Пособие по проектированию усиления стальных конструкций

.

В. Проверка устойчивости колонны на действие комбинации усилий, нагружающих наружную ветвь.

Для нахождения сварочного прогиба наружной ветви определим продольную силу , действующую на ветвь во время усиления, и коэффициент , учитывающий влияние этой силы на сварочный прогиб

;

.

Здесь =3,14·20600·3889/150=35106 кН.

По формуле (37) вычислим сварочный прогиб

.

Ввиду малости прогиба определяем как для центрально-сжатого стержня.

Гибкость ветви =150/4,9=30,6.

По #M12293 0 9056425 4120950664 26141 1077161519 1937859743 1230693927 3867534463 166698719 1088328табл.73 СНиП II-23-81#S* находим =0,923.

Для определения коэффициента вычислим относительный эксцентриситет

*.

Здесь =240000/3500+1,26=69,8* см.

* Формулы соответствуют оригиналу. - Примечание "КОДЕКС".

Поскольку величина практически не изменилась, оставляем =1,07; по #M12293 0 9056425 4120950664 26143 1077161519 2225 3003152344 86042420 1038090015 1901163503табл.75 СНиП II-23-81#S* находим =0,486 и проверяем устойчивость колонны

.

Устойчивость колонны в плоскости рамы обеспечена.

Пример 8

Двутавровая балка рабочей площадки с сечением поясов 300х20 мм и стенки 120х10 мм изготовлена из стали с расчетным сопротивлением =210 МПа. Балка несет постоянную нагрузку от собственного веса оборудования, соответствующий изгибающий момент в ней =1000 кН·м.

При изменении технологии на балку передается дополнительный изгибающий момент =2000 кН·м. Усиление решено выполнить без демонтажа ранее установленного оборудования по схеме рис.6.

Рис.6. К расчету (пример 8)

Геометрические характеристики неусиленного сечения:

, ; ; .

Необходимость усиления следует из проверки

МПа.

Уровень начального нагружения:

; .

Для конструкции IV класса <0,8, т.е. усиление под нагрузкой возможно.

По рис.6 имеем:

; ; .

Материал элемента усиления - сталь марки 09Г2С с расчетным сопротивлением =290 МПа, коэффициент =290/210=1,38.

Определяем площади сжатой и растянутой зон:

; .

Предельный изгибающий момент в пластическом шарнире определяется по формуле (45) при =0,95:

.

Для среднего сечения , и по формуле (42) имеем:

.

Пример 9

На стойку из двутавра N 20, поддерживающую рабочую площадку, действует продольная сила =200 кН и изгибающий момент =15 кН·м. Расчетные длины стойки: =6,6 м и =1,9 м. Материал стойки имеет расчетное сопротивление =205 МПа.

После реконструкции расчетные комбинации нагрузок на стойку будут давать усилия и моменты:

1-я	комбинация	-	=500 кН,	=20 кН·м;
2-я	"	-	=350 кН,	=-40 кН·м.

Схема усиления принята симметричной по рис.7 с приваркой швеллеров N 12 из стали марки Вст3пс6-2 с расчетным сопротивлением =270 МПа (=270/205=1,32).

Геометрические характеристики сечения:

до усиления

; ; ;

; ; ;

после усиления

; ; ;

; ; .

Определяем параметры деформированной схемы, относящиеся к исходному состоянию:

; ;

.

Уровень начального нагружения определяется напряжением

;

=180,2/205=0,879>0,8 - для выполнения работ по усилению требуется разгрузить стойку или временно ее раскрепить (принято последнее).

Определяем приведенное расчетное сопротивление по формуле (49):

;

;

.

Сварные швы, крепящие элементы усиления, рассчитываем на условную поперечную силу:

; ;

; .

Принимаем шаг шпоночного шва =50 см<40·1,53=61,1 см.

Сдвигающее усилие вычисляем по формуле (29)

.

Минимальная длина участка шпоночного шва при =0,4 см:

.

Принимаем =5 см.

Определяем остаточный сварочный прогиб элемента:

;

; ;

; ;

;

;

;

;

.

По формуле (37) находим:

.

Деформации, возникающие за счет прижатия элементов усиления, учтем по формуле (36):

.

Определяем расчетные эксцентриситеты:

по комбинации 1

;

;

по комбинации 2

;

.

Проверяем устойчивость элемента в плоскости изгиба по формуле (46). Приведенная гибкость

;

по комбинации 1

;

;

;

;

по комбинации 2

;

;

;

.

Устойчивость из плоскости действия момента проверяется по #M12293 0 9056425 81 24882 4179239484 2822 86042440 1038090015 980596338 961166736п.5.30 СНиП II-23-81#S*:

по комбинации 1

; ; ;

;

по комбинации 2

; ;

.

Пример 10

Расчет выполнен для подкрановых балок открытой крановой эстакады копрового цеха. Колоннада построена в 1962 г., шаг колонн 12 м, эксплуатируются магнитно-грейферные мостовые краны грузоподъемностью =15 т. Ниже приведены технические характеристики мостовых кранов и подкрановых балок.

А. Расчет балки по #M12291 9056425СНиП II-23-81#S*.

	Рельс Р-43
	-60х2,2	=1200 см
	-160х1,4	=150 см
	-60х2,2	=2214356,6 см	=42 m	, кН/см	, кН/см

Нормальное напряжение в нижнем поясе	9,25	21
Касательное напряжение в сечении	1,63	12,76
Приведенные напряжения в стенке балки согласно (#M12293 0 9056425 24257 24886 4294967262 2758076129 93866219 3602316470 2728579231 778114166п.13.34 СНиП II-23-81#S*)	12,96	25,3
Расчет выносливости стенки балки (#M12293 0 9056425 24257 24887 4179239484 2822 804310600 1142204939 93866241 3602315212п.13.35 СНиП II-23-81#S*)	6,42	7,65

Согласно расчету прочность и выносливость обеспечены. Однако в этих балках после шести лет эксплуатации были обнаружены усталостные трещины.

Б. Проверим выносливость балки по разработанной методике.

В результате исследования выявлены среднестатистические характеристики крановых нагрузок:

;

.

Оценим нагруженность верхней зоны стенки по приведенным напряжениям с учетом приведенных выше зависимостей:

; ; ; ; ;

.

Из уравнения кривой усталостных отказов определим расчетный ресурс балки, соответствующий ее нагруженности

.

Накопленное за шесть лет эксплуатации балок при интенсивности выпуска продукции 1158,737 тыс. т/год число циклов нагружений =2·1039·1158,737 тыс. т =2,4·10.

Поскольку , то повреждения появились вполне закономерно и обусловлены прежде всего условиями технологической нагруженности.

В. Оценим допустимую нагруженность балки в заданных условиях эксплуатации с учетом требуемой долговечности.

Пусть требуемый ресурс балок с учетом наращивания объемов выпуска продукции после выхода пролета на проектную мощность за счет интенсификации производства и соответственно повышения интенсивности эксплуатации конструкций при прогнозируемом сроке эксплуатации 30 лет равен =8,36·10 циклов.

Определим расчетное сопротивление балки по выносливости с учетом требуемого ресурса и долговечности, преобразовав выражение для

.

Пути снижения нагруженности могут быть разными: увеличение числа катков и соответственно снижение давлений , использование рельсов повышенной жесткости по и низкомодульных прокладок, увеличение металлоемкости верхней зоны балки или шага колонн с постановкой фахверковых промежуточных стоек между колоннами и т.д.

Обеспечим долговечность за счет постановки крана с четырехкатковой базой и применения рельса КР-100, в результате нормативное давление понизится в два раза и составит =21 т, соответственно =16,8; =765 см, что в два раза больше, чем у рельса Р-43 и соответственно =490 кг/см.

.

Долговечность обеспечена, т.е. исключены все затраты на ремонт и замену балок сроком на =30 лет.

Пример 11

Принято решение об установке низкомодульных упругих прокладок на подкрановой балке пролетом 6 м под кран грузоподъемностью =300/50 кН.

Требуется оценить местные напряжения в стенке подкрановой балки. Размеры элементов:

верхний пояс - 450х18 мм;

стенка - 1240х10 мм;

расстояние между ребрами жесткости - 1500 мм;

крановый рельс - КР-70.

Расчетное давление на колесо =260 кН.

Геометрические характеристики: =21,9 см; =87,5 см; =1082 см; =253 см.

Для варианта без прокладки по #M12293 0 9056425 24257 24886 4294967262 2758076129 93866219 3602316470 2728579231 778114166п.13.34 СНиП II-23-81#S* имеем:

;

;

;

;

.

Для варианта с прокладкой, конструкция которой принимается в соответствии с давлением колеса крана по #M12293 0 9056425 4120950664 24257 2822853135 2326092282 3464 1184421 85 3464табл.13 СНиП II-23-81#S*. (Тип II =6 мм, =1 мм). Для рельса КР-70 выбираем резину с =80, для нее =3,7 кН/см (резина на основе каучука СКН-40).

По формуле (85) находим:

.

По табл.14 настоящего Пособия для =1,5 м и =3,7 определяем =0,41. =0,41·36,6=15 МПа; =32,4+15=47,4 МПа, что соответствует только 42% напряжения для конструкции без упругой прокладки.

Пример 12

Подкрановые балки цеха листового и трубного производства эксплуатируются 8 лет, пролет обслуживается двумя кранами грузоподъемностью 80 и 20 т режима 7к. При обследовании в балках обнаружены усталостные трещины в верхней зоне.

Исходные данные для расчета приведены ниже.

			Рельс КР-80	=1500
	Лист	-550х25 мм		Ребра - 120х8
		-1600х14 мм		=2293296 см
	"	-550х25 мм		=673 см
		=12000 мм		=387 см
	=9100 мм =800 мм		=5350 мм =420 кН

Расчет верхней зоны стенки на выносливость осуществляется в соответствии с #M12293 0 9056425 24257 24887 4179239484 2822 804310600 1142204939 93866241 3602315212п.13.35 СНиП II-23-81#S*: =2433 кН·м; =224 кН; =33,6 кН; =336 кН.

Местный крутящий момент с учетом фактического эксцентриситета (по результатам обследования =30 мм)

;

; ; ;

;

Выносливость верхней зоны стенки не обеспечивается, следовательно, появление в ней трещин является закономерным.

Из расчета видно, что доля напряжений от местного кручения составляет 29%, таким образом, исключение стенки из работы на местное кручение является целесообразным.

Применяем схему усиления (по рис.6, е). Исходя из шага поперечных ребер жесткости назначается =1/8=188 мм. Принимаем =200 мм. В соответствии с #M12293 0 9056425 83 24572 4294967262 1537392623 980591961 1336436757 891977297 1759358610п.7.24 СНиП II-23-81#S* 15 (для стали марки ВСт3сп5); =200/15=13,3 мм.

Принимаем =14 мм.

Учитывая расположение отверстий для крепления рельса, =100 мм.

Напряжение в шве, прикрепляющем ламель к ребру жесткости,

.

После усиления крутящий момент определяем по формуле

;

; ; ; ;

; ; ; ; ;

;

;

.

Определим расчетный ресурс

.

По табл.10 =1,9 млн циклов.

По данным исследования число проходов крана на наиболее нагруженном участке составляет 382 тыс. в год. На концевой балке крана расположены две пары колес, но так как расстояние между колесами в паpe меньше расстояния между поперечными ребрами жесткости, то один проход крана следует считать за два цикла загружения. Количество циклов загружения в год =382000·2=764000.

При расчетном ресурсе =1,9 млн долговечность соединения ламели с ребром составляет около 2,5 лет, что достаточно для изготовления новых балок.

Для выполнения проверки выносливости верхней зоны стенки определяются изменившиеся геометрические характеристики балки. =2716478 см; =495 кг/см.

Напряжения от местного кручения определяются по формуле (71)

.

Снижение локальных напряжений незначительно и в расчете не учитывается.

По формуле (148) #M12291 9056425СНиП II-23-81#S* получим 2,493+2,526+0,827=5,846<7,65 кН/см=.

Требование по выносливости выполняется. В результате усиления напряжения снижены почти на 40%.

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Справочное

Основные буквенные обозначения величин

,	-	расчетные площади сечения брутто и нетто;
	-	приведенная площадь сечения с учетом коррозии;
,	-	площади неусиленного сечения брутто и нетто;
,	-	площади сжатой и растянутой зон неусиленного сечения в пластическом шарнире;
,	-	площади сечения элементов усиления брутто и нетто;
,	-	площади сжатой и растянутой зон элементов усиления в пластическом шарнире;
,	-	расчетные моменты инерции сечения брутто относительно осей и ;
,	-	то же, сечения нетто;
,	-	моменты инерции неусиленного сечения брутто относительно осей и ;
,	-	то же, сечения нетто;
,	-	моменты инерции сечения брутто элементов усиления относительно их собственных центральных осей;
,	-	изгибающие моменты относительно осей и , действующие на неусиленное сечение во время работ по усилению;
,	-	то же, вычисленные по недеформированной схеме;
	-	продольная сила;
	-	то же, при выполнении работ по усилению;
	-	продольная сила, действующая на неусиленное сечение в момент измерения стрелки погиби;
	-	эйлерова сила для неусиленного стержня ();
	-	часть продольной силы, воспринимаемой элементами усиления;
	-	расчетное сопротивление стали усиливаемого (существующего) элемента сдвигу;
	-	расчетное сопротивление усиливаемого (существующего) элемента растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению стали;
	-	временное сопротивление стали усиливаемого (существующего) элемента разрыву;
,	-	расчетные сопротивления угловых швов срезу (условному) по металлу шва и металлу границы сплавления соответственно;
	-	нормативное сопротивление металла шва по временному сопротивлению;
	-	расчетное сопротивление стыковых сварных швов;
	-	предел текучести стали усиливаемого (существующего) элемента;
	-	расчетное сопротивление стали усиливаемого (существующего) элемента растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;
	-	расчетное сопротивление стали элементов усиления по пределу текучести;
	-	осредненное значение расчетного сопротивления усиленного элемента;
	-	статический момент сдвигаемой части сечения элементов усиления относительно нейтральной оси;
	-	расчетная отрицательная температура эксплуатации;
,	-	критическая температура хрупкости и ее смещение при коррозионных повреждениях;
	-	сдвигающее усилие в шпоночном шве;
	-	параметр продольного укорочения элемента от наложения сварного шва;
	-	момент сопротивления неусиленного сечения;
	-	приведенный момент сопротивления с учетом коррозии;
	-	стрелка прогиба ненагруженного стержня;
	-	стрелка прогиба стержня в момент измерения под нагрузкой ;
	-	прогиб, вызываемый присоединением элементов усиления;
	-	остаточный прогиб, вызываемый приваркой элементов усиления;
	-	коэффициент перехода от стрелки прогиба к эксцентриситету силы;
,	-	коэффициент слитности сечения по площади и моменту сопротивления;
,	-	коэффициенты приведения расчетных сопротивлений бистального сечения;
,	-	относительные стрелки прогибов в направлении осей и ;
	-	отношение расчетных сопротивлений ();
	-	уровень начального нагружения;
,	-	коэффициенты для расчета углового шва соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления;
	-	коэффициент условий работы;
	-	коэффициент надежности по назначению;
	-	коэффициент надежности по материалу;
	-	коэффициент надежности по нагрузке;
	-	коэффициент снижения расчетного сопротивления за счет коррозии;
	-	коэффициент надежности по материалу шва;
,	-	дополнительные коэффициенты надежности, учитывающие особенности напряженного состояния и способ выполнения усиления;
	-	норма пластической деформации;
	-	гибкость ();
	-	условная гибкость ();
	-	приведенная гибкость стержня сквозного сечения;
	-	условная приведенная гибкость стержня сквозного сечения ();
	-	коэффициент снижения расчетных сопротивлений при внецентренном сжатии.

СПИСОК СПРАВОЧНЫХ ДОКУМЕНТОВ

Государственные стандарты и стандарты СЭВ

11.	#M12293 0 1200018610 0 0 0 0 0 0 0 0ГОСТ 263-75* (СТ СЭВ 1198-78). Резина. Метод определения твердости по Шору А#S.
22.	#M12293 0 1200004888 3271140448 2188899108 4292200620 2530445852 4294961312 4293091740 2954801880 247265662ГОСТ 1497-84*. Металлы. Методы испытания на растяжение#S.
33.	ГОСТ 1759-70** (СТ СЭВ 607-77, СТ СЭВ 1018-78). Болты, винты, шпильки и гайки. Технические требования.
44.	#M12293 0 1200005473 3271140448 3402208594 247265662 4291638981 557313239 2960271974 3594606034 4293087986ГОСТ 5639-82* (СТ СЭВ 1959-79). Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна#S.
55.	#M12291 1200008771ГОСТ 7564-73* (СТ СЭВ 2859-81). Сталь. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов механических и технологических испытаний#S.
66.	#M12291 1200004370ГОСТ 7565-81* (СТ СЭВ 466-77). Чугун, сталь и сплавы. Метод отбора проб для химического состава#S.
77.	#M12291 1200003914ГОСТ 7805-70* (СТ СЭВ 4727-84). Болты с шестигранной головкой класса точности А. Конструкция и размеры#S.
88.	#M12291 1200005045ГОСТ 9454-78* (СТ СЭВ 472-77, СТ СЭВ 473-77). Металлы. Метод испытаний на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах#S.
99.	#M12293 0 1200005781 3271140448 3931565819 4294961312 4293091740 2590908801 247265662 9291973 557313239ГОСТ 10243-75* (СТ СЭВ 2837-71). Сталь. Метод испытаний и оценки макроструктуры#S.
110.	#M12291 1200012873ГОСТ 18321-73* (СТ СЭВ 1934-79). Статистический контроль качества. Методы случайного отбора выборок штучной продукции#S.
111.	#M12291 1200004648ГОСТ 18442-80*. Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования#S.
112.	#M12293 0 1200004613 3271140448 464967852 2391078056 4294961312 4293091740 1114636637 247265662 4291638981ГОСТ 22536.1-77*. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения содержания общего углерода и графита#S.
113.	#M12293 0 1200005451 3271140448 464967852 2422037199 4294961312 4293091740 1083677493 247265662 4291638981ГОСТ 22536.2-87. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения серы#S.
114.	#M12293 0 1200004614 3271140448 464967852 2452996344 4294961312 4293091740 4209874763 247265662 4291638981ГОСТ 22536.3-77*. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Метод определения содержания фосфора#S.
115.	#M12291 1200004615ГОСТ 22536.4-77*. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения содержания кремния#S
116.	#M12291 1200005448ГОСТ 22536.5-87. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения содержания марганца#S.
117.	#M12291 1200004616ГОСТ 22536.6-77*. Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Метод определения содержания мышьяка#S.
118.	#M12293 0 1200008817 0 0 0 0 0 0 0 0ГОСТ 22762-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара#S.
119.	#M12291 1200004622ГОСТ 25546-82. Краны грузоподъемные. Режимы работы#S.
220.	#M12291 1200013310ГОСТ 25997-83. Сварка металлов плавлением. Статистическая оценка качества по результатам неразрушающего контроля#S.

Нормативные документы

21.	#M12293 0 871001015 2950979515 77 23946 2589552133 2685059051 3363248087 4294967268 584910322СНиП 1.06.05-85. Положение об авторском надзоре проектных организаций за строительством предприятий, зданий и сооружений#S.
22.	#M12291 5200280СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия#S.
23.	#M12291 871001005СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии#S.
24.	#M12291 5200092СНиП 2.09.02-85. Производственные здания#S.
25.	#M12291 871001214СНиП 2.09.03-85. Сооружения промышленных предприятий#S.
26.	#M12293 0 9056425 3704477087 1888825905 2685059051 3363248087 4294967268 584910322 2351242664 31815СНиП II-23-81*. Стальные конструкции#S.
27.	#M12293 0 871001075 3704477087 930834355 2685059051 3363248087 4294967268 584910322 2351242664 9990011СНиП III-18-75. Металлические конструкции#S.
28.	#M12291 1200007864ТП 101-81*. Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов#S.
29.	#M12291 1200006349Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов#S.

Положения, пособия, рекомендации

30.	#M12293 0 9029889 1280084117 4294967274 3958751896 3001010534 3267196128 2176262972 254088419 3924172945Положение о проведении планово-предупредительного ремонта производственных зданий и сооружений#S /Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1974.
31.	Рекомендации по учету влияния дефектов и повреждений на эксплуатационную пригодность стальных конструкций производственных зданий. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, 1987.
32.	Рекомендации по расчету стальных конструкций на прочность по критериям ограниченных пластических деформаций. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, 1985.
33.	Рекомендации по обследованию и методике оценки технического состояния стальных конструкций производственных зданий. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1987.
34.	Пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций (к СНиП II-23-81*) /ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1984.
35.	Рекомендации по кодированию информации о дефектах и повреждениях металлических конструкций. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, 1984.
36.	Рекомендации по оценке монтажной технологичности проектных решений усиления стальных конструкций в реконструируемых производственных зданиях ВНИПИпромстальконструкция /ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова. - М.: 1987.