Блог Шаблон

---

Электронный журнал

Предотвращение аварий зданий и сооружений

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

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 00, 02 (размеры в плане 30?30 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 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 ELТМ. На гистограммах приведены результаты измерений.

 

 

Сечение элемента	o60?3,	o60?3,	o60?3,	o76?3,5,
Число измерений	n=24,	n=19,	n=19,	n=20,
Среднее арифм. значение	= 2,593 см,	= 2,768 см,	= 2,935 см,	= 3,317 см,
Среднеквадр. отклонение	? = 0,068	? = 0,015	? = 0,024	? = 0,042

Рис. 1. Гистограмма толщины стенок корродированных стержней

 

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 o76?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.

 

Рис.2. Определение эквивалентной осадки колонны ?экв

?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:

Рис.3. Гистограмма распределения эквивалентных осадок основных
колонн по 92-м зданиям типа "Кисловодск"

 

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

где Ni, ?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.

 

Рис.4. Гистограмма постоянных расчетных нагрузок

 

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.

 

 

Рис.5. Схема раскладки и нумерация стержней верхнего (а)
и нижнего (б) поясов СП 30-400:

 

Таблица 1

Состав ПРК типа "Кисловодск"

Элементы ПРК типа "Кисловодск"	Количество стержней, типов
	I o60?3	II o76?3	II' o76?3,5	III o102?4	IV o114?4,5	IV' o127?7	V o127?5,5
СП30-400	492	–	156	140	–	128	–
Верхний пояс	112	–	40	68	–	0	–
Нижний пояс	100	–	60	20	–	0	–
Раскосы	280	–	56	52	–	12	–
Капители	0	–	0	0	–	16	–
СП30-300	510	102	–	68	16	–	4
Верхний пояс	124	8	–	52	0	–	0
Нижний пояс	114	60	–	4	0	–	0
Раскосы	272	44	–	12	4	–	0
Капители	0	0	–	0	12	–	4
СП30-350А	498	82	–	84	28	–	8
Верхний пояс	124	8	–	36	16	–	0
Нижний пояс	114	42	–	12	0	–	0
Раскосы	260	32	–	36	4	–	0
Капители	0	0	–	0	8	–	8

 

Таблица 2

Несущая способность стержней, тс

Несущая способность элемента	Типоразмеры сечений
	I o60?3	II o76?3	II' o76?3,5	III o102?4	IV o114?4,5	IV' o127?7	V o127?5,5
Растяжение	12,4	15,8	16,7	28,3	35,6	60,7	48,3
Сжатие	–3,7	–7,3	–8,1	–18,6	–25,7	–42,9	–36,9

 

Таблица 3

Количество стержней ПРК СП30-400 с различным
уровнем использования несущей способности
в % от проектной нагрузки 400 кг/м2

Схема, элементы	Усилия в стержнях, % от несущей способности ("–" – сжатие, "+" – растяжение)
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	0	16	16	56	4	80	16	24	8	0
Нижний пояс	0	0	0	0	8	8	16	56	36	40	16	0
Раскосы	0	0	0	12	60	120	40	100	60	8	0	0
Капители	0	0	0	16	0	0	0	0	0	0	0	0
СП30-400	0	0	0	44	84	184	60	236	112	72	24	0
% от 816 эл.	0	0	0	5,4	10,3	22,6	7,4	28,9	13,7	8,8	2,9	0

 

Таблица 4

Количество стержней ПРК СП30–400 с различным уровнем усилий
в % от несущей способности от эквивалентного смещения
верха колонны №4 ?Экв = 10 см

Элементы ПРК	Количество стержней, типов
	Усилия в стержнях, % от несущей способности
	0-5	5-10	10-20	20-30	30-40	40-50%
Верхний пояс	92	108	8	8	4	0
Нижний пояс	72	88	12	0	4	4
Решетка	30	296	56	16	2	0
Капители	0	16	0	0	0	0
Всего	194	508	76	24	10	4
в %	23,8	62,3	9,3	2,9	1,2	0,5

 

Таблица 5

Количество стержней ПРК СП30–400 с различным уровнем усилий
в % от несущей способности от проектной нагрузки 400кг/м2
и эквивалентного смещения верха колонны № 4 ?Экв = 10 см

Схема, элементы	Напряжение в стержнях, % от несущей способности
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	0	16	12	60	4	80	12	32	4	0
Нижний пояс	0	0	0	4	4	8	24	48	36	36	20	0
Раскосы	0	0	4	20	40	116	44	112	52	12	0	0
Капители	0	0	0	8	8	0	0	0	0	0	0	0
СП30-400	0	0	4	48	64	184	72	240	100
% от 816 эл.	0	0	0,5	5,9	7,9	22,6	8,8	29,4	12,2

 

Таблица 6

Количество стержней ПРК СП30-300 с различным
уровнем использования несущей способности
в % от проектной нагрузки 300 кг/м2

Схема, элементы	Напряжение в стержнях, % от несущей способности
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	4	12	12	20	8	66	50	12	0	0
Нижний пояс	0	0	0	0	24	32	8	40	32	10	18	4
Раскосы	20	0	12	16	64	80	44	52	28	8	8	0
Капители	0	4	0	12	0	0	0	0	0	0	0	0
СП30-300А	20	4	16	40	100	132	60	158	110	30	26	4
% от 700 эл.	2,9	0,6	2,2	5,7	14,3	18,8	8,6	22,6	15,7	4,3	3,7	0,6

 

Таблица 7

Количество стержней ПРК СП30–300 с различным уровнем усилий
в % от несущей способности от проектной нагрузки 300 кг/м2
и эквивалентного смещения верха колонны №4 ?Экв = 10 см

Схема, элементы	Напряжение в стержнях, % от несущей способности
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	4	12	12	22	4	70	44	16	0	0
Нижний пояс	0	0	0	2	20	36	8	30	40	12	16	4
Раскосы	16	6	14	26	48	78	38	64	28	12	2	2
Капители	2	0	6	8	0	0	0	0	0	0	0	0
СП30-300А	18	6	24	48	80	136	50	164	110	40	18	6
% от 700 эл.	2,6	0,9	3,4	6,9	11,4	19,4	7,1	23,4	15,7	5,7	2,6	0,9

 

Таблица 8

Количество стержней ПРК СП30-350А с различным
уровнем использования несущей способности
в % от проектной нагрузки 350 кг/м2

Схема, элементы	Напряжение в стержнях, % от несущей способности
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	0	20	14	16	8	62	38	20	8	0
Нижний пояс	0	0	0	4	28	24	4	36	26	26	20	0
Раскосы	20	0	4	16	68	92	32	40	44	8	8	0
Капители	0	0	12	4	0	0	0	0	0	0	0	0
СП30-350А	20	0	16	44	108	132	44	138	108	54	36	0
% от 700 эл.	2,9	0	2,3	6,3	15,4	18,9	6,3	19,7	15,4	7,7	5,1	0

 

Таблица 9

Количество стержней ПРК СП30–350А с различным уровнем усилий
в % от несущей способности от проектной нагрузки 350 кг/м2
и эквивалентного смещения верха колонны №4 ?Экв = 10 см

Схема, элементы	Напряжение в стержнях, % от несущей способности
	"–" >100	"–" 100–95	"–" 95–85	"–" 85–70	"–" 70–50	"–" 50–25	"–" 25–0	"+" 0–25	"+" 25–50	"+" 50–70	"+" 70–85	"+" 85–95
Верхний пояс	0	0	0	14	22	14	4	66	40	16	8	0
Нижний пояс	0	0	0	2	30	24	10	30	22	30	16	4
Раскосы	20	0	10	26	44	96	32	44	42	14	4	0
Капители	4	0	8	4	0	0	0	0	0	0	0	0
СП30-350А	24	0	18	46	96	134	46	140	104	60	28	4
% от 700 эл.	3,4	0	2,6	6,6	13,7	19,1	6,6	20,0	14,9	8,5	4,0	0,6

 

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.