Обеспечение прочности и устойчивости при монтаже строительных конструкций

Состояние конструкций в процессе монтажа отличается от их состоя­ния во время эксплуатации как по условиям опирания и закрепления, так и по действующим нагрузкам.

Устойчивость монтируемых конструкций в процессе монтажа явля­ется одним из наиболее решающих факторов профилактики производ­ственного травматизма.

В основном, исходя из условий безопасности производства монтаж­ных работ, приходится рассматривать два состояния конструкций во время монтажа: при подъеме и после установки в проектное положение до момента устройства связей. В некоторых случаях возникает необхо­димость,в проверке состояния конструкции при ее перемещении, т. е. переводе из одного положения в пространстве в другое.

Как правило, подъем конструкций по условиям производства работ не может выполняться за ее опорные точки. Это влечет за собой изме­нение характера внутренних усилий в элементах по сравнению с проект­ными условиями, например: балка, рассчитанная на изгиб и предназна­ченная для установки на двух опорах, при зацеплении ее за средние точки работает как консольная; усилия в элементах фермы, подвешенной к крюку крана за средние узлы верхнего пояса, меняют свой знак на про­тивоположный — верхний пояс и раскосы, рассчитанные на сжатие, работают на растяжение.

После установки конструкций в проектное положение, но до момента установки связи, также возникают специфические условия ее работы. Условия изгиба колонны при ее перемещении отличаются от условий изгиба после ее установки. Колонна после установки на фундамент, до закрепления ее на высоте, работает на изгиб от горизонтальных нагрузок (ветер) как балка, заделанная одним концом.

При перемещении конструкций требуется проверка их прочности и устойчивости. Так, при переводе в вертикальное положение стропиль­ных ферм, собранных горизонтально, верхний пояс стойки и раскосы испытывают изгиб из плоскости, на который они в проекте не рассчи­таны.

Кроме того, при проверке сборных железобетонных конструкций на монтажные условия нужно учитывать еще один фактор, от которого зависит прочность конструкций: величину отпускной прочности бетона

по времени отгрузки изделия с завода-изготовителя (она должна состав­лять не менее 70% проектной прочности).

Следовательно, прежде чем определить технологию монтажа кон­струкций, следует проверить их прочность и устойчивость в заданных условиях. Эта проверка производится по формулам строительной ме­ханики и нормам проектирования стальных и железобетонных конструк­ций с учетом действующих монтажных нагрузок.

Монтажными нагрузками являются: масса монтируемой конструк­ции; Масса приспособлений, прикрепляемых к конструкции или устанавливаемых на ней для монтажа и выверки (расчалки, оттяжки, лестницы, подмости, ограждения, блоки, домкраты); нагрузка от людей; натяже­ние расчалок монтажного крепления; ветер.

Нормами проектирования строительных конструкций требуется, чтобы в проекте конструкций предусматривалось обеспечение их проч­ности и устойчивости в процессе монтажа. В соответствии с этим в проектах строительных конструкций приводятся места строповки, на­значаемые, исходя из вышеуказанных требований; расположение связей, обеспечивающих устойчивость закрепления конструкций, решается в проекте производства работ.

Учет монтажных нагрузок производится при их сочетании. Массу монтируемых конструкций, монтажных приспособлений принимают по рабочим чертежам, а массу дополнительных приспособлений, размещае­мых На конструкции, — по проекту производства работ.

В Том случае, когда по намеченной технологии не обеспечивается прочность или устойчивость конструкции, необходимо изменить способ монтажа: на стадии подъема путем переноса или увеличения количества точек подвеса конструкций; после установки конструкции на опоры пу­тем Дополнительного ее закрепления на плоскости. Устойчивость отдельных сжатых элементов поясов и решеток ферм обеспечивают путем установки дополнительных деталей усиления.

В качестве наиболее характерного примера проверки устойчивости строительной конструкции при монтаже и после установки на опоры является монтаж ферм. При подъеме ферм любого очертания возможна потери их устойчивости из плоскости фермы от усилий, вызванных собственной массой.

Для обеспечения безопасности монтажа ферм с параллельными (до 1: 10) поясами таврового, трубчатого или другого симметричного относительно вертикальной оси сечения при их строповке за один или два узла верхнего пояса необходима проверка устойчивости из условия массы фермы, которая производится по формуле:

m_кр^п / m_ф ≥ k_з^п

где m_кр^п - критическая масса фермы, определяемая по формуле

Eh(I_н^у + I_в^у)

m_кр^п = 160 k₁ k₂ −−−−−−−−−−−,

L³

k₁— коэффициент, учитывающий положение центра тяжести фермы:

k₁ = (2m_п - m_р) / m_ф

где m_п — масса нижнего пояса фермы; m_р — суммарная масса элемен­тов решетки рамы; m_ф — масса фермы, определяемая по рабочим черте­жам или по приведенным данным; k₂— коэффициент, учитывающий расстояние между точками строповки:

m_ф

k = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−; α = l / L

20 (1 – α) – 5 (1 - α)⁴ – 9

где l — расстояние между точками строповки; L — пролет (длина) фермы; Е — модуль упругости стали; I_н^у — момент инерции нижнего пояса ферм относительно оси у из плоскости фермы; I_в^у — момент инер­ции верхнего пояса фермы относительно оси у (из плоскости фермы); k_з^п — коэффициент запаса устойчивости при подъеме, для ферм с пояса­ми из стали С 38/23 k_з^п = 1,6; для ферм из стали классов С 44/29, С 46/33, С 52/40 k_з^п = 1,7; h — высота ферм при наклонном верхнем поясе берегся в местах строповки.

При l =0 для любого значения L, k₂ = l.

При ступенчатом уменьшении сечения по длине от середины к опорам принимается приведенный момент инерции:

I^у_н.пр = I^у_{н max} α₁

I^у_в.пр = I^у_{в max} α₂

где I^у_{н max}; I^у_{в max} — моменты инерции из плоскости фермы участков поясов с максимальным сечением соответственно нижнего и верхнего поясов; α₁, α₂ — коэффициент, принимаемый по табл. 14.1

Если при максимально допустимом расстоянии между точками строповки условие формулы m^п_кр / m_ф = k^п_з не удовлетворяется, необходимо или усилить нижний пояс фермы и снова сделать проверку устойчивости, подставляя в формулу для определения m^п_кр приведенный момент инерции нижнего пояса, или выполнить строповку за три точки с помощью траверсы.

Приведенный момент инерции для нижнего пояса вычисляется: а) при жестком соединении элементов усиления к нижнему поясу — как для целого сечения; б) податливом — как сумма моментов инерции сечений пояса и усиления.

Таблица 14.1

Iуmin , Iуmax	При одной ступени изменения сечения на половине длины пояса	При двух ступенях изменения сечения на половине длины пояса
α1	α2	α1	α2
0,2	0,746	0,252	0,378	0,308
0,4	0,906	0,482	0,921	0,532
0,6	0,959	0,685	0,957	0,712
0,8	0,985	0,850	0,981	0,970
1,0	1,000	1,000	1,000	1,000

Для ферм треугольного, полигонального и других очертаний при

любых сечениях поясов и различных способах строповки проверка устой­чивости производится по формуле:

F_кр / F_пр ≥ k^п_з

где F_кр — критическая нагрузка для сжатого на одной половине фермы участка нижнего или верхнего пояса в зависимости от строповки; F_пp — приведенное усилие в сжатом участке нижнего или верхнего пояса. Критическая нагрузка

π² E I^у_п

F_кр = −−−−−−−

4l²_о

где I^у_н — момент инерции из плоскости сжатого участка нижнего или верхнего пояса.

При ступенчатом уменьшении сечения по длине сжатого пояса (верх­него или нижнего) от середины к опорам в формуле принимают приве­денные моменты инерции: для нижнего пояса I^у_п.пр = I^у_п α₁ ; для верхнего пояса I^у_п.пр = I^у_п α₂ .

Коэффициенты α₁ и α₂ принимают по табл. 14.2.

Таблица 14.2.

Пролет фермы, м	Рекомендуемые диаметры каната расчалок, мм	Предельное усилие предварительного натяжения в более напряженной расчалке, кг
	15 ÷ 17,5
	18 ÷ 19,5
	20 ÷ 22,5
	24 ÷ 25,5

При ступенчатом уменьшении сечения по длине сжатого пояса от опор к середине фермы момент инерции в формуле для P_кp принимают по минимальному сечению данного пояса.

Приведенное усилие в данном участке пояса F_пр = F₁(l₁ / l₀)² + F₂(l₂ / l₀)² + F₃(l₃ / l₀)² +,...,+ F_n, где F₁, F₂, F₃, F_n — узловая нагрузка на сжатый стержень, определяемая как разность усилий в сосед­них панелях пояса фермы от собственной массы поднимаемых конструк­ций: F_l = S_l — S₂; F₂ = S₂— S₃; F₃=S₃—S₄; F_n=S_n; l₀ — длина пояса от середины пролета до конца сжатого участка.

При наличии растяжения в средних панелях пояса усилия в них при­нимают равными нулю, что обеспечит необходимый запас устойчи­вости.

При подъеме одиночных решетчатых конструкций продольных фо­нарей следует обеспечивать устойчивость их сжатых элементов от уси­лий, вызванных собственной массой этих конструкций.

Проверка устойчивости таких элементов сводится:

а) к определению гибкости в указанном элементе, которая не должна
превышать 220;

б) к расчету на продольный изгиб сжатого элемента

F_кр / F_max ≥ k^п_з

где F_кp = π² Е I_ст / (μ l_ст)² определяется по справочной литературе; I_сж — минимальный момент инерции сжатого стержня; l_ст — длина сжатого элемента; S_max — наибольшее сжимающее усилие в элементе от соб­ственной массы поднимаемых конструкций.

Обеспечение устойчивости указанных конструкций при подъеме до­стигается соответствующей строповкой с применением в необходимых случаях траверс.

При подъеме пространственных жестких блоков покрытия проверка устойчивости сжатых элементов от усилий, вызванных собственной

массой конструкций, производится: а) по гибкости, которая не должна превышать 220; б) по расчету на продольный изгиб сжатых элементов.

После установки ферм любого очертания на опоры необходимо до расстроповки обеспечить их устойчивость против опрокидывания от ветровых нагрузок и устойчивость плоской формы изгиба от усилий, вызванных собственной массой.

Первоначально проверяется устойчивость против опрокидывания. Расчетная ветровая нагрузка на ферму (Н/м²)

w = 10 k_в c

где k_в — коэффициент возрастания скоростного напора в зависимости от высоты установки фермы над поверхностью земли; с — аэродинами­ческий коэффициент. Ориентировочно значение аэродинамического коэф­фициента составляет 0,4. Значение коэффициента k_в дано ниже:

40 1,52

Высота установки фермы,

м............................................До 10 20 30 40 50 60

k_в........................................... 1,0 1,2 1,4 1,52 1,63 1,75

Если устойчивость фермы против опрокидывания не обеспечивается (т. е. несущей способности болтов, сварных швов или деталей опорных узлов недостаточно для восприятия опрокидывающего момента), то верхний пояс в середине пролета фермы раскрепляется за узел одной парой расчалок или распоркой.

Фермы, раскрепленные на опорах только болтами или раскрепленные в пролете расчалками, оставлять на период более одной смены (8 ч) не допускается. При невозможности выполнения указанного требования необходимо ферму раскрепить распорками (связями).

После проверки устойчивости ферм против опрокидывания от ветровых нагрузок производят проверку устойчивости плоской формы Изгиба от усилий, вызванных собственной массой.

Для ферм с параллельными или слабо наклоненными (1:10) поясами таврового, трубчатого или другого симметричного относительно вер­тикальной оси сечения проверка устойчивости плоской формы изгиба m^вр_кр / m_ф ≥ k^вр_з, где m^вр_кр — критическая масса, определяемая в зависимо­сти от наличия раскрепления в пролете расчалками или распорками по условиям обеспечения устойчивости против опрокидывания.

Для ферм, нераскрепленных в пролете против опрокидывания, кри­тическая масса определяется:

E I^у_в h L²_пр C

m^вр_кр = 164 −−−−−−−−− (1 + −−−−− √ −−−−−−).

L²_пр L 10 E I^у_в

При ступенчатом уменьшении сечения по длине верхнего пояса от середины к опорам момент инерции в выше приведенной формуле при­нимается равным I^у_{в. np} = I^у_{в max} α₂, где I^у_{в max} —момент инерции из пло­скости для максимального сечения верхнего пояса. Коэффициент α₂ - принимается по табл. 14.1.

Высота фермы h при слабонаклонных поясах берется усредненной в одной четверти пролета.

Приведенная длина верхнего пояса L_np принимается равной: а) фак­тической длине верхнего пояса (с учетом наклона) при неослабленных сечениях верхнего пояса в крайних панелях; б) длине верхнего пояса между узлами примыкания восходящих опорных раскосов и суммарной длине этих раскосов при ослабленных сечениях верхнего пояса в крайних панелях. С — коэффициент упругой поддержки верхнего пояса за счет наличия решетки и нижнего пояса:

k_р

C = 2 k_н 1_п −−−−−,

k_н

где k_н — коэффициент, учитывающий жесткость на кручение нижнего пояса:

k_н = 2G I^к_н / (h² L²).

При ступенчатом изменении сечения по длине нижнего пояса значе­ние I^к_н принимается как среднее всех участков пояса. k_р — коэффициент, учитывающий жесткость на изгиб элементов решетки, примыкающих к нижнему поясу:

3E n I_i

k_р = −−−− ∑ −−−−

L 1 1³_i

где I_i — момент инерции i-го элемента решетки из плоскости фермы; 1_i — длина i - го элемента решетки; n — число элементов решетки.

Если полученная критическая масса m^вр_кр не удовлетворяет условию m^вр_кр / m_ф ≥ k^вр_з,то необходимо раскрепление верхнего пояса в узлах парными расчалками и распорками для обеспечения устойчивости пло­ской формы изгиба; k^вр_з — коэффициент запаса устойчивости плоской формы изгиба ферм при временном их раскреплении, принимается: для ферм с поясами из стали классов С 39/23 равным 2,5; для ферм с поясами из стали классов С 44/29, С 46/33, С 52/40 — равным 2,6.

Рис. 14.7. Схема обеспечения плоской формы устойчивости фермы при рас­креплении ее двумя парами расчалок

Для ферм, раскрепленных в пролете против опрокидывания или по условиям обеспечения устойчивости плоской формы изгиба парными расчалками (рис. 14.7), критическая масса равна:

80n²EI^у_вh 16h ________

m^вр_кр = −−−−−−−−− + −−−−− √ CEI^у_в−S_п

L²_пр L L

где n — число равных по длине участков сжатого пояса между узлами раскрепления (разница длин участков допускается не более 3 м); S_п — величина, учитывающая дополнительное усилие в верхнем поясе oт уси­лий в расчалках:

S_п = 8P_р.пред kυd

где P_р.пред — предельное значение предварительного натяжения наиболее напряжённой расчалки принимается по табл. 14.2 в зависимости от про­лета фермы; k— коэффициент, зависящий от количества пар расчалок, равен: при одной паре k= 0,25; при двух k = 0,333; при трех k = 0,375.

cosα₂ cosφ₂

υ = L_пр / L; d = sin α₂ + −−−−−−−−−−−−−− sin α₁

cosα₁ cosφ₁

Величина d вычисляется для каждой пары расчалок, при этом индекс 1 относится к углам α и φ наиболее напряженной расчалки; в формулу подставляется среднее значение d, вычисленное для всех пар.

Для расчалок, расположенных с углами α в пределах 30—45° и угла­ми φ в пределах 0—45°, можно при­нимать k= l,7.

Раскрепление ферм покрытий более, чем тремя парами расчалок, не допускается. При необходимости такого раскрепления по условию m^вр_кр / m_ф ≥ k^вр_з устойчивость ферм обеспечивается путем усиления верхнего пояса, применением для монтажа ферм временных опор и других мер, предусмотренных проектом про­изводства работ.

При раскреплении ферм распорками критическая масса определяется без учета дополнительного усилия в верхнем поясе (N_п = 0).

Количество распорок в узлах пояса разрешается устанавливать более трех.

Монтажную устойчивость колонн, закрепленных расчалками, определяют при строго вертикальном их положении на действие ветровой

нагрузки. Для простоты расчета при этом не учитывается влияние временного закрепления колонн в фундаментах. Уравнение устойчивости колонны имеет вид:

k_з M₀ ≤ М_у + S_r,

гдe k_з — коэффициент запаса (k_з = 1,4); М₀ — опрокидывающий момент действия ветра; М_у — удерживающий момент, создаваемый массой колонны; S — усилие в расчалке; r — плечо усилия S.

Рис. 14.8. Схема опрокидывающего мо­мента от действия ветра на расчалку

Опрокидывающий момент опре­деляется из условия наиболее не­выгодного направления ветра в плоскости одной из расчалок (рис. 14.8):

М₀ =w₁(h₁/2) + w₂(h_l+h₂/2),

где w₁ и w₂ — давление ветра; h_l — высота действия ветровой на­грузки; h₂ — то же, от уровня более 10 м над поверхностью земли.

w₁ = υCdh_l,

где υ — расчетный ветровой напор на высоте h_l ≤ 10 м; С — аэродина­мический коэффициент; d— ширина грузовой площадки, нормальной к направлению ветра d = (а + b) cos α. Давление ветра

w₂ = υ_р dh₂,

где υ_р —расчетный ветровой напор на высоте более 10 м, υ_р = 1,35 υ. Удерживающий момент от собственной массы колонны относитель­но точки опрокидывания 0:

__________ ______

M_у = m_к a₁ = m_к √ a² /4 + b² /4 = m_к √ a² + b² /2

где m_к — масса колонны, кг.

Момент, воспринимаемый расчалкой, S_r = kM₀ — М_у, где k — коэф­фициент устойчивости (k = 3). Усилие в расчалке S = М_р / (l sin α + z / sin α).

Для временного закрепления колонн в стаканах используют простей­ший кондуктор, назначение которого заключается в расширении базы колонны до размеров, обеспечивающих устойчивость ее от опрокиды­вания при свободном опирании на фундамент. Кондукторы применяются и более сложной конструкции, обеспечивающие защемле­ние колонны в фундаменте, регулирующие ее положение в плане и вы­верку по вертикали посредством винтов.

Для выверки и временного закрепления колонн, стыкуемых на уров­не перекрытия, рекомендуется применять одиночный кондуктор ЦНИИОМТ (рис. 14.10). Кондуктор имеет консольные площадки, используемые при монтаже и сварке колонн, и подмости, высот а которых регулируется. Применение данного кондуктора, так же как и кондук­тора Гипрооргсельстроя, используемого для временного крепления прогонов (рис. 14.11), по сравнению с другими типами предпочтитель­нее, поскольку в рассматриваемых конструкциях предусмотрено обору­дованное рабочее место.

Рис. 14.10 Одиночный кондуктор ЦНИИОМТП

Рис. 14.11. Приспособление для закрепления железобетонных ба­лок и ферм:

а - с винтовыми стяжками; б — с плоским кондуктором; 1 - колонна; 2 — сто­лик, 3 - балка (ферма); 4 — винтовая стяжка; 5 — болт; 6 - кронштейн; 7 — от­верстия в колонне; 8 — зажимные винты

При монтаже многоэтажных зданий приходится устанавливать колонны на ранее смонтированные элементы. Проектное закрепление таких колонн предусматривается сварным способом или комбиниро­ванным — металлические части соединяются на сварке, а стык в целом замоноличивается бетоном или раствором. Временное закрепление производится кондуктором с регулировочными винтами, обеспечива­ющими жесткое соединение элементов колонн (рис. 14.12).

Рис. 14.12. Кондуктор для стыка многоэтажной колонны:

1 — элементы колонны; 2 — кондуктор; 3 — регулировочные винты;

4 — место стыка