Лазовский_Ч2_УМК_Проектирование реконструкции

Повышение местной устойчивости элементов стальных конструкций может быть достигнуто также их бетонированием (рис. 15.7, а) или при- креплением к ним деревянных деталей (рис. 15.7, б, в).

Рис. 15.6. Усиление стенок стальных балок дополнительными ребрами жесткости: а – поперечными; б – продольными; в – диагональными; г – короткими поперечными с окаймлением их продольными ребрами жесткости

Рис. 15.7. Усиление стенок стальных конструкций: а – заполнением полости колонны бетоном; б, в – прикреплением деревянных брусьев; 1 – усиливаемая стальная конструкция, 2 – бетон, 3 – отверстие в стенке для заполнения бетоном,

4 – деревянные брусья, 5 – стяжной болт

211

15.3. Расчет металлических конструкций, усиленных увеличением их поперечного сечения

Расчет усиления стальных конструкций увеличением их поперечного сечения производится исходя из стадии напряженно-деформированного состояния и принятой гипотезы:

−по упругой стадии – сечение дополнительного элемента усиления воспринимает только усилие от нагрузок, приложенных к конструкции по- сле усиления;

−по пластической стадии – при достижении напряжений в сече- нии усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспреде- ление и выравнивание напряжений с сечением дополнительного элемента.

Схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 15.8.

Рис. 15.8. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой: а – в упругой стадии; б – в пластической стадии

Расчет усиления металлических конструкций по пластической ста- дии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета приме- няется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

212

Расчет усиленных центрально-растянутых и коротких сжатых эле- ментов производится из условий прочности:

− по упругой стадии

где N , Nad – соответственно продольное усилие, действующее в элемен- те при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; Ao , Aad – соответственно площадь попереч- ного сечения основного и дополнительного элементов; Ry – расчетное со-

противление стали основного или дополнительного элемента (меньшее значение); γc – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости произ- водится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэто- му в расчете используется коэффициент продольного изгиба ϕ(o + ad ) , опре-

деленный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из ус- ловия обеспечения устойчивости

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости до- пускается учитывать с помощью коэффициента условий работы γc = 0,8 .

Расчет прочности по крайнему сжатому или растянутому волокнам усиленных изгибаемых элементов производится из условий:

− по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на рас-

213

− по пластической стадии

где M , M ad – соответственно изгибающий момент, действующий в эле-

менте при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагруз- ки, приложенной после усиления; Io , I(o + ad ) – момент инерции поперечно-

го сечения элемента соответственно до усиления и после усиления; Ry , Ry,ad – расчетное сопротивление стали соответственно основного и до-

полнительного элемента при растяжении или сжатии; yd (o+ad ) – расстоя-

ние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополни- тельного элемента; W(o+ad ) – пластический момент сопротивления попе-

речного сечения усиленного элемента, принимаемый не более 1,2 упругого момента сопротивления сечения усиленного элемента.

Для усиленных изгибаемых элементов должно выполняться условие прочности на сдвиг по контакту основного и дополнительного сечения

где S – статический момент части сечения дополнительной детали уси- ления относительно нейтральной оси; δ – толщина основного или допол- нительного элемента в месте соединения; Rs – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

Проверка местной устойчивости стенки балочных конструкций по- сле усиления производится для всех отсеков между поперечными ребрами жесткости без учета начальных напряжений в ней от нагрузки при усиле- нии по методике действующих норм.

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основно- му сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдви- гающих усилий, равных предельным усилиям на растяжение или сжатие для дополнительных деталей усиления.

Усиление отдельных элементов металлических конструкций, имеющих погнутости, трещины, вмятины и разрывы сечений, производится, как прави- ло, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 15.9, 15.10) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

214

15.4. Усиление соединений металлических конструкций

Усиление сварных швов производят путем увеличения их длины или

толщины.

Стыковые швы не усиливают, так как их высота определяется тол- щиной стыкуемых элементов и устройство валика шва, выступающего от поверхности элементов, может только ухудшить условия его работы из-за концентрации местных напряжений.

Усиление угловых швов выполняется увеличением их длины (за счет устройства дополнительных лобовых швов или приварки дополнительных ребер, накладок и т.д.) и (или) катета. При этом с целью снижения влия- ния сварочных напряжений расстояние между элементами узлов сопря- жений рекомендуется принимать не менее 40 мм (рис. 15.12, 15.13, а, б).

Рис. 15.12. Усиление сварных швов: а – увеличением длины за счет наложения лобового шва; б – увеличением высоты катетов угловых швов: 1 – существующие швы, 2 – дополнительный лобовой шов, 3 – дополнительная наплавка

Увеличение толщины шва необходимо производить послойно, на- плавляя слой не более 2 мм, начиная с места дефекта усиливаемого шва (подрезы, кратеры, наплывы и т.д.) и используя при этом электроды тол- щиной не более 4 мм. Усиление последующего шва выполняется после ос- тывания предыдущего до 100°С. Высота катета шва после наплавления не должна превышать: толщины полки со стороны пера, полутора толщин полки профиля со стороны обушка.

Усиление поперечных швов растянутых элементов под нагрузкой не допускается.

При увеличении длины сварных швов соединяемых элементов угол- кового профиля дополнительные швы следует накладывать в направлении уже существующих, начиная от края фасонки со стороны обушка. Расчет усиленных сварных швов производится без учета начальных напряжений от нагрузки при усилении.

216

а

в

б

3

3

Рис. 15.13. Усиление узловых соединений: а, б – сварных; в – клепаных: 1 – дополнительные швы, 2 – накладки, 3 – дополнительные фасонки, 4 – дополнительные ребра, 5 – дополнительные высокопрочные болты

Усиление заклепочных и болтовых соединений при ослабевании стяжки пакета деталей производится увеличением количества заклепок и болтов (рис. 15.13, в) или их заменой высокопрочными болтами с предва- рительным напряжением путем закручивания гаек тарировочными ключа- ми. Натяжение высокопрочных болтов выполняют от середины узла к кра- ям. В ряде случаев усиление заклепочных и болтовых соединений произ- водится заменой их сваркой.

Расчет высокопрочных болтов и сварных швов усиленных заклепоч-

ных и болтовых соединений, сочетающих после усиления заклепки («чер- ные» болты) и высокопрочные болты (сварные швы), из-за разной дефор- мативности производится на полное усилие после усиления.

15.5. Усиление металлических конструкций изменением их расчетной схемы

Усиление металлических конструкций изменением их расчетной схемы является эффективным методом, который позволяет перераспреде-

217

лить усилия между элементами. Все методы, рассмотренные для железобе-

тонных конструкций (тема 12) (изменение места передачи нагрузки, по-

вышение степени внешней статической неопределимости, повышение сте- пени их внутренней статической неопределимости), применимы и для ме- таллических конструкций.

На рисунках 15.14… 15.16 приведены схемы усиления металлических конструкций повышением степени статической неопределимости: пу-

тем обеспечения неразрезности стальных шарнирно опертых балок

(рис. 15.14), путем устройства дополнительных жестких и упругих опор в

виде подкосов, подвесок и кронштейнов для балочных конструкций (рис. 15.15), устройством затяжек, шарнирно-стержневых цепей для стропиль- ных ферм (рис. 15.16, а, б), включением в совместную работу со стропиль-

ной фермой конструкции светоаэрационного фонаря (рис. 15.16, в).

Рис. 15.14. Усиление стальных балок обеспечением их неразрезности: 1 – стальные накладки

При проектировании усиления конструкций изменением их расчет- ной схемы следует производить проверку прочности и устойчивости всех элементов и их сопряжений на действие изменившихся усилий. Примене- ние данных методов усиления может повлечь за собой необходимость уси- ления не только отдельных элементов, но и узловых соединений.

Следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемых конст- рукций, т. к. перераспределяться по новой схеме будут только усилия от нагрузки, приложенной после усиления. Эффективно выполнять предвари- тельное напряжение дополнительных элементов усиления.

218

На рисунке 15.17 приведены примеры усиления стальных балочных конструкций повышением степени внутренней статической неопределимо- сти устройствами предварительно напряженной горизонтальной и шпрен- гельной затяжки.

Рис. 15.17. Схемы усиления стальных балок повышением степени внутренней статической неопределимости: а – предварительно напряженной горизонтальной затяжкой; б – предварительно напряженной шпренгельной затяжкой: 1 – горизонтальная затяжка, 2 – натяжное приспособление, 3 – анкерное устройство, 4 – шпренгельная затяжка, 5 – дополнительная стойка, 6 – дополнительный подкос

При этом анкерные устройства по концам затяжки могут быть разме- щены в любом месте по длине пролета усиливаемой конструкции. Принципы расчета стальных балочных элементов, усиленных предварительно напря- женными затяжками, не имеют отличий от расчета усиленных железобетон- ных элементов. Расчет узлов сопряжения затяжки с усиливаемым элементом производится на действие усилий в затяжке в предельном состоянии по дей- ствующим нормативным документам для стальных конструкций.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные особенности усиления металлических конструкций.

2.Приведите примеры усиления растянутых стальных элементов увеличением их поперечного сечения.

3.Как, в общем случае, производится усиление сжатых элементов стальных конструкций?

4.Приведите примеры усиления сжатых стальных элементов увеличением их поперечного сечения с уменьшением их гибкости.

5.В чем состоит особенность усиления изгибаемых металлических конструкций?

6.Приведите примеры усиления изгибаемых стальных элементов увеличением их поперечного сечения.

7.Как производится усиление стенок стальных элементов с целью повышения их местной устойчивости?

220