Кикин - Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий

Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий/А. И. Кикин, А. А. Васильев, Б. Н. Кошутин и др.; Под ред. А. И. Кикина.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Стройиздат, 1984. — 301 с, ил.

Обобщены результаты экспериментальных исследований  металлических конструкции зданий и сооружений, особенностей эксплуатации и нагрузок; предложены мероприятия по повышению надежности и долговечности строительных конструкций; даны рекомендации по  совершенствованию нормирования силовых воздействий, методика  освидетельствования и усиления конструкций и рекомендации по их  технической эксплуатации.

Для инженерно-технических работников проектных,  научно-исследовательских организаций и служб эксплуатации промышленных  зданий.

© Стройиздат, 1984

Светлой памяти дорогого  учителя Николая Станиславовича Стрелецкого посвящают  авторы эту работу

ПРЕДИСЛОВИЕ

Задача снижения металлоемкости и повышения  эффективности строительных металлических конструкций  приобретает все большее значение в свете принятых XXVI  съездом КПСС Основных направлений экономического и  социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года.

Среди многих путей решения этой задачи находится и повышение долговечности и надежности металлических конструкций промышленных зданий — самых  металлоемких строительных конструкций. Повышение объемов  производства, его интенсификация, увеличение  технологических воздействий предъявляют к конструкциям  повышенные требования, которые необходимо учитывать при их проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Со времени выхода 1-го издания книги прошло более 10 лет. За это время введены в эксплуатацию объекты, создание которых осуществлялось в соответствии с  современными нормативными и техническими требованиями, с использованием новых материалов и конструктивных форм. Существенно изменилась и технология изготовления строительных металлоконструкций.

Во 2-м издании книги на основе комплексных натурных обследований и экспериментальных исследований обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации  конструкций цехов и даются рекомендации по повышению их надежности и долговечности.

Использование методов математической статистики  позволило разработать обоснованные рекомендации по  нормированию нагрузок, классификации дефектов и  повреждений, учету эксплуатационных воздействий на несущую способность конструкций. Впервые приведены результаты исследований по воздействию на конструкции подвесных кранов. Материалы книги о действительной работе конструкций обобщают исследования последних лет. Представляют  интерес поиски новых конструктивных форм подкрановых балок и других конструкций, обеспечивающих повышение их долговечности.

В книге даны рекомендации по учету агрессивности среды при выборе материала, конструктивной формы,  объемно-планировочных решений, а также при оценке несущей способности, долговечности и надежности  конструкций.

Большое внимание обращено на освидетельствование конструкций и их усиление, что является определяющим при реконструкции объектов и позволяет увеличить срок эксплуатации каркасов зданий. Рекомендации по эксплуатации конструкций  направлены на увеличение межремонтных сроков, сокращение  эксплуатационных расходов и повышение долговечности  зданий.

В целях максимального освещения результатов новых исследований во 2-м издании не помещены многие  материалы, с которыми можно ознакомиться по 1-му изданию книги.

Предисловие, пп. 1.3, II.8, IV.1 написаны А. И. Кикиным. Им же совместно с Ю. Л. Вольбергом написаны пп. V.2, 3, совместно с А. А. Васильевым и Б. Ю. Уваровым — пп. III. 1, 2, 4, 5. Ю. Л. Вольбергом написаны пп. V.1, 4, 5, 6. А. А. Васильевым и Б. Ю. Уваровым написаны пп. IV.3, IV.6 и гл. VII. Б. Н. Кошутиным написаны пп. 1.1, 2; II.1—5, 7, 9—11; Ш.З, IV.2, VI. 1, 2, 4, 5, 7. Б. Ю. Уваровым — II.6 и VI.3.

Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ КАРКАСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ

Несущие строительные конструкции промышленных  зданий в отличие от станков и оборудования почти не  подвержены моральному износу. Конструкции эксплуатируются десятки лет, и вопрос о их надежности и особенно  долговечности достаточно важен, а длительный срок  эксплуатации конструкций заметно осложняет прогнозирование  надежности и долговечности, делая этот вопрос весьма  сложным. Большинство конструкций не требует какой-либо  модернизации за весь срок эксплуатации, но иногда в связи с модернизацией производства, размещенного в здании, для обеспечения надежности и повышения долговечности необходима реконструкция (усиление) несущих элементов, каркаса.

Учитывая, что строительные конструкции составляют значительную часть основных фондов производства,  исследование их качества во время эксплуатации имеет  важное народнохозяйственное значение. Надежность строительных конструкций обеспечивается качеством проектирования (и норм проектирования),  материалов, изготовления, монтажа и условиями эксплуатации. Качество может быть представлено в виде многомерного пространства качества, след поверхности которого при  пересечении его плоскостью показан на рис. 1.1.

ГОСТ 13377-75 «Надежность в технике. Термины и  определения» называет надежностью «свойство изделия  выполнять заданные функции, сохраняя свои  эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки», а  долговечностью—«свойство сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов». Нарушение  работоспособности называется отказом, а отклонение от хотя бы одного требования технических условий —  неисправностью. Надежность численно оценивается вероятностью  безотказной работы (и др. показателями), а долговечность — ресурсом или сроком службы.

При проектировании качество прогнозируется, т. е. можно представить проектное пространство качества 1.  Отклонения от прогнозов,  возникшие в силу несовершенства норм проектирования, а также в связи с изменчивостью свойств материалов, качества изготовления и монтажа,  приводит к тому, что начальное пространство 2 отличается от  проектного. Эти два пространства не зависят от времени, но их объем должен учитывать прогнозируемую долговечность. Накопление повреждений в сооружениях происходит из-за неблагоприятных  механических и химических воздействий, и пространство качества сжимается. Эксплуатационное качество 3 переменно во времени и изменяется при ремонтах. Внутри этих пространств находится пульсирующее пространство состояния 4,  поверхность которого зависит от внешних воздействий в  данный момент времени. Пересечение поверхностей  эксплуатационного качества и состояния 5 является отказом или неисправностью (которую иногда называют частичным  отказом). Координатные оси пространств не равноценны с точки зрения пересечения поверхностей по их направлению.

Пересечения могут приводить к авариям, к прекращению эксплуатации с капитальным ремонтом, к затруднению  эксплуатации, к появлению мелких дефектов и неисправностей, устраняемых при текущих ремонтах. Сокращение объема проектного пространства качества,  обеспечивающее экономию средств на возведение здания и сооружений, возможно до полного совпадения поверхности проектного качества и поверхности, описывающей наибольший за срок эксплуатации объем пространства состояния.

Анализ надежности реальных сооружений и даже их расчетных схем достаточно сложен. Например, при загружении расчетной схемы поперечной рамы каркаса промздания может возникать большое число различных  неисправностей и несколько путей появления отказа.

Первый вид неисправности — достижение предела  несущей способности и потеря устойчивости одной из колонн (рис. 1.2). Вероятность появления этой неисправности зависит от геометрических характеристик колонны (с  учетом их случайных отклонении) и напряженного состояния колонны, которое будет случайным. После потери  устойчивости система, теоретически оставаясь геометрически-неизменяемой, будет еще работоспособной. Однако усилия в других элементах при этом резко возрастут, и это  приведет к отказу всей системы (рис. 1.2, в).

Второй вид неисправности — образование шарниров пластичности в жестких узлах рамы B, 3 на рис. 1.2).  Вероятность этих отказов зависит от конструкции узлов,  материала, качества изготовления и монтажа, интенсивности их загружения. При этих неисправностях система может еще сохранять работоспособность до появления новых  неисправностей.

Третий вид неисправностей — потеря несущей  способности стержнями сквозного ригеля из-за потери  устойчивости, достижения предела текучести или разрушения  присоединения к фасонке. Вероятность этих неисправностей зависит от геометрических характеристик сечений,  статистических характеристик стали и в значительной степени от начальных искажений формы стержней (искривления,  отсутствия центраций и т. п.). Возможные  последовательности от исправной конструкции И к отказу О показаны на рис. 1.2, в.

Каждому из возможных путей соответствует своя  вероятность. При анализе надежности системы ее обычно представляют в виде цепи последовательно и параллельно соединенных элементов. При последовательном соединении выход из строя одного элемента эквивалентен отказу всей системы. При параллельном соединении предполагается, что хотя бы один из элементов будет работать и выходу из строя всей системы будет соответствовать отказ всех элементов, в нее входящих (пример — жирная линия на рис. 1.2, в). При известных вероятностях безотказной  работы элементов достаточно просто можно определить  вероятность безотказной работы всей системы (особенно  если элементы независимы).

При оценке надежности строительных конструкций  решение усложняется тем, что загрузка элементов,  параллельно соединенных, как правило, зависима, а выход из строя одного из элементов изменяет загрузку других. 

Если рассмотреть систему, состоящую всего из двух  параллельно соединенных элементов, то могут появиться  достаточно различные случаи работы системы. Например, на рис. 1.2, б показано одно из возможных поведений системы колонна — ферма при пути к отказу И — 3 — 1 — О. При образовании пластического шарнира в кривой загрузки колонны появляется скачок. Если при скачке кривая  загрузки колонны не достигает уровня надежности колонны, то система остается работоспособной, но кривая загрузки колонны изменяет закономерность. Пластический шарнир в дальнейшем может закрыться и система будет работать до тех пор, пока скачок в загрузке колонны не достигнет уровня надежности. После достижения предельного уровня загрузкой  элемента 1 система остается еще геометрически неизменяемой, но при этом загрузка фермы настолько возрастет, что с этим остатком несущей способности можно не считаться, т. е. считать вероятность безотказной работы элемента 5 равной нулю.

Таких путей, как было показано выше, может быть  много, но, в принципе, можно перебрать все возможные пути пересечения поверхностей качества и состояния (в том  числе не только с точки зрения прочности и устойчивости) и, зная условные вероятности отказа при каждом из  возможных случаев, вычислить полную вероятность отказа  системы.

Даже анализ плоской расчетной схемы с точки зрения прогнозирования надежности — весьма сложная задача, требующая умения оценить состояние этой системы в  любой момент времени. Действительные конструкции  значительно сложнее, чем их расчетные схемы, так как в цепи элементов включаются и связи между плоскими  системами, и ограждающие конструкции, а на действительное  состояние влияет очень много различных факторов. Это  затрудняет использование вероятностного метода расчета, при котором сооружение считается надежным, если  вероятность пересечения пространств качества и состояния не превышает какой-то заданной величины и заставляет в инженерной практике прибегать к упрощенным способам оценки и прогнозирования надежности, к так называемым методикам расчета.

Проблема оценки надежности зданий и сооружений возникла в древнейшие времена, в период начала  строительства простейших жилищ. Достаточно долго она  решалась методом проб и ошибок. Только с XV в. начались  попытки аналитически прогнозировать надежность отдельных элементов сооружений (Леонардо да Винчи —опыты по  определению прочности некоторых конструкций и  строительных материалов; Галилео Галилей — попытки  аналитически установить размеры сжатых, растянутых и изгибаемых элементов; Кулон — решение задачи о предельном  равновесии подпорных стенок и др.). Только в начале XIX в. Навье в книге о сопротивлении материалов предложил  достаточно общий критерий оценки надежности несущих конструкций. Конструкция считалась надежной, если ни в одной ее точке напряжение не превысило рабочего  (безопасного). Впоследствии достаточно низкие рабочие  напряжения были заменены более высокими, названными  допускаемыми. Метод допускаемых напряжений полностью сформировался к 30-м годам нашего века.