Главная » Литература » Стальные конструкции » Валь, Горохов, Уваров - Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их рекон
Валь, Горохов, Уваров - Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их рекон
Валь В.Н., Горохов Е.В., Уваров Б.Ю. Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции. — М,: Стройиздат, 1987. — 220 с— (Наука — строит, пр-ву).
Обобщены материалы обследований, теоретических и экспериментальных исследований действительной работы металлических конструкций производственных зданий. Даны рекомендации по натурному освидетельствованию конструкций, уточнению нагрузок и воздействий, свойств стали и статической схемы сооружения при реконструкции существующих зданий. Рассмотрены конструктивные решения и методы производства работ по усилению металлических конструкций,
Для научных и инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.
Табл, 38, ил. 97, список лит.: 54 назв.
Печатается по решению секции литературы по строительным конструкциям редакционного совета Стройиздата,
Рецензент — канд. техн, наук И,Л. Пименов.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсификация народного хозяйства и на этой основе повышение его эффективности является важнейшей задачей, выдвинутой ХХУП съездом КПСС на двенадцатую пятилетку. В промышленности повышение интенсификации связано с техническим перевооружением и реконструкцией действующих предприятий. Известно, что при этом удельные капитальные вложения на единицу прироста мощности (выпуска продукции) снижаются до 40%, а продолжительность работ сокращается в 2—3 раза по сравнению с новым строительством. К техническому перевооружению относится повышение технического уровня отдельных участков производства, агрегатов, установок благодаря внедрению новой техники и технологии, механизации и автоматизации производственных процессов, модернизации и замене устаревшего и физически изношенного оборудования новым, более производительным (без расширения имеющихся площадей).
К реконструкции действующего предприятия относится осуществляемое по единому проекту полное или частичное переоборудование и переустройство производства (без строительства новых и расширения действующих цехов основного производственного назначения, но со строительством при необходимости новых и расширения действующих объектов вспомогательного и обслуживающего назначения) с заменой морально устаревшего и физически изношенного оборудования, механизацией и автоматизацией производства и т.д. К реконструкции действующего предприятия относится также строительство новых цехов и объектов взамен ликвидируемых цехов и объектов того же назначения, дальнейшая эксплуатация которых по техническим и экономическим условиям признана нецелесообразной. Реконструкция действующего предприятия может осуществляться также с целью изменения профиля предприятия и организации производства новой продукции на существующих производственных площадях.
Техническое перевооружение и реконструкция производства приводят к изменению нагрузок и схем их приложения, по-иному решаются объемная планировка и конструктивная схема здания. К увеличению нагрузок, действующих на конструкцию, приводит установка новых мостовых и подвесных кранов или повышение грузоподъемности существующих, а также установка нового вентиляционного оборудования для улучшения условий труда работающих и охраны окружающей среды и т.д. Установка более совершенного и мощного оборудования, изменение профиля предприятия могут потребовать увеличения высоты и пролета здания, шага колонн.
При сохранении эксплуатировавшихся конструкций создаются условия для индивидуального подхода к каждому конкретному объекту с учетом фактического состояния и действительной работы конструкций. В то же время для усиления конструкций могут быть разработаны типовые унифицированные решения.
Все работы по реконструкции можно разделить на несколько этапов. На первом этапе производится обследование конструкций и на основании его дается оценка физического износа конструкций и возможности их дальнейшего использования. На втором этапе по результатам исследования действительной работы конструкций определяются резервы несущей способности каркаса здания, конструкции рассчитываются на новые нагрузки с учетом результатов обследования (дефектов и повреждений) и резервов несущей способности, выявляются конструкции, требующие усиления. На третьем этапе разрабатывается проект усиления, предусматривающий проведение работ по усилению конструкций без остановки производства или с минимальной остановкой.
Глава 1. ОБСЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Первый этап работы по реконструкции производственных зданий — определение их технического состояния и выявление на основании этого целесообразности дальнейшей эксплуатации конструкций и необходимости усиления. Исходными материалами для определения технического состояния конструкций служат результаты обследования.
При обследовании выявляются дефекты и повреждения конструкций и выясняются причины их возникновения, уточняется расчетная схема с учетом фактической жесткости узлов и степени пространственной работы каркаса, оценивается качество материалов и уточняются действующие нагрузки и воздействия. По результатам обследования выполняются проверочные расчеты конструкций с учетом выявленного фактического состояния, составляется заключение о возможности их дальнейшей эксплуатации и в случае необходимости разрабатывается проект усиления.
1.1. ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Качество изготовления и монтажа стальных конструкций; а также правила их технической эксплуатации регламентируются СНиП, ГОСТ и отраслевыми документами. Однако в результате несовершенства норм и ошибок проектирования, низкого качества работ по изготовлению и монтажу конструкций, нарушений правил технической эксплуатации в конструкциях появляются отклонения от проектных размеров, формы и качества сверх допускаемых пределов. Несовершенства, полученные конструкцией на стадии изготовления и монтажа,, называются дефектами. Несовершенства, полученные в процессе эксплуатации, — повреждениями. Очагами развития повреждений часто являются дефекты изготовления и монтажа. Дефекты характеризуют начальное состояние конструкций. Повреждения возникают и развиваются во времени и зависят от срока эксплуатации и интенсивности воздействий. В зависимости от вызывающих их воздействий они могут быть разделены на: 1) силовые (механические) — разрывы, трещины, потеря устойчивости, искривления и местные погибы, расстройство соединений, абразивный износ и т.п.; 2) температурные — коробление и разрушение элементов при высоких температурах, хрупкие трещины при отрицательных температурах, повреждения защитных покрытий при нагреве; 3) химические и электрохимические — коррозия металла и разрушение защитных покрытий.
Повреждения от силовых воздействий возникают в результате несоответствия расчетных предпосылок действительным условиям работы конструкций и вызываются:
ошибками проектирования, связанными с неправильным определением нагрузок и внутренних усилий и подбором сечения элементов и узлов;
отличием фактического напряженного состояния от расчетного вследствие неизбежного упрощения и идеализации расчетной схемы конструкции, ее элементов, узлов и действующих нагрузок, а также недостаточной изученности действительной работы конструкций и характера воздействий;
пониженными прочностными характеристиками основного и наплавленного металла, дефектами, приводящими к концентрации напряжений и способствующими усталостному и хрупкому разрушению;
произвольным изменением сечений элементов, размеров сварных швов, количества заклепок и болтов при изготовлении и монтаже по сравнению с проектным;
недопустимой перегрузкой конструкций при эксплуатации;
нарушениями при монтаже и эксплуатации взаимного расположения конструкций (смещение прогонов, эксцентриситет и перепады в стыках подкрановых рельсов и т.п.), которые приводят к появлению дополнительных, не учитываемых расчетом, нагрузок
и динамических воздействий;
нарушениями правил технической эксплуатации: ударами транспортируемых грузов, использованием конструкций для подвески блоков и опирания домкратов, подъема и перемещения грузов при ремонтах без соответствующего расчета и необходимого усиления, вырезкой отверстий в элементах конструкций для пропуска коммуникаций, удалением связевых элементов и т.д.
Нередко повреждения от силовых воздействий связаны с неудачным конструктивным решением узлов. Для конструкций, подвергающихся действию подвижных динамических нагрузок — подкрановых балок (особенно при кранах тяжелого и весьма тяжелого режимов работы), балок рабочих площадок, расположенных под путями железнодорожного транспорта, завалочных машин характерны усталостные повреждения.
Последние проявляются в виде трещин в основном металле, сварных швах и околошовной зоне и в расстройстве болтовых и заклепочных соединений.
Значительные повреждения металлических конструкций возникают при нарушении правил технической эксплуатации здания и сооружений.
Повреждениям от температурных воздействий в наибольшей степени подвержены элементы, расположенные вблизи источников тепловыделений. В горячих цехах при изменении температуры появляются значительные температурные перемещения, приводящие к отклонению конструкций от проектного положения. При наличии связей, которые препятствуют свободным перемещениям, в элементах конструкции возникают дополнительные напряжения, имеющие циклический характер. При определенных условиях эти напряжения могут привести к искривлению элементов или появлению трещин. При нагреве стальных конструкций до 100°С разрушается защитное покрытие, при 300-400°С происходит коробление элементов, особенно тонкостенных.
Нарушения правил эксплуатации оборудования и возникновение аварийных ситуаций могут привести к проливам расплавленного металла, короблению и пережогу элементов перекрытий и нижних частей колонн.
Повреждения от действия низких температур возникают, как правило, в открытых сооружениях и неотапливаемых зданиях.
К таким повреждениям относятся хрупкие трещины в местах концентрации напряжений (сварные швы, резкие изменения сечений, фасон ки ферм и т.д.). Особенно подвержены хрупким разрушениям конструкции, выполненные из кипящих сталей. Большую опасность для конструкций представляет резкое охлаждение элементов и возникновение "теплового удара". Повреждения от действия агрессивных сред проявляются в виде разрушения защитных покрытий и коррозии металла.
Интенсивность коррозионных повреждений, измеряемая скоростью (мм в год) проникания коррозии по толщине элемента и относительной площадью участков, пораженных коррозией, зависит от степени агрессивности эксплуатационной среды, материала конструкций (марки стали), конструктивной формы элементов, системы и качества нанесения противокоррозионной защиты, а также соблюдения правил технической эксплуатации (своевременная ликвидация протечек кровли, трубопроводов, контроль за герметичностью оборудования и т.д.). Дефекты и повреждения противокоррозионной защиты проявляются в виде шелушения, отслаивания, пор, трещин и других нарушений защитных свойств. Повреждения металла возникают вследствие химической и электрохимической коррозии. Для стальных конструкций производственных зданий характерна электрохимическая коррозия.
Коррозионные повреждения металла разделяются на общие равномерные или неравномерные по площади поверхности и местные в виде отдельных фитингов, язв, сквозных поражений. Местные коррозионные поражения возникают при локальных воздействиях, например при протечках кровли, нарушении герметичности трубопроводов и т.д. Если общая поверхностная коррозия приводит к уменьшению площади поперечного сечения элементов и повышению уровня напряжений, то местная коррозия не только, ослабляет сечение, но и повышает концентрацию напряжений, что может привести к хрупкому разрушению конструкций. По виду дефекты и повреждения металлических конструкций могут быть разделены на следующие группы:
1-я — ослабление поперечного сечения или отсутствие элемента. К этой группе относятся такие дефекты и повреждения, как вырез элемента или части сечения, отсутствие элемента, предусмотренного проектом, абразивный износ, уменьшение сечения по сравнению с проектом в результате замены при изготовлении, монтаже или эксплуатации. В качестве измерителя дефектов и повреждений 1-йгруппы можно принять отношение площади ослабленного сечения к проектной;
2-я — трещины в основном металле. Для продольных измерителем служит длина трещины, для поперечных — отношение длины трещины к ширине элемента или отношение площади сечения, ослабленного трещиной, к нормальной в процентах;
3-я — трещины в сварном шве имеют измеритель, аналогичный измерителю повреждений 2-й группы;
4-я — дефекты сварных швов: неполномерность швов, пороки сварки, отсутствие швов. За измеритель дефектов этой группы можно принять степень ослабления шва (отношение фактической и номинальной высоты шва, глубина подреза, отношение длины
дефектного участка шва к полной и т,д.) ;
5-я — общее искривление элемента по всей длине. Измеритель — прогиб элемента или отношение прогиба к длине;
6-я —местное искривление на части длины элемента или вмятина. Эта группа повреждений характеризуется величиной и длиной искривленного участка;
7-я — ослабление или отсутствие болтов или заклепок. Измеритель — отношение ослабленных болтов к общему их количеству в соединении;
8-я — дефекты болтовых и заклепочных соединений, такие, как трещиноватость, неполномерность головок, перекос стержня, неплотность пакета и т.д. Измеритель — отношение дефектных заклепок или болтов к их общему количеству;
9-я — отклонение или смещение конструкций относительно проектного положения. Эти повреждения измеряются величиной смещения или отношением смещения к характерному размеру элемента;
10-я — взаимное смещение конструкций. К этой группе относятся: расцентровка элементов, внеузловое опирание и т.д. Измеритель — величина взаимного смещения;
11-я — зазоры в местах сопряжения элементов, которые измеряются величиной зазора;
12-я — коррозионные повреждения основного и наплавленного металла, характеризуемые глубиной проникания коррозии;
13-я — повреждения защитного покрытия. Измеряются процентом поврежденной площади покрытия.
Детальный анализ несовершенств металлических конструкций производственных зданий и причин их возникновения содержится в работе [24].
Характерные дефекты и повреждения отдельных конструктивных элементов приведены в табл. 1.1—1.3. Конструкции покрытия (стропильные и подстропильные фермы, прогоны, фонари и связи). Основным типом стропильных конструкций эксплуатируемых промышленных зданий являются фермы с элементами из парных уголков, Наличие тонкостенных гибких стержней, сложная конфигурация сечений, повышенная концентрация напряжений в узлах делает эти конструкции весьма чувствительными к общим и местным перегрузкам, механическим, температурным и коррозионным воздействиям. Важным фактором, определяющим состояние ферм, является качество их изготовления и монтажа. Наиболее грубая ошибка при изготовлении ферм — уменьшение сечения элементов по сравнению с проектом. Нередко это вызывало аварии стропильных конструкций [39]. Весьма распространенным дефектом изготовления, представляющим серьезную опасность, является также искривление сжатых элементов. Как показали обследования, выполненные на заводах металлических конструкций [28], до 15% элементов ферм уже на стадии изготовления имеют искривления, превышающие допустимые по нормам. Основные причины искривления элементов ферм — недостаточная правка проката и влияние сварки при несимметричном наложении швов. Чаще повреждаются средние гибкие элементы решетки. Величина искривлений с увеличением гибкости также растет. Количество элементов, искривленных в плоскости и из плоскости фермы, при изготовлении примерно одинаково [28].
Искривление элементов ферм приводит к перераспределению дополнительных моментов, Увеличиваются прогибы фермы. Особенно опасно искривление сжатых элементов. Как показали исследования [28], снижение критических напряжений в искривленных стержнях достигает 15-30%. Известны случаи аварий, вызванных искривлениями сжатых раскосов. Сварные соединения элементов ферм до недавнего времени выполнялись ручной сваркой и поэтому имели большое количество дефектов, наиболее существенные из которых — неполномерность шва и подрезы. При выполнении швов полуавтоматической сваркой количество дефектов стало значительно меньше. Неполномерные швы с уменьшенной, по сравнению с проектом, высотой катетов снижают несущую способность узлов. Подрезы, кратеры, неравномерная высота шва повышают концентрацию напряжений и особенно опасны в случае эксплуатации ферм при отрицательной температуре (в неотапливаемых зданиях) и при наличии динамических и вибрационных воздействий (например, подвесных кранов). При изготовлении ферм нередко нарушается указание норм о минимальном (не менее
Расцентровка элементов ферм в узлах также нередко превышает допуск на изготовление металлических конструкций [60], особенно при изготовлении ферм в полевых условиях или мастерских. По данным обследования эксцентриситет иногда достигал
Наконец, достаточно распространенным дефектом изготовления ферм с элементами из парных уголков является пропуск соединительных прокладок. При отсутствии прокладок или постановке только одной каждый уголок работает раздельно, что при сжатии может привести к более ранней потере устойчивости.
Качество монтажа конструкций покрытий также не всегда соответствует требованиям нормативных документов. В результате небрежной транспортировки, складирования и подачи конструкций к месту монтажа увеличивается число и величина искривлений стержней ферм. Если при изготовлении искривление элементов в плоскости и из плоскости ферм равновероятно, то при монтаже искривления направлены в основном из плоскости ферм.
Из других дефектов монтажа следует отметить пропуск накладок и некачественное выполнение сварных швов в монтажных узлах, отклонение ферм от вертикальной плоскости, смещение узлов ферм относительно осей колонн, внеузловое опирание прогонов и плит. Наиболее серьезны дефекты монтажных узлов. Так, пропуск накладок в опорных узлах ферм при неразрезной расчетной схеме послужил причиной аварии покрытия мартеновского цеха. Из-за отсутствия накладок в укрупнительном узле при монтаже обрушились фермы.
Для ферм покрытий с восходящим опорным раскосом и передачей опорного давления на уровне нижнего пояса отклонения от вертикальной плоскости практически не сказываются на их работе, поскольку диск кровли препятствует боковым перемещениям. При нисходящем опорном раскосе и передаче давления на уровне верхнего пояса под нагрузкой происходит нарастание отклонений, и схема работы фермы изменяется. Смещение опорных узлов ферм относительно колонны, не влияя на работу ферм, приводит к появлению в колоннах дополнительных моментов, что должно быть учтено при расчете. Внеузловое опирание прогонов и плит вызывает изгиб поясов, в то же время, как показывают результаты исследований, если точка приложения нагрузки не выходит за пределы фасонок, то дополнительные напряжения в поясах невелики и практически не снижают несущую способность ферм.
При креплении ферм к колоннам сбоку частыми дефектами монтажа являются: перекос опорной поверхности фланца фермы и внецентренная передача нагрузки на опорный столик; зазор между фланцем и опорным столиком и "зависание" фермы на монтажных болтах; зазор между фланцем и колонной и малая площадь опирания фланца на опорный столик. Все эти дефекты искажают принятую при расчете схему работы опорного узла и приводят к перенапряжению его элементов. Особенно опасно отсутствие опорного столика и передача опорного давления фермы на колонну через нерасчетные монтажные болты. Это, например, вызвало обрушение ферм на одном из металлургических заводов.
Основными видами повреждений ферм, возникающих при эксплуатации (рис. 1.1), являются искривления и местные погибы элементов. Как и при изготовлении чаще повреждаются средние гибкие элементы решетки. Большинство искривлений направлено из плоскости ферм. Среди причин, вызывающих искривления и местные погибы элементов при эксплуатации, следует выделить следующие:
начальные несовершенства (искривления и местные погибы), возникающие при изготовлении и монтаже;
нарушение правил технической эксплуатации (использование ферм для подвески блоков при ремонте оборудования, крепление коммуникации между узлами и т.д.);
несоответствие фактической расчетной схемы принятой при проектировании (ужесточение опорных узлов ферм при шарнирной расчетной схеме, внеузловое опирание прогонов и плит, пропуск связей, закрепляющих сжатые пояса из плоскости ферм, и т.д.);
перегрузка ферм;
температурные воздействия в горячих цехах.
При работе ферм под нагрузкой начальные искривления сжатых элементов увеличиваются, а растянутых — уменьшаются, однако полного их исправления не происходит. Поэтому, если при обследовании выявлено, что количество искривленных сжатых и растянутых элементов приблизительно одинаково, то основной причиной их повреждений следует считать низкое качество изготовления и монтажа.
...