НАУКА-СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Усиление стропильных ферм покрытия может потребоваться: при увеличении нагрузок от покрытия; при возрастании снеговой нагрузки (например, в связи с пристройкой к существующему цеху более высокого здания, вследствие чего образуется снеговой мешок); в связи с креплением к фермам нового стационарного технологического оборудования (трубопроводов, галерей паровоздушного охлаждения, вентиляционного оборудования и т.д.); после установки новых или повышения грузоподъемности существующих подъемно-транспортных механизмов; в результате ослабления сечений элементов, вследствие механических или коррозионных повреждений при эксплуатации.

Необходимость усиления устанавливается в результате проведения проверочных расчетов стропильных ферм с учетом их фактического состояния. Расчет стержней производится в соответствии с указаниями [43]. Как было показано в гл. 1, наиболее характерным дефектом стропильных ферм является искривление стержней. Проверку устойчивости сжатых стержней, имеющих искривления, следует выполнять как внецентренно сжатых с расчетным эксцентриситетом е0, определяемым по формуле

Способы усиления ферм весьма разнообразны. Широко применяется традиционный, наиболее универсальный способ увеличения сечений стержней. При проектировании усиления элементов следует стремиться к сохранению центровки в узлах ферм. Если в результате усиления расцентровка превышает 1,5% высоты сечения стержня, то необходимо рассчитывать стержень с учетом момента от эксцентричного прикрепления в узле. Совместная работа существующего сечения и дополнительных усиливающих деталей обеспечивается креплениями в виде сварных швов, болтов повышенной и нормальной точности, высокопрочных болтов. Следует различать усиление сжатых и растянутых, прямолинейных и криволинейных стержней. При усилении сжатых стержней целесообразно располагать элементы усиления таким образом, чтобы максимально увеличить радиус инерции сечения; при этом элементы усиления могут не заводиться на фасонки, если обеспечена прочность неусиленных стержней. Элементы усиления растянутых стержней необходимо завести на фасонки на длину, достаточную для предан и воспринимаемого этими элементами усилия.

Схемы усиления прямолинейных стержней. Для сжатых стержней (с точки зрения увеличения радиуса инерции) рациональны типы а, в, г, ж, Наиболее удобно усилить стержень по типу б (два шва, выполняемые в нижнем положении), но при этом заметно смещается центр тяжести сечения и, кроме того, необходимость заведения уголка усиления на фасонку требует устройства в нем прорези. Усиление стержня, имеющего искривление в плоскости фермы по типу а, уменьшает эксцентриситет действия продольной силы и позволяет во многих случаях рассчитывать усиленный стержень как центрально-сжатый или растянутый. Усиление по Типу б применяется для срежней, имеющих искривление из плоскости фермы, и также приводит к уменьшению эксцентриситета.

Усиление сварных швов крепления стержней ферм в узлах может быть произведено увеличением длины и высоты шва (если позволяет толщина соединяемых элементов). Увеличить длину швов можно устройством дополнительных фасон. Если напряжение в шве с учетом уменьшения его расчетной длины вследствие выключения из работы расплавленного участка сварного шва в момент усиления меньше расчетного сопротивления то целесообразно усилить соединение увеличением высоты шва.

Усиление узлов клепаных ферм. Если позволяет качество металла, целесообразно выполнить усиление с помощью сварных швов. При невозможности выполнить такое усиление следует передать усилие со стержня на уголковый коротыш и затем на фасонку через болты повышенной точности.

Способом изменения конструктивной схемы можно усилить как отдельные стержни, так и ферму в целом. Усиление сжатых стержней ферм постановкой шпренгелей, уменьшающих расчетную длину стержней. Такой метод усиления повышает устойчивость стержней только в плоскости фермы и его следует применять при незначительном увеличении усилий в стержнях. Растянутые стержни фермы (прежде всего растянутый пояс)    можно   усилить   предварительно   напряженной   затяжкой.

Рационально применять способы изменения конструктивной схемы фермы, повышающие несущую способность нескольких или всех стержней фермы. Изменение конструктивной схемы фермы позволяет регулировать усилия в ее элементах, распределяя их наиболее   благоприятным   образом.   Применение   этого   метода целесообразно при значительном увеличении нагрузок на всю конструкцию, т.е. при необходимости общего усиления фермы. Возможности регулирования усилий возрастают с применением предварительного напряжения.

Следует отметить, что использование способа изменения конструктивной схемы в целях общего усиления фермы обычно вызывает  необходимость усиления отдельных элементов решетки, поясов и соединений методом увеличения их сечений. Рациональное сочетание этих способов, позволяющее получить экономичное по расходу стали и трудоемкости изготовления конструктивное решение — одна из главных задач проектировщика.

Наиболее просто изменить конструктивную схему стропильных ферм, обеспечив их неразрезность на опорах. В результате уменьшаются усилия в средних панелях поясов ферм, но увеличиваются усилия в опорных раскосах и опорных панелях. При этом возможно появление сжатия в опорной панели нижнего пояса ферм, что вызывает необходимость закрепления этой панели из плоскости с помощью распорок. Эффективно при этом включение в работу стропильных ферм фонарей, расположенных по средним рядам колонн, При этом может потребоваться усиление элементов фонарей.

При установке новых или повышении грузоподъемности существующих подвесных кранов целесообразно установить вертикальные связи между фермами по всей длине здания, которые перераспределят нагрузку от кранов между фермами, и при определении усилий в элементах фермы учесть пространственную работу покрытия.

Во многих существующих зданиях стропильные фермы изготовлены из кипящей стали, что не допускается действующими нормами из-за опасности хрупкого разрушения [43]. Установка вертикальных связей по всей длине цеха резервирует систему конструкций покрытий и поэтому указанный прием рекомендуется применять для повышения надежности стропильных ферм, эксплуатирующихся в неотапливаемых зданиях.

Способы изменения конструктивной схемы стропильных ферм, с помощью которых создаются новые комбинированные системы. Выбор того или иного способа в значительной степени определяется условиями эксплуатации и конструктивными особенностями существующего покрытия (наличие мостовых или подвесных кранов, тип фермы и т.д.). При наличии свободного пространства под фермой целесообразно использовать схему а (усиление с помощью шпренгелей). Если в здании имеются мостовые краны, можно произвести усиление по схеме б, но   при   этом   снижается   эффективность  шпренгельных  систем.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, перспективно применение комбинированных систем с использованием гибких элементов (вант, гибких и жестких нитей, подвесок), располагаемых сверху стропильных ферм (схемы б, гЬ К числу достоинств усиления этих типов относится проведение работ в условиях, не ограниченных действующим производством, а также применение элементов, которые работают на растяжение.

Эффективность усиления по типам в, г снижают следующие факторы: необходимость вскрытия кровли, сложность восприятия распора, защита от коррозии элементов усиления, находящихся на открытом воздухе. Эффективность усиления по типам а—г может быть повышена активным регулированием усилий в фермах с помощью предварительного напряжения шпренгелей, а также элементов висячих и вантовых покрытий, но при этом увеличивается трудоемкость работ по изготовлению и монтажу конструкций, возникают трудности, связанные с контролем напряжения в процессе производства работ и эксплуатации. На схеме показано усиление стропильной фермы аркой с подвесками. Так как арка работает на сжатие, то необходимо обеспечить ее устойчивость из плоскости системой связей. При усилении этого типа более просто решается вопрос о восприятии распора.

Разработанный и внедренный при реконструкции мартеновского цеха металлургического завода метод усиления стропильных ферм введением предварительно напряженных вант отличается сравнительной простотой, не требует разгрузки существующих конструкций и остановок технологического процесса, позволяет при дальнейшей эксплуатации регулировать напряжения в элементах конструкций в соответствии с их фактической несущей способностью

Сущность метода (авт. свид. № 775279) состоит в следующем. Существующие колонны / наращиваются заранее изготовленными элементами 3. К коньковому узлу существующей стропильной фермы 2 прикрепляют поэлементно стрелу 4, при этом нижний пояс фермы / не касается внутренних граней стрелы 4. На последнюю заводится и временно закрепляется ползунок 5. Предварительно вытянутые ванты 6 заводятся в пазы ползунка и закрепляются в проектном положении на концах элементов. В отверстия ползунка крепится грузовая платформа 7. Временное закрепление ползунка снимается; грузовая платформа висит на вантах, ползунок имеет возможность свободно скользить по направляющим стрелы. Тарированными грузами платформа загружается до расчетной величины. Ползунок закрепляется на стреле в проектное положение. Грузовая платформа разгружается, причем тарированные грузы убирают слоями. Грузовая платформа снимается. Все операции по натяжению и закреплению вант длятся 3,5—4 ч. Контроль натяжения вант может осуществляться одно- и многоязыковыми частотомерами.

В период дальнейшей эксплуатации при уменьшении фактической несущей способности элементов существующих конструкций или увеличении нагрузок на стропильные фермы при ремонте и замене кровли расчетное разгружающее усилие может быть увеличено за счет применения более мощных вант. Этот метод может найти применение при реконструкции и усилении конструкций одноэтажных промышленных зданий с достаточным свободным подферменным пространством.

Проверка несущей способности растянутых и внецентренно растянутых стержней стропильных ферм, усиленных под нагрузкой способом увеличения сечений, производится в упругой стадии, если они изготовлены из кипящей стали или эксплуатируются при температуре ниже—30° С, а также в зданиях с подвесными кранами. За критерий несущей способности принимается достижение напряжениями в основном металле значения расчетного сопротивления, и в этом случае принимать сталь усиления более высокой прочности, чем сталь существующих элементов фермы, становится нецелесообразным. Прочность усиленного стержня проверяется по формуле

Если в результате усиления произошло смещение центра тяжести сечения стержня, его следует рассчитывать как внецентренно растянутый с эксцентриситетом е, равным расстоянию от первоначальной оси стержня до центра тяжести усиленного сечения. Прочность усиленного стержня проверяется по формуле

Если фермы изготовлены из сталей, отвечающих требованиям действующих норм [43], а также эксплуатируются при температуре выше — 30°С под действием статической нагрузки, то расчет растянутых (внецентренно растянутых) стержней, усиленных под нагрузкой способом увеличения сечений, можно производить в упругопластической стадии, В этом случае за критерий несущей способности принимается достижение напряжениями в металле усиления значения расчетного сопротивления (тем самым допускается развитие пластических деформаций в основном металле) . Если расчетное сопротивление металла усиления не более чем на 15% превышает расчетное сопротивление материала существующих элементов, проверку прочности растянутых стержней можно выполнить по формуле

Если расчетное сопротивление металла усиления более чем на 15% превышает расчетное сопротивление основного металла, то проверку прочности растянутых (внецентренно растянутых) стержней, усиленных под нагрузкой, следует выполнять с учетом разных расчетных сопротивлений (как бистальных стержней).

При проверке несущей способности сжатых стержней, усиленных под нагрузкой способом увеличения сечений, исходим из того, что потеря устойчивости может произойти только для всего усиленного стержня (так как сварные швы или другие крепления, которые связывают элементы усиления с существующими уголками, обеспечивают их совместную работу). Работа сжатых стержней, усиленных под нагрузкой, отличается от работы стержней, нагружаемых с нуля. Это объясняется более ранним появлением пластических деформаций в сечении усиленного стержня, увеличением эксцентриситета из-за большей   деформативности стержня до усиления (для внецентренно сжатых стержней), а также из-за влияния остаточных сварочных деформаций. В результате критические напряжения потери устойчивости стержня, усиленного под нагрузкой, могут оказаться ниже критических напряжений стержней, нагружаемых с нуля. Влияние этих факторов можно учесть коэффициентом условий работы, который в соответствии с [43] рекомендуется принять 0,8. Подробно вопросы работы и расчета сжатых стержней, усиленных под нагрузкой, рассмотрены в [38].

Проверку устойчивости стержня из плоскости обычно производить не требуется. При необходимости она выполняется в соответствии с указаниями норм.

Сварные швы крепления элементов усиления в узлах должны быть рассчитаны на усилие, воспринимаемое этими элементами. Сварные швы, усиленные наплавкой или увеличением длины, рассчитываются из условия выравнивания в них напряжений на полное расчетное усилие N, действующее в усиленном стержне. При этом расчетное сопротивление единого сварного шва принимается меньшее из двух значений расчетных сопротивлений существующего сварного шва и шва усиления. Сварные швы усиления клепаных узлов следует рассчитывать на усилие, возникающее в стержне фермы от нагрузок, приложенных после усиления (существующие заклепки не учитываются)

Болты повышенной точности, передающие усилие со стержня фермы через уголковый коротыш на узловую фасонку, рассчитывают на усилие от нагрузок, приложенных после усиления, увеличенное на 20%. Тем самым учитывается увеличение усилия на болты вследствие передачи нагрузки с эксцентриситетом.

Усилия в стержнях стропильных ферм, усиленных способом изменения конструктивной схемы, определяются в две или три стадии: на первой — усилия в стержнях стропильной фермы находятся в соответствии с существующей расчетной схемой на нагрузки, приложенные до усиления; на второй — вычисляются усилия в стержнях по новой расчетной схеме как в статически неопределимой системе на нагрузки, приложенные после усиления.

В случае применения элементов усиления с предварительным напряжением также должны быть вычислены усилия в стержнях от силы предварительного напряжения. Расчетные усилия в стержнях находятся суммированием усилий, определенных на всех указанных стадиях работы конструкций.

 Крыши и кровли. Типы и конструкции крыш

 Стропила. Изготовление стропил. Мауэрлаты

 МОНТАЖ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ. Металлические конструкции ...

 Каркасные здания. Связи по поясам ферм. Ригели, распорки и ...

 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФЕРМЫ. Сигма-профили RANNILA. Термопрофиль. Стальной ...

 Скелет крыши стропильный каркас. Обрешетка. Стропила

 Монтаж высотных сооружений. Монтаж башен и вышек. МОНТАЖ СПОСОБОМ ...