Усиление металлических конструкций

обуславливающая высокую степень соответствия работы элементов и узлов расчетным предпосылкам

и, соответственно малые запасы прочности, заложенные при проектировании; в результате, незначительные отклонения от расчетных положений, нарушения требуемой точности в изготовлении, монтаже, небольшие перегрузки могут привести к существенным перенапряжениям элементов металлических конструкций;
высокая удельная прочность (отношение прочности к массе материала), которая обуславливает тонкостенность и гибкость несущих элементов, следовательно, подверженность под влиянием различных случайных воздействий при изготовлении, перевозке, монтаже, эксплуатации различного рода деформациям - это особенно опасно для сжатых элементов;
склонность к хрупкому и усталостному разрушению при наличии различных концентраторов напряжений, особенно, трещин в сочетании с низкими температурами и динамическими нагрузками;
наличие сварных соединений, имеющих отличные от основного металла физико-механические свойства и характеризуемых значительным разбросом эксплуатационных свойств в зависимости от качества наложения сварных швов;
подверженность коррозии.

ремонта;
высокая технологичность для усиления.
Наиболее характерными дефектами и повреждениями металлических

конструкций, вызывающими необходимость усиления являются:
общие и местные деформации;
дефекты сварных и болтовых соединений;
зазоры и неточности в пространственном положении и взаимном расположении конструкций;
коррозионный износ;
вырезания в элементах для прокладки технологических коммуникаций.

превышает нормативные требования на изготовление, монтаж или эксплуатацию и меньше

значений, учтенных при проектировании, то расчет конструкций производится по действующим нормам проектирования.
В тех случаях, когда в конструкциях обнаружены дефекты и повреждения, не учтенные нормами на проектирование, или замеренная их величина превышает требования нормативных документов, проверочный расчет металлических конструкций производят с учетом влияния этих дефектов и повреждений на несущую способность в соответствии с разработанными рекомендациями по оценке состояний эксплуатируемых металлических конструкций.

расчету с учетом:.
местных ослаблений сечений;
коррозионного износа;
общих и местных

искривлений стержней

и т.д.
Проверку прочности проводят по площади нетто с учетом эксцентриситетов

действующих усилий от смещения центра тяжести ослабленного сечения относительно центра тяжести первоначального сечения. Считается, что изгибающие моменты от внешних нагрузок приложены в плоскостях, проходящих через центр тяжести исходного сечения, а равнодействующая продольных усилий приложена в центре тяжести этого сечения.
Расчет прочности стальных элементов, имеющих ослабление сечения, выполненных из стали с пределом текучести до 530 МПа и не подвергающихся непосредственному воздействию динамических нагрузок (3 и 4 класс конструкций), производится по формуле (49) СНиП /1/ с использованием добавочных усилий, высвобожденных от ослабления сечения Nосл, Mxосл, Mуосл.

в ц.т. выреза участке до ослабления сечения

сечения относительно главных осей х0-х0 и у0-у0 исходного сечения;
хосл,уосл

- координаты центра тяжести площади выреза относительно осей х0-х0 и у0-у0 (рис.);
А, Ix, Iy - геометрические характеристики исходного сечения без учета ослабления;
Аосл, Ixосл, Iyосл - геометрические характеристики выреза (моменты инерции берутся относительно собственных осей выреза);
n, сх, су - коэффициенты, принимаемые по табл.66 СНиП /1/ для неослабленного сечения при учете пластической работы материала.
 

снижение прочности;
в) снижения сопротивляемости хрупкому разрушению.

. ).
где Аef, Ao - площадь сечения элемента, соответственно, с

учетом и без учета коррозионного износа.
Δ - величина одностороннего проникновения коррозии;
КSA - коэффициент слитности сечения, равный отношению периметра, контактирующего со средой к площади поперечного сечения, принимается:
КSA = 2/t – для уголков;
КSA = 1/t - для замкнутых профилей;
КSA = 4/(tw + tf) - для швеллеров и двутавров,
здесь t - толщина элемента, tw и tf -толщины полки и стенки соответственно.

сопротивления элемента, соответственно, учетом и без учета коррозионного износа;
KSW -

коэффициент снижения момента сопротивления, учитывающий снижение момента сопротивления сечения элемента при утонении элемента на  = 1 мм со стороны поверхностей, соприкасающихся с внешней средой

умножения на коэффициент d.
d - вводится в расчет для

элементов конструкций: имеющих коррозионный износ с потерей более 25% площади поперечного сечения или остаточную после коррозии толщину 5 мм и менее.
Величина d принимается для:
слабоагрессивных сред d = 0.95;
среднеагрессивных сред d = 0,9;
сильноагрессивных сред d = 0.85.
Степень агрессивности сред в зависимости от влажности, температуры среды и концентрации агрессивных по отношению к стали газов определяется по СНиП 2.03.11-85 "Защита строительных конструкций от коррозии» .

при коррозии учитывают повышением критической температуры хрупкости Tcr.

внецентренно сжатые.
Отличие работы искривленных стержней от внецентренно сжатых учитывается

умножением стрелки искривления в ненагруженном состоянии fo на коэффициент k перехода от максимальной стрелки искривления к эквивалентному эксцентриситету.
Приведенное значение относительного эксцентриситета определяется
mef= k .  . mf.

ненагруженном состоянии определяемом:
fo = o . fн,
где fн - измеренная

(натурная) величина стрелки искривления;
o - коэффициент, показывающий долю начальной стрелки искривления элемента (до приложения нагрузки) в замеренной величине искривления. вычисляется по формуле


где б = No/Ao < 2 . E/2 - напряжение в стержне в момент искривления; No - нагрузка, при которой измерена fн .

приварки дополнительных стальных элементов.
При необходимости, например, для повышения жесткости

стальных элементов (особенно сжатых стоек) без существенного повышения прочности или для защиты стали от коррозии могут применяться бетон, железобетон, фибробетон, а для временного усиления гибких стержней может применяться дерево.
При усилении бетоном сцепление бетона с металлом обеспечивается приваркой к поверхности стали стержней диаметром 5...8 мм, которые могут иметь крюки на концах. Деревянные элементы крепятся с помощью стальных скруток.
Крепление усиливающих стальных элементов к усиливаемым конструкциям помимо сварки, может быть осуществлено с применением высокопрочных болтов и реже на болтах повышенной точности (класса точности А).

элемента в работу конструкции.
Недостатки:
в процессе сварки снижается несущая способность

элемента;
при остывании получаются сварочные деформации или остаточные напряжения.

режима сварки (вида и силы тока, диаметра электрода, скорости сварки

и т.п.);
толщины и ширины элемента;
последовательности наложения швов.

Для продольных швов при нагреве снижение прочности находится в пределах до 15 %, для поперечных швов может достигать 40 %. Поэтому наложение швов поперек элемента при усилении его под нагрузкой запрещается. В растянутых элементах не допускаются поперечные швы в любом случае.

Усиление под нагрузкой при усилении с применением сварки производят:
в статически определимых конструкциях при σ ≤O.8 Rу
в статически неопределимых конструкциях, при σ ≤ 0.6Rу.

длине к усиливаемой конструкции с помощью струбцин, стяжек или иных

устройств. Возникающие при этом силы трения обеспечивают совместную работу элементов при наложении сварочных прихваток:
приварка элементов усиления на сварочных прихватках, это обеспечивает включение элементов усиления в совместную работу на изгиб при малом разогреве основного стержня, повышает несущую способность стержня в процессе усиления и способствует значительному уменьшению сварочных деформаций. Сварочные прихватки воспринимают незначительные сдвигающие усилия, возникающие вследствие приращения прогибов стержня при наложении в последующем связующих швов. Их размещают в местах paсположения швов (для шпоночных швов) с шагом 300...500 мм и длиной 20...30 мм;
сварка концевых участков, включающая в работу элементы усиления усиливаемого по всей длине, в определенной степени снижающая сварочные деформации;
наложение связующих швов, обеспечивающих совместную работу усиливаемого стержня и элементов усиления.

Мn/6 + Сr/5 + V/5 + Мо/4 + Ni/15 +

Сu/13 + Р/2.
где С – углерод, Мn – марганец, Сr – хром, V – водород, Ni - никель, Мо – молибден, Сu - медь, Р - фосфор – содержание химических элементов в %.
При Сэ ≤ 0,42 сталь имеет удовлетворительную свариваемость;
При Сэ > 0,42 требуется назначать специальные режимы сварки, гарантирующие качество сварного соединения.

в случаях, когда:
Условия эксплуатации не допускают применения сварки;
Металл усиливаемого и

усиливающего элементов относится к трудносвариваемому;
Желательно избежать дополнительных сварочных напряжений и деформаций.
Болтовые соединения технологически более удобны;

болтов в концевых участках;
От концов к середине осуществляются промежуточные соединения;
Просверливание

следующих отверстий производится после установки болта в предыдущее;
Окончательно закручиваются болты в концевых участках.

Шаг болтов s ≤ 40i – в сжатых элементах; s ≤ 40i – в растянутых элементах, i - радиус инерции усиливающего элемента.

при этом достигается существенное увеличение момента инерции и момента сопротивления.

Однако ввиду размещения покрытия (перекрытия) на верхнюю полку балки, двусторонняя схема осуществима не всегда;
Одностороннее усиление эффективно только при учете упругопластической стадии работы материала или усилении регулированием напряжений. В противном случае необходимо существенное увеличение высоты элемента;
Сварные швы преимущественно следует проектировать нижними;
Применение фасонного проката, более технологично по сравнению с листовой сталью (меньший объем резки металла).

от вида нагружения и норм допустимых пластических деформаций:
1 класс -

сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях эксплуатации (подкрановые балки для кранов режима ра­боты 7К и 8К, элементы конструкций бункерных и разгрузочных эс­такад, непосредственно воспринимающие нагрузки от подвижных составов). Расчеты прочности элементов условно выполняются в предположении упругой работы стали.
2 класс - элементы конструкций, непосредственно воспринимающих подвижные, динамические или вибрационные нагрузки и не входящих в класс 1. Норма предельных пластических деформаций εpl,u - 0.001.
3 класс - элементы конструкций, работающих при статических нагрузках, кроме элементов, относящихся к классу 4, εpl,u=0.002
4 класс - элементы конструкций, работающих при статических нагрузках и положительных температурах, εpl,u=0.004.
Расчет элементов конструкций 1...3 классов производится по критерию краевой текучести (ККТ), который при усилении под нагрузкой является чисто условным и обеспечивает ограничение уровня пластических деформаций нормой εpl,u=0.002. Расчет элементов 4 класса допускается производить по критерию развитых пластичес­ких деформаций (КРПД).

по ККТ и КРПД

конструктивной схемы применяется в двух случаях:
временная нагрузка составляет более 40%

полной и в период усиления может быть устранена;
установка предварительно напряженных элементов практически не осуществима;
Несимметричные схемы усилений рационально использовать при преобладании моментов одного знака;
При усилении колонн крайних рядов следует учитывать отсутствие доступа или необходимость разборки стены.

фермы – а, г; в плоскости фермы в сторону пера

уголков – б; в плоскости фермы в сторону обушка уголков - в

с пригонкой к поясам (в,г)

околошовной зоне;
Недостаточной длине или толщине шва (по результатам расчетов)
Усиление выполняется:
Путем

увеличение длины шва;
Увеличения толщины шва;
Устройством дополнительных промежуточных деталей.

тока не более 220 А;
Толщина шва за один проход не

более 4 мм;
При послойном наложении – толщина слоев не более 2 мм;
Сварка последующего слоя производится после охлаждения предыдущего шва до температуры t ≤ 100 0 C;
Сварка производится при t ≥ -15 0 C для толщин до 30 мм и t ≥ 0 0 C для толщин свыше 30 мм;
Предпочтение отдается длинным и тонким швам.

б – с введением коротышей; в – удлинением фасонок

крайние болты могут заменяться высокопрочными болтами;
Усиление обычных болтовых соединений сваркой

допускается только при восприятии всех усилий сварными швами;
Усиление соединений на высокопрочных болтах с применением сварки допускается при соответствующем обосновании деформативности соединения.

двутавра (в)

выреза; 2 – стальные накладки

места подогрева; 4 – зона зачистки

не менее 80 мм и выявление концов трещины с помощью

пенетрантов;
Рассверливание по ходу распространения трещины на расстоянии 15…20 мм от концов отвертий-ловителей диаметром 8…12 мм;
Разделка кромок трещины под сварку (при толщине 12 мм и более);
Подогрев концевых участков трещины пламенем газовой горелки до t = 100…150 0 С и поддержка до конца заварки;
Заварка трещины обратноступенчатым методом с проковкой пнвмозубилом с радиусом закругления 2…4 мм;
Обработка заваренной поверхности шлифмашинкой до высоты 2 мм и ассверливание отверстий-ловителей до 20…25 мм;
Контроль качества сварки физическими методами.

участка; 2 – линия реза; 3 – места подогрева (стрелками

и цифрами показаны направления и порядок сварки

элементов;
Деформации элементов ввиду высокотемпературного нагрева и остывания при сварке, а

также влияния жесткости усиливающего элемента на деформирование усиленного элемента;
Упругопластическая работа элементов, усиленных с применением сварки, даже если они рассчитаны по критерию краевой текучести;
Изменение усилий в несущей системе в целом, вследствие изменения жесткости усиленного элемента и дополнительных сварочных деформаций.

стержня, усиленного из стали более высокой прочности, приведенное расчетное сопротивление

бистального элемента определяется





где I0, I, A0, A – моменты инерции и площади сечения, соответственно, усиливаемого и полного усиленного сечения; Ryr , Ry0 – расчетное сопротивление, соответственно, усиливающего и усиливаемого элементов.
При расчете по прочности элементы вводятся со своим расчетным сопротивлением.

увеличением сечения с применением сварки



АО – прогибы стержня до усиления

(f0), АВ – обратный выгиб от присоединения усиливающего элемента (fI); ВС – прогиб при сварке (fW); СД – рост прогиба после усиления при возрастании нагрузки.

элемента после присоединения усиливающего элемента:



где f0 – прогиб элемента до

усиления, принимается равным большему из двух величин прогиба - расчетного f0 расч или натурно измеренного f0 нат .
∑Ir – сумма моментов инерции усиливающих элементов относительно их собственных осей;
I0 – момент инерции усиливаемого элемента;
αN – коэффициент, учитывающий влияние продольной силы, равен αN = N/(Nэ – N0) – при сжатии и αN = 1 при изгибе.
)

сварного шваЮ принимается а = lw/ law, для сплошных швов

а = 1;
V = 0,004kf – параметр продольного укорочения элемента;
l0 – расчетная длина элемента;
yi – расстояние от i -го шва до нейтральной оси усиленного элемента;
ni – коэффициент, учитывающий начальное напряженно-деформированное состояние элемента и схему его усиления.

приближенно учитывать введением коэффициента условий работы
γс = 0,8

γN – при сжатии и растяжении и γM -при изгибе.
Для

элементов, рассчитываемых по ККТ:
работающих на сжатие и растяжение γN = 0,95 при усилении без применения сварки и γN = 0,95 – 0,25β0 - при усилении с применением сварки;
работающих на изгиб γN = 1.
Для элементов, рассчитываемых по КРПД:
При симметричном двустороннем усилении элементов симметричного сечения γM = 0,95;
При несимметричном двустороннем или одностороннем усилении со стороны растянутых волокон γM = 0,95 – 0,2β0 (α-1);
При одностороннем усилении со стороны сжатых волокон γM = 0,95 – 0,1(β0 +α-1).
β0 = σ0,max /Ry σ0 = N0 /A0 ± M0x y/I0x ± M0y x/I0y
При β0 ≤ 0,3 статический расчет выполняется без учета перераспределения усилий в процессе сварки

продольной деформации при сварке




Приращение кривизны при сварке