Пашинский Виктор Антонович – Заведующий кафедрой технологии
строительных конструкций, изделий и материалов,
доктор технических наук, профессор, академик Академии
строительства Украины, г.Полтава, Украина
Пичугин Сергей Федорович – Заведующий кафедрой конструкций
из металла, дерева и пластмассы, доктор технических наук,
профессор, академик Академии строительства Украины
Семко Александр Владимирович – Заведующий кафедрой архитектуры
и городского строительства, доктор технических наук, профессор,
академик Академии строительства Украины
Анализу аварий стальных конструкций посвящены многочисленные статьи и монографии [1-5], но каждая авария, подтверждая общие закономерности, имеет свои индивидуальные особенности и дает исследователям и проектировщикам свои уроки, изучая которые можно в последующем избежать досадных ошибок в проектировании и строительстве стальных конструкций зданий и сооружений различного назначения.
Цель данной статьи – описать картину, назвать причины и выявить закономерности разрушения стальных конструкций одного из недостроенных спортивных залов в Украине. По данной аварии авторы статьи выступали экспертами государственного архитектурно-строительного контроля.
Спортивный зал представлял собой одноэтажное однопролетное здание пролетом 30,0 м, длиной 48,0 м, с отметкой низа несущих конструкций покрытия 14,0 м. Зал примыкал к кирпичному четырехэтажному зданию административных и бытовых помещений спортивного комплекса размерами 12,0×30,0 м. В качестве несущих конструкций здания одним из научно-производственных объединений Украины были разработаны легкие стальные поперечные рамы, установленные с шагом 4,0 м. Рамы были образованы из универсальных секций сплошностенчатого типа, имеющих длину 1,5, 1,8 и 3,0 м. Авторами проекта было разработано четыре основных типоразмера секций – опорная, две рядовых и средняя. В поперечном сечении секции имели двутавровый профиль, пояса которого выполнены из холодногнутых стальных труб прямоугольного сечения с размерами 120×60×4 мм, а стенка – из листовой стали толщиной 4 мм. Все узлы соединения секций были выполнены на конических втулках, стянутых высокопрочными болтами класса 10.9.
Крепление рам к фундаментам осуществлялось четырьмя анкерными болтами диаметром 24 мм непосредственно к опорной плите базы толщиной 20 мм. В средней части здания зала установлены вертикальные крестовые связи по колоннам из одиночных прокатных уголков 63×5 мм.
Рис. 1. Общий вид стальных рам в процессе монтажа
По стальным рамам с шагом 1,5 м уложены прогоны из гнутых швеллеров №16, к которым саморезами закреплялся стальной профилированный настил, Z-образные профили высотой 150 мм, между которыми укладывался утеплитель из трех слоев минераловатных плит, и верхние ограждающие листы профилированного настила. К торцовой кирпичной стене прогоны пролетом 4 м крепились шарнирно на фланцевых узлах, закрепленных с помощью анкерных стержней, заложенных в кирпичную кладку. В продольных стенах зала выполнены световые проемы для организации естественного освещения зала.
Рис.2. Соединения унифицированных секций
Расход стали на несущие конструкции в спортзале составлял менее 40 кг/м2. Общий вид рамы в процессе строительства представлен на рис.1, унифицированные секции и их соединения показаны на рис.2.
Объект был не законченным строительством, однако были смонтированы несущие и ограждающие конструкции до приостановки строительства в связи с началом зимнего сезона и некоторыми организационными и техническими затруднениями.
Рис. 3. Общий вид здания после обрушения
Обрушение (рис.3 и 4) произошло в феврале при следующих атмосферных нагрузках: снеговая – 0,7 кПа, ветровая – 0,12 кПа, температура – минус 8ºС (по данным метеостанции). В то же время расчетные нагрузки для района строительства значительно больше: снеговая – 1,74 кПа, ветровая – 0,5 кПа (с учетом нормативного срока службы здания). Изучение проектной документации, осмотр и замеры конструкций в натуре, химический анализ качества стали и поверочные расчеты стальных конструкций выявили ряд конструктивных ошибок и спорных моментов в проекте каркаса, а также в его реализации в процессе строительства. В частности, нижний пояс пролетной шпренгельной затяжки был выполнен на одиночных фасонках с разрывом уголков в узлах перегиба (без накладок) с недопустимо малым зазором (5-8 мм) между сварными швами. В опорных узлах пояса шпренгельной затяжки отсутствовало центрирование элементов, пояс крепился к фасонкам с эксцентриситетом до 50 мм. Недостаточно развитой была система связей каркаса: вертикальные связи по двухветвевым колоннам были выполнены одноветвевыми из одиночных уголков с креплением к стенке колонн толщиной 4 мм, отсутствовали ветровая ферма по торцовой стене и распорки между рамами, обеспечивающие устойчивость каркаса в продольном направлении при монтаже и эксплуатации каркаса.
Рис. 4. Внутренний вид здания после обрушения
Анализ качества стали конструкций выявил в отдельных элементах рамы наличие кипящей стали. Поверочные расчеты показали, что карнизные узлы и затяжки рам имели достаточную несущую способность при учете фактических нагрузок и были перенапряжены при учете расчетных нагрузок по нормам, действующим в Украине [6]. Кроме того, в узлах крепления затяжки к ригелю рамы были выявлены значительные перенапряжения сварных швов (576,3 МПа при расчетном сопротивлении швов 180 МПа) вследствие крепления затяжки с эксцентриситетом. Такая ситуация объясняется тем, что авторы проекта, используя один из апробированных вычислительных комплексов, некорректно представили пространственную систему для расчета каркаса.
Рис. 5. Места обрыва затяжек
Учитывая вышеприведенные данные и результаты осмотра конструкций спортивного зала после обрушения, была воспроизведена следующая картина разрушения каркаса. В момент аварии при фактически действовавших снеговой и ветровой нагрузках в монтажных сварных швах опорных фасонок шпренгельной затяжки рамы возникли усилия, которые превысили их несущую способность и вызвали разрушение швов (рис.5). После отрыва одной из затяжек произошло резкое деформирование неподкрепленного ригеля и догружение через прогоны соседних рам, в которых лавинообразно произошло то же событие – разрушение значительно перегруженного опорного узла затяжки. Вследствие уменьшения жесткости пролетной части рам в них произошло перераспределение усилий с резким ростом карнизных моментов, что привело к разрушению накладок в карнизных узлах всех рам. В результате пролетная часть рам превратилась в изменяемую систему в виде трехшарнирного механизма, разрушение стало прогрессирующим. При этом некоторые опорные узлы рам разрушились с хрупким разрывом стенок колонн в местах концентрации напряжений (рис.6). В этих узлах химический анализ выявил кипящую сталь Ст08кп. Рама, закрепленная за кирпичную стену, упала последней, сорвала часть парапета и вызвала разброс кирпичей на 8-10 м от стены.
Рис. 6. Хрупкое разрушение опорных узлов колонн
Таким образом, основной причиной аварии было разрушение узла крепления затяжки ригеля. При этом численный анализ пространственной работы каркаса свидетельствовал о возникновении прогрессирующего обрушения при отрыве одной из затяжек, поскольку при этом скачкообразно вырастают усилия в соседних рамах, а после разрыва 5-6 затяжек резко растут усилия в карнизных узлах и начинается разрушение рам. В данном случае, достаточно новая конструкция из унифицированных элементов была апробирована и испытана на малых пролетах (18 м), а при применении данной конструкции на большом пролете 30 м узел крепления затяжки как элемента жесткости и разгружающего пролетный момент нижнего пояса ригеля был проработан некачественно. Здесь имела место, прежде всего, проектная ошибка, усугубленная погрешностями изготовления (применение кипящих сталей) и монтажа – дефекты сварных швов монтажных узлов. В то же время равнопрочность основных несущих элементов и недостаточное развитие системы связей привели к прогрессирующему разрушению всего каркаса при первом же проявлении грубой ошибки.
Выводы. Данная авария подтвердила актуальность повышения качества проектирования и монтажа ответственных стальных конструкций. Авария подчеркнула необходимость особого внимания к выбору расчетных схем конструкций и грамотному использованию современных вычислительных комплексов. Очевидно также, что необходим более строгий контроль новых экспериментальных видов эффективных оптимальных и, особенно, равнопрочных стальных конструкций, склонных к прогрессирующему разрушению. Этот контроль должен распространяться и на конструкции, защищенные авторским правом изобретателя, а возможно, в первую очередь именно на них и выполняться на всех стадиях разработки, проектирования, конструирования, изготовления, монтажа и эксплуатации. Заказчик должен быть также предупрежден о том, что в его здании применены новые экспериментальные конструкции, которые при необходимости должны пройти независимую экспертизу, а в спорных случаях – испытаны хотя бы на действие эксплуатационных временных нагрузок.
Библиографический список
- Беляев Б.И., Корниенко В.С. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. – М.: Стройиздат, 1968. – 206 с.
- Сахновский М.М., Титов А.М. Уроки аварий стальных конструкций. – Киев: Будівельник, 1969. – 200 с.
- Лащенко М.Н. Аварии металлических конструкцій зданий и сооружений. – Л.: Стройиздат, 1969. – 183 с.
- Пичугин С.Ф., Кравцов А.А. Внимание: авария! // Сельское строительство. – №7. – 1975. – С. 25 – 26.
- Захаров С.В. Аварии в строительстве – случайность или система? // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр. Вып.7. – Магнитогорск: ООО «МиниТип», 2007. – С.11 – 22.
- ДБН В.1.2-2:2006 Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. – К.: Минстрой Украины, 2006. – 60 с.