Бельский М. Р. - Усиление металлических конструкций под нагрузкой

6С4.05

Б44

УДК 624.014.2

Бельский М. Р. Усиление металлических конструкций под нагрузкой. Киев, «Будiвельник», 1975, стр. 120.

В книге описаны средства и методы усиления металлических конструкций под нагрузкой в условиях действующих предприятий. Особое внимание уделено вопросам усиления стоек рам, каркасов зданий и сооружений. Приведены практические методы расчета и производства работ по усилению металлических конструкций. Книга предназначена для инженеров-строителей, проектировщиков и производителей работ.

Рисунков 35, библиография из 33 позиций. Рецензент канд. техн. наук В. Н. Гордеев. Редакция литературы по строительным конструкциям, деталям и изделиям. Заведующий редакцией инж. Р. Е. Волянюк

Б44

ПРЕДИСЛОВИЕ

Усиление конструкций — эффективное средство увеличения их несущей способности, продления срока нормальной эксплуатации и предотвращения аварий.

Большие объемы работ в этой области приходится выполнять при различных повреждениях, возникающих во время изготовления, транспортировки или монтажа конструкций, а также при реконструкции промышленных предприятий.

 В этой связи немаловажное значение приобретает разработка и усовершенствование способов усиления конструкций непосредственно под эксплуатационной нагрузкой, в стесненных условиях действующих цехов и сооружений.

Как показала практика, применение предварительного напряжения позволяет усиливать даже сильно поврежденные стальные конструкции непосредственно под полной эксплуатационной нагрузкой, без какой-либо остановки производственного процесса, а также значительно сокращать сроки строительно-монтажных работ.

Для разработки более эффективных способов усиления конструкций под нагрузкой полезно использовать опыт исследований в области предварительно напряженных металлических конструкций. Большой интерес в этом направлении представляют работы таких советских ученых, как Е. И. Белени, Ю. В. Гайдарова, М. М. Жербина, В. В. Трофимовича и др.  

Предварительное напряжение впервые было исследовано, разработано и применено М. Н. Лащенко при усилении металлических рам с двухскатными ригелями. Ю. И. Лозовой впервые в строительной практике применил термический и электротермический методы предварительного напряжения стержней при усилении металлических конструкций. Эти методы позволяют получать не только необходимую величину напряжения в усиливающих элементах, но и применять достаточно простую технологию производства работ.

Следует заметить, что каждая проектная организация обычно разрабатывает свои способы усиления, внедряя в практику в ряде случаев более или менее рациональные решения. Однако даже самые экономичные решения порой становятся «уникальными» из-за отсутствия обмена опытом между различными-проектными организациями и родственными им учреждениями или специалиста- ми, занимающимися по мере необходимости усилением металлических конструкций. Поэтому необходимо объединить усилия проектных, строительных, учебных и научно-исследовательских организаций по обмену опытом и созданию единого нормативного документа в области проектирования усилений стальных конструкций, находящихся под нагрузкой, в условиях действующих предприятий.

В настоящей работе обобщается опыт ряда строительных и проектных организаций по усилению металлических конструкций в напряженном состоянии в условиях действующих цехов и сооружений.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ И СПОСОБОВ УСИЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

ОБСЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ, НАХОДЯЩИХСЯ ПОД НАГРУЗКОЙ, И ИХ УСИЛЕНИЕ

Заключение о целесообразности усиления конструкций составляется при их обследовании и расчете на действительные нагрузки. Для определения несущей способности сооружений (конструкций) необходимо также определить механические характеристики материала, из которого они изготовлены. Старый металл проверяют на свариваемость.

В процессе обследования конструкций в первую очередь необходимо выяснить все их дефекты и повреждения [14]. Они могут появляться как при изготовлении, так и при монтаже конструкций. Дефектами конструкций называют недопустимые по СНиП III-B.5—62 величины отклонений от теоретических размеров, формы, качества. Основные дефекты при изготовлении конструкций — непрямолинейность, искажение формы, некачественность сварных и других, соединений. Дефекты при монтаже — неточность геометрического взаиморасположения, искривление, прогиб, вмятины в элементах конструкций от механических воздействий при транспортировке и установке, неточная подгонка узлов сопряжений, низкое качество соединений.

К повреждениям конструкций относят отклонение от первоначальных проектных размеров, искажение формы, уменьшение площади поперечных сечений элементов под воздействием коррозии, возникновение дефектов в металле, которые появляются в процессе эксплуатации конструкций.

Значительные дефекты при изготовлении и монтаже конструкций в сочетании с просчетами при проектировании и нарушениями правил эксплуатации могут привести к авариям. Характеристики и допускаемые отклонения для основных дефектов и повреждений стальных конструкций промышленных зданий приведены в приложении 1.

Обследования стальных конструкций промышленных зданий позволили систематизировать повреждения в зависимости от вызывающих их воздействий: силовых (статических и динамических) — разрывы, потеря устойчивости, трещины, расшатывания соединений и т. п.; механических — вмятины, прогибы, искривления, истирание и др.; физических — коробление и разрушение, при высоких, трещины при низких температурах; химических (электрохимических и физико-химических) — коррозия металла. Повреждения от силовых воздействий возникают при недопустимой перегрузке конструкций во время эксплуатации, а также при неправильных расчетах возникающих усилий или при ослаблении сечений элементов несущих конструкций во время изготовления и монтажа. В некоторых случаях различные накладки, связи или другие элементы, устанавливаемые конструктивно, при неучёте особенностей действительной работы конструкций могут привести к возникновению в местах их присоединения увеличения усилий и к повреждению конструкций. Наблюдаются случаи, когда конструктивные несовершенства отдельных узлов вызывают перераспределение усилий в конструкциях. Из-за большой жесткости опорных сопряжений в нижних поясах (крайних панелях) шарнирно-опертых стропильных ферм возникают сжимающие усилия от рамных моментов.

В конструкциях, работающих на динамические нагрузки, обычно появляются усталостные трещины. Часто действительные условия работы таких конструкций усложняются различными концентраторами напряжений (надрезами, резкими изменениями сечений и др.), собственными напряжениями от сварки, неучтенными дополнительными усилиями и т. ш Динамические воздействия также неблагоприятно влияют на работу болтов и заклепок, которые с течением времени могут расшатываться, приводя к нарушению соединений. Повреждения от механических воздействий возникают, как правило, вследствие неправильной эксплуатации транспортного оборудования внутри цеха, подвешивания к конструкциям различных тяжелых грузов, вспомогательного оборудования. Особенно опасны повреждения связей, которые иногда относят к второстепенным элементам и используют в качестве подвесок или совсем вырезают. Это резко снижает общую жесткость здания в целом.

Повреждения от физических воздействий имеют место при близком расположении к элементам стальных конструкций источников тепла. При нагревании конструкций до 200—250° разрушается защитное лакокрасочное покрытие, при 300—400° элементы конструкций начинают коробиться. При нагревании свыше 400° резко снижаются критические характеристики металла. Отрицательные температуры (для углеродистых сталей — ниже минус 40—50°, для низколегированных — ниже минус 60°) вызывают появление трещин даже при незначительных напряжениях от рабочих усилий. Повреждения от химических воздействий проявляются в различных видах коррозии. Это один из существенных факторов износа и снижения, долговечности стальных конструкций. Коррозия, возникающая от воздействия агрессивных жидкостей и газов, называется химической, а коррозия, вызываемая действием влаги на поверхностный слой металла,— электрохимической. При воздействии влаги и агрессивной среды одновременно произойдет комбинированная коррозия.

Заполняя мелкие трещины, ржавчина, увеличиваясь в объеме, способствует дальнейшему их развитию. Трещины ослабляют сечения и концентрируют напряжения. Ржавчина часто увеличивает щель между склепанными элементами конструкций, приводя к срыву головок. заклепок. Подобную серьезную опасность она создает, скапливаясь в узких щелях конструкций. Наиболее интенсивному воздействию коррозии подвергаются элементы, форма сечений которых способствует отложению пыли.

Характерное разрушение от атмосферной коррозии строительных сталей — разъедание тела кристаллического зерна, в результате чего появляются сильные концентраторы напряжений с радиусом, равным размеру зерна. Кроме того, могут возникать, также напряжения, локализованные в очень узких областях, внутри отдельных зерен. Это напоминает разрушение стали при коррозионной усталости или коррозионном растрескивании, что подтверждается анализом сравнительных испытаний образцов на склонность сталей к хрупкому разрушению. Коррозионные поражения резко снижают пластичность при разрушении ив вязкой области (до 30—50%).

Повышение критической температуры хрупкости в результате коррозии исследовалось различными методами [14]. Из полученных данных следует, что, несмотря на общий равномерный характер атмосферной коррозии, результатом ее являются поражения, аналогичные надрезам или другим дефектам, вызывающим концентрацию напряжений.

Трещины в сварных швах наиболее часто возникают в элементах конструкций, работающих на знакопеременную нагрузку, в местах резких изменений сечений элементов. Особенно тщательно нужно осматривать места примыканий, ребер, накладок, места с изменением толщины и формы швов, швы, направленные перпендикулярно к направлению действующих усилий в элементах, а также швы с технологическими дефектами (непроварами, подрезами, кромками, наплывами, порами, шлакоши включениями, незаделанными или невыведенными хатерами и т. п.). Эти места тщательно зачищаются и покрываются прозрачным лаком. Освидетельствование видимых сварных швов производится внешним осмотром, а невидимых -^ при помощи ультразвуковой дефектоскопии.

Практически удобнее обнаруживать трещины снятием тонкой стружки острым зубилом по направлению предполагаемой трещины. Подтверждением наличия трещины будет раздвоение стружки. Снимать ее следует без резких и глубоких зарубок металла. Трещины длиной более 10 мм для прекращения их дальнейшего развития нужно засверлить по концам на всю толщину элемента. Наличие дефектов на торцах швов выявляют зачисткой последних до зеркального блеска и протравливанием ^ зачищенной поверхности 15—20%-ным водным раствором азотистой кислоты. Полученный микрошлиф просматривается через лупу. Виды дефектов сварных швов и способы их обнаружения даны в приложении 1.

В случаях, когда на основании лабораторных испытаний материала конструкций, находящихся под нагрузкой, нельзя установить их фактическую прочность и надежность, целесообразно провести испытания пробной нагрузкой. Если временная нагрузка мала по сравнению с постоянной,  и не может вызвать больших дополнительных напряжений и деформаций, такого испытания не проводят.

Существующие конструкции следует испытывать без остановки производственного процесса, их несущую способность лучше определить «неразрушающими», или физическими методами. Испытание пробной нагрузкой производится в тех случаях, когда, конструкция не находится в аварийном состоянии. При этом желательно давать перегрузку на 20—25%, так как испытание реальной нагрузкой не дает гарантии прочности. Иногда пробную нагрузку используют для разгрузки конструкции путем постановки оттяжек и затяжек, поддомкрачивания. Нужно следить, однако, чтобы растянутые элементы решетчатых конструкций не стали сжатыми и не потеряли устойчивости. Разгружающую нагрузку прикладывают ступенями, что дает возможность установить в процессе испытания конструкции наличие пластических деформаций.

При испытаниях пробной нагрузкой получают данные о приращений напряжений, вызываемых ею. Действующие напряжения определяют расчетом, предполагая, что закон распределения усилий от действующей нагрузки аналогичен схеме и закону распределения усилий от пробной нагрузки. В особо ответственных случаях испытывается модель исследуемой конструкции. До начала натурных испытаний конструкции должны быть тщательно обследованы, испытаны пробы металла, установлены фактические нагрузки, произведены точные статические и конструктивные расчеты.

Пробные нагрузки могут быть статическими и динамическими. Подробные рекомендации по испытаниям конструкций пробной нагрузкой даны в монографии М. И. Лащенко [21].

Методы местного снятия напряжений. Если состояние обследуемой конструкции, находящейся под нагрузкой, такое, что ее дополнительно нагружать опасно, то для определения напряжений применяют методы местного снятия напряжений. С помощью этих методов можно определять действительные напряжения в элементах конструкций, в состав которых входят также собственные (начальные), напряжения. Последние могут возникать при неравномерном остывании после прокатки, сварки, выпрямлении погнутых элементов. В отдельных случаях собственные напряжения могут быть той критической добавкой, из-за которой в конструкции может наступить аварийное состояние. Действительные напряжения в элементах конструкций могут быть определены механическими и физическими методами. К механическим относят методы местного снятия напряжений путем вырезания образца из напряженной конструкции и высверливания отверстий.

Если из напряженной конструкции вырезать элемент, то в результате снятия нагрузки его размеры несколько изменятся. По разнице деформаций элемента до и после вырезывания можно определить напряжения, действовавшие в нем под нагрузкой. Этот способ применяется в листовых конструкциях и называется способом  «диска».

Для стержневых конструкций применяют способ «отверстия», заключающийся в том, что на элементе; действительные напряжения в котором нужно определить, высверливают отверстие и измеряют его диаметр. При сжатии по направлению действующего усилия оно уменьшится, при растяжении — увеличится. Тензометры устанавливаются либо под намеченным к рассверловке отверстием, либо по обе стороны от него. По разности отсчетов до и после высверливания отверстий определяют деформации и вычисляют напряжение.

Из физических методов наиболее удобен в практическом отношении магнитный. По сравнению с механическим он свободен от такого недостатка, как выпиливание образцов, высверливание отверстий. В его основе лежит явление магнитострикции — изменение геометрических размеров ферромагнитного стержня под действием магнитного поля. Наряду с этим имеет место и обратное явление, при котором стержень под влиянием механических напряжений изменяет свои магнитные параметры (эффект Виллари).

Наиболее простой способ их измерения — индукционный с применением переменного магнитного поля [21]. При изменении магнитного потока вследствие деформации ферромагнитного материала (стали) в измерительной катушке индуцируется э. д. с. Величину напряжения определяют по изменению магнитной проницаемости в испытываемой конструкции (рис. 1).

Трансформатор в виде выносного электромагнитного щупа устанавливается на поверхности испытываемой конструкции так, что участок металла, на котором измеряется напряжение, оказывается заключенным между полосами магнитопровода щупа. Первичная обмотка трансформатора питается от источника переменного тока частотой 50 гц. Величина тока во вторичной обмотке трансформатора регистрируется по стрелочному микроамперметру. Такие приборы широко используются для испытаний материалов и конструкций под нагрузкой.

Основными показателями необходимости усиления являются результаты всестороннего обследования и точного расчета сооружений и конструкций. Особый интерес в этом случае представляет, собой учет пространственной работы каркасов зданий и сооружений.

В практике известны случаи, когда в результате учета и обеспечения пространственной работы значительно уменьшается объем усиления. Имеется ряд теоретических и экспериментальных исследований в этой области, проведенных в ЛИСИ, МИСИ им. В. В. Куйбышева, Гипромезе, КИСИ, ЦНИИпроектстальконструкция, Промстройпроекте, ЦНИИПСе и др.

Как свидетельствуют результаты исследований, уменьшение изгибающих моментов в результате учета пространственной работы только для одноэтажных рам каркасов промышленных зданий может достигать 57%. Учет пространственной работы неоднократно использовался для проектирования усилений. Если пространственная жесткость каркаса недостаточна, во многих случаях ее можно увеличить и тем самым уменьшить или вовсе избежать усиления в элементах каркаса.

Значительного улучшения пространственной работы можно достичь в результате увеличения жесткости (усиления) торцов зданий, что заметно снижает нагрузки на колонны при горизонтальных воздействиях (поперечное торможение кранов, ветер). Горизонтальная нагрузка передается на жесткие торцы здания через горизонтальные связевые диски. Все усиления должны сосредоточиваться в наиболее доступных для работы местах. В некоторых случаях полезно учитывать совместную работу строительной фермы и фонаря.

Иногда для решения вопроса о необходимости усиления или сведения последнего к минимуму, а, возможно, для получения основания на заключение о его нецелесообразности экономически оправдано при проведении обследований уделить внимание изучению реальных нагрузок (измерению толщины утеплителей, стяжек, железобетонных и бетонных элементов, определению их фактического объемного веса и точного веса оборудования).

Однако, если конструкция находится в аварийном состоянии, то еще до выяснения целесообразности усиления или до выбора его способа нужно проектировать временное усилие, без которого дальнейшая эксплуатация сооружения опасна. Усиление — основное средство увеличения продолжительности эксплуатации конструкций. В некоторых случаях затраты на усиление могут достигать значительных размеров, и поэтому перед проектировщиком ставится задача доказать его экономическую целесообразность. Эту задачу удобно решать во методике Н. С. Стрелецкого. Сроки между усилениями и количество затраченных материалов зависят от темпов роста продукции, от кранового и прочего оборудования.

...