Усиление металлических конструкций

Содержание

1. Причины, вызывающие необходимость усиления металлических конструкций. 2
2. Оценка состояния металлических конструкций.3
3. Восстановление и усиление стальных конструкций5
4. Список литературы20

1. Причины, вызывающие необходимость усиления металлических конструкций.

Реконструкция промышленных предприятий  и их техническое  перевооружение, как правило, связаны  с увеличением эксплуатационных нагрузок на существующие конструкции  зданий и сооружений. Обновление или  модернизация оборудования, осуществляемые в ряде отраслей через каждые 8-10 лет, приводят зачастую к значительному  увеличению технологических нагрузок. Замена физически или морально устаревших ограждающих конструкций также  иногда вызывает возрастание постоянных нагрузок. Увеличение нагрузок  приводит к необходимости повышения несущей способности конструкции и является основной причиной их общего усиления.

В ряде случаев необходимость  местного (реже общего) усиления металлических  конструкций диктуется ошибками или дефектами, возникшими на стадии их проектирования, изготовления или  монтажа.

К характерным дефектам конструкций, возникшим на стадии их изготовления, относятся использование элементов из стали пониженной по сравнению с проектом марки или меньшего сечения и начальные погнутия стержней. Начальные искривления являются следствием неправильно организованной технологии сборки, сварки и правки сварных и прокатных профилей.

Накопление повреждений  и погнутий происходит  в процессе погрузочно-разгрузочных работ, при транспортировке или монтаже конструкций. возрастают как число деформированных стержней, так и стрелки их прогибов.  В ряде случаев перегрузка конструкций и необходимость их усиления возникают вследствие утяжеления ограждающих конструкций, стяжек, утеплителя и т.п. по сравнению с проектом.

Следующей причиной, вызывающей необходимость усиления металлических  конструкций является их физический износ в результате длительной интенсивной или неправильной эксплуатации. В первую очередь износ связан  с поражением металла коррозией, резко снижающей несущую способность элементов, узлов или конструкций в целом. Особенно большие объемы работ по усилению корродированных стальных конструкций характерны для предприятий химической промышленности.

2. Оценка состояния металлических конструкций.

Оценка состояния поврежденных стальных конструкций производится на основании визуального, визуально-инструментального  обследования, а в необходимых  случаях испытанием  конструкций, проведением проверочных расчетов и испытанием на прочность образцов металла обследуемых конструкций.

При визуальном обследовании определяются:

• общий характер повреждений для предварительного определения возможности и способов восстановления и усиления стальных конструкций;
• наличие разрывов элементов по всему сечению;
• наличие искривлений элементов по всей длине;
• наличие местных механических дефектов (вмятин, искривлений, трещин или надрывов,  пробоин);
• пригодность сварных, болтовых и заклепочных соединений к дальнейшей эксплуатации.

При визуально-инструментальном  обследовании с использованием геодезических  инструментов и специальных приборов определяют  следующие дефекты взаимного расположения конструкций и элементов конструкций:

• отклонения отметок опорных узлов ферм и ригелей;
• отклонения расстояний между осями ферм по верхнему поясу;
• отклонения расстояний между прогонами;
• отклонения опорной поверхности колонн по высоте и оси колонн по вертикали;
• стрелы прогиба колонн и ригелей;
• разности отметок крановых рельсов, нижних поясов подвесных путей;
• смещения осей кранового рельса с оси подкрановой балки и от прямой;
• выпучивание стенок сплошных балок.

Отклонения от вертикали  замеряют отвесами или теодолитами; разности отметок – нивелированием.

Оценку состояния поврежденных стальных конструкций и, соответственно, выбор мероприятий по их восстановлению следует производить исходя из характера  и размеров повреждений элементов.

Небольшие вмятины второстепенных и не сильно загруженных элементов, местные искривления, не снижающие  несущей способности конструкции, свидетельствуют о слабой степени повреждения; ремонт в таких случаях можно не делать.

Повреждения, снижающие несущую способность конструкций, но не сопровождающиеся потерей несущей способности основных элементов (разрыв второстепенных элементов по всему сечению или их искривление на большой длине, местные искривления основных элементов и т.д.), свидетельствуют о средней степени повреждения и необходимости ремонта конструкций по месту. Последний выполняется без демонтажа, в необходимых случаях с подведением дополнительных стоек, распорок, упоров и т.д.

Сильная степень повреждения  сопровождается полной потерей несущей  способности конструкции при  эксплуатационных нагрузках:

• разрушением узлов и соединений, разрывом по всему сечению или искривлением на большой длине основных элементов. при этом необходим ремонт конструкций, как правило, с демонтажем или установкой временных креплений и опор.

Разрушение отдельных  конструкций и частей здания следует  классифицировать как полное, нуждающееся  в замене соответствующих конструкций.

3. Восстановление и усиление стальных конструкций

Для конструкций, подвергшихся аварии и пожару, ремонтно-восстановительные  работы, как правило, разделяют на два этапа:

• подъем и общее выправление конструкций;
• собственно ремонт и усиление элементов.

Работы  по  каждому  из  указанных  этапов  можно  осуществлять без  разгрузки,  с  разгрузкой,  с  частичным  или  полным  демонтажем. Рекомендуется  производить  восстановление  и  ремонт  по  возможности  без  разгрузки  и  демонтажа  конструкций.  К  разгрузке  следует прибегать  лишь  в  случаях  возникновения  больших  дополнительных напряжений  вследствие  исключения  поврежденных  элементов,  при отсутствии  подъемного  оборудования  достаточной  грузоподъемности и  т.  д.  К  частичному  или  полному  демонтажу  следует  прибегать  в случаях  тяжелых  повреждений,  когда  элемент  проще  снять,  чем устраивать  сложные  приспособления  для  его  ремонта  на  месте.

Восстановление  конструкций  без  демонтажа  следует  предусматривать  с  разгрузкой  от  временных  нагрузок  и  приведением  в  проектное  положение  при  помощи  домкратов,  талей,  стоек,  распорок и  т.  д.  (рис.  1).

 Рис.1. Пример выправления фахверка без его демонтажа и разборки кирпичного здания

Следует  различать  следующие  способы  усиления  стальных конструкций:

• постановку  дополнительных  ребер,  диафрагм  и  распорок;
• увеличение  сечения  элементов;
• усиление  соединений  элементов;
• подведение  новых  конструкций  и  изменение  конструктивной схемы;
• увеличение  пространственной  жесткости.

При  восстановлении  конструкций  применяют,  как  правило,  сочетание  нескольких  способов  усиления.

При  выборе  способа  усиления  следует  проанализировать  все возможные  способы  и  из  нескольких  вариантов  принять  наиболее экономичный.  Кроме стоимости строительных  работ при усилении  необходимо  учитывать и потери  от  остановки производства.

Постановку  дополнительных  поперечных  и  продольных  ребер  жесткости  производят  в  случае  недостаточной  местной  устойчивости стенок  балок.  Перед  приваркой  ребер  жесткости  к  существующим балкам  последние  следует  частично  разгрузить  при  помощи  временных  промежуточных  опор  с  целью  уменьшения  поперечной  силы  в ослабленных  местах  стенки  балки.

Жесткость  составных  колонн  увеличивают  постановкой  дополнительных  диафрагм. Для  увеличения  жесткости  нижнего  сжатого  пояса  ригелей  рам в  углах  примыкания  ригеля  к  стойкам  устраивают  подкосы  (распорки),  при  этом  обязателен  учет  изменения  статической  схемы  рамы при  ее  расчете.

Способ  подведения  новых  конструкций  и  введения  новых  дополнительных  элементов  для  усиления  отдельных  конструкции  рекомендуется  применять  тогда,  когда  непосредственное  усиление  конструкций  не  представляется  возможным,  например,  подведение  дополнительных  балок  для  усиления  перекрытия,  подведение  новых  подстропильных  ферм  вместо  удаленных  колонн,  введение  новых  дополнительных  элементов  решетки  для  усиления  стропильных,  крановых, мостовых  ферм  и  решетчатых  подкрановых  балок.

Способ  изменения  конструктивной  схемы  рекомендуется  применять  во  всех  случаях  усиления:  неотложно-аварийном,  временном, постоянном  и  перспективном,  особенно  при  усилениях  под  нагрузкой.

Следует  различать  приемы  усиления:

• без  превращения  в  новые  конструктивные  формы  (например,  увеличением  жесткости  какой-либо  одной  колонны  в  поперечной  схеме пролетного  сооружения  цеха  можно  достичь  необходимого  перераспределения  усилий  во  всей  конструктивной  схеме);
• с  частичным  превращением  в  новые  конструктивные  формы  (например,  установка  затяжки  в  раме  и  защемление  концов  стоек  превращают  двухшарнирную  раму  в такую же  конструкцию,  но  с защемленными  опорами и затяжкой);
• с  полным  превращением  в  новые  конструктивные  формы  (подведение  шпренгеля  к  однопролетному  ригелю).

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

• 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  приемы  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.

Балки и прогоны.

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.

При  разработке  проектов  усиления  изгибаемых  элементов  следует  учитывать  следующие  требования:

• предусматривать  максимальную  разгрузку  балок  перед  усилением  от  временной  нагрузки  и  части  постоянных  нагрузок;
• ограничивать  объем  работ  по  усилению  участками,  в  которыхусиление  требуется по  расчету;
• предусматривать  такое  усиление,  при  котором  минимальные  сечения  дополнительных  деталей  позволят  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  способом  увеличения  сечения  (рис.  2)  следует  учитывать  следующие  особенности:
• рис.  2,  А  — усиление  наиболее  простое,  но  отличается  большим объемом  потолочной  сварки  при  производстве  работ  без  демонтажа балок;
• рис.  2,  Б  —  ограничено  максимальной  шириной  нижней  накладки  В₁≤30 δ₁  из  условия обеспечения местной устойчивости  полки;
• рис.  2,  В,  Д,  Ж,  И,  О —  при  необходимости  размещать  усиливающие  детали  внутри  поясов;  однако  при  этом  возникают  трудоемкие  срезки  верхушек  ребер  и  подгонка  надставок  ребер  к  верхнему поясу  балок;
• рис.  2,  Е,  К  — при наличии круглых прутков и труб;
• рис.  2,  Л,  М,  Н  — при  увеличении  высоты  балок  за  счет  создания  дополнительного  нижнего  пояса,  если  это  допустимо  по  технологическим  габаритам.

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.

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.

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.

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.

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  (рис.  3,  А);  для усиления  пояса фермы, подвергающегося местному  изгибу  от  внеузлового  приложения  нагрузки,  устанавливают дополнительные  шпренгели  к  верхнему  или подвески  к  нижнему  поясу фермы (рис. 3,Б).

При  необходимости  обеспечить  повышение  общей  несущей способности  ферм  рекомендуются  следующие  способы  усиления: устройство  дополнительной  опоры  подведением  стойки  с  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.

Жесткость  узлов  ферм  в  их  плоскости  рекомендуется  увеличить  дополнительными  косынками  и  коротышами. Крепление  косынок  к  поясу  рассчитывается  на  разность  усилии  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.

Стойки  и  колонны

  Усиление  стальных  сжатых  стержней  (стоек  рам,  стержней решетчатых  конструкций,  опор  транспортерных  галерей   и  т.  п.)  способом  увеличения  сечений  рекомендуется  в   следующих  случаях: 

• если  временная  нагрузка  составляет  не  менее  40%  полной  и во время усиления  может отсутствовать;
• если  усиление  с  помощью  предварительно  напряженных  элементов  неосуществимо.

Объем  сварки  при  усилении  следует  предусматривать  минимальным. Рекомендуемые схемы усиления  центрально-сжатых  стоек приведены  на  рис.4.  При выборе  схемы усиления  следует стремиться  к максимальному увеличению  радиусов  инерции сечения. Кроме  того,  необходимо  обеспечивать  минимальное  смещение центра  тяжести  усиленного  сечения  от  линии  действия  сжимающего усилия.

При  усилении внецентренно  сжатых и сжато-изогнутых стержней рационально применять  несимметричную  схему усиления (рис. 4, Г)  со смещением центра тяжести сечения в сторону начального эксцентриситета, обеспечивая минимальный эксцентриситет  усиленного  сечения.

Присоединение  элементов  усиления  выполняют  преимущественно  сваркой. С целью уменьшения остаточного  прогиба от сварки  рекомендуется  после  сборки  элементов  на  струбцинах  осуществить  вначале  точечную  приварку  элементов  в  местах  установки струбцин  и  затем  наложить  основные,  сплошные  и  прерывистые  (шпоночные)  швы,  начиная  с  их  концевых  участков.

Проверку  устойчивости  усиленного  элемента  как в плоскости действия  моментов,  так и из  плоскости производят  в соответствии  с действующими  строительными нормами и правилами.

Для  усиления  колонн  рекомендуется  также:

• устройство  предварительно  напряженных  шпренгелей;
• подведение  дополнительных  стоек  с  целью  разгрузки  колонны со  стороны  примыкающего  пролета  меньшей  высоты;
• устройство  предварительно  напряженных  стяжек,  прикрепленных к  анкерным  фундаментам  и  колоннам  соседних  пролетов с  целью  ограничения  смещения  верхних  сечений  колонн;
• устройство  по  поясам  ферм  жесткого  горизонтального  связевого диска    с  целью  ограничения  смещения  верхушек  колонн и передачей  на  него  горизонтальных  нагрузок.

Без  разгрузки  колонны  могут  быть  отремонтированы  (усилены)  при  следующих  видах  повреждений:  погнутостях  решетки,  ветвей  и  стенки;  разрывах  стержней  соединительной  решетки;  пробоинах в  стенке,  местных  повреждениях  металла  ветвей,  расстройстве  соединений  и  др.

Частичная  или  полная  разгрузка  восстанавливаемых  колонн  требуется  при  разрыве  и  больших  деформациях  их  основных  элементов (ветвей).

Восстановление  подкрановых  ветвей  решетчатых  колонн рекомендуется  производить  бетонированием  внутреннего  пространства  между  ветвями  в  соответствии  с  рис.  5  и 6,  А.

Увеличение  жесткости  погнутых  ветвей  колонн  и  стоек  при временном  восстановлении  допускается  с  помощью  деревянных  элементов  усиления  в  соответствии  с  рис.  6,  В.

Усиление соединений элементов

Усиление  сварных  швов  под  нагрузкой  производят  путем  увеличения  их  длины  или  толщины  в  случаях,  если  напряжения  в существующих  швах  не  превышают  их  расчетных  сопротивлений.  При этом  прочность  сварных  соединений  после  усиления  возрастет  пропорционально  увеличению  длины  и  толщины  швов.

Усиление  швов  наплавкой  новых  слоев  рекомендуется  применять  при  отсутствии  места  для  наложения  новых  швов.

Усиление  угловых  швов  осуществляют  увеличением  длины  или  катета  углового  шва.  Размеры  и  форму  сварных  угловых швов  принимают  в  соответствии  с  действующими  строительными  нормами  и  правилами.

Сварка  растянутых  элементов  под  нагрузкой  швами,  расположенными  поперек  элемента  или  в  поперечном  направлении  по  отношению  к  действующим  усилиям  в  элементе,  не  допускается.

Длину  и  толщину  усиливающих  швов,  а  также  толщину  наплавленного  слоя  на  усиливаемые  швы  определяют  разностью  расчетного усилия  в  сварном  соединении  от  полной  нагрузки  (после  усиления) и  расчетной  несущей  способностью  существующего  соединения.  При определении  расчетного  усилия,  приходящегося  на  шов  в  сварном  соединении,  следует  учитывать  его  смещение  относительно  центра  тяжести  сечения  элемента.

Для  усиления  узловых  заклепочных  соединений  рекомендуется  применять  высокопрочные  болты  с  предварительным  напряжением  от  середины  узла  к  краям.

При  усилении  конструкций  с  увеличением  площади  сечения  контактные  поверхности  между  старым  и  новым  металлом  перед  постановкой  высокопрочных  болтов  в  пределах  креплений  должны  быть  очищены  от  старой  краски,  ржавчины,  грязи,  окалины  и т.  д.

Из-за  ослабления  старых  заклепок  и  болтов  в  усиливаемых  узлах  после  натяжения  новых  высокопрочных  болтов  усиления последние  должны  быть  рассчитаны  на  восприятие  полной  величины всех  действующих  усилий  в  усиливаемых  соединениях.

4. Список литературы.

1. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. НИИСК Госстроя СССР, Москва Стройиздат, 1989
2. Усиление стержневых металлических конструкций. Ребров И. С. Стройиздат, Ленинградское отделение, 1988
3. Усиление металлических конструкций. М.Н. Лащенко, Стройиздат, Ленинградское отделение, 1954