Особенности расчета усиливаемых металлических элементов

Расчетная схема конструкций должна отражать условия их работы и фактическое состояние, установленные данными обследований. В необходимых случаях следует выполнять расчет с использованием нескольких вариантов расчетных схем и распределения жесткостей, а также учитывать прогнозируемый износ.

Расчет выполняется только для тех частей зданий и сооружений, на которые влияют усиление, изменение режима эксплуатации, дефекты и повреждения.

Для конструкций, не имеющих дефектов и повреждений, расчет допускается ограничивать сопоставлением значений внутренних усилий (моментов, поперечных сил и т. п.) от расчетных нагрузок со значениями усилий, приведенными в первоначальной технической документации, а при изменении только нагрузок без изменения их характера и способа приложения — сопоставлением их значений.

При расчете конструкций, усиление которых выполняется под нагрузкой, необходимо учитывать напряжения, существующие в сохраняемых конструкциях в момент усиления, и последовательность включения в работу дополнительных конструкций, деталей усиления и раскрепления.

При расчете усиливаемых под нагрузкой элементов на устойчивость и деформативность следует учитывать начальные и дополнительные их деформации, возникающие на стадии усиления (в частности, дополнительные прогибы, возникающие при усилении с помощью сварки).

Искривления от сварки при проверке устойчивости сжатых и внецентренно сжатых элементов и элементов, работающих на сжатие с изгибом, допускается учитывать введением дополнительного коэффициента условий работы γ_с = 0,8

В расчетах на общую устойчивость коэффициент условий работы γ_с принимается равным 0,9,

для зданий и сооружений III класса ответственности на стадиях А и Б (см. п. 1.6) допускается принимать γ_п = 0,8 (как для временных зданий и сооружений), если продолжительность пребывания конструкций в этих стадиях не превышает трех лет.

Для стадии А работы конструкции (на период не более трех трех лет) также допускается:

уменьшить значение снеговых, ветровых, гололедных и климатических температурных нагрузок и воздействий в соответствии с указаниями п. 1.3 СНиП 2.01.07—85 как для периода возведения при новом строительстве:

принимать только пониженные нормативные значения нагрузок w тех случаях, когда СНиП 2.01.07—85 определены их два (полное и пониженное) значения:

принимать нормативные значения эквивалентных равномерно распределенных нагрузок от оборудования и складируемых материалов по фактическим величинам, в том числе менее 3 КПа (300 кгс/м²) для плит и второстепенных балок и менее 2 КПа (200 кгс/м²) для ригелей, колонн и фундаментов.

Нормативные значения временных, кратковременных и особых нагрузок для стадии В определяются в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85.

Статический расчет конструкций, усиливаемых путем увеличения сечений без полной разгрузки, необходимо выполнять:

на нагрузки, действующие на конструкции во время усиления (начальное нагружение);

на нагрузки, которые будут действовать на конструкции после их усиления, с выбором невыгодных вариантов их сочетания.

Уровень начального нагружения элементов ограничивается с целью обеспечения их несущей способности в процессе усиления и зависимости от нормы предельных пластических деформаций соответствии с их классом по п. 4.8

В общем случае сжатия (растяжения) с изгибом значения σ_о определяются формулой

где N_o, М_ох, M_оy — продольная сила и изгибающие моменты в наиболее нагруженном сечении элемента.

При расчете усиления гибких сжато-изогнутых или внецентренно жатых стержней моменты М₀ вычисляются по деформированной схеме с учетом прогибов стержня

где e = M'_o/No — начальный эксцентриситет продольной силы: М'_о — расчетное значение момента, вычисляемое по недеформированной схеме;

f₀ - начальный прогиб элемента.

В случае М'_о = 0 необходимо учитывать малые случайные эксцентриситеты произвольного направления, определяемые формулой

е = m_о W_o/А

где m_o — случайное значение начального относительного эксцентриситета,

При усилении сжатых элементов увеличением их сечения (см. рис. 11.2) (без предварительного напряжения) расчет осуществляют по следующей схеме.

1. Определяют начальный прогиб усиливаемого стержня в плоскости действия момента:

где е^ос_нх = М_н/Р_н — случайный начальный эксцентриситет продольной силы относительно оси х , принимаемый с соответствующим знаком (Р_н и М_н — расчетные значения начальной продольной силы и момента); Р^ос_эх = n²EJ^ос_х/l²_x — эйлерова сила для основного стержня (J^ос_х — момент инерции; lх — расчетная длина основного стержня).

При усилении центрально сжатого элемента начальный эксцентриситет равен

где m^ос_н — случайный начальный относительный эксцентриситет, определяемый по графику (рис. 11.6); W^ос и р^ос — момент сопротивления и ядровое расстояние для крайних волокон усиливаемого элемента.

2. При заданной внешней нагрузке определяют возможность усиления основного стержня:

где F^ос_нт, J^ос_х,нт — характеристики усиливаемого элемента; у^ос — ординаты наиболее удаленных волокон сечения относительно оси х^ос; т_с — коэффициент условий работы; R^oc — расчетное сопротивление материала основного стержня; k = 0,6 — коэффициент ограничения напряжений при усилении ненапряженными элементами с применением сварки.

Для центрально сжатых элементов проверка производится в плоскости максимальной гибкости, для внецентренно сжатых — в плоскости действия момента. Если хотя бы одно из условий не выполняется, необходима полная разгрузка элемента.

3. Определяют прогиб усиленного элемента: при присоединении элементов усиления к плоским поверхностям

при присоединении к вогнутой и выпуклой поверхности

где — сумма моментов инерции элементов усиления относительно их собственных осей, параллельных оси х; J^ус — момент инерции усиленного стержня; N_э = n²EJ/l² — эйлерова сила усиленного стержня.

4. Выполняют расчет прикрепления элементов усиления.

Расчет швов на сдвигающие усилия

где Q_max — максимальная поперечная сила; S^ус_х — статистический момент элемента усиления относительно оси х; а_ω — шаг шпоночного шва.

Минимальная длина прерывистых швов

где а — коэффициент, учитывающий распределение усилий между швами элемента усиления; β, K_f, γ_ω, γ_с — коэффициенты, определяемые по СНиП II - 23—81 (п. 11.2); R_ω — расчетное сопротивление углового сварного шва.

Минимальная длина концевых швов

где N^ус_p = (N—N_н)·(А^ус_р/А) (N_н — расчетное усилие в стержне после усиления; А^ус_р и А — соответственно площади элемента усиления и всего усиленного элемента).

Минимальная толщина сплошных сварных швов

5. Определяют остаточный сварочный прогиб

где λ = l_ef/r — гибкость усиленного стержня в плоскости изгиба (l_ef — расчетная длина; r — радиус инерции); υ_x ≈ 0,04K²_f — объемное укорочение при сварке (K_f — катет шва, см); n_i = 1—и·1n(1—ζ_i)/ln2; ζ_i = σ^ос_i/R^ос_y; σ^ос_i = ±

(y_i — расстояние от центральной оси основного сечения до места наложения i-го шва; u = 0,5 при односторонних швах в сжатой зоне сечения, u = 1,5 — то же, в растянутой зоне; u = 1—при двусторонних швах).

6. Определяют расчетные эксцентриситеты в плоскости действия моментов:

7. Проверяют устойчивость усиленного элемента в плоскости действия момента

где φ_е принимается по СНиП II-23—81* в зависимости от условной гибкости λ усиленного элемента и приведенного эксцентриситета m_ef, γ_с — коэффициент условия работы.

8. Проверяют устойчивость усиленного элемента в процессе сварки.

Площадь сечения элементов усиления центрально сжатых элементов определяют по формуле

где N — усилие в стойке в момент усиления; φ^ос и φ^yc — коэффициенты продольного изгиба старого и нового элементов.

При усилении сжатых элементов телескопическими предварительно напряженными трубами условие устойчивости внутренней сжатой трубы имеет вид

где A_b — площадь сечения трубы; φ_* = 1/[1+(K₀ + K₁) x er l]; е — наружный радиус трубы; l и r_i — ее длина и радиус инерции; K₀ = f₀/l; K₁ — определяется из выражения λ² = K +2n(l — N/N_кр)K₁-2n(N/N_кp)K₀ = 0 (n = A_b/A_н; A_н — площадь растянутой трубы).