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 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

, (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 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

, (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 повышения 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.