Файл: Прогрессивные стальные конструкции [сборник]..pdf

циенты перегрузки являются в некоторых случаях скры­ тыми коэффициентами запаса.

Исследования, проведенные испытательной станцией МИСИ, показали, что нормативная нагрузка па подкра­ новые конструкции двух груженых мостовых кранов, сближенных для совместной работы, является для подав­ ляющего большинства цехов нереальной, и, чтобы при­ близить расчеты к действительным условиям, необходи­ мо вместо коэффициентов перегрузки (больше единицы) вводить коэффициенты недогрузки, меньше единицы. Чтобы остаться на позициях методики расчета с коэф­ фициентами перегрузки, необходимо ввести дифференци­ рованные по всем видам цехов нормативные нагрузки не по одной схеме, а по различным, возможным в условиях данного производства.

Коэффициент условий работы слишком перегружен различными понятиями. В него входят следующие фак­ торы: несовершенство методов расчета, вопросы несоот­ ветствия расчетной модели фактической, условия эксплу­ атации, иногда степень значимости сооружения, конст­ руктивные поправки и другие факторы самого различ­ ного характера.

В результате трудно определить правильное значение этого коэффициента, а отсюда — волевой подход. Необ­ ходимо выделить из коэффициента условия работы об­ щий коэффициент надежности (или так называемый спе­ циальный коэффициент безопасности), учитывающий значимость последствий нарушения или прекращения эксплуатации в случае наступления предельного состоя­ ния, а также степень ответственности и капитальности здания или сооружения.

Коэффициент условий работ, оставшийся после выде­ ления общего коэффициента надежности, должен учиты­ вать особые обстоятельства работы конструкции, мате­ риала и грунтов, не отражаемые в расчете прямым пу­ тем, т. е. быть по существу поправочным коэффициентом.

Всемерное развитие исследований статистических ха­ рактеристик отдельных нагрузок, воздействий и свойств материалов совершенно необходимо для того, чтобы можно было проектировать сооружения, состоящие из равнонадежных элементов и конструкций. Не менее ши­ роко и углубленно необходимо изучить действительную работу конструкций в условиях эксплуатации. Исследо-

166

ванне действительной работы с последующим уточнени­ ем расчетных формул, выбором наиболее целесообраз­ ных и оптимальных размеров дают возможность увели­ чивать надежность сооружений без дополнительного рас­ хода материалов. При этом следует учитывать, что рас­ чету подлежит физико-геометрическая модель, характе­ ризуемая определенными свойствами и условиями рабо­ ты реальной конструкции. Расчетная физико-геометриче­ ская модель конструкции связывается с самой конструк­ цией через расчетные коэффициенты, однако работа по уточнению этих коэффициентов ведется недостаточно. Следует в расчет ввести коэффициент, характеризующий различие между величиной усилия в расчетной схеме и в реальной конструкции, и коэффициент, характеризую­ щий различие механических свойств в образце и реаль­ ной конструкции.

Для оценки надежности запроектированных конструк­ ций представляет интерес выявление возможности ава­ рии сооружения за время его службы. Анализ аварий за последние 15 лет показывает, что значительная часть аварий (71%) произошла из-за больших ошибок в рас­ четах и низкого качества изготовления и монтажа кон­ струкций. Недостатки норм проектирования и правил производства работ были причинами 6 % аварий. Отсюда

не следует, что аварийный период не имеет практическо­ го интереса, поскольку характер аварий для разных со­ оружений весьма различен, разрушения конструктивного комплекса крайне своеобразны и наиболее ярко харак­ теризуют дефекты конструкций. Анализ аварий важен для повышения качественности конструктивной формы, а также для оценки живучести конструкций.

Большой интерес представляет выявление возмож­ ности аварий сооружения во время его службы. Мы можем классифицировать сооружения по опасностям, характерным для сооружений, На которые следует обратить внимание с точки зрения повышения их надеж­ ности.

Анализ непосредственных технических причин обру­ шения конструкций показывает, что 47% аварий вызва­ ны потерей устойчивости (местной и общей) элементов конструкций при сжатии. Эти данные показывают, что при современной методике расчета сжатые элементы кон­ струкций обладают меньшими резервами надежности,

167

чем растянутые. Объясняется это тем, что при расчете растянутых элементов по упругой стадии работы ^есть дополнительный резерв их надежности, определяемый от­ ношением временного сопротивления к пределу текуче­ сти. Нужно либо изменить расчетные коэффициенты для проверки конструкций на устойчивость, либо более ши­ роко ввести в расчет растянутых и изгибаемых элемен­ тов упруго-пластическую стадию работы.

Опыт показывает, что аварии в большинстве случаев происходят при небольших силовых воздействиях и явля­ ются следствием накопления дефектов конструкции и ма­ териала, которые можно объединить понятием «повреж­ дения». Отсутствие опытного материала и измерителя повреждений затрудняет практическую реализацию ста­ тистического подхода к их изучению. Задача накопле­ ния п изучении повреждений более сложная и кропотли­ вая по сравнению с анализом аварий. Однако только ста­ тистический материал повреждений позволит, наконец, установить действительный характер накопления по­ вреждений конструкции во времени, приводящих в ко­ нечном счете к авариям.

К основным причинам повреждений можно отнести: превышение нагрузок, ухудшение режима эксплуата­ ции, ошибки при проектировании, применение некачест­ венных материалов, отступления от технических условий производства работ и монтажа, плохая служба эксплуа­ тации и несвоевременное проведение ремонтов. Если счи­ тать мерой повреждений их число, то анализ ремонтных ведомостей предприятий, критический и статистический анализ количества и качества текущих ремонтов может дать интересный материал по зависимости повреждений текущих расходов на их ликвидацию от продолжитель­ ности эксплуатации. Количество и характер поврежде­ ний зависят от капитальности зданий и сооружений, ре­ жима их работы.

Поэтому каждая конструкция должна проектировать­ ся для строго определенных условий, и это должно быть записано в проекте в виде прилагаемой к нему инструк­ ции по эксплуатации. Нарушение проектных условий эксплуатации и положений инструкции по эксплуатации должно рассматриваться как приведение конструкций в предельное состояние. Тогда для восстановления нор­ мальных условий эксплуатации и устранения поврежде-

168

iiiii'i должны быть введены ограничения в эксплуатаци­

онном режиме.

При решении проблемы надежности и долговечности конструкций следует особое внимание обратить на во­ прос уточнения критериев предельных состояний по раз­ витию пластических деформаций. Этот вопрос следует решать как с позиций ограничения общих пластических деформаций, препятствующих эксплуатации, так и с точ­ ки зрения ухудшения качества материала (его ударной вязкости, хладностойкости). Очень важно получить до­ статочно простые расчетные формулы или коэффициенты, отражающие специфику развития пластических дефор­ маций в различных видах поперечных сечений элемен­ тов, нагруженных в соответствии с результатами уточнен­ ных расчетов на ЭВМ различными сочетаниями осевых сил, изгибающих моментов и поперечных сил в обеих плоскостях, крутящих моментов и т. д. Тесно примыкает сюда вопрос о развитии пластических деформаций при плоском и объемном напряженных состояниях.

Наиболее серьезны и наименее ясны эти вопросы для конструкций, работающих под временными подвижными многократно повторяющимися и динамическими нагруз­ ками. Ряд нормативных документов в настоящее время запрещает учитывать развитие пластических деформа­ ций в таких конструкциях. Запрещение это не обоснован­ но хотя бы уже потому, что почти в каждой конструкции можно выявить зоны развития местных пластических де­ формаций даже под нормативными нагрузками, если учесть собственные напряжения, местные возмущения на­ пряжений, совместную работу элементов, жесткость уз­ лов, пространственность и т. д. Благополучная работа под самыми разнообразными воздействиями подавляю­ щего большинства конструкций, после развития в них местных пластических деформаций, свидетельствует о том, что речь должна идти о количественной мере огра­ ничения предельного развития пластических деформа­ ций, а отнюдь не о недопущении пластических деформа­ ций.

В нормах отсутствуют какие-либо критерии, регули­ рующие сроки службы зданий и качество строительства. Расчетный срок службы сооружения следует увеличивать с повышением класса сооружения и понижать при уси­ лении воздействия агрессивной среды производства.

169

Классы капитальности зданий и сооружений следует ус­ танавливать в зависимости от сроков функционирования предприятия, ресурсов сырья, темпов технического про­ гресса и морального износа сооружения, его значимости и уникальности, огнестойкости производства и степени агрессивности.

Опыт эксплуатации показал, что .рациональный срок службы зданий и сооружений при надлежащем уходе — 60—70 лет; за этот период используются полностью функ­ циональный, технический и экономический ресурсы со­ оружения. Однако многочисленные обследования пока­ зывают, что уже по истечении 30—35 лет конструкции зданий находятся в неудовлетворительном состоянии и появляется необходимость в их усилении. В этих усло­ виях от технически и экономически правильно выбранно­ го способа усиления конструкций зависит увеличение срока службы сооружения, надежность нормальной экс­ плуатации конструкции и гарантия бесперебойного про­ цесса производства. Следовательно, вопросы усилении конструкций неразрывно связаны с проблемой их дол­ говечности и надежности.

§16. Долговечность металлических конструкций

ивозможность усиления их в процессе

эксплуатации

С точки зрения нормальной работы металлических конструкций можно выделить следующие основные при­ чины прекращения их нормальной эксплуатации:

а) чрезмерные деформации, делающие невозможным нормальный технологический процесс;

б) потеря несущей способности; в) несоответствие несущей способности конструкции

возрастающим силовым факторам при изменении техно­ логического процесса.

Перечисленные причины являются теоретическими предпосылками прекращения эксплуатации. На практи­ ке нередки случаи прекращения эксплуатации из-за не­ правильной оценки появившихся повреждений. Действу­ ющая методика расчета по предельным состояниям не по­ зволяет произвести количественную оценку несущей спо­ собности и долговечности конструкций с повреждения­

170

ми. Считается, что конструкции, имеющие такие повреж­ дения, как трещины, чрезмерные деформаций отдельных элементов должны быть либо заменены, либо выключены из работы.

Многочисленные обследования, проводимые в послед­ нее время различными организациями показывают, что зачастую конструкции сохраняют несущую способность даже с весьма значительными повреждениями. Так, об­ следование подкрановых конструкций мартеновского и других цехов Новокраматорского машиностроительного завода, выполненные кафедрой, строительных .конструк­ ций Макеевского инженерно-строительного института, выявило многочисленные трещины в верхних поясах сквозных подкрановых балок, ослабление заклепок в уз­ лах и целых зонах верхнего пояса, значительные меха­ нические повреждения элементов решетки и поясов. Про­ веденные исследования материала конструкций и пере­ расчет показали, что запасов прочности в них почти нет, а в отдельных элементах наблюдаются напряжения по­ рядка 2400 кгс!см2 при R = 2000 кгс/см2. Тем нс менее

конструкции не потеряли несущую способность и их де­ формация находится в пределах допусков норм.

Вообще говоря, аварии являются непредвиденным и достаточно редким событием. Отправной точкой любого проектирования является надежность и безопасность экс­ плуатации конструкций. Расчет металлических конструк­ ций ведется из условия упругой работы материала, в то время как металл является упруго-пластическим мате­ риалом, эксплуатация которого заканчивается при ка­ кой-то конечной деформации, а не при исчерпании несу­ щей способности. Таким образом, как указывает Н. С. Стрелецкий [35], потеря эксплуатационной способ­ ности должна происходить ранее потери несущей способ­ ности, являющейся аварийным состоянием. Тем не ме­ нее аварии или внезапная, с точки зрения нормальной эксплуатации, потеря несущей способности имеют ме­ сто при отсутствии грубых ошибок проектирования (про­ цент которых в общем числе аварий невелик) и без зна­ чительных отклонений от нормальной эксплуатации. Ана­ лиз аварий, как у нас в стране, так и за рубежом пока­ зывает, что в большинстве случаев отказ (термин, озна­ чающий наступление недопустимого предельного состоя­ ния) происходит при силовых воздействиях, не превы­

171

шающих расчетные. Причиной отказа является накопле­ ние повреждений в элементах конструкций.

Предвидеть и учесть повреждения в расчетах кон­ струкций в настоящее время не представляется возмож­ ным ввиду отсутствия методики расчета, малого количе­ ства экспериментальных данных, единой методики на­ копления статистических данных. Существующая прак­ тика увеличения коэффициентов запаса, пли, что одно и то же, завышение силовых факторов не может значи­ тельно повысить надежность п долговечность конструк­ ций, т. к., как уже было указано выше, отказ может на­ ступить и при небольших силовых воздействиях. На пер­ вый план, таким образом, выдвигаются проблемы выяв­ ления, оценки и предупреждения повреждений. Следует отметить, что для выявления закономерности появления повреждений возможны два подхода: изучение природы повреждений с точки зрения строительной физики, физи­ ки твердого тела и сбор н статистическая обработка дан­ ных о повреждениях по различным типам конструкций.

Первый путь явно предпочтительнее, т. к. мог бы во­ оружить научно обоснованной теорией прогнозирования повреждений, дал бы методику расчета с учетом повреж­ дений, позволил бы полнее использовать несущую спо­ собность материала. Однако, несмотря на отдельные ус­ пехи материаловедения, вряд ли можно ожидать в бли­ жайшем будущем появления стройной теории твердого тела. Поэтому второй путь, несмотря на известную огра­ ниченность, является в настоящее время более реаль­ ным.

Обследование конструкций в условиях эксплуатации наталкивается на значительные трудности. Любой де­ фект, любое повреждение изменяет напряженное состоя­ ние конструкции и ее элементов. Визуальный осмотр нс может установить связь повреждений с напряженным со­ стоянием, а теоретические расчеты, как уже отмечалось выше, не могут дать количественную оценку несущей спо­ собности конструкций с повреждениями. Применяемые в настоящее время экспериментальные методы исследова­ ния имеют целый ряд недостатков: громоздкая аппара­ тура, большая подготовительная работа, длительный цикл обработки данных, большая трудоемкость и, глав­ ное, требование прекращения процесса эксплуатации. Эти недостатки ограничивают, а зачастую делают ие-

172

возможным обследование конструкций с применением экспериментальных средств исследования напряженного состояния. !

В последние годы в машиностроении нашел широкое применение метод измерения напряжений, основанный на связи напряженного состояния и магннтоупругого эф­ фекта, проявляемого в ферромагнитных материалах. Ис­ следования, выполненные Г. Т. Ореховым [32], экспери­ ментально подтвердили теоретическую зависимость

где — разность магнитоупругих эффектов во вза­ имно-перпендикулярных направлениях;

‘главные напряжения.

Изменение магнит­ ной упругости Др- , как показала эксперимен­ тальная проверка, про­ порциональна только разности главных на­ пряжений и не зависит от их соотношения (рис. 54). Для опреде­ ления величины напря­ жений этой зависимо­

полнительной величиной, характеризующей плоское на­ пряженное состояние, может быть относительная ли­ нейная деформация. Величина главных напряжений при известной их разности может быть определена с по­ мощью обобщенного закона Гука

где Х=— — коэффициент Пуассона;

ei

'Ум— магнитоупругий эффект в направлении главного напряжения.

173