Усиление металлических конструкций каркасных зданий и сооружений

9.4.1 Усиление металлических конструкций осуществляют с соблюдением следующих правил:

а) стальные и алюминиевые конструкции вследствие высокой прочности материала и способности к развитию пластических деформаций отличаются повышенной надежностью и сейсмостойкостью. Естественно, эта характеристика относится к конструкциям и сооружениям, грамотно спроектированным и качественно выполненным в натуре. В противном случае разрушение при экстремальных нагрузках неизбежно.

Следует отметить, что при нарушении правил эксплуатации стальных конструкций повреждение и даже их разрушение подготавливается, причем довольно быстро, коррозией металла. В этом плане многие алюминиевые конструкции меньше подвержены коррозионному воздействию;

б) необходимо иметь в виду, что серьезные повреждения в металлоконструкции часто не бросаются в глаза и обнаружить их можно лишь путем осмотра с близкого расстояния. Особенно это относится к узлам и стыковым соединениям. Поэтому обследование металлоконструкций должно выполняться специалистами и с большой тщательностью, так как металл, как правило, используется в наиболее ответственных конструкциях, разрушение которых ведет к особо тяжелым последствиям. В зданиях и сооружениях - это несущий каркас и конструкции покрытия;

в) усиление и восстановление металлических конструкций в сейсмических районах должны выполняться по проекту, разработанному квалифицированными специалистами. Восстановительные работы в простейших случаях могут быть проведены путем воссоздания ранее существовавшей конструкции с использованием типовых решений восстановления и рекомендуемых способов усиления. Металлоконструкция перед восстановительными работами должна быть максимально разгружена.

Перед принятием решения о способе восстановления конструкции используемый металл должен быть проверен на свариваемость по химическому составу, и определены его прочностные характеристики. При несвариваемости металла следует предусматривать соединение элементов конструкции на болтах;

г) работы по восстановлению и усилению металлических конструкций, как правило, менее трудоемки, чем аналогичные работы для каменных и железобетонных объектов, но к их выполнению должны привлекаться опытные рабочие монтажники;

д) обгоревшие металлоконструкции к дальнейшей эксплуатации не допускаются, а ме­талл после их демонтажа в строительстве не должен использоваться.

9.4.2 Металлические конструкции благодаря высокой прочности материала отличаются небольшими сечениями элементов и обычно сильно напряжены. Поэтому даже небольшие отклонения от проектных геометрических размеров и погнутость элементов недопустимы, так как создают дополнительные поля напряжений. Некачественный монтаж, в том числе мелкие ошибки в конструировании, ведут к образованию концентрации напряжений в определенных точках или зонах, а при сейсмическом воздействии влияние этих факторов усугубляется. Кроме того, следует иметь в виду, что при современной методике расчета в отдельных зонах или узлах материал металлоконструкций может работать на пределе расчетных характеристик по прочности.

9.4.3 Вследствие небольшого сечения элементов и высокого в них напряжения, наиболее опасным предельным состоянием в металлических конструкциях обычно является потеря устойчивости. Такой характер деформирования может иметь место как в масштабах конструкции в целом, так и в отдельном элементе, и в локальной зоне элемента или узла. Поэтому наиболее общим мероприятием при усилении металлоконструкции должны быть различные меры по повышению ее устойчивости.

9.4.4 В отличие от прочих конструкционных материалов, применяемых в строительстве, металл (сталь и алюминий) в одинаковой мере хорошо сопротивляется растяжению, сжатию и сдвигу. Металл способен к развитию значительных пластических деформаций, которые существенно повышают несущую способность грамотно спроектированной конструкции, в частности, при сейсмическом воздействии. Эти деформации способствуют релаксации высоких напряжений и перераспределению усилий в статически неопределимых системах и зонах, в том числе в узлах ферм и рам. Следует также отметить, что пластические деформации уменьшают устойчивость сильно сжатых элементов.

9.4.5 В узлах и стыках конструкции суще­ствует обычно сложное напряженное состояние. При нарушении технологии сварки здесь, помимо нежелательной концентрации термических напряжений, могут возникнуть зоны с хрупким состоянием металла и, как следствие, хрупкое разрушение, например, стыка.

Хрупкому разрушению обычной стали способствует также низкая температура, поэтому в северных районах необходимо применять металл специальных марок.

9.4.6 Как правило, наибольшие напряжения концентрируются в поверхностном слое элементов металлоконструкции. Поэтому даже поверхностные их повреждения недопустимы, а в эксплуатационном состоянии конструкции должны быть надежно защищены от коррозии.

9.4.7 Сталь является хорошим конструкционным материалом и, кроме того, в инженерной практике накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации металлических конструкций. Тем не менее, аварии случаются и с ними, так как конструкции из металла, в отличие от железобетонных и каменных, проектируются, как правило, статически определимыми. Поэтому у них сравнительно скромный резерв в перераспределении усилий, например, локальные повреждения (выход из строя одного из элементов или одной связи) влекут за собою потерю несущей способности всей конструкции, а если она является основным несущим элементом здания и сооружения, то может разрушиться и весь объект. Необходимо также напомнить и о низком нормативном «коэффициенте запаса» в современных металлоконструкциях, который принят таким ввиду сравнительно высокой однородности этого строительного материала.

9.4.8 Основные причины, приводящие к разрушению металлоконструкций, - это дефекты монтажа или изготовления, использование металла с характеристиками ниже проектных значений, ошибки проекта и, главным образом, неполный учет возможных нагрузок и недостаточная система конструктивных связей. Например, 60 % аварий происходит во время строительства, когда не все элементы конструкции собраны и замкнуты в стыках и узлах.

Статистика следующим образом оценивает факторы (непосредственные причины), вызвавшие разрушение металлоконструкций:

При землетрясении металлоконструкции ведут себя, как правило, надежно. В случае обрушения конструкции, рассчитанной на реальное сейсмическое воздействие, следует причиной этого события рассматривать не землетрясение, а дефекты конструирования или монтажа.

9.4.9 Понятие потери устойчивости очень разнообразно, но основной причиной является недостаточная жесткость сжатого элемента конструкции в плоскости, перпендикулярной действующему усилию. В результате этого происходит не предусмотренная расчетом деформация элемента, увеличиваются краевые напряжения, процесс деформации развивается, в результате чего элемент выключается из работы или разрушается. На рисунке 9.24 показана местная потеря устойчивости в виде смятия стенки цилиндрической колонны каркаса здания с образованием гофра на стенке оболочки от изгибающего момента, превышающего предельное значение момента сопротивления сечения колонны, а также показана потеря формы поперечного сечения двутавровой балки при действии на нее сосредоточенной силы без местного усиления полки двутавра, предусмотренного нормами.

а - смятие цилиндрической оболочки (трубы); б - деформация двутавровой балки от сосредоточенной; нагрузки; в - изгиб колонны под нагрузкой

Рисунок 9.24 - Местная потеря устойчивости металлической конструкции от чрезмерного изгибающего момента

9.4.10 При недостаточной жесткости сжимаемой конструкции или первоначальной ее деформации (например, стойки), возникшей при перевозке или во время выполнения монтажных работ, происходит потеря ее устойчивости из плоскости (рисунок 9.24). Чтобы избежать при сейсмическом воздействии подобного развития событий, конструкция должна быть рассчитана на продольный изгиб с учетом ее гибкости при определении соответствующей критической силы.

Аналогичный процесс при сейсмическом воздействии может происходить в металлических конструкциях покрытия. На рисунке 9.25 показана потеря обшей устойчивости элементов фермы в большепролетном покрытии, где деформация фермы из своей плоскости вызвана недостаточной прочностью поперечных связей или нарушениями, допущенными при монтаже покрытия.

а - фронтальный вид раскосной фермы; б - расположение ферм в плане со схемой потери устойчивости формы одной фермы из ее плоскости; 1 - вертикальные связи; 2 - фермы; 3 - форма потери

Рисунок 9.25 - Потеря общей устойчивости фермы в составе покрытия

4.11 Разрушение сварных швов происходит или непосредственно по шву в результате его среза, или по основному металлу конструкции в зоне шва вследствие возникновения концентрации напряжений, вызванных сваркой или хрупкостью металла. Такие дефекты, как правило, являются результатом неправильной технологии сварочных работ, применения неподходящей к конкретным условиям марки электродов или низкой квалификации сварщиков.

Разрушение по металлу как первопричина обрушения конструкции возникает в результате ее изготовления (даже отдельной ее части) из металла непрокатной марки или вследствие ошибки в расчете.

9.4.12 В отношении стальных конструкций понятие «восстановление» применимо лишь в небольшой мере, так как в основном это касается вспомогательных связей. Металлоконструкцию можно усилить, заменить новой, но восстанавливать разрушившийся элемент, как это делается обычно в каменной стене или в железобетонной конструкции, приходится редко, так как после разрушения даже одного стыка или элемента основной несушей конструкции, как правило, следует общее обрушение. Поэтому в настоящем пункте и в пп. 9.4.13 - 9.4.18 рассматриваются только способы усиления. Что же касается восстановления отдельных разрушившихся элементов, если в целом конструкция сохранилась, то она просто приводится в первоначальное проектное состояние, возможно с некоторым усилением.

9.4.13 Для уменьшения усилий в наиболее нагруженных или поврежденных элементах в существующую конструкцию вводят дополнительные несущие элементы. На рисунке 9.26, а показано подведение дополнительных балок, предназначенных для разгрузки существующих балок, а на рисунке 9.26, б показана схема устройства напрягаемой затяжки для уменьшения изгибающего момента в пролете балки.

Для разгрузки колонны каркаса при отсутствии домкратов используют способ подведения дополнительных преднапряженных стоек, которые состоят из вложенных одна в другую двух труб, сваренных по концам. Трубы должны быть сварены тогда, когда температура специально нагреваемой наружной трубы достигнет (400 - 500) °С, а потому после остывания внутренняя труба оказывается сжатой. Установив и раскрепив такую преднапряженную стойку, наружную трубу разрезают по окружности возле нижнего шва, после чего внутренняя труба, упертая в ригель, расширяясь, разгружает колонну. Затем наружная труба по разрезанному поясу сваривается накладками и также включается в работу. Такая процедура может быть выполнена также с помощью обычной стойки и домкрата. Во всех случаях должны быть предусмотрены страховочные мероприятия. На рисунке 9.26, г показано усиление фермы, повышающее несущую способность верхнего пояса в одном случае и опорного участка - в другом.

а - усиление с помощью дополнительных балок; б - усиление балки с помощью напрягаемой затяжки; в - схема подведения дополнительных преднапряженных стоек для разгрузки каркаса; г - усиление фермы введением дополнительных элементов в решетку; 1 - дополнительные разгружающие балки; 2 - талреп; 3 - дополнительные элементы решетки; 4 - сварка; 5 - преднапряженные стойки; 6 - крепления при монтаже; 7 - разрезка после установки стойки; 8 - внутренняя сжатая труба

Рисунок 9.26- Схема введения дополнительных несущих элементов в усиливаемую конструкцию

9.4.14 Усиление металлических конструкций часто выполняют установкой дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок и т.п. и применяют для восстановления или усиления пространственной системы большепролетных несущих металлоконструкций. Главное его предназначение - это дополнительное увеличение жесткости и устойчивости отдельных плоских конструкций и элементов, не связанных между собой, и объединение их в единую трехмерную систему. Установка дополнительных связей также способствует лучшему распределению усилий между плоскими несущими конструкциями, составляющими пространственную систему. Например, на рисунке 9.27, а показаны дополнительные ребра, повышающие устойчивость стенки сварной двутавровой балки. На рисунке 9.27, б приведена схема установки дополнительных вертикальных связей между фермами покрытия. Для увеличения общей жесткости покрытия в плоскости нижнего пояса ферм на рисунке 9.27, в показана схема устройства дополнительных связей.

9.4.15 При повреждении стыков, изменении конструктивной схемы, увеличении нагрузки на конструкцию и т.п. применяют усиление соединений элементов. Усиление соединений может осуществляться путем сварки или использования высокопрочных болтов, что во многих случаях предпочтительнее. На рисунке 9.28, а показано усиление двумя металлическими полосами сварного таврового профиля, изготовленного из листовых элементов. На схеме рисунка 9.28, б приведен вариант усиления стыка прокатных двутавровых балок с помощью накладок, приваренных к полкам и стенкам двутавра, а на рисунке 9.28, в показан способ усиления узла сварной фермы путем наращивания узловой фасонки для возможности увеличения длины сварных швов и соответственно увеличения жесткости узла.

9.4.16 Если необходимо повысить общую несущую способность конструкции широко применяют при восстановительных работах усиление сечения элементов. При этом должны соблюдаться следующие основные правила:

а) усиление сечения конструкции не должно нарушать ее центровку;

б) в растянутых элементах усиление должно быть доведено до узлов крепления;

в) усиление изгибаемых элементов достаточно выполнить на участках, перекрывающих участок максимальных моментов, при этом сварку по присоединению усиливающих элементов следует начинать с растянутой зоны;

г) внецентренно сжатые элементы должны быть усилены так, чтобы уменьшался эксцентриситет рабочего сечения;

д) варианты усиления сечения должны выбираться из соображений удобства ведения работ и технологичности сварки.

а - увеличение пространственной жесткости балки усиливающими ребрами; б - усиление ферм покрытия диагональными стяжками; в - схема усиления перекрытия полосами диагональных связей между фермами для увеличения горизонтальной жесткости; 1 - дополнительные ребра жесткости; 2 - дополнительные связи; 3 - фермы

Рисунок 9.27 - Усиление конструкции добавлением элемента жесткости и связи

а - усиление таврового стыка листовыми элементами; б - усиление стыка двутавровых балок накладками из листового металла; в - усиление узла сварной фермы путем наращивания фасонки; 1 - усиливаемое соединение; 2 - элементы усиления; 3 -усиливающие накладки

Рисунок 9.28 - Усиление стыка и соединительных элементов

Примеры усиления сжатых и изгибаемых элементов приведены на рисунке 9.29. Для ускоренного усиления металлического элемента, а также при отсутствии металла или сварочного оборудования используют деревянные брусья, которые жестко крепят хомутами или болтами, обеспечивающими их совместную работу. Усиление швеллерной балки возможно осуществить ее обетонированием с дополняющим арматурным каркасом, прикрепленным к балке; усиление элементов верхнего пояса металлической фермы несложно выполнить размещением между уголками сплошной полосы, которую соединяют прерывистой сваркой с двух сторон; при необходимости можно усилить выборочно элементы фермы при недостаточ­ном восприятии ими сейсмических и других нагрузок.

9.4.17 Изменение конструктивной схемы является наиболее радикальным способом увеличения несущей способности существующей конструкции. Это усиление связано с введением дополнительных несущих элементов и, как следствие, с изменением напряженного состояния основных частей конструкции.

На схемах рисунка 9.30 приведены простейшие примеры изменения первоначального проектного решения: введение подкосов изменяет характер напряжений в ригелях и стойках рамной конструкции; устройство шпренгеля позволяет эффективно уменьшить пролетный момент в балке, а создаваемое при этом осевое обжатие балки практически не существенно; установка опорной стойки в пролете фермы позволяет зна­чительно уменьшать напряжения в ее поясах и качественно изменять работу решетки (однако в последнем случае возникает необходимость усиления некоторых узлов и элементов).

Усиление конструкции с изменением схемы ее работы требует серьезного расчетного анализа. Тем не менее, этот способ отличается радом достоинств, основные из которых следующие:

- имеется возможность усилить всю конструкцию в целом;

- возникает возможность регулировать усилия в элементах конструкции и достичь наиболее благоприятного их распределения;

- можно использовать такое эффективное средство, как преднапряжение части или всей конструкции;

- способ применим при наличии в конструкции значительных остаточных деформаций, когда другие способы не могут привести к искомой цели;

- во многих случаях не требуется разгрузка усиливаемой конструкции;

- экономичность рассматриваемого метода усиления - сравнительно небольшая трудоемкость и малый расход материалов.

а - усиление металлического элемента деревянными брусьями: б - увеличение несушей способности швеллерной балки обетонированием (приведена схема армирования); в - усиление верхнего пояса и решетки фермы добавлением сплошной полосы между уголками; г - схема раскосной фермы с обозначением усиливаемых элементов стальными полосами или уголками; 1 - усиление стержней фермы полосовым металлом; 2 - усиливаемые стержни

Рисунок 9.29 - Усиление конструкции посредством увеличения сечения основного несущего элемента

а - введение дополнительных подкосов в рамный каркас; б - добавление шпренгеля в балочную конструкцию; в - введение дополнительной стойки в пролете фермы с усилением опорного узла и подкосов (раскосов); 1 - введены подкосы; 2 - введен шпренгель; 3 - подвешена колонна

Рисунок 9.30 - Усиление конструкции путем изменения первоначальной конструктивной схемы

9.4.18 При восстановлении или усилении металлических конструкций необходимо соблюдать следующие правила:

а) проект усиления должен выполняться специализированной (по металлоконструкциям) проектной организацией и должен включать раздел по технологии производства работ;

б) основанием для проектирования усиления металлоконструкции служат материалы натурных обследований, включающие дефектную ведомость со схемами повреждений и предварительные оценки состояния несущих элементов объекта;

в) обследование (освидетельствование) конструкции начинается с изучения имеющейся проектной документации и материалов по ее эксплуатации.

При натурных обследованиях тщательно измеряется каждый элемент конструкции. Сварные швы и прилегающая к ним зона металла осматривается с помощью лупы, причем эта зона на ширину до 20 мм должна быть расчищена от краски и ржавчины до металлического блеска. Высота сварного шва устанавливается с помощью специального шаблона (калибра);

г) работу по усилению следует выполнять при отсутствии временных нагрузок и при наружной температуре не ниже минус 15°С для обычной стали и не ниже минус 5°С для стали кипящей плавки.

Во всех случаях при усилении сварных конструкций под нагрузкой температура металла не должна быть ниже порога хладноломкости;

д) при усилении швов наплавкой напряжение в усиливаемом элементе не должно превышать 0,8 расчетного сопротивления стали, а с поверхности шва обязательно механическим способом должны быть удалены все дефекты;

е) запрещается применять комбинированные соединения, в которых часть усилий вос­принимается заклепками и болтами, а часть - сварными швами.