автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Обеспечение технологичности и долговечности ограждающих конструкций покрытий промышленных зданий при реконструкции

Л Д МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

На правах рукописи

ГАЛАКТИОНОВ Александр Валентинович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка-1996

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Металлические конструкции" Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.

Научный руководитель - академик АИН Украины, доктор

технических наук, профессор ГОРОХОВ Евгений Васильевич.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ГПИ "Днепрпроектстальконструкция",

Защита диссертации состоится 28 июня 1996 г. в 11 часов на заседании специализированного ученого совета К 27.01.02 в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры по адресу: 339023, Донецкая обл., г. Макеевка, ул. Державина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан " мая 1996 г.

И.0. ученого секретаря

КАЗАКЕВИЧ Михаил Исаакович; Кандидат технических наук, действительный член Украинской Академии Архитектуры, доцент ЛЕБЕДИЧ Игорь Николаевич.

г. Днепропетровск

специализированного ученого совет доктор техн. наук, профессор

Матвиенко

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Легкие металлические конструкции покрытия (ЛМК), выпуск которых на 1996 год составляет свыше 25 млн. м'*, обладающие рядом высоких технико-экономических показателей позволяют снизить расход .металла, трудоемкость изготовления и стоимость сооружений, и,что самое главное, сократить сроки их возведения и повысить эффективность капиталовложений в строительство.

Развитая поверхность покрытий с обшивкой из тонкого стального листа в условиях нарушения режима нормальной эксплуатации элементов ограждающих конструкций является причиной коррозионного разрушения в наиболее опасных Формах ее проявления: местной, неравномерной и щелевой коррозии. Изучение состояния вопроса показывает, что при проектировании не обеспечивается достаточный учет условий эксплуатации, конструктивных особенностей и коррозионного состояния несущих, ограждающих, изолирующих и крепежных элементов покрытия. В связи с этим проблема обеспечение долговечности ЛМК покрытий связана с комплексной оценкой показателей качества несущих и ограждающих конструкций в период эксплуатации.

Вместе с тем отмечаются недостатки форм и методов технического контроля состояния объектов, ограниченность информационных данных о поведении конструкций с учетом факторов режимов эксплуатации, отсутствие научно-обоснованной методики оценки технического состояния и прогнозирования долговечности элементов покрытия.

Решения проблемы повышения эффективности тонколистовых металлоконструкций базируется на изучении действительной работы конструкций, научно обоснованных методах обеспечения надежности и долговечности эксплуатируемых и вновь возводимых сооружений.

Целью диссертационной работы является: разработка конструктивной формы панели из тонкостенных холодногнутых профилей с учетом действительного напряженно-деформированного состояния, факторов агрессивности эксплуатационных сред, конструк-торско-технологических решений, обеспечивающих долговечность на стадии проектирования изготовления и эксплуатации.

Для достижения цели работы формируются задачи исследования: - на основании системного анализа режима эксплуатации и

изучения технического состояния выявить основные эксплуатационные факторы, влияющие на показатели долговечности тонколистовых конструкций покрытия;

- разработать методику оценки долговечности легких стальных конструкций покрытия на основе теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния тонколистовой обшивки и каркаса панели покрытия;

- изучить влияние агрессивных сред на изменение несущей способности различных видов соединений ограждающих конструкций, используемых в кровельных покрытиях;

- разработать методику расчета долговечности панелей покрытий с учетом состояния оцинкованного профилированного настила и показателей коррозионного износа;

Научную новизну работы составляют:

- конструктивные решения комбинированных панелей покрытия с учетом основных эксплуатационных факторов, влияющих на показатели долговечности стальных конструкций покрытия;

- оценка влияния агрессивной среды промышленных предприятий на несущую способность крепежных соединений стальных настилов в покрытиях зданий и методика расчета на смятие таких соединений;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния комбинированной панели покрытия с учетом совместной работы каркаса и тонколистовых обшивок;

- математическая модель коррозионного износа оцинкованных профилированных настилов покрытия в контакте с различными видами теплоизоляционных материалов (ПСБС, ФРП, минеральная вата) ;

- методика расчетно-экспериментальной оценки долговечности легких стальных конструкций покрытия на стадии проектирования и эксплуатации.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке технической документации для изготовления комбинированных панелей покрытия;

- в систематизации экспериментальных данных, характеризующих режим эксплуатации несущих и ограждающих конструкций с использованием ЛМК, что позволяет производить оценку долговечности конструктивных элементов легких стальных покрытий, раци-

онально назначить и обосновать конструкторско-технологические решения при проектировании;

- в определении эмпирических формул для расчета предельного срезающего усилия в соединениях на один болт, дюбель, заклепку, самонарезающий болт и точечные сварные соединения, с учетом характера коррозионных воздействий.

- в разработке и внедрении в действие опытно-промышленной технологической линии по изготовлению комбинированных панелей покрытия мощностью 8 тыс.м' в год.

Внедрение результатов исследований.

- Разработаны комбинированные панели покрытия, использованные при реконструкции покрытия цеха N36 концерна "Азовмаш", г. Мариуполь.

- Произведена замена плсской кровли жилого дома на 4-х скатное покрытие, выполненное из тонкостенного профилированного настила с гарантированной долговечностью.

- Материалы исследований использованы при разработке документации, производстве работ по реконструкции мембранных покрытий ангара КИИГА, г. Киев, структурных блоков покрытия главного корпуса завода КРУ, г. Колоыыя.

- Полученные экспериментальные данные использованы при обосновании гарантированных показателей долговечности комбинированных панелей покрытия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на V Украинской научно-технической конференции по металлическим конструкциям "Усиление и реконструкция производственных зданий и сооружений, построенных в металле" г.Киев в 1992 г., на III Международной научно-технической конференции "Материалы для строительных конструкций" г. Днепропетровск в 1994 г., на Международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в проектировании конструкций и технологических процессов" г.Макеевка б 1995 г.. на Международной научно-технической конференции "МС-96" г.Макеевка в 1996 г., в сборнике трудов ДГАСА 1996 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, отражающих ее основное содержание.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 242 с., в том числе 148 с. основного текста, 45 таблиц, 62 рисунка, 16? наименований литературы, 55 с. приложений.

- 6 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведенный анализ основных видов кровельных покрытий одноэтажных промышленных зданий, указывает на то, что основной проблемой является обеспечение долговечности и надежности тонколистовых стальных конструкций покрытия, эксплуатируемых при воздействии агрессивных сред. Сформулированы требования комплексного рассмотрения вопросов технологических, эксплуатационных режимов и конструктивных параметров, влияющих на долговечность.

Отмечено, что при формообразовании ограждающих конструкций покрытий наиболее перспективны?,'! направлением является использование профилированного листа в качестве верхней обшивки,что позволяет существенно повысить его эффективность за счет совместной работы с несущими элементами.

Благодаря теоретическим и экспериментальным исследованиям действительной работы покрытий, зданий и сооружений, проведенным под руководством Э.Л.Айрумяна, В.З.Власова, Ю.М.Дукарско-го, А.З.Клягина А.Я.Прицкера, а также Е.Брайна, Я.Брудка, В.Рлавачека и др. использование профилированных листов в качестве несущих элементов получило широкое распространение.

Для строительных металлических конструкций изменение прочности при эксплуатации, усталостный и коррозионный износ снижают несущую способность. Это подтверждают исследования коррозионного износа элементов, где рассмотрены вопросы узлов и соединений, произведена оценка долговечности конструктивных элементов покрытий различного вида.

Вопросы создания надежных ЛМК, применяемых в новом строительстве и реконструкции зданий и сооружений, исследованы в работах Бапдина В.А., Бирюлева В.В., Броудс Б. М., Гольденберга Л.И., Еремеева П.Г., Жудина Н.Д., Казакевича М.И., Кузнецова В. В., Людковского И. Г., Мелашвили Ю. К. Мельникова Н. П., Ржани-цына А. Р., Сахновского М. М., Стрелецкого Н. С., Тамплона Ф. Ф., Трофимова В. И., Чернова Ю.А., Шимановского В.Н. и других авторов. Координация работ в области ЛМК в Украине создания легких и особо легких металлических конструкций исследованы в работах под руководством Жербина М. М.

Разработка и совершенствование новых конструктивных форм мембранных панелей покрытия (МПП) и панельно-шпренгельных сис-

тем (ПШС) связанных с поиском резервов снижения расхода металлов, выполнены на базе QHTK. УкрНИИпрооктстальконструкции, под руководством Лебсдича И.Н., Гринберга М.Л.

В качестве основных конструктивных элементов, обеспечивающих пространственную работу каркаса, рассматривались продольные диски - горизонтальные связевые формы или жесткие диски . покрытия (из железобетонных, армоцеиентных, армоп.енобетонных плит). Остальные типы настилов, в том числе и покрытие из стального пррфнастила, не учитывали в пространственном расчете. В 60-х годах появились исследования Айрумяна Э.Л., Байтиса В., Брайана Е., Буданова В. И., и др.. показывающие, что диски, покрытия в виде металлических настилов толщиной 0.5-1,6 мм также обладают определенной жесткостью в плоскости покрытия и участвуют в пространственной работе каркаса.

Испытания поперечных рам стальных каркасов зданий по определению поперечных смещений от горизонтальных нагрузок, проведенные Брайаном Е., Валей В.И.., Васильевым A.A., Дейвисси Д., Колмогоровым Ю.Н., Уваровым Б.Ю., и др., показывают существенное отличие Фактических смещений от рассчитанных по плоской расчетной схеме. Эти исследования показали, что профилированный стальной настил покрытия активно включает в пространственную работу каркас здания.

Исследование!,! работы стального настила на сдвиг в своей плоскости занимались Айрумян Э.Л., Байер Р., Ерайан Е., Винтер Д. Эксперименты показали, что жесткость диска покрытия, включающего стальной профнастил, зависит не только от податливости самого настила, но и от конструкции несущих элементов каркаса, типа и шага элементов крепления.

При оценке жесткости диска в покрытиях здании с использованием профнастила существующие методики не учитывают ряд важных факторов влияющих на долговечность подобного рода конструкций. В частности, предполагается постоянная по всей длине здания сдвиговая жесткость настила, в то время как она переменная, и развитая поверхность из тонкого стального листа в условиях нарушения режима нормальной эксплуатации элементов ограждающих конструкций является причиной коррозионного разрушения в наиболее опасных формах ее проявления: местной, неравномерной и щелевой коррозии.

Исследованию долговечности металлоконструкций в агрессин-

ных средах посвящены работы Беленя Е.И., Вольберга Ю.Л., Голу-беваА.И.. Горохова Е.В., Жербина М.М., Кикина А.И., Кошина И.И., Одесского П.Д., Петрова В.В., Почтмана Ю.М.Райзера В.Д., Сильвестрова А.В., Уварова Б.Ю., Шляфирнера 0. М.. и других.

В работах Агаджанова В. И. рассматриваются методы определения затрат по противокоррозионной защите конструкций.

Разработанные методы основываются на установленных номенклатурой показателях качества характеристиках долговечности стальных конструкций: коррозионная стойкость и срок службы защитных покрытий. Однако, эти показатели не учитывают особенностей действительной работы и всей совокупности эксплуатационных факторов, определяющих условия работы и влияющих на несущую способность ЛМК покрытий.

На основе указанных, работ необходимо выполнить дополнительные разработки, учитывающие специфичность действительной работы тонколистовых покрытий.

Уменьшение металлоемкости конструкций должно осуществляться одновременно с возрастанием эффективности противокоррозионной защиты. Поэтому внедрение новых технологий тонколистовых ограждающих конструкций требует комплексного рассмотрения вопросов коррозионной стойкости, выбора средств и методов защиты от агрессивных воздействий с учетом режима эксплуатации промышленных и гражданских объектов.

Для этого оценка показателей долговечности конструктивных решений покрытия производится на основе исследований взаимосвязей и отношений эксплуатационных факторов в рамках решения проблем структурной надежности. Структурное описание базируется на комплексном учете возможных эксплуатационных состояний конструктивов тонколистовых покрытий ( гидро-, тепло-, па-роизоляции, несущих конструкций) конструктивной формы, уклонов и технологических режимов. Такой подход обеспечивает возможность более точного определения Фактических и назначения проектных показателей долговечности.

Представлена методика системного анализа для изучения условий эксплуатации тонколистовых конструкций покрытия , основанная на комплексном подходе при диагностике технического состояния несущих и ограждающих, конструкций, изучении действительной работы и обработке результатов исследований.

Натурное обследование конструктивных элементов проводится

по программе, включающей комплекс мероприятий по изучению действительного состояния покрытий Л.МК с использованием тонкого стального листа:

- изучение параметров геыпературно-влажностного комплекса (TBK) с учетом конструктивных технологических и эксплуатационных особенностей объектов;

- контроль технического состояния гидроизоляционного ковра и теплоизоляционного покрытия;

- оценку защитных свойств противокоррозионной защиты;

- инструментальный контроль интенсивности коррозионных поражений элементов конструкций и ограждающих элементов.

На основании результатов натурных исследований с целью оценки технического состояния и эксплуатационных качеств ЛМК покрытия, а также установления достоверных количественных характеристик долговечности, осуществляется:

- зонирование режима эксплуатации по конструктивным и технологическим особенностям объекта;

- количественное определение Факторов режима эксплуатации, дефектов и повреждений конструктивных элементов;

- оценка показателей долговечности для условий нормальной эксплуатации и при установленных характеристиках нарушения нормальной эксплуатации, вызванных дефектами и повреждениями конструктивных элементов;

- проверочный расчет конструктивных элементов с учетом характера и интенсивности коррозионного разрушения.

Разработанный методический подход был использован при исследованиях покрытий сооружений ангара лабораторного корпуса института КНИГА в г. Киеве, главного корпуса завода КРУ г. Ко-ломыя.

Проведенные натурные исследования позволили выявить характерные эксплуатационные зоны покрытий, количественно оценить Факторы агрессивных воздействий в зависимости от вида и степени развития дефектов изолирующих и защитных покрытий.

В результате сделаны следующие выводы:

1. Для эксплуатационных зон кровельного покрытия характерна различная степень распространения дефектов (от 10 до 38 %), обуславливающих проникновение атмосферной влаги на поверхность конструкций.

2. Нарушение сплошности гидроизоляции вызывает увеличение

уровня влагосодержания теплоизоляции до 52 % и вымывание коррозионного агента.

3. Отмеченные отклонения от режима нормальной эксплуатации существенно увеличивают время фазового увлажнения элементов и коррозионную агрессивность среды.

4. Выявленные отклонения от режима нормальной эксплуатации вызывают значительный коррозионный износ элементов, узлов и соединений, особенно в зонах пониженных участков кровли.

Произведена количественная оценка основных факторов, определяющих характер коррозионного износа. При изучении TBK сооружений установлено, что расчетные показатели времени пребывания адсорбционного слоя влаги на поверхности металлоконструкций изменяются в интервале 861 - 5182 час/год.

Показатели коррозионной стойкости К и защитных свойств покрытий Тз и Тм в условиях эксплуатации определены для однородных зон с учетом состава и интенсивности воздействий. Коррозионное состояние металлоконструкций характеризуется величинами местной и общей коррозии, максимальные значения которых, отмеченные в застойных участках кровли 0, 83 и 0, 42 соответственно.

Анализ результатов исследований позволяет утверждать, что основными показателями коррозионной агрессивности для тонколистовых стальных конструкций покрытия являются параметры TBK - продолжительность общего, Фазового и адсорбционного увлажнения, а также концентрация коррозионно-активного агента. Основными эксплуатационными факторами, определяющими эти показатели, являются: характер и степень развития дефектов кровли; эксплуатационное состояние изолирующих покрытий; особенности конструктивной Формы, уклона, состояние узлов и соединений элементов.

Проверочный расчет покрытия выполняется с учетом данных натурного обследования коррозионного состояния. Учет влияния выявленных факторов коррозионного износа при определении расчетных значений напряжений в элементах покрытия осуществляется коэффициентом надежности противокоррозионной защиты, который позволяет учитывать качество эксплуатации, характер, величину, вид коррозионного износа и его статическую природу:

= dK а, Ук (1 - 5). (1)

где: йк й(> - коэффициент изменения геометрических характерно-

- 11 -

тик при равномерной и местной коррозии;

¡Ск - коэффициент изменения расчетного сопротивления стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;

3 - предельная относительная ошибка измерений.

С целью подтверждения достоверности принятого учета влияния характера коррозионного износа на параметры напряженно-деформированного состояния выполнялось исследование действительной работы несущих конструкций.

Установлено, что вследствие физического износа происходит снижение уровня запаса несущей способности элементов конструкций покрытия до 6... 4:27? по сравнению с проектными, равными 60... 100?.

Полученные результаты исследований действительной работы позволили утверждать что;

- выявленные факторы агрессивности эксплуатационной среды вызывают коррозионный износ металлоконструкций и снижение долговечности кровельных покрытий;

- необходимости учета этих факторов при разработке метода расчетно-экспериментальной оценки сроков службы конструктивных элементов на стадиях проектирования и эксплуатации тонколистовых покрытий;

- обоснование коэффициента надежности противокоррозионной защиты позволяет получить легкие металлические конструкции с гарантированной долговечностью для установленного режима эксплуатации объекта.

Расчетные показатели коррозионной стойкости элементов структурных блоков определены с учетом наиболее неблагоприятного сочетания воздействий с учетом структурных коэффициентов. Результаты математического моделирования, выполненного на ПЭВМ типа 1ВМ АТ.

Расчет срока службы структурных конструкций выполнен по результатам контроля коррозионного состояния в период обследования и на основании -экспериментальных данных моделизирования физико-химических воздействий.

Расчетное -значение показателя То, год, при моделировании режима эксплуатации определяется в процессе ускоренных испытаний защитных покрытий по формуле:

- 12 -р(м)

Т3 = - * 10"3 , (2)

к * р

где Р(Ю - весовые потери от коррозии незащищенной стали, соответствующие количеству циклов ускоренных испытаний N для установленной характеристики отказа, г/м"; к - минимальное значение коррозионной стойкости поверхности конструктивного элемента, мм/год. Расчет срока службы металлизационного покрытия предлагается выполнять по Формуле:

Й- ^

тм =-* 10~3, (3)

к

где <хм - степень разрушения металлизационного покрытия по результатам натурного обследования; Ь0 - проектная толщина металлизационного покрытия, мм; ^ - средняя относительная долговечность 1 мм цинкового

покрытия, г/м" мм. При наличии коррозионных, поражений выполняется проверочный расчет стальных конструкций по методике предельных состояний. По первой группе предельных состояний

'¿"р, Гп 71. С< < 3', й Л; . (4)

I = 1

где Р, - расчетная нагрузка;

- коэффициент надежности по назначению; Т1С - коэффициент сочетания нагрузок;

а1 - усилие в элементе при Р, = 1;

- коэффициент надежности противокоррозионной защиты;

й - геометрические характеристики сечения элементов по

паспортным данным или проектным материалам; Иу - расчетное сопротивление стали по пределу текучести в

соответствии с паспортными данными; <*с - коэффициент условий работы.

При расчете второй группы предельных состояний должно выполняться неравенство:

'е"р1 5к < бпр

1 = 1

где 6К - деформация или перемещение конструкций при наличии коррозионных поражений при воздействии Р! =1;

6пр- предельные деформации или перемещения, определяющие возможность нормальной эксплуатации.

Проведенные исследования по моделированию коррозионного износа и режима эксплуатации позволили выполнить расчет долговечности тонколистовых элементов покрытий. При выявленном техническом состоянии конструкций и параметрах эксплуатационных сред установлено время достижения предельного состояния конструктивных элементов, расположенных в однородных зонах эксплуатации.

При оценке коррозионного состояния использован принцип зонирования режима эксплуатации по объектно-функциональным признакам, обоснованный в работах Горохова Е.В. Изучение технологического режима позволило установить однородные зоны, в пределах которых определены состав и концентрация агрессивных воздействий. Для учета влияния конструктивных и объемно-планировочных решений на неравномерность развития коррозионных поражений по данным освидетельствования выделены группы однородных конструктивных элементов.

По материалам системного изучения режима эксплуатации получены количественные характеристики коррозионных разрушений с учетом эксплуатационных воздействий среды и конструктивных особенностей элементов структурных конструкций.

При проведении натурного обследования установлено, что разрушение защитных покрытий и коррозионный износ связаны с отклонениями от режима нормальной эксплуатации. Причинами снижения эксплуатационных свойств являются нарушения герметичности и сплошности гидроизоляционного ковра, попадание атмосферной влаги на поверхность элементов конструкций.

Для обследования расчетных данных зависимостей (?.)-(5) при моделировании коррозионного поведения конструктивных элементов покрытий и расчета показателей долговечности проводились ускоренные испытания, основными задачами которых являлись:

- оценка степени коррозионной стойкости оцинкованного профилированного настила в контакте с различными видами теплоизоляционных материалов при увлажнении;

- определения влияния горячего цинкования на механические

свойства кровельной стали;

- исследовать влияния агрессивной среды на изменение несущей способности различных соединений;

- экспериментальные исследования фактической несущей способности и деформативности мембранной панели с учетом показателей долговечности;

- выполнение теоретически и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния трехслойной комбинированной панели покрытия с учетом показателей долговечности.

Описаны коррозионно-механические испытания мембранной панели покрытия, разработанной ОНТК УкрНШпроектстальконструк-ция. Программа статических испытаний мембранных панелей предусматривала оценку влияния коррозионных поражений на напряженно-деформированное состояние продольных элементов каркаса, мембранной обшивки при воздействии равномерно-распределенной нагрузки различной интенсивности.

Объект исследования - МПП 3x6 м: мембрана из стального листа толщиной 1,2 мм с помощью точечных швов приварена к каркасу, выполненному из прогрессивных холодногнутых открытых профилей и представляющих собой замкнутую рамную конструкцию, расчлененную на два квадратных отсека.

Основные задачи испытания панели:

1. Исследование влияния контурных условий продольных элементов каркаса на их работу, а также на напряженно-деформированное состояние панелей с учетом коррозионного износа.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния продольных и поперечных элементов каркаса, особенно их опорных участков, при приложении равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности и коррозионных воздействий промышленной. атмосферы.

3. Вопросы устойчивости стенок и изменяемости контура продольных элементов 2-образного профиля и определение критериев при оценке несущей способности и долговечности.

В результате проведенной работы определено действительное напряженно-деформированное состояние мембраны и каркаса панели с учетом коррозионного износа при воздействии равномерно-распределенной нагрузки. Новизна результатов исследования характеризуется тем, что впервые проведены коррозионно-механические испытания тонколистовой МПП, каркас которой выполнен из холод-

ногнутых профилей, ориентированной на массовое применение в производственных зданиях и при реконструкции объектов.

Представлены экспериментальные материалы систематизированного описания коррозионного состояния, использованные для расчетного определения сроков службы элементов структурных блоков покрытия на основе выявления резервов несущей способности. Определены гарантированные показатели долговечности с учетом технических решений по реконструкции кровли главного корпуса завода КРУ и мероприятий по возобновлению противокоррозионной защиты несущих и ограждающих конструкций покрытия.

Для выявления кинетики коррозионного износа материалов легких несущих и ограждающих конструкций в агрессивных средах проводились испытания на образцах из фрагментов оцинкованного профилированного настила с целью определения коррозионной стойкости тонкого листового оцинкованного материала находящегося в контакте с различными теплоизоляционными материалами (ПСБС, ФРП, минвата, промышленная пыль) при увлажнении.

Наибольшему коррозионному износу подвержены стальные листы ограждения в местах соединений. Для исследования долговечности и изменения несущей способности соединений ограждающих конструкций, в результате коррозионного износа, были испытаны наиболее распространенные типы соединений:

- соединения самонарезающими винтами типа ЗК 4,8*8 + РС 2,5*4,0;

- сварные соединения, выполненные односторонней двухконтактной точечной сваркой;

- соединения на высокопрочных дюбелях типа ДГ 4,5*30Р;

- соединения на болтах норм М8;

- соединения на болтах класса 5.8.

Также исследовалось изменение несущей способности сварных соединений в зависимости от положения и диаметра точек.

Исследовались вопросы смятия крепежных элементов. Несущая способность настила покрытия при работе на срезающее усилие в плоскости листа определяется прочность соединений, составляющих его листов. Испытания образцов проводились на срез. Сдвиг в соединении записывался по программе "Усилие - Деформация". Смятие отверстий в соединения измерялось штангенциркулем.

Как показали испытания, прочность болтового соединения в результате коррозионного износа снижается. Линейная зависи-

мость "усилие - деформация" образцов, подверженных коррозионному износу нарушается при нагрузках составляющих 45-70?. разрушающейся нагрузки.

Разрушение образцов, не подверженных коррозионному испытанию, происходило от среза листа, а после 744 часов ускоренных испытаний 50% образцов разрушалось от разрыва болта, остальные 50% от среза листа.

В дюбельных соединениях, после ускоренных испытаний, прочность увеличивалась, а деформативность соединения наростала пропорционально увеличению нагрузки до ступени, равной 0,4-0,55 разрушающей нагрузки. При нагрузках, превышающих этот предел, линейная зависимость "Усилие - Деформация" нарушалась. Разрушение образцов, подверженных коррозии, происходило в результате выдергивания дюбеля, а после ускоренных испытаний -в результате среза листа.

В соединениях профилированных листов между собой комбинированными заклепками, зависимость "Усилие - Деформация" носила линейный характер до ступени примерно равной 0.45 разрушающей нагрузки. При увеличении усилий, превышающих этот предел на 10%, сдвиг в соединении возрастает почти без увеличения нагрузки, как до, так и после коррозионного износа. Несущая способность соединений после коррозионных испытаний уменьшается на 10-12%. Потери несущей способности происходят всегда от среза листа.

По характеру своей работы на растяжение- срез, соединения на точечной сварке значительно отличаются от соединений на самонарезающих винтах, комбинированных заклепках и высокопрочных дюбелях. Полный сдвиг сварных точек складывается в основном из деформации тела сварной точки и некоторого обыятия в месте перехода металла сварки к основному металлу листа. Испытания образцов, после экспозиции в агрессивных средах показали, что несущая способность и модуль сдвига снижается незначительно.

Отношение среднего значения предела прочности соединений после коррозионного износа к пределу прочности до коррозионного износа, при уровне значимости 0,05 в исследуемых средах составляет: для самонарезающих болтов - 0, 9; для высокопрочных дюбелей - 1,0; для комбинированных заклепок - 0,75; для точечной сварки - 0,8.

Проведенные коррозионные испытания нахлесточных соединений

позволяют впервые обосновать в качестве нормативной характеристики коррозионного разрушения коэффициенты условий работы соединений в зависимости от степени интенсивности воздействий:

Р

ь К

--(РО

р_

где Р- к - прочность нахлесточного соединения после коррозионных испытаний в заданной однородной зоне кН/мм;

Рв - прочность нахлесточного соединения до коррозионных испытаний кН/мм.

Среднестатистические оценки коэффициента для сред с

различной интенсивностью представлены в таблице 1.

С учетом возможного коррозионного износа прочность метизов крепления настила на срез получена зависимость: для метизов М < 0, 9 п М^ Увк (7)

для сварных точечных

соединений настила М < 0,25 Р.у- сГ п К вк, (3)

Определение расчетной несущей способности соединений на смятие производится по формулам:

Односторонние заклепки Мв , 2,1 Et <3 Р.Бр ^ (9)

Самонарезающие винты и

Болты Ив „ 4,3 ЕЬ с1 Рвр *вь;, (10)

Пристреливаемые дюбели МБ ч 3,2 Е^ й Р.Бр ^ к, (11)

Таблица 1.

Коэффициент условий работы соединений #вк в средах с различной степенью агрессивности воздействий

Вид соединения Коэффициент *вк

Степень агрессивности среды

Неагрессивная Слабоагрессивная Среднеагрес-сйвная Сильноагрессивная

Болт 1.0 0,95 0, 9 0,9

Винт 1.0 0,95 0.9 0.9

Заклепка 1.0 0, 9 0. 8 0,75

Сварная точка 1.0 0,9 0. 85 0, 8

Дюбель 0,9 0, 95 1. о 1.0

- 18 -

где N - расчетное срезающее усилие;

допустимое срезающее усилие на один винт, болт, дюбель, заклепку в соединении;

расчетное усилие на смятие; п - количество метизов в соединениях;

сЗ - диаметр верхней части электрозаклепки или сварной точки;

коэффициент условий работы; ХБК- коэффициент условия работы соединений в агрессивной среде, равный 1,0; 0,9; 0,8; 0,75 соответственно для дюбельно-го, болтового соединений, соединений на точечной сварке и заклепочного соединения;

t - толщина более тонкого стального листа, мм;

Иу - расчетная сопративление по пределу текучести стального листа, МПа;

ЯБр- расчетное сопротивление смятию, МПа. По результатам испытаний получены минимальные расстояния между осями соединительных элементов и от края металла, таблица 2.

На основании анализа экспериментальных данных, представленных в предыдущих разделах работы, предлагаются конструктивные решения комбинированных панелей покрытия (КПП).

Разработаны три вида конструктивной формы панелей (рис.1). В первом решении конструкция комбинированной панели покрытия с размерами в плане 3*6 м состоит из грех отправочных марок (рис.1а):

- гнутый 2-образный профиль длиной 6 м выполнен из листовой стали;

Таблица 2.

Минимальные расстояния между осями соединительных элеменотов и от края металла

Соединительный элемент а1 В! С

Односторонние заклепки и самонарезащие винты 3(3 1,5(1 3(3

Болты 3, 5с1 1,5(3 4(3

Пристреливаемые дюбели 4, 5(3 4,5(1 4.5(1

£

Аху УХ ХХХ*хуххх»!ХХ;У х'-Нс

б)

||

II II

£

Ысг

в)

Рис. 1. Комбинированная панель покрытия

1 - профилированный настил; 2 - утеплитель; 3 - мембрана; 4 - каркас.

- пространственный блок-каркас представляет собой замкнутую рамную конструкцию, расчлененную на два квадратных отсека 3*3 м и выполнен из прогрессивных холодногнутых профилей. Нижняя подкрепляющая, предварительно напряженная мембрана из листов толщиной 0,8-1,0 мм с помощью односторонней двухточечной контактной сварки собрана внахлест и приварена к каркасу рамной конструкции к нижнему поясу;

- верхняя, обшивка выполнена из профилированного настила, соединение листов между собой - внахлест.

Во втором решении конструкция комбинированной панели покрытия с размерами в плане ширина от 1,7 до 3 м, длина 6 м состоит из трех отправочных марок (рис. 16):

- гнутый г-образный профиль длиной 6 м выполнен из листовой стали;

- пространственный блок-каркас представляет собой замкнутую рамную конструкцию, расчлененную на ДЕа квадратных отсека 3 * 3 м и выполнен из холодногнутых профилей. Нижняя подкрепляющая, предварительно напряженная мембрана из листов толщиной 0,8-1,0 мм с помощью односторонней двухточечной контактной сварки собрана внахлест и приварена к каркасу рамной конструкции к верхнему поясу;

- верхняя обшивка выполнена из профилированного настила, соединил листов между собой осуществляется двойным стоячим Фальцем.

В третьем решении ограждающие конструкции выполнены из мелко сборных панелей МО-1 (рис.1в). МС-1 соединены двойным стоячим фальцем, с нанесенным внутри шва заводским наполнителем, который исключает образование даже капиллярной влаги, обеспечивает надежность и жесткость соединения. Использование двойного стоячего фальца соединяет кровлю в единую стальную мембрану, которая покрывает все здание. Крепление ограждающих конструкций к несущим выполнено на специапьных хомутах.

Разработанная методика статических испытаний КПП на воздействие равномерно распределенной нагрузки включала следующие задачи:

1. Исследование влияния контурных условий продольных элементов каркаса на их работу, а также на напряженно-деформированное состояние панели.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния про-

дольных и поперечных элементов каркаса, особенно их опорных участков, при воздействии на панель равномерно-распределенной нагрузки различной интенсивности..

3. Вопросы устойчивости стенок и изменяемости контура продольных элементов 2-образного профиля.

4. Изучение действительного напряженно-деформированного состояния обшивок.

5. Определение предельной несущей способности панели и характера ее разрушения.

Новизна технических решений таких конструкций, отсутствие обоснованных методов расчета требуют проведения экспериментальных исследований и изучения их действительной работы.

В результате выполненных работ разработана методика рас-четно-экс.пери.ментальной оценки влияния режима эксплуатации на показатели несущей способности и долговечности. Определено действительное напряженно-деформированное состояние обшивск и элементов каркаса панели при воздействии равномерно распределенной нагрузки и различных граничных условиях по каждому варианту исследуемой панели.

Проведены теоретические исследования по уточнению сдвиговой жесткости стального профнастила с учетом долговечности, применяемого в покрытиях зданий из ЛМК. При 2 -3-метровой длине листов стального профилированного настила в покрытиях при рядовой раскладке листов работает по разрезной схеме. При этом диск покрытия имеет различную сдвиговую жесткость в местах поперечных стыков листов и местах промежуточных креплений.

В связи с нелинейной работой опорных соединений при концентрации напряжений модуль на околотропных участках настила меньше. чем на остальной его части.

Опорные соединения настила, включающие крепежные элементы и примыкающие к ним небольшие участки листа, моделируются в виде пружин одинаковой жесткости в двух ортогональных направлениях .

Если настил закреплен через волну, его сдвиговая жесткость снижается в 5-7 раз.

Исследования НДС КПП выполнены с учетом рекомендаций, разработанных ЦНИИпроектстальконструкцией по определению сдвиговой жесткости настила.

Установлено, что в результате коррозионного износа профи-

лированного настила и соединений сдвиговая жесткость снижается. Для обеспечения надежности и долговечности, сдвиговую жесткость профилированного настила рекомендуется рассчитывать с учетом коэффициента <>„ ^ по формуле:

ан Ь0

п = К- С В- С- — * - ¡С... (1?)

Ь- а-

'-у

где К„, й0, - коэффициенты, учитывающие соответственно тип крепления настила на опорах, характер сдвигающей нагрузки (односторонней или знакопеременной) и конструкцию покрытия (с прогонами или без прогонов);

С0 - сдвиговая жесткость прямоугольной панели-эталона с отношением сторон Ь0>1; ан, Ьн - размеры настила в плане, параллельные ан и Ьн;

к - коэффициент учитывающий значения коэффициента надежности по материалу и коэффициента условий работы соединений У-к в средах с различной степенью агрессивности воздействий;

Использование разработанных технических решений, в современном строительстве, обусловлено их технико-экономическими показателями. Устройство покрытий из таких конструкций отличается низкой металлоемкостью, транспортировка и монтаж листовых элементов достаточно просты и осуществляются с помощью несложных приспособлений. По сравнению с кровлями из других материалов покрытия из стальных профилированных листов выгодно отличаются отношением несущей способности к собственному весу, что обеспечивает уменьшение расхода стали в элементах покрытия, и снижает общую стоимость возводимого покрытия.

На основе анализа проведенных экспериментальных исследований даны предложения и рекомендации по совершенствованию конструктивного решения панелей с целью обеспечения и повышения несущей способности с учетом долговечности панелей.

Сравнение вариантов выполнено с учетом приведенных затрат, включая необходимость обеспечения противокоррозионной защиты и достижения гарантированных показателей долговечности.

На основании натурных исследований и ускоренных испытаний в качестве защитного покрытия использована нетвердеющая противокоррозионная мастика ППК (ТУ 22026170.001-95), представляющая собой высоковязкую однородную композицию, которая в тече-

нии всего периода эксплуатации находится б пластичном состоянии. Мастика ППК позволяет получать защитное покрытие без использования традиционных средств подготовки поверхности под окраску. Компонентный состав материала мастики изменяется в зависимости от степени агрессивности воздействий, что позволяет осуществлять защиту от коррозии в слабо-, средне- и сильноагрессивных средах.

ОСНОЕНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты анализа и установление основные факторы, влияющие на снижение эксплуатационной несущей способности ограждающих конструкций покрытий с использованием легких металлических конструкций, позволяют сформулировать дополнительные требования к расчету и конструированию элементов пониженной металлоемкости в коррозионных средах. На основе системного подхода с учетом требований разработана комбинированная панель покрытия, из холодногнутых профилей с обоснованными конструк-торско-технологическими решениями, которые позволяют обеспечить долговечность на стадии проектирования, изготовления и в процессе эксплуатации.

2. Разработана методика расчетно-экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния комбинированной панели покрытия с учетом совместной работы каркаса и тонколистовых обшивок. Результаты силовых испытаний КПП подтверждают надежность предложенной методики расчета. Теоретические значения усилий превышают экспериментальные данные не более, чем на 6, ?Л . Получены экспериментальные данные по сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофров 60 мм., при разрезной схеме закрепления к каркасу панели с различным шагом элементов крепления.

3. Получены экспериментальные данные, характеризующие коррозионную стойкость материалов и соединений, определены сравнительные характеристики степени воздействий теплоизоляционных материалов. По данным экспериментальных исследований предложена методика оценки технического состояния и расчет сроков службы оцинкованного профилированного настила с учетом характера и интенсивностью коррозионных поражений.

4. Впервые для расчета комбинированной панели покрытия

обоснованы коэффициенты надежности, учитывающие особенности, работы нахлесточных соединений выполненных: контактной односторонней двухточечной сваркой, дюбелях, самонарезных болтах, комбинированных заклепках, болтах нормальной точности.

Установлено что:

- прочность болтового соединения в результате коррозионного износа снижается. Линейная зависимость "Усилие - Деформация" образцов, подверженных коррозионному износу нарушается при нагрузках составляющих 45-70% разрушающейся нагрузки;

- в дюбельных соединениях, после ускоренных испытаний, прочность увеличивалась, а деформативность соединения нарастает пропорционально увеличению нагрузки до ступени, равной 0,4-0,55 разрушающей нагрузки;

- в соединениях профилированных листов между собой комбинированными заклепками, несущая способность соединений после коррозионных испытаний уменьшается на 10-12%;

- несущая способность и модуль сдвига в соединениях на точечной сварке снижается незначительно.

Значение коэффициента в исследуемых средах составляет: для самонарезающих болтов -0,9; для высокопрочных дюбелей - 0,95; для комбинированных заклепок - 0,75; для точечной сварки -0,8.

5. Для повышения технологичности и конкурентноспособности разработаны технологические решения заводского изготовления комбинированных панелей, позволяющие снизить трудозатраты на 15% и стоимость конструкции в "деле" на 20% за счет обеспечения гарантированной долговечности при использовании противокоррозионной мастики ППК и дают возможность производить реконструкцию покрытия:

- без использования специального кранового оборудования;

- в стесненных городских условиях;

- сохранение прежнего кровельного покрытия, что способствует проведению работ в различных погодных условиях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Горохов Е.В., Королев В.П., Галактионов A.B. Оценка коррозионного состояния структурных блоков покрытия типа "Ц.ЧИ-ИСК''/V Украинская конф. "Усиление и реконструкция производственных зданий и сооружений, построенных в металле". Тез.

- 25 -

докл.- г.Киев, 1992 -с.55-56.

?.. Галактионов А. В. Обоснование и выбор варианта реконструкции кровли./ III Международная научная конференция "Материалы для строительных конструкций". Тез. докл.- г. Днепропетровск, 1994 -с.143-144.

3. Горохов Е.В., Королев В.П., Галактионов А. В. Обеспечение гарантированной долговечности оцинкованного профилированного настила на основе физико-химического моделирования коррозионных воздействий./ Международная научно- техническая конф. "Ресурсосберегающие технологии в проектировании конструкций и технологических процессов" Сб. трудов, том 3 - г. Макеевка, 1995 -с. 63.

4. Горохов Е.В., Гибаленко А. Н., Галактионов А. В. Обеспечение комплексного подхода при реконструкции покрытия./ Сборник трудов ДГАСА. Том 2.-е. 53-56.

5. Горохов Е.В., Галактионов А.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния мембранной панели покрытия с учетом коррозионного износа./ Международная научно-техническая конференция./ МС-96 ДГАСА, с.59-62.

Galaktionov Alexander Valentinovich. "Assurance of labour Input reducing and life of industrial building roof enclosing structures during reconstruction".

Dissertation for Degree of Candidate of Technical Sciences on 05.23.01 speciality - Building constructions, buildings and structures. Donbas state academy of civil engineering and architecture, - Makcyevka, 1996.

In this dissertation the factors determining the life of roof structures with low amount of setal have been examined in the system analysis basis. Theoretical and experimental analysis of stressed and strained state has been made, which provides for design indices of corrosion resistance and life in comparative evaluation of roof panel design solutions at the designing stage.

Thin-wall member joints reliability factors in corrosion environment have been specified and based. Recommendations on labour input reducing and life assurance of roof combined panels have been developed.

Гапактюнов Оя.бксандр Валентинович. "Забезпечення техно-лог1чност! та довгов1чност! огороджуючих конструкцш покритт1в промислових буд!всль при реконструкцп".

Дисертац1я на здобуття. наукового ступени кандидата техн!ч-них наук з! спец1альност1 05.23.01 - буд1вельн! конструкцИ, буд1вл! та споруди. Донбаська державна академия буд1вництва 1 архлтектури, - МакПвка, 1996.

Подана дисертацгйна робота, в як1й на тдстав1 системного анализу розглянуто чинники, що визначають довгов1чн1сть конструкций покриття зниженох металом'сткост!. Виконано теоретичн! та експериментальн! досл!дження напружено-деформованого стану, якд встановлюють розрахунков1 показники короз1йно1 ст1йк.ост! та довгов1чност! при пор1вняльн!й оц1нц! конструктивних р1шень панелей покриття на стадН прооктування.

Запропоновано та обгрунтоЕано коеф!ц1снти над1йност! з'сднань тон.кост1нних елемент1в при короз!йних д1ях. Розробле-но рекоыендацп по забезпеченню технолог1чност! та довгов1ч-ност! комб1новано1 панел! покриття.

Ключевые слова: панель покрытия, тонкостенные элементы, напряженно-деформированное состояние, коррозионная стойкость, технологичность, долговечность.