
Учет деформаций укорочения стержня и граничных условий

Глава 4. Усиление стержня увеличением его сечения
Расчетная модель стержня
Этапы работы усиливаемого стержня. Учет истории нагружения
Учет деформаций сдвига. Определение начального напряженно-деформированного состояния усиливаемого стержня
Деформации стержня при присоединении элементов усиления
Расчетная схема усиленного стержня

Глава 5. Сварочные деформации и напряжения при усилении стержня увеличением сечений
Технологические особености сварки при усилении
Расчетные схемы оценки сварочных напряжений и деформаций
Расчет температурного поля при сварке
Определение напряженно-деформированного состояния стержня при сварке
Расчет усиливаемого стержня с использованием метода дополнительных параметров деформаций

Глава 6. Усиление стенок стержней двутаврового сечения
Конструктивные и технологические особенности усиления стенок
Расчет стержней, усиливаемых диагональными ребрами жесткости
Оценка сварочных напряжений и деформаций при приварке ребер жесткости

Глава 7. Особенности работы усиливаемых элементов стальных конструкций
Характеристика программы расчета
Тестовые расчеты
Особенности развития сварочных напряжений и деформаций в сечениях усиливаемого стержня
Прочность и деформативность усиливаемых элементов
Влияние поперечных сил на прочность и деформативность усиливаемых балок
Влияние сварочных деформаций и начальной нагрузки на устойчивость сжатых стержней
Влияние технологии сварки и типа опорных закреплений на работу усиливаемых элементов

Раздел III. Стержневая конструкция, усиливаемая под нагрузкой

Глава 8. Усиление стержневой конструкции
Общие положения статического расчета
Расчет исходной системы
Введение дополнительных стержней
Разгрузка и удаление стержней
Замыкание узловых шарниров
Введение дополнительных опор
Усиление стержней увеличением их сечений

Глава 9. Расчет усиленной стержневой конструкции
Расчет на возрастающие нагрузки
Проверка устойчивости стержневой конструкции
Структура программы расчета

Раздел IV. Рекомендации по проектированию и приближенным методам расчета усиления стальных конструкций

Глава 10. Схемы и технология усиления
Рекомендации по выбору схем усиления конструкций и их элементов
Проектирование соединений при усилении элементов конструкций
Технология усиления элементов конструкций

Глава 11. Приближенные методы учета особенностей работы усиливаемых конструкций
Оценка напряженно-деформированного состояния сечений усиливаемого стержня
Оценка деформативности и жесткости усиленных стержней
Расчет усиленных элементов на прочность
Расчет усиленных сжатых элементов на устойчивость
Особенности статического расчета усиливаемых конструкций

Заключение
Список литературы
Предметный указатель

Введение

В решениях XXVII съезда КПСС подчеркивалось, что материальные и финансовые ресурсы следует в первую очередь направлять на техническое перевооружение и реконструкцию действующих предприятий, т. е. туда, где можно расширить производственные возможности без нового строительства или с меньшими капитальными затратами. Доля капитальных вложений на эти цели к 1990 году должна составить 50 % всех средств, выделенных для промышленного строительства. Модернизация производства, как правило, обусловливает увеличение эксплуатационных нагрузок на конструкции зданий и сооружений, что, в свою очередь, приводит к необходимости их усиления.

Разработке приемов и методов усиления металлических конструкций посвящено сравнительно много работ. Среди них следует отметить монографии М.Н. Лащенко [29, 30, 31], в которых дана классификация и сделан анализ таких методов, исследования Е.О. Патона, В.А. Гастева, Н.Б. Лялина, Т.М. Богданова, Е.О. Осипова, Г.К. Евграфова, выполненные применительно к мостам; работы Г.А. Шапиро, М.Б. Солодаря, Я.А. Ильяшевского, М.М. Сахновского, М.Р. Вельского, посвященные усилению металлических конструкций промышленных зданий; работы А.М. Петрова, И.Л. Хаютина, О.Н. Суслова, рассматривающие вопросы усиления соединений, и т. д.

Многочисленные публикации в строительных журналах, в обзорной и реферативной информации посвящены описанию отдельных примеров усиления стальных конструкций. Как правило, усиление осуществляется в условиях действующего производства, когда на усиливаемые конструкции воздействуют некоторые эксплуатационные нагрузки. Это диктует необходимость особого подхода не только к организации, схемам и технологии усиления, но и к методам проектирования и расчета усиления конструкций. Между тем методы оценки несущей способности усиливаемых конструкций до настоящего времени разработаны недостаточно.

Одно из первых предложений по расчету прочности усиленных под нагрузкой стальных элементов было сделано Б.Г. Шварцбургом и Я.Л. Куденком [82], Разработкой приближенных методов оценки прочности и деформативности усиливаемых под нагрузкой балок занимались Е.И. Беленя, И.Я. Донник, М.Я. Шепельский, И.С. Ребров [5, 19, 54, 85]. Вопросы прочности и устойчивости сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, рассматривались В.М. Колесниковым [26], А.Г. Иммерманом и Б.И. Десятовым [17, 22], И.С. Ребровым [51]. Оценке прочности усиливаемых растянутых элементов посвящено исследование Р. Кизингера [24]. Работа сжатых стержней, усиливаемых под нагрузкой введением дополнительной боковой опоры с целью уменьшения расчетной длины элементов, исследовалась К. Рабольдтом [88].

Перечень приведенных выше публикаций показывает, что особенности работы усиливаемых под нагрузкой конструкций изучались в основном на их отдельных элементах, как правило, для простейших форм сечений, схем усиления, условий загружения и граничных условий, причем решения носят приближенный характер и дают возможность лишь грубой оценки несущей способности того или иного типа элементов. Недостаточно разработаны вопросы оценки деформативности усиливаемых элементов и влияния сварки при усилении под нагрузкой. Особенности расчета конструкций при изменении их конструктивных схем под нагрузкой не получили освещения в технической литературе, за исключением работы [52].

Отсутствие единых нормативных документов по проектированию и расчету усиления стальных конструкций и настоятельная потребность в них привели в свое время к появлению ведомственных инструкций, затрагивающих отдельные вопросы усиления [58, 59]. Эти инструкции содержали различные и зачастую противоречивые рекомендации по методам расчета усиливаемых; под нагрузкой элементов, базирующиеся на тех или иных перечисленных исследованиях. Столь же противоречиво излагаются методы расчета усиления элементов в литературе, посвященной общим вопросам эксплуатации и усиления конструкций [8, 66]. Зачастую рекомендации по расчету основаны на методике допускаемых напряжений, что значительно снижает эффективность усиления.

Попытке устранить эти пробелы и разработать общий подход к проектированию усиления металлических конструкций посвящена настоящая книга, В ней с единых позиций рассматриваются вопросы работы и расчета плоских стержневых конструкций и их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Аппарат расчета таких конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности их работы опирается на интенсивно разрабатываемые в настоящее время численные методы, ориентированные на применение ЭВМ.

Сложность работы усиливаемых конструкций, возможность вовлечения их в совместную работу с примыкающими и ограждающими конструкциями, потери эксплуатационных свойств вследствие усталостных или хрупких разрушений и т. п. обусловили отказ от рассмотрения некоторых типов конструкций и внесение в расчет ряда упрощающих предпосылок. В настоящем исследовании рассматриваются плоские стержневые конструкции, работающие в условиях статического нагружения и эксплуатирующиеся при расчетных температурах не ниже —40°С. При усилении конструкций, работающих на динамические и вибрационные нагрузки и при низких температурах, необходимо учитывать возможность хрупких отказов, что диктует особый подход к методам проектирования, расчета и конструктивного оформления усиления.

Раздел I посвящен рассмотрению общих вопросов проектирования и расчета усиления металлических конструкций. Дан краткий анализ причин, вызывающих необходимость усиления, и приведены сведения об основных методах, приемах и способах его осуществления. Отмечены особенности работы усиливаемых конструкций и сформулирован общий подход к решению задач их расчета.

В разделе II изложены методы расчета элементов металлических конструкций, усиливаемых под нагрузкой способом увеличения их сечений. Дополнительно рассмотрены вопросы усиления стенок двутавровых стержней. На основе разработанных алгоритмов и программ проведен детальный анализ особенностей работы усиливаемых элементов с оценкой влияния начальных и сварочных деформаций на их прочность, устойчивость и деформативность.

Раздел III посвящен методам расчета стержневых конструкций, усиливаемых под нагрузкой путем изменения их конструктивных схем или увеличения сечений отдельных элементов. Рассмотрены способы учета начальных деформаций системы и деформаций, возникающих на стадии усиления с использованием сварки или методов принудительного регулирования усилий. Дан пример построения программы расчета по ЭВМ.

В разделе IV приведены общие рекомендации по проектированию усиления конструкций и их элементов и технологии его осуществления. На основе анализа результатов расчетов на ЭВМ разработаны приближенные методы оценки прочности, устойчивости и деформативности элементов, усиленных под нагрузкой способом увеличения их сечений.

Автор выражает глубокую признательность проф. А.В. Геммерлингу, советы которого во многом определили направление исследований, а также проф. Е.А. Бейлину и д-ру техн. наук В.И. Сливкеру, сделавшим ряд ценных замечаний при просмотре рукописи.

Усиление металлических конструкций под нагрузкой

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 металлоконструкций

Строительство зданий на основе металлоконструкций обеспечивает их высокую надежность и долговечность. В большинстве случаев эти сооружения не требуют модернизации в течение всего срока службы.

Почему требуется усиление металлоконструкций зданий и сооружений

При строительстве промышленных и жилых зданий, торговых помещений, складов, выполненных на основе металлоконструкций, проектировщики устанавливают для них определенные показатели прочности. Но под воздействием различных негативных факторов часто происходит разрушение металлоконструкций, вследствие чего нарушается целостность зданий. Эти факты выявляются обычно при обследовании построек инспекторами Ростехнадзора, а также персоналом предприятия или самими жильцами. Также к необходимости дополнительного укрепления металлических конструкций могут привести ошибки в их проектировании, изменение нагрузок и инженерные дефекты.

Многие здания из старого фонда недвижимости требуют в настоящее время проведения ремонтно-восстановительных работ, которые включают усиление имеющихся металлоконструкций. Это связано с тем, что металлоконструкции не всегда обладают достаточно высокой прочностью и долговечностью. Использование дорогого металла во многих случаях бывает экономически невыгодным.


Зачем нужно усиливать металлокаркас?

У многих элементов каркасной системы в процессе эксплуатации уменьшается несущая способность. В этом случае возникает риск разрушения всего объекта строительства. Монтаж металлоконструкций с целью усиления металлических каркасов позволяет сохранить первоначальные эксплуатационные и технические характеристики здания. При этом эксплуатацию объекта строительства можно не прекращать, что приведет к минимальным потерям. Также усиление металлических каркасов можно провести без демонтажа металлоконструкций.

Усиление металлокаркаса промышленных зданий часто выполняется с помощью оттяжек с предварительным напряжением, что позволяет получить достаточно хороший эффект. Но для этого необходимы тяжелые анкерные устройства. Также должны быть увеличены площади для застройки. Лучший эффект дают тяжи, закрепленные к другим зданиям, которые отличаются большей устойчивостью. Для их натяжения могут использоваться самые разные способы, например электротермический. Эффективность данного усиления можно проконтролировать следующим образом. При горизонтальных нагрузках наблюдаются смещения каркаса, например его верхних узлов. После проведения усиления они должны уменьшиться.

Усиление металлокаркаса, который имеет вид продольных и поперечных рам, производится путем установки диагональных жестких связей в виде креста. При невозможности их использования применяются жесткие распорки, которые называются ригелями. Для повышения прочностных характеристик ригелей применяются балки, полученные методом проката или сварки. Путем приварки под нагрузкой эти балки подводятся под ригели.

Усиление металлоконструкций в виде балок стропил и ригелей в перекрытии проводится путем создания цельного настила, который жестко связывают с верхним поясом балки. В результате этого существенно повышается их несущая способность. Сам ригель фактически превращается в балку с очень жесткой арматурой.

Элементы металлоконструкций из стали требуют особого усиления. Чаще всего применяется метод приварки элементов, которые не проходят через процедуру предварительного напряжения. Это могут быть, например, полосы или уголки. Данные способы усиления применяют при высоком показателе временной нагрузки на стойки. В других случаях в сжатых стойках в результате приварки элементов могут возникнуть различные деформации. Эффективность проведенного усиления в таком случае снижается. Стальные стойки с ненапряженными элементами усиливают путем уменьшения их длины. Также может быть увеличен диаметр их сечения.

Как усиливают металлоконструкции?

Усиление металлоконструкций может быть выполнено с помощью различных армирующих элементов и накладок. Благодаря проведению таких работ можно существенно сэкономить средства на реконструкции построек и увеличить срок службы зданий. В результате технологического процесса по усилению строительных металлоконструкций здание снова возвращается к своей нормальной жизни.

При этом работы по усилению металлических конструкций могут быть выполнены по неотложным причинам, если здание находится в аварийном состоянии. Также существует капитальное и перспективное усиление металлических конструкций здания. Перед основательным укреплением может быть выполнено временное армирование необходимых элементов сооружения.

Усиление металлоконструкций: в чем заключаются особенности данного технологического процесса

Выполнение подобных восстановительных работ осуществляется строго в соответствии с разработанными рекомендациями и нормами. Усиление металлоконструкций производится в определенной последовательности. Вначале тщательно анализируется вся имеющаяся документация по конкретному строительному объекту и оценивается качество проектирования имеющихся металлоконструкций. Если никаких отклонений от проекта в промышленных или жилых зданиях, выполненных из этого материала, не обнаруживается, то выясняются причины нарушений геометрии и целостности сооружений.

Полученные результаты позволяют разработать наиболее эффективный проект усиления конструкций и подготовить профессиональное экспертное заключение. Благодаря применению современных технологий армирования и строительных материалов высокого качества можно гарантировать эффективность выполненных работ и сокращение производственных затрат.

Усиление металлоконструкций является таким же трудоемким процессом, как и строительство зданий. На первом этапе на участке расположения здания устанавливаются растяжки, бандажи, дополнительные стропила и временные опоры. При наличии повреждений в рамах, фермах, балках, колоннах рядом размещаются аналогичные конструкции, с помощью которых происходит разгрузка поврежденных металлоконструкций. Поврежденные элементы могут быть дополнены элементами из металла, которые закрепляются с помощью болтов, заклепок или сварки. Еще один вариант усиления металлоконструкций заключается в полной замене отдельных связей аналогичными элементами. Для усиления перекрытий применяются связи, которые удерживают балки в каждом пролете арки строго горизонтально.

Для того чтобы повысить способность здания выдерживать высокие нагрузки, применяются:

  • ненапрягаемые элементы;
  • гибкие затяжки для пролетных конструкций, предварительно напряженные;
  • шпренгельные элементы;
  • инвентарные опоры;
  • ветви опор;
  • монтажные стойки на стреле крена и другие.

Усиление стоек, работающих на сжатие


Используется прием повышения жесткости конструкции с помощью предварительно напряженных элементов.

Вплотную к усиливаемой стойке нужно установить конструкцию из двух труб. Трубы собираются в телескопическую конструкцию, с минимальным зазором. Внутренняя труба, предварительно нагретая и растянутая, приваривается к наружной по торцу. Телескопическая конструкция соединяется при помощи сварки к установленной рядом конструкции. Затем, надрезав нижнюю часть телескопической конструкции, отделяют внутреннюю трубу от наружной. Вместо труб можно использовать также другие жесткие профили.

Усиление металлоконструкций балок и ферм


Эти конструкции усиливают ненапряженными элементами. Основной принцип – в увеличении площади нагружаемого сечения. В балках – это приваривание по их длине уголков, швеллеров или труб. В фермах – наращивание элементов ферм. Приваривать новые элементы нужно поперек или по диагонали самой нагруженной части. Крепление дополнительных элементов выполняют на опоры, при помощи сварки.

Усиление металлических конструкций - это способ восстановления их проектных характеристик (несущей способности и устойчивости), сниженных в процессе эксплуатации конструкции из-за влияния различных механических, химических и электрохимических факторов. Одним из основных способов является увеличение их поперечного сечения.

Поперечное сечение металлической конструкции может быть увеличено следующими способами:

  • дополнением конструкции ненапрягаемыми элементами в виде стоек, стержней, ригелей и т.д.;
  • дополнением конструкции предварительно напряженными гибкими (натяжными) или жесткими элементами (стержнями и балками);
  • устройством дополнительных разгружающих конструкций (балок, колонн, оснований);
  • усилением сварных, заклепочных, болтовых и других соединений элементов металлической конструкции.

Использование сварки для изменения поперечного сечения конструкции в некоторых случаях приводит к снижению её несущей способности из-за перегрева металла. В настоящее время используются также легкие полимерные материалы.

Особенности

Металлические стойки каркаса первого этажа, а также несущие балки для защиты от огневого воздействия либо обетонируют, либо обмуровывают кирпичной кладкой. В контактной зоне образуются непроветриваемые пазухи — идеальное место для коррозии. В двутавровых профилях самыми тонкими элементами их являются стенки, и именно они повреждаются коррозией в полной мере, которая доходит до сквозных отверстий. Вскрытие в местах замачивания конструкции подтверждает эту версию. Полки двутавров значительно массивнее и меньше подвержены коррозии. Именно поэтому двутавровые балки следует усиливать приваркой полосовой стали вдоль колонны с обеих сторон.

Для проведения работ разгружают перекрытие, вскрывают защитное покрытие и зачищают полки до чистого металла. В зависимости от величины повреждения усиливается стойка на поврежденном участке или по всей высоте этажа.

В случае повреждения полок двутавровых стоек усиливают поврежденные участки с помощью дополнительных металлических элементов, в качестве которых могут применяться полосовая сталь, стержневая арматура или прокатный профиль (уголки, швеллеры, двутавры). Площадь дополнительной арматуры усиления определяется с помощью расчета.

Ниже приводятся возможные варианты усиления сжатых стоек металлического каркаса:


Усиление может быть обусловлено снижением несущей способности конструкции или предполагаемыми изменениями действующих нагрузок и принимается с учетом степени повреждения и величины остаточной несущей способности конструкции. Вариант определяется расчетом и выбирается с учетом степени повреждений, условий выполнения, времени исполнения, экономической целесообразности.

Вариантами усиления могут быть следующие: без изменения статической схемы, с помощью разгружающих элементов, с изменением расчетной схемы.

Отзывы о компании ООО "ИНТЕХ":





Информация, размещенная на сайте, носит ознакомительный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой.

Читайте также: