Ювелирное обозрение

Общие положения

Усиление металлических конструкций может производиться после их разгружения или под нагрузкой:

– увеличением поперечного сечения отдельных элементов и узлов их соединений,

– изменением расчетной схемы конструкций.

Особенностью усиления металлических конструкций является доступность сечения по всей длине элементов и свариваемость металла, позволяющие уменьшить трудоемкость обеспечения совместной работы основного и дополнительного элементов.

Однако нагрев элементов при сварке может снижать его прочность. При температуре более 550°С металл переходит в пластическое состояние и выключается из работы по восприятию усилий. Степень снижения прочности металла в месте сварки зависит от способа и режима сварки, толщины и ширины элемента, а также от направления сварных швов. Так, для продольных швов снижение прочности составляет до 15 %, а для поперечных – достигает 40 %. Исходя из этого, запрещается применение поперечных сварных швов при усилении металлических конструкций под нагрузкой.

С целью безопасности производства работ и повышения эффективности усиления металлических элементов и узлов их сопряжений следует стремиться к максимальному разгружению конструкции перед усилением, чтобы максимальные напряжения не превышали (где – расчетное сопротивление стали по пределу текучести).

15.2. Усиление металлических конструкций
увеличением их поперечного сечения

Усиление металлических конструкций, работающих на растяжение, сжатие и изгиб, увеличением поперечного сечения элементов производится присоединением дополнительных элементов. Совместная работа дополнительных элементов усиления с усиливаемой конструкцией обеспечивается путем сварки, а также с помощью болтового или заклепочного соединения.

При выполнении усиления центрально-растянутых и сжатых металлических конструкций следует стремиться к сохранению центровки усиливаемых элементов и узлов соединений (то есть дополнительные элементы необходимо располагать так, чтобы положение центра тяжести элемента после усиления не изменялось), в противном случае, требуется проверка прочности усиленного элемента и узла сопряжения с учетом появившегося эксцентриситета.

При конструировании усиления сварные швы, болтовые и заклепочные соединения необходимо располагать в удобных для исполнения и контроля качества местах. Кроме того, при сварных соединениях следует учитывать появление дополнительных и остаточных сварочных деформаций. Например, усиление ферм следует начинать с элементов и узлов нижнего пояса, а затем производить усиление верхнего пояса.

Обеспечение совместной работы дополнительных деталей при усилении растянутых элементов производится их обязательной заводкой в узлы на расстояние, необходимое для размещения прикрепляющих швов, достаточных для полного включения в работу у границы узловой фасонки.

В качестве дополнительных элементов при усилении центрально-растянутых элементов используются, как правило, полосы и круглые стержни (рис. 15.1). При этом в случае приварки усиливающих полос к полкам и перу спаренных уголков требуется срезка выступающих концов соединительных планок.

В случае обеспечения совместной работы дополнительных элементов с усиливаемым растянутым элементом посредством сварки сварные швы рекомендуется принимать с высотой катета шва 3…6 мм (в зависимости от толщины соединяемых деталей), а швы, расположенные вблизи края элемента, следует выполнять сплошными, т.к. прерывистые швы создают многочисленные «надрезы» – концентраторы напряжений, способствующие хрупкому разрушению при растяжении.

Усиление сжатых элементов стальных конструкций производится:

– увеличением поперечного сечения элемента при незначительном изменении его гибкости,

– увеличением поперечного сечения элемента со значительным уменьшением его гибкости,

– уменьшением расчетной длины элемента без изменения поперечного сечения.

В практике усиления металлических конструкций первый метод применяется для сжатых элементов небольшой длины (коротких), когда прочность элемента определяется площадью его поперечного сечения. Два других метода усиления характерны для длинных сжатых элементов, теряющих устойчивость при разрушении.

В первом случае для усиления центрально-сжатых элементов, аналогично растянутым, в качестве дополнительных элементов могут быть использованы полосы и круглые стержни, эффективно увеличивающие площадь поперечного сечения, но незначительно изменяющие его жесткость при изгибе (см. рис. 15.1). Как и в случае растянутых элементов, дополнительные детали усиления должны заводиться в узлы сопряжения.

При усилении сжатых элементов увеличением поперечного сечения с уменьшением его гибкости в качестве дополнительных элементов используются прокатные профили в виде труб, уголков, швеллеров и т.д., развивающих сечение и эффективно повышающих его жесткость при изгибе (рис. 15.2). При этом если нет опасности потери устойчивости для сечения не усиленного элемента вблизи узла, детали усиления могут быть не заведены в узел и не прикреплены к нему. Допускается применение прерывистых швов, уменьшающих сварочные деформации, сокращающие сроки сварочных работ и массу наплавленного металла.

Рис. 15.1. Усиление увеличением поперечного сечения без изменения гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров; в – из двутавров

Рис. 15.2. Усиление увеличением поперечного сечения с уменьшением гибкости
металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров
и двутавров; в – сварных сплошного сечения; г – клепаных

Уменьшение расчетной длины отдельных элементов эффективно в случае, когда не обеспечена их устойчивость. Усиление сжатых элементов уменьшением его расчетной длины в плоскости стропильной фермы производится установкой дополнительных раскосов или подвесок (рис. 15.3, а), из плоскости фермы или для отдельно стоящих стоек – предварительно напряженных шпренгелей (рис. 15.3, б, в).

Рис. 15.3. Усиление стальных конструкций за счет уменьшения их расчетной длины:

а – установкой дополнительных раскосов; б, в – установкой предварительно
напряженных шпренгелей: 1 – усиливаемый элемент, 2 – дополнительные раскосы,
3 – дополнительная подвеска, 4 – предварительно напряженные шпренгели

Усиление изгибаемых металлических конструкций имеет следующие особенности:

– увеличение поперечного сечения изгибаемого элемента можно ограничивать лишь зоной действия максимальных изгибающих моментов, где усиление требуется по расчету;

– при конструировании усиления следует стремиться к наиболее эффективному размещению дополнительных деталей (на возможно большем расстоянии от нейтральной оси неусиленного сечения);

– учитывая влияние сварочных деформаций при усилении, увеличивающих прогиб, усиление изгибаемых элементов необходимо начинать с нижнего пояса, затем при необходимости следует усилить стенку, в последнюю очередь – верхний пояс.

Некоторые варианты конструктивных схем усиления стальных балок приведены на рис. 15.4 и 15.5.

Рис. 15.4. Усиление изгибаемой балочной конструкции в пролете

Рис. 15.5. Усиление стальных балок увеличением поперечного сечения с применением:

а – пластин; б – стержней; в – уголков; г – труб; д – двутавров

Усиленная стальная балка кроме условия прочности должна удовлетворять условиям общей и местной устойчивости. Повышение местной устойчивости балок достигается установкой дополнительных поперечных (рис. 15.6, а), продольных (рис. 15.6, б) и диагональных ребер жесткости (рис. 15.6, в). С целью уменьшения концентрации местных напряжений у концов коротких поперечных ребер жесткости в сжатой зоне они должны быть окаймлены продольными ребрами жесткости (рис. 15.6, г).

Повышение местной устойчивости элементов стальных конструкций может быть достигнуто также их бетонированием (рис. 15.7, а) или прикреплением к ним деревянных деталей (рис. 15.7, б, в).

Рис. 15.6. Усиление стенок стальных балок дополнительными ребрами жесткости:

а – поперечными; б – продольными; в – диагональными; г – короткими поперечными
с окаймлением их продольными ребрами жесткости

Рис. 15.7. 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

15.3. 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:

– 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.

Схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 15.8.

Рис. 15.8. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой:

а – в упругой стадии; б – в пластической стадии

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.

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

– по упругой стадии

; (15.1)

– по пластической стадии

, (15.2)

где – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов; – расчетное сопротивление стали основного элемента; – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

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

. (15.3)

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы .

Расчет прочности по крайнему сжатому или растянутому волокнам усиленных изгибаемых элементов производится из условий:

– по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии от центра тяжести основного сечения и расстоянии
от центра тяжести усиленного сечения

; (15.4)

– по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения

; (15.5)

– по пластической стадии

, (15.6)

где – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – момент инерции поперечного сечения элемента соответственно до усиления и после усиления; – расчетное сопротивление стали соответственно основного и дополнительного элемента при растяжении или сжатии; – расстояние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополнительного элемента; – пластический момент сопротивления поперечного сечения усиленного элемента, принимаемый не более 1,2 упругого момента сопротивления сечения усиленного элемента.

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

, (15.7)

где – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси; – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения; – 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. 15.9, 15.10.) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

Рис. 15.9. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения,
накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными планками; в – из пластины

Рис. 15.10. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем

Рис. 15.11. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием
и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков;
б – элементов из одиночного уголка

Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 23727 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

При строительстве ответственных объектов и конструкций применяют швеллера, которые обладают высокой прочностью и способны выдерживать существенные нагрузки, а также возникающие сдвиговые и осевые напряжения без потери несущих свойств. Однако могут наступать такие ситуации, когда здание было возведено с ошибками в расчётах предполагаемых нагрузок или они были изменены в ходе эксплуатации в результате чего был достигнут предел его прочности.

Это означает, что дальнейшая эксплуатация конструкции невозможна, так как велика вероятность создания аварийной ситуации. Поэтому единственным выходом из сложившейся ситуации без изменений условий нагружения будет выполнение усиления конструкции.

Усиление швеллера на прогиб и изгиб

Одним из самых простых способов усиления швеллера является установка подпоры. Она позволит существенно разгрузить несущую балку без внесения существенных изменений в готовую конструкцию. Способ соединения должен в полной мере соответствовать типу нагружения: в случае постоянного действия поперечной силы можно выполнять любые соединения деталей способных обеспечить высокую надёжность и прочность, а вот при динамических — стоит использовать клёпаные и болтовые соединения.

В некоторых ситуациях установка подпорки невозможна из-за особенностей эксплуатации объекта. Следовательно, придётся увеличивать поперечное сечение путём приваривания стальных накладок или уголков в продольном направлении либо приварить еще один швеллер таким образом, чтобы получилась симметричная конструкция. Благодаря этому основная нагрузка сместится с точки возможного разрыва металла и распределится равномерно по площади балки новой формы.

Ещё одним способом усиления швеллера считается перераспределение нагрузки между всей конструкцией при помощи конструктивных изменений каркаса или его элементов. Это позволит снизить возникшие изгибающие напряжения и обеспечить необходимый запас прочности. Однако при этом не стоит забывать о проведении новых расчётов объекта, так как проблема может стать более серьёзной.

Усиление швеллера на кручение

Чтобы усилить швеллер на скручивание следует обеспечить установку симметричной конструкции методом сварки. Считается, что сварные швы в углах балки способны её ослабить, так как при нагреве металла она может продеформироваться, а накладной металл, особенно при локальной установке, принять на себя нагрузку. Поэтому нужно использовать специальные методы двухсторонней сварки.

Стандартным методом усиления считается приваривание второго швеллера параллельно установленному, чтобы получить в итоге двутавр или коробку. Оба варианта являются примерно одинаковыми по эффективности, но их реализация возможна только при полном доступе ко всей поверхности стального каркаса, в противном случае придётся разрушать часть отделки, а также устанавливать временные страховочные опоры.

Вторым способом увеличения устойчивости к кручению является выполнение бетонирования. При этом повысится продольная нагрузка на балку из-за общего веса, но улучшится жёсткость.

Горячекатаный стальной швеллер: нормативы, сортамент, характеристики

Сортамент этой продукции определяется ГОСТом 8240-89. Размер профиля характеризуется номером, который равен (примерно) высоте стенки, взятой в сантиметрах. В соответствии со стандартом выпускают продукцию:

• С уклоном внутренних граней полок. В маркировке после номера присутствует буква «У». Норматив предусматривает производство изделий с высотой стенки 50-400 мм, шириной полки 32-115 мм, толщиной стенки 4,4-8,0 мм, толщиной полки 7,0-13,5 мм. Если в обозначении между номером профиля и буквой «У» присутствует буква «а», это означает, что изделие имеет увеличенную ширину и толщину полок. Основная область применения этого вида швеллера – строительство. Благодаря некоторому утолщению во внутренних углах, профиль обладает повышенными прочностными характеристиками. Такая металлопродукция используется в каркасном строительстве, для устройства перекрытий, сооружения ферм, лестниц, малых архитектурных форм, металлических конструкций различного назначения.
• С параллельными внутренними гранями полок. В маркировке после номера указывается буква «П». Индекс «а» свидетельствует о наличии усиленных полок. В соответствии с нормативом, высота стенки изделий находится в диапазоне 50-400 мм, ширина полки – 32-115 мм, толщина стенки – 4,4-8,0 мм, толщина полки – 7,0-13,5 мм. Этот тип швеллера имеет сферы использования, схожие с изделиями с уклоном внутренних граней полок. Профиль с параллельными внутренними гранями эффективен в тех случаях, когда сопряжение с другими частями конструкции происходит по внутренней поверхности изделия.

Таблица геометрических характеристик горячекатаного швеллера

Номер швеллера	Высота профиля, см	Ширина полки, мм	Толщина стенки, мм	Толщина полки, мм	Масса 1 м, кг
С уклоном внутренних граней полок
5У	5	32	4,4	7,0	4,84
6,5У	6,5	36	4,4	7,2	5,9
8У	8	40	4,5	7,4	7,05
10У	10	46	4,5	7,6	8,59
12У	12	52	4,8	7,8	10,4
14У	14	58	4,9	8,1	12,3
16У	16	64	5,0	8,4	14,2
16аУ	16	68	5,0	9,0	15,3
18У	18	70	5,1	8,7	16,3
18аУ	18	74	5,1	9,3	17,4
20У	20	76	5,2	9,0	18,4
22У	22	82	5,4	9,5	21,0
24У	24	90	5,6	10,0	24,0
27У	27	95	6,0	10,5	27,7
30У	30	100	6,5	11,0	31,8
33У	33	105	7,0	11,7	36,5
36У	36	110	7,5	12,6	41,9
40У	40	115	8,0	13,5	48,3
С параллельными гранями полок
5П	5	32	4,4	7,0	4,84
6,5П	6,5	36	4,4	7,2	5,9
8П	8	40	4,5	7,4	7,5
10П	10	46	4,5	7,6	8,59
12П	12	52	4,8	7,8	10,4
14П	14	58	4,9	8,1	12,3
16П	16	64	5,0	8,4	14,2
16аП	16	68	5,0	9,0	15,3
18П	18	70	5,1	8,7	16,3
18аП	18	74	5,1	9,3	17,4
20П	20	76	5,2	9,0	18,4
22П	22	82	5,4	9,5	21,0
24П	24	90	5,6	10,0	24,0
27П	27	95	6,0	10,5	27,7
30П	30	100	6,5	11,0	31,8
33П	33	105	7,0	11,7	36,5
36П	36	110	7,5	12,6	41,9
40П	40	115	8,0	13,5	48,3

Расчет табличного веса швеллера осуществляется с использованием среднего значения плотности различных марок стали – 7,85 г/см3.

Гнутый стальной швеллер: ГОСТ, сортамент, технические характеристики

Исходной заготовкой при производстве гнутого профиля является стальная горяче- или холоднокатаная полоса. Процесс изготовления проходит на профилегибочных агрегатах. Гнутый металлопрофиль можно отличить от горячекатаного по скругленным наружным углам и одинаковой толщине стенки и полок, которая не превышает 8 мм. При гибке устраняются некоторые поверхностные дефекты. В отличие от горячекатаной металлопродукции, которая выпускается только равнополочной, гнутая производится как равно-, так и неравнополочной. Сортамент равнополочных изделий определяется ГОСТом 8278-83, неравнополочных – ГОСТом 8281-80. Их ассортимент гораздо шире перечня горячекатаного проката П-образного профиля. Высота стенки равнополочного профиля – 25-410 мм, ширина полки – 26-65 мм, толщина стенки – 2-8 мм.

Из-за прочности, уступающей аналогичной характеристике горячекатаных металлоизделий, различные марки гнутого швеллера применяются в качестве дополнительных усиливающих элементов в металлоконструкциях, при проведении отделочных работ, мероприятий по реконструкции ветхих строений, в которых невысокая масса металла имеет решающую роль.

Заключение

Усиление швеллера при различных напряжениях и нагрузках требует особого подхода, изучающего их характер. Только так можно подобрать наиболее подходящий способ, который бы обеспечил высокую прочность конструкции. В каждом случае потребуется обязательное проведение расчётов, чтобы внесённые изменения не оказались ошибочными.

Данный онлайн-калькулятор предназначен для того, чтобы Вы могли легко и быстро подобрать размеры уголка в зависимости от приходящейся на него нагрузки. Особенность его в том, что на одной странице возможно сравнение равнополочных (ГОСТ 8509-93) и неравнополочных (ГОСТ 8510-86) уголков. Последние, в свою очередь, можно подбирать в зависимости от расположения его в пространстве, т.е. в зависимости от того, как он будет ориентирован относительно нагрузки.

Расчет уголков производится на изгиб и прогиб (по прочности и по деформациям) для следующих расчетных схем:

• Тип 1 – однопролетная шарнирно-опертая балка с равномерно распределенной нагрузкой. Пример: перемычка из уголка, которая несет плиты перекрытия и небольшую высоту кладки. (Подробнее о расчете перемычек из уголка см. этот калькулятор).

• Тип 2 – консольная балка с жесткой заделкой с равномерно распределенной нагрузкой. Пример: железобетонный козырек, выполненный с применением уголка, который жестко (с применением ребер жесткости, ограничивающих любые повороты) приварен к железобетонной стене.

• Тип 3 – однопролетная шарнирно-опертая балка с консолью с равномерно распределенной нагрузкой. Пример: тот же козырек, что и в предыдущей схеме, только здесь уголок с одной стороны заводится в стену, а с другой опирается на раскос (на рисунке синий).

• Тип 4 – однопролетная шарнирно-опертая балка с одной сосредоточенной силой. Пример: перемычка, на которую опирается одна балка перекрытия.

• Тип 5 – однопролетная шарнирно-опертая балка с двумя сосредоточенными силами. Пример: перемычка, на которую опираются две сосредоточенные силы.

• Тип 6 – консольная балка с одной сосредоточенной силой. Пример: козырек дома с кирпичной стенкой на нем, построенного в африканской республике (где никогда не выпадает снег) по фантазии африканского архитектора. Уголки этого козырька жестко заделаны в стену, так как описано во второй схеме.

Примечание: рассчитываемый уголок на рисунках с примерами окрашен в красный цвет.