Стояки та колони

Найпростішим методом підсилення стальних стійок є нарощування поперечного перерізу їх за допомогою наварювання додаткових металевих прокатних елементів різного профілю. Варіантів підсилення можу бути багато (рис. 2.90) в залежності від ряду факторів: необхідної площі елементів підсилення; зручності виконання робіт; наявності матеріалів для підсилення тощо. Перед підсиленням таким методом конструкція повинна бути максимально розвантажена (на момент підсилення на конструкцію повинно діяти не більше ніж 50...60% повного навантаження). Шви, якими приварюються елементи підсилення виконують переривчатими. Послідовність їх накладання в кожному конкретному випадку визначається таким чином, щоб температурні деформації, що виникають при зварюванні, не призвели до загального деформування конструкції. Не допускається використання зварних швів, які мають напрям, перпендикулярний дії поздовжньої сили, тобто перпендикулярно поздовжній осі стиснутих елементів.

Якщо під час установки елементів підсилення немає можливості розвантажити конструкції, то для включення системи підсилення у роботу безпосередньо після виконання реконструкції використовують попередньо напружені розпірки (рис. 2.91). Розпірки виготовляються із переламаних посередині стальних швелерів. Після установки розпірок у проектне положення та закріплення по кінцях (в місцях обпирання) швелери стягуються монтажними болтами до досягнення ними прямолінійності. У цьому положення наварюються поперечні штаби, а вирізи у швелерах також заварюються пластинками. Величина первинної непрямолінійності розпірок визначається величиною попереднього напруження в них.

Розвантаження пошкоджених або тих, що будуть довантажуватися після реконструкції, колон виконується за допомогою додаткових опор, які встановлюються за колоною або в межах її поперечного перерізу (рис. 2.92). Роль опор виконують телескопічні труби (одна труба розміщується в середині іншої). Внутрішня труба є стиснутою, а зовнішня — розтягнутою. Попереднє напруження створюється механічним чи термічним методом. Таку попередньо напружену конструкцію встановлюють в проектне положення, а зазори між поверхнею опорної пластинки та ригеля забивають клинчастими пластинками. Після цього в зовнішній трубі роблять кільцевий надріз. Вивільняючись, внутрішня труба включається в роботу по сприйняттю стискаючого зусилля, розвантажуючи при цьому колону. Після включення конструкції підсилення в роботу, кільцевий шов заварюють зварним швом.

Пошкоджені металеві колони перетворюються у залізобетонні шляхом їх обетонування. Таким чином можна підсилювати як суцільні, так і наскрізні колони (рис. 2.93). Бетон використовується класу не нижче ніж В15, а арматура необхідна для забезпечення сумісної роботи сталі існуючої колони та залізобетонної сорочки підсилення. Під час такого виду підсилення бетоном можуть заповнюватися лише порожнини колон (відкриті та закриті) (рис. 2.94). До обетонування для надійного зчеплення сталі з бетоном спершу треба ретельно очистити (від фарби, іржі, мастил тощо) та обезжирити.

Приклад 2.18. Колона несучого каркасу складу, що реконструюється у виробничу будівлю з ремонту техніки, має висоту 5,0 м і виготовлена із двотавра № 30а за ГОСТ 8239-56 ( 49,9 см²; 60,1 см³; 145 мм; 6,5 мм; 10,7 мм). Матеріал колони Ст3 за ГОСТ 380-50 має тимчасовий опір за межею текучості 215 МПа. Розрахункове навантаження на колону після реконструкції становитиме 380 кН. Навантаження на колону на момент обстеження складало 280 кН. Під час обстеження виявлено, що колона має по осі Х-Х (рис. 2.95) зі стрілкою =35 мм та корозійне пошкодження — рівномірне по поперечному перерізу з глибиною проникнення корозії 1,5 мм. Умови експлуатації колони — слабо агресивне середовище. Необхідно перевірити несучу здатність колони на розрахункове навантаження та при необхідності виконати її підсилення.

Виконаємо перевірку несучої здатності колони на стійкість у площині найменшої жорсткості.

Характеристики поперечного перерізу колони з урахуванням корозійного зносу:

де приймають за таблицею 8.3 „Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП ІІ-23-81*)“.

Визначаємо радіус інерції поперечного перерізу:

Розрахунковий опір матеріалу колони на час огляду з урахуванням коефіцієнта буде дорівнювати:

де згідно вказівок п. 8.2 „Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП ІІ-23-81*)“ — тому що колона виготовлена в період з 1932 по 1982 р.р. із сталі з < 380 МПа; =0,95— тому що товщина стінки двотавра від корозійного зносу складає 6,5-1,5=5 мм при експлуатації колони зі слабо агресивним середовищем.

Оскільки колони вважаються жорстко закріпленими у фундаментах та шарнірно — з фермами, по нижніх поясах яких є в’язі, а між колонами в місцях обпирання ферм є розпірки, то коефіцієнт 0,7. Тоді розрахункова довжина колони:

Гнучкість колони:

Згідно з СНиП ІІ-23-81* умова гнучкості колони:

При коефіцієнт дорівнює:

Стрілку викривлення колони в ненавантаженому стані визначаємо за виразом:

Знаходимо відносний ексцентриситет:

Визначаємо співвідношення:

За таблицею 73 СНиП ІІ-23-81* при < 5, < 5 та і співвідношенні 0,5 коефіцієнт дорівнює:

Коефіцієнт переходу від стрілки викривлення до еквівалентного ексцентриситету визначаємо за формулою:

При цьому:

За таблицею 74 СНиП ІІ-23-81* при , після інтерполяції отримаємо

Проводимо перевірку несучої здатності колони на стійкість при розрахунковому навантаженні:

Оскільки > , то колону необхідно підсилити. (коефіцієнт прийнято згідно п. 8.1 СНиП ІІ-23-81*).

Визначаємо необхідну площу поперечного перерізу колони, вважаючи, що , тому що для перерізу колони до підсилення:

Площу перерізу необхідно збільшити на величину:

В період обстеження установлено, що між колоною та зовнішньою стіною є можливість завести смугу підсилення, тому приймаємо дві смуги товщиною 8 мм та шириною 180 мм, приварені до полиць двотавра (рис. 2.95).

Тоді площа поперечного перерізу:

38,2 + 2x18x0,8 = 67,1 см² > = 65,33 см².

Матеріал смуги ВСт 3 кп 2-1 (ТУ 14-1-3023-80) з =220 МПа.

Визначаємо необхідні коефіцієнти:

>

де

Розрахунковий опір:

Перевірочний розрахунок підсиленої колони проводимо аналогічно вищенаведеному.

Момент опору перерізу:

Визначаємо радіус інерції поперечного перерізу:

Гнучкість колони:

Визначаємо умовну гнучкість колони:

Визначаємо при :

Тоді:

За таблицею 73 СНиП ІІ-23-81* при <5; < 5,

Тоді:

За таблицею 74 СНиП ІІ-23-81* = 0,44.

Перевіряємо несучу здатність підсиленої колони на стійкість:

<

Несуча здатність колони на стійкість забезпечена.

Оскільки , то згідно вказівок СНиП, розрахунок підсиленої колони на міцність не проводимо.

Визначаємо рівень навантаження колони до її підсилення:

>

де визначаємо за виразом:

Підсилення колони слід виконувати або під час заміни конструкцій покриття, або розвантаживши її шляхом встановлення тимчасового стояка під нижній вузол ферми поряд з колоною, що підсилюється.

Балки

Найбільш поширеним методом підсилення стальних балок є їх нарощування.

Нарощування може бути простим збільшенням перерізу за рахунок приварювання додаткових профілів (рис. 2.96). Конструкції перед їх підсиленням максимально розвантажуються, під них підводяться тимчасові опори для підстрахування. Спочатку приварюються елементи підсилення до нижнього поясу, а потім — до верхнього. Елементи нижнього поясу рекомендується перед приварюванням до конструкції нагріти до температури 200...300⁰С і в такому стані — приварити: зразу по краях елементів, а потім приступати до накладання переривистих швів по довжині конструкції. Якщо встановити тимчасові опори немає можливості, то елементи підсилення встановлюють на високоміцних болтах, а потім накладають зварні шви.

Нарощування може виконуватись також шляхом приклеювання стальних листів на пояси балок (рис. 2.97). Металеві поверхні, що склеюються, готують відповідним чином: очищають від продуктів корозії, окалини, обезжирюють ацетоном. Склеювання виконують полімерними клеями. При необхідності металеві елементи для підвищення якості клеєних швів стягують болтами.

Стальні балки можуть бути перетворені в залізобетонні з жорсткою арматурою. Для цього їх обетоновують бетоном класу не нижче ніж В15. Обетоновуватися може увесь переріз, а також його частина (найчастіше — стиснута) (рис. 2.98). Бетоном можуть заповнюватися лише порожнини стальних балок (рис. 2.99). В останньому випадку можливе збільшення площі сталі в перерізі за рахунок приварювання арматурних стержнів чи прокатних профілів до поличок балки. Для надійної роботи таких комплексних конструкцій обов’язковою умовою є надійне зчеплення бетону зі сталлю.

Балки підсилюються також нарощуванням дерев’яними брусами (рис. 2.100). Для цього в елементах балки (поличках чи ребрі) просвердлюються отвори для наступного встановлення в них стяжних болтів. Робота підсиленої конструкції буде більш надійною якщо по контакту сталі та дерева покласти шар полімерного клею.

При необхідності суттєвого збільшення несучої здатності стальної балки необхідно матеріал конструкції підсилення віднести якомога дальше від нейтральної осі поперечного перерізу. Для цього використовуються способи підсилення балок шляхом встановлення на нижньому поясі затяжок (рис. 2.101). Для включення в роботу стержнів затяжки їх попередньо напружують. Попереднє напруження створюють одним із методів:

· стягуванням двох гілок затяжки хомутом;

· затягування гайок, розміщених на кінцях затяжок;

· затягування стяжних муфт, які розташовуються посередині гілок затяжок.

В якості затяжок використовуються також шпренгельні конструкції (рис. 2.102). Включення їх в роботу виконується одним із вищенаведених методів.

Радикальним способом збільшення несучої здатності балок є підведення знизу металевої рами (рис. 2.103).

Іншим способом підсилення стальних балок є зміна їх розрахункової схеми. Найчастіше цей спосіб реалізується шляхом підведення опор (рис. 2.104) чи стальних балок (рис. 2.105) знизу конструкції, що підсилюється.

Розрізні балки можуть бути перетворені в нерозрізні (рис. 2.106). При цьому різко зменшуються внутрішні зусилля в поперечних перерізах існуючої конструкції.

Підкранові стальні балки можуть підсилюватися вищенаведеними способами. Для збільшення їх несучої здатності використовуються стальні ламелі. Ламелі влаштовуються за допомогою зварки на підкладних листах (рис. 2.107) або додаткових ребрах жорсткості (рис. 2.108).

Приклад 2.19. Стальна балка з розрахунковим прольотом 5,8 м із двотавра № 27 (ГОСТ 8236-56) робочого майданчика цеху з середньо агресивним середовищем завантажена наступним рівномірно розподіленим навантаженням:

—постійне: нормативне значення — 5,45 кН/м; розрахункове — 6,0 кН/м;

—тимчасове короткочасне: нормативне значення — 4,5 кН/м; розрахункове значення — 5,85 кН/м;

—власна вага обладнання на робочому майданчику: нормативне значення — 2,0 кН/м; розрахункове значення — 2,1 кН/м.

Під час огляду виявлено, що балка сприймає постійне навантаження та вагу обладнання.

Матеріал балки Ст3 (ОСТ 380-50). Нормативний опір сталі 215 МПа.

Рівномірний корозійний знос по поперечному перерізу з глибиною проникнення корозії на час огляду балки становить 0,5 мм.

Після реконструкції на робочий майданчик буде встановлене стаціонарне обладнання, що складає додаткове навантаження. Нормативне значення цього навантаження — 4,0 кН/м, розрахункове — 4,2 кН/м.

Потрібно розрахувати балку за міцністю та деформаціями на експлуатаційне навантаження на день огляду, а також визначити несучу здатність з новим додатковим технологічним обладнанням. При незабезпеченості несучої здатності підсилити балку.

Геометричні характеристики поперечного перерізу балки:

—до корозійного зносу (рис. 2.109):

—з урахуванням корозійного зносу:

де коефіцієнти — прийняті за таблицею 8.9 „Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП ІІ-23-81*)“.

Розрахункові згинальні моменти у середині балки:

—від постійного навантаження і навантаження від обладнання на час огляду

—від постійного і короткочасного навантаження та навантаження від обладнання (експлуатаційні навантаження до установлення додаткового обладнання)

—додатковий згинальний момент (розрахункове значення) від установлення додаткового стаціонарного обладнання

Розрахунковий опір сталі балки дорівнює:

де 1,1 прийнято тому, що балка виготовлена зі сталі в період з 1932 по 1982 р.р., а її розрахунковий опір < 380 МПа; 1, тому що корозійний знос балки < 25% а товщина її стінки >

Перевіряємо несучу здатність балки (з урахуванням розвитку пластичних деформацій) на дію експлуатаційного навантаження на час обстеження при =0,9:

<

Визначаємо прогин балки від дії експлуатаційних навантажень:

Відносний прогин <

Таким чином, несуча здатність та жорсткість балки при дії експлуатаційних навантажень на час обстеження забезпечені.

Перевіряємо несучу здатність балки (з урахуванням розвитку пластичних деформацій) при встановленні додаткового стаціонарного обладнання.

Оскільки:

>

то несуча здатність не забезпечена. Необхідне підсилення балки. Виконаємо його шляхом приварювання штаби перерізом 180x6 мм до нижньої (розтягнутої) полиці двотавра (рис. 2.109) в середній частині прольоту балки. Матеріал штаби сталь ВСт3 кп2-1 (ТУ 14-1-3023-80) з розрахунковим опором 220 МПа. Приймаємо суцільний зварний шов, катет якого дорівнює =5 мм.

Визначаємо згинальний момент від розрахункового значення навантаження, при якому міцність перерізу (з урахуванням розвитку пластичних деформацій) буде забезпечена без підсилення:

Відстань від опори до перерізу, міцність якого на дію згинального моменту 64,8 кНм забезпечена, визначаємо із умови:

Визначаємо центр мас підсиленого перерізу:

Геометричні характеристики цього перерізу:

Коефіцієнт, що враховує різницю величин розрахункового опору матеріалів елементів, що підсилюються та підсилюють:

Для визначення величини граничного згинального моменту у пластичному шарнірі [М] обраховуємо площі стиснутої та розтягнутої зон елементів, що підсилюються і підсилюють:

Абсолютні значення відстаней від центрів мас стиснутих і розтягнутих площ цих елементів до центральної осі складають:

Визначаємо коефіцієнт , який враховує початковий рівень навантаження:

Тоді:

Для середнього перерізу < при і маємо:

<

Вираховуємо приріст прогину від приварки штаби до нижньої полиці балки при:

У вищенаведених виразах знак „-“ для напруження прийнятий для розтягу.

Прогин підсиленої балки від установлення на робочий майданчик додаткового обладнання:

Відносний прогин балки:

>

<

Прогин більший ніж допускається, на 2,2%<5%. Несуча здатність і жорсткість підсиленої балки при дії додаткового навантаження від стаціонарного обладнання забезпечена.

Оскільки:

<

то приварити штабу підсилення можна без попереднього розвантаження конструкції.

Ферми

Кроквяні металеві ферми відносяться до решітчастих конструкцій, підсилення елементів яких виконується шляхом нарощування до необхідного розміру поперечного перерізу (рис. 2.110). Нарощування може виконуватися різними прокатними профілями та арматурними стержнями залежно від необхідної кількості матеріалу в перерізі, зручності виконання робіт з підсилення, наявності матеріалів. При такому підсиленні конструкцію необхідно максимально розвантажити так, щоб зусилля в її елементах, що підсилюються були не більше ніж 50...60% експлуатаційних.

Стиснуті елементи ферм, які мають вигини в площині ферми або з цієї площини, підсилюються постановкою додаткових стійок, що прикріпляються до існуючих пластинками зварюванням (рис. 2.111). При цьому виникає певний ексцентриситет прикладання поздовжньої силу у вузлі ферми, що необхідно враховувати в перевірочних розрахунках.

Для зменшення гнучкості стиснутих елементів нарощування їх може виконуватися і дерев’яними брусами (рис. 2.112). Міцність поперечного перерізу при цьому зростає несуттєво, однак за рахунок збільшення жорсткості (коефіцієнта поздовжнього згину) ріст несучої спроможності елемента може бути значним. Буси кріпляться до металевих конструкцій за допомогою стяжних болтів з гайками та шайбами, що встановлюються у заздалегідь просвердлені отвори.

Підвищення несучої здатності вузлів стальних ферм здійснюється за допомогою збільшення довжини (в тому числі і за рахунок додаткових лобових швів) або товщини існуючих зварних швів. Для збільшення довжини швів (якщо інших можливостей немає) у вузли вводяться додаткові елементи (коротиші) (рис. 2.113). Зусилля в елементах ферми на період підсилення повинні бути мінімальними.

При недостатніх розмірах фасонок ферми їх нарощують (рис. 2.114). Додаткові фасонки приварюються до існуючої та до елементів ферми.

Радикальним способом підсилення кроквяних металевих ферм в цілому є зміна їх розрахункової схеми, а значить і розвантаження усіх елементів. Одним із таких видів розвантаження є постановка шпренгельних затяжок (рис. 2.115). Шпренгельні затяжки виготовляються із арматурних стержнів та попередньо напружуються шляхом закручування стяжних муфт.

Іншим способом зміни розрахункової схеми ферм є постановка додаткових опор у вигляді колон (рис. 2.116) чи підвісок (рис. 2.117). При цьому слід мати на увазі, що зусилля в окремих елементах ферми можуть не лише змінювати величину, але і знак (змінюватись з розтягуючих на стискаючі та навпаки), тому повірочними розрахунками та виконанням конструктивних вимог необхідно обґрунтувати можливість такого виду підсилення.

Приклад 2.20. Опорний косець 1-2 (рис. 2.118) трапецевидної кроквяної ферми цеху, що підлягає реконструкції, як показав статичний розрахунок, завантажений стискальним зусиллям, розрахункове значення якого: до реконструкції складало на час огляду — Після реконструкції розрахункове значення зусилля у цьому кісці збільшується на величину і становить Довжина кісця між вузлами 1 і 2 кріплення до верхнього та нижнього поясів ферми Косець виконано із 2L100x8 ГОСТ 8509-57 (рис. 2.118). Матеріал кісця — сталь марки Ст3 ГОСТ 380-50 з нормативним опором за межею текучості Кутики кісця з’єднані між собою прокладками через 50 см.

При огляді встановлено, що завдяки прониканню атмосферних опадів через конструкцію покрівлі над ділянкою опорного кісця він має рівномірний по перерізу корозійний знос на глибину Умови експлуатації — слабоагресивне середовище.

Необхідно перевірити несучу здатність опорного кісця на розрахункове значення навантаження після реконструкції будівлі і при необхідності виконати його підсилення.

Характеристики перерізу без урахування корозійного зносу:

За таблицею 11 СНиП ІІ-23-81* розрахункова довжина кісця в площині та із площини ферми:

Гнучкість кісця:

—у площині ферми

—із площини ферми

Перевірку несучої здатності кісця з урахуванням стійкості виконуємо у площині ферми, тому що > .

Характеристики перерізу кісця з урахуванням корозійного зносу:

радіус інерції приймаємо рівним:

момент інерції перерізу:

Оскільки корозійний знос перерізу становить (31,2- -23,4)/31,2x100=25%, а залишкова товщина полички кутика складає > то приймаємо наступне значення коефіцієнта Коефіцієнт , тому що матеріалом кутика є сталь виплавлена в період з 1932 по 1982 р.р., а її розрахунковий опір <380 МПа.

Розрахунковий опір матеріалу на період обстеження:

За СНиП ІІ-23-81* при та знаходимо

При визначаємо несучу здатність кісця з урахуванням поздовжньої сили до реконструкції будівлі:

>

Несуча здатність кісця до реконструкції забезпечена.

Оскільки після реконструкції будівлі розрахункове значення поздовжньої сили в кісці буде дорівнювати > то його несуча здатність не забезпечена і потрібне підсилення.

Визначаємо напруження в перерізі кісця на момент обстеження:

Рівень початкового навантаження:

Косець підсилюємо нарощуванням поперечного перерізу штабою зі сталі завтовшки 6 мм, привареною до полиць кутика (рис. 2.118, в). Ширину штаби підбираємо так, щоб центри мас перерізу до і після підсилення практично співпадали, виключаючи поза центровий стиск кісця.

Приймаємо, що штаби дорівнюють довжині кісця і прикріплені до кутиків і косинок через відповідні вирізи в штабах зварними швами з висотою катета 5 мм.

Геометричні характеристики підсиленого перерізу:

—площа поперечного перерізу:

—відстань від центра мас до осі Х₀-Х₀:

Приймаємо, що центри мас поперечного перерізу до і після підсилення практично співпадають.

Момент інерції підсиленого перерізу:

Радіус інерції цього перерізу:

Гнучкість кісця:

Матеріал штаби підсилення — ВСт3 кп 2-1 за ТУ 14-1-3023-80 з розрахунковим опором 220 МПа (за таблицею 51 СНиП ІІ-23-81*).

Коефіцієнт приведення:

<

Приймаємо середнє значення розрахункового опору , що дорівнює , тобто

Визначаємо коефіцієнт , що враховує рівень початкового навантаження, коли підсилення виконане за допомогою зварювання:

Згідно з СНиП ІІ-23-81* при та визначаємо

При визначаємо несучу здатність підсиленого кісця:

>

>

Несуча здатність підсиленого перерізу на розрахункове значення навантаження у кісці після реконструкції забезпечена.

Оскільки < , то підсилення кісця слід виконувати при навантаженнях, що були на час обстеження ферми, тобто необхідності у розвантажуванні її на період підсилення необхідності немає.