Усиление двутавровой балки


ТехЛиб СПБ УВТ

Понятие потери устойчивости очень разнообразно, но основной причиной является недостаточная жесткость сжатого элемента конструкции в плоскости, перпендикулярной действующему усилию.

В результате этого происходит не предусмотренная расчетом деформация элемента, увеличиваются краевые напряжения, процесс деформации развивается, в результате чего элемент выключается из работы или разрушается.

При восстановлении или усилении металлических конструкций необходимо соблюдать следующие правила:

  • проект усиления должен выполняться специализированной (по металлоконструкциям) проектной организацией и должен включать раздел по технологии производства работ;
  • основанием для проектирования усиления металлоконструкции служат материалы натурных обследований, включающие дефектную ведомость со схемами повреждений и предварительные оценки состояния несущих элементов объекта;
  • обследование (освидетельствование) конструкции начинается с изучения имеющейся проектной документации и материалов по ее эксплуатации.

Усиление конструкции посредством увеличения сечения основного несущего элемента

а — усиление металлического элемента деревянными брусьями; б — увеличение несущей способности швеллерной балки обетонированием (приведена схема армирования); в — усиление верхнего пояса и решетки фермы добавлением сплошной полосы между уголками; г — схема раскосной фермы с обозначением усиливаемых элементов стальными полосами или уголками; 1 — усиление стержней фермы полосовым металлом; 2 — усиливаемые стержни

Усиление конструкции путем изменения первоначальной конструктивной схемы а — введение дополнительных подкосов в рамный каркас; б — добавление шпренгеля в балочную конструкцию; в — введение дополнительной стойки в пролете фермы с усилением опорного узла и подкосов (раскосов); 1 — введены подкосы; 2 — введен шпренгель; 3 — подведена колонна

При натурных обследованиях тщательно измеряется каждый элемент конструкции. Сварные швы и прилегающая к ним зона металла осматривается с помощью лупы, причем эта зона на ширину до 20 мм должна быть расчищена от краски и ржавчины до металлического блеска. Высота сварного шва устанавливается с помощью специального шаблона (калибра).

Работу по усилению следует выполнять при отсутствии временных нагрузок и при наружной температуре не ниже минус 15 °С для обычной стали и не ниже минус 5 °С для стали кипящей плавки. Во всех случаях при усилении сварных конструкций под нагрузкой температура металла не должна быть ниже порога хладноломкости.

При усилении швов наплавкой напряжение в усиливаемом элементе не должно превышать 0,8 расчетного сопротивления стали, а с поверхности шва обязательно механическим способом должны быть удалены все дефекты. Запрещается применять комбинированные соединения, в которых часть усилий воспринимается заклепками и болтами, а часть — сварными швами.

Для увеличения пространственной жесткости здания или сооружения рекомендуется использовать следующие способы:

  • постановку дополнительных или перестановку существующих связей;
  • увеличение жесткости горизонтальных связевых дисков покрытия или перекрытия;
  • использование диафрагм жесткости;
  • включение в пространственную работу каркаса таких элементов, как антресольные площадки, тормозные конструкции подкрановых балок, несущие конструкции под технологическое оборудование и т.п.

Для усиления конструкций рекомендуется использовать следующие методы их предварительного напряжения:

  • применение предварительно напряженных тяжей, затяжек и оттяжек;
  • предварительное напряжение регулируемыми распорками;
  • регулировку опор путем их принудительного смещения;
  • устройство шпренгелей;
  • электротермический способ;
  • предварительный выгиб и последующую сварку профилей балок.

Соединение элементов стальных конструкций следует предусматривать, как правило, с помощью сварки с учетом мероприятий по подготовке восстанавливаемых конструкций к сварочным работам (зачистка, выравнивание краев разрыва, засверливание трещин или узких длинных отверстий и т.д.). Не исключается применение болтовых соединений.

Для элементов усиления следует применять сталь того же класса, что и сталь восстанавливаемой конструкции. Тип электродов выбирается в соответствии с классом стали элемента усиления.

Рабочие чертежи конструкций, изготавливаемых заново, а также узлов и участков ремонтируемых конструкций должны содержать схемы расположения усиляемых и новых элементов по видам конструкций (прогоны, балки, фермы и т.д.), рабочие чертежи элементов и узлов, спецификацию стали, а также необходимые требования по технологической последовательности выполнения работ по усилению конструкции, влияющей на эффективность применяемого решения.

Проектирование восстанавливаемых стальных конструкций следует осуществлять, как правило, в одну стадию рабочих чертежей КМД. Дефектные ведомости конструкций должны составляться по пролетам для каждого поврежденного элемента на основании результатов технического обследования. В процессе восстановления следует проверить состояние соединений конструкций, ранее недоступных для осмотра, и включить их в ведомость исправляемых дефектов.

Усиление металлических балок может быть местным (путем установки накладок и ребер) или общим (посредством шпренгелей, изменением опорного сопряжения; наиболее эффективна затяжка вдоль нижнего пояса, при которой несущая способность балки может быть увеличена до 80% при минимальных затратах материала).

Повышение несущей способности изгибаемых элементов достигается при симметричном расположении элементов усиления или создании симметрии относительно нейтральной оси. При этом должна быть обеспечена надежная совместная работа нового сечения с балкой, а вся конструкция не только защищена от коррозии, но и от возникновения «мостиков холода».

Металлические балки можно усилить несколькими способами:

  • установкой дополнительных опор;
  • увеличением сечения накладками, особенно на высокопрочных болтах; шпренгельными системами;
  • изменением опорных сопряжений посредством перевода разрезных балок в неразрезные;
  • регулированием напряжений натяжными и распорными устройствами.

Весьма эффективным и перспективным усилением балочных систем является изменение их расчетной схемы путем создания неразрезной системы и опорных подкреплений, а также регулирования напряжений натяжными и распорными устройствами.

Эти устройства еще мало разработаны, но обладают важными достоинствами в условиях реконструкции действующих объектов, в частности простотой и доступностью приемов и контроля регулирования усилий, исключением громоздкого оборудования при производстве работ, использованием домкратов, муфт и пр.

Способы усиления металлических балок

а, б — накладками; в — обетонированием; г — шпренгелем; д, е — заделкой на опорах; ж, з — сопряжением балок на опорах

Усиление металлических балок с возможными трещинами: I – у опоры; II – в середине пролета; 1 – место коррозии; 2 – место возможной трещины в пролете; 3 – металлическая балка; 4 – металлическая подпорка; 5 – временная подпорка; 6 – металлическая накладка; 7 – сварные швы

При разработке проектов усиления изгибаемых элементов следует учитывать следующие требования:  

  • предусматривать максимальную разгрузку балок перед усилением временной нагрузки и части постоянных нагрузок;
  • ограничивать объем работ по усилению участками, в которых усиление требуется по расчету;
  • предусматривать такое усиление, при котором минимальные сечения дополнительных деталей позволяет максимально увеличить геометрические характеристики усиливаемых сечений, т.е. принимать расположение усиливающих деталей на возможно большем расстоянии от нейтральной оси;
  • предусматривать минимальный объем сварки в потолочном положении;
  • производить усиление в следующей последовательности: нижний пояс, стенка, верхний пояс — во избежание сварочных деформаций, увеличивающих прогиб (седловидность балки) до недопустимых величин.

При выборе варианта усиления сечения следует учитывать, что наиболее простое усиление отличается большим объемом потолочной сварки при производстве работ без демонтажа балок. Балочное усиление ограничено максимальной шириной нижней накладки — из условия обеспечения местной устойчивости полки.

При необходимости размещать усиливающие детали внутри поясов, однако при этом возникают трудоемкие срезки верхушек ребер и подгонка надставок ребер к верхнему поясу балок — при наличии круглых прутков и труб; при увеличении высоты балок за счет создания дополнительного нижнего пояса, если это допустимо по технологическим габаритам.

В усиливаемых балках проверяют прочность и местную устойчивость, при этом в расчет вводят целиком новое сечение балки после усиления. Если по результатам проверки местной устойчивости возникает необходимость в усилении сжатой зоны отдельных отсеков стенки балки, это можно выполнить установкой в этих отсеках дополнительных «коротких» ребер жесткости с одновременным окаймлением их продольными ребрами.

Расчет усиления балок выполняют в предположении, что дополнительные детали работают совместно с усиливаемой балкой за счет развития в ее крайних фибрах ограниченных пластических деформаций.

Ремонт (усиление) балок и прогонов следует выполнять при наличии в них следующих повреждений:

  • общие искривления в плоскости большего или меньшего моментов инерции;
  • скручивание;
  • погнутости, трещины, пробоины; надрывы в стенке.
  • Повреждения могут быть частичными и комбинированными.

Балки и прогоны с искривлениями в плоскости большего момента инерции, величина которых не менее 1/100 пролета, следует демонтировать и выправлять. При резких искривлениях балки рекомендуется разрезать в местах наибольших выгибов, выправлять и затем стыковать.

Хотя балочные конструкции относятся к изгибаемым элементам, необходимо помнить, что верхний пояс у них сжат и испытывает местное сжатие от сосредоточенной нагрузки.

Местная потеря устойчивости, как правило, проявляется в виде смятия стенки цилиндрической колонны каркаса здания с образованием гофра на стенке оболочки от изгибающего момента, превышающего предельное значение момента сопротивления сечения колонны, а также показана потеря формы поперечного сечения двутавровой балки при действии на нее сосредоточенной силы без местного усиления полки двутавра, предусмотренного нормами.

Местная потеря устойчивости металлической конструкции от чрезмерного изгибающего момента а — смятие цилиндрической оболочки (трубы); б — деформация двутавровой балки от сосредоточенной нагрузки; в — изгиб колонны под нагрузкой

При недостаточной жесткости сжимаемой конструкции или первоначальной ее деформации (например, стойки), возникшей при перевозке или во время выполнения монтажных работ, происходит потеря ее устойчивости из плоскости, конструкция должна быть рассчитана на продольный изгиб с учетом ее гибкости при определении соответствующей критической силы.

В плоскости меньшего момента инерции при искривлениях балок и прогонов на величину, не превышающую половину ширины полки, следует ставить дополнительные связи из тяжей и распорок.

Во всех случаях при исправлении балок и прогонов необходимо обеспечивать достаточную ширину площадки опирания на них элементов перекрытий и кровли.

Варианты усиления сечений изгибаемых элементов: 1 — трубы; 2 — высокопрочные болты; 3 — линия реза; 4 — линия обреза ребра; 5 — надставка ребра по месту (размеры даны в мм) Усиление стенки балки дополнительными ребрами: 1 — существующие ребра жесткости; 2 — дополнительные короткие ребра жесткости, окаймленные продольным ребром

Погнутости стенок балок и прогонов рекомендуется устранять усилением поврежденных мест приваркой ребер жесткости, которые пригоняют по изогнутости стенки. Расстояние между ребрами жесткости не должно превышать половины высоты балки.

Местные вмятины, искривления, пробоины, трещины, надрывы и разрывы по всему сечению балок и прогонов, выполненных из горячекатаных, гнутых и сварных двутавров и швеллеров, рекомендуется устранять приварком накладок.

Размеры накладки определяются по усилию, приходящемуся на поврежденную часть сечения, т.е. полку, стенку или на все сечение. Ширина накладки назначается так, чтобы выполнялось условие Р/аδ £ R , где R — расчетное сопротивление стали; δ — толщина поврежденной части сечения; Р — усилие в поврежденной части сечения исходя из его несущей способности.

Местные вмятины и искривления в одной из плоскостей или винтообразные искривления, если они не могут быть устранены правкой, следует вырезать, а вырезанное место заменить.

Трещины, расположенные только в части высоты стенки, рекомендуется перекрывать накладками с одной стороны стенки, а трещины по всей высоте — с обеих сторон; концы трещин засверливают.

Удаление трещин на балках из метала, у опоры (1) и в середине пролета (2): 1 – месторасположение коррозии; 2 — место расположение возможной трещины в пролете; 3 — балка перекрытия , металлическая; 4 — металлическая подпорка; 5 — подпорка временная; 6 — накладка металлическая; 7 — сварочные швы. Схема конструкции протеза, для наращивания балки перекрытия: 1 — раскос в плоскости; 2, 3 — опорные планки- верхняя и нижняя; 4 — элемент жесткости нижнего пояса; 5 — решетка; 6 — планка передвижная; 7 – пояса- верхний и нижний; 8 — подкос фермы; 9 — элемент жесткости верхнего пояса.

При необходимости, вследствие коррозии, нарастить на опоре балку перекрытия, устанавливается корсет, металлический. Если поставить накладку на место повреждения невозможно, то следует перекрыть трещины несколькими отдельными ромбическими накладками, пригнанными по погнутости, и укрепить стенку ребром жесткости (или вырезать погнутый участок и перекрыть место выреза накладкой).

Балки и прогоны, в стенках которых имеются мелкие пробоины размерами, не превышающими по высоте 0,2, а по длине 0,5 высоты балки, восстанавливают путем засверловки острых входящих углов (кромок). Накладки при этом не требуются.

Погнутость свесов сжатых полок, распространяющуюся более чем на половину их ширины, следует выправлять или перекрывать накладками. Сварные швы, имеющие трещины, рекомендуется усиливать подваркой либо рассверловкой или фрезеровкой дефектных участков с последующей проваркой швов.Ремонт балки при повреждении по высоте всего сечения, если необходима замена участка балки на некотором протяжении, рекомендуется выполнять с установкой накладок. Ремонт панели сплошной балки, имеющей большую вмятину в листе стенки, следует осуществлять правкой.

При невозможности правки усиление стенки рекомендуется осуществлять приваркой ребер жесткости, перекрытием накладкой или (в редких случаях) укреплением деревянными брусьями. Если одновременно с восстановлением предусматривается увеличение нагрузки на балку, то с целью уменьшения усилий на ее поврежденные участки рекомендуется менять конструктивную схему балки устройством шпренгеля, подкосов, затяжки, превратить балку в железобетонную с использованием стальной балки в качестве жесткой арматуры.

Исправление повреждений сварных балок: А — разрыв нижнего пояса и пробоины в стенке; Б — замена поврежденного участка балки; В — усиление вмятины в стенке около опоры; 1 — линия обреза; 2 — линия обрыва; 3 — контур вмятины Примеры усиления балок: А — устройством шпренгеля, расположенного в пределах высоты балки; Б — подведением предварительно напряженной затяжки; 1 — двутавр; 2 — шпренгель; 3 — затяжка; 4 — опорные уголки

Фермы и связи.

Для усиления решетчатых конструкций рекомендуется использовать следующие способы: подведение новых конструкций и введение новых (дополнительных) элементов решетки; изменение схемы всей конструкции; увеличение сечений отдельных элементов. Для усиления сжатых элементов ферм за счет уменьшения расчетных длин в их плоскости предусматривают дополнительные подкосы от ближайшего узла; для усиления пояса фермы, подвергающегося местному изгибу от внеузлового приложения нагрузки, устанавливают дополнительные шпренгели к верхнему или подвески к нижнему поясу фермы.

Усиление фермы: А — уменьшением расчетной длины сжатого раскоса в плоскости фермы; Б — установкой дополнительных шпренгелей и подвеской при местном изгибе поясов; 1 — сжатый стержень; 2 — дополнительный стержень; 3 — дополнительные шпренгели; 4 — дополнительная подвеска Усиление фермы дополнительными коротышами и косынками: А — постановкой коротышей на заклепках; увеличением размеров в клепаных (Б) и сварных (Г, Д ) фермах; В — обваркой существующего заклепочного соединения; 1 — коротыш; 2 — дополнительные косынки; 3 — заклепки усиления; 4 — сварные швы усиления

При необходимости обеспечить повышение общей несущей способности ферм рекомендуются следующие способы усиления:

  • устройство дополнительной опоры подведением стойки с временным фундаментом под ней;
  • надстройка вантовой или висячей системы, если позволяют габариты здания и имеются надежные опоры для крепления вант;
  • включение фонаря в совместную работу со стропильной фермой;
  • крепление третьего пояса осуществляется в нижних опорных узлах, устройство третьего пояса целесообразно при наличии достаточно мощного сечения поясов.

При наличии надежных анкерных устройств, натяжного оборудования и обеспечения контроля натяжения рекомендуется усиление балок и ферм с помощью предварительного напряжения затяжек.

Жесткость узлов ферм в их плоскости рекомендуется увеличить дополнительными косынками и коротышами. Крепление косынок к поясу рассчитывается на разность усилий в соседних панелях пояса; в местах стыков стержней пояса крепление дополнительных косынок рассчитывается на полное усилие, действующее в стержнях.

Жесткость узлов из плоскости фермы может быть увеличена прикреплением дополнительных стыковых накладок.

Схемы усиления ферм: А — устройством дополнительной вантовой системы; Б — устройством дополнительной висячей системы; В — включением фонаря в общую работу фермы
Усиление фермы третьим поясом, прикрепленным: А — к нижнему поясу; Б — к верхнему поясу
Усиление решетчатой подкрановой фермы установкой дополнительной опоры в середине пролета Усиление фермы дополнительной затяжкой: 1 — усиливающая предварительно напряженная затяжка

При проектировании усиления центрально-растянутых элементов ферм путем приварки к ним дополнительных элементов необходимо соблюдать следующие требования:

  • центр тяжести элемента после усиления должен совпадать с центром тяжести старого сечения или быть к нему как можно ближе;
  • концы дополнительных деталей должны быть заведены в узлах до конца старых элементов; при усилении под нагрузкой накладывать сварные швы поперек дополнительного элемента не допускается;
  • усиление под нагрузкой рекомендуется производить при напряжениях в старом элементе, не превышающих 0,5 R , где R — расчетное сопротивление стали;
  • размер сварных швов, соединяющих дополнительные элементы с усиливаемыми, назначается из расчета передачи максимально возможных усилий в элементах усиления (расчет по площади);
  • толщина угловых швов за один проход не должна превышать 6 мм. При необходимости наложения толстых швов их следует выполнять в два слоя и более, увеличивая катеты швов в каждом на 2 мм. Во всех случаях сварные швы должны быть сплошными во избежание концентрации напряжений в местах подрезов;
  • сварные швы следует накладывать с концов элемента, переходя затем к швам средней части;
  • сборку усиливаемых элементов можно выполнять с помощью прихваток сваркой в местах наименьших напряжений.

Усиление центрально-сжатых элементов ферм для восприятия новых заданных величин усилий может быть произведено одним из способов:

  • уменьшением расчетной длины и соответствующим увеличением коэффициента j ;
  • прямым увеличением расчетной площади сечения без существенного изменения гибкости элемента;
  • комбинированным способом, при котором производят одновременное увеличение расчетной площади и жесткости сечения при прежних расчетных данных. Этот способ рекомендуется как более экономичный и технологичный.

Как более технологичные варианты усиления центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов — рекомендуются усиления с применением круглых стержней.

Восстановление ферм, связей, имеющих повреждения (частичное обрушение, прогибы узлов, погнутости элементов, трещины, вмятины и пробоины, надрывы и разрывы сечений), следует производить, как правило, после предварительного снятия действующей на них нагрузки.

При прогибах узлов ферм, не превышающих 1/400 пролета, необходимо укрепить связи, проверить надежность закрепления опорных узлов на поддерживающих фермы конструкциях и укрепить элементы кровли. Если прогибы превышают указанную величину, они в отдельных случаях могут быть уменьшены вывешиванием фермы на промежуточных временных опорах, устраиваемых в каждой трети пролета в тех узлах верхнего пояса, в которых сходятся раскосы. Перед этим расчетом следует установить, не перегружены ли отдельные стержни и не работают ли они на усилия обратного знака.

Усиление сечений центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов

При невозможности вывешивания фермы ее следует демонтировать для ремонта или замены. При этом соседние фермы укрепляют связями. Пояса демонтируемой фермы для предотвращения их выпучивания временно укрепляют деревянными элементами. Разорванные элементы фермы закрепляют, чтобы они не раскачивались при спуске фермы.

Восстановление погнутых элементов демонтированной фермы рекомендуется производить:

  • правкой; выравниванием и заменой поврежденной части;
  • усилением дополнительными деталями, накладками, ребрами и т.д.;
  • заменой новыми.

К усилению следует прибегать только в случае невозможности правки и местной вставки. В сложных случаях (искривления в обеих плоскостях, закручивание стержня и т.д.) усиление элементов ферм рекомендуется выполнить вырезанием и заменой поврежденной части. Он может быть применен в случаях, когда величина перекоса не превышает размера вертикальной полки основного элемента.

Если усиление сжатого элемента пояса перечисленными выше приемами затруднительно, оно может быть выполнено устройством шпренгеля.

Восстановление элементов ферм вырезанием и заменой поврежденной части: А, Б — элементов из парных уголков; В , Г — элементов из одиночного уголка Исправление местных погнутостей элементов ферм с помощью дополнительных накладок: А , Б , В — со стороны обушка; Г , Д — со стороны пера

При искривлении элементов ферм на длинных участках и невозможности произвести их правку рекомендуется вырезать изогнутые части и заменять их новыми (рис. 54 ) с сохранением прежней геометрической схемы и без изменения сечений.

Восстановление поврежденных элементов ферм с помощью накладки на вырванный участок: А — сверху; Б — снизу Усиление искривленных стальных элементов: А — в вертикальной плоскости; Б — в горизонтальной плоскости; В — изогнутых в горизонтальной плоскости; Г — изогнутых в вертикальной плоскости; Д — усиление шпренгелем

При искривлении стержней ферм, когда необходимость ремонта определяется устойчивостью, а не прочностью, усиление возможно прикреплением к ним деревянных брусков или бревен болтами или проволокой.

Пример усиления фермы заменой поврежденных раскосов и участка пояса или выправлением погнутых элементов (жирными линиями показаны новые элементы) Усиление погнутого раскоса фермы с помощью брусьев для обеспечения устойчивости сжатого элемента

При значительном количестве повреждений в решетке фермы рекомендуется устанавливать вторую решетку по всей длине фермы или ее части, способной воспринять усилия, приходящиеся на решетку (рис. 56).

Повреждения элементов ферм в виде трещин и пробоин перекрываются накладками на сварке, а разорванные элементы восстанавливаются перекрытием разрыва ветвей. Если необходимо заменить поврежденные элементы по всей длине панели фермы, то рекомендуется применять вставки из жестких профилей.

При сильной деформации узла, разрыве фасонки, разрушении нескольких элементов и других повреждениях, сходящихся в узле, стержни следует отсоединять от фасонки и заменять.

Примеры восстановления: А — колонны — заменой поврежденных частей; Б — ферм — устройством второй решетки (жирными линиями показаны новые раскосы и фасонки)

Усиление элементов приваркой круглых стержней рекомендуется применять для нижних поясов ферм и связей. При погнутости поясов ферм из плоскости следует устанавливать дополнительные распорки.

Если деформация фермы из своей плоскости вызвана недостаточной прочностью поперечных связей или нарушениями, допущенными при монтаже покрытия, — происходит потеря общей устойчивости элементов фермы в большепролетном покрытии.

Разрушение сварных швов происходит или непосредственно по шву в результате его среза, или по основному металлу конструкции в зоне шва вследствие возникновения концентрации напряжений, вызванных сваркой или хрупкостью металла. Такие дефекты, как правило, являются результатом неправильной технологии сварочных работ, применения неподходящей к конкретным условиям марки электродов или низкой квалификации сварщиков.

Разрушение по металлу как первопричина обрушения конструкции возникает в результате ее изготовления (даже отдельной ее части) из металла непрокатной марки или вследствие ошибки в расчете.

Потеря общей устойчивости фермы в составе покрытия: а — фронтальный вид раскосной фермы; б — расположение ферм в плане со схемой потери устойчивости формы одной фермы из ее плоскости; 1 — вертикальные связи; 2 — фермы;3 — форма потери

В отношении стальных конструкций понятие «восстановление» применимо лишь в небольшой мере, так как в основном это касается вспомогательных связей. Металлоконструкцию можно усилить, заменить новой, но восстанавливать разрушившийся элемент, как это делается обычно в каменной стене или в железобетонной конструкции, приходится редко, так как после разрушения даже одного стыка или элемента основной несущей конструкции, как правило, следует общее обрушение. Что же касается восстановления отдельных разрушившихся элементов, если в целом конструкция сохранилась, то она просто приводится в первоначальное проектное состояние, возможно с некоторым усилением.

Для уменьшения усилий в наиболее нагруженных или поврежденных элементах в существующую конструкцию вводят дополнительные несущие элементы, например, подвести дополнительные балки, предназначенные для разгрузки существующих балок. Для уменьшения изгибающего момента в пролете балки, — возможно устройство напрягаемой затяжки.

Для разгрузки колонны каркаса при отсутствии домкратов используют способ подведения дополнительных преднапряженных стоек, которые состоят из вложенных одна в другую двух труб, сваренных по концам. трубы должны быть сварены тогда, когда температура специально нагреваемой наружной трубы достигнет (400-500) °С, а потому после остывания внутренняя труба оказывается сжатой. Установив и раскрепив такую преднапряженную стойку, наружную трубу разрезают по окружности возле нижнего шва, после чего внутренняя труба, упертая в ригель, расширяясь, разгружает колонну. Затем наружная труба по разрезанному поясу сваривается накладками и также включается в работу. Такая процедура может быть выполнена также с помощью обычной стойки и домкрата. Во всех случаях должны быть предусмотрены страховочные мероприятия.

Схема введения дополнительных несущих элементов в усиливаемую конструкцию

а — усиление с помощью дополнительных балок; б — усиление балки с помощью напрягаемой затяжки; в — схема подведения дополнительных преднапряженных стоек для разгрузки каркаса;г — усиление фермы введением дополнительных элементов в решетку; 1 — дополнительные разгружающие балки; 2 — талреп; 3 — дополнительные элементы решетки; 4 — сварка;5 — преднапряженные стойки; 6 — крепления при монтаже; 7 — разрезка после установки стойки; 8 — внутренняя сжатая труба

Усиление металлических конструкций часто выполняют установкой дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок и т.п. и применяют для восстановления или усиления пространственной системы большепролетных несущих металлоконструкций. Главное его предназначение — это дополнительное увеличение жесткости и устойчивости отдельных плоских конструкций и элементов, не связанных между собой, и объединение их в единую трехмерную систему. Установка дополнительных связей также способствует лучшему распределению усилий между плоскими несущими конструкциями, составляющими пространственную систему. Например, можно установить дополнительные ребра, повышающие устойчивость стенки сварной двутавровой балки, или установить дополнительные вертикальные связи между фермами покрытия. Для увеличения общей жесткости покрытия в плоскости нижнего пояса ферм – также устраиваются дополнительные связи.

При проектировании усиления элементов желательно сохранить положение центра тяжести сечения стержня. Если в результате усиления расцентровка превышает 1,5 % высоты сечения стержня, его необходимо рассчитывать как внецентренно сжатый. При усилении искривленных сжатых стержней целесообразно располагать элементы усиления таким образом, чтобы увеличить радиус инерции сечения и уменьшить эксцентриситет приложения силы. 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 типу б (два шва, выполняемые в нижнем положении), но при этом заметно смещается центр тяжести сечения. Кроме того, при необходимости завести уголок на фасонку требуется устройство в нем прорези.

Усиление стержней стропильных ферм способом увеличения сечений

Способом изменения конструктивной схемы можно усилить как отдельные стержни, так и ферму в целом. Усиление сжатых стержней ферм выполняется постановкой шпренгелей, уменьшающих расчетную длину стержней в плоскости фермы. Такой метод усиления повышает устойчивость стержней только в плоскости фермы и его можно использовать при незначительном увеличении усилий в стержнях или при искривлении стержня в плоскости фермы. Растянутый пояс фермы можно усилить предварительно напряженной затяжкой.

При усилении стропильных ферм путем изменения конструктивной схемы обычно требуется и усиление отдельных стержней за счет увеличения их сечений.

Усиление узлов крепления стержней стропильных ферм

Рационально применять способы изменения конструктивной схемы, повышающие несущую способность нескольких или всех стержней фермы. Применение этого 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 сочетание приводит к наиболее экономичным по расходу стали и трудоемкости изготовления конструктивным решениям.

Наиболее просто изменить конструктивную схему стропильных ферм можно обеспечив неразрезность их на опорах. В результате уменьшаются усилия 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. 9.17, а…д приведены способы изменения конструктивной схемы с помощью вновь устанавливаемых элементов.

Усиление стержней стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы Усиление стропильных ферм способом изменения конструктивной схемы

При наличии свободного пространства под фермой целесообразно применить схему а с передачей сжимающего усилия от наклонных элементов шпренгеля на растянутый пояс. Если в здании имеются мостовые краны, можно уменьшить высоту шпренгеля, но при этом эффективность усиления снижается.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, перспективно применение комбинированных систем с использование гибких элементов (вант, гибких и жестких нитей с подвесками). К числу достоинств этих систем относится использование элементов, работающих на растяжение, а также проведение работ по усилению в условиях, не ограниченных действующим производством. Недостатки: необходимость вскрытия кровли и последующее обеспечение ее водонепроницаемости, сложность восприятия распора. При установке новых или повышении грузоподъемности существующих подвесных кранов целесообразно установить вертикальные связи между фермами по всей длине. Эти связи перераспределяют нагрузку от подвесных кранов между фермами, снижают усилия в стержнях ферм.

При повреждении стыков, изменении конструктивной схемы, увеличении нагрузки на конструкцию и т.п. применяют усиление соединений элементов. Усиление соединений может осуществляться путем сварки или использования высокопрочных болтов, что во многих случаях предпочтительнее. Как правило, усиление производится двумя металлическими полосами сварного таврового профиля, изготовленного из листовых элементов. На практике применяется также вариант усиления стыка прокатных двутавровых балок с помощью накладок, приваренных к полкам и стенкам двутавра. Узлы сварной фермы усиливаются путем наращивания узловой фасонки для возможности увеличения длины сварных швов и соответственно увеличения жесткости узла.

Если необходимо повысить общую несущую способность конструкции широко применяют при восстановительных работах усиление сечения элементов. При этом должны соблюдаться следующие основные правила:

а) усиление сечения конструкции не должно нарушать ее центровку;

б) в растянутых элементах усиление должно быть доведено до узлов крепления;

в) усиление изгибаемых элементов достаточно выполнить на участках, перекрывающих участок максимальных моментов, при этом сварку по присоединению усиливающих элементов следует начинать с растянутой зоны;

г) внецентренно сжатые элементы должны быть усилены так, чтобы уменьшался эксцентриситет рабочего сечения;

д) варианты усиления сечения должны выбираться из соображений удобства ведения работ и технологичности сварки.

Усиление конструкции добавлением элемента жесткости и связи

а — увеличение пространственной жесткости балки усиливающими ребрами; б — усиление ферм покрытия диагональными стяжками; в — схема усиления перекрытия полосами диагональных связей между фермами для увеличения горизонтальной жесткости; 1 — дополнительные ребра жесткости; 2 — дополнительные связи; 3 — фермы

Для ускоренного усиления металлического элемента, а также при отсутствии металла или сварочного оборудования используют деревянные брусья, которые жестко крепят хомутами или болтами, обеспечивающими их совместную работу. Усиление швеллерной балки возможно осуществить ее обетонированием с дополняющим арматурным каркасом, прикрепленным к балке; усиление элементов верхнего пояса металлической фермы несложно выполнить размещением между уголками сплошной полосы, которую соединяют прерывистой сваркой с двух сторон; при необходимости можно усилить выборочно элементы фермы при недостаточном восприятии ими сейсмических и других нагрузок.

Изменение конструктивной схемы является наиболее радикальным способом увеличения несущей способности существующей конструкции. Это усиление связано с введением дополнительных несущих элементов и, как следствие, с изменением напряженного состояния основных частей конструкции.

Усиление стыка и соединительных элементов: а — усиление таврового стыка листовыми элементами; б — усиление стыка двутавровых балок накладками из листового металла; в — усиление узла сварной фермы путем наращивания фасонки; 1 — усиливаемое соединение; 2 — элементы усиления; 3 — усиливающие накладки

Простейшие пути изменения первоначального проектного решения включают в себя: введение подкосов, изменяющих характер напряжений в ригелях и стойках рамной конструкции; и устройство шпренгеля, позволяющее эффективно уменьшить пролетный момент в балке. Создаваемое при этом осевое обжатие балки практически не существенно; установка опорной стойки в пролете фермы позволяет значительно уменьшать напряжения в ее поясах и качественно изменять работу решетки (однако в последнем случае возникает необходимость усиления некоторых узлов и элементов).

Усиление конструкции с изменением схемы ее работы требует серьезного расчетного анализа. Тем не менее, этот способ отличается рядом достоинств, основные из которых следующие:

— имеется возможность усилить всю конструкцию в целом;

— возникает возможность регулировать усилия в элементах конструкции и достичь наиболее благоприятного их распределения;

— можно использовать такое эффективное средство, как преднапряжение части или всей конструкции;

— способ применим при наличии в конструкции значительных остаточных деформаций, когда другие способы не могут привести к искомой цели;

— во многих случаях не требуется разгрузка усиливаемой конструкции;

— экономичность рассматриваемого метода усиления — сравнительно небольшая трудоемкость и малый расход материалов.

Стержневые пространственные покрытия. К возможным видам повреждений стержневых пространственных покрытий относятся:

  • снос или местное повреждение кровли при сохранении целостности несущих элементов;
  • разрыв или искривление несущих элементов (стержней) — прогонов поясов, решетки;
  • обрушение стержневой несущей системы при разрыве поясов, опорных раскосов, повреждении колонн (от удара, перегрузок, пожара и т.д.). При этом большинство стержней, как правило, сильно деформируются (искривляются, скручиваются, разрываются).

При восстановлении кровли рекомендуется:

  • в системах с дополнительными, кроме поясов, прогонами применять любой подручный материал плиточного или пластинчатого типа;
  • в системах из прокатных профилей профилированный настил укладывать по поясам и прикреплять каждую волну электрозаклепками и самонарезающими болтами, либо применять другой кровельный материал;
  • при условии обеспечения боковой жесткости верхнего пояса и создания необходимого основания для опирания плит (например, приваркой к поясам дополнительных стержней из уголков).

При местном повреждении стержневой системы необходимо измерять дополнительный прогиб участка покрытия, величина которого после восстановления не должна превышать 0,01 l , где l — пролет покрытия.

При устранении местных повреждений рекомендуется следующий порядок действий:

  • поддомкрачивание блока (ячейки) покрытия и удаление вышедших из строя элементов;
  • усиление или замена поврежденных элементов и установка их на место (в узловые соединения).
Усиление поврежденных элементов поясов и связей приваркой круглых стержней (различные случаи приварки круглых стержней) Пример усиления ферм покрытия установкой дополнительных распорок по нижним поясам ферм при погнутости их из плоскости

Правку искривленных стержней (трубчатых, из прокатных профилей) допускается производить в нагретом состоянии.

В изогнутых и скрученных элементах рекомендуется вырезать наиболее деформированные участки и вваривать вставки из того же или несколько большего профиля.

При отсутствии профилированного настила или при замене его, например асбестоцементными листами, следует производить усиление верхних поясов покрытий из прокатных профилей приваркой накладок из уголков или листового металла.

При обрушении обширных участков или целых блоков покрытий из трубчатых элементов следует иметь в виду, что их восстановление с сохранением конструктивной схемы возможно лишь в том случае, если имеется в наличии запас узловых соединений, изготавливаемых только заводским способом.

Для повышения жесткости и несущей способности металлических ферм — усиление может быть выполнено местным (отдельных стержней) или общим (главным образом путем усиления нижнего пояса).

Для усиления используются накладки с целью увеличения сечений и моментов сопротивления отдельных элементов решетки, дополнительные пояса, шпренгели, сокращающие длину растянутых или сжатых элементов.

Из рассмотренных способов усиления металлических конструкций наиболее трудоемко и металлоемко по совокупному эффекту увеличение сечений усиливаемых элементов, так как оно требует сплошного или прерывистого скрепления их по длине, точной подгонки и т. п.

Наиболее эффективны приемы усиления конструкций с изменением расчетных схем и регулированием напряжений в процессе усиления.

tehlib.com

Тема 15. УСИЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Общие положения

Усиление металлических конструкций может производиться после их разгружения или под нагрузкой:

– увеличением поперечного сечения отдельных элементов и узлов их соединений,

– изменением расчетной схемы конструкций.

Особенностью усиления металлических конструкций является доступность сечения по всей длине элементов и свариваемость металла, позволяющие уменьшить трудоемкость обеспечения совместной работы основного и дополнительного элементов.

Однако нагрев элементов при сварке может снижать его прочность. При температуре более 550°С металл переходит в пластическое состояние и выключается из работы по восприятию усилий. Степень снижения прочности металла в месте сварки зависит от способа и режима сварки, толщины и ширины элемента, а также от направления сварных швов. Так, для продольных швов снижение прочности составляет до 15 %, а для поперечных – достигает 40 %. Исходя из этого, запрещается применение поперечных сварных швов при усилении металлических конструкций под нагрузкой.

С целью безопасности производства работ и повышения эффективности усиления металлических элементов и узлов их сопряжений следует стремиться к максимальному разгружению конструкции перед усилением, чтобы максимальные напряжения не превышали (где – расчетное сопротивление стали по пределу текучести).

15.2. Усиление металлических конструкций увеличением их поперечного сечения

Усиление металлических конструкций, работающих на растяжение, сжатие и изгиб, увеличением поперечного сечения элементов производится присоединением дополнительных элементов. Совместная работа дополнительных элементов усиления с усиливаемой конструкцией обеспечивается путем сварки, а также с помощью болтового или заклепочного соединения.

При выполнении усиления центрально-растянутых и сжатых металлических конструкций следует стремиться к сохранению центровки усиливаемых элементов и узлов соединений (то есть дополнительные элементы необходимо располагать так, чтобы положение центра тяжести элемента после усиления не изменялось), в противном случае, требуется проверка прочности усиленного элемента и узла сопряжения с учетом появившегося эксцентриситета.

При конструировании усиления сварные швы, болтовые и заклепочные соединения необходимо располагать в удобных для исполнения и контроля качества местах. Кроме того, при сварных соединениях следует учитывать появление дополнительных и остаточных сварочных деформаций. Например, усиление ферм следует начинать с элементов и узлов нижнего пояса, а затем производить усиление верхнего пояса.

Обеспечение совместной работы дополнительных деталей при усилении растянутых элементов производится их обязательной заводкой в узлы на расстояние, необходимое для размещения прикрепляющих швов, достаточных для полного включения в работу у границы узловой фасонки.

В качестве дополнительных элементов при усилении центрально-растянутых элементов используются, как правило, полосы и круглые стержни (рис. 15.1). При этом в случае приварки усиливающих полос к полкам и перу спаренных уголков требуется срезка выступающих концов соединительных планок.

В случае обеспечения совместной работы дополнительных элементов с усиливаемым растянутым элементом посредством сварки сварные швы рекомендуется принимать с высотой катета шва 3…6 мм (в зависимости от толщины соединяемых деталей), а швы, расположенные вблизи края элемента, следует выполнять сплошными, т.к. прерывистые швы создают многочисленные «надрезы» – концентраторы напряжений, способствующие хрупкому разрушению при растяжении.

Усиление сжатых элементов стальных конструкций производится:

– увеличением поперечного сечения элемента при незначительном изменении его гибкости,

– увеличением поперечного сечения элемента со значительным уменьшением его гибкости,

– уменьшением расчетной длины элемента без изменения поперечного сечения.

В практике усиления металлических конструкций первый метод применяется для сжатых элементов небольшой длины (коротких), когда прочность элемента определяется площадью его поперечного сечения. Два других метода усиления характерны для длинных сжатых элементов, теряющих устойчивость при разрушении.

В первом случае для усиления центрально-сжатых элементов, аналогично растянутым, в качестве дополнительных элементов могут быть использованы полосы и круглые стержни, эффективно увеличивающие площадь поперечного сечения, но незначительно изменяющие его жесткость при изгибе (см. рис. 15.1). Как и в случае растянутых элементов, дополнительные детали усиления должны заводиться в узлы сопряжения.

При усилении сжатых элементов увеличением поперечного сечения с уменьшением его гибкости в качестве дополнительных элементов используются прокатные профили в виде труб, уголков, швеллеров и т.д., развивающих сечение и эффективно повышающих его жесткость при изгибе (рис. 15.2). При этом если нет опасности потери устойчивости для сечения не усиленного элемента вблизи узла, детали усиления могут быть не заведены в узел и не прикреплены к нему. Допускается применение прерывистых швов, уменьшающих сварочные деформации, сокращающие сроки сварочных работ и массу наплавленного металла.

Рис. 15.1. Усиление увеличением поперечного сечения без изменения гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров; в – из двутавров

Рис. 15.2. Усиление увеличением поперечного сечения с уменьшением гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров и двутавров; в – сварных сплошного сечения; г – клепаных

Уменьшение расчетной длины отдельных элементов эффективно в случае, когда не обеспечена их устойчивость. Усиление сжатых элементов уменьшением его расчетной длины в плоскости стропильной фермы производится установкой дополнительных раскосов или подвесок (рис. 15.3, а), из плоскости фермы или для отдельно стоящих стоек – предварительно напряженных шпренгелей (рис. 15.3, б, в).

Рис. 15.3. Усиление стальных конструкций за счет уменьшения их расчетной длины:

а – установкой дополнительных раскосов; б, в – установкой предварительно напряженных шпренгелей: 1 – усиливаемый элемент, 2 – дополнительные раскосы,

3 – дополнительная подвеска, 4 – предварительно напряженные шпренгели

Усиление изгибаемых металлических конструкций имеет следующие особенности:

- увеличение поперечного сечения изгибаемого элемента можно ограничивать лишь зоной действия максимальных изгибающих моментов, где усиление требуется по расчету;

- при конструировании усиления следует стремиться к наиболее эффективному размещению дополнительных деталей (на возможно большем расстоянии от нейтральной оси неусиленного сечения);

- учитывая влияние сварочных деформаций при усилении, увеличивающих прогиб, усиление изгибаемых элементов необходимо начинать с нижнего пояса, затем при необходимости следует усилить стенку, в последнюю очередь – верхний пояс.

Некоторые варианты конструктивных схем усиления стальных балок приведены на рис. 15.4 и 15.5.

Рис. 15.4. Усиление изгибаемой балочной конструкции в пролете

Рис. 15.5. Усиление стальных балок увеличением поперечного сечения с применением:

а – пластин; б – стержней; в – уголков; г – труб; д – двутавров

Усиленная стальная балка кроме условия прочности должна удовлетворять условиям общей и местной устойчивости. Повышение местной устойчивости балок достигается установкой дополнительных поперечных (рис. 15.6, а), продольных (рис. 15.6, б) и диагональных ребер жесткости (рис. 15.6, в). С целью уменьшения концентрации местных напряжений у концов коротких поперечных ребер жесткости в сжатой зоне они должны быть окаймлены продольными ребрами жесткости (рис. 15.6, г).

Повышение местной устойчивости элементов стальных конструкций может быть достигнуто также их бетонированием (рис. 15.7, а) или прикреплением 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

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 после усиления;

- по пластической стадии – при достижении напряжений в сечении усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспределение 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 стадии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета применяется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

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

- по упругой стадии

; (15.1)

- по пластической стадии

, (15.2)

где – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов; – расчетное сопротивление стали основного элемента; – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости производится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэтому в расчете используется коэффициент продольного изгиба , определенный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из условия обеспечения устойчивости

. (15.3)

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы .

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

- по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии от центра тяжести основного сечения и расстоянии от центра тяжести усиленного сечения

; (15.4)

- по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения

; (15.5)

- по пластической стадии

, (15.6)

где – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – момент инерции поперечного сечения элемента соответственно до усиления и после усиления; – расчетное сопротивление стали соответственно основного и дополнительного элемента при растяжении или сжатии; - расстояние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополнительного элемента; - пластический момент сопротивления поперечного 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

, (15.7)

где – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси; – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения; – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

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

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основному сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдвигающих 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 правило, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 15.9, 15.10.) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

Рис. 15.9. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения, накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными планками; в – из пластины

Рис. 15.10. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем

Рис. 15.11. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков; б – элементов из одиночного уголка

Предыдущая234567891011121314151617Следующая

Дата добавления: 2016-01-20; просмотров: 19221; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

helpiks.org

21. Усиление металлических прогонов и балок в балочных клетках

Усиление металлических балок и прогонов может быть местным и общим. Местное усиление осуществляется с помощью металлических накладок, ребер, обетонирования и т.д., а общее – путем установки шпренгелей, затяжек или жесткого опорного закрепления.

Наиболее простым способом усиления металлических балок и прогонов является увеличение их сечения на участках наибольших напряжений с помощью приварки или крепления на высокопрочных болтах специальных усиливаемых элементов из прокатных профилей (уголков, труб, швеллеров и двутавров), варианты которых приведены на рис.3.10.

Наиболее рациональны схемы двустороннего усиления балок, не приводящие к значительному смещению центра тяжести сечения (рис.3.10, а).

В случаях, когда усиление верхнего пояса по схеме (рис.3.10, а ) связано с необходимостью частичного или полного демонтажа настила, возможно выполнить усиление по типу схем (рис.3.10, б-г). Недостатком схем (рис.3.10, б-г) является большой объем сварочных работ, связанных с наложением потолочных швов, и значительное ослабление сечений при сварке под нагрузкой. Кроме того, эти схемы связаны с трудоемкими операциями по обрезке и надставке ребер жесткости (рис.3.10, в, г; детали Б и В).

 Рис.3.10. Варианты усиления изгибаемых элементов путем увеличения сечения

а-г - схемы двустороннего усиления; д-ж - то же, одностороннего усиления; 1- существующее ребро жесткости; 2- линия обреза ребра; 3- надставка ребра

 К несимметричному одностороннему усилению по схеме (рис.3.6, д) прибегают в тех случаях, когда двустороннее усиление экономически и технически нецелесообразно. Несимметричное одностороннее усиление обычно осуществляют с помощью швеллеров, тавров и двутавров по типу схем (рис.3.10, е-ж). Недостатком такого усиления является сложность прикрепления элементов усиления с помощью потолочных швов или высокопрочных болтов. Кроме того, такой способ усиления связан с необходимостью предварительного выгиба прокатных элементов усиления в соответствии с формой изгиба усиливаемых балок, а поэтому при усилении под нагрузкой требует применения мощных домкратов или иных натяжных устройств.

Для повышения местной устойчивости и недостаточной несущей способности участков стенок балок устанавливают на этих участках короткие поперечные, продольные или наклонные ребра жесткости, ограничивая их продольными ребрами (рис.3.11).

Рис.3.11. Схемы местного усиления стенок двутавровых балок

1-дополнительные накладки; 2-5 дополнительные поперечные, продольные и наклонные ребра

 Дополнительные ребра к стенке балки можно прикреплять с помощью высокопрочных болтов, прерывистых или сплошных сварных швов. Сварные соединения более технологичны, но приводят к ослаблению сечения усиливаемого элемента в процессе сварки.

Достаточно простым и эффективным способом усиления металлических балок является преобразование разрезных балок в неразрезные многопролетные (рис.3.13).

Он выполняется без увеличения строительной высоты, но требует свободного доступа к узлам сопряжения. Преобразование осуществляется путем жесткого крепления (сварка) внутренней и наружной стороны полок металлическими пластинами (рис.3.13, а). Металлические накладки должны заходить на каждый элемент не менее чем на 100 мм от стыка. При этом способе в балках и прогонах возникает изгибающий момент меньшей величины, что способствует повышению несущей способности усиливаемых конструкций (рис.3.13, б ).

Рис.3.13. Схема усиления металлических балок путем замены шарнирной заделки на жесткую

а)- схема усиления; б)- изгибающие моменты; 1- элемент усиления

 Более эффективным способом повышения несущей способности металлических балок (прогонов) является изменение их конструктивной схемы за счет установки в пролете балки дополнительной опоры (рис.3.14, а) или дополнительных усиливающих элементов в виде подкосов (рис.3.14, б).

 Рис.3.14. Усиление балок установкой дополнительных опор (а) или подкосов (б):

1- усиливаемая балка; 2- колонна; 3- дополнительная опора; 4- элемент усиления; 5- подкос

 В этих случаях уменьшается величина пролета балок с превращением их в многократно статически неопределимые системы и значительно увеличивается несущая способность усиливаемых конструкций. Усиление по схеме (рис. 3.14, а) связано с постановкой в пролете балки дополнительной опоры, но применять такой способ не всегда допустимо по технологическим причинам. Установка подкосов более целесообразно, так как не загораживает центр пролета и не нуждается в устройстве дополнительного фундамента (рис. 3.14, б).

Наряду с дополнительными опорами и длинными подкосами для усиления металлических балок применяют подвески, короткие подкосы, и кронштейны, за счет установки которых также уменьшается величина пролета балок (рис. 3.15).

Для подкосов и кронштейнов рекомендуется устраивать предварительное напряжение, которое может осуществляться за счет стяжных устройств (рис.3.15, б) или оттяжки консолей кронштейнов путем подвески к ним монтажных пригрузов с последующей постановкой прокладок (рис.3.15 в). Изменяя величину пригрузов, можно регулировать величину предварительного напряжения в кронштейнах.

 Рис. 3.15. Усиление металлических балок постановкой подкосов(а, б, г), подвесок (в) и кронштейнов (д)

1- подкосы; 2- существующие колонны; 3- подвески; 4- стяжные устройства; 5- кронштейны

 В усиливаемых балках для получения желаемого распределения моментов и поперечных сил рекомендуется регулировать усилия за счет выбора мест установки дополнительных опор или поперечных балок, как это показано на рис.3.16. Увеличение количества дополнительных опор в значительной мере снижает величину изгибающего момента в пролетах с возникновением его на опорах.

 Рис.3.12. Расчетные схемы и схемы усиления балок при введении дополнительных опор (а) и поперечных балок (б)

1-усиливаемые конструкции; 2- существующие опоры; 3- дополнительные опоры

 Значительного повышения несущей способности металлических балок и прогонов можно достичь путем подведения под нижний пояс дополнительных усиливаемых элементов или превращения их в шпренгельные системы (рис.3.13).

Рис.3.13. Усиление металлических балок установкой дополнительных усиливаемых элементов (а, б, в, г) или превращением их в шпренгельные системы (д, е, ж)

1– усиливаемый элемент; 2 - 3 – шпренгель

 Эти приемы рекомендуется применять при недостаточной жесткости конструкций и отсутствия ограничений в габаритах цеха. Усиление возможно выполнять как без нагрузки, так и под нагрузкой, с предварительным напряжением шпренгельной системы и без него. В качестве дополнительных элементов используют, как правило, прокатные профили, которые прикрепляют к стенке (рис.3.13, а), полке (рис.3.13, в) или с помощью уголковых подвесок (рис.3.13, б) к усиливаемой балке. Шпренгельные системы устраивают треугольного или трапецеидального вида, прикрепляя их к стенке или нижнему поясу усиливаемых балок (рис.3.13, е,ж). В местах установки шпренгельных систем с целью обеспечения местной устойчивости стенок балок необходимо устраивать вертикальные ребра жесткости, как это показано на рис.3.13, е -ж.

Создание предварительного напряжения в металлических балках (прогонах) обычно устраивается с помощью стальных затяжек, изготовленных из круглой стали, которые устанавливают попарно на 5-10 см ниже или выше полок балок или прогонов, приваривая одни концы к полкам, а другие – к стяжным болтам (рис.3.14).

Рис.3.14. Усиление металлического прогона предварительным напряжением

1 – металлический прогон; 2 –металлический упор; 3 – затяжка из круглой стали; 4 – болт с гайкой для предварительного натяжения затяжки; 5 – бетонная заделка; 6 – упор из круглой стали

 Это конструктивно удобный и эффективный метод усиления, который может осуществляться под нагрузкой и без нагрузки. Предварительное напряжение в затяжках обеспечивают с помощью натяжных болтов и тарированных гайковертов, которые создают заданное усилие.

Зазор между полками балок или прогонов и затяжкой образуется за счет металлических упоров из уголков или круглой стали, привариваемых к нижним или верхним полкам усиливаемых конструкций на расстоянии 1 м от опор.

Эффективным способом усиления сплошных балок является распорное устройство, выполненное в виде сектора с гнездами, образующими с осью разрезные шарниры, расположенные между скошенными торцами распираемых балок (рис.3.15).

В результате в нижних поясах балок возникают продольные усилия S, выгибающие балку вверх и уменьшающие величину изгибающего момента. Распорные устройства обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки затяжек.

Рис.3.15. Схема распорного устройства

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

 Для компенсации продольных усилий нижних поясов балок необходимо в крайних пролетах установить новые связи (рис.3.16).

Рис.3.16. Усиление металлических балок с помощью распорного устройства

1- усиливаемая конструкция; 2- распорное устройство; 7- новые связи

 Усиление большепролетных балок можно осуществить с помощью введения поддерживающих арочных систем, которые могут иметь ломанный или полукруглый профиль (рис.3.17). В местах передачи нагрузки от большепролетных балок на арочные системы должны устанавливаться дополнительные элементы усиления стенок в виде вертикальных ребер жесткости, которые крепятся с двух сторон стенки и не доводятся до верхнего пояса балок.

Арочные системы опираются и передают нагрузку на фундаменты смежных колонн, поэтому такой способ может потребовать усиления фундаментов из-за возникающих распорных усилий.

Рис.3.17. Усиление большепролетных балок введением арочных систем с ломанным (а) и полукруглым профилем (б)

1- усиливаемая балка; 2- колонна; 3- поддерживающая арочная система

 Эффективным методом усиления металлических балок больших пролетов является устройство над усиливаемой конструкцией тросовых систем (рис.3.18). Этот метод применяется при возможности свободного размещения тросовой системы над усиливаемой конструкцией. Основные сложности при устройстве тросовых систем связаны с восприятием и передачей распорных усилий, возникающих в системах. С этой целью целесообразно закреплять окончания тросов вне здания.

Рис.3.18. Схемы усиления большепролетных балок устройством тросовых систем

 Для повышения несущей способности металлических балок можно использовать устройство железобетонных обойм (рис.3.19, а) или устройства междубалочного заполнения монолитным бетоном (рис.3.19, б). Во втором случае существующие балки играют роль жесткой арматуры железобетонных конструкций (как правило, с добавочным армированием). Этот способ основан на превращении стальных балок и железобетонного настила в единую комплексную конструкцию путем надлежащего их соединения с помощью упоров, препятствующих сдвигу настила относительно балок.  .

Рис.3.19. Усиление металлических балок устройством железобетонной обоймы (а) или междубалочного заполнения монолитным бетоном (б)

1- металлические балки; 2- монолитный железобетон

 Способ эффективен при усилении дефективных или сильно корродированных балок

studfiles.net

Как усилить двутавровую балку

Основной причиной потери устойчивости является недостаток жесткости самого сооружения в плоскости, находящейся перпендикулярно действующей нагрузки. Это служит причиной развития этапов деформации, когда увеличивается доля усилий на краевые напряжения, что приводит к разрушению или выходу из строя конструкции. А всему причиной неверные расчеты нагрузки на двутавровую балку и допустимой деформации элементов.

Правила усиления и восстановления металлоконструкций

Для проведения работ по усилению высотных и прочих сооружений необходимо соблюдать такие нюансы:

  • проектная смета будущей строительной работы обязана быть составлена строительной компанией, специализирующейся на металлоконструкциях, где главным разделом будет технология производства планируемых и уже выполненных работ;
  • основанием для составления такого проекта будет служить исследования, которые носят в себе схемы повреждений и первичные оценки состояния несущих элементов конструкции;
  • изучение самого объекта в любом случае начинается с момента ознакомления с проектной документацией и, использованном в процессе строительства, материалом.

Как правило, такие работы на усиление следует выполнять в период отсутствия каких-либо временных нагрузок на сооружение, а также при наружной температуре ниже 15°С для обычного вида стали, и не ниже 5°С, если речь идет о стали кипящей плавки.

Усиление двутавровых балок

Чтобы увеличить пространственную жесткость сооружения, можно использовать следующие методы:

  1. Регулирование опор в результате их механического смещения;
  2. Перестановка или постановка дополнительных используемых связей;
  3. Увеличение жесткости у горизонтальных связевых дисков перекрытия или покрытия;
  4. Использование электротермического метода, диафрагм жесткости или анкерного устройства шпренгеля;
  5. Добавление в пространственную работу каркаса несущих изделий под техоборудование, тормозных конструкций подкрановых двутавров, антресольных площадок и пр.

Подготовка к усилению жесткости конструкции и соединения элементов при помощи сварки начинается с подготовительных работ, которые включают в себя засверливание узких длинных отверстий и трещин, выравнивание краев разрыва, их зачистка и т.д. В некоторых случая используются болтовые соединения.

cheltruba.ru


Смотрите также