12Восстановление несущей способности перекрестно-стержневых пространственных конструкций с выполнением разгрузки при помощи кранового оборудования
Ганин Никита Алексеевич
аспирант кафедры «Мосты и тоннели», ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», Ganin@theMlogic.ru
Емельянова Галина Александровна
д.т.н., профессор кафедры «Мосты и тоннели», ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», ga_emel@mail.ru
Костенко Сергей Александрович
аспирант кафедры «Мосты и тоннели», ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», skostenko1973@mail.ru
Металлические стержневые конструкции применяются в качестве несущих частей зданий и сооружений различного промышленного и гражданского назначения. Частным случаем металлических стержневых конструкций являются перекрестно-стержневые пространственные конструкции системы «МАРХИ». Данный тип металлических конструкций позволяет выполнять ремонтно-восстановительные работы или работы по повышению несущей способности конструкций без приостановки эксплуатации здания или сооружения, что может быть особенно важно для объектов промышленного назначения, где остановка производственных процессов может нанести значительный материальный урон предприятию.
В настоящей статье на примере выполненных в 2015 году ремонтно-восстановительных работ на конструкции покрытия машинного зала Саяно-Шушенской гидроэлектростанции рассмотрено выполнение ре-монтно-восстановительных работ в производственных зданиях, в пространстве которых применяются действующие грузоподъемные механизмы, позволяющие осуществить на их конструкциях размещение разгрузочных систем.
Рассмотренные в настоящей статье методики выполнения ремонтно-восстановительных работ являются частью диссертационного исследования «Применение перекрестно-стержневых пространственных конструкций в транспортном строительстве» Н.А. Ганина.
Ключевые слова: Перекрестно-стержневые конструкции, пространственные фермы, усиление, строительно-монтажные работы, ремонтно-восстановительные работы, полукозловой кран.
Металлические конструкции покрытий зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, в особенности большепролетные, проходят периодические визуальные осмотры для предупреждения возникновения неисправностей, которые могут привести к снижению несущей способности и сокращению срока эксплуатации. Регулярные визуальные обследования несущих конструкций необходимы также для своевременной регистрации появления дефектов и наблюдения за уже имеющимися в конструкции дефектами с определением динамики их поведения. Частота проведения визуальных обследований, как правило, указывается в проектной документации, либо обследование назначается по желанию эксплуатирующей конструкцию организации.
В течение срока эксплуатации металлических конструкций, являющихся несущими каркасами зданий и сооружений производственного назначения, помимо неисправностей, являющихся следствием допущения ошибок при производстве проектно-изыс-
кательских и строительно-монтажных работ, могут также появляться дефекты и неисправности, вызванные механическим воздействием на несущие элементы металлического каркаса при нарушении естественного течения производственных процессов, либо при возникновении аварий техногенного характера.
Под перекрестно-стержневыми пространственными конструкциями (далее -ПСПК) понимаются стержневые конструкции, геометрия которых основывается на чередовании тетраэдров и полуоктаэдров, а стержневые элементы сопрягаются при помощи специальных многогранных узловых элементов одноболтовыми соединениями с соосным расположением высокопрочных болтов осям трубчатых частей стержневых элементов [1, 2].
Работы по выполнению замены вышедших из строя по каким-либо причинам элементов новыми [3] в рассматриваемых в настоящей статье стержневых системах должны выполняться только при осуществлении полной разгрузки несущих элементов и достижения близких к нулевым величинам продольных усилий в демонтируемых элементах [4]. Невыполнение процедуры разгрузки перед демонтажём стержневого элемента не позволит выполнить раскручивание одноболтовых соединений, а также приведет к появлению новых неисправностей и выходу из строя еще большего количества стержневых элементов ввиду перераспределения усилий, воспринимавшихся демонтированным элементом и возникновению новых деформаций структурной плиты конструкции покрытия.
При проведении ремонтных работ, связанных с заменой стержневых элементов ПСПК производственных зданий, возможно использование в качестве оснований для устройства разгрузочной системы кранового оборудования, предназначенного для осуществления части операций производственных процессов, при условии, что это крановое оборудование имеет собственные опорные узлы и не сопрягается с элементами шатра покрытия какими-либо связями [5].
Так, например, при выполнении в 2015 году ремонтных работ по замене стержневых элементов шатра машинного зала Саяно-Шушенской гидроэлектростанции, получивших механические повреждения и выведенных из строя, в качестве основания для устройства разгрузочной системы был использован полукозловой кран, подкрановые пути которого проходят под всеми секциями, объединенными в каркас покрытия [6]. Общий вид конструкции и полукозлового крана представлен на Рисунке 1.
Рисунок 1. Общий вид шатра машинного зала и полукозлового крана
Поскольку каждый отдельный случай производства ремонтных работ на ПСПК является уникальным, методика выполнения разгрузки изменяется от конструкции к конструкции, то при множественной вариативности схемы расположения в конструкции дефектных элементов, выполнение ремонтных работ с заменой элементов ПСПК можно поделить на 4 основных этапа:
• регистрация местонахождения всех дефектных элементов в конструкции и проведение визуально-инструментального обследования с целью определения фактического жесткостного набора конструкции;
• составление расчетной схемы и выполнение серии расчетов;
• разработка проекта производства работ с определением очередности замены элементов;
• выполнение ремонтных работ на конструкции.
Рассмотрим каждый из выше представленных этапов работы подробнее.
Выполнение визуально-инструментального обследования с целью определения фактической монтажной схемы конструкции, точного расположения элементов с указанием поперечных сечений трубчатых частей стержневых элементов и уточнения конструктивного набора наконечников этих элементов является не менее важным, чем определение точного положения всех дефектов в конструкции, поскольку в процессе выполнения строительно-монтажных работ могла быть произведена оставленная без внимания замена элемента на элемент с отличным от проектного поперечным сечением трубчатой части [3]. Несоответствие поперечного сечения стержневого элемента проектному может быть также следствием выполнения предыдущих ремонтных работ или усилений конструкции, не отраженных в паспорте конструкции, либо не совпадающих с монтажной схемой из проектной документации по причине утраты паспорта конструкции или другой отчетной документации.
По итогу проведения работ первого подготовительного этапа для каждого пояса и яруса диагональной решетки должна быть составлена схема расположения элементов конструкции с указанием уникального номера стержневого элемента, поперечного сечения его трубчатой части, а также нанесенными дефектами элементов. Каждый элемент в конструкции также должен быть промаркирован для облегчения идентификации его на последующих этапах работы. В качестве обозначений могут быть использованы пометки текстом и указание номера, а также цветовые маркеры [7].
На Рисунке 2 показан подлежащий замене стержневой элемент, на трубчатую часть которого нанесен уникальный номер, соответствующий номеру элемента в расчетной схеме, текстом указан характер дефекта, пометка красной краской свидетельствует о необходимости выполнения замены элемента.
На Рисунке 3 показан общий вид на ригельную часть конструкции покрытия шатра машинного зала. Цветовая маркировка, нанесенная на стержневые элементы позволяет определять месторасположение дефектных элементов на значительном удалении от них.
После получения в качестве результатов визуально-инструментального обследования информации о сечениях и расположении элементов, а также о величинах постоянных нагрузок, воздействующих на конструкцию на момент проведения обследовательских работ, создается расчетная схема, отражающая актуальное напряженно-деформированное состояние конструкции, позволяющая получить величины продольных усилий в стержневых элементах [7].
Рисунок 2. Подлежащий замене стержневой элемент с указанием дефекта и цветовой маркировкой
Рисунок 3. Общий вид на ригельную часть конструкции покрытия машинного зала. Стержневые элементы с нанесенной цветовой маркировкой
Используя полученную расчетную схему, а также данные, полученные при выполнении обследовательских работ, определяются точки воздействия на конструкцию разгрузочной системой. В случае выполнения ремонтных работ на конструкции покрытия машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС, разгрузочная система была размещена на конструкциях каретки полукозлового крана. Такое расположение разгрузочной системы позволило иметь возможность перемещения точек воздействия на конструкцию вдоль осевых линий подкрановых путей и вдоль траектории движения каретки крана.
Для определения усилий воздействия разгрузочной системой на пространственную конструкцию необходимо выполнение серии расчетов [8].
Первым расчетом является контрольный, в котором на расчетную схему конструкции оказывают воздействие только постоянные нагрузки, либо воздействия, характерные для актуального напряженно-деформированного состояния ПСПК. Величины продольных усилий в стержневых элементах, подлежащих замене, из результатов расчета выписываются в таблицу с указанием номера элемента и помечаются как начальные.
Второй расчет из серии является идентичным по отношению к первому за исключением приложения в определенных ранее точках воздействия разгрузочной системы единичной силы, вектор которой направлен вертикально вверх. Как правило, для упрощения дальнейших расчетов, таким единичным воздействием является сила Р = 1.0 тс. Величины продольных усилий в подлежащих замене элементах, являющиеся результатом расчета на воздействие единичной силы, также выписываются в таблицу соответственно номерам элементов в расчетной схеме [7].
На Рисунке 4 показана мозаика результатов проверки процента использования несущей способности стержневых элементов одной из секций шатра покрытия машинного зала станции по первому предельному состоянию.
1-е предельное состояние. Проверка. Расчет по РСУ.
0 15.13 30.27 45.4 60.53 75.67 90.8
Рисунок 4. Мозаика проверки использования несущей способности стержневых элементов секции конструкции покрытия машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС
Дальнейшей серией расчетов необходимо методом последовательных приближений определить максимальную величину силы воздействия разгрузочной схемы на конструкцию, при которой не произойдет разрушения её элементов ввиду восприятия продольных усилий сверх их несущей способности.
Методом линейной интерполяции на основе имеющихся значений продольных усилий в стержневых элементах конструкции в момент пребывания ПСПК в состоянии покоя
и при воздействии единичной силой, определяется необходимая величина воздействия разгрузочной системой на конструкцию для достижения в каждом из подлежащих замене стержневых элементов нулевых значений продольных усилий, тем самым выключив их из работы пространственной конструкции. Полученное значение усилия поддомкрачивания не должно превышать значения ранее определенного предела. В случае невозможности достижения выключения из работы всех необходимых элементов без превышения значения выявленной ранее величины максимального усилия поддомкрачивания, следует рассмотреть работу конструкции при воздействии разгрузочной системы на другие точки нижнего пояса ПСПК и повторить серию расчетов.
По окончании выполнения серии расчетов и получении усилий воздействия разгрузочной схемой на конструкцию для выключения из работы схемы всех подлежащих замене элементов, разрабатывается проект производства работ, рассматривающий порядок выполнения работ на конструкции, очередность замены элементов, количество выполняемых за одну смену работ. В случае установки разгрузочной системы на конструкциях грузоподъемного оборудования, наиболее важным параметром, определяемым в проекте производства работ, является общее время вывода крана из производственного процесса для осуществления ремонтных работ.
Разгрузочная система предназначена для передачи усилия от гидравлических домкратов на пространственную конструкцию через узловые элементы нижнего пояса. Для выполнения ремонтных работ на конструкции покрытия машинного зала Са-яно-Шушенской ГЭС разгрузочная система выполнена из стержневых и узловых элементов конструкций «МАРХИ» и представляла собой четыре полуоктаэдра, установленные квадратными основаниями к нижнему поясу конструкции. Сечения трубчатых частей стержневых элементов каждой из разгрузочной рамки подбираются исходя из величин усилий, которые должны быть сообщены конструкции покрытия в точках воздействия. Общий вид смонтированной на каретке полукозлового крана разгрузочной системы показан на Рисунке 5.
Рисунок 5. Общий вид смонтированной на каретке полукозлового крана разгрузочной системы
Узловые элементы каждой из разгрузочных рамок, показанной на Рисунке 6, упираются в нижние плоскости узловых элементов нижнего пояса конструкции через стальные проставки, позволяющие не деформировать стержневые элементы нижнего пояса ПСПК элементами системы разгрузки при производстве ремонтных работ. Для фиксации рамок на узловых элементах нижнего пояса ПСПК применяются высокопрочные болты, пропущенные сквозь узловые элементы разгрузочных рамок и сквозные отверстия дистанционных проставок, вкрученные в нижние резьбовые отверстия узловых элементов нижнего пояса конструкции.
Рисунок 6. Общий вид сопряжения элементов разгрузочной рамки и элементов нижнего пояса ПСПК
Воздействие разгрузочными рамками на элементы конструкции покрытия должно осуществляться одновременно и как можно более равномерно. В случае невозможности осуществления одновременного и равномерного воздействия во всех точках поддомкрачивания, необходимо сделать дополнительную серию расчетов.
Для осуществления одновременного и равномерного воздействия на ПСПК четырьмя разгрузочными рамками, объединенными в разгрузочную систему, гидроцилиндры домкратов были объединены в единую гидравлическую систему, давление в которой нагнеталось одновременно. Контроль за величиной усилия осуществлялся посредством наблюдения за показаниями манометров гидравлической системы.
На Рисунке 7 показан общий вид гидравлического цилиндра, шток которого передает усилие на нижний узловой элемент разгрузочной рамки в процессе выполнения разгрузки.
Рисунок 7. Общий вид гидравлического цилиндра и разгрузочной рамки в процессе выполнения про-
цесса разгрузки
По итогу выполнения ремонтных работ несущая способность конструкций возвращается к изначальным расчетным значениям в полной мере, либо незначительно увеличивается в случаях выполнения замены стержневых элементов на элементы с поперечным сечением, площадь которого выше проектных значений [9].
Рассмотренные в данной статье методики выполнения ремонтных работ могут также быть использованы для реконструкции пространственных систем в случаях, когда необходимо повысить несущую способность, либо изменить схему работы ПСПК. Описанные методы совместно с соблюдением периодичности визуальных обследований и тщательным контролем за соблюдением правил эксплуатации перекрестно-стержневых конструкций ведут к повышению надежности и долговечности конструкций, что, в том числе, положительно отражается на бесперебойности производственных процессов промышленных зданий, использующих в качестве конструкций покрытий перекрестно-стержневые пространственные конструкции.
Литература
1. ООО "НПЦ "Виктория", "Конструкции пространственные металлические зданий и сооружений системы МАРХИ," М., Технические условия ТУ 5280-001-475432972016., 2016.
2. А.К. Снетков И сложное окажется простым. Перекрестно-стержневые структуры // Наука, образование и экспериментальное проектирование. Тезисы докладов международной научнопрактической конференции, профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. — 2014. — с. 403-404.
3. Ганин, Н. А. Повторное применение элементов ПСПК «МАРХИ» / Н. А. Ганин, С. А. Костенко // Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки : Материалы V Всероссийской конференции (с международным участием), Москва, 24-25 декабря 2020 года. — Москва: Издательство "Перо", 2020. — с. 24-26.
4. Ганин, Н. А. Ремонтопригодность перекрестно-стержневых пространственных конструкций системы "МАРХИ" в стеснённых условиях / Н. А. Ганин, С. А. Костенко // Инновационное развитие регионов: потенциал науки и современного образования : Материалы III Национальной научно-практической конференции, Астрахань, 07 февраля 2020 года. — Астрахань: Астраханский государственный архитектурно-строительный университет, 2020. — с. 172-175.
5. Файбишенко, В.К. Монтаж металлоконструкций шатра машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС после аварии 2009г // Журнал «Монтажные и специальные работы в строительстве». — №9 (821), — 2010. — с. 2-12.
6. Файбишенко, В.К. Восстановление шатра машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС после аварии 17 августа 2009г // Наука, образование и экспериментальное проектирование. Труды МАРХИ: Материалы международной научно-практической конференции. Сборник статей, Москва, 07-11 апреля 2014 года. — 2014. — с. 494-499.
7. ООО "НПЦ "Виктория", "Разработка схемы разгрузки конструкции МАРХИ Саяно-Шушенской ГЭС на период выполнения ремонтных работ и техническое сопровождение данных работ," М., 107И-01/2015-В, 2015.
8. Стрыгин, С.В. Разработка перекрестно-стержневых пространственных конструкций для инженерного проектирования / С.В. Стрыгин, Е.В. Чичанина // Инновации в науке и практике. Сборник статей по материалам VIII международной научно-практической конференции. В 5-ти частях. — Уфа: Общество с ограниченной ответственностью Дендра 2018. — с. 224-230.
9. ООО «НПЦ «Виктория», "Отчет по результатам осуществления авторского надзора при выполнении работ по восстановлению конструкций МАРХИ," М., СШ-344-2015/95-23/5, 2017.
Restoration and repair works of space frames with unloading using existing crane equipment Ganin N.A., Emelianova G.A., Kostenko S.A.
Russian University of Transport (MIIT)
Spaoe frames used as load-bearing parts of buildings and struotures for various industrial and oivil purposes. A speoial oase of metal rod structures are сгс^-гс^ spatial structures of the MARHI system. This type of space frames allows performing repair and restoration to ^rcase the bearing capacity of struti^es without suspending the operation of a building, whbh can be especially important for industrial purpose buildings, where a stop in production processes can cause signifbant material damage.
In this artide, on the example of the repair and restoration work performed in 2015 on the stratum of the cover of the turbine hall of the Sayano-Shushenskaya hydroelectric power plant, the implementation of repair and restoration work in industrial buildings is considered, in the space of wh^h the existing load-lifting mechanisms are used, wh^h make it possible to p^e unloading systems on their str^t^es. The methods of performing repair and restoration work considered in this artide are part of the dissertation research "Application
of doss-rod spatial struti^es in transport construction" by N.A. Ganin. Keywords: Space frames, space frames reinforcement, space frames repair and restoration works, semi-gantry crane. References
1. LLC "NPC "Victoria", "Spatial metal sto^^res of buildings and str^t^es of the MARCHI system," M., Specifications TU 5280-
001-47543297-2016., 2016.
2. A.K. Snetkov And the complex will be simple. Cross-rod sto^^res // Science, education and experimental design. Abstracts of
reports of the international scientific-practical conference, faculty, young scientists and students. - 2014. - с. 403-404.
3. Ganin, N. A. Reuse of elements of the PSPK "MARCHI" / N. A. Ganin, S. A. Kostenko // Current state, problems and prospects
for the development of industry science: Proceedings of the V All-Russian Conference (with international participation), Moscow , December 24-25, 2020. - Moscow: Pero Publishing House, 2020. - p. 24-26.
4. Ganin, N. A. Maintainability of cross-rod spatial structures of the "MARCHI" system in cramped conditions / N. A. Ganin, S. A.
Kostenko // Innovative development of regions: the potential of science and modern education: Proceedings of the III National Scientific and practical conference, Astrakhan, February 07, 2020. - Astrakhan: Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering, 2020. - p. 172-175.
5. Faibishenko, V.K. Installation of metal structures of the tent of the turbine hall of the Sayano-Shushenskaya HPP after the
accident in 2009 // Journal "Installation and Special Works in Construction". - No. 9 (821), - 2010. - p. 2-12.
6. Faibishenko, V.K. Restoration of the tent of the turbine hall of the Sayano-Shushenskaya HPP after the accident on August 17,
2009 // Science, Education and Experimental Design. Proceedings of the Moscow Architectural Institute: Proceedings of the international scientific and practical conference. Collection of articles, Moscow, April 07-11, 2014. - 2014. - c. 494-499.
7. LLC "NPC "Victoria", "Development of a scheme for unloading the structure of the Moscow Institute of Architecture of the Sayano-
Shushenskaya HPP for the period of repair work and technical support for these works," M., 107H-01/2015-B, 2015.
8. Strygin, S.V. Development of cross-rod spatial structures for engineering design / S.V. Strygin, E.V. Chichanina // Innovations
in science and practice. Collection of articles based on materials of the VIII International Scientific and Practical Conference. In 5 parts. - Ufa: Dendra Limited Liability Company 2018. - p. 224-230.
9. LLC "NPC "Victoria", "Report on the results of the implementation of architectural supervision in the performance of work on the
restoration of structures of the Moscow Architectural Institute," M., CW-344-2015/95-23/5, 2017.
