Россия
НОВОЧЕРКАССК, Ростовская область, Россия
НОВОЧЕРКАССК, Ростовская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 08.02.01 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений
ББК 385 Строительные конструкции
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
BISAC ARC024000 Buildings / General
При проведении обследований металлических конструкций производственных зданий выявляется одно из наиболее характерных повреждений – коррозия. Для оценки степени эксплуатационной пригодности и возможности дальнейшей безопасной эксплуатации строительной конструкции или здания и сооружения необходимо правильно оценить опасность коррозионного поражения и определить возможность дальнейшей эксплуатации. С этой целью выполнено экспериментальное исследование стоек с имитацией коррозионного поражения и сравнение с результатами расчета по нормативным рекомендациям.
обеспечение эксплуатационной безопасности зданий и сооружений, коррозионный износ стальных конструкций производственных зданий, экспериментальные исследования стальных внецентренно-сжатых стоек
Основной задачей эксплуатационных служб зданий и сооружений на производственных предприятиях является обеспечение безопасности людей и оборудования, связанное в первую очередь с надежностью несущих конструкций [1,2]. При обследовании производственных зданий, как правило, выявляются повреждения, влияющие на особенности силового сопротивления несущих конструкций. Для оценки степени эксплуатационной пригодности и возможности дальнейшей безопасной эксплуатации строительной конструкции или здания и сооружения в целом [3] требуется установить некоторый диапазон значений физико-механических свойств строительных конструкций [4,5], а также параметров дефектов и повреждений, выявленных в процессе обследования [6,7]. Эксплуатация металлических конструкций производственных объектов в условиях агрессивных сред, сброса промышленных стоков и выбросов отработанных газов может привести к неконтролируемым деформациям несущих конструкций и аварийному состоянию зданий [8]. Наиболее характерными повреждениями стальных конструкций производственных зданий, влияющими на работоспособность и эксплуатационную пригодность, являются разрушение защитных покрытий и коррозия металла (рис. 1). Инженерные обследования зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред, показывают, что межремонтные сроки соблюдаются не всегда, качество капитальных ремонтов, включая усиление строительных конструкций, не всегда удовлетворительное, традиционные методы антикоррозионной защиты не всегда эффективны [9].
Рис. 1 Коррозионное повреждение сквозной колонны
производственного здания
Коррозионный износ элементов несущих стальных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, зависит от параметров среды (концентрация и состав агрессивных газов, жидкостей, пыли) и конструктивных особенностей элементов (марка стали, форма поперечного сечения, место расположения в каркасе), что наглядно показано в работах [10,11].
В работе [12] отмечается, что большинство аварий, причиной которых была коррозия несущих металлоконструкций происходило внезапно без каких-либо заметных деформаций элементов, в то время как сечение под действием коррозии уменьшалось длительное время. Авторы объясняют это явление особенностями сечений, в которых коррозия неравномерна и имеются ослабления. На некоторых участках металл коррозирует интенсивнее (рис. 2), не вызывая при этом заметных деформаций элементов, что может привести к внезапному разрушению, аналогичному хрупкому. При эксплуатации в агрессивных средах прежде всего повреждаются сечения с наличием щелей (например, сечения из спаренных уголков и швеллеров), труднодоступных для очистки и окраски при изготовлении и обслуживании, трубчатые и коробчатые сечения, недоступные для осмотра, элементы с прерывистыми швами и болтовыми соединениями.
Рис. 2. Слоистая коррозия стенки двутавровой колонны в месте фланцевого соединения демонтированного ригеля
Для оценки снижения несущей способности элементов с коррозионными повреждениями авторами данной статьи были выполнены экспериментальные исследования работы внецентренно сжатых стоек с имитацией коррозионного повреждения [13] с целью:
- определить опытным путем силовое сопротивление внецентренно-сжатых стоек из стальных прокатных двутавров с имитацией коррозионного повреждения;
- исследовать напряженно-деформированное состояние стоек в процессе их нагружения и сравнить полученные значения напряжений и перемещений со значениями, полученными расчетом по рекомендациям нормативных документов.
Геометрические характеристики экспериментальных образцов с имитацией коррозионного повреждения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Геометрические характеристики экспериментальных образцов
|
Марка стойки |
Длина, L, мм |
Высота сечения, Н, мм |
Площадь сечения, см2 |
Ослабление сечения, %
|
|
|
А |
Адеф |
||||
|
C4 |
1532 |
100 |
12 |
8,15 |
32,1 |
На рисунке 3 показаны экспериментальные модели стоек с наклеенными тензометрическими датчиками.
|
|
|
Рис. 3. Установка тензометрических датчиков на двутавровой стойке с имитацией коррозионного повреждения
Потеря несущей способности испытанных стоек происходила путем потери устойчивости второго рода, что соответствует первой группе предельных состояний. Среднее достигнутое значение максимального показания динамометра Nкр = 77,5 кН принято в качестве предельного значения нагрузки на стойку. Явлений местной потери устойчивости элементами стоек во время опытов не наблюдалось.
В нормативной литературе [14] значение критической нагрузки для стоек с ослаблениями сечений определяется по формуле:
где:
Nосл = σослAосл – компенсирующая добавка к сжимающему усилию;
Mxосл = Nослyосл – компенсирующая добавка к изгибающему моменту при внецентренном сжатии;
Myосл = Nослxосл – компенсирующая добавка к изгибающему моменту при внецентренном сжатии;
xc, yc – координаты наиболее напряжённой точки фактического поперечного сечения в системе координат неповреждённого сечения;
Ryo – предел текучести материала стойки;
γc – коэффициент, учитывающий условия работы рассчитываемого элемента конструкции [15], принят равным 1,00;
A, Ix, Iy – геометрические характеристики неповреждённого сечения;
xосл, yосл – координаты центра тяжести площади ослабления Aосл в системе координат неповреждённого сечения;
Iосл, Iосл – моменты инерции площади ослабления.
Для рассматриваемой стойки были рассчитаны необходимые параметры (табл. 2 и 3).
Таблица 2
Геометрические характеристики сечения неповреждённой стойки, в мм
|
Aфакт |
Wx |
Wy |
Ix |
Iy |
ix |
iy |
xо |
yо |
xс |
yс |
|
1195,4 |
39061,1 |
5694,3 |
1953055,5 |
156594,2 |
40,4 |
11,4 |
0,0 |
0,0 |
27,5 |
50 |
Таблица 3
Геометрические характеристики ослабленного сечения стойки, в мм
|
Aфакт |
Wx |
Wy |
Ix |
Iy |
ix |
iy |
xо |
yо |
xс |
yс |
|
757,9 |
20525,1 |
1794,0 |
944152,5 |
47542,0 |
35,3 |
7,9 |
0,0 |
0,0 |
26,5 |
46,0 |
Подставив приведенные выше значения в формулу (1) получено значение критической нагрузки Fкр = 47,75 кН для поврежденной стойки методом подбора с использованием функции «подбор параметра» в Excel.
Сравнение величины критической силы, полученной экспериментальным путем, с рассчитанным по нормативной методике значением, позволяет сделать вывод о том, что расчетное значение критической нагрузки меньше значения, полученного экспериментальным путем на 38 %. Выполненное исследование показывает, что значения критической нагрузки, определенное по нормативной методике [14], дает коэффициент запаса 1,3 – 1,4.
1. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения;
2. Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам/ЦНИИПромзданий. - М.: Госстрой, 2001;
3. Бузало Н.А., Канунников А.В. Определение коэффициента значимости строительных конструкций при оценке технического состояния зданий//Строительство и реконструкция. Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева (Орел) - 2018 - №3(77) - с.3-11. 21;
4. Рекомендации по обследованию стальных конструкций производственных зданий/ ЦНИИПроектстальконструция. - М.: Госстрой СССР, 1988;
5. РД 22-01-97. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследование строительных конструкций специализированными организациями). - М.: ЦНИИ «Проектстальконструкция», 1997;
6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Свод правил по проектированию и строительству. - М.: Госстрой России. ГУЛ ЦПП, 2003;
7. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Общие положения. - М.: Стандартинформ, 2010;
8. Астафьев В.И. Накопление поврежденности в металлах в условиях коррозионного растрескивания под напряжением /В.И. Астафьев, Л.К. Ширяева. - Изв. АН РАН. МТТ, 1997. - С. 60-68;
9. Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов / Г.В. Карпенко. - Киев: Наукова думка, 1976. - 125 с.];
10. Вольберг Ю.Л., Коряков А.С. Влияние агрессивных сред на несущую способность строительных металлических конструкций. - В кн. Долговечность строительных конструкций на Севере. - Якутск, 1981;
11. Аугустин Я., Шледзевский Е. Аварии стальных конструкций, М. СИ, 1978. - 175 с;
12. Овчинников И.Г. О методологии построения моделей конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами / Овчинников И.Г. Определение долговечности элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой / И. Г. Овчинников, В. В. Петров // Строительная механика и расчет сооружений. 1982. - № 2. - С. 13-18;
13. Шутова М.Н., Евтушенко С.И., Гонтаренко И.В. Определение надежности и категории технического состояния поврежденных металлических конструкций на основе численного эксперимента // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. Технические науки - 2018. - № 4 (200). - С. 98-104. DOI:https://doi.org/10.17213/0321-2653-2018-4-98-104;
14. Евтушенко С.И., Алексеев С.А., Петров И.А., Федорчук В.Е. Использование МКЭ при расчете элементов машин// 14-я международная «Динамика технических систем». ДТС 2018. Донской Государственный Технический Университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация, 12-14 сентября 2018г. Код 141842 // (2018) MATEC Web of Conferences 226, 04010. Scopus: 2-s2.0-85056493813 DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/201822604010;
15. Евтушенко С.И., Петров И.А., Алексеев С.А., Алексеева А.С. Оптимизация металлической плиты с использование МКЭ// 3-я международная конференция по промышленному проектированию, применению и производству, ICIEAM-2017-Челябинск, Российская Федерация; 16-19 мая 2017. Код 131476 // Материалы конференции 19 октября 2017. Institute of Electrical and Electronics Engineers Conference Publications, 8076433, WOS: 000414282400326; Scopus: 2-s2.0-8503996656; DOI:https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076433;
16. Бузало Н. А., Гонтаренко И. В. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых стоек c повреждениями //Интернет-журнал Науковедение. - 2014. - №. 1 (20);
17. Евтушенко С.И., Федорчук В.Е., Алексеева А.С., Черныховский Б.А. Анализ напряжений несущего профиля вулканизационного пресса/ Международная Научно-Техническая Конференция Строительство и Архитектура : Теория и Практика Международного Развития, CATPID 2018; Ростов-на-Дону, Российская Федерация ; 8-12 октября 2018; Код 219729 // (2018) Materials Science Forum 931 MSF, pp. 200-206, Scopus: 2-s2.0-85055947052 DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.931.200
18. Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП II-23-81*). Укрниипроектстальконструкция Госстроя СССР. - .М: Стройиздат, 1987.
19. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».
