Основной задачей эксплуатационных служб зданий и сооружений на производственных предприятиях является обеспечение безопасности людей и оборудования, связанное в первую очередь с надежностью несущих конструкций [1,2]. При обследовании производственных зданий, как правило, выявляются повреждения, влияющие на особенности силового сопротивления несущих конструкций. Для оценки степени эксплуатационной пригодности и возможности дальнейшей безопасной эксплуатации строительной конструкции или здания и сооружения в целом [3] требуется установить некоторый диапазон значений физико-механических свойств строительных конструкций [4,5], а также параметров дефектов и повреждений, выявленных в процессе обследования [6,7]. Эксплуатация металлических конструкций производственных объектов в условиях агрессивных сред, сброса промышленных стоков и выбросов отработанных газов может привести к неконтролируемым деформациям несущих конструкций и аварийному состоянию зданий [8]. Наиболее характерными повреждениями стальных конструкций производственных зданий, влияющими на работоспособность и эксплуатационную пригодность, являются разрушение защитных покрытий и коррозия металла (рис. 1). Инженерные обследования зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред, показывают, что межремонтные сроки соблюдаются не всегда, качество капитальных ремонтов, включая усиление строительных конструкций, не всегда удовлетворительное, традиционные методы антикоррозионной защиты не всегда эффективны [9].
Рис. 1 Коррозионное повреждение сквозной колонны
производственного здания
Коррозионный износ элементов несущих стальных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, зависит от параметров среды (концентрация и состав агрессивных газов, жидкостей, пыли) и конструктивных особенностей элементов (марка стали, форма поперечного сечения, место расположения в каркасе), что наглядно показано в работах [10,11].
В работе [12] отмечается, что большинство аварий, причиной которых была коррозия несущих металлоконструкций происходило внезапно без каких-либо заметных деформаций элементов, в то время как сечение под действием коррозии уменьшалось длительное время. Авторы объясняют это явление особенностями сечений, в которых коррозия неравномерна и имеются ослабления. На некоторых участках металл коррозирует интенсивнее (рис. 2), не вызывая при этом заметных деформаций элементов, что может привести к внезапному разрушению, аналогичному хрупкому. При эксплуатации в агрессивных средах прежде всего повреждаются сечения с наличием щелей (например, сечения из спаренных уголков и швеллеров), труднодоступных для очистки и окраски при изготовлении и обслуживании, трубчатые и коробчатые сечения, недоступные для осмотра, элементы с прерывистыми швами и болтовыми соединениями.
Рис. 2. Слоистая коррозия стенки двутавровой колонны в месте фланцевого соединения демонтированного ригеля
Для оценки снижения несущей способности элементов с коррозионными повреждениями авторами данной статьи были выполнены экспериментальные исследования работы внецентренно сжатых стоек с имитацией коррозионного повреждения [13] с целью:
- определить опытным путем силовое сопротивление внецентренно-сжатых стоек из стальных прокатных двутавров с имитацией коррозионного повреждения;
- исследовать напряженно-деформированное состояние стоек в процессе их нагружения и сравнить полученные значения напряжений и перемещений со значениями, полученными расчетом по рекомендациям нормативных документов.
Геометрические характеристики экспериментальных образцов с имитацией коррозионного повреждения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Геометрические характеристики экспериментальных образцов
|
Марка стойки |
Длина, L, мм |
Высота сечения, Н, мм |
Площадь сечения, см2 |
Ослабление сечения, %
|
|
|
А |
Адеф |
||||
|
C4 |
1532 |
100 |
12 |
8,15 |
32,1 |
На рисунке 3 показаны экспериментальные модели стоек с наклеенными тензометрическими датчиками.
|
|
|
Рис. 3. Установка тензометрических датчиков на двутавровой стойке с имитацией коррозионного повреждения
Потеря несущей способности испытанных стоек происходила путем потери устойчивости второго рода, что соответствует первой группе предельных состояний. Среднее достигнутое значение максимального показания динамометра Nкр = 77,5 кН принято в качестве предельного значения нагрузки на стойку. Явлений местной потери устойчивости элементами стоек во время опытов не наблюдалось.
В нормативной литературе [14] значение критической нагрузки для стоек с ослаблениями сечений определяется по формуле:
где:
Nосл = σослAосл – компенсирующая добавка к сжимающему усилию;
Mxосл = Nослyосл – компенсирующая добавка к изгибающему моменту при внецентренном сжатии;
Myосл = Nослxосл – компенсирующая добавка к изгибающему моменту при внецентренном сжатии;
xc, yc – координаты наиболее напряжённой точки фактического поперечного сечения в системе координат неповреждённого сечения;
Ryo – предел текучести материала стойки;
γc – коэффициент, учитывающий условия работы рассчитываемого элемента конструкции [15], принят равным 1,00;
A, Ix, Iy – геометрические характеристики неповреждённого сечения;
xосл, yосл – координаты центра тяжести площади ослабления Aосл в системе координат неповреждённого сечения;
Iосл, Iосл – моменты инерции площади ослабления.
Для рассматриваемой стойки были рассчитаны необходимые параметры (табл. 2 и 3).
Таблица 2
Геометрические характеристики сечения неповреждённой стойки, в мм
|
Aфакт |
Wx |
Wy |
Ix |
Iy |
ix |
iy |
xо |
yо |
xс |
yс |
|
1195,4 |
39061,1 |
5694,3 |
1953055,5 |
156594,2 |
40,4 |
11,4 |
0,0 |
0,0 |
27,5 |
50 |
Таблица 3
Геометрические характеристики ослабленного сечения стойки, в мм
|
Aфакт |
Wx |
Wy |
Ix |
Iy |
ix |
iy |
xо |
yо |
xс |
yс |
|
757,9 |
20525,1 |
1794,0 |
944152,5 |
47542,0 |
35,3 |
7,9 |
0,0 |
0,0 |
26,5 |
46,0 |
Подставив приведенные выше значения в формулу (1) получено значение критической нагрузки Fкр = 47,75 кН для поврежденной стойки методом подбора с использованием функции «подбор параметра» в Excel.
Сравнение величины критической силы, полученной экспериментальным путем, с рассчитанным по нормативной методике значением, позволяет сделать вывод о том, что расчетное значение критической нагрузки меньше значения, полученного экспериментальным путем на 38 %. Выполненное исследование показывает, что значения критической нагрузки, определенное по нормативной методике [14], дает коэффициент запаса 1,3 – 1,4.
