МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО СТАЛЬНОГО КАРКАСА ЗДАНИЯ ПОСЛЕ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Руднев Игорь Владимирович; Никулина Ольга Владимировна; Жаданов Виктор Иванович; Украинченко Дмитрий Александрович; Аркаев Максим Александрович

УДК 624.014 DOI 10.51608/26867818_2021_3_26

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО СТАЛЬНОГО КАРКАСА

ЗДАНИЯ ПОСЛЕ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

В последние десятилетия проектированием стальных конструкций зачастую занимаются проектные организации, выигравшие конкурсный отбор за счет снижения стоимости проекта, специалисты которых не обладают опытом проектирования. В статье представлены материалы экспертизы стального каркаса здания с оценкой его несущей способности в условиях череды аварийных ситуаций на объекте. Методика проведения экспертизы позволила вывить и исправить ошибки проектирования без остановки эксплуатации здания.

Ключевые слова: строительно-техническая экспе напряженно-деформированное состояние.

В связи с ростом промышленного производства в различных отраслях на территории Российской Федерации, у организаций и частных предпринимателей возникает необходимость в быстровозводимых каркасных зданиях из легких металлоконструкций, имеющих значительную полезную площадь. Как правило, процесс проектирования таких зданий достаточно жестко регламентируется Заказчиком с точки зрения сокращения сроков проектирования и стоимости проектных работ, что зачастую приводит к выбору недостаточно квалифицированного проектировщика и, как следствие к ошибкам в проектах. Затем, на ошибки проектирования, как правило, накладываются дефекты, допущенные при производстве работ и эксплуатации здания, что приводит к созданию аварийной ситуации. Для определения степени виновности в сложив-

ртиза; стальной каркас; аварийное повреждение,

шейся ситуации между участниками строительного процесса достаточно часто возникают судебные тяжбы. В подавляющем большинстве случаев их разрешение невозможно без проведения строительно-технической экспертизы, объектами которой являются проектная документация и фактическое исполнение здания. Для определения истинных причин аварийности экспертам-строителям необходимо выполнить комплекс действий, направленных на установление механизма происшедшего, связанных с исследованием напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, методика которого формируется индивидуально для каждого случая [1].

Основной причиной экспертного исследования явилось аварийное состояние отдельных конструкций каркаса трехпролет-ного здания склада готовой продукции с

* Руднев Игорь Владимирович (ru403@mail.ru) - кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, Никулина Ольга Владимировна (nov25@bk.ru) - кандидат технических наук, доцент, Жаданов Виктор Иванович (organ-2003@bk.ru) - Заслуженный строитель РФ, советник РААСН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных конструкций, Украинченко Дмитрий Александрович (279372@mail.ru) - кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, Аркаев Максим Александрович (arkaevrus@mail.ru) - кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, все - Оренбургский государственный университет (Оренбург, Россия).

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2021. № 3 (12)

EXPERT-THEORY AND PRACTICE

б)

Рис. 1. Дефекты стропильных ферм, создавшие аварийную ситуацию:

а) узел 30-метровой фермы после потери несущей способности фасонок; б) потеря устойчивости верхнего пояса 12-метровой фермы

пролетами 30м, 18м и 12м: потеря устойчивости узловых фасонок с закручиванием укрупнительного узла верхнего пояса отправочных марок шести стропильных ферм пролетом 30 метров и потеря устойчивости при опорной панели верхнего пояса четырех стропильных ферм пролетом 12 метров из 41 поперечных рам каркаса (рис. 1а, б).

На первом этапе исследования выявлялись причины оговоренных локальных аварийных повреждений, произошедших в первый год эксплуатации здания.

Аварийное повреждение стропильных ферм пролетом 30 м произошло в зимний период при действии на покрытие снеговой нагрузки. Под поврежденные фермы по специально разработанному проекту были подведены страховочные стойки, что позволило не прекращать эксплуатацию здания. Причиной указанного повреждения явилось конструктивное решение укрупнительного узла верхнего пояса отправочных марок стропильной фермы пролетом 30 метров. Предотвратить аварийную ситуацию можно было еще на стадии проектирования, приняв стандартное решение фланцевого монтажного стыка по серии 2.440-2.2-11КМ [2].

Другой вариант обеспечения несущей способности оговоренного узла -выполнение проверки устойчивости фасонки, под-

верженной внецентренному сжатию, как условного стержня с расчетной длиной, равной расстоянию от фланца до уголка пояса фермы (по проектному решению, указанное расстояние равняется 95 мм). Фактическая расчетная ширина фасонки в пределах уплотнительной пластины составляет 300 мм, толщина фасонки - 10 мм. Расчет-ное,принятое в проекте продольное усилие сжатия в примыкающей к узлу панели верхнего пояса: N = 513 кН. Эксцентриситет приложения продольной силы к фасонке: е = 11,5 см. Проверка на устойчивость фасонки из ее плоскости при фактических условиях закрепления может быть выполнена по формуле:

м

< 1, (1)

СфуАЯу

в

A

1+am,

; mx = 0,5mx; mx = e--*.

w*

Для оговоренных исходных данных, соответствующих проектному решению узла и заложенным в проекте усилиям в элементах фермы, несущая способность фасонки не обеспечена с перегрузкой в 1,3 раза.

Потеря устойчивости приопорных панелей верхних поясов стропильных ферм пролетом 12 метров произошла в летнее

* Обозначения в формулах (1) приняты в соответствии с СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-23-81*».

С

ф

время. В качестве причин рассматривались осадки опор, температурные воздействия, возможные эксплуатационные повреждения в связи с расположением ферм в зоне линий железной дороги.

На следующем этапе было проведено инструментальное обследование здания, в результате которого, в том числе, выявлено несоответствие отдельных конструктивных решений каркаса требованиям нормативных документов по обеспечению его пространственной жесткости, в частности, отсутствие горизонтальных и вертикальных связей, раскрепляющих сжатые приопор-ные элементы нижних поясов стропильных ферм.

С другой стороны, жесткое примыкание стропильных ферм разновеликих пролетов к надколонникам и подстропильным фермам приводит к загружению конструкций непроектными крутящими и изгибающими моментамии вызывает повышенную чувствительность всего каркаса здания к неравномерным осадкам фундаментов, которые могут возникнуть при строительстве на структурно неустойчивом основании, например, при недостаточном уплотнении насыпного грунта под подошвой фундаментов. В процессе определения геометрического положения конструкций в рамках обследования выявлено, что колонны каркаса здания имеют вертикальные перемещения, достигающие 80-150 мм, в том числе в колоннах крайнего ряда 12 метрового пролета.

В связи с большим количеством причин и воздействий, влияющих на несущую способность стального каркаса, экспертной группой было принято решение о его расчете в двух программных комплексах АРМ СЕ (Россия) и ЛИРА САПР, верифицированной в РААСН, в соответствии с рекомендациями [3]. Для оценки напряженно-деформированного состояния основных несущих конструкций здания, в программных комплексах создана пространственная пластинчато-стержневая модель реализованного

каркаса с жесткими узлами сопряжения ригелей с колоннами и подстропильными фермами и с фактической системой связей.

Каркас здания смоделирован стержневыми конечными элементами, имеющими шесть степеней свободы. В узлах конструкции на стержневые элементы наложены связив зависимости от их местоположения. В соответствии с фактическим закреплением стержневых элементов узлы стропильных и подстропильных ферм приняты жесткими в плоскости конструкций, узлы крепления связей, распорок, тяжей приняты шарнирными.

Узлы соединения надколонников с колоннами приняты шарнирными в плоскостях стропильных и подстропильных ферм. Опоры колонн - жестко защемлены на фундаментах. Ограждающие конструкции смоделированы прямоугольными четырех-уз-ловыми пластинчатыми конечными элементами без жесткости.

Рис. 2. Пространственная модель каркаса здания в программном комплексе ЛИРА САПР

Статический и конструктивный расчет модели выполненна действие постоянных ивременных нагрузок, определенных по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.0785*», и на неравномерные осадки опор, зафиксированные в процессе обследования здания.

По результатам выполненных расчетов выявлено, что вследствие недостаточного количества связей, раскрепляющих сжатые элементы нижних поясов стропильных ферм, конструктивных ошибок, допущен-

ф

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2021. № 3 (12)

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

а) б)

Рис. 3. Усиление каркаса и ферм:

а) стабилизация положения аварийных ферм пролетом 30 метров; б) монтаж дополнительных связей и распорок

ных при разработке проектной документации, и неравномерных осадок фундаментов несущая способность отдельных элементов стропильных конструкций не обеспечена с перегрузкой от 1,5 до 2,6 раза. Кроме этого, оказалась необеспеченной несущая способность опорных фланцевых соединений верхних поясов стропильных и подстропильных ферм с колоннами. Для исправления ошибок, допущенных в расчетах каркаса при его проектировании, потребовалось выполнить следующие мероприятия: внести изменения в существующую связе-вую систему каркаса здания путем установки дополнительных распорок и связей; выполнить усиление элементов ферм и кре-

стообразных связей по колоннам путем увеличения площади их сечений; установить дополнительные болты в опорные фланцевые соединения ферм с колоннами (рис. 4).

На первом этапе непосредственно усиления каркаса была выполнена стабилизация положения аварийных ферм пролетом 30 метров и обеспечение жесткости каркаса в целом (рис. 3), а также усиление потерявших устойчивость стержней верхнего пояса 12-метровых ферм.

Усиление элементов каркаса и узлов (рис. 4) выполнено по результатам итерационного расчета конструкций пространственной модели каркаса здания, после внесения необходимых изменений в конструкции

а) б)

Рис. 4. Усиление каркаса и ферм:

а) усиление поясов; б)установка дополнительных болтовво фланцевые соединения ферм с колоннами

ф

связевой системы и сечений стержней. Несущая способность элементов каркаса после усиления обеспечена с запасом от пяти до двенадцати процентов.

По результатам проведенного двухлетнего мониторинга элементов каркаса здания в различные времена года каких-либо деформаций и перемещений, превышающих допустимые значения, не выявлены.

Изложенная и внедренная методика многоступенчатой оценки несущей способности стального каркаса здания позволила собственнику не останавливать производственный процесс при сложившийся аварийной ситуации, быть уверенным в эксплуатационной надежности здания в последующий период и обоснованно отстаивать свои интересы в судебных инстанциях.

Библиографический список

1. Теория и практика судебной строительно-технической экспертизы / А.Ю. Бутырин. - М.: Издательский дом "Городец", 2006. - 544 с.

2. Серия 2.440-2.2 Узлы стальных конструкций производственных зданий промышленных предприятий. Выпуск 2 - Узлы покрытий. URL: https://files.stroyinf.ru/Index2/1/4293853/42938 53020.htm

3. «Рекомендации по составу и оформлению отчетной документации по результатам расчетов строительных конструкций и оснований зданий и сооружений, представляемых на государственную экспертизу проектной документации». URL: https://gge.ru/upload/iblock/168/ Рекомендации.pdf

Поступила в редакцию 19.04.2021 г.

METHODS FOR EVALUATING THE BEARING CAPACITY OF AN EXPLOITED BUILDING STEEL FRAMEWORK AFTER ACCIDENTAL EXPOSURES

In recent decades, the design of steel structures is often carried out by design organizations that have won a competitive selection due to a significant reduction in the cost of the project, whose specialists do not have sufficient knowledge and experience in design. The article presents the materials of the examination of the steel frame of the finished product warehouse with an assessment of its load-bearing capacity in the conditions of a series of emergencies at the facility. The methodology of the examination allowed us to identify and correct design errors without stopping the operation of the building.

Keywords: construction and technical expertise, steel frame, emergency damage, stress-strain state.

Received for publication on April 19, 2021

* Rudnev Igor Vladimirovich (ru403@mail.ru) - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Nikulina Olga Vladimirovna (nov25@bk.ru) - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Zhadanov Viktor Ivanovich (organ-2003@bk.ru) - Honored Builder of the Russian Federation, Advisor to the RAACS, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Building Structures, Dmitry Aleksandrovich Ukrainchenko (279372@mail.ru) - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Arkaev Maksim Aleksandrovich (arkaevrus@mail.ru) - Candidate Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, all - Orenburg State University (Orenburg, Russia).

METHODS FOR EVALUATING THE BEARING CAPACITY OF AN EXPLOITED BUILDING STEEL FRAMEWORK AFTER ACCIDENTAL EXPOSURES

Текст научной работы на тему «МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО СТАЛЬНОГО КАРКАСА ЗДАНИЯ ПОСЛЕ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ»