НАУКА-СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Дополнительные резервы несущей способности могут быть выявлены учетом индивидуальных особенностей реконструируемого здания: места постройки, конкретной технологии производства, особенностей конструктивного решения, прочности стали. Учет этих конкретных обстоятельств может привести к уменьшению расчетных значений технологических, снеговых и ветровых нагрузок, повышению расчетного сопротивления стали, снижению расчетных усилий в конструкциях.

Как уже отмечалось, за последние годы Нормы значительно снизили расчетные вертикальные нагрузки от мостовых кранов, Учитывая универсальный характер норм, коэффициент надежности вертикальной крановой нагрузки %р = 1/1 следует считать близким к минимально возможному. Тем не менее возможности снижения расчетных вертикальных нагрузок от мостовых кранов при реконструкции во многих цехах далеко не исчерпаны. Об этом свидетельствуют значения коэффициентов надежности, определенные на основании статистической обработки, результатов натурных испытаний в цехах заводов тяжелого машиностроения и металлургических, Возможности снижения расчетных вертикальных нагрузок от кранов определяются особенностями технологического процесса. Нередко на заводах используются мостовые краны, грузоподъемность которых превышает требуемую, что объясняется их унификацией, в результате чего краны работают с недогрузкой.

Значение конкретного места размещения реконструируемого здания может позволить снизить расчетную ветровую нагрузку (например за годы эксплуатации промышленное здание оказалось : окруженным застройкой), Уточнение снеговой и ветровой нагрузки по данным ближайшей метеостанции также может привести к снижению их расчетных значений. Кроме того, к дополнительному снижению расчетных значений нагрузок может привести учет прошедшего и  планируемого срока эксплуатации здания после реконструкции.

Проведение исследований прочности стали, примененной в конкретной конструкции, может позволить увеличить расчетное сопротивление материала. Это объясняется методом получения расчетных сопротивлений, приведенных в Нормах. По принятой методике расчетное сопротивление R определяется по формуле. Исходными данными для назначения 7м служат результаты приемо-сдаточных испытаний, проводимых на металлургических заводах, которые включают в себя результаты испытаний различных видов проката и обобщаются по нескольким заводам за определенный промежуток времени. Как показывает статистический анализ результатов испытаний, значения прочностных показателей стали по заводам в разные годы неодинаковы. Генеральная совокупность, на базе которой определено расчетное сопротивление стали, объективно имеет больший разброс показателей прочности, чем материал однотипных элементов одного объекта (частные совокупности).

Значительные резервы несущей способности стальных конструкций производственных зданий могут быть выявлены в результате уточнения расчетной схемы каркаса. Стальные каркасы  одноэтажных промышленных зданий, находящихся в эксплуатации, в основном были рассчитаны как плоские поперечные рамы. Стойки рам считались жестко защемленными на уровне верхнего уступа фундамента; решетчатые ригели заменялись сплошными и принимались жестко или шарнирно соединенными со стойками. Наиболее полное представление о фактической схеме работы каркаса получается в результате проведения натурных испытаний конструкций, в результате которых могут быть получены данные фактических смещений поперечных рам в уровне верхнего пояса подкрановых балок, низа стропильных ферм, угла поворота фундамента и т.д. Испытания эксплуатирующихся конструкций позволяют выявить, прежде всего индивидуальные особенности здания, но некоторое уточнение работы конструкций может быть выполнено расчетом.

При расчете поперечных рам обычно не учитывают влияние податливости основания. Стойки рам считают жестко защемленными на уровне верхнего уступа фундамента. Испытания крупноразмерных моделей и натурных каркасов промышленных зданий свидетельствуют о значительном влиянии поворотов фундаментов на распределение изгибающих моментов по длине колонны и на ее горизонтальные поперечные смещения. 6 испытаниях [3] поворот фундамента приводил к снижению моментов в уровне базы колонны на 54—66%, в уровне фундамента на 35—40%, При этом горизонтальное перемещение посередине высоты колонны увеличивалось в 1,8—2,4 раза.

В работе [5] отмечается, что смещения плоской рамы, полученные на основании данных испытаний, близки к теоретическим и, как правило, чуть больше их. Автор объясняет это расхождение деформативностью соединений колонн с фундаментами и фермами, а также поворотом фундаментов. Конструктивная поправка по перемещениям 1,15, т.е. фактические смещения в уровне низа стропильных ферм на 15% превышают теоретические, полученные без учета податливости сопряжения, При этом уменьшение деформа-тивности креплений опорных элементов фермы к колоннам вследствие замены болтовых креплений сварными снизило поперечные смещения нагруженных рам приблизительно на 5%. Таким образом деформативность основания приводит к увеличению смещения примерно на 10%. Испытания показали, что обетонирование башмаков колонн существенно увеличивает жесткость заделки. В результате автор делает вывод о том, что в промышленных зданиях величина поворотов обетонированных башмаков колонн, имеющих место  при  обычных .грунтах, практически не влияют на значения поперечных смещений и напряжений в сечениях колонн этой рамы.

При теоретических исследованиях совместной работы конструкций и оснований в расчетных схемах обычно рассматривают фундамент и колонну как единый элемент, имеющий в пределах высоты фундамента бесконечную жесткость. В расчетах рам с учетом поворота фундаментов весьма важно правильно установить центр поворота фундамента. Последний рассматривается как точка, расположенная на вертикальной оси, проходящей через центр тяжести подошвы и не перемещающейся в горизонтальном направлении. Опытное определение центра поворота фундамента, выполненное в работе [2], показало, что его положение зависит от комбинации горизонтальной силы и момента в уровне подошвы, условия закрепления верхнего конца колонны и, следовательно, от очертания эпюры моментов. В поперечных рамах стальных каркасов наиболее вероятна такая работа колонн, когда центр поворота располагается ниже подошвы фундамента.

Примеры расчета показали, что при обычных для колонн поперечных рам соотношениях между моментами и поперечными силами, возможные отклонения центра поворота фундамента от его подошвы несущественно сказываются на работе колонн. Поэтому для упрощения расчетной схемы авторы [2] рекомендуют принимать центр поворота на уровне подошвы фундамента. В разработанной ими методике расчета в качестве количественной оценки де-формативности основания используется характеристика поворота ф. Последняя представляет собой угол поворота фундамента от единичного момента в уровне подошвы фундамента и зависит при данных размерах фундамента только от механических свойств грунта. Они же в основном определяют степень влияния совместной работы конструкций и оснований на характер распределения моментов и смещений по длине колонны. Очевидно этим и объясняется большое различие в оценках этого влияния, полученное в работах. Механические свойства грунта основания зависят от многих факторов и, прежде всего, от режима нагружения, меняясь со временем. Нам представляется, что наиболее достоверные значения характеристики могут быть получены на основе исследований фактических поворотов опорных сечений колонн в процессе эксплуатации промышленных зданий, что позволит более точно оценить влияние этого фактора на работу колонн.

В расчетных схемах поперечных рам стальных каркасов производственных зданий решетчатый ригель заменяется сплошным с эквивалентным моментом инерции, расположенным в уровне нижнего пояса. Сопряжение ригеля с колонной принимается либо шарнирным, либо жестким. В конструктивной схеме шарнирное сопряжение обеспечивают опиранием стропильной фермы на колонну сверху или при опирании на колонну сбоку с помощью податливого фланца. Конструкция жесткого сопряжения предусматривает обязательное крепление фермы к колонне сбоку горизонтальной накладкой или фланцем. При креплении фермы к колонне сбоку фланцем разделение узлов на шарнирные и жесткие становится достаточно условным и зависит от толщины фланца и расстояния между болтами крепления его к колонне. Как показали испытания   [5], обварка фланца, рассчитанного на жесткое сопряжение ригеля с колонной, уменьшает поперечные смещения нагруженных рам на 4,4—7%, что снижает и изгибающие моменты в опорных сечениях колонн. В работе [3] показано, что в узле, выполненном с помощью гибкого фланца, момент может составлять до 60% момента, возникающего при жестком сопряжении. Момент, образующийся в узле сопряжения ригеля с колонной вследствие изгибной жесткости фланца, можно определить по формуле

В проектной практике в соответствии с рекомендациями [30, 31] усилия в стержнях ферм, жестко сопряженных с колоннами, получают суммированием усилий от вертикальных нагрузок, приложенных к ригелю, с усилиями от опорных моментов. При этом усилия от моментов учитывают только в том случае, если они догружают стержень или приводят к появлению в стержне сжимающего усилия. Разгружающее влияние опорных моментов в поясах не учитывается. Во многих случаях это приводит к неоправданному усилению поясов стропильных ферм при реконструкции, связанному с увеличением нагрузок на ферму. С нашей точки зрения при жестком сопряжении ригеля с колонной в расчетах новых конструкций и тем более в проверочных расчетах существующих стропильных ферм при условии удовлетворительного состояния узлов сопряжений и поясов ферм следует учитывать разгружающее влияние опорных моментов от нагрузок, приложенных к ригелю. Кроме того, определенный резерв несущей способности может быть получен в результате учета фактической жесткости крепления фермы к колонне с помощью гибкого фланца. Расчеты показывают, что уменьшение усилий в поясах ферм может составлять 10-20%.

Замена сквозного ригеля сплошным, соединенным с колонной в одной точке, также приводит к значительному отличию действительной работы от расчетной схемы. Это объясняется приближенным определением эквивалентного момента инерции ригеля и фактическим креплением его к колонне в двух точках по высоте, расстояние между которыми составляет 1/5—1/10 высоты колонны, что вполне соизмеримо с ее высотой.

Принятие в расчетной схеме соединения ригеля с колонной в двух  точках   по  высоте посредством  шарнирных  прикреплений приводит к значительному снижению изгибающих моментов в колоннах. При расчете рамы с колоннами постоянного сечения на вертикальные нагрузки, приложенные к ригелю, это снижение зависит в основном от отношения высоты ригеля на опоре к вьн соте колонны и составляет 10—20% для верхних сечений колонн и 5-10% для нижних сечений. Для рам со ступенчатыми колоннами влияние расчетной схемы узла зависит как от отношения высоты ригеля на опоре к высоте верхней части колонны, так и от отношения геометрических характеристик верхней и нижней частей колонны. В рамах этого типа неправильный учет характера сопряжения ригеля с колоннами может дать заниженные расчетные значения моментов для верхнего сечения колонны до 15%, а для нижнего до 50% или завышенные значения — соответственно на 40 и 20%, При расчете на нагрузки, приложенные к колоннам, уточнение расчетной схемы не имеет столь существенного значения [3].

Стальной каркас промышленных зданий представляет собой сложный конструктивный комплекс, который при нагружении работает как пространственная система. Пространственная работа каркаса наиболее эффективно проявляется при действии крановых нагрузок, которыми непосредственно загружается только несколько колонн каркаса. Остальные колонны, соединенные с нагруженными рядом продольных конструкций (кровельным покрытием, продольными связями по нижним поясам ферм, тормозными конструкциями, ригелями фахверка, стеновыми ограждениями и т.д.), в значительной степени разгружают расчетную раму и создают отпор, уменьшая перемещение наиболее нагруженной колонны.

Испытания поперечных рам стальных каркасов промышленных зданий по определению смещений от действия горизонтальной нагрузки показывают значительное отличие фактических смещений от теоретических, определенных с учетом пространственной работы по принятой методике. Графики фактических и теоретических смещений поперечной рамы в уровне нижнего пояса стропильных ферм шлакового отделения и главного здания мартеновского цеха. Расчет выполнен как по плоской схеме, так и с учетом пространственной работы (в качестве распределительного диска приняты связи по нижним поясам стропильных ферм). Из рис. 2.7 видна существенная разница экспериментальных и теоретических смещений. Конструктивная поправка для плоской рамы составляет 0,2 а с учетом пространственной работы к = 0,5, Конструктивная поправка 0,5 свидетельствует о недостаточном приближении принимаемой расчетной схемы к фактической,

Столь большое расхождение экспериментальных и теоретических смещений может объясняться неучетом жесткости кровли и других продольных элементов и прежде всего тормозных конструкций. Последние обладают в горизонтальной плоскости достаточной жесткостью; крановые нагрузки, при действии которых учитывается пространственная работа каркаса, приложены в уровне этих конструкций, поэтому можно ожидать значительного влияния их на перераспределение крановых нагрузок между соседними рамами и уменьшения смещений (и изгибающих моментов) в рассчитываемой колонне.

Значения коэффициентов упругой податливости 5х и 52 можно получить в результате дифференцированных испытаний поперечных рам на горизонтальные нагрузки, прикладываемые в уровне упруго смещающихся опор. В 50-е годы такие испытания были проведены в ЦНИИПСК под руководством М.М. Бердичевского [5]. По результатам этих испытаний можно получить значения 5Х и 52, соответствующие конкретному конструктивному решению каркаса здания и типу кровельного покрытия.

Податливость до монтажа связей и плит покрытия (или до приклепки тормозных ферм) можно рассматривать как начальную податливость б0, а податливость — после приварки связей и монтажа плит (или после приклепки тормозных ферм) как суммарную 1с.

Учет влияния тормозного листа, включающего в работу на крановые нагрузки соседние колонны, значительно уменьшает изгибающие моменты в сечениях колонны. При сх = 0,02 ис2= 0,06, полученным по результатам испытаний, это уменьшение составляет: от действия Т около 20%, а от совместного действия Т и М - до 50%.

Существенное влияние тормозных конструкций'на напряженно-деформированное состояние колонн при загружении их горизонтальной нагрузкой было подтверждено при испытаниях каркаса экспериментального корпуса, проведенных ЦНИИПСК (с участием МИСИ им. В.В. Куйбышева)  [].

Корпус представляет собой двухпролетное здание с металлическим каркасом 2x24 м длиной 72 м, Шаг колонн 6 м. Кровля теплая по крупнопанельным железобетонным плитам 3x6 м. Колонны ступенчатые со сплошной верхней и решетчатой подкрановой частями. Подкрановые балки неразрезные, сплошного сечения.

Загруженные колонны в плоскости рамы горизонтальной силой производилось в уровне нижнего пояса фермы и в уровне подкрановых путей. На рис. 2.9 приведены графики смещений колонны крайнего ряда от горизонтальных поперечных сил, приложенных в уровне верхнего пояса подкрановых балок, при двух конструктивных схемах — с незакрепленными и прикрепленными к колонне тормозными конструкциями. Видно, что включение в работу тормозных конструкций уменьшает смещения колонны в разных сечениях на 30-50% [54].

Таким образом, результаты испытаний и расчетные оценки свидетельствуют о существенном влиянии тормозных конструкций на пространственную работу каркаса и возможности выявления дополнительных резервов несущей способности колонн одноэтажных промышленных зданий.

Как уже отмечалось, по принятой в настоящее время методике учета пространственной работы каркаса в качестве продольного распределительного диска учитываются горизонтальные продольные связи по нижним поясам стропильных ферм (при нежесткой кровле) или покрытие, принимаемое бесконечно жестким (при жесткой кровле из железобетонных плит). Теоретическая модель, на основе которой разработаны методики, представляет собой балку конечной или бесконечной жесткости, опирающуюся на упругоподатливые опоры (поперечные рамы). При учете продольных связей за расчетную раму принимается промежуточная, а при учете жесткого диска вторая рама от торца (или температурного шва) здания. Это приводит к тому, что коэффициент аПр, которым учитывается уменьшение смещения плоской рамы в результате пространственной работы [30], при нежесткой кровле иногда оказывается меньше, чем коэффициент апр, определенный для жесткой кровли. Кроме того, разделение кровель на жесткие и нежесткие следует признать весьма условным, так как эффективность влияния продольного диска зависит не только от жесткости покрытия, но и от жесткости поперечных рам.

С нашей точки зрения, наиболее близко соответствует действительной работе каркаса расчетная схема, представляющая собой пространственную систему, состоящую из плоских поперечных рам, соединенных продольными элементами конечной жесткости в уровне' нижних поясов стропильных ферм и подкрановых конструкций. За расчетную раму целесообразно принять промежуточную, как рекомендуется в работе [3]. Это объясняется повышенной жесткостью торцов здания, а также рядом продольных элементов (ригелей фахверка, распорок, стенового ограждения), неучитываемых в расчете, но снижающих горизонтальные поперечные смещения колонн.

Следует обратить внимание еще на одну условность расчета колонн, приводящую к необоснованным запасам их несущей способности. Как известно, внецентренно сжатые сквозные колонны рассчитываются в целом на внецентренное сжатие и, кроме того, рассчитываются ветви на центральное сжатие. Как правило, определяющим является расчет отдельных ветвей на сжатие под действием максимальной сжимающей силы. Сила, которая действует в ветви, меняется по длине, а расчет производится на ее максимальное значение, что позволяет говорить об определенных резервах, которые можно выявить на стадии уточненных проверочных расчетов. Изменение сжимающей силы по длине можно учесть введением коэффициента приведения длины д < 1 в проверке устойчивости ветви из плоскости рамы (в настоящее время ветви колонн считаются шарнирно закрепленными по концам из плоскости ц = = 1). Примем, что сила меняется по длине ветви колонны по линейному закону. Максимальное значение равно Nmax и минимальное Nm-m.

Колонны промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами, имеют упругое закрепление в уровне тормозных конструкций. Учет этого факта не только меняет распределение изгибающих моментов по высоте колонн, но и снижает коэффициент приведения длины для верхнего и нижнего участков колонны на 10—30%, а следовательно, и создает дополнительные возможности выявления резервов несущей способности колонн (в основном верхней части колонн) — до 5— 10%.

 Технология возведения зданий и сооружений

 Разборка и ликвидация зданий и сооружений. Снос зданий, сооружений ...

 Возведение зданий и сооружений из монолитного железобетона ...

Ремонт зданий включает: капитальный, реконструкцию, текущий или ...

 Расчетная стоимость недвижимости. Оценка стоимости недвижимости ...