В рамках диссертационного исследования на тему «Восстановление работоспособности элементов каркасов зданий первой категории по ответственности» автором был разработан способ восстановления работоспособности консолей колонн при помощи балансирного устройства.
Для проведения эксперимента по усилению консоли разработаны и изготовлены две опытные модель из малоуглеродистой стали ВСт3сп5. Конструкция усиления состоит из рычагов управления, центратора и составной опорной балки. Рычаги и центратор выполнены из двух сваренных между собой швеллеров №8П, опорная балка из швеллеров №5П.
Сварные работы выполнялись на заводе «ХИММАШ» согласно требованиям СНиП. Сварка выполнялась полуавтоматом постоянного тока А-573 в среде углеродистого газа с содержание углекислоты 98%, проволокой СВ-08-2Г2С диаметром 1,6 мм при подаче её со скоростью 453 мм/мин и напряжением 32…35В. Сварка осуществлялась в указанном режиме дипломированным сварщиком.
- Модели для испытания получены следующим образом (рис.1):
по предоставленным размерам были нарезаны швеллера и пластины для изготовления элементов конструкции;
швеллеры были сварены между собой и в необходимых местах добавлены рёбра жёсткости;
на сверлильном станке были выполнены все необходимые отверстия для болтов диаметром 12мм;
в лаборатории ПГУАС была произведена сборка конструкций с балансирными устройствами на болтах.
Соединение рычагов с центратором и рычагов с опорной балкой выполнено на болтах через опорные пластины, что повышает технологичность монтажа и простоту изготовления. Соединение рычагов управления и опорной балки выполнено на болтах.
Рис.1 Балансирное устройство,
где 1- центратор, 2- пара рычагов управления, 3-задняя опорная балка, 4,5-тяги,
6-опорная пластина
Принцип полной разгрузки аварийной консоли от воздействия Dmax и Mmax заключается в том, что при воздействии опорной реакции на короткую часть рычага управления (рис.1) а конструкция стремится повернуться вокруг опорного центратора, который установлен вблизи центра тяжести около грани верхней части колонны. При этом часть нагрузки передается через длинную часть рычагов b и балку составного сечения в железобетонную балку перекрытия, которая находится с противоположной стороны от консоли колонны. В это время на консоль колонны через короткую часть рычагов управления a и опорный центратор передается основная сила, при этом уменьшается эксцентриситет приложения силы со 130мм до 40мм, т.е. более, чем в 3 раза по сравнению с работой консоли колонны до усиления. Надо учесть, что при таком способе усиления опорная реакция от центратора возрастает, по сравнению с не усиленной консолью, на 15-20% и равна Dmax+ опорная реакция задней опорной балки. Схема работы конструкции до и после усиления представлена на рис.2.
Рис.2 Схема работы опытной конструкции,
где Dmax-опорная реакция от подкрановой балки, е-максимальный эксцентриситет, е1- эксцентриситет от точки приложения силы Dmax до внутренней грани верхней части колонны до усиления, е2- эксцентриситет от точки приложения силы Dmax до внутренней грани верхней части колонны после усиления, F-опорная реакция задней опорной балки
При испытании этапы нагружения определены равными 1т. После каждого этапа нагружения давалась выдержка, равная 3 минутам. За разрушение принят момент времени, когда показания манометра останавливается.
На начальном этапе нагружения в диапазоне от 98,1гН (1т) до 981гН (10 т) никакие заметные деформации не были обнаружены. При нагрузке 981гН (10 т) и 1275,3гН (13т) было замечено смятие защитного слоя бетона и начало изгиба опорных пластин соответственно. На этапе 1765,8гН (18 т) произошло обрушение защитного слоя вдоль боковой грани консоли колонны. При нагрузке свыше 1863,9гН (19т) началось смятие защитного слоя под опорной частью центратора. Был заметен небольшой изгиб балки центратора и общий поворот конструкции. Обнаружены трещины в растянутой зоне колонны шириной до 0,4мм. При нагружении 2060,1гН (21т) продолжался рост изгиба центратора и смятие защитного слоя бетона под ним. За момент разрушения принята нагрузка равная 2354,4гН (24т), так как при этой нагрузке возникло значительное отклонение модели консоли колонны по вертикали, достигшее значения в 3 см. Во время демонтажа конструкции было обнаружено существенное смятие центратора в зоне контакта с бетоном. Имел место, как общий изгиб балки, так и локальное смятие нижней полки центратора. Консоль колонны получила существенные повреждения. По результатам эксперимента был сделан вывод, что в зоне контакта с бетоном следует усилить центратор.
По такой же схеме испытывался и вторая модель консоли колонны. В конструкции центратора были внесены некоторые изменения. Для большей жёсткости центратор в середине его длины превращен в коробчатый стержень путем приварки дополнительных пластин с боков толщиной 8мм. Размер пластин соответствовал ширине колонны и высоте центратора (рис.3).
Рис.3 Общий вид измененного центратора, где 1-сваренные между собой швеллера, 2-усиливающая пластина, 3-рёбра жёсткости
При нагружении конструкции в диапазоне от 98,1гН (1т) до 784,8гН (8т) никаких повреждений обнаружено не было. Когда манометр достиг значения 882,9гН (9т), был обнаружен небольшой зазор, около 2мм, между верхней частью колонны и центратором, что можно объяснить обжатием бетона под центратором. В дальнейшем при нагрузке от 998,1гН (10т) до 1373,4гН (14т) заметных изменений не происходило. На следующем этапе нагружения во время осмотра конструкции выявлены первые признаки начала обрушения защитного слоя под центратором консоли. Это выражалось в образовании небольших трещин, раскрытием до 0,1мм, вдоль боковых граней консоли. Наблюдался изгиб опорных пластин, которые соединяют центратор и рычаги управления. Величина изгиба пластины не превышала 1мм. При силе 1569,6гН (16т) выявлены погиби болтов, соединяющих центратор и рычаги управления. Болты деформировались из-за изгиба пластины.
На этапе 1765,6гН (18т) можно отметить образование трещин в защитном слое консоли под центратором. При нагружение 1863,9гН (19т) наблюдалось несущественное увеличение изгиба центратора до 1-1,5мм. На этапе нагружения в 1962,гН (20т) началось отслоение защитного слоя с боковых граней колонны, один из болтов соединения рычагов и центратора был разрушен. Разрушение произошло путем «среза» резьбы. Это можно объяснить тем, что не были поставлены контргайки, это и привело к «срезу» резьбы. Эксперимент был остановлен. Для дальнейшего проведения эксперимента этот болт был заменен подобным. На все соединения добавлены контргайки. Последующие этапы нагружения от 98,1гН (1т) до 2060,1гН (21т) никаких новых трещин и деформаций не наблюдалось. При нагрузке 2158,2гН (22т) и 2256,3гН (23т) произошло отслоение защитного слоя бетона на величину 1,5-2мм по бокам колонны. Трещины в защитном слое достигли величины раскрытия 3-4 мм, что можно считать полным его отслоением. Продолжились деформации опорных пластин, прогиб достиг 3-4 мм. При дальнейшем нагружении отмечалась осадка рычагов управления относительно друг друга на величину около 5мм. На этапе нагружения величиной 2550,6гН (26т) и 2648,7гН (27т) тонн наблюдался общий поворот конструкции на величину 1-2мм, серьёзные погиби верхних пластин и болтов (рис.4).
Рис.4 Погиби опорных пластин и болтов соединения
При нагрузке 2746,8гН (28т) продолжился изгиб центратора величиной 2-3мм. Продолжилось смятие бетона под центратором. На этапе нагружения в 2844,9гН (29т) наблюдался несущественный изгиб опорной балки (рис.5).
Рис.5 Изгиб опорной балки
При нагрузке 2943гН (30т) продолжилось образование трещин и смятие бетона под центратором. Начались образовываться трещины вдоль рабочей арматуры консоли от центратора длиной 4-6см и раскрытием 0,1-0,3мм. Увеличилась осадка рычагов относительно друг друга. За разрушающую принята нагрузка, равная 31 тонне. В этот момент наблюдались сильные деформации под опорной зоной центратора. Развивались трещины вдоль вертикальной рабочей арматуры, их длина достигла 12-14см, а ширина раскрытия - 0,4-0,5мм. При этом давление по манометру перестало расти. После демонтажа конструкций усиления была обнаружена трещина в растянутой зоне, чуть выше стыка консоли и верхней части колонны. Трещина распространилась на всю ширину колонны и заходила на боковые грани.
Таким образом, при восстановлении работоспособности консоли колонны при помощи сборной стальной обоймы с управляющими рычагами несущая способность исследуемой конструкции возросла с 21т до 24т в первом случае и с 15т до 31т во втором случае, коэффициент усиления составил 1,15 и 2,07 соответственно, что является хорошим результатом. При этом напряжения в арматуре существенно уменьшилось, что дает дополнительный запас прочности. После такого рода усиления конструкция имеет повышенный ресурс, как по прочности, так и по длительности эксплуатации. За счёт высокой технологичности, простоты монтажа и невозможности обрушения конструкции возникает и экономический эффект, который возрастает с ростом категории ответственности здания.
