Методы усиления металлических конструкций уменьшением расчетной длины сжатых элементов



В статье автор делает попытку структурировать способы усиления сжатых элементов металлических конструкций методом уменьшения расчётных длин.

Ключевые слова: усиление, расчётная длина, колонна, ферма.

Усиление — совокупность мероприятий, выполняемых с целью снижения уровня действующих напряжений в усиливаемых конструкциях.

Оно бывает:

− временным, применяемое во время монтажа и для конструкций, которые должны эксплуатироваться до их капитального усиления;

− аварийным (неотложным), применяемое в экстренных случаях;

− постоянным (капитальным), применяемое при усилении конструкций под нагрузкой;

− и перспективным, применяемым для конструкций, нагрузку на которые по истечению какого-то промежутка времени можно увеличить.

Усиление может выполняться:

− снижением действующих нагрузок (косвенное усиление или изменение условий эксплуатации);

− снижением действующих усилий (изменение конструктивной или расчётной схемы конструкции);

− повышением несущей способности существующих конструкций или их элементов:

• увеличение площади сечения;
• местное усиление;
• усиление соединений.

В современной практике строительства усиление стержневых элементов конструкций производится в основном тремя методами:

− увеличением поперечного сечения

− регулированием напряжений;

− уменьшением расчётной длины стержней.

Усиление уменьшением расчётной длины сжатых элементов является одним из самых распространённых способов усиления металлических конструкций, увеличивающим их устойчивость и повышающим несущую способность сжатых стержней на 10–30 % [2, п. 6.5].

Этот метод усиления применяется:

− при усилении сжатых элементов решётчатых ригелей и сжатых стоек;

− когда непосредственное усиление усиливаемой конструкции не представляется возможным;

− если он экономически и конструктивно целесообразен в сравнении с другими методами усиления.

Присоединение деталей усиления к усиливаемой конструкции выполняется с помощью:

− сварки;

− на болтах класса точности А, В или высокопрочных.

Технология работ при усилении конструкций под нагрузкой должна обеспечивать минимально-возможное ослабление сечений усиливаемых элементов, которое может быть вызвано нагревом при сварке или рассверловкой дополнительных отверстий.

Если у усиливаемых конструкций отсутствуют данные о свариваемости стали, то для соединения элементов усиления сварку можно применять только после проведения оценки свариваемости. Кроме того, необходимо обратить внимание на правильный порядок сварки во избежание больших усадочных напряжений и разрыва усиливаемых или рядом расположенных элементов.

При присоединении элементов усиления на болтах необходимо вести работы с минимально-возможным ослаблением усиливаемого элемента. Поэтому каждое последующее отверстие необходимо сверлить только после установки болта в предыдущее.

Марку стали элементов усиления следует назначать с учётом качества стали усиливаемой конструкции. Применяемая для элементов усиления сталь не должна уступать по качеству металлу усиливаемых конструкций (по механическим свойствам, вязкости и свариваемости).

Уменьшение расчётной длины может быть необходимо:

− в плоскости усиливаемого конструктивного элемента;

− из плоскости.

При усилении конструкций методом уменьшения расчётных длин следует учитывать:

− действующие напряжения в элементах конструкции от существующей нагрузки (включение в работу усиливающих элементов возможно только после увеличения на усиливаемый элемент);

− восприятие усиливающими элементами в статически-определимых системах части действующей нагрузки;

− изменение расчётной схемы с внутренне статически-определимой на внутренне статически-неопределимую: в статически-неопределимых системах усилия распределяются в соответствии с жёсткостями элементов конструкции, вследствие чего при увеличении нагрузки в результате перераспределения усилий растянутые раскосы могут стать сжатыми.

Усиление стропильных ферм покрытия может потребоваться:

− при увеличении нагрузок от покрытия;

− при возрастании снеговой нагрузки;

− в связи с креплением к фермам нового технологического оборудования;

− в результате ослабления сечений элементов;

− в следствии механических или коррозионных повреждений в процессе эксплуатации.

Существует несколько основных приёмов уменьшения расчётной длины сжатых элементов в плоскости ферм.

1) Введение дополнительных элементов в конструкцию решётки фермы: раскосов и подвесок.

Рис. 1. Усиление сжатых поясов и раскосов: 1 — дополнительные раскосы, 2 — подвески, 3 — усиливаемая ферма

Данный приём позволяет усилить сжатые верхние пояса и раскосы ферм за счёт:

− снижения изгибающих моментов в поясах при их работе на местный изгиб;

− уменьшения расчетные длины сжатых элементов (поясов, раскосов) повышая тем самым их несущую способность.

2) Монтаж дополнительных раскосов

Рис. 2. Усиление сжатых раскосов: 1 — дополнительные раскосы, 2 — усиливаемая ферма

Установка дополнительных раскосов снижает расчётную длину сжатых раскосов, увеличивая тем самым их несущую способность.

3) Устройство дополнительных стоек

Рис. 3. Усиление сжатых верхних поясов: 1 — дополнительные раскосы, 2 — внеузловая нагрузка, 3 — усиливаемая ферма

Постановка дополнительных стоек позволяет усилить верхние сжатые пояса фермы за счёт:

− снижения изгибающих моментов, возникающих от действия внеузловой нагрузки;

− уменьшения расчетных длины сжатых поясов и следовательно повышения несущей способности

4) Установка дополнительных решёток: второй (а) или перекрёстных (б, в).

Рис. 4. а) ферма с дополнительной решёткой; б, в) фермы с перекрёстной решёткой; 1– вторая решётка, 2 — перекрёстная решётка, 3 — усиливаемая ферма

Данный способ используется при значительном количестве повреждений применение которого увеличит несущую способность сжатых раскосов за счёт уменьшения их расчётных длин, но так-же позволит:

− разгрузить элементы существующей решетки;

− повысить жесткость всей конструкции.

Однако, при данном усилении расчётная схема превращается из внутренне статически определимой системы во внутренне статически неопределимую систему, что следует учитывать на этапе проектирования вследствие особенности работы такого рода систем: вследствие увеличения нагрузки в результате перераспределения усилий растянутые раскосы становятся сжатыми.

Чтобы уменьшить расчётную длину из плоскости фермы:

1) в плоскости горизонтальных связей устанавливаются дополнительные распорки, ограничивающие расчётную длину верхних сжатых поясов (рис. 5);

Рис. 5. Схема связей по верхним поясам: 1 — стропильные фермы, 2 — связи по верхнем поясам, 3 — дополнительные распорки

Такой вид усиления применяется при недостаточной несущей способности на сжатие или погнутости верхних поясов из плоскости фермы.

2) производится устройство предварительно-напряжённых шпренгельных систем, уменьшающих расчётную длину сжатых стоек (рис. 6).

Рис. 6 — Усиление сжатых стоек фермы: 1 — нижний пояс фермы, 2 — сжатый пояс фермы; 3 — усиливаемая стойка, 4 — предварительно-напряжённая шпренгельная система

Усиление предварительно-напряжёнными шпренгелями имеет ряд преимуществ:

− возможность производить работы по усилению под полной эксплуатационной нагрузкой;

− снятие опасных напряжений в элементах конструкции (после включения в работу);

− уменьшение деформаций конструкций под полной эксплуатационной нагрузкой;

− уменьшение объёма сварочных работ по сравнению с усилением ненапряжёнными элементами;

− исключаются простои производства в действующих цехах или сооружениях во время работ.

Недостатком усиления шпренгелями является передача на усиливаемый сжатый элемент дополнительных сжимающих напряжений от гибких предварительно-напряжённых элементов шпренгеля.

Основная цель усиления колонн — увеличение несущей способности на сжатие или снятие в них сжимающих напряжений.

Усиление колонн методом уменьшения расчётной длины в общем случае может быть достигнуто:

− постановкой дополнительных связей (распорок, решёток или шпренгелей);

− подкосов.

Для ограничения расчётной длины колонн в плоскости осуществляется:

1) устройство подкосов

Рис. 7. Усиление колонн подкосами: 1 — усиливаемая колонна, 2 — подкос

2) усиление решётки с помощью введения дополнительных распорок

Рис. 8. Усиление решётки колонны: 1 — усиливаемые пояса колонны, 2 — новое оборудование, 3 — распорка

На рисунке 8 приведена вышка, которую следовало приспособить к установке нового оборудования 2. Коррозионные повреждения поясов вышки 1 привели к тому, что поперечные сечения образующих их уголковых профилей стали недостаточными для новых условий эксплуатации, В конструкцию были введены дополнительные горизонтальные стержни 3, позволившие уменьшить расчетные длины панелей поясов и в результате повысить нагрузку на сооружение без изменения сечений поясов. В рассмотренном случае введение дополнительных стержней в решетку не вызвало превращения расчётной схемы во внутренне статически неопределимую систему [5].

Для уменьшения расчётной длины сжатых колонн в плоскости производится:

1) постановка дополнительных связей — распорок

Рис. 9. Усиление колонн с помощью введения в систему продольных связей по колоннам дополнительных распорок: 1 — усиливаемая колонна, 2 — продольные связи по колоннам, 3 — дополнительная распорка

2) устройство предварительно-напряжённых шпренгелей

Рис. 10. Усиление стоек: а) в плоскости, б) в пространстве 1 — усиливаемая стойка, 2 — шпренгельная система

Однако, необходимо учитывать, что включение в работу усиливающих элементов возможно только после увеличения нагрузки на элементы, подверженные усилению.

Усиление под нагрузкой (без частичной разгрузки) возможно, если напряжение в элементе или соединении не превосходит 0,8·R (для сжатых стержней напряжения вычисляют с помощью коэффициента ). В большинстве случаев оказывается возможным выполнить усиление, не разгружая конструкции от постоянной нагрузки, так как доля кратковременных нагрузок обычно больше 20 %.

Однако, если произвести усиление под полной нагрузкой невозможно, производится разгрузка усиливаемых конструкций. К простым способами разгружения эксплуатируемых конструкций относится [6]:

1) снятие временных нагрузок (очистка от снега, пыли, полезных нагрузок от оборудования и материалов);

2) установка временных стоек для ферм и колонн.

Рис. 11. Примеры способов разгрузки во время усиления: а) ферм, б) колонн: 1 — разгружаемая ферма, 2 — временные стойки, 3 — оттяжка, 4 –разгружаемая колонна

Простейший способ разгружения стропильных ферм это установка временных стоек, расположенных внутри здания и опирающихся на временные фундаменты. Верх стоек снабжается домкратами или приспособлениями, позволяющими приподнять нижние узлы фермы и тем самым частично разгрузить ферму.

Разгрузка колонн возможна с помощью стоек, установленных вне здания. Оттяжка позволяет приподнять верхние узлы фермы и передать часть нагрузки на временную стойку частично разгрузив колонну.

Литература:

1. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81*. — Введ. 28.08.2017. — М.: Минстрой России, 2017. — 148 с.
2. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23–81*) / ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. — М.: ОАО «ЦПП», 2008.
3. Бельский М. Р., Лебедев А. И. Усиление стальных конструкций. Киев: Будiвельник, 1981. 120 с.
4. Ребров И. С. Усиление стержневых металлических конструкций. Проектирование и расчет. Л.: Стройиздат, 1988. 288 с.
5. Плевков, В. С. Оценка технического состояния, восстановление и усиление строительных конструкций инженерных сооружений: учебное пособие / В. С. Плевков, А. И. Мальганов, И. В. Балдин; под ред. В. С. Плевкова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ), 2014. — 326 с.
6. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для вузов/ Е. И. Беленя, В. А. Балдин, Г. С. Ведеников и др.; Под общ. Ред. Е. И. Беленя — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1986. — 560 с.