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

Большая площадь поверхности решетчатых конструкций, трудность доступа  ко всем элементам, особенно к верхним  поясам, затрудняет качественную подготовку и окраску их при эксплуатации. В результате уже через 2, 3 года после дополнительной окраски защитные покрытия разрушаются и коррозионный процесс интенсифицируется.

3.2. Конструкции стальных колонн

Характерными повреждениями стальных колонн (рис. 1) являются:

вырезы 1 в стенке колонны, трещины 2 в сварных швах, искривления  раскосов 3 по всей длине, искривления  ветви 4 в плоскости рамы, вырывы 5 в полке подкрановой ветви, трещины 6 в полке ветви, местные погнутости 7 раскосов, обрывы 8 анкерных болтов.

Рис. 1.

Колонны производственных зданий работают в более благоприятных условиях, чем другие элементы каркаса. Расчет колонн выполняется на совместное действие нескольких нагрузок и в нормальных условиях эксплуатации усилия в колоннах значительно меньше расчетных. Мощные развитые сечения колонн лучше сопротивляются механическим и коррозионным воздействиям. Преимущественная работа на сжатие и слабое воздействие динамических и вибрационных нагрузок не создают предпосылок для возникновения хрупких разрушений. Как показывают обследования, даже при большом сроке эксплуатации состояние колонн в основном удовлетворительное, а случаев обрушения колонн не зафиксировано.

Дефекты изготовления (искривления  и погибы отдельных элементов, дефекты  сварных швов), как правило,   незначительны и мало влияют на несущую способность колонн. Более существенны дефекты монтажа, основными из которых являются отклонения от проектного положения (смещение в плане, отклонение от вертикали), искривления колонн и слабая затяжка анкерных болтов. Эти дефекты изменяют расчетную схему колонн, вызывают дополнительные моменты вследствие эксцентричного приложения нагрузки от подкрановых балок и элементов покрытия и могут привести к преждевременной потере устойчивости. Кроме того, отклонение колонн от проектного положения ухудшает работу элементов стенового ограждения и нарушает геометрию подкрановых   путей,  что   может  мешать их нормальной эксплуатации.

Повреждения колонн при эксплуатации связаны в основном с нарушениями  правил технической эксплуатации. В  зонах проездов, складирования, работы кранов колонны часто подвергаются ударам транспортируемыми грузами, магнитными шайбами, грейферами и получают искривления и местные погибы. Особенно повреждаются гибкие элементы решетки и полки подкрановых ветвей. В стенках колонн устраиваются вырезы для пропуска коммуникаций без усиления ослабленных сечений. При опирании подкрановых балок на консоли колонн отмечались случаи обрыва консолей, вызванные усталостным разрушением швов их крепления.

В зданиях, возведенных на просадочных  грунтах, наблюдаются значительные осадки и повороты фундаментов, что  нарушает положение подкрановых путей и конструкций покрытия и может вызвать повреждение узлов их крепления.

В горячих цехах на колонны действуют  значительные температуры, в результате чего в нижних частях колонн вблизи тепловых агрегатов и в зонах  складирования горячего металла возникают большие деформации. В зданиях большой длины при установке двух дисков вертикальных связей разрушаются узлы крепления связей, а в элементах связей появляются трещины. Общие коррозионные повреждения колонн сравнительно невелики.

В худших условиях находятся элементы решетки, ребра жесткости и диафрагмы из-за относительной тонкостенности сечения и возможности скопления пыли на горизонтальных поверхностях, что при увлажнении усиливает коррозию.

Значительной местной коррозии подвергаются отдельные узлы и части колонн, особенно в случае соприкосновения их с грунтом, мусором, вблизи ендов и внутренних водостоков с неисправной гидроизоляцией, в местах возможных протечек технических жидкостей и т.д. К таким узлам относятся оголовки колонн, узлы опирания подкрановых балок и особенно базы колонн и узлы крепления вертикальных связей, расположенные ниже отметки пола и необетонированные. Периодическое увлажнение и воздействие агрессивных жидкостей в короткие сроки может привести к сквозному коррозионному поражению конструкций.

3.3. Подкрановые конструкции

Для подкрановых конструкций (рис. 2) характерны следующие повреждения:

трещины 1 в верхнем поясе, трещины 2 в стенке околошовной зоны верхнего пояса, местные погнутости 3 ребер жесткости, трещины 4 в верхнем поясном шве, волнообразное искривление верхних поясов подкрановых балок и местные погнутости 5 верхнего пояса, трещины 6 в швах крепления ребер жесткости, трещины 7 в стенке, под короткими ребрами, погнутости 8 стенки, отклонения 9 подкрановой балки от вертикальной плоскости.

Рис. 2.

Подкрановые конструкции работают в наиболее сложных условиях, значительно отличающихся от работы обычных балочных конструкций и, как показывают обследования, уже через 2, 3 года после начала эксплуатации в зданиях с кранами "особого" режима работы в подкрановых балках появляются первые повреждения.

К основным факторам, способствующим возникновению повреждений подкрановых  конструкций, относятся: действие сосредоточенных  подвижных нагрузок, достигающих 800 кН и носящих динамический характер; переменный и знакопеременный многократно  повторяющийся цикл напряжений, который вызывает усталость металла; сложный характер напряженного состояния;   жесткость  узлов   крепления  подкрановых  конструкций  к колоннам и несоответствие их фактической работы принимаемой расчетной схеме; дополнительные факторы, усложняющие работу конструкции, такие, как эксцентриситет приложения нагрузки, неравномерность давлений на колесах крана, неровности контактной поверхности рельса и пояса, сварочные напряжения и т.д. Интенсивному развитию повреждений способствуют также дефекты изготовления и монтажа. Анализ особенностей действительной работы подкрановых конструкций изложен в [24].

Одной из причин повреждения подкрановых  конструкций является низкое качество сварных соединений. Поясные швы, выполняемые автоматом, в нарушение  требований норм на изготовление конструкций часто не доводятся до торцов балок на 150— 400 мм и завариваются полуавтоматической или ручной сваркой. Низкое качество швов, выполненных вручную или полуавтоматом, создает дополнительную концентрацию напряжений. Глубина проплавления швов, даже выполненных автоматом, часто не превышает 0,5 высоты шва и по линии сопряжения стенки и пояса возникает непровар. Стыки поясов выполняются без выводных планок и имеют кратеры. Все эти дефекты уменьшают предел выносливости соединения и вызывают зарождение усталостных трещин. Монтаж подкрановых конструкций нередко выполняется с отклонениями от проектного положения, рельсы укладываются с эксцентриситетом, что вызывает дополнительные, не учитываемые при расчете воздействия. В швах крепления тормозных конструкций к балкам также встречается много дефектов. Часто эти соединения выполняются прерывистыми швами, отсутствует под-варка и т.д.

Наиболее характерными повреждениями  сварных подкрановых балок являются: трещины в верхнем поясном  шве и в стенке в околошовной зоне, трещины в швах крепления ребер жесткости к верхнему поясу, трещины в стенке под короткими ребрами жесткости, поперечные трещины в верхнем поясе, местные погибы верхнего пояса и ребер жесткости, В балках с ребрами, имеющими вырез, трещины в стенке развиваются от конца выреза. Все трещины носят ярко выраженный усталостный характер и возникают под действием многократно повторяющейся местной нагрузки. Трещины в нижнем поясе подкрановых балок встречаются крайне редко и возможны лишь при наличии существенных дефектов (например, непровары, кратеры, глубокие подрезы в стыках швов),

Местные прогибы верхнего пояса  возникают от эксцентричного приложения местной нагрузки и поворота пояса. Иногда погибы пояса являются следствием потери местной устойчивости. Кроме того, при ремонте кранов на верхние пояса балок опирают домкраты для подъема крана, что также может вызвать местные повреждения.

Отсутствие остаточных сварочных  напряжений, меньшая концентрация напряжений, утолщение верхней части стенки полками поясных уголков, податливость заклепочных соединений облегчают условия работы клепаных балок и делают их более долговечными. Повреждения в них возникают значительно позже, чем в сварных балках. Основные виды повреждений клепаных балок - ослабление и разрушение заклепок верхнего пояса, продольные и поперечные трещины в верхних поясных уголках, местные погибы верхнего пояса. Повреждений в нижнем поясе, как и в сварных балках, практически не наблюдается.

В наиболее сложных условиях работают элементы решетчатых подкрановых балок. Наличие острых концентраторов напряжений в узлах, знакопеременный цикл напряжений в верхнем поясе приводят к ускоренному развитию повреждений усталостного характера [24]. Трещины возникают в продольных швах верхнего пояса (аналогично сварным балкам) и в фасонках. Наблюдались случаи разрыва раскосов.

3.4. Тормозные  конструкции и узлы крепления  подкрановых балок к колоннам

Характерными повреждениями тормозных  конструкций и узлов крепления  подкрановых балок к колоннам (рис. 3) являются:

погнутости 1 тормозного листа, трещины 2 в швах крепления узловых элементов  к колонне, ослабление 3 болтов крепления  узловых элементов в колонне, искривления 4 элементов тормозной фермы, вырезы 5 в элементах тормозной фермы, местные погнутости 6 элементов тормозной фермы, трещины 7 в тормозном листе и фасонках тормозной фермы, трещины 8 в швах крепления тормозного листа и фасонок тормозной фермы, вырезы 9 в тормозном листе, трещины 10 в узловых элементах, трещины 11 в швах крепления узловых элементов к опорному ребру подкрановой балки.

Рис. 3.

Для тормозных конструкций  характерны трещины в швах крепления листов или фасонок к верхнему поясу балок и местные погибы элементов. Часть повреждений тормозных конструкций связана с грубыми нарушениями правил технической эксплуатации — складированием на тормозных площадках тяжелых грузов, вырезкой отверстий и отдельных элементов тормозных ферм и т.д.

Много повреждений возникает в  узлах крепления подкрановых  конструкций к колоннам. Это трещины  и ослабление болтовых соединений в  местах крепления тормозных конструкций  и балок, повреждения элементов крепления, ослабление болтов взаимного соединения балок. Особенно часто повреждаются узлы разрезных балок с жесткими элементами (диафрагмами, горизонтальными накладками), препятствующими повороту и продольному перемещению опорных сечений балок. В немалой степени повреждения подкрановых конструкций зависят от состояния крановых путей: нарушение геометрии путей в плане и по вертикали вызывает дополнительные усилия, смещение рельса с оси балки способствует возникновению крутящего момента, неровности пути и повреждения стыков рельса увеличивают динамический характер нагрузки.

Повреждения подкрановых конструкций  общей поверхностной коррозией  незначительны благодаря мощности сечений и открытому, хорошо обдуваемому  профилю. При обследованиях старых цехов иногда наблюдались отдельные очаги повышенной местной коррозии у опорных узлов, в местах крепления к балке тормозного листа, особенно при наличии в таких местах производственной пыли и атмосферной влаги. Это относится чаще всего к подкрановым балкам крайних рядов при плохом состоянии бокового остекления.

Основным фактором, определяющим развитие повреждений и долговечность  подкрановых конструкций, является интенсивность крановых нагрузок, т.е. режим работы крана. В зданиях  с кранами легкого режима работы (группы режима 1К— ЗК по ГОСТ 25541—82) интенсивность крановых нагрузок мала и усталостные повреждения не успевают проявиться. Повреждения подкрановых конструкций в таких зданиях достаточно редкие и возникают в основном только при нарушениях правил технической эксплуатации и грубых ошибках проектирования, изготовления и монтажа.

При среднем режиме работы крана (группы режима 4К—5К) вероятность усталостных  повреждений повышается. Однако в  связи с невысокой интенсивностью крановых нагрузок первые усталостные повреждения в подкрановых балках появляются через 20 лет после начала эксплуатации. В наиболее сложных условиях работают подкрановые конструкции в зданиях с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы (группы режима 6К— 8К). В основном это здания металлургического производства. Повреждения подкрановых конструкций в таких зданиях возникают уже в первые годы эксплуатации и иногда через 5—10 лет балки выходят из строя,

К основным повреждениям балок путей  подвесных кранов относится абразивный износ по ширине и толщине ездовой полки и толщине стенки [36]. Для кран-балок грузоподъемностью до 5 т решающим является износ по ширине полки и толщине стенки. Перекосы крана и сужения — расширения путей способствуют ускоренному абразивному износу.

Из других повреждений балок путей следует отметить остаточные прогибы, которые возникают при подъеме грузов, превышающих грузоподъемность крана, отгибы  полок балок, трещины и расстройство болтовых соединений в узлах крепления балок к вышележащим конструкциям.

Характерной особенностью эксплуатации рабочих площадок цехов металлургического цикла является воздействие на них динамических подвижных нагрузок от завалочных машин и железнодорожных составов, а также высоких температур. Усталостные повреждения главных балок, расположенных под путями, во многом аналогичны повреждениям подкрановых балок, однако в связи с меньшей величиной и интенсивностью нагрузок накопление повреждений в них происходит медленнее.

В цехах с горячим производством  в результате температурных воздействий  элементы рабочих площадок часто получают искривления. Периодические нагрев и охлаждение конструкций расшатывают и повреждают опорные соединения. В элементах вертикальных связей возможны трещины.

Основными видами повреждений вспомогательных  металлических конструкций зданий (площадки, лестницы, ограждения, ворота и т.д.) являются механические повреждения и коррозионный износ, обусловленные тонкостенностью сечений, а также вызванные нарушениями правил технической эксплуатации (удары, перегрузка, загрязнение и т.д.).