2.5. Підсилення металевих конструкцій

2.5.1. Усунення місцевих дефектів і пошкоджень

Місцеві дефекти і пошкодження у вигляді тріщин, погинів, втрати місцевої стійкості, місцеве пошкодження корозією тощо ліквідовуються шляхом ремонту або підсилення. Найчастіше ці два процеси мають місце одночасно, тобто після виконання ремонтних робіт проводять часткове підсилення конструкцій. Необхідність у підсиленні виникає через те, що під час ремонту (рихтування, вирівнювання) порушується внутрішня структура металу та відбувається погіршення їх фізико-механічних властивостей.

Так, у сталевих прокатних елементах конструкцій після вирівнювання погинів для їх підсилення наварюються додаткові елементи у вигляді металевих пластинок (рис. 2.86). Така пластинка повинна сприймати або частину навантаження, яку не може сприйняти підрихтований елемент, або — за неможливості вирівнювання — повністю замінити пошкоджену ділянку в сприйнятті в даному випадку всього навантаження.

У місцях втрати стійкості сталеві конструкції підсилюються постановкою додаткових ребер жорсткості, до яких приварюють метал ділянки пошкодження (рис. 2.87).

П ошкоджені (корозією, механічною дією, термічними чинниками тощо) ділянки сталевих конструкцій вирізаються та за допомогою зварювання замінюються на нові. Таке підсилення може бути використане як для частини висоти перерізу (рис. 2.88, а), так і для всієї висоти, тобто із заміною частини конструкції (рис. 2.88, б).

Тріщини в сталевих конструкціях, з одного боку, є елементами ослаблення перерізу, а з другого — концентратором напружень у металі. Такі пошкодження усуваються шляхом заварювання тріщин за допомогою електродугового зварювання. При цьому слід ретельно витримувати технологію виконання робіт, оскільки в разі порушення її можна не лише не досягти позитивного ефекту з підсилення, але й створити додаткові поля напружень, викликані температурними діянням під час зварювання металу.

П ід час такого ремонту поверхня конструкції в зоні пошкодження очищується від продуктів корозії, фарби, масел, сміття тощо до чистого металу. В кінці тріщин, які визначають за допомогою пенетрантів, ультразвукової дефектоскопії та інших методів, просвердлюються отвори діаметром 8...12 мм. Ці отвори призначаються для ліквідації ефекту концентрації напружень та влаштовують на відстані 15...20 мм по ходу тріщини. Після заварювання тріщини отвори розсвердлюються до діаметра 23...25 мм. Самі береги тріщини підготовляють до заварювання: очищають, розкривають. Кінцеві ділянки тріщин (рис. 2.89) нагрівають до температури 100...150⁰С та підтримують її протягом усього періоду заварювання тріщини. Заварювання шва здійснюється зворотно-ступінчастим методом проходження з одночасним куванням кожного проходу, крім першого та останнього (послідовність проходження швів показана на рис. 2.89). Після заварювання шов необхідно обробити шліфувальною машинкою.

2.5.2. Стояки та колони

Найпростішим методом підсилення сталевих стояків є нарощування поперечного перерізу їх за допомогою наварювання додаткових металевих прокатних елементів різного профілю. Варіантів підсилення може бути багато (рис. 2.90) залежно 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 має діяти не більше ніж 50...60% повного навантаження). Шви, якими приварюються елементи підсилення, виконують переривчастими. Послідовність їх накладання в кожному конкретному випадку визначається таким чином, щоб температурні деформації, котрі 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 установлення 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 сталевих швелерів. Після встановлення розпірок у проектне положення та закріплення по кінцях (у місцях обпирання) швелери стягуються монтажними болтами до досягнення ними прямолінійності. У цьому положенні наварюються поперечні штаби, а вирізи у швелерах також заварюються пластинками. Величина первинної непрямолінійності розпірок визначається величиною попереднього напруження в них.

Р озвантаження пошко-джених або тих, що будуть довантажуватися після рекон-струкції, 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 зовніш-ня – розтягнутою. Попереднє напруження створюється меха-нічним чи термічним методом. Таку попередньо напружену конструкцію встановлюють у проектне положення, а проміж-ки між поверхнею опорної пластинки та ригеля забивають клинчастими пластинками. Після цього в зовнішній трубі роблять кільцевий надріз. Вивільняючись, внутрішня труба включається в роботу із сприйняття стискаючого зусилля, розвантажуючи при цьому колону. Після включення конструкції підсилення в роботу кільцевий шов заварюють зварним швом.

П ошкоджені 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 й 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 каркаса складу, що реконструюється у виробничу будівлю з ремонту техніки, має висоту 5,0 м і виготовлена з 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 — слабоагресивне середовище. Необхідно перевірити несучу здатність колони на розрахункове навантаження та за необхідності виконати її підсилення.

В иконаємо 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 відповідно до вказівок п. 8.2 „Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП ІІ-23-81*)“ , тому що колона виготовлена в період із 1932 по 1982 рр. 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 слабоагресивним 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 зі 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 з 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:

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

Тоді площа поперечного перерізу

38,2 + 2×18×0,8 = 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

Перевірний 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 з указівками СНиП розрахунок підсиленої колони на міцність не проводимо.

Визначаємо рівень навантаження колони до її підсилення

>

де визначаємо за виразом:

П ідсилення колони слід виконувати або під час заміни конструкцій покриття, або розванта-живши її шляхом установ-лення тимчасового стояка під нижній вузол ферми поряд із колоною, що під-силюється.