Аварии стальных конструкций в строительстве

Аварии стальных конструкций в строительстве

В книге даны описание и анализ более 50 случаев повреждений и обрушений различных видов строительных металлических конструкций, которые произошли в ПНР главным образом после второй мировой войны. Обсуждаются вопросы обеспечения надежности строительных металлических конструкций. Приводятся поучительные подходы по анализу фактического материала аварий.

Аугустин Я., Шледзевский Е.

Аварии стальных конструкций. Пер. с польск. М., Стройиздат, 1978. 183 с.

Глава 1
ОБЩИЕ УСЛОВИЯ НАДЕЖНОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1 ПОНЯТИЕ НАДЕЖНОСТИ И АВАРИЙНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Надежные стальные конструкции проектируют с соответствующим запасом прочности, зависящим в основном от типа конструкции и метода расчета. На практике применяют расчеты конструкций по методам:
— допускаемых напряжений (нагрузки нормативные, работа в пределах упругости);
— предельной несущей способности (нагрузки нормативные, работа в пределе текучести);
— предельных напряжений (нагрузки расчетные, работа в пределах упругости);
— предельных состояний (нагрузки расчетные, работа в пределе текучести).
Развитие методов расчета идет в направлении объективной оценки значения действующих нагрузок, а также выявления действительной работы конструкций с полным использованием механических свойств материала, в особенности, при работе за пределом упругости. В связи с этим в течение последних десятилетий наблюдается различие в величинах, а в некоторых случаях уменьшение коэффициентов запаса при расчете конструктивных элементов.
Правильное определение запаса прочности конструкции является важным одновременно в техническом, экономическом и общественном отношении. Этим вопросом занимаются новые отрасли науки, такие как теория надежности конструкций и теория безаварийности, пользующиеся методами теории вероятности и математической статистики [64]. Результаты исследований показывают, что не может быть и речи об абсолютной надежности строительных конструкций, и что надежность можно определять только как вероятность того, что при определенных технико-эксплуатационных условиях и в определенный период времени не произойдет аварии. Это условие выражается формулой

где R (t) — надежность конструкции в интервале времени от 0 до t; т — число конструкций, эксплуатируемых без аварий за этот период; п — число всех конструкций изучаемого типа.
Строительные металлические конструкции, запроектированные на основе одних и тех же норм, могут значительно отличаться одна от другой степенью вероятности появления и развития аварии в случае отказа какого-либо конструктивного элемента. Такие случаи происходят по различным причинам, в том числе из-за ошибок, возникающих при создании или во время эксплуатации конструкции. Вероятность возникновения аварии в конструкции назовем аварийностью 1 .
В теоретических исследованиях, посвященных количественному определению надежности конструкций, рассматриваются системы элементов, объединенные параллельно или последовательно [42]. Системой с параллельно соединенными элементами называется система, разрушающаяся тогда, и только тогда, когда разрушились все ее элементы. В системе с последовательно соединенными элементами разрушение одного элемента приводит к разрушению всей конструкции. Примером системы с параллельно соединенными элементами может служить конструкция Байтового перекрытия с числом тросов n, растянутых между двумя устойчивыми опорными стенами, а примером системы с последовательно соединенными элементами — конструкция шедового покрытия с числом пролетов п.
Аварийность Q системы, состоящей из n элементов с аварийностью q_i соединенных параллельно, определяется по формуле

При q_i= q = const Q = q n .
Из этих зависимостей вытекает, что вероятность аварии параллельной системы приближается к единице только тогда, когда аварийность каждого ее элемента близка к единице.
Аварийность Q системы, состоящей из п элементов с аварийностью а, соединенных последовательно, определяется по формуле

При q_i= q = const Q=l- (1 – q) n .
Отсюда вытекает, что вероятность аварии такой системы равна единице, когда хотя бы один из ее элементов разрушается (q = 1) или тогда, когда число элементов очень велико (п = &#181).
Зависимость аварийности конструкции от числа элементов п и их аварийности q приведена на рис. 1.1. Прямая п = 1 соответствует конструкции, состоящей из одного элемента; кривые, расположенные над ней, характеризуют подверженность авариям конструкций из элементов, соединенных параллельно, а кривые, размещенные под этой прямой, — подверженность авариям конструкций из элементов, соединенных последовательно.

Рис. 1.1. График зависимости аварийности конструкции от числа элементов п [42]

Из изложенного следует, что системы с последовательно соединенными элементами более подвержены авариям, чем системы с параллельно соединенными элементами. Эта зависимость справедлива и для вероятности развития аварий.
Практические рекомендации для проектировщиков стальных конструкций, касающиеся способов уменьшения аварийности конструкций многопролетных цехов с системами последовательными и параллельными, приведены в главе 3.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЧИН АВАРИЙ КОНСТРУКЦИЙ

Анализ различных случаев аварий показывает, что их причины могут быть разделены на следующие четыре группы:
— несоответствующие или неправильно примененные материалы;
— ошибки проектирования;
— ошибки изготовления и монтажа;
— неправильная или слишком длительная эксплуатация.
Характерно, что аварии, вызванные одной причиной, происходят редко. В большинстве случаев авария происходит вследствие совпадения двух или нескольких причин, которые только совместным воздействием исчерпывают запас прочности конструкции. В таких случаях удается обычно выявить главную причину, влияние которой на возникновение аварии можно определить как решающее.
Итак, главную причину аварии авторы условно считали основным признаком, по которому этот случай попадал в определенный раздел книги, что, однако, не исключает того, что данный случай может в какой-то степени относиться и к другим разделам.
Анализ причин приведенных случаев аварий показывает, что многие из них произошли из-за низкого уровня проектирования и изготовления стальных конструкций. Эта ситуация, обусловленная многолетним застоем строительства с применением стальных конструкций, явилась причиной того, что за последние годы одновременно с развитием этого вида конструкций в стране произошло относительно много их аварий по сравнению с другими видами строительных конструкций (в 1970 г. — 29%) [102]. Несомненно, это явление временное, и следует считать, что одновременно с подъемом общей технической культуры в отрасли металлостроительства, которая переживает в последнее время бурное развитие, стальные конструкции станут и в ПНР самыми надежными несущими строительными конструкциями, чему способствуют свойства стали как строительного материала с самыми высокими техническими характеристиками.
Этому же будет способствовать развитие строительства с применением типовых стальных конструкций, изготавливаемых серийно на специализированных заводах, которые создаются в последнее время в стране.

Источник

Аварии зданий из металлоконструкций

Основные типы повреждений металлоконструкций

Проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатация стальных конструкций имеют определенные особенности. Большая часть этих конструкций — нетиповая, проектируется и изготавливается специализированными организациями. При этом выполняется расчет конструкций, а сечение элементов и узловые соединения проектируются по действующим в них усилиям.

При соблюдении необходимой технологии проектирования вероятность грубых ошибок небольшая. Проектировщики и монтажники стальных конструкций — это элита строителей, которые выполняют достаточно ответственную работу. Несмотря на то, что стальные конструкции обычно работают при высоких уровнях напряжений, они имеют определенный запас прочности, обусловленный их проектированием по нормам. Существенно меньшую надежность имеют стальные конструкции, изготовленные хозспособом — без проекта и соблюдения элементарных правил. В эксплуатации находится много стальных каркасных промзданий, построенных самовольно и имеющих несущую способность значительно меньшую, чем действующие в них усилия. Имеется большая вероятность аварий этих зданий и при небольших пролетах и даже — от атмосферных воздействий.

Аварии стальных конструкций достаточно подробно анализировались в литературе. При этом выделялись следующие причины: применение некачественных материалов; ошибки при проектировании; ошибки при строительстве и эксплуатации.

Аварии, вызванные применением несоответствующих материалов

• — при применении несоответствующих марок стали по вине поставщика (при поставке стали со скрытыми дефектами и невыполнении требований к качеству или сортаменту);
• — при проектировании неверно выбрана марка стали;
• — при изготовлении конструкций неправильно заменена марка стали (с химическим составом, механическими свойствами или технологическими характеристиками, не гарантирующими качества продукции).

По данным статистики более 35% аварий стальных конструкций вызваны ошибками при проектировании.

Основные ошибки при проектировании, приводящие к авариям:

• 1. Не уделено должного внимания несимметричности сечений и эксцентриситетам приложения нагрузок;
• 2. Не учтены ослабления элемента сварными швами и концентрация напряжений в месте свариваемых деталей;
• 3. Не учтено, что в сплошностенчатых балках особо опасны острые углы вырезов в стенках, где даже при небольших напряжениях, может появиться трещина и распространиться на все сечение. Перфорированные балки выполнены из кипящих сталей.
• 4. Стальные и железобетонные конструкции разрабатываются обычно различными специалистами. В больших проектных институтах этим занимаются разные отделы (КМ и КЖ). Ошибки происходят из-за несогласованности конструктивных решений, особенно стыков в местах примыкания стальных балок и ферм к ж/б колоннам, а также стальных столиков и консолей, ж/б башмаков стальных колонн и др.
• 5. В элементах стальных конструкций иногда применяются замкнутые сечения. Внутри замкнутых пространств металл не подвергается коррозии, однако, при обваривании герметичность элементов не всегда соблюдается, что способствует протеканию влаги или образованию конденсата. Это приводит к коррозии, а также к разрыву элементов при замерзании воды.

Ошибки, приводящие к потере устойчивости

• — недостаточное раскрепление конструкций, состоящих из стержней, соединенных шарнирно;
• — недостаточная жесткость опор и конструкций.

Часто к авариям приводит использование, в качестве раскрепляющих конструкций, несущих элементов покрытия (например, железобетонных плит).

Причиной аварийного состояния конструкций может стать большое количество различных факторов. Рассмотрим основные виды деформаций, характерных для металлических конструкций и основные причины, вызывающие аварийное состояние.

При установлении причин аварий необходимо уделять особое внимание изучению изломов. Этими вопросами занимается наука фрактография.

Основные формы изломов стальных элементов:

• Вязкий излом — образуется при растяжении в случае пластической работы материала. В зоне разрыва образуется шейка — значительное сужение разрушенного элемента.
• Хрупкий излом — образуется при разрыве элемента, подвергавшегося растяжению макропластической деформации. В сталях с высокой пластичностью образуется при исключительных условиях, таких как: низкая температура, острый концентратор, местное напряжение в области сварного шва.
• Усталостный излом — может образоваться в конструкциях и элементах, подверженных воздействию переменных нагрузок, например, в подкрановых балках или конструкциях фундаментов машин, вызывающих колебания и вибрации.

Происходило большое количество аварий, основной причиной которых была признана неудовлетворительная эксплуатация. Известны многочисленные обрушения покрытий от перегрузки пылью и снегом, разрушение конструкций при коррозии.

Авария одноэтажного каркасного промздания произошла в г.Луганске в результате демонтажа вертикальных связей по колоннам. При этом обрушились колонны, стропильные фермы и покрытие.

Из стальных конструкций возводились одноэтажные и многоэтажные здания. Как правило, стальные покрытия проектировались у одноэтажных зданий как промышленных, так и гражданских при больших пролетах 24м и более. При традиционном решении промздания — стальные или ж/б колонны и стальные фермы с треугольной решеткой. Массово применялись фермы по типовой серии ПК-01-125. Так как эта конструкция очень массово применялась, причем с относительно большим уровнем напряжений, то соответственно произошло большое количество аварий этих конструкций.

Традиционно фермы рассчитывались как плоские шарнирно- стержневые системы только на вертикальную нагрузку, без учета натяжения при монтаже, температурных воздействий и неравномерных деформаций основания. Такой расчет с подбором длины сварных швов не отражает некоторые особенности работы углов. Обычно считают, что фермы соединяются с колоннами шарнирно.

Из-за неточности установки колонн на монтаже, болтами стягивают фермы, создавая растягивающие напряжения еще до загружения фермы.
Снижение температуры в конструкции относительно температуры замыкания также приводит к появлению дополнительных растягивающих напряжений.
Возможно появление в элементах ферм значительных усилий от неравномерных деформаций основания.
Неучет этих воздействий снижает надежность работы ферм.

Анализ причин аварий ферм

Выделено следующие основные причины:

• 1. Превышение нагрузок (снеговой, от тяжелой пыли, от увеличения массы кровли и др.).
• 2. Коррозия элементов ферм.
• 3. Недостаточная развязка из плоскости.
• 4. Ошибочное уменьшение сечений.
• 5. Хладноломкость стали.
• 6. Ненадежное решение узлов.
• 7. Применение тонкостенных профилей без должного обоснования. Погнутость профилей.

Механизмы обрушения ферм:

• — потеря устойчивости сжатыми раскосами и верхними поясами,
• — разрыв нижнего пояса.

Внешние признаки аварийного состояния:

• — выпучивание сжатых стержней,
• — большие прогибы;
• — трещины в узлах;
• — коррозия.

Фермы относятся к тем ответственным конструкциям, которые требуется регулярно обследовать.

В г.Запорожье стальные фермы эксплуатируются во многих промышленных зданиях. В гражданских зданиях фермы применены в манеже Мотор-Сич, дворце спорта Юность, концертном зале им. Глинки, универсаме Хортицкий, бывшем спортивном комплексе Импульс и многих других. Известно несколько случаев обрушения стальных ферм, в частности, в г.Запорожье на заводе металлоконструкций, на заводе Запорожсталь, в гАлчевске на металлургическом заводе, в г.Кривой Рог на ЦПО ОАО СевГОК и т.д. Большая часть обрушений происходит при значительной снеговой нагрузке.

отрывок из книжки Аварии зданий и сооружений Марков А.И., Маркова М.А.

Источник