Вопросы надежности фермовых конструкций

№82-1,

технические науки

Затрагиваются основные проблемы надежности и безопасности фермовых конструкций связанных, как с технологией их изготовления, так и осуществлением монтажных работ. Рассмотрены две группы математических моделей позволяющие исследовать напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций и получить показатели надежности.

Похожие материалы

В настоящее время большое количество исследований в области строительных конструкций направлено на обеспечение безопасности. Надежность зданий и конструкций напрямую зависит от надежности их конструктивных элементов. В тоже время на надежность любой конструкции влияет ряд факторов, встречающихся на этапах расчета, изготовления, монтажа и эксплуатации. Одним из основных элементов в современном строительстве являются фермы. Фермой называют жесткую конструкцию (металлическую, железобетонную, и т.д.), состоящую из стержней, соединенных между собой по концам шарнирами и образующих геометрически неизменяемую систему. Шарнирные соединения стержней фермы называют её узлами. Данные конструкции применяют при постройке мостов, креплений зданий, в грузоподъемных и транспортных машинах. Первоначальным критерием надежности фермы является ее расчет, в частности, определение усилий в ее стержнях.

На первоначальном этапе расчета остановимся на рассмотрении ферм удовлетворяющих условию жесткости, которое является для плоской фермы и условием статической определимости. Задача расчета фермы с точки зрения теоретической механики состоит в определении опорных реакций и сил, сжимающих или растягивающих каждый из стержней. Опорные реакции находятся обычным методом статики, при этом ферму необходимо рассмотреть как твердое тело.

Усилия в стержнях можно могут быть определены следующими методами:

  • вырезания узлов;
  • диаграммы Максвелла-Кремоны;
  • сечений (методом Риттера).

Анализ аварий в области строительных конструкций показал, что помимо расчетных параметров на их надежность оказывает влияние большое количество других факторов.

В качестве примера можно привести основные причины обрушений галерей конвейеров, произошедших на промышленных предприятиях:

  • применение для основных несущих конструкций (ферм, опор, колонн) стали низкого качества, не имеющей гарантий по пределу текучести и по химическому составу и обладающей повышенной хрупкостью, непригодной для изготовления ответственных сварных конструкций, особенно работающих в условиях отрицательных температур;
  • неудовлетворительное качество сварных швов (отсутствие провара, заниженные по высоте и длине размеры швов, шлаковые включения и т. п.) с наличием больших зазоров во фланцевых соединениях и отсутствие должного контроля за их качеством;
  • наличие больших эксцентриситетов в местах опирания ферм на опоры и в соединениях отдельных частей опор;
  • неудовлетворительное выполнение фундаментов опор;
  • неудачные конструктивные решения опор;
  • несоблюдение требований СНиП.

Показано, что причинами обрушений галерей были как отдельные факторы, перечисленные выше, так и их совокупность.

Надежность конструкций также напрямую связана с дефектами, допускаемыми при монтаже ферм. Заводы-изготовители иногда заменяют проектные сечения на меньшие, занижают размеры сварных швов, пропускают соединительные прокладки и даже целые элементы. Бывают случаи, когда элементы, запроектированные по одному стандарту, заменяются элементами по другим стандартам без учета разности геометрических и механических характеристик. Допускаются зазоры между элементами и фасовками, доходящими порой до 8...10 мм, а также большое число расцентровок узлов сопряжений ферм. Основными дефектами при монтаже ферм являются смещения узлов верхнего и нижнего поясов из плоскостей, доходящих иногда до 100...300 мм.

Сварные швы в узлах выполняются с непроварами и подрезами, имеются большие шлаковые включения, уменьшаются размеры швов против проектов. Имеют место случаи, когда стальные фермы монтируются не по проекту. Так, при монтаже покрытия одного завода шесть ферм были перевернуты на 180°, вследствие чего нижний пояс оказался наверху, а верхний — внизу. Естественно, что знаки усилий в элементах ферм изменились на противоположные; растянутые подвергались сжатию, сжатые — растяжению. Несущая способность фермы оказалась недостаточной. Иногда заводы-изготовители допускают при выполнении вертикальных и горизонтальных связей: замену профилей связей на меньшие, отступление от проектов в части размеров швов (иногда они отсутствуют совсем). Как правило, конструкции собирают с большими эксцентриситетами в узлах с отклонениями до 500 мм. Связевые элементы порой монтируют без правки и ставят изогнутыми. Иногда связи, предусмотренные проектом, вообще отсутствуют.

В отдельных случаях отступления допускаются в узлах сопряжений конструкций ферм с колоннами, ригелей с колоннами, в местах опирания подкрановых балок на колонны. Были случаи, когда узлы сопряжений, запроектированные жесткими, исполнялись при монтаже шарнирно, и наоборот. Иногда для выравнивания подкрановых балок по высоте под опорные части укладывают прокладки без сварки между собой.

В результате неправильного монтажа колонн и стропильных ферм сборные железобетонные плиты покрытий имеют недостаточное опирание на фермы. Плиты покрытий заходят на полку верхнего пояса фермы всего на 10...20 мм, а иногда и менее. На одном из заводов фермы покрытий имели такие грубые отклонения, что в результате некоторые плиты не доходили до оси ферм на 180...200 мм. Для поддержания плит во время монтажа были установлены кронштейны из уголков. Опирание плит на кронштейны и консоли дополнительно нагружает верхний пояс фермы, вызывая крутящий момент, и не обеспечивает безопасной эксплуатации зданий.

В настоящее время важным и актуальным направлением при осуществлении строительной и инвестиционной деятельности является решение проблем надежности и безопасности, минимизации риска возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера строящихся и эксплуатирующихся зданий и сооружений, в особенности сложных инженерных сооружений. Одним из вариантов решения данной задачи был предложен мониторинг конструктивной безопасности и надежности объектов строительства. На примере строительства и эксплуатации ряда уникальных общественных и спортивных зданий и сооружений с устройством большепролетных покрытий показано, что мониторинг проводился систематически на всех стадиях строительства и эксплуатации объектов. Мониторинг позволял контролировать параметры напряженно-деформированного состояния, техническое состояние основных несущих конструкций, фактические усилия в элементах конструкций и соответствие их проектным (расчетным) данным, надежность стальных конструкций.

Ещё одним не маловажным фактором является математическое моделирование поведения металлических и железобетонных конструкций, описывающих их напряженно-деформированное состояние. Последние исследования в этой области показали, что математические модели, описывающие данное явление, делятся на две группы: детерминированные и вероятностные. При применении детерминированных математических моделей все расчетные параметры принимаются в соответствии с нормами проектирования железобетонных конструкций, и сама модель основывается на аналитических зависимостях, описывающих напряженно-деформированное состояние конструкций на всех этапах нагружения. Вероятностные модели позволяют оценить адекватность выбранной математической модели по исследованию напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций и получить показатели надежности, по которым оценивается их эксплуатационная пригодность на различных этапах жизненного цикла: стадии проектирования, изготовления и эксплуатации.