СТАТИСТИКА НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ РЕШЕТЧАТЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ИЗ ТРУБ ТИПА «КИСЛОВОДСК». АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ МОНТАЖА

Филипович Станислав Владимирович – Доцент кафедры «Строительные
конструкции» Уфимского государственного нефтяного технического университета, кандидат технических наук

Латыпов Валерий Марказович – Заведующий кафедрой «Строительный
конструкции» Уфимского государственного нефтяного технического
университета, доктор технических наук, профессор

Филипович Сергей Станиславович – Аспирант Уфимского государственного
нефтяного технического университета

 

---

Начиная с 1975 г., в СССР в строительстве широкое применение нашли пространственные структурные конструкции. Были построены заводы по серийному изготовлению пространственных решетчатых конструкций (ПРК) из прокатных профилей системы ЦНИИСК и труб системы «МАрхИ» и «Кисловодск» мощностью в общей сложности более чем на 2,5 млн. м² перекрываемой площади в год. По некоторым данным ежегодный ввод в эксплуатацию зданий типа «Кисловодск» составлял около 1,5 млн. м². До 1985 года выпускались капительные структурные плиты (СП) с неразрезной решеткой СП 30-400 под шифром проекта 351/02 00, 02 (размеры в плане 30х30 м, расчетная нагрузка – 400 кг/м²).

C 1984 г. были разработаны и начато производство структурных секций типа «Кисловодск» марок СП 30-300 и СП 30-350А (шифр 351/02 03).

Структурные плиты типа «Кисловодск» изготавливаются из круглых труб, имеют высоту 2,12 м. Соединение трубчатых элементов в узлах – комбинированное, в котором применяется сварка в заводских условиях, а сборка узла осуществляется на болтах.

В Республике Башкортостан (РБ) эксплуатируется около 300 зданий типа «Кисловодск», в т.ч. более 100 в АНК «Башнефть». С 1983 года начались обрушения зданий такого типа, первое обрушение произошло в 1983 году, последнее – в феврале 2000 года в г.Уфе. Начиная с 2001 года, было проведено комплексное техническое обследование около 100 модулей типа «Кисловодск». Разрабатывались проекты усиления.

Техническими решениями в проектах усиления предусматривалось устранение ошибок монтажа и эксплуатации зданий, причем некоторые решения по усилению предварительно прошли экспериментальную проверку, для чего был спроектирован и изготовлен специальный стенд.

В данной статье были проанализированы следующие причины аварий:

• выполнение кровли не по проекту;
• коррозия элементов ПРК;
• смещения верха колонн в результате неравномерных осадок и неточностей монтажа основных колонн.

Существуют также следующие дефекты и повреждения ПРК:

• непроектное исполнение узла сопряжения колонн фахверка с узлами верхнего пояса ПРК (по проекту верхний узел колонн фахверка имеет возможность перемещаться по вертикали с целью исключения передачи нагрузок от неравномерных осадок колонн);
• несоответствие фактической монтажной схемы проектной (стержни при сборке перепутаны или отсутствуют);
• отклонения геометрических параметров элементов структуры;
• замена в некоторых узлах болтового соединения с коннектором сварным.

Для оценки снижения несущей способности стержней из-за уменьшения площади сечений трубчатых элементов были проведены измерения остаточной толщины стенок труб. Измерения проводились с точностью 0,01 мм ультразвуковым толщиномером T-MIKE EL^ТМ. На гистограммах приведены результаты измерений.

В первом случае коррозия привела к снижению несущей способности стержня по сравнению с расчетным значением на 13,6%, во втором – 7,7%, в третьем – 2,1%, и для типоразмера ø76×3,5 достигла 5,2%. При анализе НДС ПРК следует учитывать фактические площади сечений элементов.

Одной из главных причин изменения напряженно-деформированного состояния многократно статически неопределимых ПРК является неравномерность осадок колонн. В соответствии с инструкцией по монтажу ПРК отклонения верха основных колонн не должны превышать 1 см. При обследовании 92 модулей типа «Кисловодск» нивелированием измерялись отметки верха четырех основных колонн. Установлено, что усилия от неравномерности смещения верха колонн в элементах ПРК определяется не абсолютным отклонением верха колонн от горизонтальной плоскости, а расстоянием от верха одной из четырех колонн до плоскости (на рисунке заштрихована), проходящей через три точки по верху трех других колонн. Это отклонение условно обозначим ∆_экв. На рис.2 приведена схема для определения ∆_экв по результатам нивелировки отметок верха колонн.

∆_экв рассчитывается по формуле:

∆_экв = ∆₄ – ∆₁ – ∆₃ + ∆₂ .

Пример определения эквивалентной осадки

∆₁ = 4,0 см; ∆₂ = 0,0 см; ∆₃ = 1,6 см; ∆₄ = 8,0 см.

∆_экв = ∆₄ – ∆₁ – ∆₃ + ∆₂ .

∆_экв = 8,0 – 4,0 – 1,6 + 0,0 = 2,4 см.

По результатам обследования были определены ∆_экв для 92-х модулей. На рис.3 приведена гистограмма ∆_экв и найдено уравнение плавной кривой распределения ∆_экв. Наиболее точное уравнение плавной кривой описывается логарифмическим нормальным законом распределения.

Вид функции логарифмического распределения:

В ПВК SCAD проведен анализ влияния эквивалентной осадки колонн на напряженно-деформированное состояние ПРК 30×400 из 816 стержней, результаты которых приведены в табл.4. Найдены усилия в элементах ПРК от смещения ∆_экв =10 см. Тогда на основании принципа суперпозиции для любого другого смещения ∆_Ф конкретного модуля усилия в i-м стержне определяются по формуле

N_{i, ∆ф}= N_{i, ∆10} (∆_Ф /∆₁₀),

где N_i, ∆₁₀ – усилие в i-м стержне от ∆_экв= 10 см.

При обследовании для анализа напряженно-деформированного состояния ПРК важную роль имеет достоверность информации о нагрузках. Постоянные нагрузки определялись по результатам вскрытия кровли. Количество вскрытий варьировалось от 4 до 6.

На рис.4 приведена гистограмма постоянных расчетных нагрузок, найденных путем использования статистических характеристик веса слоев кровли, профилированного настила, прогонов и т.д.

На рис.5-10 приведены схемы раскладок и нумерация стержней верхнего пояса (а), нижнего пояса (б), раскосной решетки (в) и капителей (г) для ПРК СП 30-400, СП 30-300 и СП 30-350А соответственно, а также приведены типы стержней.

В табл.1 приводится количество стержней каждого типа по верхнему и нижнему поясам, раскосной решетке и капителям для ПРК трех типов.

В табл.2 приведена несущая способность стержней семи типов, используемых в трех типах ПРК на растяжение и сжатие.

В табл.3-5 приведены результаты анализа НДС СП 30-400 от расчетной проектной нагрузки 400 кг/м², ∆_экв = 10 см и совместного воздействия постоянной нагрузки и ∆_экв = 10 см соответственно.

В табл.6 и 7 приведены усилия в стержнях СП 30-300 в % от несущей способности от расчетной нагрузки 300 кг/м² и совместного действия постоянной нагрузки и ∆_экв = 10 см соответственно.

В табл.8 и 9 приведены усилия в стержнях СП 30-350А в % от несущей способности от расчетной нагрузки 350 кг/м² и совместного действия постоянной нагрузки и ∆_экв = 10 см соответственно.

 

Анализ этих данных показывает, что ПРК СП 30-400 при отсутствии ошибок монтажа при проектной нагрузке, уровень использования несущей способности во всех стержнях (816) не превышает 85%, а 72,6% стержней загружены не более чем на 50%.

Для ПРК СП 30-300 65,7% стержней (из 700 элементов) при воздействии проектной постоянной нагрузки загружены не более чем на 50%, и для ПРК СП 30-350А при воздействии только постоянных нагрузок 60,3% стержней загружены не более чем на 50%.

Однако в этих двух типах ПРК, СП 30-300 и СП 30-350А, при воздействии только постоянных нагрузок и при отсутствии дефектов монтажа по 20 сжатых элементов раскосной решетки имеют усилия, превышающие несущую способность. С учетом постоянных нагрузок и изменения отметок верха колонн на ∆_экв= 10 см у ПРК СП 30-300 имеется 18 сжатых перенапряженных стержней элементов, а у ПРК СП 30-350А – 24 сжатых стержней перенапряжены.

Неравномерное смещение верха колонн на ∆_экв= 10 см часть стержней догружает, а часть стержней разгружает.

Для обеих структур СП 30-300 и СП 30-350А перегружены стержни, имеющие следующие номера (смотри рисунки 6 и 7): 449, 452, 462, 469, 472, 479, 487, 494, 543, 558, 643, 658, 707, 714, 722, 729, 732, 739, 749, 752.

Указанный последний вывод обусловлен тем, что при определении усилий в элементах ПРК в типовом проекте была принята расчетная схема без учета податливости основных колонн.