О воздействии силовых факторов на металлические конструкции
Задачей специалистов при обследовании конструкций является не только выявление в них дефектов и повреждений, но и умение основываясь на опыте и профессиональной подготовке прогнозировать их влияние на эксплуатационные характеристики конструкций и принимать своевременные меры по предупреждению опасных последствий. Повреждения от силовых и механических воздействий могут быть заложены в процессе монтажа и эксплуатации конструкций и явиться следствием ошибок и упущений при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации.
Ошибки при проектировании могут быть результатом несовершенства нормативных документов, а так же неправильного перехода от расчётной схемы к конструкции. За последние десятилетия нормы постоянно совершенствовались и, соответственно, число повреждений, вызванных ошибками проектирования снизилось. Наиболее простой пример неправильного перехода от расчётной схемы к конструктивному решению показан на рис.1. Балки, рассчитанные как разрезные, должны иметь свободу поворота на опорах. Повороту опорных сечений балок препятствуют монтажные болты, поставленные на всю высоту сечения балок (рис. 1а), или монтажные болты и накладки, установленные в верхней части балки (рис. 1б).
Повреждения от силовых воздействий возникают в случаях несоответствия расчетных предпосылок действительным условиям работы конструкций, которые могут вызываться ошибками проектирования (неправильное определение нагрузок и усилий, ошибки при подборе сечений). При идеализации расчетной схемы фактическое напряженное состояние может отличаться от расчетного. Неучтенные при проектировании концентраторы напряжений, а также дефекты в основном и наплавленном металле при определенных условиях приводят к возникновению хрупких трещин.
Повреждения конструкций от силовых воздействий часто бывают следствием сложности и несовершенства конструктивной формы, которые затрудняют выявление напряженного состояния конструкций и большое отличие его от теоретического из-за неизбежного упрощения и идеализации расчетной схемы конструкции. Иногда различные связи, накладки и другие соединительные элементы, устанавливаемые конструктивно, могут (при недоучете особенностей действительной работы конструкций) привести к возникновению в местах их расположения больших усилий и к повреждению конструкций. На рис. 2 показано сопряжение стенок двух разрезных балок на колонне при помощи парных накладок. Неучтенные расчетом усилия, возникающие от частичной неразрезности балок, создаваемые накладками, оказались настолько большими, что в стенках балок и в накладках появились трещины.
На рис. 2 приведен узел крепления поперечных вертикальных связей между двумя подкрановыми балками на среднем ряду колонн, устанавливаемых обычно без расчета (конструктивно). Неучтенные усилия, возникшие в связях при загрузке одной балки кранами, вызвали повреждение ребра жесткости балки, к которому прикреплены связи. Иногда конструктивные несовершенства отдельных узлов приводят к перераспределению расчетных усилий в элементах конструкции. Так, наблюдались случаи выпучивания нижних поясов шарнирно опертых стропильных ферм в крайних панелях, имеющих по расчету растягивающие усилия, из-за большой жесткости опорных сопряжений и возникновения сжимающего усилия от рамного момента на опоре фермы, большего, чем расчетное растягивающее усилие в поясе.
Нарушения взаимного расположения конструкций в процессе монтажа и эксплуатации (смещение прогонов с узлов, несоосность подкрановых балок и рельс и т.п.) приводят к дополнительным нагрузкам, которые не учитываются в расчетах. Нарушения правил технической эксплуатации конструкций нередко являются причинами создания аварийных ситуаций. Удары транспортируемых грузов о конструкции, использование конструкций для подъема грузов при ремонтах, вырезка отверстий в элементах несущих конструкций для пропуска коммуникаций, удаление связевых элементов - далеко неполный перечень воздействия на конструкции, приводящий к снижению несущей способности отдельных элементов, а иногда и всего каркаса в целом. Так, отношение к связям металлических каркасов как к второстепенным элементам, удаление и вырезка для пропуска коммуникаций и размещения оборудования приводит к изменению расчетной схемы сооружения, снижению пространственной жесткости и перераспределению усилий.
Например, отсутствие даже одной распорки по верхнему поясу фермы на участке светоаэрационного фонаря может вызвать потерю устойчивости пояса и, как следствие, - обрушение покрытия. Нередко повреждения от силовых воздействий связаны с неудачным конструктивным решением узлов. Так, излишняя жесткость сопряжения ферм с колоннами при шарнирном опирании приводит к появлению опорного момента и сжимающих сил в крайней панели нижнего пояса. В результате нижний пояс, не рассчитанный на сжатие, выпучивается.
Общие и местные искривления стержней, а также искажения формы их поперечного сечения являются распространенными видами повреждений. Искривления сжатых стержней, особенно в двух плоскостях, снижают их несущую способность вплоть до полного исключения из работы. Провисающие растянутые связи и распорки вибрируют при работе кранов, не обеспечивают пространственную работу каркаса, увеличивают расчетную длину сжатых элементов, которые они по идее должны раскреплять.
В отличие от подобных сравнительно легко обнаруживаемых визуально дефектов, весьма трудоемкой является процедура выявления хрупких и усталостных трещин и особенно на ранних стадиях их возникновения и развития.
Известно, что порог хладноломкости стали зависит от многих факторов, в том числе от способа выплавки, степени раскисления, толщины металлопроката, термообработки. Наиболее значительным фактором, способствующим хрупкому разрушению стали, является возрастание величины локальных напряжений в месте резкого изменения сечения (искажение формы и толщины элемента, дефекты сварных швов, технологические повреждения структуры металла при правке, резке, продавливании отверстий, термическом воздействии сварки). В этих местах одноосное напряженное состояние переходит в двухосное и даже пространственное при одновременной концентрации местных напряжений на узком участке дефекта, что и способствует зарождению хрупкой трещины. Особую опасность представляют концентраторы, расположенные перпендикулярно направлению растягивающих усилий. Содействуют разрушению также начальные остаточные напряжения от прокатки и других процедур, связанных с неравномерными нагревом или остыванием металла.
Вероятность хрупких разрушений возрастает с увеличением геометрических размеров конструкций и толщин элементов. Существенным в возникновении хрупких трещин является характер нагрузки. При ударных, циклических и переменных нагрузках напряжения возрастают от нуля до максимума в короткое время или мгновенно, в период, недостаточный для пластической релаксации напряжений. Вместе с тем создаются условия постепенного и скрытого накопления повреждений - зародышей хрупких разрушений.
Источник: Бедов А. Ю. и др. Оценка технического состояния оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений
#обследование@ecgoroda #км@ecgoroda
