Искусственное регулирование напряжений при усилении МК
Классификация усиления
Основные причины аварий
Тема 16. Регулирование напряжения при усилении конструкций
16.1 Основные причины аварий
16.2 Классификация усиления
16.3 Искусственное регулирование напряжений при усилении МК
16.4 Расчет усиленных конструкций по методу предельных состояний
16.5 Предварительное обследование конструкций и определение напряжений в конструкциях, находящихся под нагрузкой.
16.6 Магнитометрический метод определения напряжений
Анализом причин аварий м/к установлено, что наиболее распространенными причинами аварий являются следующие:
· перегрузка снегом, наледями и производственной пылью: непродуманная очистка снега, в результате которой отдельные части конструкций перегружаются;
· потеря общей или местной устойчивости сжатыми элементами конструкций из-за отсутствия развязки сжатых поясов;
· хрупкое разрушение конструкций выполненных из хладостойких сталей (конвертерных с повышенным содержанием фосфора или марбеновских кипящих, имеющих «порог хладостойкости» в интервале минус 10о–30оС) работающих в неотапливаемом помещении или на открытом воздухе;
· неправильное выполнение сварочных работ, особенно в зимнее время, заключающееся в отсутствии подогрева изделия при температуре – 30оС, отсутствии защиты от ветра, отсутствии контроля;
· наличие концентраторов напряжения (отверстия, прорези, трещины);
· отсутствие надлежащей защиты стальных конструкций работающих в агрессивной среде. В отдельных заводских цехах приходится усиливать или менять м/к 5-10 лет их эксплуатации;
· разрушение швов в конструкциях, работающих на подвижную нагрузку (подкрановые балки).
Усиление есть совокупность мероприятий направленных на повышение несущей способности конструкции или ее элементов. Конструкции, подлежащие усилению, могут находиться в напряженном состоянии, предварительно разгруженном, и в демонтированном. Регулирование напряжений при усилении по существу, сводится к вопросу о способах включения в работу элементов усиления.
Иногда это происходит автоматически, например: при усилении разгруженных и демонтированных конструкций. Чаше же элементы усиления включаются в работу после того, как им дано дополнительное натяжение или произведено искусственное регулирование напряжений в усиливаемой конструкции, устанавливающих элементах или тех и других одновременно (усиление конструкций под нагрузкой).
Усиление конструкций под нагрузкой представляет собой один из частных случаев применения предварительного напряжения в конструкциях.
«Специальные мероприятия» имеют такое же большое значение, как и основные способы усиления. К ряду специальных мероприятий относятся: выявление неучтенных запасов прочности и разгрузка или уменьшение действующей на конструкцию нагрузки.
Пять способов непосредственного усиления совместно с двумя отнесенными к разряду «специальных мероприятий» решают задачу усиления конструкций.
Способами общего усиления конструкций являются усиления за счет изменения конструктивной схемы и установки дополнительных связей пространственной жесткости.
К способам местного усиления могут быть отнесены: установка дополнительных ребер, дифрагм, распорок, увеличение сечений отдельных элементов, усиление соединений.
Наиболее интересным с инженерной точки зрения является способ усиления путем изменения конструктивной схемы. Характерен он тем, что исключает шаблон в выборке приемов, почти всегда дает хорошие экономичные решения. Проектировщик должен совершенно отчетливо представлять себе «игру сил», чтобы предусмотреть наиболее выгодные перераспределения усилий и напряжения в конструкциях.
Искусственное регулирование напряжений может быть выполнено как без специальных устройств, так и с их применением.
Регулирование без применения специальных устройств: используется большей частью при усилении разгрузочных и демонтированных конструкций, если они усиливаются преднапряженными элементами.
Разгружение усиливаемого элемента может быть достигнуто путем перемещения нагрузки из одного пролета в другой, определенными комбинациями загружения соседних пролетов в неразрезных и консольных балках и фермах.
Если не предусмотреть специальных мер при усилении конструкций под нагрузкой, то на усиливающие элементы будет передаваться только дополнительная и возрастающая постоянная нагрузки.
Вся же нагрузка, действующая в момент усиления, будет восприниматься неусиленной конструкцией.
Регулирование с использованием специальных устройств и приспособлений.
Если усиливаемая конструкция находится под нагрузкой и работает на изгиб, то приходится принимать меры по уменьшению или устранению прогиба, полученного ею при работе под действием собственного веса и временной нагрузки. Могут встретиться следующие случаи:
конструкция усиления должна будет воспринимать только свой собственный вес и существующую временную нагрузку. В этом случае элементы усиления могут быть присоединены без принятия мер по разгрузке конструкции. Уменьшать или устранять прогиб конструкции нет необходимости.
конструкция усиления кроме своего собственного веса и существующей временной нагрузки должна будет воспринимать также и часть дополнительной нагрузки. В этом случае, до ее усиления, необходимо уменьшить полученный ею до усиления прогиб.
конструкция усиления помимо собственного веса и временной нагрузки должна будет воспринимать всю дополнительную нагрузку. В этом случае до усиления нужно полностью устранить прогиб в усиливаемой конструкции, имеющейся от действия нагрузок в момент усиления.
Не рекомендуется выправлять сжатые элементы конструкций под нагрузкой. Погнутые элементы конструкций, если они по расчеты не требуют усиления, могут быть оставлены при условии постановки связей и распорок. Для регулирования напряжения в элементах и конструкциях в целом применяют тяги, полиспасты, муфты, домкраты и другие приспособления.
Примеры искусственного регулирования напряжений в конструкциях
1. Реконструкция главного здания мартеновского цеха.
2. реконструкция действующих мартеновских цехов.
3. Усиление вызванное нарушением технологии монтажа конструкций.
Регулирование напряжений при усилении ферм.
Причины усиления:
1. замена покрытия с утяжелением.
2. недостаточная длина и высота швов в узлах фермы.
Усиление конструкции от действия монтажных нагрузок.
Регулирование напряжений в соединениях элементов м/к
При регулировании напряжений в конструкциях может возникнуть необходимость регулирования напряжений и в соединениях отдельных элементов, в усилении креплений стрежней в узлах и т.п.
При наварке нового шва в процессе наплавления металла электрода существующий шов будет разогреваться, образуя зону пластичности.
Участки шва в зоне пластичности не могут воспринимать приходящуюся на них нагрузку, и эта часть нагрузки будет восприниматься еще не усиленными холодными участками шва, а также уже усиленными, но достаточно остывшими.
Зона пластичности будет перемещаться вдоль шва, и напряжения в шве будут непрерывно распределяться по его длине.
Условной границей перехода металла шва от идеально упругого к идеально пластическому состоянию для практических расчетов принимают температуру 450°С. При t = 450 ÷ 550°С резко снижается модуль упругости и предел текучести. Максимальная температура шва непосредственно под электродом достигает 2200 ÷ 2300°С.
Основной величиной, определяющей напряженное состояние шва, является зона пластичности «а» - участок длины шва, находящийся в результате сильного нагрева в пластическом состоянии, который не может воспринимать нагрузку. Зона пластичности зависит как от режима сварки, так и от теплотехнических характеристик сварного соединения.
Современное состояние разработки вопроса возможности регулирования напряжений в соединениях элементов м/к позволяет сделать следующие выводы:
1) Напряжения в сварных соединениях можно регулировать положением новых сварных швов или, что более рационально, наплавкой на существующие швы дополнительных слоев; наплавка новых слоев сварных швов более рациональна, потому что в существующих нагруженных конструкциях, находящихся в напряженном состоянии, возможность наложения новых швов ограничена, а крепление к ним новых деталей, на которых можно разместить дополнительные швы, трудоемко.
2) Прочность сварных швов в процессе их усиления падает, причем наибольшая потеря прочности, зависящая от длины усиливаемых швов и режима сварки, составляет 10 – 20% первоначальной прочности сварного узла (наибольшее падение прочности происходит, когда дуга находится на расстоянии 15-20мм от начала сварки). Объясняется это тем, что в процессе наплавки усиливающего слоя шва в зоне дуги выключатся участок шва длиной примерно 50мм за счет частичного расплавления и сильного нагрева металла; по мере передвижения дуги вдоль шва прочность его возрастает, так как в работу включаются ранее наложенные слои шва.
3) После усиления прочность сварных швов возрастает пропорционально увеличению сечений рабочих швов; в процессе усиления происходит некоторая потеря прочности не только сварных швов, но и деталей узла (фасонки, уголка, накладки и др.): при сварке вдоль действия усилий потери прочности меньше, чем при сварке поперек направления действующих усилий.
4) Регулирование напряжений в сварных швах под нагрузкой может выполняться как наплавкой, так и приваркой наклонных коротышей – пластин со стороны обушка уголка. При значительной протяженности угловых швов целесообразно выполнять их утолщение наваркой, для коротких же швов, например в узлах ферм, усиление прикрепления целесообразно выполнять приваркой коротышей–пластинок, перекрывающих швы у обушков уголков.
5) Усиление сварных швов наваркой следует производить начиная с не менее напряженных участков, например, усиление креплений стержней ферм в узлах начинать с конца уголка, а не от края фасонки.
6) В отдельных случаях при усилении существующих конструкций допускается усиление заклепочных соединений сваркой. При этом все усилия должно восприниматься сварным соединением. Это объясняется тем, что сварные швы, в силу их малой пластичности, разрушаются раньше, чем заклепки.