4.3. Расчет металлических конструкций, усиленных увеличением их поперечного сечения

Расчет усиления стальных конструкций увеличением их поперечного сечения производится исходя из стадии напряженно-деформированного состояния и принятой гипотезы:

Рис. 12. Усиление стенок стальных конструкций: а – заполнением полости колонны бетоном; б, в – прикреплением деревянных брусьев; 1 – усиливаемая стальная конструкция, 2 – бетон, 3 – отверстие в стенке для заполнения бетоном, 4 – деревянные брусья, 5 – стяжной болт

• по упругой стадии – сечение дополнительного элемента усиления воспринимает только усилие от нагрузок, приложенных к конструкции после усиления;

• по пластической стадии – при достижении напряжений в сечении усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспределение и выравнивание напряжений с сечением дополнительного элемента.

Расчетная схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 13.

Расчет усиления металлических конструкций по пластической стадии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета применяется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

Рис. 13. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой: а – в упругой стадии; б – в пластической стадии

Расчет усиленных центрально-растянутых и коротких сжатых элементов производится из условия прочности:

• по упругой стадии

• по пластической стадии

где N, N_ad – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; A_o, A_ad – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов; R_y – расчетное сопротивление стали основного элемента; – коэффициент условий работы элемента конструкции по СП 16.13330.2011.

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости производится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэтому в расчете используется коэффициент продольного изгиба , определенный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из условия обеспечения устойчивости

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы = 0,8 .

Расчет усиленных изгибаемых элементов производится из условия:

• по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии y_c,o от центра тяжести основного сечения и расстоянии y_{c,(o+ad )} от центра тяжести усиленного сечения

• по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения

• по пластической стадии

где M, M_ad – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; I_o , I_(o+ad) – момент инерции сечения элемента соответственно до усиления и после усиления; R_y ,R_y,ad – расчетное сопротивление стали соответственно основного или дополнительного элемента при растяжении или сжатии.

Для усиленных изгибаемых элементов должно выполняться условие прочности на сдвиг по контакту основного и дополнительного сечения

где S – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси; d – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения; R_s – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

Проверка местной устойчивости стенки балочных конструкций после усиления производится для всех отсеков между поперечными ребрами жесткости без учета начальных напряжений в ней от нагрузки при усилении по методике действующих норм.

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основному сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдвигающих усилий, равных предельным усилиям на растяжение или сжатие для дополнительных деталей усиления.

Усиление отдельных элементов металлических конструкций, имеющих погнутости, трещины, вмятины и разрывы сечений, производится, как правило, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 14, 15) или заменой поврежденной части (рис. 16).

Рис. 14. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения, накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными планками; в – из пластины

Рис. 15. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем

Рис. 16. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков; б – элементов из одиночного уголка