Тема 8. Усиление металлических конструкций

Усиление - снижение уровня действующих напряжений в

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 схемы может 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 напряжение конструкций, 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 конструкций ведется 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 элементов производится в предположении, что усиливающие детали воспринимают только приращение усилия в элементе, возникающее от нагрузок, прилагаемых после усиления. Условие прочности растянутых элементов имеет вид

, (17)

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 элементов принимается, 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

, (18)

где - коэффициент продольного изгиба сечения до усиления;

А_с -площадь брутто основного сечения до усиления.

Условие устойчивости сжатых элементов имеет вид

, (19)

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

При расчете изгибаемых элементов условие прочности имеет вид

, (20)

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 повы ш ения несущей способности решетчатых конструкций?

4. Как выполняется расчет усиления изгибаемых элементов?

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

 

Литература

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.