Как усилить прямоугольную конструкцию

Методы усиления металлических конструкций

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 R_у, где R_у — 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.

Рис. 3.39. Усиление предварительно напряженной стойкой:

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.

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 0,8R_y, где R_y-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.

Источник

Как усилить прямоугольную конструкцию

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

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.

Классификация дефектов и повреждений металлических конструкций

Источник

Методы усиления металлических конструкций

При недостаточной несущей способности отдельных элементов, конструкций или 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, направлениясварки. Для продольных швов снижение прочности не превышает 15%. для поперечных может достигать 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 0,8R_y, где R_y — 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.

Рис. 11.1. Усиление предварительно напряженной

стойкой: 1 — предварительно напряженная стойка; 2 —сварной шов; 3 — накладки

Сущность способа (рис. 11.1) 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.

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.

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. 11.2). При выполнении усиления нагрузка на стойке не должна превышать 60. 60 % расчетной.

Рис. 11.2. Схемы усиления стоек ненапряженными элементами

При небольшой гибкости усиливаемого элемента необходимо уменьшать эксцентриситет от смещения, а при гибкости λ > 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 11.3. Схемы усиления балок симметричными накладками

Наиболее простой способ усиления — симметричными накладками (рис. 11.3), 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 напряжении, существовавших до усиления.

Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами (рис. 11.4).

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 вариантов усиления представлен на рис. 11.5. 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.

Рис. 11.4. Местное усиление балок: 1,2 —ребра жесткости

Рис. 11.5. Схема распорного устройства:

1 — усиливаемая балка; 2 —шарнир; 3 — упоры; 4 — сектор; 5 — трос; 6 — груз

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 воспринятия 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 в его работу железобетонных плит покрытия.

Источник