TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF WELDING DURING THE REINFORCEMENT OF STEEL TRUSSES COVERING INDUSTRIAL BUILDINGS

Full Text

Проблемам усиления стальных конструкций, в том числе стропильных ферм, уделяется значительное внимание. Это связано и с недостаточностью знаний в этой области и далеко не единичными случаями аварий. При эксплуатации промышленных зданий наиболее часто имеет место обрушение покрытий. Причинами может явиться перегрузка стропильных ферм, в частности пылевыми корками, снегом, и наличие различного вида дефектов. Для предотвращения аварий требуется проведение периодических обследований конструкций стальных ферм с целью определения их действительного напряженного состояния, необходимости проведения усиления. Значительное большинство стальных ферм покрытий промышленных зданий - фермы со стержнями из парных уголков. Усиление их достигается часто и эффективно путем увеличения сечения стержней присоединением дополнительных стержневых элементов на сварке. Сварка конструкций, находящихся под нагрузкой, - это непростой вопрос для эксплуатационников. Причиной является разноречивость известных рекомендаций по усилению, предлагающих самые различные сварочные технологии (протяженность швов, порядок их наплавки…) и разные величины предельно допускаемых при усилении усилий в стержнях: от 0,4 [1, с. 50, 54] до 0,8 [2, с. 443], [3, с. 459] от расчетной несущей способности. Такое положение объясняется, в целом, состоянием исследований в области усиления. Абсолютное большинство известных работ посвящено напряженному состоянию усиленных конструкций. Cреди них можно отметить монографии [4, 5], Напряженное состояние в момент усиления, т. е. с позиции влияния сварки, комплексно не исследовалось. Известные исследования тепловых ослаблений, сварочных напряжений в области усиления чаще всего посвящались сварке ненапряженных элементов. Отличительной особенностью работ, проводимых в Тольяттинском государственном университете (ТГУ), является исследование процесса усиления, в частности, влияния технологических параметров сварки на несущую способность усиливаемых ферм. Все теоретические исследования базируются на математическом аппарате механики, теории 11 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 И.К. Родионов, И.И. Родионов теплопроводности и теплообмена. Исследования тепловых ослаблений сечений проводились с использованием положений теории распространения тепла при сварке академика Н.Н. Рыкалина. В основу исследований сварочных напряжений, деформаций, развивающихся в сжатых усиливаемых стержнях, положен метод «фиктивных температур» профессора В.С. Игнатьевой. Для оценки экономической стороны вопроса принята методика оценки экономической целесообразности проведения усиления профессора Н.С. Стрелецкого. Экспериментальные исследования и промышленная апробация теоретических положений работы осуществлялись на натурной конструкции стальной фермы и отдельных натурных стержнях с применением стандартных и широко апробированных методик испытания и аппарата математической статистики. Один из результатов исследований - разработка рациональных технологий сварки для случаев усиления стержней из парных уголков стальных ферм покрытий промышленных зданий [6]. В основе технологий был принят, впервые в области усиления, подход к сварочному процессу как регулируемому, варьированием параметров которого можно улучшить работу стержней ферм как в процессе усиления, так и усиленных. В частности, разработаны технологии, позволяющие производить усиление стержней стропильных уголковых ферм при полных расчетных нагрузках. Технический результат заключается в повышении эффективности методов усиления стержней путем увеличения сечений: снижение массы наплавленного металла, уменьшение трудоемкости работ, выполняемых на высоте, возможность проведения усиления при любых эксплуатационных нагрузках, включая предельные расчетные. Рис. 1. К вопросу технологий усиления стержней Этот результат достигается тем, что присоединение дополнительных стержней производят (после сборки на прихватках) швами-шпонками, наплавляемыми в нескольких сечениях (рис. 1): в двух по концам (концевые швы) и нескольких промежуточных (промежуточные). Первоначально - концевые швы в пределах фасонок с наплавкой от концов основных стержней к середине; затем наплавка промежуточных швов в перекрестном относительно центра тяжести сечения порядке. Размеры концевых швов определяют из условия восприятия сдвигающего усилия, р авного разности усилия после усиления (после увеличения нагрузки) и усилия в стержне в момент усиления. Промежуточные швы определяют как минимальные связующие из условия обеспечения Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 12 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ совместности работы основных и усиливающих элементов после усиления. Длина каждого шва-шпонки (см. рис. 1) - 40 - 60 мм (свод правил СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*, п. 14.1.7, в); расстояние между швами l≤40i и l≤80i - соответственно для сжатых и растянутых стержней (свод правил СП 16.13330.2011, п. 7.2.6), где i - радиус инерции одного уголка усиления относительно оси, параллельной плоскости расположения прокладок. Условие обеспечения несущей способности растянутого стержня при усилении будет определяться по сечению 1-1 (см. рис. 1) и иметь вид: (1) где N - усилие в момент усиления; [N] - несущая способность основного (растянутого) стержня; , - пределы текучести стали соответственно основного стержня и элемента усиления; Ay - площадь сечения элемента усиления; , - площадь теплового ослабления сечения соответственно основного и усиливающего элементов. Можно заметить, что для проведения усиления при усилии в стержне, равном его несущей способности, необходимо выполнение условия (2) т. е. ослабление сваркой основного стержня должно быть компенсировано по прочности частью сечения элемента усиления, не ослабленного сваркой. Условие обеспечения несущей способности сжатого стержня при усилении будет определяться по сечению 1-1 (см. рис. 1) и иметь вид: (3) где коэффициент теплового ослабления k< 1 определяется как (4) В формулах (3), (4) приняты следующие обозначения: N - усилие в стержне в момент усиления; - несущая способность стержня до усиления; - минимальный коэффициент продольного изгиба основного стержня до усиления; - минимальный коэффициент продольного изгиба усиливаемого стержня в момент усиления. Таким образом, как показывает неравенство (3), усиление сжатого стержня также возможно при усилии в нём, равном несущей способности. Для этого необходима компенсация по устойчивости потерь несущей способности усиливаемого стержня сечениями элементов усиления, не ослабленными сваркой. Величина теплового ослабления стержней (усиливаемых и усиливающих) может быть определена площадью сечений, которая выключится в процессе сварки из работы, т.е. потеряет способность сопротивляться развитию деформаций. Температура, при которой материал становится неспособным к сопротивлению, называется расчётной. Для низкоуглеродистой стали такой температурой считается ТР = 600 °С. Данные технологии усиления были подтверждены экспериментально: на 18 натурных сжатых стержнях, 18 растянутых моделях, на стержнях в конструкции фермы. Некоторые результаты закреплены авторскими свидетельствами. Цель данной статьи - показать на примере технологий усиления [6] существующую в данном случае взаимосвязь технических, экономических и экологических аспектов. Какова же экономическая значимость предлагаемых технологий? Для ответа на этот вопрос в качестве базового можно принять методику оценки экономической целесообразности проведения усиления профессора Н.С. Стрелецкого. Приведём основные её положения, изложенные в [1, с. 10, 11]. Любое усиление связано с затратами металла [1]G. Срок эксплуатации здания, сооружения возрастает на величину , пока не будет достигнута его предельная продолжительность. Последняя определяется состоянием конструкции и экономическими требованиями в целом. Количество и величину усилений можно получить из сравнения затрат: (5) где Cy - затраты на усиление; Ci - единичная стоимость работ и материалов при усилении; [1]Gi - количество металла, необходимого для усиления;  i - коэффициент возможной разновременности затрат (поскольку они производятся в разные сроки). Если имеются убытки Ui, которые несёт предприятие от стесненных в результате производимого усиления условий, возможной остановки производства, то полные затраты на усиление составят: (6) Эти затраты погашаются стоимостью количества продукции Пд, получаемой в результате продления срока эксплуатации. Баланс стоимости определяется по формуле (7) где Cn - единичная стоимость продукции предприятия. Следовательно, предельная стоимость усиления будет выражаться как (8) 13 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 И.К. Родионов, И.И. Родионов Из формулы (8) видно, что если второй член правой части неравенства приближается к нулю, усиление в подавляющем большинстве случаев будет экономически выгодно, так как чаще всего меньше . Отсюда в [1] делается вывод, что «из способов усиления более экономичными оказываются те, применение которых предусматривает наименьшие потери в стоимости продукции предприятия из-за нарушения технологии или остановки производства во время строительно-монтажных работ по усилению». Переходя от общих позиций, изложенных в [1], к проблеме усиления ферм покрытий промышленных зданий, следует отметить, что эксплуатация стропильных ферм имеет одну существенную отличительную особенность: фермы работают в условиях значительных постоянных нагрузок, доходящих с учетом загрязненности покрытий до величин, близких к полным расчетным. Подтверждением этого являются неоднократные аварии, связанные с потерей несущей способности стропильных ферм в результате перегрузок в зимнее время. Ряд рекомендаций требует до 40-60 % разгрузки усиливаемых ферм. Таким образом, для усиления становится необходимой разборка довольно значительной части покрытия. В этой связи неравенство (7) в случае усиления стальных ферм покрытия может быть записано в виде: (9) где Ср - стоимость работ, вызываемых возможной разгрузкой усиливаемых конструкций; Сэ - стоимость работ по восстановлению экологически чистой среды обитания, нарушенной в результате разгрузки конструкций, требовавших усиления. Таким образом, общая стоимость работ, связанных с усилением, выполняемым по традиционным технологиям, определяется как (10) Проанализируем, как изменится это неравенство в случае применения при усилении сварочных технологий, разработанных в ТГУ. Применение технологий даёт следующее: • уменьшается расход металла на 10-15 %, и, таким образом, имеет место уменьшение величины ; • исключается разгрузка усиливаемых конструкций - Ср = 0; • - исключаются связанные с разгрузкой нарушения экологии - Сэ = 0; • - исключается вызываемая разгрузкой ферм стеснённость производства, частичная или, тем более, полная его остановка, т. е. . Неравенство (10) примет в этой связи следующий вид: (11) иными словами, очевидна экономическая целесообразность применения разработанных сварочных технологий для случаев усиления стальных ферм покрытий промышленных зданий. Проиллюстрируем изложенное на конкретном примере (рис. 2): требуется усиление стальных уголковых ферм покрытия промышленного здания; раз- Рис. 2. К вопросу прямых экологических нарушений: 1 - гусеничный кран; 2 - грузовая автомашина; 3 - плиты покрытия, подлежащие демонтажу; 4 - складированные плиты Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 14 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ меры здания в плане 120×36 м; несущие конструкции ограждения - ребристые плиты 3×6 м; теплоизоляция - керамзитобетон толщиной 180 мм; кровля - трёхслойный, армированный гравием гидроизоляционный рулонный ковёр. Для проведения усиления по традиционным технологиям необходима разгрузка ферм: разборка покрытия на площади порядка 1080 м2. Таким образом, появляется необходимость выполнения следующих работ: разборка кровли и теплоизоляции, демонтаж плит покрытия, укладка плит, устройство пароизоляции, теплоизоляции, стяжки, кровли, погрузка, перевозка и разгрузка строительного мусора, восстановление зелёных насаждений, газонов, тротуаров и т. п. В соответствии с локальным ресурсным сметным расчетом стоимость этих работ только по одному, сравнительно небольшому, объекту составит около 6,5 млн. рублей в ценах на январь 2017 г. В случае применения разработанных технологий усиления разгрузку ферм можно избежать. Таким образом, вышеприведённая сумма будет сэкономлена для государства. Экономия, полученная в результате исключения разгрузки усиливаемых ферм, является лишь малой частью от суммарного экономического эффекта. С учётом экономии металла, обеспечения непрерывности производства, добавочно выпущенной промышленной продукции, исключения затрат на экологические потери экономический эффект возрастает в десятки раз. На вышеприведённом примере рассмотрим и экологическую значимость применения разработанных технологий усиления. В случае усиления по традиционным технологическим схемам необходима была бы разгрузка ферм от части покрытия и, следовательно, отчуждение полосы земли вдоль здания шириной до 50-60 м (см. рис. 2). Полоса включает в себя зоны движения крана, складирования плит, движения грузового автотранспорта. Фактически, это есть не что иное, как полоса прямых экологических нарушений: уничтожения биомассы, заражения почвенного слоя земли, грунтовых и подземных вод. С учётом временных дорог общая площадь прямых нарушений среды составит около 1,5 га. Далее, только в зоне демонтажа в результате работы крана, бульдозера, грузового транспорта будет иметь место загрязнение окружающего воздуха выхлопными газами в объёме более 200 тыс. м3: окисью и двуокисью углерода, окисью азота, углеводородами, альдегидами, сернистым газом, сажей, канцерогенами типа бензпирен, свинцом и его соединениями, фотохимическим смогом. Для затребованных машин по самым скромным подсчётам потребуется сжигание более 9 млн. л кислорода. Все эти экономические затраты и экологические нарушения будут предотвращены при применении разработанных технологий усиления. И это только на одном небольшом объекте промышленности. Таких же объектов, требующих реконструкции, в Российской Федерации десятки тысяч. И количество их отнюдь не уменьшается с течением времени. Нельзя обойти и ещё одну чрезвычайно важную сторону экологической и экономической значимости результатов проведённых исследований. Речь пойдёт об опасности глобальной экологической катастрофы, вполне реально нависшей над миром. Эта опасность ставит перед человечеством жизненно важную задачу поиска путей, средств, методов защиты и сохранения окружающей среды. Она заставляет взглянуть на все процессы жизнедеятельности с совершенно других, критических точек зрения, позволяет увидеть порой значительный негатив в том, что при обыденном рассмотрении казалось абсолютно положительным. В частности, огромные объёмы нового строительства, вчера ещё казавшиеся прорывом в будущее, при внимательном рассмотрении с позиции экологии открывают качественно новую картину. Неизбежные при новом строительстве земляные работы, временные дороги, отвалы грунта, склады конструкций, стоки нефтепродуктов, выхлопные газы, токсичные вещества являются в действительности нарушением природного ландшафта, отравлением атмосферы, земли, грунтовых и подземных вод, уничтожением биомассы, т. е. оказываются ничем иным, как самым настоящим разрушением среды обитания человека. Очевидная с позиции экологии необходимость сокращения нового строительства сталкивается, однако, с не менее очевидной необходимостью увеличения промышленного производства. Выход из этого положения видится в более интенсивном использовании огромного парка существующих промышленных зданий и сооружений. Но здесь есть серьёзное препятствие: значительное число эксплуатируемых промышленных корпусов претерпело к настоящему времени моральный или, что более серьёзно, физический износ. Таким образом, попыткам технического перевооружения промышленных зданий, связанного зачастую с увеличением нагрузок на каркасы, препятствует недостаточная несущая способность, а порой и откровенно аварийное состояние строительных конструкций. Следует особо отметить, что физический износ носит прогрессирующий характер, отсюда прогрессирующая вероятность аварий, каждая из которых может привести к серьёзным и экологическим, и экономическим последствиям. Вывод. Всё вышесказанное подтверждает важность самого серьёзного внимания, которое следует уделять вопросам реконструкции, включая разработку методик расчёта, способов и технологий работ по усилению элементов и частей промышленных зданий и сооружений.

About the authors

Igor K. RODIONOV

Togliatti State University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

IGOR I. RODIONOV

LLC «TSK»

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files