Лащенко - Аварии металлических конструкций зданий и сооружений

В книге дается обзор и  систематизированный анализ причин аварий металлических конструкций зданий и сооружений на протяжении всего  периода их развития. Приводятся  сведения о современных методах  изучения надежности металлических  конструкций, об исследованиях их на  моделях и натурных испытаниях  конструкций и сооружений.

Книга рассчитана на инженеров и техников-строителей.

 

ОТ АВТОРА

В современной отечественной и зарубежной  литературе имеется весьма ограниченное число работ, обобщающих случаи аварий: Рассмотрены главным образом аварии мостов, гидротехнических,  каменных, железобетонных сооружений[1, 2, 4, 73]. Аварии металлических конструкций гражданских и  промышленных сооружений приводятся в работе [3], частично в [1, 18, 73] и на страницах периодической печати.

Предлагаемая работа завершает рассмотрение автором трех неразрывно связанных между собой вопросов одной проблемы — увеличения  надежности металлических конструкций: аварии и их  предотвращение, усиление конструкций [5] и  регулирование напряжений в металлических конструкциях [6].

Следуя принципу, что обнаружить зло — почти то же, что найти против него лекарство, автор на основе личного опыта в качестве члена ряда  экспертных комиссий по установлению причин аварий  различных конструкций и сооружений и литературного материала попытался в предлагаемой читателю работе проанализировать «причины зла» и  наметить пути его предотвращения.

 

ВВЕДЕНИЕ

Из истории развития металлических конструкций известно, что металл (железо, чугун) в гражданских сооружениях начали  применять в XVIII в., причем его использовали вначале в виде  различных связей для каменных сводов-, столбов, пиронов и т. п. По характеру своей работы в конструкциях, пожалуй, за  исключением металлических затяжек в кирпичных сводах, главным  образом церковных построек, вряд ли можно было ожидать аварий или обрушений конструкций. Первые аварии гражданских сооружений, выполненных с применением металла, произошли после того, как стали использовать прокатные профили и деревометаллические фермы.* Причины аварий или аварийного состояния были: чрезмерная зыбкость и провисание балок под нагрузкой в  связи с неизученностью механических свойств металла и  геометрических характеристик сечений; применение перекрытий значительных пролетов, превышающих пролеты, ранее перекрывавшиеся деревянными балками; значительные деформации в балках в результате пожаров (это было основной причиной аварий).

В основу первых деревометаллических ферм Гау и Вигман— Полонсо брались схемы деревянных ферм. Переход на металл был вызван главным образом трудностью устройства сопряжений,  работающих на растяжение. ** Вполне естественно, что растянутые стержни выполнялись из металла, а сжатые — из дерева. 

Несовершенство узловых сопряжений деревометаллических ферм  зачастую приводило к авариям или аварийному состоянию,  требовавшему немедленного усиления ферм. Так, например, А. И. Кракау, бывший в 70-х годах XIX в. главным архитектором  императорских театров, описывает способ усиления деревометаллических ферм Гау, перекрывавших зрительный зал Мариинского театра в Петербурге. * Вследствие деформаций узлов от обмятий, расщеплений и смещения элементов фермы находились в  аварийном состоянии (рис. 1).

Усиление, предложенное Паукером, выполненное в процессе эксплуатации сооружения и заключавшееся в применении для  девяти ферм в провисших узлах парных хомутов из кованого железа, стянутых талрепами (рис. 2), в конце XIX в. считалось  оригинальным. В аварийном состоянии (через полтора года после установки) оказались фермы Зимнего дворца в Петербурге. В 1840 г. фермы пришлось усиливать, так как они дали недопустимый боковой  прогиб от скопившегося на крыше снега. 

Описание отдельных аварий и крушений встречается в  печати уже с конца XIX в. на страницах журнала «Зодчий» и в дореволюционной литературе. Так, в «Курсе сопротивления  материалов» В. Л. Кирпичева приводятся интересные сведения о том, что в США с 1876 по 1888 гг. обрушился 251 мост. В Англии только за один 1890 г. было зарегистрировано 55 аварий —  взрывов паровых котлов. Имеются отдельные сведения об авариях у С. П. Тимошенко * в его весьма интересной работе по истории сопротивления материалов.

Одними из наиболее ответственных инженерных сооружений были и являются мосты. Анализ аварий мостов расширял  инженерные знания, способствовал  прогрессу инженерной мысли, ускорял развитие строительной механики.

В связи с этим при изучении аварии металлоконструкций гражданских, промышленных и других  сооружений всегда использовался  богатейший материал, накопленный при исследовании аварий мостов. 

Приведем некоторые примеры.

1. Крушение моста через реку Кевду A875 г.) впервые наглядно показало русским строителям  опасность продольного изгиба,  послужило толчком к развитию теории  устойчивости. Первое решение задачи было дано Ф. С. Ясинским, а  усовершенствовано А. Н. Динником. В. 3. Власов доказал, что потеря устойчивости верхнего пояса открытых мостов обычно имеет смешанную изгибно-крутильную форму

2. В результате крушения Тэйского моста 1879 г.) был выявлен недоучет ветровой нагрузки и возник вопрос о необходимости дополнительной проверки устойчивости на опрокидывание.

3. Квебекская катастрофа (обрушение) моста через реку св. Лаврентия (Канада) дала толчок к изучению устойчивости при продольном изгибе элементов составного сечения.

4. Авария Менхенштейнского моста через реку Бирс 1891 г.) произошла в результате несовершенства расчетов, выполненных его строителем — знаменитым Эйфелем. Здесь не было учтено появление знакопеременных усилий в раскосах ферм. Впоследствии изучением катастрофы в разное время занимались: Риттер, Тетмайер, Энгессер, Патон, Дмитриев и др.

Аварии и крушения конструкций представляют собой самостоятельно возникший трагический эксперимент — проверку работы конструкции, доведенную до стадии исчерпания несущей  способности или до разрушения. К сожалению, несмотря на тщательное .изучение причин аварий, не все аварии и крушения добросовестно освещались. Это объясняется тем, что правдивое описание причин аварий подорвало бы авторитет строящих фирм и нанесло бы им материальный ущерб.

В нашей советской практике аварии и крушения инженерных сооружений исключительно редки, и это естественно, так как  любой случай аварий всесторонне анализируется и выносится на суд широкой технической общественности. За последние десятилетия все заслуживающие внимания и изучения аварии публикуются в периодической печати.

Первая попытка изучения крушений инженерных сооружений на материалах зарубежной технической литературы и анализа причин этих крушений принадлежит доктору технических наук Ф. Д. Дмитриеву [1]. К сожалению, в его историко-технических очерках приведено только семь случаев аварий  металлоконструкций гражданских и промышленных сооружений. В основном  рассматриваются крушения мостов и гидротехнических сооружений, происшедшие в конце XIX в. Нельзя согласиться с автором в том, что в нашей стране нет примеров аварий, которые были бы  поучительны с точки зрения инженерных обобщений.

В сборнике ЦНИИСК [2] заслуживает внимание статья А. А. Шишкина, посвященная учету и изучению технических  причин аварий и повреждений строительных конструкций. Вопросы обследования и составления технической документации аварий и повреждений, приводимые в статье, в равной мере относятся и к исследованиям аварий металлических конструкций. Специальная работа, рассматривающая аварии металлических конструкций, выполнена И. А. Мизюмским [3].

Здесь излагаются причины разрушения сварных стыков  уголков, дается классификация аварий и крушений, вызванных  инженерно-техническими причинами, приводятся отдельные случаи  аварий металлоконструкций. В работе А. Н. Шкинева [18] авариям металлических конструкций посвящена одна глава, в которой  подробно описаны обрушения, имевшие место в отечественной  практике A960—1965 гг.). Им проанализировано пять случаев  обрушения покрытий промышленных сооружений и столько же  обрушений транспортерных галерей.

В работе английского исследователя Р. Хэммонда [4] дается обзор аварий плотин, волноломов, набережных, мостов, тоннелей и жилых зданий. Автор справедливо отмечает, что аварии мостов представляют собой наиболее поразительные случаи в истории строительной техники. В оценке причин некоторых аварий мостов его мнение не совпадает с мнением, изложенным в работе [1].

Авариям зданий, происшедшим в XX в. главным образом в США, посвящена работа исследователя Томаса X. Мак Кейгом [73].

В книге рассмотрены аварии сооружений из различных  материалов, в том числе описано четырнадцать случаев аварий  металлических конструкций только гражданских зданий: театров,  административных зданий, отелей, школ и т. п.

Других специальных работ по авариям и крушениям  немостовых металлических конструкций, за исключением сообщений в  периодической печати «Строительная промышленность»,  «Промышленное строительство», — нет. Наибольшее число публикаций с  детальным разбором аварий принадлежит Б. И. Беляеву [10—16; 68] и Я. С. Левенсону [7—9].

Цель предлагаемой работы заключается не в том, чтобы дать подробное, протокольное описание каждой аварии (как это  принято в существующей литературе), а в том, чтобы из ряда аварий, крушений и аварийных состояний выбрать общее, рассмотреть и проанализировать причины наиболее часто встречающихся аварий, в ряде случаев ставших типовыми. Сделана попытка наметить пути их предотвращения при помощи любых возможных способов,  основными из которых являются:

для существующих конструкций — усиление и регулирование напряжений;

для проектируемых конструкций — учет при проектировании, изготовлении и монтаже факторов, могущих привести к авариям.

 

Глава I

КЛАССИФИКАЦИЯ АВАРИЙ

Подход к составлению классификации у разных авторов  различный. Советский исследователь Ф. Д. Дмитриев [1] причины  крушений классифицирует по трем основным группам: крушения, вызванные землетрясением, ураганом, наводнением и т. п.;

крушения, вызванные несовершенством инженерно-технических приемов (наиболее обширная группа);

крушения, причины которых вызваны  социально-экономическими условиями, присущими капиталистическому миру (погоня за наживой и т. д.).

Технические причины катастроф делятся также на три группы:

потеря устойчивости, дефекты основания и неудовлетворительное производство работ. Ф. Д. Дмитриев, рассматривая в основном на материалах аварий зарубежных стран аварии и крушения мостов и гидротехнических сооружений, в классификации [1] не отражает специфику аварий и крушений металлических конструкций  гражданских и промышленных сооружений. С нашей точки зрения, во вторую группу причин аварий следовало бы еще включить аварии, происшедшие не только от незнания, но и в результате  недопустимой халатности. Примеры таких аварий, к сожалению, имеются. И. А. Мизюмский [3] дает классификацию аварий и крушений только металлических конструкций, причем аварий, вызванных только инженерно-техническими причинами. Аварии и крушения разделены на четыре группы:

вызванные дефектами, связанными с ошибками проектирования;

вызванные дефектами, возникшими в процессе производства работ;

вызванные дефектами, связанными с эксплуатацией;

вызванные недостаточно изученными условиями работы и  свойствами применяемых материалов.

Нельзя согласиться с принципом классификации Томаса X. МакКейга [73], где причинами аварий считаются четыре фактора: 

невежество, экономия, погоня за прибылью, небрежность и  стихийные бедствия.

Классификацию по таким признакам ее автор считает  универсальной. Понятно, что такое определение причин аварий  строительных конструкций лишено научной обоснованности и самый принцип определения чужд всему строю нашего социалистического  общества.

Предлагаемая нами классификация (табл. 1 см. вклейку)  составлена по иному принципу. Аварии, вызванные непреодолимыми стихийными силами природы и военными действиями, не  рассматриваются. Аварии, вызванные социально-экономическими  условиями, в нашей советской действительности просто не могут иметь места. В связи с этим рассматриваются только аварии, вызванные инженерно-техническими причинами и происшедшие в результате халатности, недосмотра и т. п.

При составлении классификации для удобства ее  использования выделены основные причины аварий и факторы, их вызывающие. Вполне естественно, что перечисление последних на  исчерпывающую полноту не претендует.

Некоторая условность в определениях, примененных в  классификации аварий, неизбежна. Можно бесконечно спорить о том, что и где является причиной и что следствием. Например, всем  известен классический случай крушения в 1905 г. Египетского моста в Петербурге. Общепризнано, что причиной аварии был резонанс, возникший при прохождении по мосту войск. Но с таким же  успехом причиной аварии можно было считать и просчеты, допущенные при проектировании моста, в результате которых, как следствие, в сооружении мог возникнуть резонанс. С таким же успехом  причину аварии можно видеть в неправильной эксплуатации  сооружения, выразившейся в том, что войска при прохождении моста шли строем с несбитым шагом, в результате чего, как следствие, и  появился резонанс. И все-таки непосредственной причиной аварии был резонанс. В предлагаемой классификации выделены восемь основных  причин аварий. Единственным же следствием этих причин является авария—катастрофа. Основные причины аварий в классификации расположены не в каком-то определенном порядке, например, в биографическом порядке проектирования и возведения  сооружений, а отмечены только наиболее типичные комбинации  (сочетания) причин аварий. В каждой из причин выделены (отмечены  знаком Т) наиболее часто встречающиеся факторы, вызывающие  появление перечисленных причин.

Существующие в настоящее время строительные нормы и  правила (СНиП) основаны, как известно, на методе расчета по трем предельным состояниям:

по несущей способности, при достижении которого происходит исчерпание несущей способности элемента или конструкции в  целом;

по развитию чрезмерных деформаций от статических или  динамических нагрузок, при достижении которого появляются  недопустимые деформации или колебания;

по образованию и раскрытию трещин, при появлении которых нормальная эксплуатация конструкции становится невозможной.

Идея современного метода расчета по предельным состояниям заключается в том, чтобы за время нормальной эксплуатации  сооружения не наступило ни одного из предельных состояний. 

Следовательно, предельное состояние следует рассматривать как  аварийное или предаварийное. Аналогичная картина имеет место и при оценке прочности  элементов конструкций в сопротивлении материалов. Так, применяя к элементу, находящемуся в сложном напряженном состоянии, ту или иную «теорию прочности», устанавливаем вначале критерий наступления «опасного» состояния (условно аварийного) по  прочности или по пластичности, а затем переходим к «условиям  прочности».

При проектировании по СНиП П-8. 3-62 металлических  конструкций третье предельное состояние не учитывается, так как появление трещин зависит не от силовых воздействий,  развивающихся при эксплуатации сооружений, а от неправильностей  технологии или монтажа, как, например, трещины при сварке. Мы имеем дело не с проектированием, а уже с существующими  конструкциями, поэтому аварии металлоконструкций естественно  рассматривать по всем трем предельным состояниям.

Надежность конструкций и сооружений зависит от многих  факторов: марки материала, сечения элементов, их формы, качества изготовления и монтажа, условия эксплуатации, своевременного ремонта, в необходимых случаях — усиления конструкций и т. п.

Все эти факторы влияют на срок нормальной эксплуатации и  определяют несущую способность сооружения и его отдельных  конструктивных элементов. Каждая конкретная авария есть результат совокупности нескольких причин, сочетание нескольких  неблагоприятных факторов. Вместе с тем всегда можно выделить  основную причину, непосредственно или косвенно приведшую к аварии.

Обрушивается или приходит в аварийное состояние самое слабое звено, самый дефектный элемент, неправильно запроектированный или имевший отклонения от проекта. Во многих случаях, главным образом при полном обрушении конструкции, бывает трудно установить основную причину аварии. Например, при осмотре обрушившихся ферм с погнутыми  стержнями невольно возникает подозрение на возможную потерю  устойчивости; при более же тщательном изучении характера  обрушения выясняется, что эти стержни действительно потеряли  устойчивость, но уже при обрушении — при падении одних конструкций на другие. Установление в каждом конкретном случае основной причины аварии имеет первостепенное значение.

В строительной практике известны случаи, когда неправильное установление основной причины аварии приводило к повторению ее в том же месте.

При исследовании аварий следует совершенно четко  разграничивать основную причину от непосредственной причины,  вызывающей аварию.

Из классификации видно, что потеря устойчивости является  самой распространенной как основной причиной аварии, так и  встречающейся в различных сочетаниях с другими.

Определенный интерес представляет классификация аварий по следующим признакам:

по отраслям промышленности, т. е. по строительным объектам;

по типу конструкций;

по типу сопряжений;

по причинам возникновения и характеру повреждений;

по величине деформаций и разрушений.

Такой принцип классификации был принят Г. А. Цвингман при анализе аварий деревянных конструкций.* Нам же представляется, что наиболее интересна и практически полезна классификация по причинам, вызвавшим аварии определенных типов конструкций, ибо для каждой отдельной группы конструкций характерны и свои основные причины аварий.

...