автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Восстановление работоспособности элементов каркаса зданий первой категории по ответственности

На правах^зукощіси

005017843

Жуков Александр Николаевич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА ЗДАНИЙ ПЕРВОЙ КАТЕГОРИИ ПО ОТВЕТСТВЕННОСТИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 ДПР Ш

Пенза 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства"

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель России Нежданов Кирилл Константинович

Официальные оппоненты - Овчинников Игорь Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им.Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Транспортное строительство»

- Кузин Николай Яковлевич,

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», заведующий кафедрой «Экспертиза и управление недвижимостью»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 17 мая 2012г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.01 при ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, дом 28, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства".

Автореферат разослан 13 апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Бакушев Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Надёжная и безотказная работа на протяжении всего нормативного срока эксплуатации элементов каркасов промышленных зданий является приоритетным направлением строительной отрасли России. Особенно важна безаварийная работа каркаса в зданиях первой категории по ответственности, в частности в зданиях ТЭЦ. К таким зданиям относятся объекты жизнеобеспечения городов и населенных пунктов (теплоэлектроцентрали), объекты добычи, переработки и хранения нефтяной и газовой промышленности и др.

Увеличение расчётных нагрузок (снеговой на 28,6 % и коэффициента по ответственности для зданий первой категории на 20 %), физический износ, поражение коррозией, необходимость восприятия дополнительных нагрузок в связи с реконструкцией зданий (замена кранового оборудования вследствие необходимости транспортировки механизмов повышенной массы, увеличение высоты смежных зданий, которое ведёт к нарастанию расчетной снеговой нагрузки за счёт образования снеговых «мешков») требуют восстановления работоспособности элементов каркаса.

Необходимо отметить и нарушения, с которыми проектировались, строились и эксплуатировались здания ТЭЦ. К таким дефектам и повреждениям относятся: коррозия элементов каркаса в агрессивных средах, отсутствие связей, непроектные закрепления вспомогательных и основных механизмов и трубопроводов, несвоевременный текущий ремонт и т.д. Данные повреждения обнаружены при натурных обследованиях ряда ТЭЦ и других промышленных предприятий города Пензы и Пензенской области. Анализ результатов показал неудовлетворительное состояние ферм и ребристых плит покрытия, консолей колонн. В большинстве случаев исчерпание работоспособности — это совокупность многих нарушений, которые приведены выше.

Таким образом, актуальность повышения надёжности, живучести и работоспособности элементов каркасов ТЭЦ для городских инфраструктур несомненна и будет возрастать с течением времени.

Цель работы - разработать и исследовать эффективные способы восстановления работоспособности несущих элементов каркаса зданий первой категории по ответственности, а именно продлить безотказную работу ферм системы покрытия и железобетонных консолей колонн для опирания подкрановых балок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать причины обрушений промышленных зданий;

- провести критический анализ существующих способов усиления ферм покрытия и консолей колонн для опирания подкрановых балок;

- разработать новые эффективные способы восстановления работоспособности ферм покрытия с использованием сталетрубобетона и консолей колонн на основе балансирного устройства и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймы;

- изготовить модели аварийных железобетонных консолей колонн;

- разработать и изготовить конструкции с применением балансирного устройства и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймы для восстановления работоспособности аварийной консоли;

- провести физические испытания моделей аварийных консолей до их разрушения и после восстановления работоспособности с применением балансирных устройств и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймой;

- оценить эффективность способов восстановления работоспособности консолей колонн;

- предложить алгоритм расчёта конструкции усиления;

- выполнить технико-экономический анализ новых и существующих способов усиления консолей колонн.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан новый тип технологичных конструкций из свальцованных элементов с применением объёмно-преднапряжённого трубобетона, обеспечивающих полное восстановление работоспособности сжатых элементов и повышение живучести ферм покрытия;

- разработан метод предотвращения обрушения ферм покрытия отбором избыточного тепла, в основе которого лежит принцип испарения воды при температуре 100 °С и недопущения разогрева конструкции свыше 110-130 °С;

- получены новые экспериментальные данные о напряжённом состоянии рабочей арматуры на моделях консоли колонны с помощью тен-зостанции ММТС.64-01, что позволило обосновать способы усиления консолей колонн для опирания подкрановых балок;

- разработаны стальные балансирные устройства, полностью разгружающие железобетонные аварийные консоли колонны от опорных реакций смежных подкрановых балок с дальнейшей передачей их на стержень нижней части колонны с минимальным эксцентриситетом, и обеспечивающие безотказную работу на протяжении 10-30 лет с промежуточным обследованием 3 года;

- разработан принципиально новый вид восстановления строительных конструкций с применением объёмно предварительно напряжённых сталетрубобетонных обойм - замкнутые стальные обоймы охватывают аварийную консоль по контуру, мелкозернистый расширяющийся

4

бетон заполняет полость между обоймой и консолью, при этом обойма препятствует расширению бетона, тем самым объёмно обжимает и предварительно напрягает консоль, в результате исключается возможность её обрушения;

- объёмно-напряжённые сталетрубобетонные консоли превращают в надёжный элемент каркаса, и слабое сечение возникает в другом месте;

- экспериментально с помощью тензостанции ММТС.64-01 получена информация о напряжённо-деформированном состоянии балансирных устройств и сталетрубобетонных обойм, отражающая их действительную работу;

- разработаны алгоритм расчёта конструкции балансирных устройств и рекомендации по их проектированию.

Практическая ценность работы заключается:

- в предотвращении возникновения аварий зданий первой категории по ответственности, таких как теплоэлектроцентрали и им подобные;

- в выявлении возможности повышения устойчивости сжатых элементов ферм, выравнивании несущей способности сжатых и растянутых стержней, что позволило предотвратить внезапное обрушение ферм;

- в восстановлении работоспособности ферм покрытия, эксплуатируемых в реальных условиях в течение нескольких десятков лет и получивших опасные повреждения и дефекты, повышении их живучести благодаря тому, что сжатые элементы фермы превращают в сталетрубобетонные;

- в разработке способа восстановления работоспособности аварийных консолей колонн для опирания подкрановых балок на основе сборных балансирных устройств, а также сталетрубобетонной объёмно предварительно напряжённых обойм, которые обеспечивают полную разгрузку аварийных консолей;

- в возможности понижения материалоёмкости, увеличения прочности и улучшения технологичности монтажа за счёт исключения аварийной консоли колонны из работы и переноса опорной реакции на стержень колонны с минимальным эксцентриситетом, а также возможности повторного использования балансирных устройств.

Автор защищает:

- результаты нового анализа существующих технических решений по усилению стропильных ферм покрытия и консолей колонн для подкрановых балок;

- способы восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн;

- методику испытаний и результаты экспериментальных исследований способов по восстановлению работоспособности консолей колонн для

опирания подкрановых балок с использованием балансирных устройств и сталетрубобетонных обойм с эффектом объёмного обжатия;

- способы восстановления работоспособности стропильных ферм покрытия и исключения возможности обрушения их от пожара;

- алгоритм расчёта конструкций балансирного устройства и рекомендации по их проектированию;

- сравнительный технико-экономический анализ способов усиления консолей колон.

Внедрение результатов: по материалам работы осуществлено восстановление работоспособности консолей колонн Пензенского филиала ОАО «ТГК-6»; материалы работы используются студентами, магистрами, аспирантами при выполнении курсовых и дипломных работ; при чтении курса «Металлические конструкции и спецсооружения».

Апробация работы. Результаты диссертации представлены на:

- международной научно-практической конференции «Строительная индустрия: Вчера, Сегодня, Завтра» (г.Пенза, октябрь 2010 г.);

- Х-Х1 научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г.Пенза, 2010-2011 гг.);

- международном научном форуме «Наука молодых - интеллектуальный потенциал XXI века» (г.Пенза, 2011 г.);

- международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г.Курск, 7-8 октября 2011 г.);

- международном форуме «Актуальные проблемы современного строительства, энергосберегающие технологии» (г. Пенза, 1-2 декабря 2011 г.);

- международной заочной научной конференции «Технические науки: традиции и инновации» (г. Челябинск, январь 2012 г);

-международной научной конференции «Научная мысль информационного века» (Польша, 7-15 марта 2012 г.);

- международной научной конференции «Новейшие научные достижения» (Болгария, 17-25 марта 2012 г.).

Достоверность результатов обусловлена проведением физического эксперимента на достаточно крупных моделях, тарировкой измерительных и нагружающих устройств,- применением в экспериментальных исследованиях апробированных средств и методов измерения, обработкой результатов и хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Публикации, По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура н объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Полный объём диссертации составляет 188 страниц, работа проиллюстрирована 101 рисунком и 9 таблицами. В списке литературы содержится 111 отечественных и переводных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, отмечены сведения, составляющие научную новизну и практическую значимость исследования.

В первой главе приводится анализ общего состояния конструкций промышленных объектов, сформулированы задачи исследования. В настоящее время состояние большинства конструкций промышленных зданий первой категории по ответственности вызывает большие опасения с точки зрения их надёжной эксплуатации. Часть конструкций находится в предаварийном или аварийном состоянии по следующим причинам: общая и местная коррозия элементов каркаса, изменение расчётной снеговой нагрузки и коэффициента по ответственности здания, применение низкосортных сталей, применение 12-метровых ребристых плит, не освоенных промышленностью, отклонения от проектных решений (сечения), отсутствие конструктивных элементов распорок и связей, несовершенные технические решения, несвоевременный ремонт и, как следствие, усиление процессов коррозии и др. Выявлено и проанализировано аварийное состояние консолей колонн одной из ТЭЦ г.Пензы. Анализ показал, что консоли колонны при сроке эксплуатации 50...70 лет, с учётом воздействия коррозии происходящей в агрессивных средах пришли в аварийное состояние, и дальнейшая их эксплуатация опасна обрушением. Необходимо учесть, что опорная реакция от двух смежных подкрановых балок превышает опорную реакцию от фермы покрытия в 3-5 раз. Например, для ТЭЦ г.Пензы Dma^é 103,06 гН больше опорной реакции фермы 2786,04 гН в 2,91 раза, а так как коррозия протекает быстрее там, где сильнее напряжения в элементах, можно сделать вывод, что консоли подвержены коррозии сильнее, чем другие несущие элементы каркаса. Анализируются причины обрушений строительных конструкций ферм, в том числе рассматривается механизм наиболее опасных лавинообразных обрушений. Самой серьёзной причиной аварий ферм покрытия является её нулевая «живучесть», т.е. при потере устойчивости одного из сжатых элементов ферма превращается в механизм, и она может внезапно обрушиться. Одной из причин аварий является опасное повышение температуры в связи с пожаром в цехе, которое приводит к падению модуля упругости стали.

Таким образом, в связи с недостаточной несущей способностью, возникшей по перечисленным выше причинам, ряд зданий старой

постройки требуют усиления. Необходимо разработать новые способы эффективного восстановления работоспособности элементов каркасов зданий, таких как стропильные фермы покрытия (ввиду отсутствия надёжных способов и методов усиления) и консоли колонн.

Среди институтов, занимающихся проблемами усиления конструкций, можно выделить ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИ Проект-стальконструкция им. Мельникова, МИСИ им. В.В. Куйбышева (МГСУ), СПбГАСУ, Укрниипроектстальконструкция, Пензенский ГУ АС.

Большой вклад в исследования надёжности каркасов промышленных зданий внесли известные ученые: Стрелецкий Н.С., Беленя Е.И., Ки-кинА.И., Санжаровский P.C., Кудишин Ю.И., Овчинников И.Г., Кузин Н.Я., КошутинБ.Н., Нежданов К.К., Мельников Н.П., БалдинВ.А., ВедяковИ.И., Кутуков В.Н., Топчий В.Д., ГроздовВ.Т., Назаров Ю.П., Городецкий A.C., Симбиркин В.Н., Гребенник P.A., Шагин A.JI., Золина Т.В. и др.

Вопросы по обследованию и реконструкции промышленных зданий отражены в работах ВаляВ.Н., Горохова Е.В., Беляева Б.И., Корниенко В.И., Уварова Б.Ю., Ерёмина К.И., Пермякова М.Б., Гучкина И.С., Ку-нинаЮ.С., Абрашитова B.C., МигальР.Е., Ерёмина А.К., АззамаА.И., Аванесовой М.П., Тамбовцева E.H.

Восстановлением работоспособности ферм покрытия занимались Стрелецкий Н.С., Беленя Е.И., Кикин А.И., Кошутин Б.Н., Пермяков М.Б., Раевский А.Н., Ребров И.С., ЛащенкоМ.Н., Зайцев М.Б. Среди зарубежных ученых, занимающихся проблемой усиления ферм покрытия, можно выделить Tudor Postelnicu (Румыния).

Исследования работы консолей и методов восстановления их работоспособности отражены в работах: Барановой Т.И., Нежданова К.К., ТумановаВ.А., МигальР.Е. и др. Среди зарубежных ученых, занимающихся проблемой усиления консолей колонн промышленных зданий, можно выделить Tuns loan, Mäntulescu Marius (Румыния), Козаченко О.М. (Украина) и др.

Во второй главе проводится анализ работы ферм покрытия и существующих методов усиления, разработка новых методов восстановления работоспособности с применением сталетрубобетонных предварительно напряжённых стержней и метода защиты от воздействия повышенных температур путём отбора избыточного тепла на основе принципа испарения воды при температуре 100°С и недопущения разогрева конструкций свыше 110-130°С.

Исследования Белени Е.И., Беляева Б.И., Корниенко B.C. показали, что причиной аварий сооружений в 44% случаев является потеря устойчивости одного из сжатых элементов фермы системы покрытия. Следовательно, повышать живучесть и надёжность ферм покрытий зданий и сооружений необходимо за счёт увеличения устойчивости сжатых

элементов фермы II введения лишних связей для повышения степени статической неопределимости системы.

При восстановлении работоспособности повреждённых элементов перспективным направлением развития является применение сталетрубо-бетонных конструкций. Совместная работа стальной обоймы, всесторонне обжимающей бетон, обеспечивает конструкции увеличение несущей способности бетона при осевом сжатии до 2-х раз больше по сравнению с традиционными железобетонными конструкциями. Одним из направлений развития является применение расширяющегося бетона (расширение бетонной смеси на 1,5-4% в объёме). Эффект объёмного преднапряжения при использовании расширяющихся добавок улучшает сцепление бетона с обоймой, а применение мелкозернистого бетона улучшает удобоуклады-ваемость смеси в связи с отсутствием крупного заполнителя. Поэтому превращение сжатых элементов стальных ферм в сталетрубобетонные является эффективным способом. На рис. 1-2 представлена схема превращения сжатых раскосов фермы в объёмно предварительно напряжённые сталетрубобетонные с использованием двойного шпренгеля. Такой способ позволяет снизить гибкость сжатого стержня до трёх раз в плоскости фермы, достичь равноустойчивости в плоскости и из плоскости, исключить обрушение ферм покрытия.

1 - обойма из пары вальцованных профилей; 2 - усиливаемые уголки; 3 — фиксатор; 4 - соединительные болты; 5 - уплотнительная прокладка

Фермы, как и все металлические конструкции, являются пожароопасным элементом каркаса. Повышение температуры в ферме может быть вызвано пожаром в помещении. Известно, что при нагревании до « 600°С модуль упругости стали стремится к нулю, что приводит к потери устойчивости и обрушению стальных конструкций. Однако модуль упругости стали начинает падать при температуре ®200°С. Известно также, что при температуре юо'С начинается кипение воды и интенсивное её испарение, которое сопровождается значительным отбором тепла. Стальные профили выполняют с каналами, фермы охлаждают изнутри испарением воды и исключают этим повышение температуры стальных элементов фермы выше 120...130°С, тем самым исключают возможность обрушения конструкций покрытия сооружения от пожара

В третьей главе проведено исследование существующих методов усиления железобетонных консолей колонн и предложены новые способы. Существуют следующие технические решения: применение в конструкции усиления различных затяжек, бетонирование подконсольной части, дополнительные стойки под подкрановую балку, применение углепластика. К недостаткам этих методов можно отнести невозможность восприятия поперечной силы, изгибающего момента, большую материалоёмкость и сложный процесс восстановления. При этом недостатком всех методов является невозможность усиления консоли в зоне опирания подкрановой балки. Эта часть консоли часто повреждается коррозией. Для восстановления необходима разгрузка консоли от опорных воздействий подкрановых балок.

В зарубежной практике усиления консолей можно отметить метод, предложенный ¡.Типе. Данный метод предполагает устройство металлической обоймы из листовой стали, которая охватывает консоль вкруговую без преднапряжения. Такой метод может выполнять свои функции в случае незначительных повреждений (трещин). И недостатком всех без исключения методов является необходимость разгрузки консоли от действия подкрановых балок и, как следствие, затруднения в основном производстве.

Предложены пять новых способов (отправлены заявки на изобретение) восстановления работоспособности аварийных консолей колонн, которые принципиально можно_ разделить на два вида: разгрузка Балан-сирными устройствами с элементами сталетрубобетона и превращение аварийной консоли в сталетрубобетонную. Описание и устройства этих способов приведены в диссертации.

В четвёртой главе описаны экспериментальные исследования моделей аварийных консолей колонн до их разрушения и после восстановления работоспособности с применением балансирных устройств и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймой. Модели консоли имитируют аварийные консоли колонн, эксплуатирующихся на

одной из ТЭЦ г. Пензы. Предельно допустимая нагрузка, равная 1250,7 гН (12,51т), вычислена по методике, предложенной д.т.н., проф. Барановой Т.Н. Проведены тарировочные испытания всех элементов установки, а именно тензометрической системы ММТС-64.01, домкратов ДГ-50, ДГ-100, болты подвесок испытаны на растяжение до разрушения.

В результате тарировки определены поправочные коэффициенты для тензостанции 1,06 и для домкрата 1,005. Данные коэффициенты были учтены при обработке экспериментальных данных. Для исследования напряженного состояния на рабочую арматуру каркаса были наклеены тензометрические датчики с базой 20 мм. Всего на каждый арматурный каркас наклеивалось по 12 датчиков в наиболее напряжённых точках. Так как арматурные каркасы после изготовления были залиты бетоном, то тензорезисторы были гидроизолированы. Для проведения эксперимента по доведению консолей колонн до неработоспособного состояния разработан стенд для испытания. Стенд представляет собой стальную П-образную раму, нижняя часть которой вмонтирована и жёстко соединена с мощным силовым полом. П-образная рама заанкерена в ручьях силового пола, окантованных швеллерами.

При первом этапе проведения эксперимента были испытаны две модели консоли до полного разрушения. Расчетная разрушающая сила составляла 1250,7 гН (12,51т), но реальное разрушение произошло при 2060,1 гН (21 т) для первой модели и 1471,5 гН (15 т) для второй модели. В моделях наибольшие растягивающие напряжения в горизонтальном участке рабочей арматуры консоли достигли 165 МПа и 100 МПа, а наибольшие сжимающие около 65 МПа и 40 МПа в рабочей арматуре консоли в месте, где она параллельна наклонной грани для первой и второй модели соответственно.

При втором этапе экспериментального исследования восстановление работоспособности моделей консоли осуществлено балансирными устройствами, которые были изготовлены из малоуглеродистой стали ВСтЗсп5 по ГОСТ 2777-88. Каждое балансирное устройство состоит из рычагов управления, подвешенных тягами к центратору, опорной балки и домкратных болтов. Рычаги и центратор выполнены из двух сваренных между собой швеллеров №8. Опорная балка из швеллеров №5 (рис.3).

1- центратор; 2- пара рычагов управления; 3-задняя опорная балка;

4,5—тяги; 6-опорная пластина

Рычаги управления подвешены к центратору тягами с использованием опорных шайб, что повышает технологичность монтажа и изготовления. Рычаги управления соединены с опорной балкой домкратными болтами М12.

Полную разгрузку аварийной консоли от воздействия Втах и Мтах достигают тем, что при воздействии опорной реакции на короткие части пары рычагов управления а конструкция стремится повернуться на подвесках вокруг опорного центратора, который установлен вблизи центра тяжести нижней части модели вплотную к верхней части колонны. При этом повороту каждого из рычагов препятствуют опорные реакции, направленные вниз от опорной балки, которые действуют на длинные концы рычагов Ь. В это время на консоль колонны через короткую часть рычагов управления а и опорный центратор передаётся основная сила, при этом уменьшается эксцентриситет приложения силы со 130 мм до 40 мм, т.е. более чем в 3 раза по сравнению с работой консоли колонны до усиления. Надо учесть, что при "таком способе усиления опорная реакция от центратора возрастает по сравнению с неусиленной консолью на 1520% и равна сумме Ошах и Ропор.

Исследование изменения напряжённого состояния осуществлялось с помощью тензорезисторов, наклеенных в наиболее напряжённых зонах арматуры и балансирного устройства.

За разрушающую принята сила, равная 2354,4 гН (24 т). При этой силе наблюдалось смятие бетона под опорной зоной центратора. Расчетные

напряжения в зоне контакта достигли 18,7 МПа. Края центратора двутаврового в сечении получили погиби. При балансирном устройстве второй модели центратор в середине его длины превращен в коробчатый стержень путём приварки дополнительных пластин с боков толщиной 8 мм, что позволило более равномерно распределить контактные напряжения. Во второй модели разрушение произошло таким же образом, как и в первой модели, но при силе 3041,1 гН (31 т). Напряжения в зоне контакта достигли 24,2 МПа, при этом нормативные напряжения, как в первом, так и во втором случае, равны 8,5 МПа. Необходимо отметить, что даже при повышении расчетных контактных напряжений во втором случае повреждений как центратора, так и консоли выявлено значительно меньше. Это можно объяснить более равномерным распределением контактных напряжений по всей площади контакта. Наибольшие напряжения выявлены в центраторе, они достигли 202,2 МПа, были получены при испытании второй модели. В первом случае напряжения определить не удалось из-за отказа датчика при силе, равной 1667,7 гН (17 т). При этом растягивающие напряжения в рабочей арматуре консоли достигли значения а=53,3 МПа, что значительно меньше, чем в случае без усиления. Растягивающие напряжения в рычагах управления достигли значения 124,6 МПа. Напряжения сжатия в вертикальных стойках задней опорной балки находились в интервале от 70,2 до 152,7 МПа. В горизонтальной части опорной балки растягивающие напряжения достигли значения в 118,6 МПа.

Таким образом, при восстановлении работоспособности моделей консоли колонны с помощью балансирных устройств несущая способность модели по сравнению с неусиленной консолью возросла с 2060,1гН (21т) до 2354,4гН (24т) в первом случае и с 1471,5гН (15т) до 3041,1гН (31т) во втором случае. Коэффициент усиления составил 1,15 и 2,07 соответственно, что является хорошим результатом. Но если проводить сравнение с расчетной разрушающей силой 1250,7 (12,51т), данные коэффициенты возрастут до 1,88 и 2,43 соответственно, что дает еще больший запас прочности. При этом напряжения в арматуре, как в первой, так и во второй модели существенно уменьшились. После монтажа балансирного устройства у моделей консолей повысился ресурс, как по прочности, так и по длительности эксплуатации. За счёт высокой технологичности, простоты монтажа и невозможности обрушения конструкции возникает и экономический эффект, который возрастает с ростом категории ответственности здания.

При третьем этапе эксперимента изготовлена стальная замкнутая обойма, состоящая из торцевых швеллеров, боковых накладок из листовой стали и соединительных уголков. Для приготовления мелкозернистого расширяющегося бетона применялась расширяющая добавка РД-Н

производства CONSOLIT BARS. Общий вид замкнутой обоймы представлен на рис.4.

Рис.4. Общий вид сталетрубобетонной конструкции: 1-торцевые швеллеры; 2 - соединительные уголки; 3 - боковые соединительные накладки из листовой стали

Для исследования напряжённо-деформированного состояния на обойму наклеены тензорезисторы. Схема наклейки тензорезисторов представлена на рис.5.

Рис.5. Схема наклейки тензорезисторов Общее количество датчиков на первую модель принято равным 28, и они наклеены в наиболее напряжённых зонах обоймы. Модели консоли испытывались поочередно, поэтому после проведения первого эксперимента количество датчиков для второй обоймы было скорректировано и принято равным 18.

Самые напряжённые места обоймы - это верхние уголки, окантовывающие грани верхней часта обоймы (датчики № 2 (1) и 18 (9)). В них возникли напряжения растяжения 33,7 МПа (68,4) и 45,8 МПа (85,2) соответственно. В скобках указаны напряжения, полученные со второй модели консоли.

Необходимо отметить, что в боковых элементах обоймы в зоне соединения с торцевым швеллером (датчики № 9 (8) и 25 (16)) с тыльной стороны консоли, напряжения растяжения достигли 30,6 МПа (28,2) и 1,1 МПа (27,8). Горизонтальные датчики под номерами 4(3) и 20(11) показали напряжения растяжения 30,6 МПа (12,03) и 23,2 МПа (42,4) соответственно. Аналогично ориентированные, но несколько нижерасположенные датчики под номерами 21 (12) зафиксировали напряжения растяжения, равные 24,6 МПа (29), а соответствующие им датчики 5(4) на другой стороне накладки показали противоречивые данные -26,7МПа (30,6). Это можно объяснить отказом датчика, так как сначала датчик показывал стабильное растяжение. Датчики, расположенные вдоль наклонной грани консоли колонны, под номерами 10 (6) и 26 (14) показали напряжения, равные 19,27 МПа (31,2) и 62,16 МПа (15,52) соответственно.

Таким образом, при восстановлении работоспособности консоли колонны при помощи предварительно напряжённой сталетрубобетонной обоймы несущая способность исследуемой конструкции возросла с 2060,1 гН (21 т) до 4614,62 гН (47,04 т) в первом случае и с 1471,5 гН (15 т) до 4614,62 гН (47,04 т), во втором коэффициент усиления составил 2,24 и 3,136 соответственно, что является хорошим результатом. Проводя сравнение с расчетной разрушающей силой, получим коэффициент, равный 3,91, что пойдет в запас прочности. При этом в ходе анализа данных, полученных при проведении эксперимента, было установлено, что напряжения во всех опрашиваемых датчиках были значительно меньше расчётного сопротивления стали Ку=240 МПа. Учитывая характер разрушения и имеющиеся напряжения при этом, можно сказать, что консоль при таком методе усиления превращается в надежный элемент каркаса, который работает как единое целое со сталетрубобетонной оболочкой, а слабое сечение возникает в другом месте (в верхней части колонны).

В ; пятой главе предложен алгоритм расчёта конструкций восстановления работоспособности консолей колонн реального объекта с применением балансирных устройств. Проведен технико-экономический анализ выбранных решений. Алгоритм расчёта базируется на формуле, обеспечивающей достаточную прочность при изгибе:

(1)

' X

Внешние габариты замкнутой обоймы назначаем в соответствии с известными размерами консоли колонны в плане Ъ и Ь (натурное обследование). Для определения основных размеров конструкций про-

изведём расчёт следующих величин на основе экспериментальных данных: /аент=2,7-Л; /оп0р=2,7-А; е,=0,375-/г; е2=0,05-А; е3=0,58-/г; /рычаГов ™ = 1,25-А. Расчётные коэффициенты получены эмпирическим путем. Расчёт пары рычагов управления

Расчётная схема рычагов управления представлена на рис.6.

\

Гщ

I

Рис.6. Расчётная схема рычагов управления

Ут7 = £> + Г

' - таг -^тах длин '

(2)

где £>тах - опорная реакция двух смежных подкрановых балок, передаваемая на аварийную консоль колонны. Опорные реакции от опорной балки:

^ДПИН Я,,

Максимальный изгибающий момент в паре рычагов управления

(3)

(4)

Требуемый момент сопротивления двух рычагов найдём по формуле:

М

ггх=- . УЯ,

Расчёт центратора

Расчётная схема центратора представлена на рис.7.

(5)

А

тяги^е^.

/Т\ /Т\ /14 /Т\ ЛЧ

I

іу-е ІГтяги

Рис.7. Расчётная схема центратора в предположении, что отпор по всей площади контакта равномерен

Для подбора поперечного сечения центратора внешняя сила определяется по формуле (2).

Опорная реакция от опорной балки находится по формуле (3). Момент внешней силы

Л

тах ' А™

•0,375/).

(6)

Требуемый момент сопротивления определяется по формуле (5).

Расчёт тяг, соединяющих центратор с парой рычагов управления

Для удобства монтажа с каждой стороны консоли примем подвески из четырёх шпилек М24 (сталь 40Х "Селект"), то есть, по четыре шпильки для подвески к каждому концу центратора. По такой же схеме рассчитываем болтовое соединение управляющих рычагов и опорной балки. Проверка прочности всех тяжей на растяжение:

о = Я,

>У А = ^ ^ УК

(7)

Расчёт шайбы соединения центратора с рычагами управления

Расчётная схема соединительной пластины представлена на рис.8.

1~тяги ^

\/

тяги

\/

/ ч / \ / ч / ч / ч / ч

Рис.8. Расчётная схема шайбы, взаимодействующей с центратором Изгибающий момент в шайбе

М=РТгг'е2 (8)

Для подбора поперечного сечения шайбы внешняя сила определяется по формуле (2).

Опорную реакцию от опорной балки находим по формуле (4).

Изгибающий момент внешней силы

/

і.

\

о +в

шах шах і

'длин у

•0,056.

(9)

Требуемый момент сопротивления определяется по формуле (5).

Расчёт смятия бетона под центратором в зоне контакта ведем по СП 52-101-2003 пункт 6.2.43

Расчёт опорной балки взаимодействующей с домкратними болтами

Так как опорная балка имеет составное сечение и состоит из нижней домкратной балки, вертикальных упоров и верхней горизонтальной опорной балки, при этом эксперимент показал, что самой напряжённой является домкратная балка, то расчёт будем производить для неё, а остальные элементы для удобства монтажа и унификации элементов примем аналогичными (рис.9). Б

г

3?

х 1 упора

>47 д

I II II т

X т

голин

Ра.

1/1 ин

Рис. 9. Расчётная схема опорной балки с тыльной стороны консоли Опорная реакция от опорной балки определяется по формуле (3). Изгибающий момент в опорной балке

•0,58А

(10)

Требуемый момент сопротивления определяется по формуле (5).

После подсчёта всех требуемых моментов сопротивления, проверок прочности на смятие и подбора сечения болтов по сортаменту, подбираем сечения элементов конструкции. Для центратора и задней верхней опорной балки рекомендуется применять коробчатые сечения, так как они обладают большей жёсткостью, нежели открытые сечения. Аналогичные данные были получены в ходе экспериментального исследования, которое показало эффективность закрытого коробчатого сечения в центраторе. Все

остальные элементы конструкций рекомендуется назначать коробчатого профиля, так как он более эффективен.

Размеры поперечного сечения элементов сталетрубобетонной обоймы назначаем на основании эмпирических данных, так как требуется дополнительное исследование характера работы конструкции. Генеральные размеры конструкций сталетрубобетонной обоймы назначаем в соответствии с фактическими размерами поперечного сечения аварийной железобетонной консоли. В расчётное сечение попадают такие элементы обоймы как окантовывающие уголки (верхние и нижние) и боковые накладки. Толщину сечения элементов обоймы для аварийной консоли реального объекта назначаем равной не менее 5 мм. Из условия коррозиостойкости толщину листа для модели назначаем 2 мм. Генеральные размеры для балансирных устройств назначаем в соответствии с размерами аварийной консоли. Зазор между краном и обоймой должен быть как минимум 100 мм, для безопасной работы данного оборудования. В ходе уплотнения бетон внешним вибрированием, сообщая обойме колебания, зазор должен быть не менее 30...40мм. Если используется глубинный вибратор, то при назначении поперечных размеров обоймы для восстановления работоспособности консоли необходимо учитывать его диаметр. Зазор между обоймой и аварийной консолью должен бьггь больше диаметра вибратора на 15-20 мм. Габаритные размеры зазора обоймы в действующем цеху должны быть больше размеров колонны в плане на величину, как минимум 70...80 мм, при этом защитный слой бетона удалён, так как необходимо учитывать, что обойма охватывает аварийную консоль по контуру вкруговую. При этом зазор между обоймой и консолью должен быть достаточен для уплотнения бетона глубинным вибратором (то есть 070...80 мм).

Расчёт материалоёмкости произведём для реальной консоли колонны, эксплуатирующейся на одной из ТЭЦ г.Пензы. В качестве критической силы выберем расчётную нагрузку на консоль, равную 82,6 т. Отметка уровня консоли +16.000 м, высота консоли 1,8 м.

Технико-экономические показатели

Способ усиления Расход металла, т Расход бетона, м5 Трудоёмкость, чел-ч (маш-ч) Остановка произв. Дополнительные работы Осложнения эксплуатации

Усиление консолей колонн предна-пряжёнными затяжками 0,226 11,32 (2,8) да Выравнивание поверхностей для уголков, восстановление зоны опирання подкрановой балки Периодическое восстановление величины предна-пряжения арматуры

Бетонирование подкон-сольной части 0,17 4,36 428,94 (14,4) да Увеличение сечения колонны

Подведение под подкрановые балки новых стальных колонн 0,54 0,03 13,72 (2,82) нет Разборка пола до обреза фундамента, крепление стоек к фундаменту Увеличение сечения колонны

Способ усиления консолей, предложенный І.Типв 0,248 12,43 (3,07) да Восстановление зоны опирання подкрановой балки Возможны крены всей обоймы

Балансирные устройства 0,21 — 10,52 (2,6) нет - -

Сталетрубо- бетонная обойма 0,241 0,21 18,21 (3,55) нет

Анализ таблицы показывает, что большинство методов соизмеримы как по материалоёмкости, так и по трудоемкости. Способы, предложенные автором, имеют приемлемую трудоёмкость особенно, если это касается балансирных устройств. Способ восстановления работоспособности консолей колонн с использованием сталетрубобетонных обойм предполагает несколько большую трудоёмкость по сравнению с балансирными устройствами (за счет необходимости заполнения бетоном), что компенсируется высокой прочностью и длительным сроком эксплуатации при сопоставимых затратах стали на конструкции.

Предложенные автором способы не требуют выполнения дополнительных работ на стадии монтажа и последующей эксплуатации конструкции в отличие от остальных способов, имеющих ряд недостатков и вносят коррективы в стоимость устройства и обслуживания конструкций.

Таким образом, способы восстановлении работоспособности консолей колонн при помощи балансирных устройств и сталетрубобетонных предварительно напряжённых обойм, помимо эффективности, установленной в ходе проведения экспериментальных исследований, оказались сопоставимыми с существующими методами по материалоёмкости и трудоёмкости, при этом дополнительные работы и осложнения эксплуатации отсутствуют.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведён новый анализ существующих способов усиления стропильных ферм покрытия и консолей колонн для опирания подкрановых балок, который позволил выявить существенные недостатки известных решений (конструктивных, технологических, экономических), не гарантирующих нормальную работу конструкции на протяжении, 10-30 лет с промежуточными обследованиями через каждые 3 года с момента её усиления.

2. Разработан способ восстановления работоспособности ферм покрытия, продлевающий надёжную эксплуатацию путём превращения сжатых элементов в сталетрубобетонные и с применением двойного шпренгеля для выравнивания гибкости в плоскости и из плоскости фермы, который позволил повысить живучесть ферм покрытия и выровнять прочность сжатых и растянутых стержней.

3. Разработаны и изготовлены железобетонные модели аварийных консолей колонн. Модели испытаны и доведены до разрушения.

4. Разработаны способы восстановления работоспособности и усиления консолей колонн для подкрановых балок на основе балансирных устройств, позволяющих полностью разгрузить аварийные консоли от воздействия на них двух смежных подкрановых балок при транспортировке сцепкой из двух мостовых кранов массивного груза (например, турбину массой 100 т). Экспериментально изучена действительная работа этих устройств. Экспериментально установлен коэффициент повышения несущей способности моделей консолей КОЛОННЫ (Кусил= 1,15 ДЛЯ первой модели и Кусил- 2,07 для второй модели).

5. Описан предложенный автором технологичный способ восстановления работоспособности и усиления аварийных консолей колонн с преобразованием их в замкнутые сталетрубобетонные обоймы. Данный способ позволяет полностью восстановить несущую способность аварийных консолей, невзирая на существующие повреждения.

6. Модели консолей колонн вновь были восстановлены и усилены замкнутыми сталетрубобетонными обоймами. Экспериментальное изучение фактической работы обойм при попытке разрушения показало, что колонны, заключённые в обойму, имели значительный запас

прочности по сравнению со всей колонной. Были получены коэффициенты усиления 2,24 и 3,136.

7. Доказано, что применение сталетрубобетона при усилении строительных конструкций является эффективным способом для многих видов конструкций.

8. Исследовано изменение напряжённо-деформированного состояния в арматуре моделей конструкции при помощи тензорезисторов, с помощью которых выявлены наиболее напряжённые места в арматуре модели консоли колонны и конструкций усиления: при восстановлении с применением сборной обоймы - центратор, с применением трубобетонной предварительно напряжённой обоймы - соединительные уголки и боковые накладки.

9. На основании проведенного эксперимента дан алгоритм расчёта балансирного устройства и рекомендации по его проектированию, которые позволяют назначить поперечное сечение и общие размеры всех его элементов в соответствии с требованиями строительных норм и правил.

10. Технико-экономический анализ показал, что материалоемкость и трудоемкость предложенных автором способов сопоставимы с существующими методами, при этом дополнительные работы и осложнения эксплуатации отсутствуют.

Основное содержание диссертации представлено в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК

1. Жуков, А.Н. Анализ состояния и причин обрушений строительных конструкций в промышленных зданиях / А.Н. Жуков, К.К. Нежданов // Региональная архитектура и строительство. — 2011. -№1. - С.80-84.

2. Жуков, А.Н. Восстановление работоспособности консоли железобетонной колонны крайнего ряда / А.Н. Жуков // Изв. Юго-Западного гос. ун-та.-2011. -№5(38), часть 2. - С.375-378.

3. Жуков, А.Н. Исследование методов усилений консолей одноэтажных промышленных зданий / А.Н. Жуков, К.К. Нежданов // Строительство и реконструкция. - 2011. - №2(34). - С.43^9.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

4. Жуков, А.Н. Способ восстановления несущей способности симметричных консолей / А.Н. Жуков, В.О. Булавенко, Д.Х. Саидов // Молодой ученый. - Чита: Молодой ученый. - 2011. - №2. - С.29-31.

5. Жуков, А.Н. Исследование обрушений строительных конструкций в промышленных зданиях / А.Н. Жуков // Строительная индустрия: вчера,

сегодня, завтра: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, октябрь 2010.-С. 44-46.

6. Жуков, А.Н. Способ восстановления работоспособности аварийной Железобетонной консоли колонны / А.Н. Жуков // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. XI науч.-тсхн. конф. - Пенза. - 2011. -С.49-51.

•7-. Жуков, А.Н. Схема проведения испытаний по восстановлению работоспособности консолей колонн с применением трубобетонных конструкций / А.Н. Жуков // Технические науки: традиции и инновации: междунар. заоч. науч. конф. - Челябинск, 2012. - С. 141-145

8. Жуков, А.Н. Экспериментальное исследование по восстановлению консолей колонн с использованием балансирного устройства / А.Н. Жуков // Молодой ученый. - 2012. - №3. - С.37-40.

9. Жуков, А.Н. Алгоритм расчёта поперечного сечения и прочности конструкций восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн с использованием бапансирных устройств / А.Н. Жуков // Materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowa mysl informacyjnej powieki - 2012» Volume 28. Matematyka. Budownictwo i architektura.: Przemyál. Nauka i studia - 96 str. - C. 55-60.

Ю.Жуков, А.Н. Экспериментальное исследование по восстановлению работоспособности консолей колонн объёмно предварительно напряженной сталетрубобетонной обоймой / А.Н. Жуков // Материали за VIII Международна научна практична конференция «Найновите научни постижения-2012» .Том 31 .Математика. Здание и архитектура. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД -112 стр. - С. 75-78.

г..

Жуков Александр Николаевич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА ЗДАНИЙ ПЕРВОЙ КАТЕГОРИИ ПО ОТВЕТСТВЕННОСТИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.04.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 110 экз. Заказ № 82.

Издательство ПГУАС Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28 E-mail: office@pguas.ru www.pguas.ru