Дефекты и повреждения стальных строительных конструкций в процессе проектирования, монтажа и эксплуатации

3.1. 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.

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 40 мм) расстоянии между торцами элементов решетки и поясами. Ограничение на этот размер было введено в СНиП М-В.3-62. В таких фермах в результате возможного при кантовках перегиба фасонок, локализуемого на участках малой длины, отмечались трещины в узлах. Кроме того, при близком расположении швов в фасонках создается поле растягивающих сварочных напряжений, что повышает опасность хрупкого разрушения [24, 39].

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 20 см. Дополнительные моменты, возникающие в узлах, приводят к изгибу стержней и более раннему развитию пластических деформаций вплоть до образования пластического шарнира. По длине стержня пластические деформации быстро затухают. Если для растянутых элементов ферм даже при значительной расцентров-ке не происходит заметного снижения несущей способности, то сжатые элементы могут преждевременно потерять устойчивость, кроме того, на участках, примыкающих к узлу, при развитии пластических деформаций возможна местная потеря устойчивости полок.

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, 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.

При подвеске блоков и креплении  коммуникаций общие искривления часто сопровождаются местными погибами, а на элементах остаются следы крепления тросов. Такие повреждения чаще встречаются в поясах ферм. Ужесточение опорного узла ферм (увеличение толщины фланца, обварка узла) при шарнирной расчетной схеме приводит к появлению дополнительного, не учитываемого расчетом, опорного момента. Нижний пояс от горизонтальной составляющей оказывается сжатым и при большой гибкости теряет устойчивость. Нередко предусмотренные в проекте распорки по верхним поясам ферм в подфонарном участке пропускаются при монтаже или вырезаются в процессе эксплуатации. В результате увеличивается расчетная длина пояса из плоскости фермы и он может потерять устойчивость.

Перегрузка ферм возникает при возрастании собственного веса покрытия (применение более тяжелых, чем принято в проекте плит покрытия, увеличение толщины и утяжеление утеплителя и стяжки, наложение дополнительных слоев гидроизоляционного ковра и т.д.), подвеске дополнительных, не предусмотренных проектом коммуникаций и оборудования, отложений пыли на кровле, больших снегоотложений, привышающих расчетное значение снеговых нагрузок и образование снеговых мешков.

При увеличении нагрузок сжатые элементы, особенно если они имели начальные  искривления или погибы, теряют устойчивость, что в конечном счете может привести к обрушению ферм. В растянутых элементах при увеличении нагрузки могут развиться пластические деформации, в результате увеличивается прогиб фермы и перераспределяются усилия в элементах. Однако, как показывают обследования, разрыв растянутых элементов — явление чрезвычайно редкое даже при больших перегрузках, что свидетельствует об определенных запасах их -несущей способности. Повреждение и разрушение сварных и клепаных соединений ферм от перегрузок при качественном их изготовлении также бывает крайне редко.

В горячих цехах температура нагрева конструкций покрытия достигает иногда 200-300°С. В этих условиях при стеснении температурных перемещений в нижних поясах появляются сжимающие усилия, которые превышают критическую силу потери устойчивости. В результате элементы нижнего пояса искривляются, и ферма получает большие прогибы.

Трещины в фасонках и стыковых накладках  ферм хотя и встречаются редко, тем  не менее представляют собой одно из наиболее опасных повреждений. Их появление связано, как правило, с низким качеством материала (применение кипящих сталей, сильно загрязненных вредными примесями), наличием острых концентраторов (дефекты сварных швов, надрезы кромок и т.д.), предварительным пластическим деформированием металла в результате перегибов при кантовке ферм. В этих условиях трещина может возникнуть и при достаточно низких рабочих напряжениях (для кипящих сталей при 4-5 кН/см2). Нередко трещины возникают еще во время изготовления и монтажа ферм. При эксплуатации конструкций при пониженной температуре (ниже критической для данной марки стали) или увеличении нагрузки трещины развиваются и могут привести к обрушению конструкций.

Расстройство болтовых соединений в опорных узлах ферм встречается  довольно редко и связано в  основном с повышенными динамическими  воздействиями кранов. Подстропильные фермы имеют достаточно мощное сечение элементов и повреждаются в значительно меньшей степени, чем стропильные.

Основным видом повреждений  прогонов кровли являются остаточные прогибы, вызванные перегрузкой  покрытий от чрезмерного скопления снега, пыли й превышения собственного веса покрытия по сравнению с проектом. Особенно часты остаточные прогибы в местах перепада высот и у фонарей, т.е, в зонах образования снеговых мешков. Недостаточное раскрепление прогонов (удаление или провисание тяжей по прогонам, отсутствие элементов крепления кровельного настила и т.д.) приводит к искривлению их в плоскости ската.

Для конструкций фонарей наиболее частым повреждением является искривление  раскосов стоечных фонарей с нисходящими  раскосами. В соответствии с принимаемой расчетной схемой расчет раскосов выполняется в предположении их работы на растяжение. В то же время в нисходящем раскосе при достаточной жесткости его прикрепления в узлах от действия ветровой нагрузки возникает сжимающее усилие, что вызывает потерю их устойчивости.

Массовый характер носят повреждения  связей по покрытию, особенно в горячих  цехах и в зданиях, где эксплуатируются  краны особо тяжелого режима работы. К наиболее частым повреждениям связей относятся искривления и местные  погибы, удаление связей для пропуска коммуникаций, расстройство узлов крепления. При этом снижается пространственная жесткость каркаса, увеличивается расчетная длина сжатых поясов ферм, нарушается проектное положение конструкций. Особую опасность вызывает удаление или повреждение распорок по верхним поясам ферм в подфонарных участках, что может привести к потере устойчивости пояса и вызвать обрушение покрытия. При малых зазорах между мостовыми кранами и конструкциями покрытия провисающие связи препятствуют нормальной эксплуатации кранов.

Опасным дефектом является недостаточная  площадь опирания плит покрытия на стропильные фермы и прогоны, что может привести к обрушению  кровли. К грубым нарушениям требований монтажа относится также отсутствие приварки железобетонных панелей к поясам ферм, так как при этом ухудшаются условия раскрепления поясов и увеличивается их расчетная длина.

Сложная конфигурация сечений, малые  толщины проката, зазоры в элементах  из парных уголков уменьшают коррозионную стойкость решетчатых элементов покрытия. Повышенная влажность воздуха, наличие агрессивных по отношению к металлу компонентов приводят к развитию равномерной коррозии элементов. Протечки кровли и стенового ограждения, выделение пара или конденсата из-за неисправностей стыков трубопроводов способствуют развитию местных коррозионных поражений. Особо интенсивные местные коррозионные поражения возникают в опорных узлах стропильных и подстропильных ферм, расположенных вблизи воронок внутренних водостоков, в верхних поясах ферм в местах опирания фонарей и у ендов кровли. Ускорению коррозии способствует скопление пыли на элементах конструкций, особенно в случае ее увлажнения. Наиболее высокая скорость коррозии элементов покрытия отмечается в травильных, гальванических и других производствах, связанных с агрессивными жидкостями, находящимися в открытых емкостях.