Автор: Лащенко М.Н.  

Теги: сооружения и части сооружений по виду строительных материалов и методам возведения   строительство   строительные конструкции   металлические конструкции   строительное проектирование  

Год: 1987

Похожие

Тайны стальных конструкций

Проектирование металлических конструкций. Спецкурс

Усиление сжатых стержней стальных конструкций под эксплуатационной нагрузкой

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения

Текст
                    М.Н. ЛАЩЕНКО
ПОВЫШЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ

М. Н. ЛАЩЕНКО
Профессор
ПОВЫШЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ
ЛЕНИНГРАД • СТРОЙИЗДАТ
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ, 1987

ББК 38.54
Л 32
УДК 624.014.046.5
Рецензент — лауреат Гос. премии СССР, засл, деятель науки УССР, д-р
техн, наук проф. М, М. Жербин (КИСИ)
Лащенко М. Н.
Л 32 Повышение надежности металлических конструкций
зданий и сооружений при реконструкции. — Л.: Стройиз-
дат, Ленингр. отд-ние, 1987.— 136 с., ил.
В книге на основе разработанных автором классификаций аварий (отказов),
усиления металлических конструкций н искусственного регулирования в ннх на-
пряжений содержатся сведения о комплексном рассмотрении вопросов продления
срока службы металлических строительных конструкций при их реконструкции.
Знвчительиое место уделено вопросам изменения конструктивной схемы при ре-
конструкции конструкций и сооружений.
Рассчитана на инженерно технических и иаучиых работников, занятых в
области проектирования, монтажа, эксплуатации и реконструкции металлокон-
струкций.
п 3202000000—039
Л 047(01)—87 ‘ ' *5~87
ББК 38.54
© Стройиздат, Ленинградское отделение,
1987

ВВЕДЕНИЕ
В Основных направлениях экономического и социального
развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года,
утвержденных XXVII съездом КПСС, взят курс на ускорение
научно-технического прогресса в стране. Большое внимание уде-
ляется вопросам модернизации и реконструкции действующих
предприятий и объектов строительства.
Для повышения эффективности капиталовложений, в пер-
вую очередь на реконструкцию и техническое перевооружение
предприятий и на завершение ранее начатых строек, необходи-
мо увеличить мощности прежде всего на действующих пред-
приятиях путем внедрения передовой технологии, модернизации,
замены устаревшего оборудования и выполнения ряда других
мероприятий, позволяющих увеличить выпуск продукции, как
правило без расширения производственных площадей, с мень-
шими затратами и в более' короткие сроки по сравнению с но-
вым строительством, за счет полного и рационального исполь-
зования уже имеющихся производственных мощностей.
В настоящее время в нашей стране эксплуатируется не-
сколько десятков 'миллионов тонн строительных металлических
конструкций каркасов промышленных и гражданских зданий и
сооружений, долговечность которых в условиях их нормальной
эксплуатации достигает 60—70 лет [19] и превосходит сроки
морального износа технологического оборудования, который в
современных условиях наблюдается через 5—10 лет [22].
Проектный срок службы строительных конструкций зависит
от класса сооружений и составляет более 90 лет для I класса,
60 лет для II класса, 30—60 лет для III класса, к которому от-
носится большинство промышленных зданий и сооружений.
Интенсификация производства, естественно, приводит к ус-
коренному износу металлических конструкций и сооружений.
Возникает необходимость приспосабливать эксплуатируемые
металлоконструкции к новым условия'м работы, вызванным ре-
конструкцией сооружений, увеличением крановых нагрузок,
присоединением к существующим цехам новых пролетов, над-
стройкой и другими приемами.
Наряду с высококачественными конструкциями и сооруже-
ниями и'меются и такие, состояние которых затрудняет их
эксплуатацию, а в отдельных случаях возникают повреждения,
приводящие к отказам и авариям, поэтому проблема увеличения
надежности, продления срока службы конструкций являет-
ся большой народнохозяйственной задачей, так как экономиче-
ский эффект от мероприятий по реконструкции сооружений и
предотвращению отказов и аварий металлоконструкций не под-
лежит сомнению.
3

При модернизации действующих предприятий и цехов долж-
ны, естественно, решаться не только инженерные, технические
задачи, но и социальные: улучшение санитарно-гигиенических
условий труда, вопросы уменьшения шума, связанного с увели-
чением мощностей оборудования, устройство принудительной
вентиляции и т. п.
О масштабах работ по реконструкции можно судить по сле-
дующему примеру: только койструкторско-техиологическим
бюро Укртяжстройиндустрия Минтяжстроя УССР в 1975—
1980 гг. было разработано свыше 150 проектов реконструкций
существующих мощностей на предприятиях республики [7].
Вопросы продления срока эксплуатации металлоконструк-
ций гражданских и промышленных сооружений и предотвраще-
ния их аварий средствами усиления конструкций и регулирова-
ния в них напряжений рассмотрены в трех монографиях автора
[26, 28, 29[. В указанных работах описаны металлические кон-
струкции различных видов и назначений на протяжении всего
исторического периода их развития до 1970-х годов. Специаль-
ные исследования, посвященные повышению долговечности ме-
таллических конструкций промышленных зданий, опубликованы
в работе [19].
Вопросы технической эксплуатации металлоконструкций
промышленных зданий и сооружений, реконструкции и усиле-
ния, связанные с техническим перевооружением и расширени-
ем предприятий, освещены в работе [51].
Богатый и интересный материал, в котором рассматривают-
ся отдельные частные вопросы реконструкции действующих
предприятий, можно найти в материалах различных всесоюз-
ных и ведомственных конференций и совещаний по вопросам
повышения эффективности эксплуатации и реконструкции про-
'мышленных зданий [63], периодической печати и обзорных ин-
формациях ВНИИ информации по строительству и архитекту-
ре [22], в отчетах и материалах ряда научно-исследователь-
ских, учебных, проектных и производственных организаций.
В большинстве случаев рассматриваются вопросы продления
срока службы только промышленных предприятий.
Здесь уместно отметить, что лишь в 1940-х и частично в
1950-х годах были обнаружены массовые повреждения кон-
струкций, находящихся в эксплуатации, и начаты обследование
большого числа цехов, главным образом черной металлургии,
и изучение условий и особенностей эксплуатации, неблагопри-
ятно влияющих на работу металлоконструкций (ЦНИИПС,
ЦНИИпроектстальконструкция, Гипромез, МИСИ им. В. В. Куй-
бышева и др.) [19].
В настоящее время широким фронтом ведется исследование
вопросов надежности металлических конструкций, повышения
эффективности их эксплуатации и реконструкции в различных
отраслях промышленности,
4

Отраслевые научно-исследовательские проблемы, как, на-
при'мер, «Прогрессивные способы реконструкции промзданий
ведущих отраслей промышленности, обеспечивающие сокраще-
ние трудозатрат, материальных ресурсов и сроков ее про-
ведения», разрабатываются рядом крупнейших организаций
(ЦНИИпроектстальконструкция, Промстройпроект) совместно с
учебными институтами (МИСИ, НИСИ и др.).
В настоящей книге на основе разработанных автором клас-
сификаций аварий (отказов) [26], усиления металлических кон-
струкций [29] и искусственного регулирования в них напряже-
ний [28] содержатся сведения о комплексном рассмотрении во-
просов продления сроков службы 'металлических конструкций,
главным образом при их реконструкции. Дана их системати-
зация.
Значительное место уделено вопросам изменения конструк-
тивной схемы при реконструкции и усилении конструкций и со-
оружений. Изложены вопросы повышения надежности метал-
лических конструкций, работающих в условиях низких естест-
венных температур (глава VI).
Рассмотрены металлические конструкции различных видов
и назначений как современной проектировки, так и достигшие
весь’ма «геронтологического» возраста, а также как удачно за-
проектированные и осуществленные, так и с дефектами. Во всех
случаях, независимо от «прошлого» конструкций, при рекон-
струкции ставилась цель сохранить существующие металличе-
ские конструкции или даже увеличить их несущую способность
(усилить), независимо от того, когда и как они были запроекти-
рованы и эксплуатировались.
Подавляющее большинство примеров приведено из практи-
ки реконструкции зданий и сооружений, запроектированных и
осуществленных различными проектно-конструкторски ми и про-
изводственными организациями за последние 10—12 лет. Во-
просы ремонта металлоконструкций достаточно подробно осве-
щены в технической литературе и соответствующих инструкци-
ях по ремонту и в настоящей книге не рассматриваются.

ГЛАВА I
ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
И ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ И АВАРИЙ
§ 1. Общие сведения
В нормальных условиях эксплуатации металлических кон-
струкций и при надлежащем уходе за ними срок службы кон-
струкций производственных зданий и сооружений достигает
60—70 лет [19]. Такой срок эксплуатации обычно превосходит
сроки морального износа технологического оборудования.
В истории развития металлических конструкций известны слу-
чаи, когда сроки нормальной эксплуатации исчисляются сто-
летиями *.
На работоспособность конструкций и сроки их службы боль-
шое влияние оказывают повреждения, возникающие в процессе
эксплуатации, которые, накапливаясь и развиваясь, могут при-
вести к отказам в работе как отдельных элементов, так и кон-
струкций в цело'м.
Повреждения могут быть:
от силовых воздействий — трещины, разрывы, потеря устой-
чивости, расшатывание соединений;
от механических воздействий — погибы, вмятины, искривле-
ния, истирание и др.;
от физических воздействий — хрупкие трещины при больших
отрицательных температурах, разрушения при высоких темпе-
ратурах, коробление и т. п.;
от химических воздействий — коррозия металла, возникаю-
щая как от влажности среды, в которой эксплуатируются ме-
таллоконструкции, так и от агрессивных жидкостей и газов,
специфических для различных отраслей производства.
В современных условиях, чтобы повысить эффективность ка-
питальных вложений, необходимо увеличить мощности, особен-
но на действующих предприятиях, путем внедрения передовой
технологии, модернизации, замены устаревшего оборудования и
осуществления других мероприятий, дающих возможность уве-
личить и повысить качество выпускаемой продукции.
Как правило, все эти мероприятия осуществляются без рас-
ширения производственных площадей, с меньшими затратами и
в более короткие сроки по сравнению с новым строительством.
Сказанное имеет непосредственное отношение к использованию
инженерных строительных конструкций, в частности металли-
ческих.
* Перекрытие над трапезной в г. Загорске (1696—1698 гг.); перекрытие
старого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.); каркасы куполов колоколь-
ни Ивана Великого (1603 г.); каркасы Казанского и Исаакиевского соборов
в Ленинграде (начало XIX в.); перекрытие Зимнего дворца (1837 г.); зна-
менитая Эйфелева башня, построенная французским инженером А. Г. Эй-
фелем для Всемирной выставки 1889 г. в Париже, и многие другие.
6

Еще долгое время будет существовать обширнейший парк
'металлических конструкций, в той или иной мере претерпевших
моральный и физический износ, которые нужно будет при наи-
меньшей затрате средств наиболее эффективно приспосабли-
вать к новым условиям работы, вызванным реконструкцией
сооружений, увеличением крановых нагрузок, присоединением
к существующим цехам новых пролетов, надстройкой и други-
ми причинами.
Наряду с высококачественными конструкциями и сооруже-
ниями имеются и такие, состояние которых затрудняет их
эксплуатацию, а иногда приводит к авариям, поэтому проблема
продления срока эксплуатации конструкций является одной из
основных задач народного хозяйства. Для решения этой про-
блемы необходимо всестороннее изучение аварий и поврежде-
ний металлических конструкций.
К сожалению, до настоящего времени аварии еще имеют
место и, что еще хуже, бывает повторяе'мость аварий, некото-
рые из них становятся даже типовыми. Накопленный фактичес-
кий материал по авариям и повреждениям относится главным
образом к авариям и крушениям, происшедшим в последние
десятилетия, когда каждая авария и обрушение стали достоя-
нием широкой инженерной общественности и наиболее примеча-
тельные из них публикуются в печати.
Около 60 % всех аварий происходит в период строительства
и около 40 % — в период эксплуатации. Основной технической
причиной аварий является потеря устойчивости (41,3%).
В табл. 1 [26] приведены данные о причинах аварий металли-
ческих конструкций промышленных сооружений за последние
десятилетия. Авария есть тяжелый, но наглядный урок того,
как не надо проектировать и строить, и, пожалуй, эта область
в инженерном деле единственная, где желательно не иметь соб-
ственного опыта, но необходимо использовать опыт других.
Таблица 1. Технические причины аварий
Технические причины аварий	Количество аварий			Всего	%
	по Б. И. Беля еву и В. С. Корни- енко [6]	то А. Н. Шки- неву [701	по М. М. Сах невскому и А. М. Титову 152)		
Потеря устойчивости	17	1	8	26	41,3
Разрушение основного	7	2	5	14	22,2
металла Разрушение сварных	10	1	4	15	23,8
соединений Прочие причины	5	—	3	8	12,7
Итого	39	4	20	63	100,0
7

§ 2. Классификация аварий
Первая попытка изучения аварий и крушений инженерных
сооружений принадлежит советскому ученому Ф. Д. Дмитриеву
(1953 г.) [13]. В его историко-технических очерках описано
всего лишь семь случаев аварий металлических конструкций,
взятых из зарубежной практики, в основном это крушения мо-
стов и гидротехнических сооружений.
Нельзя согласиться с утверждением Ф. Д. Дмитриева о то'м,
что в нашей стране нет примеров аварий, уроки которых могли
бы быть интересны с точки зрения научных и инженерных обоб-
щений.
Подход к составлению классификаций у разных авторов
различный:
Ф. Д. Дмитриев [13]: стихийные силы природы; несовершен-
ство инженерно-технических знаний; социально-экономические
условия, присущие капиталистическому обществу;
Мак Кейг [32]: невежество; экономия; небрежность; сти-
хийное бедствие;
А. И. Кикин [19]: от силовых воздействий; от механических
воздействий; от физических воздействий; от химических воздей-
ствий;
И. А. Мизюмский [37]: ошибки проектирования; дефекты,
возникающие в процессе производства работ; дефекты эксплуа-
тации; недостаточная изученность условий работы и свойств
материалов.
Таблица	2. Рассмотрение аварий разными авторами			
Исследователь	)Д опу- (икова- я	И я S.& О S я X	Период	Виды конструкций к сооружений
	Uo X	а к		
Дмитриев Ф. Д. [13]	•1953	7	Конец XIX — начало XX в.	Разные
Хэммонд Р. (англ.)	1960	1	XX в.	Г ражданские сооруже-
				НИЯ
1дкинев А. Н. [70]	1966	10	1960—1965 гг.	Промышленные цеха и транспортерные галереи
Мак-Кейг (США)	1967	14	XX в.	Разные
[32] Беляев Б. И., Кор-	1968	39	1951 — 1967 гг.	Промышленные соору-
ниенко В. С. [6]				жени я, транспортерные галереи, опоры ЛЭП, радиомачты, резервуа- ры
Сахновский М. М.,	1969	15	1958—1967 гг.	Промышленные соору-
Титов А. М. [52]				жени я и спецсооруже- ння на территории УССР
Аугустин Я., Шледзевский Е [3]	1978	более	1945-1978 гг.	Разнообразные метал-
		50		лические конструкции на примерах ПНР
				
8

Таблица 3. Классификация аварий металлических конструкций
Аварии металлических конструкций	
авария — наступле- ние предельного состояния	авария — крушение (обрушение конструкций)

I


I



I
2
3
4
5
6
7
8
3
X
X
X
с
з
S95й
0)
%
в
в
Э и
«о g
° §
st
S *
CL Cl
Ж
3
ж
X
о
о
»в
я
в
в
0)
3
то *S
£ to
id 53
»я
в
X
К’=
=f 5
« S
я
3
в
X
о
d
в
В
X
о £
h «
ь S
ся
Л
5

О
В
в
с к
3 £
S О
о X
В
в
в
в
в
о
я
X
в
е Я
о
в
3
X
в
X
3
в
X
в
ЕЕ
Е и
® со
rt X
сх
С К
“ Q.U
£ е м
s
Е ?
V =
X s
в
в
« 5J
S ®
5 «
о
в



К[
с в »ж
X в В
Й о
“ О


Наиболее
типичные
сочетания
основных
причин
2, 4, 5
1, 3, 4,
5, 6,7,
8
1, 2, 6,
7
1.2
1.2
2
2

I
I
I
I
4
I
I
Литература по авариям металлических конструкций срав-
нительно невелика и, как правило, содержит протокольное опи-
сание аварий и крушений (табл. 2).
Приводим наиболее полные издания. В работе [26] (1969 г)
проанализировано свыше 100 примеров аварий и аварийных со-
стояний самых разнообразных металлических конструкций гра-
жданских и промышленных зданий и сооружений, выполненных
на протяжении всей истории существования металлоконструк-
ций. В табл. 3 [26] приведена классификация аварий металли-
ческих конструцкий по восьми основным причинам аварий. Рас-
сматриваются наиболее типичные сочетания основных причин
аварий и аварийных состояний.
Ниже приводятся факторы, являющиеся причинами аварий,
аварийных состояний и отказов в работе конструкций *.
. * Наиболее часто встречающиеся факторы обозначены знаком ».
9

1	— снег и непродуманная его очистка, наледи «; произ-
водственная пыль; несоответствие фактических весов конструк-
ций запроектированным «; ветер; крановая нагрузка; динами-
ческое воздействие нагрузки; температурные воздействия.
2	— перегрузка (1) «; отсутствие надлежащей развязки
сжатых поясов «; недостаточное количество или несвоевремен-
ная расстановка связей (постоянных и временных) »; большая
гибкость элементов, эксцентричное приложение нагрузки «;
нарушение ППР «; наличие вмятин и погнутостей; податли-
вость монтажных стыков; несвоевременная или неправильная
анкеровка опор; температурные деформации при неудачном
закреплении связей; недостаточная толщина в листовых кон-
струкциях; искажение геометрической формы (в резервуарах,
баках и т. п. конструкциях); неудачное крепление оттяжек, вант;
следствие неудачной строповки при монтаже (4); включение в
проект новых инженерных решений без достаточной экспери-
ментальной проверки; ошибки в расчетах; ошибки в чертежах *.
3	— хрупкое разрушение в результате применения хладно-
ломких сталей и конструктивных форм элементов с пониженной
хладостойкостью *; хрупкое разрушение сварных швов «; за-
мена одних профилей другими *; недостаточная прочность, же-
сткость и устойчивость «; неудачный выбор расчетной схе’мы
(несоответствие действительной работе конструкций); несоот-
ветствие чертежей, выполненных в стадиях КМ и КМД; нали-
чие концентраторов напряжений; примитивный приближенный
расчет конструкций; неудачное конструктивное решение глав-
ным образом узлов сопряжений «; занижение расчетной на-
грузки по сравнению с реальной «; недооценка жесткости уз-
лов, внецентренное прикрепление элементов; невыполнение
требований ремонтопригодности; низкая квалификация испол-
нителей; отсутствие авторского и технического надзора.
4	— неправильное выполнение сварки в зимнее время »;
неправильная строповка; неправильный порядок наложения
сварных швов; некачественная сварка «; дефекты хранения и
транспортировки конструкций; дефекты укладки сборных желе-
зобетонных плит покрытия «; неправильная временная расчал-
ка конструкций; отступление от ППР; монтаж конструкций
главным образом до приемки нулевого цикла «; неправиль-
ный выбор способа и порядка 'монтажа; повторные производ-
ственные операции: расклепка, повторная склепка и т. п.;
применение некачественных материалов «; низкое качество
изготовления конструкций «; низкое качество монтажа «; недо-
оценка монтажных нагрузок; несвоевременная постановка свя-
зей жесткости «; изгиб косынок в плоскости наименьшей жест-
кости при небрежном выполнении монтажа; устройство не
предусмотренных проектом отверстий и пазов; невыполнение
требований ремонтопригодности, ввод в эксплуатацию конструк-
ций (зданий и сооружений) с существенными недостатками
IQ

5	— подвеска к конструкциям различного вида дополнитель-
ного оборудования *; отсутствие периодического осмотра со-
стояния конструкций; перегрузка снегом, производственной
пылью (1) «; коррозия стали; ошибки, допущенные при рекон-
струкции сооружений и усилении конструкций; увеличение на-
грузки без усиления конструкций, без регулирования в них
напряжений; отсутствие защиты конструкций, работающих в аг-
рессивных средах *; устройство не предусмотренных проектом
отверстий и лазов.
6	— усталостные разрушения *; разрушения от старения;
вибродинамическое действие кранов, подвижного состава и т. п.
7	— неравномерная осадка сооружения *; неравномерная
осадка железобетонных колонн под стальные подкрановые бал-
ки недоброкачественное выполнение и дефекты в кирпичной
кладке, на которую опираются металлоконструкции; потеря ус-
тойчивости основания; неравномерное промораживание грунта;
наличие перекошенных закладных частей *; пучение грунта;
за’мачивание лёссовидных грунтов; дефектность инженерно-
геологических изысканий.
8	— различные обвалы, взрывы, подмыв фундаментов, обру-
шения вышележащих конструкций, удары и т. п.; аварии, вы-
званные сейсмическими воздействиями, ураганными ветрами и
наводнениями.
Необходимо отметить, что некоторые условности в определе-
ниях, принятых в классификации, всегда неизбежны. Можно
бесконечно спорить о том, что является причиной и что след-
ствием.
Приведём пример. Общепризнано, что причиной классиче-
ского случая аварии-крушения Египетского моста в Петербурге
в 1905 г. был резонанс, возникший при прохождении по мосту
войск с несбитым шагом, но причиной аварии можно считать
и неправильности, допущенные при проектировании моста.
В классификации выделены 8 основных причин аварий
(аварийных состояний), возбудителями которых может быть
ряд факторов; единственным же следствием всех причин явля-
ется авария-крушение или наступление предельного аварийного
состояния.
Исследования аварий привели к выводу о том, что к наи-
более типичным сочетания’м основных причин аварий относят-
ся потеря устойчивости и перегрузка независимо от того, в ре-
зультате чего они произошли.
С течением времени, в связи с развитием более совершен-
ных методов расчета, внедрением более совершенных конструк-
тивных форм элементов металлоконструкций сочетание основ-
ных причин аварий, повреждений и факторы, вызывающие их,
естественно, могут изменяться. Следуя предложенной схеме, в
дальнейшем целесообразно проследить основные причины ава-
рий и повреждений определенных видов конструкций, приме-
11

няемых в определенных отраслях производств, выполненных
в определенный исторический промежуток времени, изготовлен-
ных определенными способами и эксплуатируемых определен-
ным образом.
Следуя терминологии, принятой в теориии надежности, ава-
рию следует рассматривать как внезапный отказ, аварийные же
состояния — как постепенные отказы; регулятором долговечно-
сти служит ремонтопригодность, пригодность к усилению, к вы-
полнению таких мероприятий, как регулирование напряжений
в отдельных элементах, во всей конструкции, а в ряде случаев
и во всем сооружении.
§ 3. Аварии и отказы в работе стальных конструкций
Среди аварий металлоконструкций до последнего времени
первое и второе места занимают попеременно аварии конструк-
ций системы котлонадзора и мостовые. Строительные конструк-
ции занимают третье место.
Из аварий строительных конструкций на первом 'месте сто-
ят аварии каменных и железобетонных, а затем уже металличе-
ских конструкций.
Аварии и повреждения конструкций можно разделить на
аварии и отказы конструкций старой проектировки и современ-
ные.
Первые в силу того, что никто не афиширует свои аварии,
труднее поддаются учету и анализу. Тем не менее правдивое и
объективное описание бывших аварий и повреждений зачастую
приносит гораздо большую пользу, чем описание самых успеш-
ных работ.
В конструкциях старой проектировки аварии и отказы чаще
всего возникают от потери устойчивости отдельных элементов
или конструкций в целом, от неправильной расстановки или не-
достаточного количества связей пространственной жесткости в
общей схеме сооружения.
В современных конструкциях также распространены случаи
отказов, вызванных потерей устойчивости, дефектами монтажа,
ошибками, допущенными при проектировании и эксплуатации
металлоконструкций, и рядом других причин.
Особое место занимают отказы в стальных конструкциях с
хрупким разрушением их элементов при снижении температу-
ры в конструкциях, эксплуатируемых в районах Сибири, Край-
него Севера и Дальнего Востока.
В конструкциях старой проектировки наиболее распростра-
нены аварии и отказы в покрытиях по фермам, в конструкциях
современной проектировки, в покрытиях производственных зда-
ний, в стальных ограждающих конструкциях, которые выполне-
ны из сборного железобетона, а также в подкрановых конструк-
циях, транспортерных галереях,
12

Аварии и повреждения других видов конструкций не носят
массового характера.
Повреждения и аварии конструкций возникают в любом воз-
расте конструкций: от 2,5 месяцев (силос Магнитогорского це-
ментного завода, 1951 г.) до 14 лет (покрытие мартеновского
цеха в Днепропетровске, 1967 г.) и более [6].
Производственные причины аварий занимают значительное
место в числе прочих. Причинами 105 аварий, приведенных в
работе [52], являются:
дефекты монтажа............................................. 29,5%
ошибки проекта (КМ и КМД)................................... 26,7%
дефекты эксплуатации (нарушение	расчетных нагрузок и др.) 14,3%'
дефекты изготовления....................................... 12,4%'
низкое качество стали...................................... 10,5%'
недостатки норм и технических условий........................ 6,6%
Имеют место и совершенно нелепые случаи при выполнении
строительно-монтажных работ, которые могут привести к отка-
зам в работе конструкций и даже к их обрушениям.
Особую группу причин отказов в работе отдельных решетча-
тых конструкций (ферм, арок, элементов структурных конст-
рукций и т. п.) составляют наличие геометрических несовер-
шенств в стержнях элементов, производственные начальные
прогибы произвольной формы, концевые эксцентриситеты при-
ложения продольных сил, погибы, вмятины и т. п.
Перечисленные дефекты встречались главным образом
в конструкциях послевоенного периода, когда при восстановле-
нии и реконструкции предприятий и сооружений всех назначе-
ний использовались разрозненные некомплектные части различ-
ных поврежденных конструкций и их элементов. В современ-
ных условиях наличие таких и подобных им несовершенств,
к сожалению, явление нередкое.
К отказам в работе стальных конструкций могут привести
дефекты и расстройства конструкций, на которые они опирают-
ся; например, неравномерная осадка зданий вследствие замачи-
вания лёссовидных просадочных грунтов может вызвать отказы
в работе стальных конструкций, особенно статически неопреде-
лимых.
Читателей, интересующихся детальным разбором отдельных
аварий, обрушений, аварийных ситуаций и отказов, отсылаем к
работам [3, 6, 13, 19, 26, 32, 52, 67, 70]. Здесь приведем толь-
ко краткие сведения — фрагменты отдельных случаев аварий
и повреждений, имевших место главным образом за последние
30 лет.
Обрушение семи ферм пролетом 27 'м (рис. 1) произошло
в результате недопустимой халатности. К моменту аварии
(1955 г.) производственный корпус, имевший пять пролетов по
27 м, заканчивался строительством [6].
13

Рис. 1. Схема обрушившихся ферм Метал-
лургического завода им. В. И. Ленина в
г. Куйбышеве
Каркас корпуса был
стальной. Пролеты цеха
были перекрыты ферма-
ми, расположенными че-
рез 6 м. Фермы через сто-
лики из листовой стали
(X) толщиной 30 мм опира-
лись на колонны. За не-
сколько минут до аварии
раздался сильный метал-
лический треск, который
снова повторился перед
обрушением. Первые три
фермы упали концами со
стороны ряда Г, после-
дующие— со стороны ря-
да Д. Падение распро-
странилось до темпера-
турного шва.
Из 14 опорных узлов
10 разрушились от раз-
рыва болтов или от отрыва вертикального листа верхней части
колонн, а четыре — от отрыва опорной фасонки от торцевого
листа. Ни одного полного разрыва сварных соединений или
отрыва элементов со сварными швами не было обнаружено. Все
разрывы элементов произошли по целому металлу. Фактические
нагрузки на фермы, как постоянные, так и временные (снег), не
превышали расчетных.
При детальном обследовании стропильных ферм всего кор-
пуса выяснилось, что три фермы имели искривленные во второй
панели сжатые раскосы Д2 с явно выраженными аварийными
стрелками искривления от 10 до 20 см. Оказалось, что при
изготовлении ферм на заводе металлоконструкций в 38 слу-
чаях раскосы Д2 были перепутаны с раскосами Дз. Раз-
меры уголков, установленных в натуре, на рис. 1 показаны в
скобках.
Наличие ослабленных раскосов явилось причиной обруше-
ния семи ферм, а восьмая получила значительные деформации,
сильно просела, но не упала.
Расчетное усилие в ослабленном раскосе равнялось 29,7 т.
При двух уголках 75 X 75 X 6 мм, площадь поперечного сечения
которых А = 17,56 см2, расчетное напряжение в стержне
о = 2970/17,6 = 169 МПа. При длине раскоса 2900 'мм, гибко-
сти его 112 и <р = 0,506 расчетное напряжение 169 >
> 0,506-160 — 81 МПа (расчет был сделан, естественно, по
допускаемым напряжениям). Критическая сила, по Эйлеру, ока-
залась Ркр = 291 кН, т. е. в момент аварии фактическое уси-
лие в раскосе было равно критической силе.
14

Рис. 2. Транспортерная галерея завода
«Магнезит» в г. Сатке
Нашло свое объяснение
и появление усилий, разры-
вавших опорные узлы ферм;
они возникали в момент об-
рушения фермы, когда она
теряла свою несущую спо-
собность вследствие выхода
из работы сжатого рас-
коса Дг из двух Z75X
X 75 X 6 мм, или после
того как очередная ферма
скручивалась падавшей пре-
дыдущей фермой с ее на-
грузками. Стропильная ферма, провисая, превращалась в
«цепь», вследствие чего возникавшим распором разрушались
опорные узлы.
Из этого примера следует, что при разработке чертежей
КМД стержневых систем не следует допускать в одной панели
раскосы из двух уголков с полками одинаковых размеров, но
разной толщины и принимать одинаковую или почти одинако-
вую длину сжатых и растянутых элементов в одной панели при
близких сечениях. Необходимо также повысить тщательность
сборки и приемки контролерами ОТК копиров решетчатых
фер'м; при приемке обязательно проверять размеры уголков
всех элементов фермы.
Ошибки, допущенные при проектировании конструкций, вы-
звали обрушение транспортерной галереи на заводе «Магнезит»
в г. Сатке [6]. Промежуточная опора (рис. 2) представляет со-
бой плоскую стержневую систему высотой 9,1 м. Нагрузка от
пролетных строенией передается на нее в виде сосредото-
ченных сил (рис. 3). Ошибочно вместо нагрузки 1050 кН на
каждую сторону опоры в проекте была принята нагрузка
435 кН.
При разработке чертежей КМД из-за неясного изображения
на чертеже КМ вместо оголовка высотой 1600 мм (рис. 3, о)
высотой 1600 мм (рис. 3, о)
был принят ОГОЛОВОК высо-
той 1000 мм (рис. 3,6),
вследствие чего изменилась
геометрическая схема опо-
ры. Ошибка, которая видна
из.сравнения этих схем, ав-
торами проекта осталась не-
замеченной.
Авария началась у ветви
опорного подкоса промежу-
точной опоры с разрушения
узловых сварных швов в
его креплении.
Рис. 3. Средняя опора транспортерной
галереи
« — по чертежу КМ; б — по чертежу КМД
15

От фактической нагрузки при действительной расчетной
схеме оголовка опоры это усилие (1078 кН) в 1,74 раза превы-
шало расчетное (620 кН) и на 15% было больше усилия
(940 кН), которое могли воспринять швы.
Пролетные строения галереи упали на землю концами, ко-
торыми они опирались на промежуточную опору. Одно пролет-
ное строение вторым свои'м концом удержалось на опорах, а
второе сорвалось и сползло вниз по стене здания. Промежуточ-
ная стальная опора осталась на месте и лишь немного откло-
нилась от вертикали. Оголовок разрушился.
Авария началась с разрушения одного из швов ветви опор-
ного подкоса, другой же разрушился в момент аварии. При этом
ветвь подкоса отделилась от фасонки верхнего узла, а другая
ветвь потеряла устойчивость в результате перегрузки и не смог-
ла удержать пролетные строения.
За последние годы имели место аварии резервуаров для
хранения воды (резервуар-аккумулятор). Одной из главных,
если не первостепенной, причиной аварий является коррозия,
а также неправильности, допущенные при эксплуатации ре-
зервуаров.
Разработанные ЦНИИПроектстальконструкцией стальные
вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефти
и нефтепродуктов вместимостью 2000 м3 использовались в каче-
стве резервуаров-аккумуляторов для хранения воды.
При расчете были применены следующие данные: плотность
нефтепродуктов 0,9 т/м3, нагрузки от снега — 2 кН/м2, от вет-
ра — до 1 кН/м2, /иар = —39 °C, материал — сталь ВСтЗпс и
ВСтЗкп.
Внешний вид и развертка стенки резервуаров показаны на
рис. 4. Толщина стенки нижнего пояса 6 мм, а семи вышерас-
положенных — 5 мм. Предельный уровень налива, установлен-
ный соответствующи'ми документами по эксплуатации, был ра-
вен 10 м. В ряде случаев этот уровень при эксплуатации резер-
вуаров повышался. Выявлено, что в большинстве случаев ава-
рий и аварийных состояний имел место недоучет фактической
нагрузки, действующей на конструкцию (сооружение), а нор-
мативная нагрузка не всегда совпадала с фактически действую-
щей.
По данным исследований В. Г. Писчикова (ЦНИИСК)
[19], объемная масса снега толщиной покрова в 1 см изменяет-
ся от 1,52 до 2,13 кН/м3, а толщиной 60 см — от 2,12 до
2,98 кН/м3. По данным А. Я. Прицкер [45], объемная масса
пенобетона в покрытиях достигала 10 кН/м3 вместо принятых
в проекте 6, т. е. превышала нормативное значение на 65%;
масса снега, измеренная в натуре и взятая непосредственно на
земле вблизи сооружения,— 1,15 и 1,40 кН/м2, на покрытии —
3,90 и 4,02 кН/м2.
16

Рис. 5. Схема покрытия цеха
/ Фермы, потерявшие устойчивость; 2«— главные фермы; 8— разрушенный узел; 4
поврежденные стержни

Из изложенного выше следует, что изучение нагрузок до сих
пор отстает от изучения действительной работы конструкции
(сооружений).
В табл. 4 приведены значения расчетной и фактически дей-
ствующей снеговой и производственной (пыль) нагрузок на со-
оружения в момент аварии. В отдельных случаях (п. 5) факти-
ческая нагрузка (снег и пыль) превышала расчетную в 14 раз.
Таблица 4. Расчетные и фактические значения снеговой нагрузки
в момент аварии
Аварии	Год аварии	По данным работ авторов	Расчетная нагрузка, кН/м*	Фактиче- ская нагрузка, кН/м*
1. Авария семи стропильных ферм:				0,62—2,12 2,75
снег на фонарях » между фонарями 2. Авария стальных промыш- ленных зданий:	1955	Б. И. Беляев, В. С. Корниенко [6]	1,00 1,00	
обрушение конструкций од- нопролетного цеха	1955	Г. А. Шапиро [68]	0,50	1,00
аварийное состояние под- прогонных ферм и фермы пролетом 12 м	1955	То же	1,40	3,60
3. Обрушение трехшарннрных арок пролетом 30 м склада минерального сырья	1956	А.М. Корабликов, Л. С. Краузе [23]	0,60	1,34
4. Авария ферм покрытия це- ха металлоконструкций про- летом 48 м	1956	То же	1,00	5,00
5. Авария ферм покрытия об- жигового цеха цементного завода (двухпролетиое по- крытие С пролетами по 21 м); нагрузка — снег и цементная пыль	1960	А. Ф. Дубро- вин [15]	0,70	9,60
6. Авария арок покрытия цен- трального рынка пролетом 45,2 м	1966	И. А. Мнзюмский [37, 38]	1,00	1,75-3.40
По данным работы [66], фактическая снеговая нагрузка на
здании с перепадами высот в пристенной зоне навеса над авто-
мобильной рампой склада превышала расчетную в 15 раз.
Авария двух стропильных ферм покрытия на одном из за-
водов произошла во время работы в цеху и была вызвана сне-
говой перегрузкой, дефектами, допущенными при монтаже, и
недостаточной жесткостью покрытия.
Общая схема покрытия цеха показана на рис. 5. Покрытие
смонтировано по проекту, разработанному в 1950 г. При этом
были использованы старые стальные конструкции бывшего ан-


Гара. Покрытие организовано на двух главных фер’мах
I — 42 м. Фермы клепаные, тяжелые. Расстояние между ферма-
ми 18,5 м.
Межстропильные фермы, опирающиеся на главные, были
расположены через 6,3 м и соединены с главными болтами.
Высота ферм 2 м, пояса параллельны. Панель решетки имеет
размер 2,5 м. В узлах на фермы опираются прогоны из дву-
тавра № 20, несущие мелкоразмерные сборные железобетонные
плиты пролетом 2,25 м типа ГИС. Прогоны прикреплены к фер-
мам болтами.
Связи, расположенные в плоскости верхнего пояса, идут
вдоль стен здания перпендикулярно главньГм фермам. Вдоль
первой главной фермы организована ветровая связевая ферма.
Вертикальные связи в пролете между стропилами и распорки
по нижним поясам во всем покрытии отсутствуют. По оси 3
у торцевой стены фермы опираются на пристенные стальные
колонны. Все прогоны приварены в узлах связевых ферм, таким
образом свободная длина верхнего пояса и межстропильных
фер'м в обоих направлениях одинакова и равна 2,25 м. К меж-
стропильным фермам подвешены внутрицеховые воздухонагре-
ватели. Крановая нагрузка отсутствует. Как видно из общей
схемы покрытия, общую компоновку его при отсутствии связей
жесткости нельзя считать удачной.
Авария произошла внезапно. Раздался характерный, похо-
жий на выстрел треск, и в течение нескольких минут часть по-
крытия в осях 6—9 со стороны оси В пришла в аварийное со-
стояние, но не обрушилась.
Две фермы потеряли устойчивость и получили поврежде-
ния. Первый от опоры нижний узел второй фермы разру-
шился. В узле оторвался один уголок опорного растянутого
(перенапряженного) раскоса. Затем переломился один уголок
стойки, которая под углом 40—45° выгнулась из плоскости
фермы, и выгнулся из плоскости фермы второй сжатый раскос
узла.
«Нулевой» (в котором усилие равно 0) стержень нижнего
пояса, соединенный двумя болтами со столиком, на главной
ферме сорвало с болтов и отвело в сторону. Ферма прогнулась
и изогнулась из плоскости.
Прогоны, опирающиеся на данную ферму, получили боль-
шой прогиб; третья ферма получила значительные повреждения
верхнего пояса в четырех панелях со стороны второй главной
фермы; верхний пояс четвертой, наиболее напряженной, панели
получил резкий излом как в вертикальном, так и горизонталь-
ном направлениях.
Одна сторона горизонтальной полки тавра в месте изгиба
разорвана, а другая вмята. Весь верхний пояс в прилежа-
щих панелях получил плавный, но весьма значительный из-
гиб с переменой знака в точках соединения с прогонами как
19

в плоскости, так и из плоскости фермы; фермы были значи-
тельно перекошены.
Все остальные фермы в обоих пролетах существенных де-
формаций не получили.
При расследовании аварии оказалось, что имела место
значительная перегрузка ферм снегом (в дни, предшествовав-
шие аварии, был интенсивный снегопад), утяжеление конструк-
ции кровли против проектной (3,25 вместо 2,30 кН/м2) и недо-
статочная жесткость покрытия как в целом, так и его отдельных
элементов.
Анализ всех обстоятельств аварии и характера поврежде-
ний конструкций показал, что основной причиной и первопричи-
ной аварии были дефекты, допущенные при монтаже конструк-
ций от разборки старого сооружения (искривления элементов,
вмятины), которые в сочетании с перечисленными выше причи-
нами и привели к аварии двух расположенных рядом ферм по-
крытия. Не исключено, хотя установить и не удалось, что была
допущена дополнительная строповка к ферме и производился
подъем грузов. Об этом говорит 'местный (локальный) харак-
тер аварии, вид повреждений, наличие погнутостей, облупив-
шаяся краска.
Необходимо отметить еще и следующее: данные о марке ста-
ли, ее механических свойствах, химическом анализе, а также чер-
тежи КМ и КМД и расчеты, по которым сооружалось здание,
отсутствовали.
Обнаружены были также и небрежности, допущенные при
монтаже, например во многих сжатых стержнях ферм, состоя-
щих из спаренных уголков, не были поставлены соединитель-
ные планки и т. д.
В проекте ликвидации последствий аварии предусмотрена
постановка вертикальных связей и распорок во всем покрытии
(рис. 6) и усиление поврежденных ферм (рис. 5).
Анализ аварий и отказов расширял инженерные знания,
способствовал прогрессу инженерной мысли, ускорял развитие
строительной механики. Так, в мостостроении крушение Кев-
динского моста (Россия, 1875 г.) дало толчок к развитию тео-
рии продольного изгиба (Ясинский, Динник, Власов), Тэйского
моста (Англия, 1879 г.) — к пересмотру взглядов на устойчи-
вость на опрокидывание и на необходимость более детального
учета ветровой нагрузки, Менхенштейнского моста (Швейца-
рия, 1891 г.), построенного Эйфелем,— на расчет на знакопере-
менные усилия.
Мачтовые сооружения в течение всего периода эксплуатации
испытывают повторно-пере'менные ветровые нагрузки, которые
могут вызвать явление усталости в элементах конструкций. Это
подтверждается характером эксплуатационных отказов в ра-
боте (изломов) винтовых тяг, стяжек муфт, оттяжек мачт. Пе-
ременное растяжение и неточности, допущенные при монтаже,
20

могут вызвать изгибные усилия. Рассмотрим примеры обруше-
ний 'мачтовых конструкций, которые имели место в 1950-е годы.
В 1952 г. произошло обрушение 8 из 13 радиомачт высотой
186 м вследствие недопустимо слабого закрепления временных
расчалок.
Пониженная против расчетной прочность А-образных ног
высоковольтной линии Куйбышев — Москва привела к обруше-
нию двух анкерно-угловых опор. В 1960 г. произошла авария
мачт высотой 76,5 м радиорелейной линии Вильнюс — Таллин
[6]. Мачта имела трубчатый ствол диаметром 1600 мм и кре-
пилась двумя яруса'ми постоянных оттяжек. Авария произошла
во время монтажа мачты при перестановке ползучего крана на
последнюю стоянку.
В 1940-х годах произошло несколько аварий листовых кон-
струкций. С переходом в 1954—1955 гг. на рулонный способ
изготовления резервуаров и на производство стали (по ЧМТУ
5282—55) и электродов повышенного качества аварии верти-
кальных резервуаров прекратились.
Если бы современная методика расчета на устойчивость
стальных оболочек в виде поверхности вращения была вклю-
чена в нормы раньше 1962 г., ни одна авария листовых конструк-
ций по причине потери устойчивости не имела бы места. Уровень
надежности конструкций сооружений определяется допустимым
количество'м отказов их несущих элементов.
21

Статически определимые конструкций и сооружения харак-
теризуются уровнем надежности до первого отказа, поэтому
еще на стадии проектирования следует избегать применения
таких конструктивных схем, которые при разрушении одного из
слабых элементов превращались бы в изменяемые системы.
§ 4.	Меры предупреждения возникновения аварий,
аварийных ситуаций и отказов
Из анализа многочисленных примеров аварий металлокон-
струкций установлено, что аварии возникают на любом этапе
существования конструкций: они могут быть заложены уже в
процессе проектирования, появиться после многолетней эксплуа-
тации сооружений и даже после того, как конструкции были
реконструированы и усилены. Перечислить все меры предотвра-
щения аварий, учитывая многообразие видов конструкций, их
индивидуальные особенности, особенности их эксплуатации, не
представляется возможным.
Можно указать ряд направлений, в которых должна рабо-
тать техническая мысль научного работника, проектировщика,
монтажника и эксплуатационника, чтобы предотвратить аварии
и повреждения инженерных металлических конструкций.
1.	Профилактика аварий и повреждений, хорошо организо-
ванная и поставленная служба эксплуатации и надзора за ин-
женерными конструкциями имеют первостепенное значение
в деле предупреждения аварий.
За всеми без исключения инженерными конструкциями и со-
оружениями на протяжении всего периода их эксплуатации
должен быть организован тщательный надзор, включающий по-
стоянный надзор, текущий осмотр, периодический осмотр, об-
следования и в необходимых случаях испытания конструкций,
специальные наблюдения и осмотры; особое место в организа-
ции службы эксплуатации должен занимать авторский надзор.
2.	Усиление конструкций и сопутствующее ему регулирова-
ние напряжений является са'мым эффективным средством про-
дления срока нормальной эксплуатации конструкций, повыше-
ния их несущей способности при изменившихся условиях рабо-
ты, увеличения долговечности конструкций и предотвращения
их аварий.
3.	Одним из важных факторов повышения надежности и
долговечности конструкций является также улучшение методики
расчета строительных конструкций.
Бесспорным достоинством метода расчета по предельным
состояниям является его гибкость, возможность более точного
и дифференцированного учета факторов, влияющих на работу
конструкции.
Улучшение метода расчета по предельны'м состояниям мо-
жет быть достигнуто путем дальнейшего уточнения и сближе-
22

нпя расчета с фактической работой конструкции, а для уточне-
ния фактической работы конструкции огромную роль играет
доброкачественный сбор и обработка статистических данных о
нагрузках, характеристиках материала, особенностях условий
работы конструкций.
Несомненно, большое значение имеет привлечение аппарата
теории надежности и математической статистики. Теория веро-
ятностей и математическая статистика являются теориями мас-
совых явлений; они в своей основе предполагают возможность
многократного повторения случайного события в однородных
условиях.
Применение методов математической статистики к изучению
аварий конструкций и сооружений встречает трудности в том
отношении, что хотя отдельные причины, вызвавшие аварии, в
ряде случаев и могут иметь место, однородность же условий по-
вторения аварий, как правило, при этом отсутствует.
Аварии индивидуальны, во многих случаях вызываются не
одной, а сочетанием различных причин, следовательно, наступ-
ление аварийного состояния рассматривать как однородное мас-
совое событие нельзя. В отдельных случаях могут повторяться
условия работы конструкции (крановая нагрузка и ее воздейст-
вие на подкрановые конструкции и т. п.), обычно же условия
работы конструкции как массовые события рассматриваться не
могут, и тем более нельзя рассматривать наступление предель-
ного состояния в конструкции как массовое событие.
Теория надежности тесно связана и. с вопросами ликвида-
ции аварийных состояний, и с вопросами усиления конструкций.
Выполнение конструкцией всех возложенных на нее функций
в течение определенного промежутка вре'мени в теории надеж-
ности рассматривается как свойство системы, определяющее
основную сторону надежности, и называется безотказностью.
Надежноть конструкции вместе с безотказностью характе-
ризуется еще одним свойством — ремонтопригодностью, т. е.
приспособленностью конструкции к устранению появившихся
в ней повреждений. Стальные конструкции обладают высокой
приспособленностью к усилению и ремонтопригодностью.
4.	При рассмотрении различных путей и средств предотвра-
щения аварий нельзя не остановиться на экспериментальном
пути изучения аварий: имеется в виду имитирование аварий на
моделях, устройство экспериментальных катастроф.
Основная сложность применения моделирования к изучению
аварийных состояний и аварий заключается в том, что авариям
в большинстве случаев предшествует достаточно длительный
срок эксплуатации и повреждения накапливаются в течение оп-
ределенного промежутка времени. Не учитывать влияние фак-
тора времени на прочность металла, соединений элементов,
узлов и т. п. нельзя, даже если материал модели и ее узло-
вые соединения новые. При моделировании конструкций,
?3

работающих в условиях знакопеременных напряжений, нельзя
не считаться с так называемым масштабным фактором.
Если установить действительные причины аварии или вы-
хода из строя элементов конструкции ие представляется воз-
можным, то выполнение модели обрушившихся конструкций и
имитирование аварии на модели поможет восстановить ряд
моментов, ускользнувших при обследовании аварии.
Наиболее доступно, пожалуй, анализ причин повреждений,
отказов и аварий конструкций изучать и имитировать в стерж-
невых системах и листовых конструкциях на предприятиях хи-
мической, целлюлозно-бумажной промышленности и других.
ГЛАВА II
ВЫЯВЛЕНИЕ НЕУЧТЕННЫХ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ В СУЩЕСТВУЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЯХ
§ 5.	Общие сведения
Конструктивная форма зданий и сооружений должна, есте-
ственно, соответствовать требованиям технологического процес-
са, происходящего в сооружении, и обладать двумя качествами:
физической и 'моральной долговечностью, т. е. надежностью в
процессе эксплуатации, и соответствием несущей способности
заданных параметров развивающемуся во времени технологиче-
скому процессу. Бурно развивающаяся промышленность приво-
дит к тому, что моральная долговечность конструктивной фор-
мы резко уступает физической.
Академик Н. П. Мельников, рассматривая основные задачи
науки и техники в области реконструкции зданий и сооружений,
приводит интересные данные о снижении капитальных затрат
при реконструкции, техническом перевооружении и расширении
действующих предприятий [34].
На реконструкцию десяти мартеновских цехов было израс-
ходовано стали всего лишь 2,7 против 70 тыс. т при новом
строительстве. На восстановление зданий и сооружений про-
мышленности юга страны было израсходовано около 500 тыс. т
стали вместо нескольких миллионов при новом строительстве.
Степень обновления зданий н сооружений должна быть та-
кой, чтобы затраты составляли 20—30 % от общей стоимости;
следовательно, основными задачами науки и техники в области
реконструкции являются установление условий, при которых
реконструкция становится эффективной, исследование пробле-
мы физической и "моральной долговечности (при различных из-
менениях технологических процессов), исследование действи-
тельной работы и выявление резервов несущей способности
конструкций.
24

§ 6.	Причины, влияющие на снижение физической
долговечности конструкций и сооружений,
и методы реконструкции
В работе [34J установлены четыре причины, влияющие на
снижение физической долговечности строительных металлокон-
струкций, и три категории реконструкции.
Первая причина — старение металла, связанное с образова-
нием свободного цементита и видманштеттовой структуры *.
Рекристаллизация, характеризующаяся сильным ростом зерен,
снижает механические характеристики стали, может возникнуть
при длительном нагреве 'металлических конструкций до 100—
200 °C.
Вторая причина — повреждения в процессе эксплуатации
сооружений, являющиеся следствием недостаточной изученно-
сти условий работы сооружений или неквалифицированной
эксплуатации конструкций (наиболее уязвимыми конструкция-
ми являются подкрановые балки, тормозные площадки, колон-
ны, продольные и поперечные связи, стропильные и подстро-
пильные фермы).
Третья причина — влияние хрупкого разрушения. При эксп-
луатации стали необходимо знание ее качества и склонности к
хрупкому разрушению, характера напряженного состояния,
температурных условий эксплуатации. Определение несущей
способности без учета возможности появления хрупких разру-
шений не может считаться достоверным.
Четвертая причина — коррозия металла. Важное место в
проблеме реконструкции должна занять разработка методов
установления степени снижения коррозии и антикоррозионной
защиты реконструируемых зданий и сооружений. Проблема мо-
ральной долговечности металлоконструкций более сложна, чем
физической.
Исследования, выполненные в США в машиностроительной
промышленности, показали, что каждые пять лет приходится
из'менять сетку колонн здания, на что уходит до 2 лет. Иссле-
дователи пришли к выводу о необходимости перехода на круп-
ные параметры зданий, т. е. к гибкой планировке.
Первая категория реконструкции — малая реконструкция,
которая осуществляется без остановки процесса производства
в сооружении. Повышение несущей способности конструкций
или восстановление утраченной делается средствами усиления
конструкций (глава III).
* Структура стали, представляющая прямолинейное расположение выде-
лений одного из структурных элементов сплава. В высокоуглеродистых ста-
лях видманштеттовую ориентировку принимает феррит. Как правило, вид-
манштеттова я структура наблюдается в крупнозернистом металле; характерна
для литой неотожженной стали, кованой или катаной стали с крупным зер-
ном при перегреве нли пережоге.
25

Вторая категория — средняя степень реконструкции конст-
руктивной формы. В этом случае возникает необходимость за-
мены подкрановых балок, стальных колонн, усиления попереч-
ной и продольной конструкций, повышения отметок покрытий
при увеличении высоты сооружения, устройства дополнитель-
ных пролетов в единой системе зданий и др. В отдельных слу-
чаях вместо замены подкрановых балок воз'можна замена
стальных крановых мостов на алюминиевые.
Третья категория — полная реконструкция, при которой
старая конструктивная форма полностью или частично заменя-
ется новой (классическим примером такой реконструкции, ука-
зывает автор статьи, является замена старых печей домнами
значительного объема и большой производительности на Ниж-
не-Тагильском, Западно-Сибирском, Днепродзержинском, Азов-
сталь и других металлургических заводах. В случае перехода на
доменные печи большего объема реконструкции подвергаются
все смежные конструкции).
§ 7.	Выявление неучтенных запасов прочности
Перерасчет и испытание материалов
Тщательное обследование подлежащих реконструкции кон-
струкций и сооружений позволит определить, насколько они от-
вечают новым требованиям нормальной эксплуатации.
Решение задачи начинается с выявления неучтенных ранее
запасов прочности (в ряде случаев — с проверки жесткости и
устойчивости).
После отнесения материала конструкций к определенной
марке стали в результате лабораторных испытаний делается
перерасчет подлежащих усилению и реконструкции конструк-
ций современными методами расчета по современным нормам
проектирования (разумеется, если конструкция полностью
удовлетворяет требованиям эксплуатации при прежней проект-
ной нагрузке).
Известно, что конструкции, возведенные многие десятилетия
назад, рассчитывались по завышенным нормам нагрузок и за-
ниженным допускаемым напряжениям (расчет по предельным
состояниям введен в 1950-х годах).
Конструкции подчас имеют такие запасы прочности, кото-
рые во многих случаях при перерасчете дают возможность ос-
тавить конструкции без усиления. Предусмотренные нормами
расчетные сопротивления в известной мере компенсируют воз-
растание полезной нагрузки.
В качестве иллюстрации приводится таблица роста допус-
каемых напряжений в металлических конструкциях за 50 лет
до введения современного метода расчета (1955 г.) по предель-
ным состояниям (табл. 5).
В зависимости от фактического состояния конструкций при
перерасчете следует, по возможности, учесть и уточнить те до-
26

Таблица 5. Рост допускаемых напряжений с конца XIX в.
Год	Материал	Допускаемоеi напряжение, МПа	Год	Материал	Допускаемое напряжение. МПа
1896	Литое железо	100	1931	Ст. 3	140
1915	То же	120	1934	То же	140
1928	Ст. 3	120	1942		160
1930	То же	140	1946	>	160
лущения, которые принимались ранее с целью упрощения рас-
чета при проектировании конструкций: пространственную рабо-
ту конструкций, рассчитанных как плоские; жесткость узлов,
неразрезность элементов; в отдельных случаях развитие плас-
тических деформаций; изменившиеся с момента строительства
сооружений сочетания нагрузок и другие расчетные допущения,
шедшие в запас прочности. Выполнять расчет желательно с по-
мощью ЭВМ.
Необходимо, естественно, произвести перерасчет металло-
конструкций, не только подлежащих усилению и рассчитанных
на восприятие повышенных нагрузок, но и тех, на работу кото-
рых может влиять изменение условий работы реконструируе-
мых конструкций.
Данные испытания материала конструкций, сварных швов,
болтов, заклепок могут существенно повлиять на выполнение
работ по реконструкции и усилению. Игнорирование или не-
дооценка перерасчета и испытания могут привести к принятию
неэкономичных решений при реконструкции.
В практике эксплуатации металлоконструкций, особенно
ферм покрытий производственных зданий, часто имеют место
дефекты, полученные элементами конструкций при их изготов-
лении, хранении, 'монтаже, эксплуатации и реконструкции
(погибы полок уголков, различные вырезы и надрезы в них).
Определение несущей способности элементов конструкций с
дефектами во многих случаях позволяет отказаться от затрат
на усиление тех стержней, у которых несущая способность до-
статочна даже при наличии дефектов.
В работе [40] приводятся данные о том, что обоснованные
отказы от усиления (на основании определения расчетом несу-
щей способности стержней ферм с дефектами и оценки их дей-
ствительной несущей способности) дают экономию на 1000 м2
площади покрытия из прокатных уголков примерно 100 кг ме-
талла и 40 руб.
При обследовании состояния эксплуатируемых металличе-
ских конструкций приходится определять механические харак-
теристики материала конструкций, однако требований к надеж-
ности определяемых характеристик не установлено, поэтому
число образцов назначают произвольно; оценка результатов
27

испытаний осложняется тем, что имеются разнообразные профи-
ли, входящие в состав конструкции. Обычно предел текучести
стали От принимают по наименьшему из полученных значений
и вводят коэффициент 0,9 [39]. Этот вопрос ожидает своего
дальнейшего развития и уточнения. При учете изменчивости
нагрузок есть вомзожность выявить дополнительные резервы
несущей способности, если принимать действительное значение
От, определенное с достаточной достоверностью, вместо уста-
новленных нормами. Приведем примеры.
1.	Перерасчет и обследование подлежащих реконструкции
мостовых конструкций (мост через р. Булавин в г. Енакиево)
[12] с учетом перераспределения нагрузок в выбранной конст-
руктивной схеме расширения моста дал возможность отыскать
резервы несущей способности существующей части моста и ис-
пользовать их при реконструкции.
Одни'м из резервов являлось перенесение большей части
людских потоков на проектируемую часть моста. Интенсив-
ность подвижной нагрузки определялась на основании хроно-
метража грузопотоков. В результате расширения автомобиль-
ной дороги и смещения одной полосы движения автомобилей на
новую часть моста подвижная нагрузка значительно снизилась.
Перерасчет существующих конструкций с учетом выявления
резервов несущей способности, имеющихся дефектов и повреж-
дений в конструкции позволил разработать проект реконструк-
ции моста с включением в новую конструктивную схему суще-
ствующей части 'моста.
2.	Применение более точных методов поверочного расчета
дало возможность при реконструкции здания избежать усиле-
ния существующих анкерных креплений стальных колонн при
увеличении опорных моментов [51].
Увеличение эксплуатационных нагрузок вызвало необхо-
димость усиления анкерных болтов, прикрепляющих колонны
к фундаментам. Усиление требовало выполнения ряда сложных
трудоемких операций; установки дополнительных анкерных
болтов с устройством колодцев для их закрепления в сущест-
вующем фундаменте или уширения фунда'ментов с закладкой
креплений для дополнительных анкерных болтов.
Более точные методы поверочного расчета по сравнению с
теми, которые применялись при возведении сооружения, дали
возможность оставить конструкцию крепления колонн без уси-
ления.
В поверочном расчете были учтены упругие и пластические
свойства бетона.
В результате перерасчета с учетом увеличившихся нагрузок
на колонны и новых расчетных значений продольной силы N
и изгибающего момента М оказалось (рис. 7):
при расчете по методике СНиП. П-В. 3—62 расчетное усилие
в анкерных болтах Z = 1170 кН;
28

Рис. 7. К расчету анкерных болтов
а —По СНиП И-В. 3—62*; б —с учетом упругих
свойств бетона
при расчете анкерных болтов с
учетом упругих свойств бетона фун-
дамента расчетное усилие в анкер-
ных болтах Z = 800 кН;
при расчете анкерных болтов с
учетом развития пластических де-
формаций в бетоне расчетное уси-
лие в анкерных болтах Z = 660 кН.
Расчетные усилия в анкерных
болтах при расчете с учетом упру-
гих свойств бетона оказались на
31 % меньше, чем при расчете по
СНиП II-B.3—62, а при расчете с
учетом развития пластических де-
формаций— на 43 % меньше, чем
при расчете по СНиП П-В.З—62.
С учетом упругих и пластических свойств бетона при рас-
чете анкерных болтов и определении расчетных усилий в попе-
речной раме каркаса следует учитывать податливость опор.
Значительные трудности возникают при обследовании, выяв-
лении резервов несущей способности и решении вопроса о воз-
можности дальнейшего использования старых Металлических
конструкций, построенных в начале нынешнего столетия, а в
некоторых случаях и более раннего возведения. Сертификат на
сталь и другая техническая документация в этих случаях, как
правило, отсутствует.
Для проведения лабораторных испытаний в соответствии с
действующими стандартами, чтобы оценить качество стали, из
эксплуатируемых конструкций вырезают образцы. По данным
механических испытаний, спектрального и химического анали-
зов устанавливают, обычно с определенными допусками, к ка-
кой марке можно отнести сталь.
3.	В результате обследования цеха известково-обжиговых
печей Лисичанского завода и’м. В. И. Ленина, построенного еще
в прошлом веке и эксплуатируемого с 1892 г., с целью опреде-
ления возможности его дальнейшей эксплуатации было уста-
новлено 143]: здание цеха состоит из двух одноэтажных проле-
тов размером в плане 53 X 120 м; к верхней части одного из
пролетов на высоте 16 м подходит подвесная эстакада загруз-
ки обжиговых печей; стальной каркас отличается сложным не-
упорядоченным расположением основных несущих элементов и
большим разнообразием конструкций сквозных колонн, стро-
пильных ферм, балок, прогонов, подстропильных ферм; все кон-
струкции клепаные.
29

По результатам механических испытаний образцов из стали
установлено, что сталь конструкций цеха сопоставима с харак-
теристиками стали класса С38/23, а по данным спектрального
и химического анализов,— марки типа СтЗкп.
Имеет место поверхностный коррозионный износ Металла с
глубиной поражения отдельных элементов до 0,8—1,2 мм и ще-
левой износ в местах соединений. Расчетами было установлено,
что несущая способность конструкций в основном обеспечена.
Обследования коррозионной среды, в которой эксплуатиру-
ются металлоконструкции в цехе, показали, что коррозия стали
протекает по механизму влажностной атмосферной коррозии с
кислородной деполяризацией, так как цех является частично
открытым, но непосредственного попадания влаги на металли-
ческие конструкции нет.
Цех был признан пригодным к дальнейшей эксплуатации
при выполнении небольшого усиления ферм и обработке по-
верхностей металлоконструкций на участках с повышенной
влажностью антикоррозионными составами.
Разгрузка
Улучшение условий работы конструкций может быть достиг-
нуто уменьшением или ограничением действующих на них на-
грузок. Эти приемы не являются фактическим усилением кон-
струкций и вместе с тем помогают выявить резервы их несу-
щей способности, позволяют повысить категории ряда полезных
нагрузок за счет уменьшения или ограничения других. Цен-
ность таких специальных мероприятий обусловливается и тем,
что они, по существу, не требуют или сводят к минимуму затра-
ты материалов и переделки. В последнее время появился даже
новый термин — «усиление без усиления».
Разгрузка стропильных и подстропильных ферм может быть
осуществлена заменой: тяжелой кровли — более легкой (напри-
*мер, крупнопанельных железобетонных плит трехслойными из
алюминиевых сплавов или пластмасс); тяжелого утеплителя
(например, шлака) — более легкими; теплой кровли — полутеп-
лой или холодной, если это допустимо условиями эксплуатации,
а также снятием световых фонарей с тяжелыми бортовыми эле-
ментами и заменой их зенитньГми фонарями, освещением лам-
пами дневного света и т. д. Разгрузка колонн и фундаментов
достигается одновременно со снижением нагрузок на стропиль-
ные фермы и подкрановые балки. В крайних колоннах возмож-
на замена фахверковых стен облегченными.
Грузоподъемность кранов при реконструкции предприятий
может быть увеличена за счет снижения нагрузки на подкрано-
вые балки и колонны. Достигается это ограничением приближе-
ния груза к подкрановой балке на минимально допустимое по
условиям производственного процесса расстояние при помощи
30

установки упоров на рельсы,
по которым движется тележка
крана (рис. 8); увеличением
габаритов сближения кранов,
что достигается постановкой
на кранах удлиненных буфер-
ных устройств (рис. 9); сни-
жением массы тележки.
Увеличение крановых нагру-
зок и сокращение срока ввода
в эксплуатацию проектных
мощностей было достигнуто на
одном из металлургических за-
водов распределением нагру-
Рис. 8. Увеличение габарита прибли-
жения груза к колонне
/ — нормальное положение упора: 2 —по-
ложение упора после реконструкции
зок от кранов на несущие конструкции при повышении грузо-
подъемности мостового крана с 50 до 60 т [44].
В действующем пятипролетном цехе постановка указанного
крана была достигнута за счет увеличения числа опорных ко-
лес крана с 4 до 8, увеличения габарита сближения рядом стоя-
щих кранов путем увеличения длины буферов нового крана до
1,3 м с каждой из сторон крана и взаимной перестановки мос-
товых кранов (постановка рядом с 60-тонным краном кранов
'меньшей грузоподъемности).
В результате указанных мероприятий удалось не только
увеличить грузоподъемность крана до 60 т, но и значительно
(до 15%) снизить уровень расчетных напряжений по сравне-
нию с ранее действовавшими напряжениями от 50-тонного кра-
на. За счет снижения общего уровня напряжений имеющая мес-
то коррозия элементов до 10 % не вызвала необходимости уси-
ления металлоконструкций.
Разгрузка крановых конструкций может быть осуществлена
также ограничением грузоподъемности кранов до величины,
меньшей номинала, если это возможно сделать по условиям
происходящего в цехе технологического процесса.
В отдельных случаях, как показали исследования ЦНИИ-
проектстальконструкция, возможна замена стального моста
крана мостом из алюминиевого сплава (масса алюминиевого
моста в 2,5—2,8 раза меньше стального). Не исключены и воз-
можны варианты замены 'мостовых кранов напольными и при-
менение подкрановых эстакад.
Большие запасы несущей способности содержатся в прост-
ранственной работе каркасов промышленных зданий, не
Рис. 9. Увеличение га-
барита сближения
кранов
а — до реконструкции;
б — после реконструкции;
I — удлинение буфера.
31

учтенные при их проектировании и при решении вопросов рекон-
струкции сооружений.
Пространственную работу конструкций в определенной мере
обеспечивают тормозные балки, рабочие площадки, элементы
фахверка, жесткость узлов в решетчатых стержневых системах,
обычно принимаемых как шарнирные, учет совместной работы
колони с основанием и фундаментами, развитие пластических
деформаций в статически неопределимых системах и др.
Определенный эффект выявления резервов несущей способ-
ности подкрановых балок может дать при поверочном перерас-
чете более точный расчет: учет включения в работу сечения го-
ризонтальной тормозной системы и подкранового рельса.
Многочисленные натурные исследования каркасов показали,
что колонны, как правило, имеют дополнительные не учтенные
при проектировании резервы несущей способности [4].
При реконструкции зданий и сооружений всех назначений,
окруженных другими зданиями, надежно защищающими рекон-
струируемые, целесообразно исследовать вопрос снижения рас-
четного ветрового давления на стены.
Тщательно выполненное обследование состояния металло-
конструкции должно производиться по определенной програм-
ме, дающей возможность выявить имеющиеся дефекты, повреж-
дения, степень износа конструкций в целом и их элементов и
неиспользованные резервы несущей способности.
Для разгрузки металлических балок перекрытий граждан-
ских зданий, имеющих историческое значение и не допускаю-
щих увеличения высоты перекрытий за счет элементов усиле-
ния, обычно применяют замену тяжелых засыпок и с'мазок бо-
лее легкими; ограничение людского потока и др.; для разгруз-
ки ферм производится снятие дополнительных подвесок.
В транспортерных галереях, где по условиям эксплуатации
передвижения заданного количества сыпучих изменить невоз-
можно, снижение нагрузки возможно за счет замены тяжелых
железобетонных плит покрытия под транспортерами, а также
кровли и стен более легкими ограждениями.
В листовых конструкциях (резервуарах, газгольдерах, тру-
бах) уменьшение действующей нагрузки в отдельных случаях
возможно за счет снижения рабочего или избыточного давле-
ния, а также гидростатического давления при условии сниже-
ния верхнего предела уровня жидкости в резервуаре и т. п.
«Усиление без усиления», помимо рассмотренных выше при-
емов, может осуществляться и рядом других приемов: уточне-
нием для конкретной конструкции расчетных нагрузок и
свойств стали; применением автоматических устройств, конт-
ролирующих силовые воздействия; уточнением коэффициентов
условий работы, коэффициентов сочетаний отдельных видов на-
грузок; учетом пространственной работы отдельных конструк-
ций; применением систем автоматического контроля за массой
32

груза; повышением расчетных нагрузок на статически неопре-
делимые системы за счет допущения развития пластичности
и др.
Все эти приемы позволяют выявить резервы грузоподъемно-
сти отдельных конструкций и использовать их при решении во-
просов реконструкции и целесообразности, производить усиле-
ние конструкций или же оставить их без усиления либо свести
усиление к минимуму.
Большую помощь при изучении совместной работы кранов
может оказать моделирование технологических процессов, кото-
рое учитывает возможные варианты нормальной и аварийной
эксплуатации. Проведение таких исследований может вскрыть
значительные резервы несущей способности.
Исследования, проведенные в ПолтИСИ [42], показали, что
для описания атмосферных нагрузок (снеговой, ветровой) при-
годна модель квазистационарного процесса, характеристики ко-
торого медленно изменяются во времени; модель нагрузки мо-
стовых кранов имеет вид четырехмерного стационарного про-
цесса. Разработанные комплексы программ для ЭВМ обеспечи-
вают получение необходимых характеристик случайных процес-
сов нагружения строительных конструкций.
В отдельных географических пунктах, как показала стати-
стическая обработка нагрузок, снеговая и ветровая нагрузки
могут быть снижены по сравнению с нормативными значениями
по СНиП П-6—74. Завышенными в отдельных случаях остают-
ся нагрузки от мостовых кранов.
Использовдние современного аппарата статистических ме-
тодов и методов теории надежности строительных конструкций
может оказать существенную помощь в деле выявления ре-
зервов несущей способности эксплуатируемых металлокон-
струкций.
Интересный пример того, как в результате прогнозирования
уровня колебаний строительных конструкций действующего
сталеплавильного цеха от воздействия устанавливаемых при ре-
конструкции цеха новых формовочных машин оказалось воз-
можным оставить стальные конструкции без усиления, приве-
ден в работе [53].
При реконструкции цеха было предусмотрено заменить во-
семь формовочных машин устаревших марок для изготовления
крупных отливок девятью новыми. Возникла необходимость в
уточнении усилий в конструктивных элементах стального кар-
каса двухпролетного цеха, которые возникнут при эксплуатации
новых формовочных машин.
Здание сталелитейного цеха электромашиностроительного
завода — одноэтажное, с пролетами 16,5 и 24 м, построено в
1950—1955 гг. Высота пролетов около 11,3 м. Цех оборудован
мостовыми кранами тяжелого режима работы грузоподъемно-
стью до 15 т. Каркас и несущие конструкции покрытия цеха
33

стальные, изготовленные с применением заклепочных и сварных
соединений. Стены кирпичные. Устойчивость каркаса в продоль-
ном направлении обеспечивается системой вертикальных и
горизонтальных связей. Во время реконструкции цеха были вы-
полнены расчеты каркаса с учетом сжимаемости основания
и динамические расчеты каркаса на действие колебаний, пере-
дающихся через грунт от фундаментов формовочных машин.
Была установлена необходимость усиления значительного коли-
чества элементов стальных конструкций, что в условиях экс-
плуатируемого цеха, естественно, осуществить было очень
трудно.
По разработанному в Харьковском Промстройниипроекте
способу было выполнено прогнозирование ожидаемых колеба-
ний грунта и строительных конструкций, которые могут возник-
нуть при эксплуатации новых формовочных машин.
Прогнозируемые колебания грунта и сооружения позволили
установить, что не следует ожидать неравномерных осадок фун-
даментов колонн, а прогнозируемые динамические напряжения
в конструкциях оказались во много раз меньше расчетных и не
опасны для их прочности. Вследствие этого в сталелитейном
цехе была выполнена установка формовочных машин новой мо-
дели без усиления несущих конструкций здания.
В месте проектируемого размещения каждого фундамента
(источника вибрации) в цехе наносили удар по грунту с изве-
стной энергией импульса (удар бабой массой 1 т с высоты
4—6 м). Во время удара регистрировались колебания грунта и
сооружений, колебания колонн среднего ряда, по сторонам ко-
торого должны размещаться новые фундаменты, и фундаментов
отдельных крайних рядов. Определялись динамические напря-
жения в элементах ферм покрытия и надкрановой части колонн
среднего ряда.
Колебания грунта и фундаментов колонн измерялись при
помощи сейсмоприемников ВЭГИК, динамические напряжения
в элементах ферм и колонн фиксировались при помощи тензо-
метров ЮжНИИ и тензостанцией ТА-5. Полученные данные
прогнозирования колебаний строительных конструкций показа-
ли, что в одном из наиболее нагруженных элементов нижнего
пояса фермы динамические напряжения составляют ’менее 2 %
расчетных статических напряжений, ожидаемые динамические
напряжения в подкрановой части колонн среднего ряда — ме-
нее 4 % и, следовательно, они не опасны для прочности конст-
рукций. Таким образом, экономический эффект при реконструк-
ции получен за счет уменьшения объема работ, требовавшегося
на усиление конструкций.
Рассмотренные примеры выявления резервов несущей спо-
собности с по'мощью применения ряда специальных мероприя-
тий, не являвшихся средствами усиления конструкций, на ис-
черпывающую полноту не претендуют.
34

ГЛАВА Ш
УСИЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ В СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЕМ УСЛОВИЙ
ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
§ 8.	Общие сведения
Техническое перевооружение действующих промышленных
предприятий является одним из основных направлений совре-
менного развития промышленности. Расширение и реконструк-
ция предприятий влечет за собой необходимость реконструкции
и приспособления существующих металлических конструкций к
новым условиям их работы.
Критерием реконструкции является технико-экономический
эффект. В экономическом отношении окупаемость капиталовло-
жений при реконструкции происходит в 2—3 раза быстрее
135].
Необходимость усиления возникает не только в конструкциях
промышленных предприятий, но и в металлоконструкциях граж-
данских, сельскохозяйственных, специальных и других зданий и
сооружений.
Усиление есть совокупность мероприятий, направленных на
повышение несущей способности конструкции в целом или ее
отдельных элементов. Усиленная конструкция должна удовлет-
ворять современным требованиям в отношении прочности, жест-
кости, устойчивости и другим специальным требованиям.
Основные причины, вызывающие необходимость усиления
конструкций, могут быть объединены по следующим признакам:
изменение условий эксплуатации: увеличение нагрузки, из-
менение режима эксплуатации, вызванные реконструкцией,
и т. п.;
начальные конструктивные дефекты; дефекты проектирова-
ния, изготовления и монтажа; недостаточная жесткость и устой-
чивость конструкций или их элементов; недостаточная хладо-
стойкость; наличие погибей, погнутостей в отдельных элемен-
тах конструкций и т. п.;
эксплуатационный износ: изнашивание, потеря прочности в
результате действия динамической, вибрационной нагрузок,
действие высокой или низкой (отрицательной) температуры,
вызывающей хладноломкость, действие различных химических
реагентов и т. п.;
случайные повреждения: выход из строя отдельных элемен-
тов, повреждения стихийного характера и т. п.;
приобретенные конструктивные дефекты: неправильная экс-
плуатация.
Для выбора наиболее оптимального проектного решения
усиления конструкций следует разработать и проанализировать
несколько вариантов усиления и сравнить нх технико-экономи-
ческую эффективность и технологичность выполнения усиления.
35

§ 9.	Классификация усиления металлических конструкций
В разработанной классификации (рис. 10) центральному
пункту (непосредственному усилению) предпослана графа «спе-
циальные мероприятия», которые имеют такое же большое зна-
чение, как и способы непосредственного усиления. Пять спосо-
бов непосредственного усиления совместно с двумя способами,
отнесенными к разряду специальных мероприятий, решают за-
дачу усиления конструкций, находящихся под нагрузкой, пред-
варительно разгруженных и демонтированных.
Вопросы, касающиеся специальных мероприятий, с которых
должно начинаться обсуждение решений о необходимости и воз-
можности увеличивать несущую способность конструкций, т. е.
усиливать их, рассмотрены в главе II.
Известно много случаев, когда положительные данные пере-
расчета конструкций по уточненной расчетной схеме и более
прогрессивны'м методам расчета, установление технической воз-
можности выполнения разгрузки конструкций и положительные
результаты испытаний материала конструкций побуждали от-
клонять решение об усилении конструкций и принимать реше-
ние оставлять их в существующем виде, или, как сейчас гово-
рят, сделать «усиление без усиления» или «косвенное усиле-
ние».
Каждый из перечисленных в классификации способов уси-
ления может быть выполнен целым рядом приемов. Усиление
конструкций, как правило, достигается применением не одного
какого-либо приема, а их сочетание'м и в комбинации со спосо-
бами, указанными в специальных мероприятиях.
В классификации рассматриваются: виды усилений (времен-
ное, неотложно-аварийное, постоянно-капитальное, перспектив-
ное); материалы, применяемые при усилении; способы присое-
динения элементов при усилении и материал усиливаемых
конструкций. Все эти факторы взаимосвязаны и должны учиты-
ваться при выборе и обосновании того или иного способа усиле-
ния конкретной конструкции (сооружения). В будущем пре-
дусматриваются для усиления в качестве материалов по-
лимерные материалы, а одним из способов присоединения
элементов — проклеивание.
Состояние усиливаемых конструкций
При проектировании усиления состояние конструкций влияет
на выбор приемов осуществления усилений. Чаще всего прихо-
дится производить усиление конструкций в процессе их эксплуа-
тации, т. е. в напряженном состоянии.
Возникают определенные трудности в присоединении эле-
ментов усиления, включении элементов усиления в работу. При
усилении конструкций может иметь место потолочная сварка
и др.
36

Состояние ytMll-
даемых конструкции
Виды усилений.
Специальные
мероприятия
Определение и увеличение несущей способности
металлических конструкций
я^.и.ии^. Неотложно-
временное аварийное
Находящихся Предварительно
под нагрузкой, разгруженных МемонтированныД
Постоянное
(капитальное)
Перспективное
Усиление
ОсноВные способы
усиления
Подведение
новых кон-
струкций
(элементов)
Постановка
дополнитель
них связей,
ревер, диа-
фрагм
Усиление
соединений
элементов
Увеличение
сечений
элементов
Изменение
конструк-
тивной
схемы
Выявление не-
Вшыхза-
прочно-
сти,перерас-
чет.испыта-.
ние материала
конструкций.
Разгрузка
(уменьшение
нагрузки)
Материал, примени-___
емый при усилении	*
Способы присоедине-
ния элементов при-----►
усилении
Материал усилиВа-___
Оных конструкций _*г
Клепка
Металл
Чугун
Сварочное
железо
Сталь и алюминие-
вые сплавы
Рис. 10. Классификация усиления металлических конструкций
Естественные и искусст-
венные каменные матери-
алы (бетон, кирпич и др.)
[Дерево I Полимерные
-----------1 материалы
Сварка
болты
Клей
Комбинированные соединения

Усиление производится при отсутствии временной и наличии
минимально возможных постоянных нагрузок в процессе уси-
ления конструкций. Применением предварительного напряже-
ния можно заставить работать конструкцию не только на до-
полнительную нагрузку после усиления, но и на часть постоян-
ной нагрузки. При большой величине постоянной нагрузки
конструкцию целесообразно разгружать перед ее усилением.
Усиление демонтированных, выведенных из общего конст-
руктивного комплекса конструкций практикуется обычно при
восстановлении стальных сооружений. При восстановительных
работах бывают случаи, когда приходится усиливать разроз-
ненные некомплектные части старых конструкций. Имеет место
усиление изготовленных, но еще не смонтированных конструк-
ций, например при переоборудовании сборно-разборных кон-
струкций в постоянные [29] и т. д.
Виды усилений
Временное усиление может иметь место для конструкций,
эксплуатация которых должна быть начата в короткий срок до
их капитального усиления. Применяются упрощенные решения,
обусловленные коротким сроком службы конструкций. Приме-
няемые материалы для усиления могут отличаться от исполь-
зуемых при капитальном усилении. Их наличие и сортамент
могут повлиять на выбор приема усиления. Соединения элемен-
тов выполняются на болтах.
К этому виду усиления относится особый вид временного
усиления — монтажное. Во время подъема, передвижки и стро-
повки конструкций последние могут работать в условиях, от-
личающихся от предусмотренных проектом при их нормальной
эксплуатации. По этой причине в отдельных элементах могут
появиться значительные перенапряжения, вызывающие необхо-
димость усиления конструкций на время их монтажа.
Неотложно-аварийное усиление применяется в особых слу-
чаях и имеет те же особенности, что и временное. Постоянное
(капитальное) усиление — основной вид усиления. Главным
фактором при выборе того или иного решения, при прочих рав-
ных условиях, является технико-экономический эффект. Он же
является и главным критерием реконструкции, усиления, увели-
чения несущей способности, обновления конструктивных форм
зданий и сооружений [35].
По поводу перспективного усиления в 1946 г. Н. С. Стре-
лецкий [58] отмечал, что одной из основных задач в области
развития стальных конструкций является предвидение прогрес-
сивного (перспективного) усиления. Этот вид усиления являет-
ся наиболее передовым, применяемым главным образом в про-
мышленных сооружениях. Усилению подвергаются конструк-
ции, на которые с течением времени возможно и закономерно
увеличение нагрузки.
38

Возможность усиления Конструкций в будущем представля-
ет собой нелегкую задачу, решаемую на стадии проектирования
конструкций. Практика показала, что усиление цехов значи-
тельно сложнее усиления мостов и поэтому предвидение этого
вида усиления является задачей крайне актуальной.
Материал усиливаемых конструкций, элементов усиления и
способы их присоединения также играют немаловажную роль
при осуществлении усиления. С особой осторожностью нужно
подходить к усилению старых конструкций, а также конструк-
ций, выполненных из сварочного железа и чугуна [29]. Такие
конструкции встречаются в старых предприятиях (текстильные
и бумажные фабрики, архитектурно-исторические памятники с
несущими металлоконструкциями и др.).
Многочисленные исследования показали, что при сварке
элементов вдоль прокатки слои материала отдираются, а при
соединении поперек прокатки — расслаиваются. К конструкци-
ям, выполненным из сварочного (кричного) железа или чугуна,
элементы усиления присоединяются большей частью на болтах,
заклепках или с помощью других комбинированных соединений
(заклепок и болтов). Перед принятием решения об усилении
конструкций из сварочного железа и чугуна при по'мощи сварки
следует обязательно испытывать материал конструкции на воз-
можность применения сварки.
Для усиления применяются в основном все профили прокат-
ной стали — круглая и трубчатая, а также тросы, железобетон,
бетон в качестве обойм и сталинитбетон.
Основные способы усиления
Насчитываемое практикой большое число разнообразных
приемов усиления металлических конструкций может быть
объединено в пять основных групп, в дальнейшем условно на-
званных «основными способами усиления»: подведение новых
дополнительных конструкций или элементов; постановка допол-
нительных связей, ребер, диафрагм, распорок; усиление соеди-
нений элементов; увеличение сечений элементов; изменение
конструктивной схемы.
Усиление конструкций в большинстве случаев достигается не
одним из перечисленных выше способов, а их сочетанием и, как
правило, сочетанием со способами, отнесенными в разряд
специальных мероприятий.
Например, усиление конструкции решетчатой двускатной
рамы достигается введением затяжки под ригелем, т. е. измене-
нием конструктивной схемы (основной способ усиления). Вве-
дение затяжки влечет за собой увеличение сечений отдельных
стержней рамы (дополнительный способ). Перерасчет рамы с
применением современных норм, отличающихся от тех, на основа-
нии которых конструкция была рассчитана при проектировании
39

и изготовлении, может дать основание производить местное
усиление меньшего числа стержней (способ из «специальных
мероприятий»).
Способами общего усиления являются усиление изменением
конструктивной схемы и установкой дополнительных связей
пространственной жесткости. К способам 'местного усиления мо-
гут быть отнесены установка дополнительных ребер, диафрагм,
распорок; усиление соединений; усиление увеличением сечений
элементов.
При выборе технического решения следует подвергать кри-
тическому пересмотру и в необходимых случаях изменять попе-
речную и продольную схемы сооружений путем введения свя-
зей, подкосов, жестких узлов и т. п.
Усиление конструкций, как и лечение, сугубо индивидуаль-
но: можно указать, как и чем лечить конкретную болезнь, но
сказать, как лечить какого-то конкретного больного, можно
только после всестороннего его освидетельствования.
Каждый из способов усиления имеет свои преимущества и
недостатки, свои границы применения, меняющиеся для различ-
ных не только типов зданий и сооружений, но и условий их
эксплуатации, поэтому составление каких-либо общих рекомен-
даций, кроме сравнения различных вариантов усиления в конк-
ретных условиях данного сооружения, практического смысла не
имеет.
Особое 'место занимает своеобразный вид усиления — уси-
ление с целью повышения хладостойкости элементов конструк-
ций, работающих в условиях низких температур. Способы та-
кого усиления конструкций принципиально отличаются от ука-
занных выше (рассмотрены в главе VI).
§10.	Способы усиления
Усиление подведением новых конструкций (элементов)
Широко распространен прием усиления перекрытий по ме-
таллическим балкам путем подведения новых балок между су-
ществующи'ми (рис. 11). При этом сокращается расстояние
между основными балками, в результате чего уменьшается дей-
ствующая на них нагрузка. Не следует упускать из виду, что
над вновь подводимой балкой может возникнуть отрицательный
изгибающий момент в железобетонной плите, в которой могут
появиться трещины.
Прием усиления эффективен, но требует большого расхода
металла. Этим приемом были усилены перекрытия одной из
ленинградских типографий *.
* Проект Ленинградского отделения института Проектстальконструкция,
1945.
40

1. В связи с реконструкцией предприятия нагрузка на пере-
крытия резко возросла. Напряжения в балках достигли о =
= 200 МПа. Кирпичные продольные стены использовать в каче-
стве опор под балки было невозможно. У стен были установ-
лены стойкие из швеллеров, на которые и были оперты подво-
димые балки.
2. Усиление подкрановой фермы, состоящей из двух ветвей,
выполнено установкой внутри верхнего пояса сварных двутав-
ровых балок (рис. 12) с поясами из квадратной стали 60 X
X 60 мм и вертикальным листом 480 X 6 мм. Подводи’мые раз-
грузочные балки прикреплены болтами к поперечным диафраг-
мам верхнего пояса и подпирают его горизонтальные листы *.
Прием усиления эффективен, но требует значительных затрат
труда и металла. Более рациональным могло оказаться усиле-
ние подкрановых балок коробчатого сечения бетоном или ста-
линитбетоном.
3. При реконструкции цеховых сооружений возникает необ-
ходимость в модернизации существующих кранов, в замене ездо-
вых балок моста. В Проектстальконструкции [60] (Днепропет-
ровск) разработан способ реконструкции мостовых кранов, пред-
усматривающий разъединение концевых балок мостов кранов,
разводку полумостов, установку в каждом из них ездовой балки
параллельно сохраняе'мой и скрепление новой балки с концевы-
ми и сохраняемой ездовой. После этого полумосты сводят и
скрепляют разъединенные части концевых балок между собой
посредством вставок, компенсирующих расстояния между стары-
ми и новыми ездовыми балками с сохранением размера колеи.
4. При перестройке одного
из многоэтажных зданий уси-
лить существующие колонны,
которые должны были нести
дополнительную нагрузку, не
представлялось возможным.
Тогда вокруг старых колонн
* Проект Гипромеза, 1946.
Рис. 12. Усиление
подкрановых ферм
денными под рельс
1 — подводимая балка
речная диафрагма; 3 -
тов
верхнего пояса
балками, подве-
усиления: 2 — попе-
• отверстия для бол -
1
Рис. II. Усиление перекрытия под-
ведением дополнительных балок
/ — существующие балки; 2 — подводимая
балка усиления
41

Рис. 13. Схема реконструкции несущих конструкций ангара-мастерской
/ —надворотная рама; 2— односкатные фермы; 3 — опорные стойки; 4—сквозные прого-
ны; 5 — связи: 6 — подкосы; 7 — подводимые фермы; 3 — существующие стойки: 9 — труб-
чатая опора
были поставлены новые. На образовавшиеся кусты, состоящие
из старых и новых колонн, была передана вся нагрузка.
5. Реконструкция ангара-мастерской. Проект реконструкции
покрытия ангара-мастерской выполнен в 1964 г. проектно-кон-
структорской конторой треста «Сибстальконструкция» [31].
Ангар с размерами в плане 64,5X41 м и высотой в свету
8,4 м к моменту реконструкции просуществовал три десятиле-
тия. Несущие конструкции (рис. 13) состоят из решетчатой
надворотной рамы 1 пролетом 64,5 м и продольных односкат-
ных ферм 2 пролетом 41 м, опирающихся на эту раму, и колон-
ны 3 по оси задней глухой стены. Шаг ферм 12,9 м. В узлах
ферм расположены сквозные прогоны 4. По контуру ангара в
плоскости верхних поясов расположены горизонтальные свя-
зи 5. Колонны в плоскостях продольных ферм имеют подко-
сы 6. Конструкции изготовлены из стали фирмы «Крупп». Сое-
динения клепаные. Кровля холодная, рулонная по дощатому
настилу. Сталь, примененная в конструкциях, относится к мар-
ке Ст. О с расчетным сопротивлением 170 МПа. Перерасчет по
СНиП констатировал недостаточную несущую способность даже
при существовавшей холодной кровле; в связи же с изменением
условий эксплуатации сооружения требовалось устройство теп-
лой кровли.
42

Из нескольких вариантов усиления был осуществлен сле-
дующий. Под существующие фермы 2 посреди ангара подвели
две сварные подстропильные фермы 7 с параллельными пояса-
ми пролетом 32,1 м, высотой 4 ’м. Фермы 7 опираются на суще-
ствующие стойки 8 торцевых стен и установленную в центре
трубчатую опору 9 сечением 426 X 11 мм. Фермы рассчитаны
как однопролетные. Поддерживающие фермы 7 включались в
работу только на действие временной нагрузки (снег) Новая
теплая кровля выполнена из полых асбестоцементных плит,
уложенных по новым 'металлическим прогонам.
Усиление введением дополнительных элементов решетки
в фермах
Прием одинаково применим в стропильных, крановых мосто-
вых фермах, решетчатых подкрановых балках. При необходи-
мости уменьшить гибкость стержней верхнего пояса относи-
тельно оси х — х (рис. 14, а) вводится шпренгельная решетка.
Элементы усиления показаны пунктиром. Гибкость относитель-
но оси у — у при этом остается без изменения.
Введение дополнительных стоек (рис. 14,6) может иметь
место для разгрузки нижнего пояса, передавая часть нагрузки
на дополнительные узлы. Новые элементы будут работать толь-
ко на местную узловую нагрузку.
При недостаточной жесткости всего покрытия к стержням
усиления удобно крепить вертикальные связи жесткости. В мос-
товых крановых фермах верхний пояс работает в условиях од-
новременного действия продольных сжимающих усилий и мест-
ного поперечного изгиба.
При добавлении вспомогательной шпренгельной решетки
длина панелей уменьшается, а следовательно, уменьшаются и
напряжения от местного изгиба. При недостаточной жесткости
решетки всей фермы могут быть добавлены стержни, создаю-
щие вместе с существующими пере-
крестную решетку, вследствие чего а)	*	___х_
ферма превращается в статически не- _______г-гт’" 6
определимую (происходит изменение
конструктивной схемы).	\1/ у
Усиление рассмотренными приема-
ми легко может быть выполнено в S)
эксплуатируемых конструкциях, нахо-
дящихся под нагрузкой. Оценивая |/ I \/
приемы усиления путем подведения но-
вых конструкций или элементов, еле- Рис. 14. Усиление введением
дует отметить следующее. Разгрузка дополнительных элементов
введением самостоятельно работаю- решетки в фермах
щих конструкций требует значитель- поясГ™ поясе: ° ~ ’ н“ж'
43

ного расхода материала, может вызвать необходимость раз-
грузки и даже частичного демонтажа усиливаемых конструкций.
Во многих случаях этот способ усиления может конкурировать
со способами увеличения сечений элементов и изменения кон-
структивной схемы.
Постановка дополнительных связей, ребер, диафрагм распорок
Правильная расстановка связей пространственной жестко-
сти имеет огромное значение для сохранения нормальной рабо-
тоспособности всех конструкций, и прежде всего таких, которые
рассчитываются как плоские.
Значение роли связей, особенно в старых конструкциях, за-
частую недооценивалось. В результате имели место аварийные
ситуации и аварии конструкций, вызванные отсутствием или не-
правильным расположением связей пространственной жесткости.
Интересные данные в этом отношении приведены институ-
том «Проектстальконструкция», обследовавшим до 400 соору-
жений, построенных в различное время начиная с 30-х годов
прошлого столетия и до 40-х годов настоящего. Целый ряд
аварий, главным образом в сооружениях старой проектировки,
был вызван неправильным расположением или отсутствием до-
статочного количества связей. И до настоящего времени рас-
пространены случаи, когда усиление сооружений достигается
одной лишь постановкой дополнительных связей пространствен-
ной жесткости. Это отоносится в первую очередь к промышлен-
ным, цеховым сооружениям и покрытиям по фер'мам в соору-
жениях гражданских зданий.
Постановкой дополнительных ребер, диафрагм, распорок до-
стигается местное усиление конструкций:
в балках: постановкой ребер жесткости — увеличение устой-
чивости вертикальной стенки, постановкой дополнительных диа-
фрагм — жесткости ветви колонны;
в рамах: постановкой подкосов — раскрепление и увеличе-
ние жесткости сжатого нижнего пояса в углах примыкания
ригеля к стойкам и т. д.
Постановка дополнительных ребер находит применение при
усилении подкрановых балок при смещении подкранового
рельса.
В работе ЦНИИПСа (См. «Восстановление основных конст-
рукций капитальных зданий и сооружений», 1947 г.) допускается
смещение подкранового рельса по отношению к стенке до
30 мм без всяких дополнительных устройств. При большем
смещении пояс следует укреплять за счет введения дополни-
тельных ребер или, в худшем случае, коротышей.
Постановка одних только коротких ребер (коротышей), хотя
и применяется, но не всегда допустима, так как может вы-
звать вспучивание стенки балки и концентрацию усадочных
44

напряжений в сварных балках. Конструктивнее в этих случаях
ребра доводить до нижнего пояса или ставить горизонтальные
между основными вертикальными ребрами, а короткие дово-
дить до горизонтальных.
Усиление постановкой диафрагм применяют при необходи-
мости увеличить жесткость ветви колонны; усиление постанов-
кой подкосов в рамах — с целью раскрепления и увеличения
жесткости сжатого нижнего пояса в углах примыкания ригеля
к стойкам и т. д.
Усиление соединений элементов и конструкций
Необходимость усиления соединений в большинстве случаев
возникает как следствие усиления самих конструкций, но 'мо-
жет возникнуть и самостоятельно.
Во время реконструкции мартеновского цеха одного из ме-
таллургических заводов при замене кранов грузоподъемностью
180 т на краны 225 т требовалось усилить подкрановые бал-
ки. Расчетом было установлено, что сечения балок в усилении
не нуждались, заклепочные же соединения при возросшей на-
грузке требовали усиления, которое было сделано без демонта-
жа конструкций вырубкой заклепок диаметром 20 м'м в край-
них четвертях балок, дополнительной рассверловкой и поста-
новкой заклепок большего диаметра — 26 мм. В то время
(в послевоенный период) высокопрочные болты еще не нахо-
дили применения, их начали применять в конце 50-х годов.
В настоящее время эффективна замена дефектных заклепок
высокопрочными болта'ми, так как при замене ослабленных за-
клепок новыми возможно ослабление соседних, что может при-
вести к необходимости замены многих или всех заклепок, ос-
лабевших при переклепке соседних.
Основным приемом усиления соединений в настоящее время
является усиление сварных швов под нагрузкой. Усиление уг-
ловых швов делается путем увеличения их длины и высоты
(рис. 15).
Стыковые швы, выполненные на всю толщину сваривае'мых
элементов, усилению не подлежат, так как их расчетная вы-
сота не может превышать толщины стыкуемых элементов, на-
плавка же над поверхностью деталей создает дополнительную
концентрацию напряжений, которая не усиливает, а наоборот,
ослабляет соединение.
Угловые швы усиливают увеличением длины существующих
швов (если позволяет место) или высоты швов наплавкой. Ис-
следованиями ЦНИИПроектстальконструкция подтверждена
возможность производить усиление швов, находящихся под на-
грузкой, наплавкой, увеличивающей высоту шва.
Существует и противоположное мнение: в конструкциях, на-
ходящихся под нагрузкой, усиление швов наплавкой опасно.
45

Рис. 15. Усиление угловых швов в
узле фермы
а — увеличением длины швов путем мало-
жеиия дополнительного лобового шва; б —
увеличением высоты фланговых швов до-
полнительной наплавкой: 1 — существую
щие швы; 2 — дополнительный шов; 3~
наплавка
Рис. 16. Схема усилий, возникающих
в соединении предварительно напря-
женным болтом
так как в зонах высоких температур, образующихся в про-
цессе сварки, основной металл и сварные соединения перехо-
дят в пластическое состояние и теряют свою несущую способ-
ность.
При температуре 550 °C металл переходит в пластическое
состояние и движущийся участок шва, нагретый до температу-
ры 550 °C и более, выключается из работы по восприятию
усилия, передающегося на узловую фасонку.
Участки шва, нагретые до температуры менее 550 °C, пли
остывшие соседние участки полностью сохраняют свою несу-
щую способность. Усиление сварных швов наплавкой чаще на-
ходит применение по сравнению с удлинением угловых швов,
крепящих элементы жесткости в узлах, так как лобовой шов
имеет ограниченную длину, равно как и фланговые, и, кроме
того, лобовой шов может быть выполнен до усиления.
Применение усиления швов дополнительной наплавкой де-
лается в случаях, если номинальное напряжение в элементах,
в которых усиливают швы при производстве работ, о =
= 150 МПа.
В технологии усиления следует предусматривать следующие
условия [51]. Вначале выполняются сварочные работы по уси-
лению швов в узлах нижнего пояса балок и ферм, а в по-
следнюю очередь — в узлах по верхнему поясу. При наплавке
дополнительных слоев необходимо ограничивать нагрев в эле-
ментах конструкций, для чего следует применять электроды диа-
метром не более 4 мм, наплавляя слои толщиной до 2 м'м с
перерывами после усиления швов в отдельных элементах. На-
46

чало наплавки усиливающего слоя начинают в местах дефек-
тов усиливаемого шва (подрезов, наплывов, кратеров и т. п.).
При отсутствии же дефектов наплавку можно начинать с лю-
бого удобного сварщику места. Работы по усилению сварных
швов должны выполняться высококвалифицированными свар-
щиками, допущенными к выполнению работ по сварке ответ-
ственных швов и соединений.
В настоящее время применяются болты двух типов: обыч-
ные болты нормальной или грубой точности (бывшие «черные»
болты) и высокопрочные предварительно напряженные.
При усилении заклепочных и болтовых соединений обычно
применяют высокопрочные предварительно напряженные бол-
ты. От обычных они отличаются тем, что путем предваритель-
ного напряжения болта на заданную величину (гайку болта
завинчивают до достижения определенного крутящего момен-
та) при их постановке в узлах и стыках достигается
очень плотная стяжка пакета деталей. Болты натягивают в
строгой последовательности — от середины узла или стыка к
краям.
Создается монолитность соединения, отсутствие взаимного
сдвига деталей. Усилия в соединении воспринимаются силами
трения, возникающими в плоскостях соприкосновения деталей
вокруг преднапряженного болта и действующими на протяже-
нии всего периода эксплуатации сооружения (рис. 16). По-
скольку усилия в соединении воспринимаются не стержнем
болта (в обычных соединениях стержень болта, как известно,
работает на срез и смятие), ослабление сплачиваемых деталей
отверстиями для болтов в расчете не учитывается.
Большим преимуществом является и то, что постановка
предварительно напряженных болтов делается в холодном со-
стоянии без нагрева стержня. Постановка болтов делается
специальны'ми гаечными ключами или гайковертами с тариро-
ванным крутящим моментом. Высокопрочные болты устанавли-
вают не позже чем через 3 суток после тщательной очистки
поверхностей деталей пескоструйными, дробеструйными или
другими установками и сборки пакета.
Завертывание гаек производится в два этапа: закручива-
нием обычным накидным ключом до отказа или малым
пневматическим гайковертом с крутящим моментом 0,2 кН-м;
довертыванием гаек до требуемого натяжения болтов: специ-
альными ручными ключами с контролем крутящего момента
заданной величины; удлиненными ключами на заданный угол
поворота гайки после закручивания до отказа обычным клю-
чом; большими пневматическими гайковертами с крутящим
моментом до 1,5 кН-м.
Инструкция по технологии натяжения высокопрочных бол-
тов с регулированием усилий по углу поворота гайки («Орг-
трансстрой», 1973) предусматривает следующее: при закручп-
47

вании гайки на заданный угол поворота (что допускается
при ремонте и реконструкции сооружений) до отказа на-
кидным ключом на гайку и шайбу масляной краской наносят
черту.
От этой черты отмеряют угол доворачивания и наносят
масляной краской новую черту, до которой любым ключом или
гайковертом доворачивают гайку.
Существует несколько типов соединений на высокопрочных
болтах: фрикционные соединения, болтоклеевые, клеефрикцион-
ные и соединения на несущих (работающих на срез) высоко-
прочных болтах.
В последних сдвигающие усилия воспринимаются как сила-
ми трения, возникающими по соприкасающимся поверхностям
при натяжении высокопрочных болтов, так и сопротивлением
срезу болтов и смятию соединяемых элементов.
Указанным сочетанием сопротивлений обусловлена эффек-
тивность этого типа соединений, нашедших применение в мос-
тостроении и промышленном строительстве *.
Соединения на несущих высокопрочных болтах отличаются
повышенной по сравнению с фрикционными соединениями кон-
центрацией напряжений у отверстий за счет сосредоточенной
передачи части нагрузки, что имеет существенное значение в
конструкциях, подверженных действию многократно повторяе-
мых нагрузок, вызывающих накопление усталостных поврежде-
ний в зонах максимальной концентрации напряжений.
Для усиления заклепочных соединений, как уже отмеча-
лось, наиболее рационально устанавливать вместо заклепок вы-
сокопрочные болты.
Дефекты повреждения заклепочных соединений можно лик-
видировать следующим образом:
при отсутствии заклепки или ее головки необходима поста-
новка новых заклепок или болтов повышенной точности;
при некачественных заклепках (дрожащих или перемещаю-
щихся под ударами молотка) необходимо их срубать и выби-
вать из отверстия, а затем расчищать или рассверливать от-
верстия и ставить в них новые заклепки или болты;
при неплотностях склепываемого пакета — очагах для раз-
вития коррозии, а также при дальнейшем распирании и по-
вреждении заклепок необходимо последние заменить.
Неплотности рекомендуется залить синтетической смолой
или другим материалом, препятствующим развитию и проник-
новению между элементами склепанного пакета коррозии.
Допускаемые отклонения для основных дефектов и повреж-
дений стальных конструкций см. в работе [19].
* Применены при усилении трех кранов-перегружателей пролетами 76—
115 м (эксплуатируются с 1977 г.).
48

Усиление увеличением сечений элементов
Усиление конструкций путем увеличения сечений элементов
до недавнего времени было наиболее распространенным спосо-
бам усиления, которым зачастую даже злоупотребляли, приме-
няя его в тех случаях, когда более целесообразно было бы
усиление осуществить другими способами.
Рационально этот способ применять тогда, когда нужно
увеличить несущую способность одного или нескольких элемен-
тов конструкции, не делая общего ее усиления.
Усиливающие элементы в современных металлоконструкци-
ях присоединен яются к усиливаемым при помощи сварки или
высокопрочных болтов; в старых конструкциях, выполненных
из чугуна или в некоторых случаях из сварочного железа
(при усилении и реконструкции уникальных памятников архи-
тектуры), не исключено присоединение усиливающих элементов
при помощи заклепок *.
Применение обычных (не предварительно напряженных)
болтов нормальной и повышенной точности из-за их податли-
вости нецелесообразно, так как последняя не гарантирует нор-
мальную совместную работу усиливаемого элемента и усили-
вающего.
Применение сварки как основного вида соединения элемен-
тов при усилении конструкций под нагрузкой вызывает опре-
деленные требования и ограничения как к выбору конструк-
тивной формы элементов усиления, так и к процессу выполне-
ния сварочных работ. В процессе сварки происходит временное
снижение несущей способности элементов за счет их нагрева
при сварке и накопление значительных остаточных пластиче-
ских деформаций.
В отдельных случаях усиление элементов или всей конст-
рукции может быть достигнуто увеличением сечений при помо-
щи бетона, железобетона, сталинитбетона.
При усилении бетоном усиливаемые элементы или целые
конструкции окружают формами и бетонируют. Усиление ста-
линитбетоном выполняется аналогичным способом, но при
этом в бетон добавляют 'металлические обрезки, стружку. Мо-
дуль упругости заполнителя повышается, получается как бы
бетон с косвенным армированием. Заполнитель хорошо вклю-
чается в работу конструкции.
При усилении железобетоном к усиливаемому металличе-
скому элементу добавляют арматуру и все покрывают слоем
бетона. Эти приёмы применяют главным образом при усиле-
нии сильно деформированных элементов и конструкций.
Основной недостаток усиления с помощью бетона, сталинит-
бетона и железобетона заключается в большом увеличении
* Приемы усиления клепаных конструкций изложены в работе [29].
49

собственной массы конструкции и в сложности в случае необ-
ходимости удаления элементов усиления. Последнее обстоя-
тельство и допускает применение указанных материалов при
постоянном и перспективном видах усиления.
Итак, основным приёмом усиления элементов остается уве-
личение их сечений приваркой или прибалчиванием стальных
усиливающих элементов. В принципе добавляемые элементы
могут быть и другой, по сравнению с усиливаемыми элемента-
ми, марки стали.
При проектировании усиления элементов конструкции спо-
собам увеличения их сечений рекомендуется:
элементы усиления располагать так, чтобы не нарушать
центрировку, т. е. чтобы центры тяжести основного и усилен-
ного элементов совпадали; при невозможности выполнения это-
го условия в расчете необходимо учитывать дополнительные
напряжения от моментов, возникающих в узлах от эксцентрич-
ного прикрепления элементов;
сварные швы, прикрепляющие элементы усиления к основ-
ным элементам и к узлу, располагать в ‘местах, удобных для
выполнения сварочных работ и доступных для осуществления
контроля качества швов; при этом следует избегать наличия
потолочных и полупотолочных швов;
новые болты и анкерные устройства располагать так, что-
бы было удобно закручивать гайки, производить работы на
натяжном устройстве;
всегда помнить, что выполнение сварки при реконструкции
сооружений и всех других работ по усилению, как правило,
приходится осуществлять в неудобных местах, в стесненных
позах и т. п.
Усиление центрально-растянутых и центрально-сжатых
элементов
Кроме общих положений, указанных ранее, следует иметь
в виду следующие особенности:
при усилении центрально-растянутых элементов элементы
усиления должны быть доведены до узлов на концах усилива-
емых элементов и прикреплены там соединениями, восприни-
мающими предельные усилия на элементы усиления; центр тя-
жести усиленного сечения должен совпадать с центром тяже-
сти усиливаемого элемента;
при усилении центрально-сжатых элементов элементы уси-
ления в отличие от центрально-растянутых элементов могут не
доводиться до концевых узлов усиливаемого элемента: центр
тяжести усиленного сечения должен совпадать с центром тя-
жести усиливаемого элемента.
В сжатых стержнях следует стремиться максимально уве-
личить радиусы инерции сечения, обеспечив равноустойчивость
усиленного сечения в двух главных плоскостях.
50

Воз'можно присоединять элементы усиления в сжатых
стержнях на высокопрочных болтах, правда, при этом возни-
кает необходимость в сверлении отверстий, что является не-
удобной операцией. Усиление центрально-сжатых элементов
может быть выполнено: уменьшением расчетной длины и соот-
ветствующим увеличением коэффициента продольного изгиба ср;
добавлением усиливающих элементов с целью увеличения рас-
четной площади сечения без существенного из'менения расчет-
ной гибкости; комбинированным способом — увеличением жест-
кости и уменьшением расчетной длины.
На рис. 17 показаны схемы усиления сечений центрально-
растянутых и центрально-сжатых стальных стержней, состоя-
щих из спаренных уголков, спаренных швеллеров, двутавров и
круглых сечений. Не останавливаясь на рассмотрении каждой
из схем в отдельности, отмети'м общие принципы выбора наи-
более рациональной для каждого конкретного случая схемы
усиления. Для усиления принимают круглые, полосовые,
уголковые профили, реже — квадратные; усиливающие элемен-
ты располагают в пределах высоты существующего сечения и
за ее пределами.
Наиболее технологичны варианты усиления спаренных угол-
ков, показанные на схемах а, б (для сжатых стержней), в, д,
ж, з; вариант усиления по схеме г требует срезки угла в уси-
о)	Й	в)	В)	д) е)_________
цр 'ЧР *^[у=
Рис. 17. Схемы усиления центрально-растянутых и центрально-сжатых сталь-
ных элементов
а — к — спаренных уголков; л — с — спаренных швеллеров; т — ш — двутавров; щ —
ы —трубчатых элементов
51

ливающем элементе для примыкания его к основному; вари-
ант усиления по схеме е в принципе рационален, так как
можно подобрать такие сечения усиливающих полос, при кото-
рых сохранится центрировка элемента, однако при прикрепле-
нии элементов усиления к основному сечению возникает необ-
ходимость в удалении соединительных планок (прокладок,
«сухариков»), расположенных по длине усиливаемого стержня;
при этом усиливающие полосы заводить в узлы достаточно
сложно.
Аналогичное усиление с одной полосой-накладкой нерацио-
нально, так как из-за несовпадения нейтральных осей до и по-
сле усиления появляется большой эксцентриситет.
Усиление по схёмам м — к рационально применять при на-
личии местных дефектов в виде погибей: вертикальных по-
лок— усиление стержней в местах наличия дефектов — по
схеме и, и горизонтальных полок — по схеме к.
Спаренные швеллеры схемы л—с и прокатные или сварные
двутавры схемы т—ш могут быть усилены указанными на схе-
мах приемами. Если крепление усиливающих деталей в узлах
не встречает затруднений, то детали располагают по наруж-
ным плоскостям полок схем л, о, ц, а если крепление усили-
вающих деталей затруднено, то их располагают так, как по-
казано на других схемах. Круглые трубчатые сечения усили-
вают так, как показано на схемах щ—ы.
Усиление внецентренно сжатых и внецентренно
растянутых элементов (рис. 18)
Существенное влияние на несущую способность усиленного
элемента имеет эксцентриситет приложения усилий, поэтому
при конструировании поперечных сечений стержней, работаю-
щих в условиях внецентренного действия усилий, следует вы-
бирать такие схемы усиления и таким образом располагать
элементы усиления, чтобы эксцентриситет уменьшился. Как
правило, усиление получается несимметрич-
t,N ным, что ясно видно из рассмотрения принци-
пиальной схемы усиления стержня двутавро-
dt	вого поперечного сечения, работающего в усло-
;	виях внецентренного сжатия.
;	Усиление достигается присоединением к
;	основному сечению усиливающих элементов
 тех же сечений, которые рассмотрены при уси-
q|	лении центрально-сжатых стержней.

Со С„
Рис. 18. Усиление внецентренно сжатого элемента
Со—положение центра тяжести до усиления; Сус—то же, поел»
усиления
52

Усиленные внецентренно сжатые элементы проверяют на
прочность и на устойчивость в двух плоскостях: в плоскости и
из плоскости действия ‘момента. Внецентренно растянутые уси-
ленные элементы (поскольку нет опасности потери устойчиво-
сти) проверяют только по условиям прочности.
Усиление изгибаемых элементов
Общеизвестно, что чем ближе эпюра действующих изгибаю-
щих моментов приближается к расчетной, тем экономичнее по-
добрано сечение балки. Этот основной принцип компоновки
поперечного сечения составных балок при проектировании
сохраняется и при усилении существующих конструкций. При
усилении целесообразно усиливающие элементы располагать в
зоне 'максимальных изгибающих моментов, где это необходимо
по расчету, а не по всей длине балки.
Вполне естественно, что общим для всех схем усиления яв-
ляется стремление увеличить сечение в наиболее удаленных
волокнах от нейтральной оси, а если позволяют габариты, то
и общую высоту балки. При таком усилении резко возрастают
момент инерции и момент сопротивления сечения балки отно-
сительно нейтральной оси. Вместе с тем необходимо учитывать,
что высокие и узкие балки 'могут потерять устойчивость из
плоскости конструкции (потеря общей устойчивости балки).
Приемы усиления демонтированных балок отличаются от
приемов усиления недемонтированных. Подробно рассмотрены
приемы усиления клепаных и сварных балок, как демонтирован-
ных, так и находящихся под нагрузкой, в работе [29]. В на-
стоящей работе рассматриваются наиболее характерные схемы
усиления прокатных и составных сварных балок, усиливаемых
под нагрузкой.
Производство работ по усилению изгибаемых элементов
следует осуществлять при 'максимальной их разгрузке от всех
временных нагрузок, а если это возможно, и от части посто-
янной нагрузки. Приварку усиливаемых элементов во избежа-
ние появления серповидных деформаций в сторону изгиба сле-
дует начинать с растянутого пояса, а затем переходить к при-
варке элементов усиления к сжатому верхнему поясу.
При выборе схемы усиления необходимо учитывать конкрет-
ные условия эксплуатации усиливаемой конструкции, условия
технологичности выполнения усиления и возможные ограни-
чения в производстве работ: выполнение сварочных работ в
неудобных положениях (при наличии потолочных и полупото-
лочных швов), возможность применения симметричного или не-
симметричного относительно нейтральной оси усиления, нали-
чия того или иного вида профиля для усиления и т. п. Усиле-
ние под нагрузкой производится в тех случаях, когда Mo/Wo
где Мо и Wo — соответственно изгибающий момент и
53

момент сопротивления в неусиливаемо'м сечении балки,
расчетное сопротивление ртали.
На рис. 19 приведены схемы усиления сплошных прокат-
ных и составных сварных балок. Решетчатые балки (фермы)
усиливают по схемам, приведенным для усиления центрально-
сжатых и центрально-растянутых элементов.
Усиление осуществляется приваркой полосовых элементов,
круглых прутков или труб, уголковых профилей, реже квад-
ратных, тавровых (на схемах не показаны).
Усиление по схе'мам а, е наиболее конструктивное, так как
при одинаковых накладках центр тяжести поперечного сечения
балки не смещается, но при усилении недемонтированных кон-
струкций возникает необходимость выполнять потолочную
сварку.
Этот недостаток устранен при выполнении усиления по схе-
мам б, ж, но здесь возникает ограничение в допустимой мак-
симальной ширине в нижней накладки, которая не должна пре-
вышать 30 6, где 6 — толщина накладки. При большей ширине
накладки возникает значительная концентрация напряжений по
кромкам. Схема в наиболее рациональна, особенно в демонти-
рованных балках и в тех случаях, когда элементы усиления
располагаются в пределах высоты балки; вариант г может быть
принят при усилении недемонтированных прогонов; его недоста-
ток— усиление несимметричное, так как смещается центр тяже-
сти; вариант д рассчитан на усиление главным образом прого-
нов по стропильным фермам при усилении прогонов на части
пролета, поскольку смещение элементов усиления затрудняет
прикрепление конструкции на опорах; последнее можно избе-
жать смещением элементов усиления в противоположную сто-
рону (вверх).
На схемах з — лип приведены рациональные способы усиле-
ния балок круглыми прутками или трубами, симметрично распо-
ложенными в пределах высоты балки или незначительно увели-
чивающими ее высоту. При расположении элементов усиления
в пределах высоты вертикальной стенки балки (схемы к, о — р)
возникают затруднения в местах расположения вертикальных
ребер жесткости, вследствие чего верхушки ребер необходимо
срезать с последующей подгонкой их надставок к вертикально-
му поясу (надставки к нижнему поясу в зоне растягивающих
напряжений делать не обязательно). Указанными выше пре-
имуществами и недостатка'ми обладают и схемы усиления при
помощи уголков. Схемы усиления о, р содержат закрытые по-
лости, что не может считаться конструктивным, так как иск-
лючает в последующем осмотр швов и окраску конструкций
внутри элементов усиления. На схеме с показано усиление
вертикальной стенки балки при недостаточной прочности ее на
срез; вертикальные листы прикрепляются сварпы’ми швами или
высокопрочными болтами.
54

3)
Рис. 19. Варианты уси-
ления увеличением сече-
ний балок
I — прокатных двутавров н
швеллеров, U — составных
сварных балок; а, б, г, et яс,
о, с — полосами; в, з. и. к,
л, п — круглыми прутками
к трубами; д, м, н, р — про-
катными профилями
Рнс. 20. Усиление стенкн
балки
/ — существующие ребра
жесткости; 2 — то же, до-
полнительные

Если не обеспечена устойчивость вертикальной стенки бал-
ки, усиление производится не увеличением сечения, а установ-
кой дополнительных ребер жесткости: поперечных (между су-
ществующими) и продольных (при очень тонких стенках), как
показано на рис. 20.
В отдельных случаях усиления балок возможно устройство
дополнительного нижнего пояса, если по габаритам помещения
и условиям производственного процесса в сооружении это воз-
можно.
Конструктивно увеличение высоты балки достигается или
при помощи тавровых надставок, или из несимметричного дву-
тавра, прикрепляемого высокопрочными болтами к нижнему
поясу балки. В первом случае появляются потолочные швы
при усилении недемонтнрованных балок, во втором неизбежен
лишний расход металла.
Увеличение надежности и долговечности подкрановых балок
в соответствии с рекомендациями (19] может быть достигнуто
улучшением конструктивной формы подкрановых балок. Улуч-
шение конструктивной формы может потребовать ее усложне-
ния и увеличения массы балки, ио это окупается повышенной
надежностью и долговечностью работы подкрановых балок.
К мероприятиям, улучшающим условия работы подкрановых
балок, относятся: сварка стыков рельсов, когда плети рельсов
при неразрезных подкрановых балках делают длиной, равной
55

Рнс. 21. Конструктивные формы подкрановых балок
а — с ребрами из уголков и обрамляющим продольным ребром; б — с ламелями, прива-
ренными к верхнему поясу и ребрам жесткости; в — двусгеичатая; г — с коробчатым се*
чением верхнего пояса (торец стенки строгать); 1 — уголки; 2 — продольные ребра
жесткости; 3 — ламели
длине температурного отсека, с устройством компенсирую-
щего стыка, а при разрезных — в 2—3 раза короче; установ-
ление низкомодульной прокладки толщиной 8—12 мм из изно-
состойкого материала под крановые рельсы в зданиях с тяже-
лым режимом работы.
Рекомендуются следующие улучшенные конструктивные фор-
мы подкрановых балок:
1.	Обычный тип сварной двутавровой балки, но с учащен-
ным расположением поперечных ребер жесткости. Последние
облегчают напряженное состояние верхней зоны балки от мест-
ных крановых воздействий. Такой прием может иметь место
при усилении конструкций в процессе их эксплуатации.
2.	Балка с частыми короткими ребрами из уголков, прива-
ренных перьями к стенке (рис. 21, а). Верхние торцы уголков
пристроганы к полке балки без приварки, нижние обрамлены
продольным ребро'м жесткости. Давление кранового рельса пе-
редается не только на стенку балки, но и на площадки, обра-
зованные торцами уголков, благодаря чему швы, соединяющие
полку балки со стенкой, и околошовная зона стенки значитель-
но разгружаются. Прием может быть рекомендован при усиле-
нии подкрановых балок.
3.	Балка с продольными ламелями, приваренными к верх-
нему поясу и к ребрам жесткости (схе’ма б). Жесткость на
кручение верхнего пояса при такой конструкции балки значи-
тельно увеличится, балка будет менее чувствительна к внецен-
тренной вертикальной нагрузке.
4.	Двустенчатая балка (схема в). Она более тяжела и тру-
доемка в изготовлении по сравнению с одностенчатой, приме-
нялась и хорошо себя зарекомендовала при усилении конст-
рукций на старых металлургических заводах.
5.	Балка с коробчатым сечением верхнего пояса (схема а).
Вертикальное давление от крана воспринимается строганы"м
торцом стенки балки, которая не приваривается к верхнему
56

поясу, благодаря чему исключается очаг появления трещин.
Касательные напряжения от общего изгиба воспринимаются
швами у перьев уголков пояса. Балка обладает большой кру-
тильной жесткостью.
На рис. 22 приведены примеры усиления конструкций бето-
ном, сталинитбетоном, железобетоном, применявшимися глав-
иьГм образом в период послевоенного восстановительного стро-
ительства и при реконструкции памятников архитектуры. Как
возможные приемы усиления они не потеряли своего значе-
ния и в настоящее время, особенно при усилении конструкций,
сильно поврежденных коррозией.
Такими приемами усиливались не только конструкции, ра-
ботающие на изгиб (например, балки), но также и стойки, ко-
лонны, стержневые конструкции. Подкрановые балки коробча-
того сечения применялись в сооружениях цехов постройки до
1930-х годов для кранов грузоподъемностью до 100 т. Балки
проектировались сплошные и решетчатые.
На схеме а показано усиление подкрановой балки бетоном.
Наблюдались случаи, когда балки под действие'м местного
давления катков кранов после эксплуатации примерно свыше
10 лет значительно деформировались и требовалось их усиле-
ние.
На схеме б показано усиление верхнего пояса подкрановых
ферм бетоном и сталинитбетоном. При невозможности по тех-
ническим условиям изменить габариты и отметки подкранового
рельса комбинированное усиление путём создания металличе-
ской обоймы, заполненной бетоном и сталинитбетоном, легко
решало задачу усиления подкрановых балок. При восстановле-
нии одного из металлургических заводов таким приемом были
усилены подкрановые балки. Состав 1 м3 сталинитбетона
включал: цемента — 480 кг, песка — 0,44 м3, щебня —0,616 м3,
металлических обрезков (стружки и высечки*)—0,26 м3, во-
ды — 205 л.
На схеме в показано, как прокатные балки иногда усили-
вают железобетоном.
На схеме г показано усиление бетоном поврежденной ко-
лонны. Деформированные и поврежденные конструкции в це-
лях сохранения их без разборки и правки, особенно при нали-
чии пробоин, трещин и других дефектов, целесообразно усили-
вать указанным приемом.
На схеме д приведен пример усиления чугунных колонн в
одно’м из старых корпусов прядильной фабрики. Усиление ко-
лонн на нескольких этажах было выполнено устройством мо-
нолитных железобетонных капителей, что дало возможность
снизить приведенную длину колонны до 0,85 от ее пол-
ной длины. Точный учет фактических нагрузок, всесторонний
Применение различных металлических высечек нежелательно.
57

2 1
7
Рис. 22. Усиление бетоном, сталинитбетоном, железобетоном
а — подкрановой балки бетоном; б — подкрановой фермы бетоном и сталинитбетоном; в —
прокатной балкн железобетоном; г — поврежденной колонны бетоном; д — чугунных ко-
лонн устройством монолитной железобетонной капители; е — верхнего пояса фермы же-
лезобетоном; 1— заполнение бетоном; 2 — дополнительный лист; 3 —отверстие для за-
ливки бетона. 4 — сплошные швы толщиной 4 мм; 5 — бетон марки ПО; 6 — сталинитбе-
тон марки 170; 7—бетон под давлением; 8 — продольная арматура; 9 — хомуты; 10, Н —
бетон; 12 — пробоина; /3— трещины, 14 — колонна; 15 — железобетонная капитель;
16 — ригель из двутавра № 36; /7 — монолитная часть перекрытия; 18 — сборные желе-
зобетонные плиты; 19 — верхний пояс до усиления; 20 — круглое железо, прикрученное к
полосе проволокой; 21 — бетон

анализ данных обследования и уточненный расчет позволили
обойтись без дополнительного усиления конструкций.
На схеме е показано усиление ферм над одним из соору-
жений, представляющим архитектурную ценность. Здание воз-
ведено в начале XIX столетия. Фермы сложной статической
схемы выполнены из сварочного железа: верхний пояс — из по-
лосы, а все остальные стержни — из круглого железа. Фермы
решено было сохранить, несмотря на то что верхний пояс на-
столько деформировался, что делать усиление без выправления
пояса было весьма затруднительно. Поэтому было принято ре-
шение по обеим сторонам верхнего пояса применить прикрутку
круглых стержней вязальной проволокой с предварительной их
приваркой в отдельных местах и последующим бетонированием
с приданием верхнему поясу прямоугольного сечения.
В последние годы устройство железобетонной обоймы во-
круг существующих стальных колонн было применено при уси-
лении металлоконструкций колонн травильного отделения ме-
тизного завода, несущие конструкции каркаса которого пред-
ставляют собой двухпролетные рамы с ригелями из прокатных
двутавров и сварными колоннами двутаврового сечения [17].
Усиление железобетонными обоймами было вызвано тем,
что интенсивность коррозии металлоконструкций, особенно
вблизи известковой ванны, ввиду отсутствия активной вытяж-
ки и антикоррозионной окраски достигала в травильном отде-
лении 0,35—0,6 мм в год. Сечения колонн потребовали усиле-
ния через 9 лет после начала эксплуатации. За 20 лет эксплу-
атации полки колонн толщиной 10 мм местами полностью
«съедены» коррозией, а в стенках образовались дыры.
Прием усиления обеспечивал возможность последовательно-
го усиления колонн по ‘мере необходимости, почти не нарушая
производственного процесса в цехе. Работы по устройству од-
ной обоймы выполнялись в течение 2—3 дней.
В практике эксплуатации металлоконструкций известны
случаи повторного и даже многократного усиления конструк-
ций, к проектированию и выполнению которых нужно относить-
ся с большой осторожностью. Не всегда повторные усиления
приводят к желаемым результатам, а в отдельных случаях
они даже ухудшают работу конструкций, особенно если усиле-
ния проводились под нагрузкой.
Сказанное имело место, например, при усилении стропиль-
ных и подстропильных ферм пролетом 24 ’м сталелитейного
цеха завода «Пензхиммаш» [20]. Первое усиление в период
строительства корпуса было вызвано увеличением массы желе-
зобетонных плит покрытия 3X12 м, фактически примененных
вместо проектных, предусматривавшихся при возведении кор-
пуса.
Усиление стержней подстропильных ферм под частичной
(25 %) проектной нагрузкой было сделано приваркой дополни-
69

Рис. 23. Схема усиления
подстропильной фермы
/ — элементы первого усиления;
2 — элементы повторного усиле-
ния; 3 — дополнительные шпрен-
гелн прн повторном усилении
тельных уголков и круглых стержней (рис. 23) элементами 1
(1963 г.). Через год после усиления ферм было обнаружено,
что прогиб подстропильных ферм оказался больше проектного
в 1,6 раза (60 вместо 37 мм).
Причинами, вызвавшими большие прогибы, считали усиле-
ние ферм под нагрузкой вместо запроектированного усиления
без нагрузки и обнаруженные дефекты — неточности при изго-
товлении и укрупнительной сборке ферм. Запроектированное
повторное усиление предусматривало постановку дополнитель-
ных шпренгелей в решетке ферм, повторное усиление раскосов
и нижнего пояса фер'м приваркой полосовой стали уголков и
стержней квадратного сечения (элементы 2), а также установ-
ку и сварку дополнительных уголков на стыках существующе-
го усиления поясов.
Повторное усиление раскосов и верхних поясов подстро-
пильных ферм путем сплошной приварки дополнительных эле-
ментов и шпренгелей ухудшило работу ферм и послужило
возможной причиной дополнительных прогибов подстропиль-
ных ферм.
При необходимости выполнения повторных усилений осо-
бенно тщательно следует изучить технологию выполнения
предшествующих усилений: была ли и как осуществлялась
предварительная разгрузка, порядок выполнения сварочных
работ при усилении и т. п.
Усиление изменением конструктивной схемы
Основной принцип усиления заключается в том, что изме-
нением конструктивной схемы достигается перераспределение
усилий и напряжений в элементах конструкций, обеспечиваю-
щее более рациональную работу всей усиливаемой конст-
рукции.
Способ усиления изменение,м конструктивной схемы с инже-
нерной точки зрения представляет значительный интерес, так
как исключает всякий шаблон в выборе приемов усиления, по-
60

чти всегда дает хорошие экономичные решения в тех случаях,
когда усиление другими способами приводит к сложным, гро-
моздким, нетехнологичным и неэкономичным решениям.
Рассматриваемый способ может быть применен при всех
видах усиления (см. рис. 10): неотложно-аварийном, времен-
ном, постоянном (капитальном) и даже перспективном, рас-
считанном на возможную дальнейшую реконструкцию конст-
рукций и сооружений. Этим способом усиливается большинство
конструкций: балок, ферм, колонн арок, рам, пространственных
конструкций и др.
Сложности в большинстве случаев заключаются не столько
в самом процессе выполнения работ по усилению, сколько в
выборе наиболее рационального приема усиления рассматрива-
емым способом, так как проектировщик должен на основании
знаний строительной механики совершенно четко представлять
всю «игру сил», чтобы предусмотреть наиболее выгодное пере-
распределение усилий и напряжений в конструкции, которые
могут возникнуть в результате применения того илн иного
приема усиления посредством изменения конструктивной
схемы.
В настоящее время разработано и применено большое ко-
личество технических решений по изменению конструктивных
схем для различного рода конструкций [19, 28, 29, 51], кото-
рые могут быть классифицированы по следующим признакам:
без превращения в новые конструктивные формы; например,
увеличением жесткости какой-либо одной колонны в попереч-
ной схеме многопролетного сооружения цеха можно в ряде
случаев достичь необходимого перераспределения усилий во
всей поперечной конструкции, перекрывающей сооружение;
с частичным превращением в новые конструктивные фор-
мы; например, установкой затяжки в раме и защемлением кон-
цов стоек двухшарнирная рама превращается в такую же кон-
струкцию (раму), но уже с защемленными опорами и с за-
тяжкой; при этом изменяются конструктивная и расчетная
схемы;
с полным превращением в новые конструктивные формы;
например, введенем шпренгеля однопролетная балка превра-
щается в новую конструкцию — шпренгельную балку (под-
пружную цепь, арку).
Изменение конструктивной схемы сооружения можно осу-
ществить за счет изменения его поперечной, реже продольной,
а иногда той и другой схем одновременно (в цеховых соору-
жениях): изменением жесткостей отдельных конструкций или
элементов, условий их прикрепления; постановкой новых свя-
зей пространственной жесткости и перестановкой существую-
щих старых; введением подкосов, вантовых и висячих систем,
жестких узлов и т. д. Этот способ позволяет частично или
полностью изменить прежнюю расчетную схему, а при помощи
61

расчета выявить распределение усилий в измененной (усилен-
ной) конструкции.
Основные преимущества рассматриваемого способа уси-
ления:
возможность усиления всей конструкции, всего сооружения,
а не их отдельных элементов;
во многих случаях не требуется предварительной разгрузки
конструкций, так как включение элементов усилителя в работу
производится одновременно с их установкой;
возможность регулирования усилий и наиболее благопри-
ятное их распределение для улучшения работы элементов кон-
струкций;
возможность повышения несущей способности или жестко-
сти усиливаемых конструкций; отличительной особенностью
этого способа является возможность использования предвари-
тельного напряжения конструкций;
возможность применения при наличии в конструкциях зна-
чительных остаточных деформаций, когда непосредственное
усиление приваркой, прибалчиванием или приклепкой новых
элементов, а также усиление соединений элементов не дости-
гает цели;
возможность применения в случаях, когда не требуется
большого количества расклепки старых конструкций, в усло-
виях эксплуатации сооружений и при минимальной разгрузке
конструкций;
экономичность, технологичность, сравнительно малая трудо-
емкость работ небольшой расход металла.
При усилении изменением конструктивной схемы широкое
распространение получило применение предварительного на-
пряжения с искусственным регулированием усилий (напряже-
ний) в конструкциях.
Излагая развитие идеи предварительного напряжения ме-
таллических конструкций, акад. Н. П. Мельников отмечает
[33], что созданы способы усиления с помощью предваритель-
ного напряжения различных решетчатых ферм, работающих на
сложные силовые воздействия; оправдали себя искусственные
приемы регулирования опор для неразрезных сплошных и ре-
шетчатых балок. В книге отмечается: «Испытание конструк-
ций, усиленных методом предварительного напряжения, пока-
зали их высокие эксплуатационные качества, а в ряде случаев
оказались единственно возможным способом усиления соору-
жения».
Приемы усиления отдельных видов конструкций
Усиление балок. Превращение их в неразрезные конструк-
ции. Этот прием является одним из самых старых и широко
распространенных. Применяется с целью повышения несущей
62

способности балок, уменьшения или более равномерного рас-
пределения в них изгибающих моментов. Достигается это
путем подведения под усиливаемые балки промежуточных
опор в виде стоек, стоек и прогонов либо только мощных
прогонов под ряд балок, если устройство стоек внутри поме-
щения не допускается (рис. 24). В последнем случае прогон
опирается либо на стены, либо на другие опоры. При введе-
нии прогонов или стоек усиливаемые балки в местах их кон-
такта с вводимыми дополнительными опорами для включения
их в работу поддомкрачиваются, подклиниваются. Провисший
прогон производит неприятное впечатление, поэтому его целе-
Рис. 24. Приемы усиления балок
а — подведением промежуточных опор; б — замоиоличиваннем опор; в — введением подко*
сов; г — введением подвесок; О — установкой подпружной арки; £? —введением шлренгеля
за пределами высоты балки; ж — то же, в пределах высоты балкн; з — введением пред-
напряженной затяжки; / — стойки; 2 — прогоны, 3 — замоноличнванне опор; 4 — подкосы:
5— усиление стенкн балки; 6 — подвески; 7 — подпружная арка; 8 — шпренгель из одной
ветви; 9— шпренгель из двух ветвей; 10 — предварительно напряженная затяжка
63

сообразно проектировать несколько выгнутым вверх, чтобы под
эксплуатационной нагрузкой он принимал горизонтальное по-
ложение. Такой прием усиления типичен для усиления прокат-
ных балок в гражданских и промышленных сооружениях (схе-
ма а).
Превращение разрезных балок в неразрезные достигается
также замоноличиванием опорных узлов многопролетных
разрезных балок. Соединение смежных балок на опорах с по-
мощью элементов должно обеспечивать восприятие опорных
изгибающих моментов (схема б). Устройство подкосной систе-
мы подвесок приведено на схемах в, г, устройство подпруж-
ной арки — на схеме д. Шпренгель может располагаться за
пределами высоты усиливаемой балки и состоять из одной
ветви (схема е) или же, при достаточной высоте усиливаемой
балки,— в пределах ее высоты; в этом случае шпренгель дела-
ется из двух ветвей и располагается по обе стороны балки
(схема ж). Устройство предварительно напряженной затяжки
из троса или высокопрочного прокатного элемента приведено
на схеме з.
Увеличение несущей способности однопролетных балок в
ряде случаев может быть достигнуто превращением их в мно-
гопролетные балки с промежуточными шарнирами (при ре-
конструкции сооружений).
Усиление ферм. Приемы усиления ферм во многом схожи с
приемами усиления балок. Применение способа усиления изме-
нением конструктивной схемы в целях общего усиления ферм
почти всегда вызывает необходимость усиления отдельных эле-
ментов решетки, поясов и соединений.
Усиление ферм осуществляется подведением промежуточных
опор в виде стоек, подкосов, защемлением ферм на опорах,
введением дополнительных вантовых или висячих систем, по-
становкой шпренгеля (в пределах высоты фермы шпренгель,
как и в балках, состоит из двух ветвей или же снизу фер-
мы—из одной ветви), введением гибкой арки, постановкой
предварительно напряженной затяжки, включением несущих
стержней фонаря в совместную работу со стропильной фер-
мой. В последнем случае в отличие от обычной схемы, если
фонарь не включен в расчетную схему, расчетными усилиями
в поясах ферм являются усилия в панелях, примыкающих к
фонарю со стороны опор, а не посредине фермы. На рис. 25
приведены схемы усиления ферм описанными выше способами.
Усиление колонн и стоек. В промышленных цеховых соору-
жениях с крановой нагрузкой при реконструкции сооружений
и увеличении грузоподъемности кранов для разгрузки подкра-
новых колонн может быть применено устройство отдельной
подкрановой ветви. Такой прием усиления позволяет в ряде
случаев сохранить старую часть колонн и стоек рам, ослаб-
ленных и деформированных в результате неправильностей, до-
64

Рис. 25. Схемы усиления ферм
а — подведением дополнительной опоры; б — защемлением на опорах; в — введением до-
полнительной вантовой системы; а —то же, висячей; д — введением шпренгеля; е — вве-
дением третьего пояса (гибкая арка); ж — постановкой предиапряжеиной затяжки; з —
включением фонаря в работу фермы; 1 — стойка; 2 — защемление огщр; 3 — подкос;
4 — ванты; 5 — висячая система; 6 — шпреигель; 7 — гибкая арка; 8 — преднапряжеиная
затяжка; 9 — фонарь
пущенных при эксплуатации сооружения. Новая стойка может
быть выполнена не только из металла, но и из железобетона.
Осложнения могут встретиться при устройстве фундаментов
для новых стоек и при переделке башмаков старых колонн,
если таковые потребуются.
При гибкости центрально и внецентренно сжатых колонн
порядка Zo ;> 80 эффект усиления возможен за счет уменьше-
ния расчетной длины. Последнее может быть достигнуто по-
становкой дополнительных связей, изменением условий закреп-
ления концов стоек, постановкой предварительно напряженных
шпренгелей (рис. 26).
Арки и рамы. Сплошные и решетчатые арки и рамы усили-
вают изменением способа закрепления опор (шарнир — задел-
ка), введением затяжки, включением фонаря в работу рамы и
другими приемами.
Усиление однопролетных рам с двускатным ригелем наи-
более целесообразно и эффективно производить введением за-
тяжки под ригелем. Затяжка может быть установлена как в
геометрической точке пересечения осей ригеля со стойками,
так и несколько ниже, что имеет существенное значение при
усилении уже эксплуатируемых конструкций. Жесткая затяжка
дает больший эффект усиления, чем упругая, однако увеличн-
65

Рис, 26. Усиление сжатых стоек
а — постановкой связей; б— защемлением концов; в, г — постановкой предварительно
напряженных шпренгелей
вать жесткость затяжки увеличением ее сечения нецелесооб-
разно. Приводимые в справочниках формулы для расчета рам
с абсолютно жесткой затяжкой дают значения распора и уси-
лия в затяжке, а следовательно, и изгибающих моментов в
раме, значительно отличающиеся от значений, получающихся
при усилении реальными (упругими) затяжками, поэтому в
существующем виде формулы для расчета конструкций с абсо-
лютно жесткой затяжкой применяться не могут.
Средствами регулирования напряжений можно упругую в
натуре затяжку искусственным путем заставить работать при
определенной нагрузке как абсолютно жесткую.
По проекту автора иа ряде однотипных сооружений, пере-
крытых однопролетными решетчатыми сборно-разборными ра-
мами (ангары), было запроектировано и осуществлено указан-
ным выше способом усиление несущих металлических конст-
рукций [27—30].
Изменение конструктивной схемы достигалось введением
затяжки под ригелем и изменением условий закрепления кон-
цов стоек. Таким приемом достигалось перераспределение уси-
лий в стержнях решетчатых рам в нужную для улучшения
работы конструкции сторону.
Были введены так называемые «абсолютно жесткие» элемен-
ты усиления, сущность которых и способ регулирования напря-
жений изложены в главе IV.
Усиление изменением продольной и поперечной
схем сооружений
Реконструкция промышленных сооружений, как правило,
связана с обновлением оборудования, расширением существую-
щих площадок, увеличением грузоподъемности кранов и т. п.
Усиливать приходится здания и сооружения, возведенные не
только по современным проектам, но и по старым. В связи с
этим интерес представляет оценка сооружений в отношении
66

запасов прочности, жесткости и устойчивости в разные периоды
строительства. ЦНИИПроектстальконструкцией были обследо-
ваны сооружения, возведенные за период с 1890 до 1945 г.*
На основании данных обследования сооружений, которые по
разным причинам и в различной мере потеряли свою несущую
способность, установлено, что при реконструкции и усилении
необходимо учитывать некоторое несоответствие между мораль-
ной долговечностью конкретной конструктивной формы, изме-
ряемой годами, и физической долговечностью, измеряемой де-
сятилетиями.
При обследовании подлежащих реконструкции и усилению
конструкций и сооружений следует оценить их с точки зрения
наличия достаточного количества и правильной расстановки
связей, особое значение придавая связям пространственной
жесткости. Проектирование усиления, особенно в конструкци-
ях старой проектировки, следует вести в направлении правиль-
ного и достаточного раскрепления конструкций связями, созда-
ния жестких узловых сопряжений (рамности), превращения от-
дельных мест или всей сквозной конструкции в сплошную,
применения комбинированных систем (сочетания решетчатых
конструкций и сплошных).
При выборе схемы усиления желательно стремиться к кон-
центрации изменений, заключающейся в сведении к минимуму
числа усиливаемых элементов, изготовляемых деталей и мест
сопряжений. Новые монтажные сопряжения по возможности
следует сосредоточивать во вновь изготовляемых элементах.
Известны случаи, когда изменением при усилении жестко-
стей отдельных конструкций, например одной колонны в по-
перечной схеме многопролетного цеха, достигалось выгодное
перераспределение усилий во всей конструкции, перекрываю-
щей сооружение цеха в поперечном направлении.
Широко известны такие приемы усиления, как отсоедине-
ние при усилении отдельных пролетов, изменение условий при-
крепления ригелей к стойкам (шарнир — заделка) и др.
Заслуживает внимания способ предварительного напряже-
ния многопролетных балочных систем с помощью распорных
или натяжных устройств и распространения напрягающего
усилия через нижние пояса балок, который с успехом может
быть применен как при усилении существующих балочных си-
стем (сплошностснчатых и решетчатых), так и при реконструк-
ции промышленных зданий и сооружений (см. главу IV и ра-
боту [51]). Некоторые примеры осуществленных усилений кон-
струкций с помощью изменения их конструктивной схемы за
последние годы приводятся ниже (с более ранними примерами
можно ознакомиться в работах [6, 19, 28, 29, 51]).
* Проектирование восстановления стальных конструкций, ЦНИИПСК,
1946.
67

Примеры усиления изменением конструктивной схемы
По ряду причин на одном из заводов Сибири возникла не-
обходимость полной замены металлоконструкций покрытия
тре’хпролетйого лилейного цеха ванн (рис. 27, а) [59].
Из рассмотренных вариантов при выборе конструктивной
схемы покрытия был выбран вариант с консольными сплошно-
стенчатыми балками (рис. 27,6). При таком изменении конст-
руктивной схемы подфонарные консолн балок разгружающе
действуют на пролетные изгибающие моменты. Увеличение
внутреннего объема здания (высоты цеха) без изменения на-
ружных габаритов сооружения дало возможность установить
принципиально новое технологическое оборудование и более
рационально разместить воздуховоды и различные энергетиче-
ские магистрали. Демонтаж старых и монтаж новых конструк-
ций был выполнен в 1979 г. по точно разработанному графи-
ку за 20 дней.
Положительную роль при реконструкции сооружения сыгра-
ло введение фоцаря в конструкцию покрытия по стропильным
фермам двухпролетного производственного корпуса. Здание
(рис. 28, а), построенное как холодное складское помещение,
необходимо было использовать как производственное помеще-
ние, для чего его следовало утеплить и оснастить грузоподъем-
ными механизмами. Первоначальным проектом реконструк-
Рис. 27. Схема покрытия цеха
с — до реконструкции; б — после реконструкции
68

ции предусматривалась постановка дополнительно двух рядов
колонн в середине каждого пролета вдоль цеха и подвеска
тельферов к специальным балкам, уложенным на колонны по-
перек цеха по каждой оси.
Усиление по такой схеме потребовало бы устройства под
дополнительные стойки фундаментов, монтажа двух рядов ко-
лонн, реконструкцию всех стропильных ферм, связанную с
монтажом поперечных балок для подвески тельферов.
Более рациональным оказалось следующее решение [21]:
по колоннам среднего ряда смонтировать светоаэрационные
фонари и к иим за крайние стойки подвесить стропильные
фермы (рис. 28,6), а подкрановые балки под грузоподъемные
краны опереть на колонны среднего и крайнего рядов.
Принятое решение исключило все дополнительные работы,
упростило технологию производства строительно-монтажных
работ, улучшило аэрацию и освещение в цехе, сократило сро-
ки реконструкции и позволило выполнить реконструкцию без
остановки производства.
Возведение нового покрытия над существующим
без демонтажа последнего на период выполнения работ
по реконструкции
При реконструкции старых корпусов, вызванной необходи-
мостью установки в них нового крупногабаритного оборудова-
ния, в ряде случаев приходится увеличивать высоту соору-
жений.
Эта задача может быть решена возведением нового покры-
тия над существующим, беЗ демонтажа старого покрытия на
69

период выполнения работ по реконструкции, а следовательно,
и без остановки производственного процесса в сооружении.
Преимуществами такого приема реконструкции, помимо
полной изоляции производственного процесса от строительно-
монтажных работ по реконструкции, являются: возможность
использования существующей кровли как монтажного уровня
при сооружении нового покрытия; упрощение монтажа за счет
применения для него самого элементарного подъемно-такелаж-
ного оборудования; улучшение условий безопасности производ-
ства строительно-монтажных работ при реконструкции.
Новое покрытие в отдельных случаях может быть запроек-
тировано подвешенным к наращиваемым основным колоннам
сооружения. Демонтаж существующего покрытия делается по-
сле окончания монтажа нового покрытия при помощи подве-
шенных к нему кран-балок.
Существенную экономию металла и снижение трудоемкости
изготовления и монтажа конструкций может оказать приме-
нение для несущих конструкций марок стали повышенной
прочности и прогрессивных профилей (гнутые профили, широко-
полочные двутавры, трубы), а также использование в конст-
рукциях предварительного напряжения с искусственным регу-
лированием напряжений. Применение большепролетных конст-
рукций блоков покрытия, структур и т. п. существенно может
упростить монтаж и сократить сроки его выполнения.
Приведем несколько примеров. Рассмотрим реконструкцию
механосборочного корпуса Челябинского тракторного завода
[69]. Корпус построен в 1932 г. Одноэтажное шестипролетное
здание длиной 540 м с несущим металлическим каркасом.
Сетка колонн 12X12 м. Отметка низа стропильных ба-
лок 6,0 м.
Установка нового крупногабаритного оборудования вы-
звала необходимость увеличить высоту корпуса на 3,1 м. Кро-
ме этого, требовалось установить новые фонари и заменить су-
ществующее кровельное покрытие из деревоплиты новым по
стальному профилированному настилу, заменить несущие кон-
струкции покрытия ввиду их значительного износа. Реконструк-
цию необходимо было произвести без остановки основного
производственного процесса в корпусе.
Челябинским отделением ЦНИИпроектстальконструкции в
1978—1980 гг. разработан проект реконструкции корпуса, пре-
дусмативающий возведение нового покрытия над существую-
щим без демонтажа последнего на период строительства. Не-
сущие конструкции нового покрытия в виде системы стропиль-
ных и подстропильных балок опираются на надколенники, на-
рошенпые на существующие колонны. По стропильным балкам,
расположенным с шагом 6,0 м, установлены световые фонари.
Предусмотрена укрупнительная сборка отдельных групп
конструкций, длина надвигаемого в проектное положение бло-
70



Ткрана no iur
Экрана по 5т
т
Литейный чех
2W00
Шихтный цех
18000
~>'гтг
Рис. 29. Поперечный разрез цеха (пунктиром показана схема подвески по-
крытия к надстроенным колоннам)
ка покрытия равна длине температурного отсека здания и до-
стигает 96 м. Сборка и укрупнение конструкций производится
наверху на существующем покрытии в торцевом шаге реконст-
руируемого пролета, монтаж ведется по пролетам. Сборка
ведется на специальных катках, установленных на путях, по
которым перемещается кран-путеукладчик. По этим путям по
мере сборки конструкции перемещаются вдоль пролета до ус-
тановки их в проектное положение. Перемещение осуществля-
ется с помощью лебедки, установленной в противоположном
торце пролета.
После установки новых конструкций демонтаж старых вы-
полняется при помощи подвешенных к новым конструкциям
кран-балок.
Одним из вариантов примеров предотвращения аварийного
состояния и продления срока службы сооружения может слу-
жить прием подвески существующего покрытия (рис. 29).
В аварийном состоянии находился цех бронзового и алю-
миниевого литья постройки 1945—1948 гг. Остановить произ-
водственный процесс внутри сооружения, чтобы выполнить
усиление несущих конструкций покрытия, было нельзя.
Разборка и замена покрытия по частям, участкам по указан-
ным выше соображениям также была невозможна. Требовалось
либо прекратить производственный процесс и сделать полную
замену металлических конструкций новыми (крайний случай),
либо найти такой способ усиления конструкций, при котором
одновременно было бы обеспечено предотвращение аварии и
выполнение работ по усилению конструкций в действующем
цехе без остановки производственного процесса; цех работал
круглосуточно.
71

Однопролетный цех пролетом 24 м был построен сразу же
после Великой Отечественной войны из однотипных конструк-
ций, взятых из разных сооружений (восстановление). Матери-
ал ферм неизвестен, сталь была различных марок. Сварка в
большинстве случаев недоброкачественная. Цех оборудован
двумя кранами 10 т тяжелого режима работы.
Впоследствии к однопролетному цеху был пристроен второй
пролет 18 м — шихтный, который также был оборудован двумя
кранами 5 т. Шаг колонн и ферм — 6 м. Длина цеха — 120 м.
Проектной документации не сохранилось. Конструкции ко-
лонн и подкрановые конструкции были в удовлетворительном
состоянии, и никакой замены или усиления не требовалось.
В аварийном состоянии находилось почти все покрытие по
фермам площадью 5040 м2.
В 1960-х годах было выполнено местное усиление отдель-
ных элементов конструкций. К концу 1970-х годов коррозией
были поражены до 25 % стержней ферм. Большинство стерж-
ней ферм деформировано.
Усугубляющим аварийное состояние шатра цеха обстоятель-
ством явилось уменьшение размеров поперечного сечения
стержней за счет коррозии и неблагоприятный температурный
режим внутри цеха, так как при выгрузке шихты из печи по-
крытие по фермам нагревается до 60—70 °C.
Выпучивание растянутых стержней, по-видимому, имело
место вследствие более поздней пристройки дополнительного
пролета и защемления его ригеля в уже существовавшей ко-
лонне, за счет чего и произошло перераспределение усилий в
стержнях ферм. Кроме того, в общей схеме покрытия было не-
достаточное количество связей пространственной жесткости.
Одним из способов предотвращения аварии, предложенных
ХарИИТ, является устройство вантовой системы, закрепляемой
на наращенные колонны и подвески к вантам несущей конст-
рукции покрытия. Ванты имеют натяжное устройство, как по-
казано на рис. 29 (идея напоминает известное конструктивное
решение павильона СССР на Всемирной выставке 1958 г. в
Брюсселе).
Оригинальный прием реконструкции изменением конструк-
тивной схемы сооружения был применен в проекте реконструк-
ции стального каркаса Николаевского завода металлоконструк-
ций [17]. Как и в описанных выше случаях, основные работы
по реконструкции были вынесены за пределы цеха и не меша-
ли производственному процессу, происходящему в сооружении.
Установкой с наружной стороны корпуса подкосов у шести ко-
лонн удалось перераспределить усилия в нужную для изменив-
шихся условий эксплуатации цеха сторону *.
Аналогичный по идее прием реконструкции описан в работе [29].
72

Трехпролетные рамы из клепаных, бывших в употреблении
конструкций были смонтированы в 1948 г. Сталь металлокон-
струкций содержала повышенное количество серы и фосфора.
Стульчаки для опирания ферм в процессе приспособления ме-
таллоконструкций были приварены, что увеличило вероятность
хрупкого разрушения.
В зонах сварных швов в течение срока эксплуатации было
обнаружено значительное количество трещин. Несущая способ-
ность оголовков всех колонн средних рядов оказалась недоста-
точной при нагрузке после реконструкции.
Для обеспечения несущей способности оголовков колонн
средних рядов было предусмотрено установить подкосы с на-
ружной стороны корпуса у шести колонн через четыре шага.
Установка подкосов увеличила жесткость рамы в 7 раз, что
при наличии продольных связевых ферм, обеспечивающих про-
странственную работу каркаса, уменьшило изгибающие момен-
ты от ветра в 2,5 раза. Несущая способность оголовков оказа-
лась достаточной, а все работы по ее обеспечению были выне-
сены за пределы сооружения.
Конструкция усиления столиков для стропильных ферм вы-
полнена таким образом, что при разрушении сварных швов,
которыми приварены существующие столики, в работу будут
включаться детали усиления, прекрепленные к колонне бол-
тами.
§11. Основные положения расчета элементов конструкций,
усиливаемых под нагрузкой
Специфической особенностью расчета усиленных металло-
конструкций является необходимость учета совместной работы
металла основной конструкции и элементов усиления. Работа
конструкций, усиливаемых под нагрузкой, и расчет их су-
щественно отличаются от расчета вновь проектируемых кон-
струкций.
Усиливаемые элементы в момент усиления уже находятся в
напряженном состоянии. Помимо этого, металл элементов уси-
ления по своим механическим свойствам может отличаться
от металла усиливаемой конструкции. Кроме того, необходимо
учитывать при перерасчете конструкций, подлежащих усилению
под нагрузкой, и то обстоятельство, что металлические конст-
рукции, возведенные до 1955 г., проектировались и рассчиты-
вались по методу допускаемых напряжений, а с 1955 г.— по
методу предельных состояний с учетом норм проектирования:
СНиП П-6—74 «Нагрузки и воздействия», СНиП П-В.З—72
и СНиП П-23—81 «Нормы проектирования» (с 01.01.82).
Следовательно, поверочный расчет усиливаемых конструк-
ций старой проектировки при отсутствии данных о коэффици-
ентах перегрузки для отдельных эксплуатационных нагрузок,
для элементов конструкций машиностроительного типа и ряда
73

других целесообразно вести по допускаемым напряжениям, ве-
личину же нагрузок, учитываемых при расчете, следует прини-
мать по действующим нормам без учета коэффициентов пере-
грузки.
В настоящее время расчет усиления элементов стальных
конструкций может базироваться на двух предположениях:
если усиливающие (дополнительные) элементы воспринима-
ют только дополнительные усилия, возникающие от нагрузок,
приложенных после усиления, то расчет ведут по упругой ста-
дии;
если в основном (старом) сечении напряжения достигают
величины предела текучести, то в основном и дополнительном
(новом) сечениях происходит перераспределение и выравнива-
ние напряжений по сечению; в этом случае расчет ведут с
учетом пластической стадии работы *.
Расчет с учетом пластической стадии работы металла (ос-
новного и усиливающего) обеспечивает более экономичные ре-
шения по сравнению с расчетом по упругой стадии работы
усиленного элемента.
Учет пластической стадии при расчете может применяться
для элементов, несущих статическую нагрузку, обеспеченных от
потери общей и местной устойчивости и имеющих величину
касательных напряжений в сечении, где действует наибольший
изгибающий момент, не более 0,3 Ry (расчетного сопротивле-
ния). В конструкциях, воспринимающих динамические, удар-
ные и вибрационные нагрузки, расчет следует вести исходя из
упругой стадии работы металла.
Ниже приводятся основные формулы для расчета уси-
ления элементов стальных конструкций по методам допускае-
мых напряжений и предельных состояний.
Не следует упускать из виду, что перед усилением усили-
ваемые конструкции должны быть максимально разгружены:
полностью — от временной нагрузки и по возможности — от ча-
сти постоянной.
Усиление с целью безопасности выполнения работ следует
производить при номинальных напряжениях в элементах кон-
струкций не более №RU или 0,7о" (т. е. нормативного предела
текучести).
Расчетные формулы для проектирования усиления стальных кон-
струкций по предельным состояниям и допускаемым напряже-
ниям при учете упругой или пластической стадии работы
В расчетных формулах усиления элементов приняты следую-
щие обозначения:
* Предположение о выравнивании напряжений подтверждено многочис-
ленными исследованиями. Одни из первых исследований принадлежат
Б. Г. Шварцбургу, Я. Л. Куценку (1930-е годы), В. П. Кушневу и др. [29].
74

JV£, — нормативные осевые усилия и изгибающий момент
от нагрузок, действующих в момент усиления (при полной или
частичной разгрузке); 7VC, Л4С— расчетные осевые усилия и из-
гибающий момент от нагрузок, действующих в момент усиления
(с учетом коэффициента перегрузки); ДЛ/д, ДЛ1д, ДЛ/д, ДЛ!д —
приращение нормативных и расчетных осевого усилия и изги-
бающего момента от нагрузок, возникших после усиления; Дс,
Wc, /с, Гс — площадь, момент сопротивления, момент инерции и
радиус инерции основного сечения элемента (до усиления);
Wzo6, /об — то же, полного сечения элемента (после усиле-
ния); — пластический момент сопротивления сечения после
усиления, принимаемый как удвоенный статический момент по-
ловины общей площади сечения относительно нейтральной оси,
но не более 1,20 R7 (упругого момента сопротивления этого же
сечения, т. е. /х/t/i); ДДЯ — площадь сечения дополнительных
(усиливающих) деталей; 5Д— статический момент прикрепляе-
мой усиливающей детали относительно нейтральной оси эле-
мента; Аш — расчетная площадь среза углового шва; ус, {/об—
расстояния до нейтральной оси до и после усиления; о, т — но-
минальные расчетные нормальное и касательное напряжения;
[о], [т] — допускаемые напряжения (нормальное, касательное),
принимаемые по ЦиТУ 1—46;
Ry, Ra>f, Raz — расчетные сопротивления основного металла
растяжению, сжатию, изгибу и угловых сварных швов срезу
по СНиП 11-23—81; ус— коэффициент условий работы по
СНиП П-23—81; фс, фоб, фу с, фу об, Фвп. с, фвн. об — коэффициенты
продольного изгиба, внецентренного сжатия для сечений до и
после усиления.
Так как в работе приводится для сравнения параллельно
два расчета: по допускаемым напряжениям (ДН) и по предель-
ным состояниям (ПС), буквенные обозначения входящих в фор-
мулы метода (ДН) величин приняты в соответствии с действую-
щими нормами СНиП П-23—81.
Усиление центрально-растянутых элементов
Условие прочности по упругой стадии работы в методе до-
пускаемых напряжений (ДН)
У“	ДУ"
0 =	+ А-------------< (а]’	(,)
ЛС.НТ 24С. НТ Т	нт
откуда требуемая площадь поперечного сечения усиливающих
элементов по ДН
У“ + ДУ" — Лс нт [а|
и/'Д. ЦТ	~---------
У“
(2)
Лс. нт
75

Условие неразрушимости по упругой стадии работы в методе
предельных состояний (ПСупр)
Л'с ,	ДЛ'д
А~ ------------
О =« .	;-------------
Лс. нт Ас. нт 4“ Л4д. нт
откуда требуемая площадь поперечного сечения усиливающих
элементов (ПСупр)
с>
(3)
У<! 4" ДЛ^Д - КуУсАс. НТ
Д^д. НТ ----------Т7----
RyVc-^
лс. нт
Условие неразрушимости с учетом пластической стадии в ме-
тоде предельных состояний (Г1СПЛаст)
Л'с 4-ДЛ'д
° хГн;+длд.нт
(4)
(5)
откуда требуемая площадь поперечного сечения усиливающих
элементов (ПСПласт)
АЛд. нт > —- Ас. нт.	(6)
Ку\с
Расчет прикрепления усиливающих элементов к основным
Прикрепление осуществляется сплошными сварными швами
высотой 3—6 мм. Сварные швы должны обеспечить включение
усиливающих элементов в общую работу элемента конструкции,
которая происходит при соблюдении условия
А'Чд. mRy AuiRof.
(7)
Необходимая расчетная площадь среза сварных швов
ДЛд, iiiRi/
Аш> - t--  ^1,4ДЛд.нт.
Так как длина крепящих швов в узле, как правило, ограни-
чена от торца усиливаемого элемента до границы фасонки
(рис. 30), то расчетную высоту углового шва определяют по
Рис. 30. Схема прикрепления элементов усиления к центрально-растянутому
стержню
а — сечение до усиления; б — сечение после усиления
76

формуле
t, >	' »4Д^л. нт
ш-" пш0,7(1ш- 1 см)’
(9)
где Пш — количество швов, скрепляющих усиливающие элементы; /гш округ-
ляется до ближайшего калибра: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25,
30 мм и т. д.; за пределами узла высота шва плавно уменьшается до 3^-
6 мм *.
Усиление центрально-сжатых элементов
Усиление центрально-сжатых элементов может быть выпол-
нено: уменьшением расчетной длины стержня и соответствую-
щим увеличением коэффициента <р; добавлением усиливающих
элементов, увеличивающих расчетную площадь поперечного се-
чения без существенного изменения расчетной гибкости; ком-
бинированным способом — одновременным увеличением расчет-
ной площади сечения и уменьшением гибкости (путем увеличе-
ния жесткости, уменьшения расчетной длины):
расчет по ДН
N" + ЫЧ*
Ас
(Ю)
расчет по ПС
Ne + bN*
а = -------
При соблюдении условий (10) и (11) усиливающие элементы
центрально-сжатого стержня могут быть не заведены и не при-
креплены к узлу.
По условиям безопасности проведения работ осевое усилие
к моменту усиления не должно превышать величины, определен-
ной из выражения
Wc < 0,8/^Усфс А>	(12)
Так же как и при расчете усиления центрально-растянутых
элементов, при расчете центрально-сжатых элементов по упру-
гой стадии принимают, что элементы усиления воспринимают
только дополнительную нагрузку, приложенную после усиления.
Потеря же устойчивости происходит в стержне, имеющем
новое сечение (после усиления), поэтому в расчет вводят гиб-
кость после усиления.
Условие прочности по ДН
№
A1V»
71с<Роб (71с + А71д) фоб
(13)
* СНиП П-23—81, п. 11.2 предусматривает расчет угловых сварных швов
на срез (условный) по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы
сплавления: R^f и Rim-
77

откуда требуемая площадь поперечного сечения усиливающих
элементов
( н"Л
Фоб -----J
Условие неразрушимости по ПС
-Л^ + тг-гтЬ;------<^Yc.	(15)
Лсфо5 (Лс + ДЛд) фоб
откуда требуемая площадь поперечного сечения усиливающих
элементов
Ус + ДУд Фоб^уУсЛс
ДЛд=------- -----(16)
Фоб ^4,
Учитывая то обстоятельство, что при потере устойчивости
усиленного стержня происходит как бы выравнивание критиче-
ских напряжений по всему усиленному сечению, в предельном
состоянии с учетом пластической стадии работы условие нераз-
рушимости будет иметь вид:
Nc + ДУд
Фоб (Лс ДЛд)
'С RyVc-
(17)
Требуемая площадь поперечного сечения усиливающих элемен-
тов
У с + ^AZд	ФобЛсУ^Ус
ДЛд
ФобУ^Ус
(18)
Во всех рассмотренных случаях коэффициент <рс принимается
условно по гибкости элемента до усиления с последующей его
корректировкой по действительной гибкости уже усиленного
стержня.
Расчет швов, прикрепляющих усиливающие элементы к ос-
новному, делают на условную поперечную (перерезывающую)
силу Qyc:
расчет по Д11

расчет по ПС
1,4/ [тсв]

Сус^д
1,4//?<о/
где
<?уе = (Лс + ДЛд); Qyc = KQ (лс + ДЛд).
(19)
(20)
(21)
Значения Kq и Kq принимаются: Kq —по НиТУ 1—46,
Kq — по табл. 10 СНиП II—В. 3 — 72; в зависимости от
78

класса прочности стали они изменяются в пределах: Kq =
= 1,54-2,0 МПа, ftQ = 2,0 —7,0 МПа; 5Д — статический мо-
мент поперечного сечения усиливающего элемента, прикрепляе-
мого рассчитываемыми швами; / — момент инерции всего сече-
ния. Формулы (19) и (20) предусматривают крепление одной
усиливающей детали к основному стержню двумя швами.
Усиление внецентренно сжатых и внецентренно растянутых
элементов
При усилении внецентренно сжатых элементов наибольшие
краевые напряжения не должны превышать 0,8/?^ или 0,7 о”,
т. е. нормативного предела текучести. Желательно сохранять не-
изменное положение нейтральной оси, а если по конструктивным
соображениям приходится ее смещать, то следует учитывать
возникающие при этом дополнительные изгибающие моменты.
Не следует упускать из виду и то обстоятельство, что в основ*
ном сечении изгибающие моменты ранее определялись с эксцен-
триситетами по отношению к оси элемента до его усиления.
Так же как и при расчете центрально-сжатых стержней [фор-
мулы (10), (11)], усиливающие детали при внецентренном сжа-
тии могут быть не заведены и не прикреплены в узлах, если на
границах узлов соблюдены условия:
расчет по ДН
"" + ^д ,	+	(22)
Ас +	Гс
расчет по ПС
Nc + Д.УЛ + Мс + ДЛД	(23)
Ас	11^ с
Усиленное сечение рассчитывают на прочность и устойчи-
вость в двух главных плоскостях (в плоскости и из плоскости
действия изгибающего момента, рис. 31).
Расчет по ДН.
В плоскости действия момента:
Рис. 31. К расчету усиления вне-
центренно сжатого элемента
79

проверка
чения
прочности в крайнем волокне основного (старого) се-
то же, в
’-X
ДУУд ,
Яс + АЯд /с	/об
(24)
крайнем волокне усиливающего элемента
ДА'” ЬМ”у-
"=лП^лГ + -7^<^
проверка устойчивости в плоскости действия момента
А”	ДА"
----£--1________А_____< [
фвн- обЛс (Лс + АЛд) фвн. об
требуемая площадь усиливающих элементов
..	Д'” + Д^Уд ~ Фвн. об [g]A
(25)
(26)
--IX	f	. rH X
( А
фвН. OB	yj )
Проверка устойчивости из плоскости действия момента
(27)
(28)
& обСобЛс ф// об^об (Лс “Ь ДЛд)
где фен. об, Ф» об, Соб — для усиленного сечения (рекомендуется определять по
формулам н таблицам СНиП).
Расчет по ПС.
Расчет с учетом упругой стадии работы материала (усили-
вающие элементы воспринимают только усилие от нагрузок, при-
ложенных после усиления).
В плоскости действия момента:
проверка прочности в крайнем волокне основного (старого) се-
чения
Л^с i АЛ/д j МуУс j ДЛТд^об
л? + лс + для + /с + /об”
(29)
то же, в крайнем волокне усиливающего элемента
_  ДД'д Д^дфд р .
проверка устойчивости в плоскости действия момента
-------#vVc.
(30)
Х Фвн. обЛс фвн. об (Лс + ДЛд)
требуемая площадь усиливающих элементов
(Ус + Д/Уд фвн. об^уТс^С
ДЛд= -----------------------------—-
(31)
(32)
а =
с
80

Проверка устойчивости нз плоскости действия момента
Rс	1	Л/Vд
У Ч>У обСоб^С tpy об^об (ЯС + Л/1д)
Расчет с учетом пластической стадии работы. Как и в слу-
чае центрального осевого сжатия, принимается, что величина
критической силы практически не зависит от наличия или отсут-
ствия напряжений в сечении элемента до его усиления, и в пре-
дельном состоянии происходит выравнивание критических на-
пряжений по всему усиленному сечению:
проверка устойчивости в плоскости действия момента
*VС “Ь	п	/О п
°*—т...«(Л + Д.)	<34)
требуемая площадь сечения усиливающих элементов
<Гт. об^уУс^с
ДЯд =-------------=---------;
фвн. C&RyVc
проверка устойчивости из плоскости действия момента
У ФуобСобСЯс + ДЯд)
Прочность внецентренно сжатых элементов, не подвергаю-
щихся непосредственному воздействию динамических нагрузок,
допускается проверять с учетом пластической деформации по
формуле
Г ЛГс + ДЛГд "13/2 Мс + ДЛГд < j 0
L (Дс + ДЯд) Ry J W^Ry
Усиливающие элементы крепят к основному элементу между
узлами тонкими сварными швами малых калибров: 3, 4, 5, 6 мм.
Внецентренно растянутые элементы, естественно, проверяют
только по условиям прочности, используя соответствующие фор-
мулы, приведенные для внецентренно сжатых стержней: при
расчете по ДН—(22), (24), (25); при расчете по ПС—(23),
(29), (30); при учете пластических деформаций и при отсутствии
динамических воздействий на рассчитываемый элемент — по
формуле (37).
Усиление внецентренно растянутых, как и внецентренно сжа-
тых элементов, следует производить, если наибольшие краевые
напряжения не превышают величины 0,87?у пли 0,7oj.
Усиление изгибаемых элементов
При усилении изгибаемых элементов стальных конструкций
элементы усиления, как правило, располагают только иа уча-
стках максимальных изгибающих моментов (реже — перерезы-
вающих сил) в границах, где это необходимо по расчету.
81

At*	v
t-	t
8У/ЛИ
Рис. 32. К расчету изги-
баемых элементов
С удалением усиливающих элементов от
нейтральной оси их эффективность воз-
растает.
Усиливающие элементы желательно
располагать симметрично относительно
главной центральной оси неусилениого
сечения, правда, по конструктивным сооб-
ражениям это не всегда удается сделать.
Сварные швы, прикрепляющие усили-
вающие элементы к основному сечению,
следует располагать в удобных для
сварки местах, избегать потолочную свар-
ку. Во избежание появления деформации
серповидности в сторону изгиба сва-
рочные работы следует начинать с при-
варки усиливающих элементов сначала к
нижнему поясу балки, а затем к верхнему. Перед усилением
балки должны быть предельно разгружены: полностью от вре-
менной и, по возможности, от части постоянной нагрузок.
В усиливаемых балках проверяют как прочность, так и об-
щую и местную устойчивость, в расчет вводят полное сечение
балки после усиления, так как критические усилия практически
не зависят от величины напряжений, существовавших до усиле-
ния [19].
Расчет по ДН
Расчет производится по следующим формулам:
проверка напряжений в крайнем волокне старого
(рис. 32)
М”ус ДА»Хб
/с + /хоб
С М;
сечения
(38)
то же, в крайнем волокне усиливающего элемента
Од =
<6,1-
(39)
требуемая площадь усиливающих элементов для балки сим-
метричного сечения
2 (ус ± -^-)2 ([О] - ас1
(40)
Симметричное усиление, как показано на рис. 32, конструк-
тивно, но не технологично, так как приварка усиливающего эле-
мента к нижнему поясу сопряжена с выполнением потолочных
швов. Для повышения технологичности конструкции усиливаю-
щую полосу нижнего пояса лучше сделать шире полосы основ-
ного неусиленного сечения, что даст возможность усиливающую
полосу приварить швами в нижнем положении.
82

Расчет по ПС.
Расчет по упругой стадии работы материала (усиливающие
элементы воспринимают только усилие от нагрузок, приложен-
ных после усиления):
проверка напряжений в крайнем волокне старого сечения
<7С —
МсУс
<Х с
ДМдУоб-
1х об
(41)
то же, в крайнем волокне усиливающего элемента
_ ДИдуд
Од — —	—
‘х об
(42)
требуемая площадь усиливающих элементов для балки сим-
метричного сечения
ДЛд
Л4с!/с 4" Д44дУоб — RyXc^x с
2 (ffc ± -у-)2 (RyVc — Ос)
(43)
В знаменателях формул (40) и (43) знак «-}-» принят при
расположении усиливающих деталей с наружной стороны пояса,
а знак «—» — при расположении их с внутренней стороны пояса.
Напряжения в крайнем волокне старого (основного) сечения
^сУс
Ос — J 
‘X с
(44)
В разрезных балках постоянного сечения при статических на-
грузках допускается учитывать пластическую стадию работы
по всей высоте сечения. В этом случае расчет ведется по фор-
муле
(45)
“лоб
где IV'"о6 — пластический момент сопротивления, определяемый по указаниям
СНиП.
Требуемая площадь усиливающих элементов
(МС 4~ ДМд) »/д — RyVcIxe
Д лл «----------7------<	•	(46)
2,27?уУс ^Z/об i ~2~)
Расчет по формулам (45), (46) разрешается производить,
если:
обеспечена общая устойчивость балки;
выдержаны определенные отношения ширины свеса сжатого
пояса сварной балки к его толщине и отношение расчетной вы-
соты стенки het к ее толщине.
83


т

4
Рис. 33. Предельное состояние балок, усиленных под нагрузкой
Касательные напряжения в месте наибольшего изгибающего
момента не должны превышать 0,3/?^ (см. СНиП II-B.3-72,
табл. 11).
Проверка прогиба усиленной балки
/д = /с +	(47)
где fc — прогиб балки основного (старого) сечения от нормативных нагрузок,
действовавших в момент усиления; Л/д — прогиб балки, усиленной (нового
сечения) от приращения нормативной нагрузки, приложенной после усиле-
ния.
На рис. 33 приведены предельные состояния балок, симмет-
рично усиленных под нагрузкой по различным методикам рас-
чета [28]:
по допускаемым напряжениям (ДН) —в крайних фибрах не-
усиленного (старого) сечения допускается значение напряжения,
равное допускаемому [а];
по предельным усилиям (ПУ) — в крайних фибрах основного
сечения значения напряжений достигают значений предела теку-
чести от;
по методике проф. Е. И. Беленя [5] — за предельное состоя-
ние принято начало текучести от в краевом волокне металла
усиления, в основном (старом) сечении балки допускается теку-
честь; при этом коэффициент запаса должен быть таким, чтобы
обеспечить работу балки в упругой стадии;
по несущей способности (НС) — наступление шарнира пла-
стичности.
Исследования упругопластической работы конструкций, уси-
ленных под нагрузкой, см. в работах [5, 14, 18, 46].
84

Усиление сварных швов
Долгое время существовало мнение, что усиление сварных
швов под нагрузкой опасно из-за сильного перегрева и частич-
ного расплавления металла в зоне сварки.
Исследованиями было установлено, каким путем можно ком-
пенсировать кратковременное нерабочее состояние ответствен-
ных швов, временно вышедших из строя при разогреве, какой
длины и на какой период выключается расплавленный шов из
работы.
При усилении угловых швов из работы соединения выклю-
чается движущийся при сварке участок шва, разогретый до тем-
пературы более 550 °C и находящийся в пластическом состоянии,
а менее нагретые участки — до температуры 550 °C или уже
остывшие соседние участки шва сохраняют полную несущую
способность.
Результаты многочисленных исследований подтвердили воз-
можность производить усиление угловых швов, находящихся под
нагрузкой, которая создает напряжение в основном металле до
0,7-0,8^.
Расчет удлиненного углового шва:
0,7йс Uc- 1см) + 0,7 [йс - (/с - 1см)’ + йц (/д - 1см)1	(48)
где йс, 1с — соответственно высота и длина старых швов, см; йд, 1Л — соответ-
ственно высота н длина дополнительных (усиливающих) швов, см; 1 см —
длина непровара в начале и длина кратера в конце сварки; Raf — расчетное
сопротивление угловых швов срезу по металлу шва; yaf — коэффициент усло-
вий работы.
При наплавке дополнительного слоя по высоте углового шва,
находящегося под нагрузкой (рис. 34), проверка прочности про-
изводится по формуле
л т г v ь / '—л-Г ^®/Ve>/Yc.	(49)
0>7 ( /, hclc — Лш.пл)
где Мс — сумма площадок среза угловых швов до усиления; Аш. пл — по-
движный участок усиливаемого шва, перешедший в пластическое состояние
при разогреве более чем на 550 °C и определяемый по формуле, выведенной
на основании теории тепловых процессов Н. Н. Рыкалина.
ЛШ. „л = 0,149^,	(50)
где т — коэффициент, определяемый по графику рис. 35; s — толщина на-
плавляемого слоя; бф — толщина узловой фасонки; /ев — сила сварочного то-
ка, А, принимаемая по данным разработанной технологии сварки при усиле-
нии или по табл. 6.
Примерные длины участков швов Дш. пл при температуре
выше 550 °C приведены для наиболее часто встречающихся слу-
чаев в табл. 7.
85

Таблица 6. Сила сварочного тока /„
Диаметр электрода, мм	Положение сварки		
	нижнее	вертикальное	потолочное
4	160-200	(20—160	110—150
5	200—250	—	—
Таблица 7 Длина подвижного участка усиливаемого шва Л,,,. пл,
перешедшего в пластическое состояние
Высота углового шва		Длина участка	Пл., см, при толщине свариваемых деталей, мм		
до усиления	после усиле; ит	12+8	16+10	20+12
6	8	2,9	2,3	2,1
7	9	3,1	2,4	2,2
8	10	34	2,5	2,3
Необходимую высоту катета углового шва после усиления
можно определить по формуле
hy ; (51)
0.7 ( 1Ш 1см) Ve>tVc
предполагается, что шов после усиления равномерно восприни-
мает суммарное усилие.
При усилении сварных швов путем дополнительной наплавки
следует строго придерживаться определенных технологических
условий выполнения работ.
При ремонте и усилении стальных конструкций можно до-
пускать, как исключение, совместное крепление элемента в узле
Толщина свариваемой детали, мм
Рис. 35. График для определения
коэффициента т в формуле (50)
Рис. 34. Дополнительная наплавка
швов усиления на существующие
швы
1 — старый шов; 2 — новый шов
1-Лш=6ч-7 мм; 2-Лш=7 + 8 мм; 3-ЛЩ~
“=8 -г 10 мм
86

высокопрочными болтами и сварными швами, выполняемыми
после установки и затяжки высокопрочных болтов, натяжение
которых контролируется дважды —до и после сварки. При рас-
чете предполагают, что деформативность болтов и сварных швов
одинакова.
Усиление стержней ферм с местными дефектами
В стержнях стропильных ферм, имеющих традиционное сече-
ние стержней, состоящее из двух уголков, расположенных тав-
ром, в эксплуатируемых конструкциях достаточно распростра-
нено наличие местных дефектов в виде погпбей полок уголков
и вырезов в полках (рис. 36).
Местные дефекты, несмотря на то что оип расположены па
сравнительно небольшой части длины элемента (1/7—1/15)/.ока-
зывают существенное влияние па несущую способность сжатых
стержней. Критические силы снижаются до 50 % по сравнению
с силами бездефектных стержней.
Параметрами местных дефектов являются: [о—максималь-
ная стрелка погиба, с — ширина погиба или глубина выреза
полки; /о — максимальная длина дефекта; относительные пара-
метры: too = fo/t, k = f0/l0, x = l0/l, ф = fc/c.
Методика оценки прочности стержней с местными погибами
базируется на основе эквивалентной замены деформированной
части полки прямолинейным участком с уменьшенной перемен-
ной толщиной, зависящей от параметров погиба (рис. 37).
Наибольшие нормальные напряжения возникают не в край-
них фибрах искривленной полки, а в ее средней части (рис. 38).
Несущая способность деформированного стержня определяется
в предположении изгибной формы потерн устойчивости ступен-
чато ослабленного стержня; при этом влияние местного дефекта
учитывается введением дополнительного коэффициента pi, уточ-
няющего расчетную длину стержня, и геометрическими характе-
ристиками эквивалентного сечения *.
В соответствии с работой (40) элементы стержней с мест-
ными дефектами таких конструкций, как стропильные и под-
стропильные фермы, сквозные колонны, фермы и опоры галерей,
опоры газовоздухопроводов и т. п., изготовленные из угловых
профилей, рассчитываются исходя из следующих положений.
При усилении конструкций под нагрузкой действующие в уси-
ливаемых элементах усилия не должны превышать 0,8/V, где
N — несущая способность усиливаемого элемента.
Определение несущей способности элементов с местными де-
фектами производится в случаях:
* Исследования несущей способности стержней ферм из уголков с мест-
ными дефектами и разработка методики их расчета выполнены в Казахском
отделении ПИ, Проектсталъкоиструкция [40, 41] (/\лма —Ага),
57

По1-1	По 2-2 или По 2-2
6.)
j’l Д Д Д Д
J. .I.	.|>
Рис. 36. Стержень фермы с
местным дефектом
о — параметры стержня мест-
кого погиба и выреза; б — по*
гибы полок; в — вырезы полок
Рис. 37. Деформированное
(а) и эквивалентное (б)
поперечное сечение уголка
*0, ^о~ Центральные оси инерции
основного уголка;
*е- Уе- Ле' i'e —Центральные и
главные осн инерции эквива-
лентного сечения
Рис. 38 Эпюры нормальных на-
пряжений в основном (слева)
и деформированном на участке
местного погиба (справа) се-
чении уголка
а — прн центральном растяжении
или сжатии; б — при изгибе отно-.
ситсльцо ОСИ УС

местных погибов полок, превышающих предельные значения,
установленные СНиП Ш-18—75 [57];
вырезов полок уголков.
Несущая способность стержней определяется по геометри-
ческим характеристикам эквивалентного сечения:
при погибах — по параметрам наиболее деформированного
сечения;
при вырезах — по параметрам оставшейся части сечения в
месте максимального ослабления.
Несущая способность сжатого стержня с местным дефектом
определяется аналогично расчету на устойчивость по СНиП II-
23—81. Особенность заключается в том, что расчет ведется по
геометрическим характеристикам эквивалентного сечения, рас-
четная длина стержня определяется с учетом параметров ослаб-
ления [см. формулу (54)]. Расчетная схема центрально-сжатого
ступенчато ослабленного стержня показана на рис. 39.
Расчет деформированного стержня на устойчивость при симмет-
ричных местных дефектах относительно главных осей основного
сечения
Расчет производится как расчет стержня в плоскости дей-
ствия момента, совпадающего с плоскостью симметрии основного
сечения:
-^-CfyYeVe.
откуда несущая способность деформированного стержня
N — Ч>е^еРуУсУе,	(52)
где <ре — коэффициент продольного изгиба, определяемый по СНиП 11-23—81,
табл. 74, в зависимости от условной гибкости Хе и приведенного относитель-
ного эксцентриситета те/, с, определяемых по формулам:
Хе = Х^ 'у] Ry/E't е ==
где гибкость стержня с местным дефектом
lef, е
Хе =	.	(53)
Расчетная	длина	стержня с местным	дефектом	определяется
по формуле
let, е —	(54)
В формулах	(52)	— (54)	принято:	ц—	коэффициент	расчетной
длины, принимаемый по СНиП 11-23—81, раздел 6; щ — коэф-
Рис. 39. Расчетная схема центрально-сжатого ступенчато-ослабленного стержня
89

Рис. 40. Изменение площа-
ди эквивалентного попереч-
ного сечения одиночного
уголка
Лс, Ло—площади соответствен
но эквивалентного н основного
сечений; —стрела местного
погиба; t — толщина полки угол-
ка
фициент расчетной длины, зависящий от параметров а и (к
а = 1О/1 е\ ₽ = /е/ji/ = le/lef, Io — момент инерции основного се-
чения; 1е — момент инерции эквивалентного сечения относитель-
но центральных осей, параллельных главным осям основного се-
чения: 1е = 0,6/ — при местных погибах, 1е — 1о — при местных
вырезах; Ае — площадь эквивалентного сечения стержня на
участке дефекта (рис. 40); Ry — расчетное сопротивление стали
растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести; ус — коэффи-
циент условий работы, принимаемый по указаниям СНиП
П-23—81, раздел 4; уе — коэффициент условий работы, завися-
щий от вида местного дефекта: при симметричных погибах или
вырезах вертикальных полок уе= 1, при симметричных погибах
или вырезах горизонтальных полок уе = 0,9; т] — коэффициент
влияния формы сечения, определяемый по СНиП П-23—81,
табл. 73.
Радиус инерции эквивалентного сечения
Относительный эксцентриситет эквивалентного сечения опре-
деляется по формуле
те = eAe/We,
где е = ел + ее — эксцентриситет относительно центральных осей эквивалент-
ного сечения, параллельных главным осям основного сечения: е0— суммар-
ный эксцентриситет приложения нагрузки к торцам стержня и эксцентриси-
тет от общего искривления стержня; ее — эксцентриситет иа участке эквива-
лентного сечения за счет смещения центральных осей.
Момент сопротивления эквивалентного сечения
We=*Ud,
где d—расстояние от центральной оси эквивалентного сечения до наиболее
сжатого волокна.
Расчет деформированного стержня на устойчивость
при несимметричных местных дефектах
относительно главных осей основного сечения
Расчет производится как расчет стержня с эквивалентным
поперечным сечением, подверженного сжатию и изгибу в двух
главных плоскостях:
NUVexyAe) < КуУсЧв,
90

откуда несущая способность
«V — ЧехуЛеРу VrYe,	{55)
где q?«s — коэффициент продольного изгиба, определяемый по указаниям раз-
дела 5.34 СНиП П-23—81.
Коэффициент условий работы ув, зависящий от вида местного
дефекта, принимается: при несимметричном погибе или вырезе
вертикальной полки уе — 0,95; то же, горизонтальной полки
уе — 0,90.
Расчет на прочность центрально-растянутых, стержней
с местными дефектами
При отсутствии трещин и надрезов металла расчет стерж-
ней с местными дефектами выполняется по формуле
W/Ло < «уУсУд,
откуда несущая способность
N <.AnRyycyd,	(56)
где До—площадь основного поперечного сечения; уа—коэффициент условий
работы деформированного сечения: уа = 0,8 4- 1.
Усиление стержней с местными дефектами
Усиление элементов конструкций осуществляется путем при-
варки дополнительных элементов. Следует выбирать такие схе-
мы усиления, чтобы не вызывать смещения центра тяжести се-
чения стержня. При невозможности соблюдения этого условия
в расчете следует учитывать дополнительный эксцентриситет.
Следует рекомендовать симметричные схемы усиления стержней
в местах наличия местных дефектов (рис. 41).
Размер деталей усиления определяется:
поперечное сечение — из условий
hn^yinlo и Ain^ytnA0,	(57)
где yin — коэффициент условий работы усиленного стержня: yin = 1,2;
длина детали — исходя из необходимой длины сварных швов
для полного включения деталей усиления в работу и размера
(длины) местного дефекта.
а)	$	г)
i	1
Рис. 41. Схемы усиления стержней в местах наличия местных дефектов
а, б — стержней с погибами вертикальных полок; в, г — то же, горизонтальных
91

Сварные швы должны быть симметричными относительно
центра тяжести основного поперечного сечения стержня и на-
ходиться на минимальном расстоянии от оси центров тяжести
элементов. Сварка должна вызывать минимальный нагрев уси-
ливаемого элемента и начинать ее следует после предваритель-
ной «прихватки» по краям детали усиления. Толщина сварных
швов должна быть минимальной.
Путем усиления мест с дефектами можно не только восста-
новить, но и повысить несущую способность стержня, которая
определяется без учета влияния местных дефектов.
§ 12. Основные сведения по выполнению работ
при усилении металлоконструкций
Совершенно естественно, что выполнению работ по усиле-
нию конструкций должны предшествовать тщательное освиде-
тельствование как несущих конструкций (не только подлежащих
усилению, но и связанных с ними в совместной работе), так в
отдельных случаях и фундаментов.
Сам процесс усиления конструкций под нагрузкой осуществ-
ляется на основании поректа усиления, включающего организа-
цию производства работ и выполняемого компетентной специали-
зированной организацией, высококвалифицированными сварщи-
ками не ниже пятого разряда.
Усиление должно производиться при температуре окружаю-
щего воздуха не ниже —15°С (для конструкции, выполненных
из стали кипящих плавок, не ниже —5°С) и при отсутствии
всех видов временных нагрузок на усиливаемые конструкции.
Существует ряд разработанных ведомственных рекомендаций
по усилению металлических конструкций, обобщивших опыт раз-
личных исследовательских, проектных, производственных орга-
низаций [47, 48 и др.].
Конструкции, подлежащие усилению, как правило, выпол-
нены из углеродистой стали марки Ст. 3 всех степеней раскисле-
ния *. Материалом для усиления может служить сталь в соот-
ветствии с ТУ 14-1-3023—80. Сталь по ГОСТ 380—71 * может
быть использована только в случае невозможности получения
стали по указанному ТУ (СНиП 11-23—81, табл. 50).
Основные положения инструкций и рекомендаций сводятся
к следующему. Освидетельствование конструкций начинается с
подбора и тщательного изучения всей имеющейся документа-
ции— подробной биографии сооружения: времени возведения
конструкций (сооруженг,т), условий эксплуатации, возможных
* Степень раскисления стали обозначена индексами: кп — кипящая сталь,
пс — полуспокойная сталь, без индекса — спокойная сталь: Ст.Зкп Ст Зпс'
Ст.З.
92

Рис. 42. Мерительные ин-
струменты (ДИИТ им.
М. И. Калинина)
а — для измерения высоты
углового шва; б — для изме
рения высоты ц площадки
среза углового шва
причин возникновения дефектов, отступлений от проекта, норм
и технических условий, действующих нагрузок, состояния и дей-
ствительных размеров элементов, соединений, конструкций в це-
лом, качества и характеристик применяемых материалов.
Результаты освидетельствования отражаются в актах с при-
ложением дефектных ведомостей, в которых должны быть ука-
заны все обнаруженные дефекты с указанием места их распо-
ложения, величины дефектов и, если это возможно, способов их
устранения.
Сечения измеряют во всех элементах *, деталях и узлах кон-
струкций независимо от их количества и однотипности, так как
практически возможны отклонения размеров одинаковых сбо-
рочных марок в отдельных конструкциях.
Расчетную площадь сечения элемента принимают прибли-
женно:
4 — ^срт^фкт/^срт»
где ЛСрт, бсрт — номинальные площадь и толщина профиля по сортаменту;
бфкт — фактическая толщина профиля, меньшая из трех замеров.
Особое внимание следует обращать на тщательное обследо-
вание сварных швов с целью выявления следующих дефектов:
трещин в металле шва и зоне термического влияния (подрезов,
наплывов, незаваренных кратеров и перерывов шва), пористости
на наружной поверхности швов, несоответствия размеров шва
требованиям проекта.
Перед осмотром все сварные швы и прилегающие к ним уча-
стки на ширине 20 мм должны быть тщательно очищены от
краски, ржавчины и грязи до металлического блеска. Длина шва
устанавливается с помощью линейки с миллиметровыми деле-
ниями, а высота углового шва в плоскости среза — специаль-
ными калибрами или мерительными инструментами (рис. 42)'
{51].
По актам ОТК или другим документам следует установить,
не применялись ли электроды типа 3-36 с тонкой (типа меловой)'
ионизирующей обмазкой. При отсутствии документов следует
иметь в виду, что конструкции с применением тонкообмазапных
электродов могли изготовляться до 1948 г. Швы, выполненные
93

тонкообмазаннымп электродами, отличаются неровной крупно-
чешуйчатой поверхностью без следов шлака (48].
При визуальном осмотре конструкций следует выявить все
имеющиеся ослабления сечений: растянутых элементов и фасо-
нок— различного рода рванинами и выхватами, подрезами в
районе сварных швов, а также возможными вырезами и отвер-
стиями, не предусмотренными проектом; сжатых элементов и фа-
сонок— всевозможными местными дефектами — погнутостями,
вмятинами и т. п. Устанавливаются фактические величина и
место приложения постоянных и временных нагрузок.
Освидетельствование металлоконструкций должно произво-
диться в соответствии с Методическими указаниями по обследо-
ванию стальных конструкций (ЦНИИпроекстальконструкция,
вып. ОРИС-489 и ОРИС-496-1). На основании данных освиде-
тельствования выполняется поверочный расчет конструкций с
целью выявления их действительной несущей способности и уста-
новления скрытых резервов ее повышения. В отдельных случаях
при наличии обоснованных данных о дополнительных запасах
прочности, не учитываемых расчетом, вопрос о необходимости
усиления может решаться путем испытания конструкций [1].
Во всех случаях усиления сварных соединений под нагрузкой
температура самой стали в момент усиления не должна быть
ниже порога хладноломкости, который устанавливается стан-
дартными испытаниями на ударную вязкость.
Вследствие того что при сварке в зоне горения сварочной
дуги происходит временная потеря несущей способности свароч-
ными соединениями и соединяемыми элементами, при усилении
швов наплавкой новых слоев в решетчатых конструкциях необхо-
димо учитывать перераспределение усилий в ветвях элементов,
в связи с чем напряжения в усиливаемом элементе в момент
усиления не должны превышать 0,8/?^, где Ry — расчетное со-
противление стали, из которой сделан элемент.
Сварка элементов производится после тщательной проверки
правильности их сборки; сборка элементов усиления на при-
хватках электросваркой не допускается.
Запрещается производить сварку растянутых элементов кон-
струкций под нагрузкой швами, расположенными поперек эле-
мента или в поперечном направлении по отношению к действую-
щим усилиям в элементе. Наплавку новых слоев при усилении
сварных соединений рекомендуется применять при отсутствии
мест для наложения новых швов.
Усиление сварных соединений при выявлении их недостаточ-
ной несущей способности производится: при обнаружении в свар-
ных швах дефектов в виде цепочек или скоплений пор, незаве-
ренных кратеров, прерывов швов, трещин; при наличии подре-
зов основного металла и наличии зазоров между сваренными
элементами в тех случаях, если эти дефекты превышают допу-
стимые значения.
94

Участки швов с дефекта-
ми в виде скоплений пор и
трещин удаляются пневма-
тическим зубилом или спе-
циальным воздушно-дуго-
вым или кислородным реза-
ком с последующим завари-
ванием. Прерывы швов и
кратеры после зачистки до
металлического блеска зава-
риваются. Подрезы глуби-
ной не более 2 мм завари-
ваются без разделки кромок,
подрезы глубиной более
2 мм завариваются с пред-
варительной разделкой кро-
мок непровара. При усилении применяют электроды типов Э42,
Э42А, Э46Т диаметром не более 4 мм.
Большое значение для уменьшения сварочных напряжений
и связанных с ними деформаций имеет определенный порядок
наложения усиливающих швов. На рис. 43 показана последова-
тельность наложения сварных швов при усилении швов элемента
решетки, состоящего из двух парных уголков.
Начинать наплавку следует по перу уголка, используя всю
длину его примыкания к фасонке. Как правило, все сварочные
работы по усилению конструкций и соединений элементов в на-
пряженном состоянии ведутся в неудобном положении, контроль
качества затруднен, вследствие чего требуется, чтобы все ра-
боты по усилению выполнялись высококвалифицированными
сварщиками.
Выборочный контроль швов сварных соединений, как пра-
вило, делается в местах пересечения швов и местах, где имеют-
ся признаки дефектов. Проверку герметичности швов сварных
соединений керосином производят обильным опрыскиванием
стыковых швов и введением керосина под нахлестку.
При усилении элементов металлоконструкций, подверженных
растяжению, сжатию, изгибу, присоединением усиливающих эле-
ментов посредством сварки обеспечивается непосредственное
включение в работу нового усиливающего металла. С уве-
личением нагрузки на конструкцию старый и дополнительный
(новый) металл работают совместно в упругопластической
стадии.
При усилении элементов под нагрузкой категорически запре-
щается наложение швов поперек элемента, так как нагрев эле-
ментов от сварки снижает несущую способность усиливаемых
элементов. При усилении балок с целью уменьшения общих де-
формаций от совместного действия нагрузки и сварки усиление
рекомендуется начинать с растянутого пояса.
95

В процессе работ по усилению конструкций должен вестись
журнал, в котором приводятся все исполнительные данные и
указываются клейма сварщиков, выполнявших сварочные ра-
боты. По окончании работ по усилению составляются приемо-
сдаточные акты, к которым прилагается паспорт на усиленную
конструкцию, вручаемый заказчику.
Техническая эксплуатация металлических конструкций зда-
ний и сооружений включает в себя комплекс организационно-тех-
нических мероприятий по техническому надзору, содержанию и
всем видам ремонтов, проводимых с целью предупреждения из-
носа элементов конструкций, поддержания и восстановления их
проектных параметров.
Технический надзор включает в себя комплекс технических
мероприятий по систематическому осмотру и обследованию кон-
струкций с целью выявления дефектов и повреждений, оценки
технического состояния и степени износа конструкций, опреде-
ления необходимых объемов и видов ремонтных работ.
К числу терминов и определений, связанных с технической
эксплуатацией зданий и сооружений, относятся следующие [72]:
содержание конструкций (сооружений)—комплекс меро-
приятий, обеспечивающих поддержание проектных параметров
конструкций или отдельных элементов зданий и сооружений;
ремонты — комплекс технических мероприятий, направлен-
ных на поддержание или восстановление первоначальных проект-
ных параметров как зданий и сооружений в целом, так и их от-
дельных конструкций: капитальный ремонт — с целью восста-
новления проектных параметров конструкций путем усиления
или замены элементов более прочными, текущий ремонт —с
целью своевременного предохранения от преждевременного из-
носа путем проведения профилактических мероприятий по устра-
нению дефектов и повреждений;
дефекты и повреждения — отклонения качества, формы и раз-
меров элементов и конструкций от нормативных (проектных)
требований, возникающие: дефекты — при изготовлении, транс-
портировке и монтаже, повреждения — в процессе эксплуатации.
ГЛАВА IV
ИСКУССТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УСИЛИЙ [НАПРЯЖЕНИЙ! ПРИ УСИЛЕНИИ
КОНСТРУКЦИЙ В НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
§13. Общие сведения
Основным критерием оценки экономического эффекта от ре-
гулирования напряжений и усиления является всестороннее
сравнение различных вариантов усиления и регулирования: по
затратам металла на реконструкцию, трудоемкости и техноло-
гичности выполнения, сложности монтажа, стоимости рекон-
96

струкции, сравнению затрат, связанных с возможной остановкой
производственного процесса в реконструируемом сооружении,
и т. п.
Регулирование усилий (напряжений) может быть осуществ-
лено искусственной разгрузкой конструкций за счет уменьшения
или перераспределения действующей на них нагрузки; искус-
ственным созданием усилий, которые противодействовали бы
возникновению нежелательных усилий; увеличением жесткости
отдельных конструкций, их элементов или всего сооружения
в целом. Примеры регулирования напряжений и деформаций
в конструкциях приведены ниже.
1.	Рассмотрим регулирование в балочных конструкциях
(рис. 44). Это возможно путем изменения эпюры изгибающих
моментов простым перемещением нагрузки и созданием искус-
ственной заделки или закрепления промежуточного между за-
делкой и свободным опиранием концов балки. Таким приемом
можно в широких пределах регулировать напряжения и дефор-
мации при реконструкции сооружений. Например, если в одно-
пролетной балке с защемленными концами при действии на нее
равномерно распределенной нагрузки величиной ql прогиб f и
наибольшее напряжение о принять за 1, то в свободно опертой
балке при действии на нее той же нагрузки прогиб будет в 8 раз
больше, а напряжение — в 3 раза.
Простым перемещением нагрузки на свободно опертой балке
можно напряжение уменьшить в 2 раза, а деформации на 60 %.
Если же, например, деформацию нужно уменьшить в 2 раза, то
это будет равносильно тому, что в опорных сечениях следует
приложить момент Л4ОП = ql2/№>, что соответствует необходи-
мости создания искусственной частичной заделки опорных сече-
ний. Последнее может быть осуществлено устройством искус-
ственных консолей (рис. 45,а). Для пригрузки консолей могут
быть использованы подвеска стен с искусственным их натяже-
нием и другие приемы.
2.	Рассмотрим эффективный прием регулирования напряже-
ний в консольных балочно-рамных системах: оно достигается
особым порядком загрузки консолей (рис. 45,6), которая соз-
дает разгружающие ригель опорные моменты. После загрузки
консолей к их концам присоединяют тяжи, которым дается натя-
жение; система превращается в рамную, после чего загружают
пролет. В результате балка в пролете прогибается, а консоли,
стремясь подняться, только дополнительно растягивают уже
предварительно растянутые тяжи. Общая деформация конструк-
ций при таком порядке присоединения тяжей будет меньше, чем
при обычном загружеиии всей балки и отсутствии тяжей.
3.	Рассмотрим регулирование напряжений в неразрезных бал-
ках (или фермах, рис. 45,в). Это достигается подъемом или опу-
сканием опор, смещением их по горизонтали, поддомкрачива-
нием, подклинкой, устройством опор на разных уровнях [9]
97



Рис. 45. Приемы регулирования напряжений и деформаций
а — в балках; б — в балочно-рамных системах, в — в нсразрезиых балках; г — в шпрен»
гельных балках; /—искусственно создаваемая консоль; 2 — натяжное устройство; 3^
загрузка консолей; 4 — присоединение преднапряжениых тяжей; 5 — загрузка пролета:.
<> —искусственный подъем (опускание) опор; 7—шпренгель из одной ветви; 8 — шпрен-
гель из двух ветвей; 9—Л1п н«-10 — уравнивание опорных и пролетных моментов;
превращение однопролетной балки при помощи шпренгели в двухпролетную; 11 — эпюра
М в однопролетной балке; 12 — то же, в двухпролетиой
Регулирование напряжений в комплексных (объединенных) кон-
струкциях из стали и железобетона достигается особым поряд-
ком бетонирования плиты.
4.	Рассмотрим регулирование напряжений в балке постанов-
кой шпренгеля (рис. 45,г). В отдельных случаях соответствую-
щим натяжением цепи можно: исключить работу балки жестко-
сти на изгиб и заставить ее работать только на сжатие с по-
стоянной эпюрой о, если сделать эпюру изгибающих моментов
99

AfnK одинаковой, но разных знаков, с эпюрой от нагрузки МР,
уравнять опорные и пролетные моменты; однопролетную балку
превратить в двухпролетную неразрезную и в 4 раза уменьшить
наибольший изгибающий момент. При ограниченных габаритах
конструкции шпренгель может быть сделан из двух ветвей, рас-
положенных симметрично с обеих сторон балки в пределах ее
высоты, и т. д.
Во всех рассмотренных примерах, где имеются гибкие эле-
менты, вводимые в существующую конструкцию с целью регу-
лирования в ней напряжений, деформация гибких элементов
(тяжей) играет существенную роль в общей деформации всей
•системы.
Искусственным приемом можно заставить упругий элемент
при определенной нагрузке работать как абсолютно жесткий; на
дополнительную же или уменьшенную нагрузку он будет рабо-
тать как упругий. Эта идея, впервые нашедшая применение при
регулировании напряжений и усилении однопролетных рам,
впоследствии нашла применение и развитие и в других кон-
струкциях [27—30].
Проследим идею этого приема регулирования усилий на при-
мере усиления двухшарнирной однопролетной рамы с двускат-
ным ригелем при введении в нее с целью усиления конструкции
затяжки под ригелем (рис. 46).
Горизонтальное перемещение угловых точек неусиленной
рамы без затяжки под действием на нее нагрузки интенсив-
ностью q обозначим через 6. Затяжка, установленная под риге-
лем, уменьшит перемещение б, но в силу своей упругости не вер-
нет угловые точки рамы в исходное положение, которое было до
нагружения рамы (рис. 46,6).
Естественно, что горизонтальное перемещение узлов рамы
с затяжкой 61 будет меньше, чем 6. Если затяжке искусственно
дать такое принудительное натяжение, при котором угловые точ-
ки рамы заняли бы исходное положение, т. е. 6 = 0, то это будет
равносильно тому, что и Д/3ат=0, т. е. упругая в натуре за-
тяжка при заданной определенной нагрузке q будет работать
как абсолютно жесткая (рис. 46,в). Так как усилие в жесткой
затяжке 2жестк будет больше, чем Zynp, то распор 7/жестк будет
меньше, чем 7/упр, а следовательно, если уменьшить распор,
уменьшатся и изгибающие моменты в стойках и ригеле.
Расчет рамы следует производить дважды — как с упругой,
так и с жесткой затяжкой, чтобы определить, на какую вели-
чину нужно искусственно дополнительно натянуть затяжку (при
упругой затяжке). В приведенном случае при вычислении пере-
мещения в системе канонических уравнений «метода сил» 622
нужно обязательно учитывать перемещение от продольной силы
В ЗаТЯЖКе ((/ригМзат).
Затяжку для приведения ее к условиям работы как абсо-
лютно жесткой связи нужно будет искусственно натянуть на ве-
100

Рис. 46. Перемещение узловых точек рамы
о — неусиленной; б—усиленной упругой затяжкой; в — усиленной абсолютно жесткой
затяжкой
личину Д/упр, определяемую из выражения Д/упр = ZynP//£\43aT-
Для подбора сечення затяжки нужно рассчитать раму как с аб-
солютно жесткой связью. В этом случае 622 определяется уже
без учета деформации затяжки. Сечение затяжки Дзат подби-
рается по усилию 7жестк- Расчетные усилия в элементах рамы
при заданной нагрузке q будут соответствовать усилиям, как
будто рама усилена абсолютно жесткой затяжкой; прн этом уси-
лия в элементах рамы резко уменьшатся.
Описанный выше прием усиления был осуществлен в натуре
на сооружениях специального назначения, перекрытых рамами
101

[29]. Натяжение затяжки осуществлялось при помощи двух
муфт, а величина натяжения контролировалась тензометрами,
установленными на затяжке и непосредственно на раме. Этим’
приемом было осуществлено регулирование напряжений и на
ряде подвесных конструкций специального назначения.
Исследования, выполненные по вопросу применения затяжки
для целей регулирования напряжений, привели к следующим
выводам:
1. Постановка упругих затяжек без искусственного регули-
рования в них усилий (а следовательно, и во всей системе) не-
целесообразна.
2. Конструкции, в которых применяются гибкие растянутые
элементы: затяжки в арках и рамах, оттяжки в мачтах, под-
вески— целесообразно рассчитывать и приводить к условиям
работы как с «абсолютно жесткими» элементами на основную,
превалирующую нагрузку (на дополнительную же или, наобо-
рот, на уменьшенную данная конструкция будет работать как
с упругой связью). В отдельных случаях целесообразно иссле-
довать вопрос об еще большем натяжении гибкой связи («пере-
тянуть» ее через «нулевую» деформацию).
Чем выше степень статической неопределимости, тем боль-
шую она допускает «игру» в величинах ординат эпюры момен-
тов. Определение оптимальной величины искусственного натя-
жения, доведение перемещений до нуля или за пределы нуля
должно решаться в каждом отдельном случае путем сравнитель-
ных подсчетов.
§14	. Классификация регулирования напряжений (усилий)
Выполненный комплекс исследований дал возможность со-
ставить классификацию регулирования напряжений по тому же
принципу, что и классификацию усиления, которое является
частным случаем регулирования напряжений (рис. 47).
Придерживаясь того же принципа, который был положен в
основу и при составлении классификации аварий (табл. 3) и
усилений (рис. 10), а именно: чтобы классификация имела
наибольший практический интерес и могла бы быть непосред-
ственно использована в инженерной практике при выборе, обо-
сновании и назначении того или иного способа регулирования
напряжений,— представилось целесообразным регулирование
классифицировать по определенным признакам: по цели, кото-
рая достигается применением искусственного регулирования
напряжений (усилий); по тому, в какой период существования
конструкций (изготовление, монтаж, эксплуатация, реконструк-
ция, усиление, восстановление) может быть наиболее целесо-
образно применен тот или иной способ регулирования (при
этом введен особый вид регулирования — так называемое «пер-
спективное регулирование», т. е. проектирование конструкций
102

К)
Увеличение
жесткости все-
го сооружения
(или отдель-
ных конструк-
тивных элемен-
тов)
Специальные
мероприятия
Регулирование напряжений 8 конструкциях
(сооружениях)______________________________
Находящихся Предварительно ремонтированных
под нагрузкой разгруженных Восстанавливает
Видоизменение
эпюры напря-
жений (внут-
ренних усилий
по сечению)
видоизменение
эпюры изгиба-
ющих момен-
тов
Разгрузка
Изменение
эпюры про-
дольных (ре-
же - попереч
ных) сил
Особые мнет-
руктивные
требования
Обследование
конструкций
(сооружений),
их испытание,
определение не-
сущей способ-
ности
выявление не-
учтенных за-
пасов прочно-
сти i перерас-
чет более точ
ными метода-
ми расчета
I)
сти,диал-
оги,распо-
рок, шайб
Постановка
связей про-
странствен
нои жестко
Перемещение
Применение
комплексных
(обьебинен-
ных) конст-
рукций
Перемещение
опорбяераз
резных кон-
струкциях
нагрузки,из
немение уело
вий закреп-
ления опор
Постановка
предвари-
тельно на-
чрлжемных
тяжей.оття
жек,приме-
нениеособого
порядка за-
гружения
конструк-
ций
пряженной
проволоки,
предвари-
тельный из-
гиб, растя-
жение. скру-
чивание
Пригрузка
консолей
(консольно-
балочно-
рамные си-
стемы )
Введение
предвари-
тельно на-
пряженных
элементов
в конструк-
ции, введе-
ние шпрен-
геля
Уменьшение
нагрузки,
изменение
режима
эксплуата-
ции монет 
рукций
введение
дополни-
тельных
элементов
в конструк-
ции, подве-
дение новьп
конструкций
Необходи-
мость вне-
сти в суще
ствующую
конструк-
цию раз-
личные из-
менения
Уменьшений
вибраций,
повышение
усталост -
ной прочно
сти хладо-
стойкости
и др
Одп*л
□ли
□ла
□•лат
□•ли
ОлП»Л
ОЛИ
07 Д 2	□ J • 4 А 5	 6	▼ 7
Рис. 47. Классификация регулирования напряжений
а — состояние конструкции; б — цель, достигаемая применением искусственного
г — периоды преимущественного применения: / — при перспективном регулировании;
эксплуатации; 5 — лрн реконструкции; 6 — при усилении; 7 — при восстановлении
регулирования; в — основные способы регулирования;
2 —при изготовлении; 3 — при монтаже; 4 — при

с учетом возможности регулирования в них напряжений уже
в процессе эксплуатации); по видам конструкций.
Аналогично классификации усиления конструкций (рис. 10)
центральному пункту — непосредственному регулированию —
предпослана графа «Специальные мероприятия», которые имеют
большое значение.
Шесть способов достижения определенного эффекта от непо-
средственного регулирования совместно с двумя способами, от-
несенными к разряду специальных мероприятий, решают задачу
регулирования напряжений в конструкциях, находящихся под
нагрузкой, предварительно разгруженных и демонтированных.
Искусственным регулированием могут быть достигнуты сле-
дующие цели: разгрузка конструкций (в результате чего мо-
жет произойти изменение эпюр изгибающих моментов и про-
дольных сил); увеличение жесткости всего сооружения или его
отдельных конструктивных элементов; видоизменение эпюры на-
пряжений (внутренних усилий по сечению); видоизменение
эпюры изгибающих моментов; изменение эпюры продольных
(реже поперечных) сил; достижение особых конструктивных
требований (уменьшение вибраций, увеличение усталостной
прочности, увеличение хладостойкости конструкций, работающих
при низких естественных температурах, и др.).
Основные способы, которыми достигается регулирование на-
пряжений: постановка связей пространственной жесткости, диа-
фрагм, распорок, шайб; постановка предварительно напряжен-
ных тяжей, оттяжек, применение особого порядка загружеиия
конструкций; изготовление конструкций под нагрузкой, заваль-
цовка предварительно напряженной проволоки, предваритель-
ный изгиб, растяжение, скручивание; применение комплексных
(объединенных) конструкций; перемещение нагрузки на конст-
рукции, изменение условий закрепления опор; пригрузка кон-
солей в консольных балочно-рамных системах; перемещение
опор в неразрезных конструкциях; введение предварительно
напряженных элементов в конструкции, введение шпренгеля,
уменьшение нагрузки, изменение режима эксплуатации конст-
рукций; введение дополнительных элементов в конструкцию,
подведение между существующими новых конструкций; увели-
чение хладостойкости, уменьшение вибраций, повышение уста-
лостной прочности; ряд специальных способов, вызванных спе-
цифическими требованиями к конструкциям, появившимися во
время эксплуатации или реконструкции сооружений.
Из классификации видно, что предварительное напряжение
и постановка связей жесткости являются наиболее распростра-
ненными приемами регулирования напряжений (усилий).
Модернизация конструктивной формы промышленных зда-
ний и сооружении происходит по следующим направлениям:
разработка новых конструкций с использованием метода пред-
варительного напряжения, позволяющего искусственно регули-
104

ровать усилия в элементах конструкций; применение неразрез-
ных и пространственных конструкций; создание комбинирован-
ных конструкций с использованием высокопрочных тросов, вы-
сокопрочных болтов, ортотропных металлических настилов,
сборного железобетона и т. п.
Наиболее оптимальными с точки зрения возможностей пер-
спективного регулирования в них напряжений являются: соору-
жения, в которых каркас минимально зависит от изменения тех-
нологического процесса; элементы сооружения, в которых пре-
дусмотрена максимальная независимость основных несущих
конструкций от конструкций, поддерживающих ограждения зда-
ний; конструкции, в которых применены натяжные системы.
§15	. Регулирование напряжений (усилий]
Приемы регулирования в отдельных конструкциях
Балки.
1.	Перемещение нагрузки и изменение условий закрепления
концов балки.
2.	Превращение однопролетных статически определимых
балок; в статически неопределимые многопролетные балки; в
шпренгсльные конструкции; в балки-фермы путем подведения
решетки и нижнего пояса; в прутковые прогоны.
3.	Пригрузка консолей в консольных балках или искус-
ственно созданных консолей в простых балках.
4.	Применение натяжных систем балка — тяж.
5.	Введение предварительно напряженной затяжки нз тро-
сов в пределах высоты балки или за пределами высоты.
6.	Предварительный упругий выгиб с последующей сваркой.
7.	Завальцовка предварительно напряженной высокопроч-
ной проволоки.
8.	Изготовление под нагрузкой.
9.	Смещение (подъем и опускание) опор в неразрезных
балках по вертикали, реже — по горизонтали [9].
10.	Превращение в жестковантовые системы.
11.	Устройство из однопролетных балок многопролетных с
искусственными шарнирами (при реконструкции сооружений).
12.	Применение комплексных (объединенных) стальных ба-
лок, работающих совместно с железобетонной плитой.
13.	Шарнирное прикрепление второстепенных балок к глав-
ным с целью освобождения последних от возможного возник-
новения крутящего момента.
14.	Создание ригельно-подкосной системы.
15.	Устройство подпружной системы.
16.	Предварительное напряжение многопролетиых балочных
систем с помощью распорных или натяжных устройств и рас-
пространение напрягающего усилия через нижние пояса ба-
лок [51].
105

17.	Деконцентрация напряжений с целью увеличения хла-
достойкости элементов конструкций.
Фермы.
1.	Превращение ферм в шпренгельные конструкции.
2.	Превращение однопролетных ферм в статически неопре-
делимые многопролетные.
3.	Превращение ферм с криволинейной или ломаной осью
в трехшарнирные системы.
4.	Превращение ферм во внутренне статически неопредели-
мые фермы.
5.	Защемление ферм в колоннах.
6.	Перемещение нагрузки, передача ее через распредели-
тельные устройства на другие узлы фермы.
7.	Пригрузка консолей в консольных фермах или искус-
ственно созданных консолей в обычных фермах.
8.	Применение натяжных систем балка — тяж.
9.	Введение затяжки в фермы с приподнятым нижним по-
ясом.
10.	Завальцовка предварительно напряженной высокопроч-
ной проволоки при изготовлении ферм по типу балок «Грэт»
(это практически возможно в таких профилях, как уголковые,
трубчатые и др.).
11.	Предварительный упругий выгиб ферм в кондукторах при
их изготовлении.
12.	Превращение в жестковантовые системы.
13.	Предварительное скручивание сжатых стержней опреде-
ленных сечений перед их прикреплением в узлах (например,
одиночных уголков).
14.	Введение предварительно напряженной затяжки из
тросов в нижнем растянутом поясе, в отдельных стержнях ре-
шетки фермы или затяжки ломаного очертания в пределах
или за пределами высоты фермы.
15.	Шарнирное прикрепление балок к главным фермам (пре-
имущественно в мостовых конструкциях) с целью освобождения
от крутящего момента.
16.	Подвеска конструкций фахверка как средство разгруз-
ки верхних сжатых поясов ферм.
17.	Замена отдельных жестких элементов гибкими с соответ-
ствующим предварительным их натяжением.
18.	Регулирование усилий созданием искусственного рас-
пора.
19.	Включение фонарей в общую работу ферм (в промыш-
ленных цехах — с целью разгрузки ригеля).
20.	Надстройка над фермами тросовой вантовой или вися-
чей системы.
21.	Деконцентрация напряжений с целью увеличения хладо-
стойкости элементов конструкций.
106

Рамы и арки.
1.	Введение шпренгеля под ригелем или в пределах высоты
ригеля рамы.
2.	Введение подкосов между ригелем и стойками.
3.	Изменение способов опирания концов стоек в рамах нли
опор в арках.
4.	Введение затяжки: на уровне опорных шарниров в ра-
мах и арках и в рамах под ригелем; в пределах высоты риге-
ля рам или за пределами высоты ригеля.
5.	Смещение опор рам с осей стоек внутрь пролета рамы.
6.	Изменение способа присоединения отдельных конструкций
в многопролетных, главным образом, цеховых рамных конструк-
циях (например, частичная или полная заделка опорных сечений
стоек или крепление ригелей).
7.	Устройство контрфорсов в плоскости стоек рам или под
углом к ним.
8.	Перемещение нагрузки, передача ее в решетчатых кон-
струкциях через распределительные устройства на другие, менее
напряженные узлы.
9.	Пригрузка консолей в рамах с консолями.
10.	Применение натяжных систем.
11.	Завальцовка (при изготовлении конструкции) предвари-
тельно натянутой высокопрочной проволоки в решетчатых кон-
струкциях.
12.	Введение фонаря в общую работу поперечной конструк-
ции (промышленного цеха) как средство разгрузки ригеля.
13.	Предварительное скручивание отдельных сжатых стерж-
ней определенных сечений перед их прикреплением в узлах.
14.	Превращение арок в фермы криволинейного очертания.
15.	Превращение двухшарнирных рам (арок) в трехшар-
нирные.
16.	Изменение соотношений жесткостей ригеля и стоек.
17.	Подвеска конструкций фахверка как средство разгрузки
ригеля.
18.	Замена отдельных жестких элементов гибкими с соот-
ветствующи'м их предварительным натяжением.
19.	Приложение искусственно созданного распора.
20.	Перемещение опор в арках.
21.	Введение дополнительного гибкого пояса в арках.
22.	Устройство подвесок в рамах с двускатным ригелем при
наличии нагрузки от подвесного потолка.
23.	Деконцентрация напряжений с целью увеличения хладо-
стойкости элементов конструкций.
Стойки и колонны.
1.	Изменение способа закрепления концов стоек (колонн)’
введением шарнира, устройством заделки.
2.	Введение по высоте стойки промежуточных опор с целью
уменьшить ее гибкость.
107

3.	Устройство раздельного типа подкрановых колонн с от-
дельной подкрановой ветвью.
4.	Устройство контрфорсов.
5.	Предварительное скручивание стержней определенных
сечений до их закрепления.
6.	Изменение соотношений жесткостей ступенчатых колонн
в общей поперечной схеме сооружений.
7.	Замена отдельных жестких элементов гибкими с соответ-
ствующим предварительным натяжением.
8.	Постановка оттяжек, превращение стоек в жесткованто-
вые системы.
9.	Введение предварительно напряженной крестовой ре-
шетки.
10.	Постановка предварительно напряженных шпренгелей.
11.	Постановка предварительно напряженных телескопиче-
ских труб (внутренней сжатой и наружной растянутой), уста-
новленных рядом или вокруг усиливаемых колонн.
12.	Деконцентрация напряжений с целью увеличения хладо-
стойкости элементов конструкций.
Приемы регулирования в каркасах зданий
и других сооружениях
Промышленные здания. Регулирование усилий достигается
учетом пространственной работы существующего каркаса; уста-
новкой дополнительных связей, диафрагм, распорок, обеспечи-
вающих более полную пространственную работу каркаса.
Мачты. Эффективными средствами регулирования усилий
могут оказаться: постановка шпренгелей (предложение
А А. Воеводина); при большой высоте мачт — введение допол-
нительных предварительно натянутых оттяжек, повышающих
жесткость всей конструкции; постановка контрфорсов и подко-
сов в башнях, трубах и тому подобных сооружениях.
Купольные и пространственные системы, вантовые и другие
сооружения. В указанных сооружениях и конструкциях, кроме
таких общеизвестных приемов, как перемещение нагрузки, пре-
вращение в жестковантовые системы, постановка дополнитель-
ных или перестановка существующих связей пространственной
жесткости, регулирование точек приложения и направления
опорных реакций с целью уменьшения расчетных усилий в из-
гибаемых элементах, может быть применен и ряд других при-
емов.
Известны примеры регулирования усилий в купольных и
других пространственных системах расчленением их на плоские
(при реконструкции сооружений), а также подведением арок в
купольных покрытиях, постановкой шпренгелей в балках жест-
кости, устройством температурных швов и т. п.
108

Рис, 48. Схема несущих конструкций павильона СССР на Всемирной выстав-
ке 1958 г. в Брюсселе
а — поперечны/) разрез по основным несущим конструкциям; б — деталь устройства для
предварительного натяжения; 1 — импост и стеклянная стена, подвешенные к узлу фермы;
2 — стойка рамы антресольного этажа; 3 —зазор между конструкцией стены н верхом
бетона; 4 — натяжной болт; 5 — подвижное крепление импоста к колонне; 6' — верх желе-
зобетонного фундамента
В листовых конструкциях (резервуары, бункера, газгольде-
ры, трубопроводы, агрегаты различных отраслей промышлен-
ности) предварительное напряжение создается непрерывной на-
вивкой на оболочку высокопрочной проволоки или ленты.
Большие возможности регулирования усилий открывает объ-
единение несущих и ограждающих конструкций для совместной
их работы, а также натяжение всей системы.
Классическим примером натяжения всей системы с искус-
ственным регулированием в ней усилий может служить проект
и его осуществление — павильон СССР на Всемирной выставке
в 1958 г. в Брюсселе [36] (рис. 48).
В павильоне СССР удачно найденный прием подвеса кон-
струкций всего покрытия и стен к основным колонна’м, дающий
возможность избежать установки колонн по периметру здания,
весьма прогрессивен и получил дальнейшее развитие. В конст-
рукции павильона СССР удачно совмещены функции несущих
и ограждающих конструкций при создании конструктивных
форм.
Оригинальный прием предварительного напряжения много-
пролетных балочных систем с помощью распорных или натяж-
ных устройств и распространения напрягающего усилия через
нижние пояса разрезных балок, объединенных на опорах вкла-
дышами, предложен и осуществлен М. М. Сахновским и
Ю. Б. Динельто’м [51].
Сущность приема заключается в следующем: в балочной
системе, состоящей из ряда разрезных балок, производят объ-
единение на опорах торцов ннжних поясов смежных балок
приторцованными прокладками или сдвигоустойчивыми болта-
ми, прикрепляющими пояса к общей опорной плите.
109

Рис. 49. Преде а ригельное напряжение
балочной системы
а — натяжным устройством в крайней па-
нели; б — натяжным устройством с общей
гибкой затяжкой; в — распорным устрой-
ством в температурном шве; г — распор-
ное устройство; / — балка; 2 — нейтральная
ось; 3 — вкладыш между торцами нижимх
поясов; 4 — натяжное устройство; 5 —
связь; 6 — общая затяжка; 7 — распорное
устройство (см. схему г); в —секторы с
гнездами; 9 — скошенные упоры; 10 — ось;
// — трос: —натяжной груз; /VH —напря-
гающее усилие
В крайних пролетах эстакады с одного ее торца устанав-
ливают натяжное устройство (рис. 49), а с противоположно-
го— диагональную связь, передающую распор на фундамент
(схема а).
Распорное усилие передается вдоль нижних поясов всех
балок эстакады через прокладку или сдвигоустойчивые болты,
образуя постоянной величины изгибающий момент, обратный
по знаку изгибающему моменту от внешних, например крано-
вых, нагрузок, что и создает соответствующее повышение гру-
зоподъемности балок.
Та же цель может быть достигнута натяжным устройством
с общей гибкой затяжкой (схема б) или же распорным уст-
ройством, установленным в температурном шве (схема в).
Описанный выше прием обладает следующими положитель-
ными качествами: высокая технологичность, определяемая ма-
110

лой трудоемкостью и стоимостью; краткие сроки выполнения
работ по усилению и реконструкции; надежность эксплуатации;
доступность контроля и, при необходимости, регулирование ве-
личины предварительного напряжения в балочных системах
путем изменения массы груза; постоянство величины напряга-
ющего усилия, не зависящего от податливости анкерных уст-
ройств, релаксации напряжений, ползучести затяжки, измене-
ния температуры, и т. п.
Способ предварительного напряжения балочных систем це-
лесообразно применять при усилении балочных систем (сплош-
ностенчатых и решетчатых) и во вновь возводимых или рекон-
струируемых промышленных зданиях и сооружениях.
С конца 1960-х годов разрабатываются и исследуются тон-
колистовые металлические конструкции зданий и сооружения
аэропортов (ангары, струеотклоняющие щиты и др.) — мем-
бранные систе'мы [64].
Регулирование усилий в мембранных системах достигается
следующими приемами:
изменением соотношений жесткости мембраны и контурной
рамы, что изменяет характер и величину усилий, передаваемых
на контурную раму;
предварительным натяжением мембраны (до закрепления к
контурной раме), что уменьшает деформативность системы в
результате увеличения в ней усилий;
заданием мембране начального прогиба, что уменьшает
усилия в системе.
Особые конструктивные требования
К особым конструктивным требованиям относятся такие,
как регулирование напряжений с целью уменьшения вибраций
конструкций в целом и их отдельных элементов, улучшение
работы на знакопеременные напряжения (при увеличенной ус-
талостной прочности) и ряд других.
Оригинальный прием «силового увода» — искусственного
перераспределения усилий в стержнях фермы — был осущест-
влен без остановки предприятия на Усть-Ижорском фанерпо'м
заводе в Ленинграде в 1957 г. В связи с монтажом уникаль-
ного оборудования в одной из ферм утепленного покрытия
пролетом 24 м нужно было удалить два участка нижнего по-
яса, так как в этом месте должны были пройти наклонные
трубопроводы большого диаметра. Так как изменить положе-
ние и конфигурацию трубопровода было нельзя, то удалили
мешающие стержни.
К узлам нижнего пояса фермы (рис. 50) взамен каждого
из 9-метровых участков был прикреплен шпренгель, располо-
женный в пределах трех панелей. Ферма работала под полной
и довольно значительной нагрузкой. Для того чтобы плавно
Ш

Рис. 50. Реконструкция фер-
мы в напряженном состоя-
нии
а — ферма во время работ по
реконструкции; б — ферма после
реконструкции; I — тяжи; 2 —
наклонный трубопровод
включить шпренгель в работу и не допустить просадки фермы,
работы выполнялись в следующем порядке. Вертикальные и
наклонные стержни шпренгеля, образующие два треугольника,
приваривались к ферме и друг к другу, после чего нижние
узлы шпренгеля раскреплялись дополнительными стержнями из
плоскости фермы. Вместо горизонтального участка шпренгеля
устанавливались четыре круглых тяжа с устройством для на-
тяжения. На подлежащем удалению стержне нижнего пояса и
на всех тяжах горизонтального участка шпренгеля были уста-
новлены тензометры для контролирования усилий в тяжах и
стержне пояса фермы при натяжении. В узлах удаляемого
стержня фермы прогибы определялись прогибомерами.
Когда в результате натяжения тяжей усилие в удаляемом
стержне нижнего пояса дошло до нуля, был приварен замы-
кающий стержень шпренгеля, помещенный между тяжами, а
стержень нижнего пояса (на рис. 50 зачеркнутый) выпилен.
Удаление стержня произошло без рывка и сотрясения фермы.
Аналогично была реконструирована и другая половина фермы.
Тяжи до заданного усилия натягивались гайками, в результате
узлы сближались и усилие в нижнем поясе фермы уменьша-
лось до нуля. Последующим постепенным освобождением тя-
жей после выпиливания стержня фермы добивались нагруже-
ния приваренного горизонтального элемента шпренгеля. Идея
и решение задачи реконструкции фермы, приведенные выше,
принадлежат проф. Н. Н. Аистову [1].
Вопросы уменьшения вибраций, повышения усталостной
прочности относятся к регулированию напряжений в конструк-
циях не только металлических, но и тех, на которые они опи-
раются. В отдельных случаях возникает необходимость снизить
или погасить вибрации металлических конструкций.
Для уменьшения амплитуды вынужденных колебаний часто
прибегают к усилению конструкций, в результате повышается
не только несущая способность, но и жесткость конструкций.
Обычным приемом регулирования является постановка дополни-
тельных или перестановка существующих связей пространствен-
ной жесткости. Если вибрации незначительны, это не вызывает
опасений за прочность конструкций, но вредно действует на
людей и нарушает нормальный производственный процесс.
В ряде случаев удается уменьшить амплитуду колебаний из-
менением упругих и демпфирующих свойств конструкции.
112

Увеличение жесткости конструкций путём сокращения про-
лета и увеличения размеров поперечного сечения в существую-
щих конструкциях не всегда возможно и целесообразно, так
же как и увеличение размеров фундаментов. Вибрации, созда-
ваемые при работе машин, обычно погашают путем устройства
различных эластичных прокладок и частичной изоляции пере-
крытия от источников возбуждения колебаний (машины), а
также путем устройства сплошной железобетонной подушки,
укладываемой на подстилающий слой из резины толщиной 5—
8 мм и просмоленных досок толщиной 25—30 мм. Станины
машины иногда удается закрепить анкерами к подушке и от-
делить от перекрытия.
Известны приемы искусственного регулирования усталост-
ной прочности сварных конструкций путем создания собствен-
ных предварительных напряжений нужного знака и другие
приемы.
ГЛАВА V
ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ В УСЛОВИЯХ
ДЕЙСТВУЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
§	16. Общие сведения
Одной из основных причин снижения долговечности метал-
лических конструкций является разрушение металлов от кор-
розии.
Ежегодные потери металла из-за неудовлетворительной за-
щиты металлических конструкций и незначительного примене-
ния ат'мосфероустойчивой стали составляют не менее 3 % все-
го объема применяемых конструкций [35].
Случаи аварийного разрушения строительных металличе-
ских конструкций в результате интенсивного коррозионного из-
носа за последние годы участились.
Ежегодные потери от коррозии строительных металлоконст-
рукций с учетом необходимости остановок производства оце-
ниваются в настоящее время в сумме 1,5—2 млрд. руб. [63].
Приближенные расчеты показывают, что около 10—12 %
добываемого ‘металла безвозвратно теряется на коррозионное
распыление, т. е. каждая восьмая домна «работает на кор-
розию».
В настоящее время в эксплуатации находится 80—100 млн. т
металлических конструкций, из них 75 % нуждается в защите.
Каждые 5 лет перекрашивается 2 млрд, м2 поверхности. Че-
рез 8—10 лет стоимость ремонтов начинает превышать капи-
тальные вложения. Затраты на восстановительный ремонт кон-
струкций достигают 20 % их начальной стоимости. Стоимость
ИЗ

текущих ремонтов в зависимости от степени агрессивности сре-
ды и других факторов во много раз превышает первоначаль-
ную стоимость объектов [19, 10].
§17	. Коррозионный износ стальных конструкций
и пути повышения антикоррозионной стойкости
Повреждения металлических конструкций могут быть вы-
званы силовыми, механическими, физическими и химическими
воздействиями. Коррозионные повреждения относятся к группе
повреждений от химической коррозии, вызванной непосредст-
венным воздействием на металл агрессивных жидкостей или
газов, от электрохимической коррозии — воздействием влаги на
поверхностный слой металла. Для строительных стальных кон-
струкций характерны атмосферная коррозия (которая также
является электрохимической) и комбинированная — при нали-
чии в среде агрессивных примесей.
Воздействия коррозии на конструкции могут быть двух ви-
дов: общее поражение коррозией, когда конструкции в агрес-
сивной газовлажной среде поражаются на значительной длине
сооружения, и местное поражение коррозией, когда под воздей-
ствием местных агрессивных факторов поражаются отдельные
узлы или части конструкций.
Коррозия в зависимости от степени агрессивности среды
протекает в большом диапазоне скоростей —от 0,05 до 1,6 мм
в год. Скорость коррозии зависит от условий среды и степени
влажности воздуха. При увеличении относительной влажности
среды и повышении температуры процесс коррозии ускоряется.
При нагреве стальных конструкций до 200—250 °C разру-
шается лакокрасочное защитное покрытие, при 300—400 °C
происходит коробление элементов, а при отрицательной темпе-
ратуре — от 30 до 40 °C коррозия стали прекращается.
Меры повышения антикоррозионной стойкости могут и дол-
жны осуществляться на протяжении всего периода существо-
вания металлоконструкций, включая сюда и стадию их проек-
тирования, и учет аэродинамических характеристик ветрового
потока в зависимости от рельефа местности, и вопросы улав-
ливания вредностей у источников их образования (пылеулав-
ливание), и выбор материала и т. д. Известно, что коррозионная
стойкость стали резко возрастает от введения в сплав незна-
чительных количеств легирующих добавок.
Применяемый при проектировании принцип концентрации
материала оказывает положительное влияние на уменьшение
коррозионных процессов в элементах конструкций. Принцип
концентрации основан на том, чтобы при прочих равных усло-
виях придавать сечениям элементов меньшую поверхность и
тем самым уменьшить площадь коррозионных поражений. Бо-
лее подвержены коррозии тонкие элементы, а также решетча-
114

Рис. 51. Сравнительная диаграмма
скорости коррозии различных профи-
лей (Ко — относительный коэффи-
циент скорости коррозии)
тые конструкции (не сплош-
ные). Конструктивная форма
сечений также играет сущест-
венную роль при поражении
коррозией. Сечения с меньшей
поверхностью при прочих рав-
ных условиях являются более
коррозионно-стойкими. В усло-
виях эксплуатации степень по-
ражения коррозией на различ-
ных участках поверхности эле-
мента различна.
В Новосибирском инженерно-строительном институте
им. В. В. Куйбышева (НИСИ) по результатам натурных об-
следований ферм покрытий цехов предприятий цветной метал-
лургии установлено [24], что наибольшему коррозионному из-
носу, как правило, подвержены верхние и нижние пояса, сече-
ние которых состоит, как известно, из двух уголков, составлен-
ных втавр.
При переходе от традиционных решений на одиночные
уголки, трубы, тавры, коробки-уголки, сваренные по перу в ко-
робчатые сечения, их долговечность соответственно повышается
в 1,6—1,8; 1,27-1,5; 1,17—1,27; 1,5—2,0 раз.
Масса наиболее долговечных конструкций примерно на 10—
12 % меньше, чем традиционных форм.
Показателем влияния конструктивной формы сечения на
коррозионную стойкость является относительный коэффициент
скорости коррозии Ко, определенный для наиболее распростра-
ненных форм сечения проф. И. И. Кошиным [25] и Н. М. Во-
роновым [11] и приведенный на рис. 51. Коэффициент Ко для
круглого сечения принят за эталон: Ко = 1. Наибольшего зна-
чения (Ко = 1,9) достигает у сечения, состоящего из двух спа-
ренных уголков, расположенных тавром. Круглое сечение яв-
ляется самым устойчивым против коррозии.
Уменьшение коррозионной стойкости происходит в следую-
щей последовательности: квадратная сталь, коробчатое замк-
нутое сечение и одиночный уголок. Указанные профили целе-
сообразно применять в агрессивных средах [19]. Скорости
коррозии 0,05—0,07 мм в год не опасны, так как толщина эле-
ментов конструкций к концу срока их службы (40 лет) умень-
шается незначительно (на 2—2,5 мм). Для большей части кон-
струкций, имеющих толщины сечений 10—12 мм, ослабление
сечений составит 20—25 %.
115

Скорости коррозии от 0,1 мм в год и более опасны для
конструкций, так как они уменьшают толщины и площади сече-
ний на 40— 100 % и выводят сооружения из строя.
Ржавчина — продукт коррозии — имеет значительно боль-
ший объем, чем металл, из которого она образовалась. В раз-
личного рода щелях и других узких местах образовываются
местные коррозии в виде раковин, которые могут представлять
опасность для несущей способности элемента конструкции
(местная коррозия). Объем продуктов коррозии резко увели-
чивается при увлажнении, что может привести к одно'му из
видов коррозионного разрушения — расслоению. Распирающее
действие продуктов коррозии может вызвать отрыв связующих
заклепок или сварных швов. Проблема повышения долговечно-
сти металлических конструкций, эксплуатируемых в агрессив-
ных средах, требует комплексного решения.
Ценные данные о состоянии конструкций по нескольким
сотням предприятий были получены от министерств, Гос-
строя СССР и союзных республик, крупнейших заводов и
институтов, комитетов НТО по коррозии и защите металлов
(1981 г.).
В результате анализа полученных материалов установлено
[71], что разрушениям подвергаются конструкции, эксплуати-
руемые в средах со среднеагрессивной и сильноагрессивной
степенями воздействия. Причины разрушений, по мнению руко-
водителей предприятий, делятся на три группы:
низкое качество проектирования, изготовления, строитель-
ства и монтажа, отсутствие необходимых материалов и обору-
дования для защиты конструкций на заводах-изготовителях и в
монтажных организациях;
недейственность существующих форм контроля за качеством
и состоянием конструкций в процессе их изготовления, строи-
тельства, монтажа и эксплуатации;
отсутствие специализированных подрядных организаций, ма-
териалов и оборудования для квалифицированного производ-
ства ремонтных работ.
В большинстве организаций, эксплуатирующих металлокон-
струкции, отсутствуют службы надзора и технического контро-
ля, а также единая система контроля за состоянием конст-
рукций.
Стадия проектирования является определяющей. На этой
стадии, помимо правильного выбора материала, можно рацио-
нальными конструктивными решениями значительно уменьшить
коррозионный износ. Известно, что в ряде агрессивных сред
более долговечными являются конструкции из алюминиевых
сплавов, которые можно применять без защитных покрытий
При выборе конструктивных решений не допускаются различ-
ного рода пазухи, карманы, зазоры, недоступные и труднодо-
ступные для окраски поверхности.
116

При проектировании конструкций, работающих в агрессив-
ных средах, следует учитывать комплексный показатель корро-
зионной стойкости элемента [10]
Пкор = <ГСг. з/Гфакт) )б/^э),
где Пкор 0,6 для среднеагрессивной среды и ПкО₽ 0,8 — для агрессивной;
Уст. з — скорость коррозии малоуглеродистой стали в данной среде; Уф1кт —
то же, проектируемой стали с учетом качества эксплуатации; 6 — толщина
сечения элемента см; Киз—коэффициент износа, зависящий от формы попе-
речного сечения элемента и его положения в пространстве.
Полученные результаты дают возможность прогнозировать
изменение несущей способности и надежности конструкций в
агрессивных средах, а следовательно, и обеспечивать требуе-
мую надежность и долговечность конструкций.
§18	. Защита от коррозии
в условиях действующих предприятий
Наиболее эффективным средством защиты от коррозии в
условиях действующих предприятий, естественно, является
улавливание различных выбросов (газы и пыль) у источников
их образования *. Такие мероприятия, как устройство хорошо
работающей вытяжной вентиляции, устройство вытяжных фо-
нарей, расположенных над местами непосредственного выделе-
ния газа, в зданиях с фонарями, устройство металлических
жалюзи в значительной мере способствуют уменьшению агрес-
сивности внутрицеховой среды. Немаловажное значение имеет
удаление несущих металлоконструкций от источников агрессии,
чтобы не подвергать их концентрированному воздействию газов.
Наиболее подвержены коррозии конструкционные малоугле-
родистые стали группы Ст. 3. Низколегированные стали, осо-
бенно содержащие добавки меди, более коррозионно-стойки:
10Г2С1Д, 09Г2СД, 10ХСНД, 15ХСНД и др.
В зависимости от скорости коррозии незащищенных сталь-
ных деталей различают три группы агрессивных сред:
В год
I (слабая)
II (средняя)
III (сильная)
до 0,1 мм
от 0.1 до 0,5 мм
более 0.5 мм
Основным способом защиты металлоконструкций от корро-
зии в условиях действующих предприятий в настоящее время
является применение защитных покрытий, соответствующих
эксплуатационной агрессивной среде.
На поверхность элементов конструкций наносят атмосферо-
химически стойкие лакокрасочные покрытия, тонкие пленки.
* На некоторых металлургических заводах доменные печи с частичным
улавливанием пыли выбрасывают ее в большом количестве в атмосферу.
117

более стойкие металлы и пластмассы. На долю лакокрасочных
покрытий приходится около 65 % всех защитных покрытий.
Лакокрасочные покрытия делятся на восемь групп: 1 — ат-
мосферостойкие, 2 — стойкие внутри помещения, 5 — специаль-
ные, 7 — стойкие к различным средам, 8 — термостойкие, 9 —
электроизоляционные, 0 — грунтовки, 00 — шпатлевки.
Лакокрасочные покрытия наносятся на металлоконструкции
перед их сдачей в эксплуатацию и периодически обновляются
при текущих и капитальных ремонтах.
Покрытие, как правило, состоит из грунтовки, шпатлевки и
покрывных слоев.
Проверку — освидетельствование лакокрасочных покры-
тий — в соответствии с Инструкцией [49] рекомендуется делать:
не реже одного раза в год — в среде I (слабой агрессивности),
двух раз в год — в среде II (средней агрессивности) и четы-
рех раз в год — в среде III (сильной агрессивности); перио-
дичность капитальных ремонтов: в среде I — через 8 лет,
в среде II — через 5 лет и в среде III—через 3 года. Боль-
шое значение имеет качество подготовленной под окраску по-
верхности.
Существуют механический, химический и термический спо-
собы удаления старой краски.
При механическом способе краску удаляют скребками и
щетками, если лакокрасочное покрытие плохо держится на
подлежащей окраске поверхности элементов металлоконструк-
ций, и различными смывками, если покрытие хорошо держит-
ся. Смывки наносят краскораспылителем, кистью или тампо-
ном. В состав специальных смывок входят активные раствори-
тели, загустители, замедлители испарения, разрыхлители-эмуль-
гаторы, ингибиторы (вещества, замедляющие или прекращаю-
щие протекание химических реакций) коррозии.
К механическим способам очистки относятся также песко-
струйная и гидропескоструйная обработки. Последняя осущест-
вляется путем подачи на очищаемую поверхность смеси квар-
цевого песка с водой и сжатьем воздухом под давлением 0,5—
0,7 МПа, пыль после обработки удаляется при помощи пыле-
сосов. Обдувка сжатым воздухом не разрешается.
При химической очистке от ржавчины применяют специаль-
ные ингибированные пасты (табл. 8), которые наносят на очи-
щаемые ржавые поверхности после их очистки от грязи, жира
и старой краски. Обработанные пастой поверхности промывают
водой под напором.
В последние годы находит применение способ подготовки
поверхности металлических конструкций при восстановлении
лакокрасочных покрытий в условиях действующих предприятий
без удаления продуктов коррозии, т. е. по неочищенной по-
верхности. Окраску металла производят по слою ржавчины с
предварительным нанесением модификаторов ржавчины.
118

Таблица 8. Ингибированные пасты и их состав
Компоненты	Номер состава		
	1	2	3
Соляная кислота (36 %-ная), л	0,5	0,5	0,5
Бумажная масса (непроклеенная), г	30	10	10
Формалин (10 о/о-ный), мл	10	10	10
Вода, л	0,5	0,5	0,5
Жидкое стекло (модуль 3,11, удельная масса	50	50	50
1,5), мл Окисленная целлюлоза, г	___	20	
Карбоокснметилцеллюлоза, г	—	—	20
§19. Влияние высокотемпературных воздействий
на надежность металлических конструкций
Периодические высокотемпературные воздействия в цехах
металлургических предприятий (горячие цеха) могут привести
к появлению недопустимых напряжений и деформаций в эле-
ментах каркаса сооружения: в целом — к искривлениям стерж-
невых элементов, а в отдельных случаях — к разрушениям
термоциклового характера.
К таким сооружениям относятся цеха металлургических
предприятий, в которых производится выплавка, «перевалка»
и охлаждение значительного количества металла, и ряд дру-
гих.
Высокому местному нагреву (до 400—600 °C) подвергаются
колонны, балки и настилы рабочих площадок сталеплавильных
и доменных цехов вблизи расположения сталеплавильных и
шлаковых ковшей, постоянному нагреву (до 100—150°C) —
подкрановые конструкции, расположенные над сталеплавиль-
ными печами. Источниками, вызывающими нагрев металлокон-
струкций, являются также штабеля горячих блумов и слябов
на складах заготовок, прокатываемый и складируемый металл
после прокатки и др. Общему постоянному нагреву подверга-
ются несущие и ограждающие конструкции покрытий и стен.
Мерами, увеличивающими долговечность, продление срока
службы металлоконструкций указанных типов, являются разра-
ботка мероприятий по снижению тепловыделений благодаря
улучшению аэрации, экранированию, термокомпенсации, регу-
лированию технологического режима, а также постоянный
контроль за нагрево’м металлоконструкций, осуществляемый
специальными сигнальными системами, применение конструк-
тивных решений, исключающих стесненные температурные де-
формации, и др. По данным [19], экраны из листовой стали,
подвешиваемые к балкам для защиты их от температурных
воздействий, снижают нагрев их до 50—80 °C.
119

Экспериментальное определение расчетной температуры
стальных несущих конструкций горячих цехов черной метал-
лургии с последующей обработкой на ЭВМ [2] дало возмож-
ность установить, что расчетная температура растет медлен-
нее, чем срок службы конструкций. Так как расчетные темпе-
ратуры для срока службы конструкции Т = 10 лет отличаются
от температур, определенных для Т = 100 лет, не более чем на
5 %, то для приближенных вычислений расчетная температура
берется как для срока службы Т = 10 лет.
Методика получения данных, приведенных в исследовании,
может быть распространена на изучение температурных воз-
действий промышленных зданий других отраслей промышлен-
ности, цехов с повышенными тепловыделениями. Приведем
примеры реконструкции промышленных зданий.
1.	На долговечность реконструируемых зданий цветной ме-
таллургии влияет воздействие сульфатов металлов на грунты
промплощадки. В цехах технологический процесс сопровожда-
ется использованием значительных объемов растворов, повы-
шением уровня грунтовых вод, изменением степени их агрес-
сивности.
Обследованиями установлено, что в гидрометаллургических
цехах цветной металлургии в грунтах основания при эксплуа-
тации зданий содержание сульфатов повышается до 37 г/л
при одновременном значительном увеличении количества суль-
фатов в грунтах близлежащей территории. Возникает необхо-
димость при реконструкции производить -дополнительные изы-
скания грунтовых условий на территории реконструируемого
сооружения.
На Пышминском медеэлектролитном заводе при замачивании
грунтов сульфитами меди произошло пучение глинистого осно-
вания, которое привело к поднятию основных колонн меде-
электролитного цеха на высоту до 40 см от проектной отмет-
ки [62].
2.	Металлические конструкции калийных предприятий (кар-
касы обогатительных фабрик и других сооружений по перера-
ботке калийных руд, транспортерные галереи, перегрузочные
узлы и опоры трубопроводов межцехового транспорта, над-
шахтные копры) работают в агрессивных средах со средней
скоростью коррозии 0,05—0,3 мм/год. Исследованиями КИСИ
установлено [16], что коррозионная стойкость сталей различ-
ных марок практически одинакова при несколько отличном ха-
рактере коррозии. Для сравнения коррозионной стойкости под-
вергались длительным испытаниям образцы 16 марок строи-
тельных 'малоуглеродистых и низколегированных сталей повы-
шенной и высокой прочности в наиболее неблагоприятных сре-
дах обогатительных фабрик.
Сравнение механических характеристик рабочих и эталон-
ных образцов показало, что коррозия не оказывает заметного
120

влияния на показатели прочности и пластичности. Основным
направлением повышения долговечности металлоконструкций
при одновременном итоговом снижении металлоемкости явля-
ется совершенствование объемно-планировочных решений, и в
этом направлении можно привести ряд практических рекомен-
даций:
увеличить сетки колонн промзданий и перейти на павильон-
ный тип зданий, обеспечивающий изоляцию каркаса от воздей-
ствий производственного процесса;
применять трубобетон в стойках рабочих площадок и
нижних ярусах колонн каркаса, находящихся в зоне постоян-
ного замачивания реагентом;
исключить контакт колонн и стоек с настилом перекрытий
в местах их пересечения, отказаться от обетонирования и об-
лицовки участков колонн и стоек, примыкающих к полу;
в рабочих площадках применять узлы взаимного сопряже-
ния балок и балок со стойками, обеспечивающие свободную
смену отдельных элементов;
передачу нагрузки от тяжелого оборудования, расположен-
ного на повышенных отметках, на фундамент осуществлять
кратчайшим путем через индивидуальные стойки;
внедрять надлежащую тепловоздушную защиту для исклю-
чения конденсата и паровыделений.
3.	При обследовании в 1979 г. технического состояния ме-
таллоконструкций корпуса ТЭС-2 Сегежского ордена Ленина
целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК) центральной хими-
ческой лабораторией комбината был выполнен химический ана-
лиз его воздушной среды (в здании двухпролетном длиной
48 м с пролетами 30 и 27 м цех с металлическим каркасо'м
эксплуатировался около 20 лет; среда слабоагрессивная).
Химический анализ воздушной среды делался с целью вы-
явления в ней вредных примесей. Пробы брались почти на
уровне нижних поясов стропильных ферм.
Результаты анализа показали значительное превышение
примесей, содержащихся в атмосфере цеха, по сравнению с
Таблица 9. Результаты химического анализа воздушной среды корпуса
ТЭС-2 Сегежского ЦБК
Примесн	Санитарная норма, мг/м3	Фактическое наличие, мг/м*	Превышение санитатной нормы
Окись углерода	20	40—65	В 2—3,2 разг
Сернистый ангидрид	10	2—2,3	-—
Щелочь	0,5	0,77—2,36	В 1,5—4,7 раза
Копоть и сульфатная	10	11,8—18,8	В 1,2—1,9 раза
пыль			
121

санитарными нормами. Температура в цехе на уровне обсле-
дования оказалась 40—45 °C.
С целью предохранения металлоконструкций шатра здания
от коррозии были рекомендованы лакокрасочные покрытия, на-
носимые на конструкции после тщательной чистки их гидро-
пескоструйным аппаратом и обеспыливания пылесосом.
ГЛАВА V/
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ,
РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
На возникновение хрупких разрушений, как известно, вли-
яет ряд факторов: низкая температура; концентрация напря-
жений, вызываемая конструктивными и технологическими не-
совершенствами конструкций; динамическая нагрузка (удар-
ная); скорость нагружения; характер напряженного состояния;
масштабный фактор; различные дефекты; структура стали и др.
Для малоуглеродистых и низколегированных сталей, применяе-
мых в строительных металлоконструкциях, основными факто-
рами являются первые три из перечисленных выше.
Среди всех факторов хрупкого разрушения основным явля-
ется воздействие низких те'мператур. Сопротивление стали и
элементов конструкций воздействию низких температур отож-
дествляется с их хладостойкостью.
Многочисленными теоретическими и экспериментальными
исследованиями [54—56], изучением статистических закономер-
ностей отказов — реальных экспериментов, отобранных практи-
кой эксплуатации металлоконструкций, установлено, что при
прочих равных условиях конструктивная форма (элемента, кон-
струкции, узла и т. п.) является определяющим фактором хлад-
ноломкости.
Одним из основных направлений в развитии металлических
конструкций в настоящее время и рассчитанным на ближай-
шие годы является исследование причин и условий образова-
ния хрупких трещин [33].
§ 20.	Конструктивные формы элементов
стальных конструкций с пониженной хладостойкостью
Впервые вопрос о конструктивных формах элементов сталь-
ных конструкций с пониженной хладостойкостью был сформу-
лирован теоретически и экспериментально изучен проф.
А. В. Сильвестровым [54], которым вместе с сотрудниками
НИСИ начиная с 1960 г. ведется сбор и статистическая обра-
ботка случаев отказов стальных конструкций с хрупким раз-
рушением их элементов на объектах Западной и Восточной
Сибири, эксплуатирующихся в суровых климатических усло-
виях.
122

К 1975 г. были собраны сведения об отказах на 172 объек-
тах, объединяющих более 300 типичных случаев хрупкого раз-
рушения с возникновением и развитием более 800 хрупких
трещин, приведших или могущих привести к авариям, к обру-
шению конструкций. Представленные в табулированной форме
сведения об отказах, полученные из личного опыта и из тех-
нической литературы, дали возможность классифицировать ти-
пичные конструктивные решения, приводящие к разрушению, и
установить ряд закономерностей.
При анализе каждого случая отказа отмечались: время и
место возведения сооружения; срок безотказной эксплуатации;
температура при отказе; сведения о качестве стали; вид со-
единений; конструктивные особенности и размеры поврежден-
ных элементов; уровень номинальных напряжений при отказе;
массовое возникновение трещин; уровень потенциальной энер-
гии упругой деформации конструкций, накопленной под на-
грузкой; обстоятельства, предшествующие отказу; реконструк-
ция сооружений до регистрации отказа; методы восстановления
несущей способности конструкций после отказа; технологиче-
ские особенности изготовления и монтажа конструкций.
Установлено, что причинами хрупкого разрушения конструк-
ций, как правило, является сочетание ряда неблагоприятных
факторов, среди которых обязательно присутствуют: низкая
температура, повышенная концентрация напряжений и техно-
логические несовершенства изготовления и сварки конструкций.
В изученной совокупности отказов наибольшее количество
отказов составляют решетчатые конструкции (фермы) —48 %,
в которых имеет место наибольшее количество острых концент-
раторов напряжений, затем листовые конструкции (оболоч-
ки)— 34 % и наименьшее количество — балочные конструкции
(сплошностенчатые сварные балки)—18%. Естественное снл-
жение температуры воздуха в холодное время года является
доминирующим фактором разрушения.
Из кажущегося многообразия конструкций различных видов,
назначения и типоразмеров во всех случаях хрупкого разру-
шения четко прослеживается наличие типичных конструктивно-
технологических решений, приводящих к инициированию хруп-
кого разрушения при низких температурах — к конструктивным
форма'м пониженной хладостойкости (табл. 10). Общим при-
знаком таких форм является возможность возникновения ло-
кальных термопластических деформаций сжатия при выполне-
нии сварочных работ в зонах концентрации напряжений: гео-
метрических искажений формы, технологических дефектов.
Искусственное регулирование хладостойкости может быть
осуществлено за счет снижения местных напряжений в местах
наличия резких концентраторов напряжений с помощью мето-
да деконцентрации напряжений, позволяющего существенно по-
низить критическую температуру хладноломкости элементов
123

Таблица 10 Конструктивные формы пониженной хладостойкости [54]
Схема
Описание
Эффективный прием
метода деконцентрацин
напряжений
Составное сечение с не-
проваром стыкового шва
одного из элементов
Приварка второстепен-
ных элементов к основ-
ному растянутому эле-
менту
Фасонки легких ферм:
зазоры между элемента-
ми и т. п.
Гильотинная резка кро-
мок и продавленные от
верстия
Стыковые многослойные
сварные швы с непрова-
ром
Строжка, газовая рез-
ка. сверление
Малый 1
зазор I
Стыки
ментов
растянутых эле-
с накладками
конструкций, находящихся в эксплуатации. Как видно из
табл. 10, сущность его заключается в несложном изменении
геометрии конструктивной формы.
§ 21.	Усиление находящихся в эксплуатации элементов
стальных конструкций с целью повышения их хладостойкости
Способы повышения хладостойкости эксплуатируе'мых конст-
рукций, имеющих нехладостойкие конструктивные формы, имеют
свои специфические особенности, резко и принципиально отли-
чающиеся от рассмотренных в главе III способов усиления кон-
струкций и их элементов.
В отдельных случаях такие способы усиления, как увеличе-
ние сечений элементов, усиление соединений, изменение конст-
руктивной схемы, могут не только оказаться малоэффективны-
ми, но и снизить хладостойкость конструкции.
124

Эффективным методом усиления конструкций с целью по-
вышения их хладостойкости является метод деконцентрации
напряжений, сущность которого сводится к следующему.
Напряженное состояние в конструкции, узле, элементе
улучшается рядом технологических и конструктивных меро-
приятий: зачисткой или срезкой отдельных участков сварных
швов и элементов с целью обеспечения плавного перехода си-
ловых потоков, устранением плоского и объемного напряжен-
ного состояния; засверловкой отверстий по концам трещин в
элементах конструкций, чем ограничивается развитие как су-
ществующих трещин, так и потенциально возможных в мес-
тах скопления сварных швов; подкреплением узлов ферм до-
полнительными ребрами.
Следует иметь в виду, что указанные приемы эффективны
на стадии зарождения трещин; на последующих же этапах
трещинообразования для исключения полного разрушения не-
обходимы более радикальные меры: разгрузка, изменение ус-
ловий работы конструкций и др.
Разработка способов повышения хладостойкости элементов
стальных конструкций, находящихся в эксплуатации, мето-
дом деконцентрации напряжений изложена в работах [8, 50,
54—56,61].
Любое конструктивное изменение элемента или узла конст-
рукции, направленное:
на уменьшение концентрации напряжений,— снижает крити-
ческую температуру зарождения трещины /КР1;
на перемещение зон повышенной концентрации напряжений
из объемов стали, охрупченных термопластическими деформа-
циями сжатия при сварке, в объемы стали с высокой исходной
пластичностью,— уменьшает критические температуры хладно-
ломкости /КР| и /крг, т. е. переход от квазихрупкого разруше-
ния к хрупкому (уменьшается опасность зарождения и разви-
тия трещин хрупкого разрушения);
на затруднение притока потенциальной энергии упругой де-
формации, накопленной в объемах стали, примыкающих к
опасному сечению,— снижает вторую критическую температуру
нестабильного развития трещины (кр1 и тем самым повышает
несущую способность элемента при низкой температуре *.
На основании указанных трех положений и сведений об от-
казах металлических конструкций и их элементов авторами
разработаны и экспериментально проверены приемы деконцен-
трации напряжений, рекомендуемые для усиления металличе-
ских конструкций, находящихся в эксплуатации.
• <к₽1 отражает смену механизма разрушения стали от сдвига к отрыву;
/кр1 условно характеризуется равенством поминальных разрушающих напря-
жений пределу текучести стали, определенному при температуре разрушения
или при комнатной температуре.
123

Pec. 52. Обобщенные конструктивные формы низкой хладостойкости и при-
емы усиления элементов методом деконцентрацин напряжений
1 — газовая резка, г > 10; 2 — сверловка. 0 20 мм; 3 — механическая обработка, г - 25.
4 — газовая резка, г — 25; 5 — То же. г — 50
Приемы усиления методом деконцентрации напряжений,
приводимые ниже для конструкций из малоуглеродистых ста-
лей, позволяют снижать критические температуры не менее
чем на 20—25 °C [50, 55, 56].
126

Рис. 53. Приемы усиления с целью повышения хладостойкости
а — до усиления узлов ферм; б — после усиления; в — до усиления опорных узлов; г —
после усиления; о — усиление при помощи накладок при наличии трещины в фасонке-,
« — до Усиления стыков; эс—после усиления; У — непровар; 2 — трещина; 3 — автоген-
ная срезка; 4 — стрингеры; 5 — сверление по концам
Нехладостойкие конструктивно-технологические решения
элементов стальных конструкций сведены к трем обобщенным
конструктивным формам низкой хладостойкости (рис. 52):
конструктивным формам, имеющим трещинообразный дефект
1?(микронадрезы, непровары), локальные объемы стали у вер-
127

шины которого охрупчены наклепом или деформационным ста-
рением;
конструктивным формам с резким изменением сечения ос-
новного растянутого элемента конструкции, полученным путем
приварки второстепенных деталей (фасонок, накладок, ребер
жесткости);
листовым деталям при малых зазорах между жесткими эле-
ментами (например, стержнями ферм), прикрепленными угло-
выми швами.
При выполнении работ по усилению конструкций удаление
участка связующего углового шва в зоне непровара (рис. 53)
делается абразивным кругом (схемы а, б); срезка фасонок и
других деталей, сглаживающая концентрацию напряжений,
делается автогеном или обрабатывается абразивным кругом
(схемы в, г); трещины в фасонках засверливаются по концам
трещин и перекрываются накладками, как показано на схе-
ме д. Поврежденные при гильотинной резке поверхности кром-
ки (конструктивная фор’ма Г, табл. 10) для повышения хладо-
стойкости удаляются абразивным кругом на глубину 1—2 мм.
Для конструктивных форм типа Д применяются накладки,
полностью воспринимающие усилие в поврежденном стыке, для
конструктивных форм Е — искусственное увеличение зазора
между сварны'ми швами, прикрепляющими накладки. Часть
угловых фланговых швов снимается абразивным кругом
(рис. 53, е, ж). Оставшиеся угловые швы должны быть прове-
рены расчетом (должны воспринимать все усилие, действую-
щее на соединение) и при необходимости усилены. Описанны-
ми выше приемами были усилены конструкции ряда сооружений
Сибири.
В работе [51] приводятся примеры некоторых характерных
случаев хрупких разрушений: траулера, анкерной опоры линии
электропередачи (ЛЭП), фермы транспортерной галереи, авто-
дорожного моста, сферического резервуара, козлового крана,
роторного экскаватора и др.
§ 22.	Взаимосвязь различных факторов при хрупких отказах
в работе конструкций при низких температурах
На основании статистического анализа отказов в исследо-
ваниях [54] установлено, что с увеличением срока эксплуата-
ции конструкций вероятность хрупкого разрушения элементов
конструкций п (%) резко уменьшается, температура отказов/
снижается, а уровень номинальных разрушающих напряжений
do/R повышается. До 60 % всех отказов были зарегистрированы
в первую зиму эксплуатации (рис. 54).
Вероятность хрупкого разрушения конструкций, смонтиро-
ванных и воспринявших нагрузку в летний период, как пока-
128

Рис. 54. Распределение частоты отказов п, температуры при отказах /°C и
уровня номинальных разрушающих напряжений co/R в зависимости от срока
эксплуатации конструкций
зали исследования, значительно ниже, чем у таких же конст-
рукций, смонтированных зимой. Стальные конструкции облада-
ют свойством саморегулирования хладостойкости под воздей-
ствием статических нагрузок при температурах выше крити-
ческих.
Подавляющее большинство аварий и отказов происходит в
период эксплуатации конструкций, затем во время монтажа и
испытаний конструкций и во время ремонта.
Использование идеи искусственного регулирования напря-
женного состояния в элементах конструкций, находящихся в
эксплуатации, с помощью метода деконцентрации напряжений
включает в себя ряд конструктивно-технологических мероприя-
тий с целью создания искусственных барьеров, препятствую-
щих распространению возникшей хрупкой трещины на основное
сечение: отверстий, прорезей, снятие швов и т. п. и создание
так называемого «энергетического моста» в виде дополни-
тельных усиливающих элементов, цель которого исключить
приток энергии упругой деформации конструкций в зону, по-
врежденную трещиной.
Рассмотренный метод повышения надежности стальных кон-
струкций при работе их в условиях низких температур был
проверен на моделях в лаборатории * и в практике эксплуатации
* Образцы охлаждались до —60 °C в специальной камере до приложения
испытательной нагрузки с использованием сухой углекислоты; контроль тем-
ператур осуществлялся медькопстаи гановыми термопарами с автоматической
записью их показаний с помощью электронного автоматического потенцио-
метра.
12$)

аварийных стальных конструкций в условиях суровых сибир-
ских зим, что доказало его сравнительно большую простоту
и надежность.
Строительные нормы и правила производства и приемки
работ [57] для конструкций, возводимых или эксплуатируемых
в районах с расчетной температурой —40 °C до —65 °C вклю-
чительно, вводят ряд дополнительных требований при изготов-
лении конструкций к резке металла, сборке, сварке и монта-
жу конструкций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Аистов Н. Н. Испытание сооружений. Л.: Госстройиздат, 1960.
2.	Ананьин Ю. А., Пичугин С. Ф., Пашинский В. А. К вопросу определе-
ния расчетной температуры стальных несущих конструкций цехов черной ме-
таллургии//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности
эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической, машинострои-
тельной и горнорудной промышленности». Секция «Действительная работа
строительных конструкций и выявление резервов несущей способности их».
Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
3.	Аугустин Я., Шледзевский Е. Аварии стальных конструкций. М.: Строй-
издат, 1978.
4.	Беленя Е. И. Исследование действительной работы стальных карка-
сов производственных зданий — исходная база при реконструкции//Промыш-
ленное строительство, 1982, Кв 2.
5.	Беленя Е. И. Исследование упругопластических процессов работы ба-
лок, усиленных до загружения и под нагрузкой. ЦНИИПС//Исследования по
стальным конструкциям. М.: Госстройиздат, 1950.
6.	Беляев Б. И., Корниенко В. С. Причины анарий стальных конструкций
и способы их устранения. М.: Стройиздат, 1968.
7.	Бережной А. Ф., Остапчук Л. Б. Усиление металлических конструкций
под нагрузкой сооружений стройиндустрии//Тезисы докладов Всесоюзного
НТС «Повышение эффективности эксплуатации и реконструкции промзданий
металлургической, машиностроительной и горнорудной промышленности». Сек-
ция «Усиление строительных конструкций в процессе эксплуатации и при ре-
конструкции». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
8.	Беспалов В. М. Исследование влияния конструктивной формы и мас-
штаба элементов конструкций из малоуглеродистых сталей на их хладостой-
кость. Автореф. дисс. ... канд техн. наук. Новосибирск, НИСИ, 1975.
9.	Бирюлев В. В. Металлические неразрезные конструкции с регулирова-
нием уровня опор. М.: Стройиздат, 1984.
10.	Вольберг Ю. Л. Долговечность металлических конструкций промзда-
инй в агрессивных средах//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение
эффективности эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической,
машиностроительной и гориорудиой промышленности». Секция «Защита от
коррозии в условиях действующих предприятий». Макеевка 8—10 сеит. Ма-
кеевка, 1981.
11.	Воронов Н. М. Влияние конструктивной формы узлов ферм строи-
тельных конструкций на стойкость против атмосферной коррозии. Владимир:
Облиздат, 1958.
12.	Горохов Е. В., Булавин А. Б.Исследование, перерасчет и реконструк-
ция моста через р. Булавин в г. Енакиево//Тезисы докладов Украинской рес-
публиканской научно-технической конференции «Современное проектирование
и прогрессивная технология изготовления строительных металлоконструкций».
Киев, 1978.
13.	Дмитриев Ф. Д. Крушения инженерных сооружений. М.: Госстройиз-
дат, 1953.
14.	Донник И. Я. Несущая способность прокатных двутавровых балок,
усиленных под нагрузкой. Автореф. дне. ... канд. техн. наук. Киев, 1956.
15.	Дубровин А. Ф. Почему обрушилось покрытие на цементном заво-
де//Промышленное строительство, 1961, № 2.
16.	Жербин М. М„ Владимирский В. А. Металлические конструкции ка-
лийных предприятий, работающих в агрессивных средах и вопросы повыше-
ния их эффективности//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эф-
фективности эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической, ма-
шиностроительной и горнорудной промышленности». Секция «Действительная
131

работа строительных конструкций и выявление резервов несущей способности
их». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
17.	Зевин А. Д., Мойсеенко Г. П., Панченко В. М. Опыт усиления ме-
таллоконструкций в условиях действующих предприятий//Тезисы докладов
Всесоюзного НТС «Повышение эффективности эксплуатации и реконструк-
ции промзданий металлургической, машиностроительной и горнорудной про-
мышленности». Секция «Усиление строительных конструкций в процессе экс-
плуатации и прн реконструкции». Макеевка 8—10 септ. Макеевка, 1981.
18.	Кикин А. И. Особенности проектирования стальных конструкций зда-
ний металлургических цехов при учете условий эксплуатацни//В кн.: «Воп-
росы применения стальных конструкций в строительстве». М.: Госстройиздат,
1953.
19.	Кикин А. И., Васильев А. А., Кошутин Б. Н. Повышение долговечно-
сти конструкций промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1969.
20.	Колесников В. М. Некоторые ошибки при проектировании методов
усиления стальных конструкций под нагрузкой//Тезисы докладов Всесоюз-
ного НТС «Повышение эффективности эксплуатапин и реконструкции пром-
зданий металлургической, машиностроительной и горнорудной промышлен-
ности». Секция «Усиление строительных конструкций в процессе эксплуата-
ции и при реконструкции». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
21.	Колесников В. М. Технология производства монтажных работ при
усилении стальных конструкций под нагрузкой в действующих промышлен-
ных здаииях//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности
эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической, машинострои-
тельной и горнорудной промышленности». Секция «Технология и организация
работ при реконструкции промзданий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
22.	Конаков А. И., Махов А. П. Отказы и усиление строительных метал-
лических коиструкций//Обзорная информация ВНИИИС, сер. 8, вып. 4. 1981.
23.	Корабликов А. М., Краузе Л. С. Уроки двух аварий покрытий//Строи-
тельная промышленность, 1957, № 7.
24.	Кошин И. И., Воробьев А. И. Анализ долговечности ферм покрытий
цехов цветной металлургии по результатам натурных обследоваиий//Тезисы
докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности эксплуатации и ре-
конструкции промзданий металлургической, машиностроительной и горноруд-
ной промышленности». Секция «Защита от коррозии в условиях действующих
предприятий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
25.	Кошин И. И. Экспериментальное изучение влияния конструктивной
формы элементов строительных конструкций на стойкость противоатмосферной
коррозии/ /Стальные конструкции, 1956, № 10.
26.	Лащенко М. Н. Аварии металлических конструкций зданий и соору-
жений. Л.: Стройиздат, 1969.
27.	Лащенко М. Н. Искусственное регулирование напряжений при усиле-
нии металлических конструкций путем введения предварительно напряжен-
ных элементов усилеиия//Труды ЛТИ им. Ленсовета, вып. XXI, 1951.
28.	Лащенко М. //. Регулирование напряжений в металлических кон-
струкциях. Л.: Стройиздат, 1966.
29.	Лащенко М. Н. Усиление металлических конструкций. Л.: Госстрой-
издат, 1954.
30.	Лащенко М. Н. Усиление металлических однопролетных рам с дву-
скатным ригелем//Труды ЛТИ им. Ленсовета, вып. XXIII, 1952.
31.	Левенсон Я. С. Влияние температуры па предварительное напряже-
ние при монтаже конструкций//Труды III Международной конференции по
предварительно напряженным металлическим конструкциям. Т. 11. М.: Мир,
1971.
32.	Мак-Кейг, Томас X. Строительные аварии. М.: Стройиздат, 1967.
33.	Мельников Н. П. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1983.
34.	Мельников Н. П. Основные задачи науки н техники в области рекон-
струкции зданий и сооружений//Промышленное строительство, 1982, № 2.
35.	Мельников Н. П. О проблеме экономии материала при проектирова-
нии металлоконструкций//Промышленное строительство, 1982, Ns 3.
132

36.	Мельников И. П., Николаев Н. С. Всемирная выставка в Брюсселе
1958. М„ 1963.
37.	Мизюмский И. А. Аварии и крушения стальных конструкций и иссле-
дования причин разрушения сварных стыков уголков. Автореф. дис. ... каид.
техн. наук. ЛИСИ, 1959.
38.	Мизюмский И. А. Обрушения арок покрытия//Доклады XXV НК
ЛИСИ, 1967.
39.	Молчанов А. А. О расчетном сопротивлении стали в эксплуатируемых
конструкциях//Промышленное строительство, 1970, Ns 7.
40.	Опланчук А. А. Несущая способность стержней ферм нз уголков с
местными дефектами. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, НИСИ,
1983.
41.	Опланчук А. А., Остриков Г. М. Несущая способность сжатых ступен-
чато-ослабленных стержней//Промышлениое строительство, 1983, Ns 5.
42.	Пичугин С. Ф., Паишнский В. А., Нечипоренко А. И. Изыскание ре-
зервов несущей способности конструкций на основе методов теории иадежно-
сти//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности эксплуа-
тации и реконструкции промзданий металлургической, машиностроительной и
горнорудной промышленности». Секция «Действительная работа строительных
конструкций и выявление резервов несущей способности нх». Макеевка 8—
10 сент. Макеевка, 1981.
43.	Подоба А. В., Мотрохова А. Н., Вьюнкина С. И. К вопросу использо-
вания старых стальных конструкций при реконструкции Лисичанского содо-
вого завода//Промышленное строительство, 1982, Ns 1.
44.	Постоян Ю. А. Опыт увеличения грузоподъемности мостового крана
в действующем цехе//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эф-
фективности эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической,
машиностроительной и горнорудной промышленности». Секция «Действитель-
ная работа строительных конструкций н выявление резервов иесушей способ-
ности их». Макеевка 8—10 сеит. Макеевка, 1981.
45.	Прицкер А. Я. О нагрузках иа покрытия//Промышленное строитель-
ство, 1967, № 2.
46.	Ребров И. С. Работа сжатых элементов стальных конструкций, уси-
ленных под нагрузкой. Л.: Стройиздат, 1976.
47.	Рекомендации по усилению сварных стальных ферм под нагрузкой.
ВНИИмоитажспецстрой. М., 1972.
48.	Рекомендации по усилению элементов конструкций с применением
сварки. ЦНИИПСК. М„ 1970.
49.	Руководство по защите строительных металлоконструкций, работаю-
щих в агрессивных средах и различных климатических условиях. М.: Строй-
издат, 1974.
50.	Репин А. И. Эффективные конструктивно-технологические методы по-
вышения хладостойкости стальных конструкций, находящихся в эксплуата-
ции. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 1983.
51.	Сахновский М. М. Металлические конструкции (техническая эксплуа-
тация). Киев: Будивельник, 1976.
52.	Сахновский М. М., Титов А. М. Уроки аварий стальных конструкций.
Киев: Будивельник, 1969.
53.	Свинкин М. Р., Либерман А. Р., Солодилов В. И., Сирый В. Т. Прог-
нозирование уровня колебаний строительных конструкций действующего ста-
лелитейного цеха от воздействий формовочных машин//Промышленное строи-
тельство, 1983, Ns 2.
54.	Сильвестров А. В. Повышение надежности стальных конструкций,
подверженных воздействию низких естественных температур. Автореф. дис....
д-ра техн. наук. Новосибирск, НИСИ, 1975.
55.	Сильвестров А. В. Усиление металлических конструкций. Новосибирск,
НИСИ, 1981.
56.	Сильвестров А. В., Репин А. И. Методы усиления стальных конструк-
ций с целью повышения их хладостойкости//Тезисы докладов Всесоюзного
НТС «Повышение эффективности эксплуатации и реконструкции промзданий
133

металлургической, машиностроительной и горнорудной промышленности». Сек-
ция «Усиление строительных конструкций в процессе эксплуатации и при ре-
конструкции». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
57.	СНиП 18—75. Часть III. Правила производства и приемки работ. Ме-
таллические конструкции. М.: 1979.
58.	Стрелецкий Н. С. Основные задачи в области развития стальных кон-
струкций//Стронтельная промышленность, 1946, Xs 3—4.
59.	Стремешин А. В., Дунин В. Б., Коржова Э. М. Реконструкция литей-
ного цеха//Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности
эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической, машинострои-
тельной и горнорудной промышленности». Секция «Технология и организация
работ при реконструкции промзданий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
60.	Тарнопольский А. А., Долгинов Е. С. Вопросы комплексной рекон-
струкции каркасов промзданий и мостовых кранов при увеличении их грузо-
подъемности//Тезнсы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности
эксплуатации и реконструкции промзданий металлургической, машинострои-
тельной н горнорудной промышленности». Секция «Технология и организация
работ при реконструкции промзданий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
61.	Темников В. Г. Исследование типичных случаев проявления хладно-
ломкости малоуглеродистой стали в сварных швах. Автореф. дне. ... канд.
техн. наук. Новосибирск, НИСИ, 1972.
62.	Тихомирова М. Ф., Власичева Л. Г. Влияние сульфатов металлов на
долговечность реконструируемых зданий цветной металлургии//Тезисы до-
кладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности эксплуатации и рекон-
струкции промзданий металлургической, машиностроительной и горнорудной
промышленности». Секция «Защита от коррозии в условиях действующих
предприятий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
63.	Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Повышение эффективности экс-
плуатации и реконструкции промзданий металлургической, машиностроитель-
ной и горнорудной промышленности». Макеевка, 1981.
64.	Тоцкий О. Н. Искусственное регулирование усилий в системах, вклю-
чающих квадратные металлические мембраиы//Труды III Международной
конференции по предварительно напряженным металлическим конструкциям.
М.: Мир, 1971.
65.	Троицкий П. Н. Резервы снижения металлоемкости стальных колонн
одноэтажных производственных зданий//Промышленное строительство, 1982,
Xs 7.
66.	Хаютин Ю. Л. О снеговой нагрузке па покрытия зданий с перепадом
высот//Промышлениое строительство, 1970, Xs 10.
67.	Хэммонд Р. Аварии зданий и сооруженпй/Пер. с англ. М.: Стройиз-
дат, 1960.
68.	Шапиро Г. А. О предотвращении аварий стальных ферм покрытия про-
мышленных зданий//Строительная промышленность, 1957, № 5.
69.	Шинднес М. М., Власов С. В., Шерстюк С. П. Реконструкция механо-
сборочного корпуса Xs 1 Челябинского тракторного завода//Тезисы докладов
Всесоюзного НТС «Повышение эффективности эксплуатации и реконструкции
промзданий металлургической, машиностроительной и горнорудной промыш-
ленности». Секция «Технология и организация работ при реконструкции пром-
зданий». Макеевка 8—10 сент. Макеевка, 1981.
70.	Шкинев А. Н. Аварии на строительных объектах, их причины и спо-
собы предупреждения н ликвидации. М.: Стройиздат, 1966.
71.	Шляфирнер А. М. О контроле за состоянием строительных конструк-
ций зданий и сооружений в агрессивных средах//Тезисы докладов Всесоюз-
ного НТС «Повышение эффективности эксплуатации и реконструкции пром-
зданий металлургической, машиностроительной и горнорудной промышленно-
сти». Секция «Защита от коррозии в условиях действующих предприятий».
Макеевка 8—10 сеит. Макеевка, 1981.
72.	Штрих И. Я., Борисов Н. В. О терминах' и определениях, связанных
с технической эксплуатацией зданий и сооружений//Промышленное строитель-
ство, 1983, Xs 5.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................... 3
Глава 1. Причины отказов в работе конструкций и их элемснюв и воз-
никновение аварийных ситуаций и аварий .............................. 6
§	1.	Общие сведения ..............................................................6
§	2.	Классификация аварий.........................................................8
§ 3.	Аварии и отказы в работе стальных конструкций...............................12
§ 4.	Меры предупреждения возникновения аварий, аварийных ситуа-
ций и отказов....................................................22
Глава II. Выявление неучтенных запасов прочности в существующих
конструкциях............................................... ...	.24
§ 5.	Общие сведения .............................................................24
§ 6.	Причины, влияющие на снижение физической долговечности кон-
струкций и сооружений, и методы реконструкции .... 25
§ 7.	Выявление неучтенных запасов прочности......................................25
Глава 111. Усиление конструкций в связи с изменением условий их
эксплуатации....................................................... 35
§	8.	Общие сведения .35
§	9.	Классификация усиления металлических конструкций ... .36
§	10.	Способы усиления ............40
§ 11.	Основные положения расчета элементов конструкций, усили-
ваемых под нагрузкой.............................................73
§ 12.	Основные сведения по выполнению работ при усилении метал-
локонструкций ...................................................92
Глава IV. Искусственное регулирование усилий (напряжений) при уси-
лении конструкций в напряженном	состоянии.................96
§	13.	Общие сведения............96
§	14.	Классификация регулирования напряжений	(усилий) .... 102
§	15.	Регулирование напряжений (усилий)...........105
Глава V. Защита металлических конструкций от коррозии в условиях
действующих предприятий....................................... ....	113
§ 16.	Общие сведения ..............................................................113
§ 17.	Коррозионный износ стальных конструкций н пути повышения
антикоррозионной стойкости .................................... 114
§ 18.	Защита от коррозии в условиях действующих предприятий . .117
§ 19.	Влияние высокотемпературных воздействий на надежность ме-
таллических конструкций.........................................119
Глава VI. Повышение надежности металлических конструкций, работаю-
щих в условиях низких естественных температур .	. . . 122
§ 20.	Конструктивные формы элементов стальных конструкций с по-
ниженной хладостойкостью........................................122
§ 21.	Усиление находящихся в эксплуатации элементов стальных кон-
струкций с целью повышения их хладостойкости ... .	. 124
§ 22.	Взаимосвязь различных факторов при хрупких отказах в ра-
боте конструкций при низких температурах ..................... 128
Список литературы .................................................................... 131

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Михаил Николаевич Лащенко
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИИ
ЗДАНИИ И СООРУЖЕНИИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ
Зав. редакцией Н. Н. Днепрова
Редактор В. А. Ануфриева
Художественный редактор О. В. Сперанская
Оформление художника И. Г. Всесветского
Технический редактор Г. С. Томилина
Корректор Ю, М. Зислин
ИБ Ns 4366
Сдано в набор 23.07.86. Подписано в печать 22.12.86. М-35624. Формат 60X90'/i«. Бумага
типографская Ns 2. Гарнитура «Литературная». Печать высокая. Усл. печ, л. 8.5.
Уч.-изд. л. 9,0. Усл. кр.-отт. 8.75. Изд. Nt 2368Л. Зак. Ns 246. Тираж 19000 экз. Цена 53 коп.
Стройнздат, Ленинградское отделение
191011, Леиингрвд, пл. Островского, 6
Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Зна-
мени Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Соколовой Союз-
полиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии
н книжной торговли. IS8052, г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.