Усиление конструкций

Цель усиления конструкций - обеспечить их несущую способность и нормальную эксплуатацию в новых условиях, вызванных реконструкцией. В некоторых случаях этого можно добиться, не производя усиления, а снизив действующие нагрузки (замена железобетон­ных плит покрытия профилированным настилом, ограничение сближения кранов, замена мостовых кранов напольным транспортом и т.д.). Техническое решение по усилению конструкции принимается на основании сравнения вариантов (при этом возможны варианты, предусматривающие уменьшение нагрузок и замену некоторых конструктивных элементов новыми). Наиболее важным фактором, влияющим на выбор варианта усиления в условиях действующего производства, является проведение работ по усилению без остановки технологического процесса или с минимальной остановкой. При больших объемах усиления конструкции на выбор варианта усиления может повлиять расход стали на усиление, а также трудоемкость изготовления и монтажа элементов усиления.

Конструкции можно усиливать под нагрузкой или с предварительной разгручкой. Естественно, что менее трудоемко усиление конструкций под нагрузкой. В этом случае важно обеспечить несущую способность конструкций в процессе проведения работ по усилению. Исследования показывают, что усиление под нагрузкой возможно, если на­пряжения в элементе или соединении не превосходят 0,8R (для сжатых и внецентренно сжатых стержней напряжение вычисляют с учетом коэффициентов φ и φ_e). В большин­стве случаев можно производить усиление, не разгружая конструкции от постоянных нагрузок, так как доля кратковременных нагрузок обычно больше 20%. Применяемые способы усиления конструкций можно разделить на две группы: путем увеличения се­чения элементов (или площади сечения сварных швов в соединении) и путем изменения конструктивной схемы или схемы приложения нагрузок. Возможно применение способов усиления, сочетающих изменение конструктивной схемы с одновременным увеличением сечений.

Особенности расчета элементов и соединений, усиленных под нагрузкой. Работа элементов, усиленных с полной предварительной разгрузкой, не отличается от работы новых элементов, и расчет их производится по формулам, приведенным в учебной литературе. Особенность работы элементов, усиленных под нагрузкой, заключается в том, что часть сечения находится в напряженном состоянии, воспринимая нагрузки, действующие до усиления. Усиленный элемент воспринимает часть нагрузок, прикладываемых после усиления. Соединение сохраняемого элемента с элементами усиления должно обеспе­чивать его работу как единого целого. Если расчетные сопротивления материала суще­ствующей конструкции и усиления значительно различаются, то расчет произ­водится как для бистального элемента. До­пускается принимать одно расчетное со­противление, равное меньшему из них, если они отличаются не более чем на 15%.

Расчет на прочность растянутых, сжатых и изгибаемых элементов в зависимости от свойств стали и условий эксплуатации производится в упругой или упругопластической стадиях. Пластические деформации раньше появляются в существовавшей до уси­ления части сечения. Работа растянутого стержня, усиленного под нагрузкой, пред­ставлена на рис. 11.3. На схеме I показано распределение напряжений в сечении стерж­ня до усиления.

Рис. 11.3. Распределение напряжений в сечении растянутого стержня, усиленного под нагрузкой

Упругой стадии работы соответствует эпюра II, и для этого случая (напряжения в существующем металле достигли предела текучести) проверка прочности производит­ся по формуле

σ = N₁/A₀ + N₂/ (A₀ + А_γc) ≤ R_у γ_c, (11.1)

где N₁ и N_{2 -} усилия, приложенные к стержню соответственно до и после усиления; A₀ и А_γc - площади сечения соответственно до усиления и после усиления; R_у - расчетное сопротивление стали неусиленного элемента; γ_c - коэффициент условий работы (принимается по [СНиП II-23-81]).

Упругопластической стадии работы соответствует эпюра III, проверка прочности производится по формуле

σ = (N₁ + N₂)I(A₀ + А_γc) ≤ R_у γ_c. (11.2)

На рис. 11.4 приведены эпюры напряжений, характеризующие работу изгибаемого элемента, усиленного под нагрузкой:

I - до приложения нагрузки после усиления, напряжения в элементах усиления равны нулю;

II - к усиленной балке приложена нагрузка, напряжения в сечении существующей балки достигли предела текучести (предельное состояние для упругой стадии работы);

III - нагрузка возрастает, напряжения в элементах усиления достигают предела текучести;

IV - пластические деформации пронизывают все сечение, образуется «пластичес­кий шарнир».

В соответствии с эпюрой II расчет в упругой стадии производят по формуле

σ = М₁ y₀/I₀ + М₂у/(I₀ + I_yc) ≤ R_у γ_c, (11.3)

где М₁ и М₂ - изгибающие моменты, действующие соответственно до и после усиле­ния; I₀ и I_yc - моменты инерции поперечного сечения соответственно существующей балки и элементов усиления; у₀ и у - расстояния от центра тяжести сечения балки до наиболее напряженной точки существующей части сечения соответственно до и после усиления (для балки с симметричным усилением у₀ = у).

Рис. 11.4. Эпюры напряжений в сечении изгибаемого элемента, усиленного под нагрузкой: а - эпюры, характеризующие работу элемента под нагрузкой; б - эпюра, принятая для расчета

Нормы допускают проверку на прочность усиленной балки выполнять на полное расчетное усилие без учета напряжений, существовавших до усиления, если расчетные сопротивления материалов существующей балки и усиления различаются на 15%и менее. Этому положению соответствует эпюра напряжений III, где в существующей части сечения балки развиваются пластические деформации. Проверка прочности, не­сколько в запас, производится в соответствии с эпюрой (рис.11.4 б)по формуле

σ = (М₁ + М₂)у_ус/(I₀ + I_yc) = R_у γ_c, (11.4)

где у_ус - расстояние от центра тяжести сечения усиленной балки до наиболее напря­женной точки усиленного сечения; R_у - меньшее из двух расчетных сопротивлений - металла существующей балки и усиления.

Таким образом, формально расчет проводится как бы в упругой стадии (для упро­щения), а по существу предполагает некоторое развитие пластических деформаций в металле существующей балки, не допуская образования пластического шарнира.

Так как в стенке балки появляются пластические деформации, то в ее средней части в местах, передающих сосредоточенные нагрузки, следует установить ребра жесткости, а проверку устойчивости в этой зоне проводить с учетом коэффициента условий рабо­ты у_с = 0,8.

При проверке устойчивости сжатых стержней, усиленных под нагрузкой способом уве­личения сечений, считают, что сварные швы и болты, связывающие элементы усиления с существующим стержнем, обеспечивают их совместную работу как единого целого.

Работа сжатых стержней, усиленных под нагрузкой, отличается от работы стержней, нагружаемых с нуля. Эти отличия заключаются в более раннем появлении пластических деформаций в сечении усиленного стержня и увеличении эксцентриситета из-за большей деформативности стержня до усиления (для внецентренно сжатых стержней) и влияния остаточных сварочных деформаций. В результате критические напряжения потери устойчи­вости стержня, усиленного под нагрузкой, оказываются ниже критических напряжений стержней, нагружаемых с нуля. Неблагоприятное влияние этих факторов можно учесть коэффициентом условий работы у'_с = 0,8 и проверку устойчивости произвести по формуле

σ = (N₁ + N₂)I(A₀ + А_γc) ≤ у'_сφR_у γ_c , (11.5)

где φ - коэффициент продольного изгиба, принимаемый в зависимости от гибкости усиленного стержня.

Если в результате усиления произошло смещение центра тяжести сечения, то стер­жень рассчитывают как внецентренно сжатый с эксцентриситетом, равным рассто­янию от первоначальной оси стержня до центра тяжести усиленного сечения.

Усиление сварных соединений производят увеличением длины или толщины свар­ных швов (рис. 11.5).

Рис.11.5. Варианты усиления сварных соединений

На период выполнения усиления должна быть обеспечена про­чность существующих швов на действующие усилия. При увеличении толщины швов (наплавки дополнительных слоев) часть шва расплавляется или переходит в пластичес­кое состояние. Поэтому усиление швов с помощью наплавки дополнительных слоев допускается выполнять под нагрузкой, при которой действующее на шов усилие N не превышает следующего значения:

N≤ R_wf γ_wf γ_c β_f k_f (l_w - D), (11.6)

где R_wf- расчетное сопротивление усиливаемого шва по металлу шва; γ_wf - коэффици­ент условий работы сварного шва; γ_c - коэффициент условий работы конструкции; β_f - коэффициент, зависящий от типа сварки (допускается в запас принять (β_f = 0,7 как для ручной сварки); k_f - катет шва; l_w - расчетная длина шва; D - длина участка шва, выключающаяся из работы; зависит от толщины свариваемых элементов t и существу­ющего катета шва k_f принимается по графику на рис. 11.6.

Усилия в элементах конструкций, усиленных способом изменения конструктивной схемы, определяют в две или три стадии. На первой стадии усилия в элементах находят в соответствии с существующей расчетной схемой от нагрузок, приложенных до усиле­ния, на второй вычисляют усилия в стержнях по новой расчетной схеме на нагрузки, приложенные после усиления. В случае применения элементов усиления с предварительным напряжением дополнительно определяют усилия в существующей конструк­ции от предварительного напряжения. Расчетные усилия в элементах находят суммиро­ванием усилий, определенных на всех стадиях работы конструкции.

Рис. 11.6. Зависимость длины участка D, разогреваемого

до температуры 600°С и выше, от толщины свариваемого металла t и катета шва k_f

11.2.2. Усиление балок. Увеличение се­чений балок - традиционный и наиболее отработанный способ усиления. Некоторые варианты усиления этим способом пока­заны на рис. 11.7. Для эффективного ис­пользования металла усиления целесооб­разно располагать элементы усиления сим­метрично и по возможности дальше от цен­тра тяжести сечения (рис. 11.7 а, б). При­менение того или иного варианта усиле­ния зависит от места опирания элементов перекрытия или покрытия.

Рис.11.7.Варианты усиления сечений балок: а – плоскими элементами; б и в – прокатными профильными элементами; г, д, е и ж – ламелями; з и и – несимметричные усиления

При опирании настила на верхний пояс могут быть применены схемы рис. 11.7 в - и. Если стенки балок укреплены ребрами жесткости, то более просто выполнить усиление по схемам рис. 11.7 д, е.

Вариант рис. 11.7 ж целесообразен, когда требуется увеличить не только несущую способность балки, но и обеспечить местную прочность и устойчивость стенки. Несимметричное усиление (рис. 11.7 з) позволяет весьма незна­чительно повысить несущую способность и может быть применено при небольшом увеличении нагрузок и опирании настила по верхнему поясу. Если настил опирается на нижний пояс, возможно принять вариант рис. 11.7 и.

Достоинством способа усиления увеличением сечением является возможность его использования при ограниченной строительной высоте, недостатком - большая длина сварных швов и вследствие этого высокая трудоемкость усиления.

В подкрановых балках без тормозных конструкций при небольшом (до 10%) увели­чении крановых нагрузок может быть использована схема на рис. 11.8 а, а при боль­шем увеличении нагрузок - схема на рис. 11.8 б.

Рис. 11.8. Усиление подкрановых балок:

а и б - при отсутствии тормозной конструкции: в - с созданием дополнительной тормозной конструкции; г - ламелями на высокопрочных болтах и сварке

При усилении подкрановых балок с тормозными конструкциями возможно применение схем рис. 11.8 в и г. Если усиление произведено по схеме рис. 11.8 в, то для обеспечения постоянного уровня головки рельса лист усиления верхнего пояса должен устанавливаться по всей длине балки. Ва­риант рис. 11.8 г можно применить при недостаточной прочности и устойчивости стен­ки. Для обеспечения плотного сопряжения листов и предотвращения выпучивания при сварке их стягивают болтами.

Показанные на рис. 11.9 варианты усиления способом изменения конструктивной схемы можно применять как для балок покрытий (перекрытий), так и для подкрановых балок. Достаточно просто и эффективно усиление путем превращения разрезных балок в неразрезные, что не увеличивает строительной высоты, но требует свободного досту­па к узлам сопряжения балок (рис. 11.9. а). Варианты (рис. 11.9 б и в представляют собой усиление постановкой дополнительных опор в виде подкосов. Расход стали на короткие подкосы меньше, чем на длинные, но при этом в колоннах при разной загрузке балок возникают дополнительные изгибающие моменты от горизонтальных составляющих усилий в подкосах. Избежать этого можно постановкой затяжек (рис. 11.9 г). Схема рис. 11.9 д позволяет производить усиление без разгрузки независимо от уровня напряжений в балках. Обычно применить эту схему усиления не удается по технологическим причинам. В вариантах усиления рис. 11.9 е, ж, и увеличивается строительная высота балок.

Рис. 11.9. Усиление балок способом изменения конструктивной схемы:

а - создание неразрезной системы; б, в и г - с помощью подкосов и распорок;

д - дополнитель­ные опоры; е, ж и з - с помощью преднапряженных шпренгелей

Эффективность их возрастает с применением предварительного напряжения шпренгелей (рис. 11.9 е, ж) и затяжки (рис. 11.9 з).

Усиление стропильных ферм. Сечения прямолинейных стержней стропиль­ных ферм, усиленных способом увеличения сечений, представлены на рис. 11.10. При проектировании усиления элементов желательно сохранить центровку в узлах ферм. Этому условию соответствуют усиления по схемам рис. 11.10 д, е, ж. Схема рис. 11.10 в также позволяет скомпоновать сечение без смещения центра тяжести. Если в результате усиления расцентровка превышает 1,5% высоты сечения стержня, то необходимо рас­считать стержень с учетом момента от эксцентричного прикрепления в узле.

Рис.11.10. Варианты усиления стержней стропильных ферм способом увеличения сечений: а, б, в, г, д и ж – с помощью прокатных уголков;

е – с помощью стержней из круглой стали

При усилении сжатых стержней целесообразно располагать элементы усиления та­ким образом, чтобы увеличить радиус инерции сечения (рис. 11.10 а, в, г, ж). 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 схеме на рис. 11.10 б (два шва, выполняемые в нижнем положении), но при этом заметно смещается центр тяжести сечения. Кроме того, при необходимости завести утолок на фасонку требуется устрой­ство в нем прорези.

Способом изменения конструктивной схемы можно усилить как отдельные стерж­ни, так и ферму в целом. На рис. 11.11 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, его можно использовать при незначительном увеличении усилии в стержнях. Растянутый пояс фермы можно усилить предварительно напряженной затяжкой (рис. 11.11 б).

Рационально применять способы изменения конструктивной схемы, повышающие несущую способность нескольких или всех стержней фермы. Применение этогот 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.

Рис.11.11.Усиление стержней стропильных ферм способом изменения

конструктивной схемы: а – с помощью шпренгелей;

б – с помощью преднапряженного стержня

Наиболее просто изменить конструктивную схему стропильных ферм, обеспечив неразрезность их на опорах. В результате усилия уменьшаются в средних панелях поясов ферм, но увеличиваются в опорных раскосах у неразрезных опор. В опорных панелях нижнего пояса возможно появление сжатия. Эффективно включение в работу стро­пильных ферм фонарей, расположенных по средним рядам колонн. При этом может потребоваться усиление элементов фонарей.

На рис. 11.12 приведены способы изменения конструктивной схемы с помощью вновь устанавливаемых элементов.

При наличии свободного пространства под фермой целесообразно применить схему рис. 11.12 а с передачей сжимающего усилия от на­клонных элементов шпренгеля на растянутый пояс. Если в здании имеются мостовые краны, можно уменьшить высоту шпренгеля (схема на рис. 11.12 б), но при этом эффек­тивность усиления снижается. В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, перспек­тивно применение комбинированных систем с использованием гибких элементов - вант, гибких и жестких нитей с подвесками (рис. 11.12 в, г). К числу достоинств этих систем относятся использование элементов, работающих на растяжение, а также проведение работ по усилению в условиях, не ограниченных действующим производством. Недостатками являются необходимость вскрытия кровли с последующим обеспечени­ем ее водонепроницаемости и сложность восприятия распора.

Рис.11.12. Варианты усиления стропильных ферм способом изменения

конструктивной схемы: а, б и г – с применением шпренгельных элементов;

в – с применением подвесок; д – превращение в пространственную систему

При установке новых или повышении грузоподъемности существующих подвесных кранов целесообразно установить вертикатьные связи между фермами по всей длине здания (рис. 12.12 д). Эти связи перераспределяют нагрузку от подвесных кранов между фермами и снижают усилия в стержнях ферм.

Усиление колонн. Колонны производственных зданий, как правило, облача­ют значительными резервами несущей способности. Усиление колонн требуется при большом увеличении нагрузок. Как и для других конструкций, усиление колонн может быть выполнено методом увеличения сечения и изменением конструктивной схемы. На рис. 11.13 приведены некоторые схемы усиления путем увеличения сечений. При усиле­нии центрально-сжатых колонн целесообразно не смещать центр тяжести усиленного сечения от линии действия продольной силы, поэтому для них следует принять сим­метричное усиление. Если несущая способность колонн определяется устойчивостью относительно оси х, то рационально усиление по схемам рис. 11.13 а, б, в, г. Если несущая способность колонн определяется устойчивостью относительно оси у, то ра­ционально принять схемы усиления (рис. 11.13 д, е), приводящие к увеличению радиуса инерции относительно оси у.

Рис. 11.13. Варианты усиления колонн увеличением сечения:

а, в, д, к и л - с помощью листовых элементов; 6 и г - с помощью профильной стали; ж, з и и - при несимметричных сечениях; м - комбинированное усиление

При усилении внецентренно сжатых колонн с преобладающими моментами одного знака целесообразна несимметричная схема усиления со смещением центра тяжести усиленного сечения в сторону действия момента (рис. 11.13 ж, з, и). Если моменты различных знаков близки по абсолютной величине, то так же, как и для центрально-сжатых колонн, следует использовать симметричные и близкие к ним схемы усиления (рис. 11.13 к, л, м).

Усиление колонн способом увеличения сечения достаточно эффективно и может выполняться практически при любом повышении нагрузок. Однако большая протяжен­ность швов и необходимость в отдельных случаях разборки стенового ограждения и устройства подмостей по всей высоте колонны повышают трудоемкость работы по уси­лению.

Наиболее просто изменить конструктивную схему колонны можно путем установки распорок между колоннами (рис. 11.14 б). В результате уменьшается расчетная длина колонны из плоскости рамы. Применение этой схемы ограничено незначительным повышением нагрузок и имеет смысл в том случае, когда несущая способность колонны определяется ее устойчивостью из плоскости рамы.

Рис. 11.14. Изменение конструктивной схемы колонны установкой распорок между колон­нами (б), с помощью дополнительных связей по покрытию (а) и с помощью подкосов (в)

В зданиях небольшой длины (48-84 м) с жесткими торцами и кровлей малой жес­ткости (асбоцементные листы по прогонам) к изменению конструктивной схемы при­водит устройство жесткого диска в уровне нижних поясов ферм с помощью дополни­тельных связей по покрытию (рис. 11.14 а). В результате повышается поперечная жест­кость здания, а колонну можно считать закрепленной от смещения в плоскости рамы. Повышает несущую способность колонны и установка подкосов, закрепляющих ко­лонну в уровне подкрановых балок (рис. 11.14 в).

Список литературы

1.Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика: Учебник. 11-е изд. - СПб.: «Лань», 2008.-656 с.

2.Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций - М.: Высшая школа, 1971. - 760 с.

3.Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учебное. пособие. - М.: Высшая школа, 1982. – 272 с.

4.Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1983. - 344 с.

5.Кудишин Ю.И., Беленя Е.И., Игнатьева В.С. и др Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Ю.И. Кудишина. – 11-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 688 с.

6.Петропавловский А.А., Богданов Н.Н. и др. Проектирование металлических мостов / Под ред. А.А. Петропавловского. -М.: Транспорт, 1982-320 с.

7.Винокуров В. А., Григорьянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с.

8.Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения. – М.: Машиностроение, 1968. – 200 с.

9.Винокуров В. А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. – М.: Машиностроение, 1973. – 213 с.

10.Сагалевич В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. – М.: Машиностроение, 1974. –248 с.

11.Афанасьев В.А., Березин В.Л. Сооружение газохранилищ и нефтебаз : учебник для вузов. -М.: Недра, 1986. - 334с.

12.Проектирование сварных конструкций в машиностроении. /Под ред.
С.А.Куркина. М.: Машиностроение, 1975.

13.Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 3-х кн. Кн. 2. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1977.

14.Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования прочности. - М.:
Машиностроение, 1987. - 216с.

15.СНиП. 2.01.07-85, Нагрузки и воздействия /Госстрой СССР -
М.:ЦИТПГосстроя СССР, 1988. 36с.

16.СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования. / Госстрой СССР. - М.;ЦИТП Госстроя СССР, 1988, - 96с.

17.Казаков С. И., Гончаров А. Е. Свариваемость. Свариваемые и сварочные материалы. Прочность и деформации: Справочное пособие. Ч. 1: Свариваемость. – Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2009. – 156 с.

18.Спицына Д.Н. Строительная механика стержневых машиностроительных конструкций. Учебное пособие для вузов. / Под ред. проф. С. Д. Пономарева М.: Высш. школа, 1977.

19.Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций. Л.: Судостроение, 1974. 286 с.

20.ГОСТ 2.312-72. Условные изображения и обозначения швов сварных
соединений.

21.ГОСТ 5264-80, ГОСТ 8713-79, ГОСТ 14771-76, ГОСТ 15878-78. Швы сварных соединений. Основные типы и конструктивные элементы.

22.Казаков С. И. Документальная база рефератов, статей и патентов по сварке 1990-2006 г.г. Номер гос. регистрации 50200702430. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9432. Государственный координационный центр информационных технологий Министерства образования и науки РФ. 2007.

23.Казаков С. И. Электронная энциклопедия сварщика. Номер гос. регистрации 50200800615. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 10205. Государственный координационный центр информационных технологий Министерства образования и науки РФ. 2008.

24. Проектирование металлических конструкций: специальный курс / Под ред. В. В. Бирюлева. -Л.: Стройиздат, 1990. - 432 с.

25. Валь В.Н., Горохов ЕВ., Уваров Б. Ю. Усиление стальных каркасов одноэтажных производ­ственных зданий при их реконструкции. - М.: Стройиздат, 1987.

26. Крохмаль Н.Н., Крохмаль О.Н. 3D Ferm (Анализ напряженно-деформированного состояния стержневых механических систем). Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3598. Государственный координационный центр информационных технологий. 2004.