книги / Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений

Проверочные расчеты основных несущих строительных конструкций здания цеха ГКЛ, включая стальные прогоны, фермы покрытия, железобетонные колонны, фундаменты, показали их достаточную несущую способность и пригодность к дальнейшей эксплуатации.

Проект реконструкции здания цеха ГКЛ предприятия АО “Гипсополимер”, разработанный кафедрой строительных конструкций ПГТУ, включает замену существующей кровли на новую, более прогрессивную; частичную перепланировку цеха, замену кирпичной стены по оси Б на стеновые панели типа “сэндвич”, увеличение объема складских помещений путем подъема стальных ферм покрытия в пролете Б ...Е с отм. +3,37 м на отм.+5,34 м; утепление существующих стен с учетом новых требований по теплозащите ограждающих конструкций; усиление и ремонт конструкций, имеющих дефекты, защиту стальных поверхностей конструкций антикоррозионными составами.

Получено 10.06.99

УДК 624.012.35:620.197

Б.И Десятое, В.Ю. Рудометое

Пермский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫ Х КОНСТРУКЦИЙ ЦЕХОВ ГЛАВНОГО КОРПУСА КАРТОННОЙ ФАБРИКИ

Приведены результаты обследования действительного состояния здания главного корпуса картонной фабрики и даны рекомендации по его реконструкции.

Главный корпус фабрики “Северный коммунар” (Пермская область) представляет собой комплекс взаимно увязанных сблокированных между собой цехов, построенных в разное время, начиная с 1912 г. Главный корпус фабрики имеет сложную конфигурацию в плане и включает следующие служебные помещения: котельное отделение, древопарочное отделение, дефибрерный цех, зал картонно-делательных машин, папочное отделение, сушильные отделения, склад. Все помещения главного корпуса - одноэтажные с разными высотами и отметками покрытия, однотипным составом кровли, включая стальные фермы и прогоны, асбестоцементные листы, фиброцементный утеплитель, цементно­ песчаную стяжку, рулонный рубероидный ковер.

Основная продукция, выпускаемая предприятием, - картон и изделия из него. Со склада сырье в виде щепы и макулатуры поступает в древопарочное отделение, где под воздействием воды и высоких температур (до 150°С)

размалывается. В дефибрерном отделении при помощи химических реагентов, ускоряющих реакцию, получают целлюлозу. Лишнюю воду отсасывают и по трубопроводу отправляют в систему очистки. Бумажная масса, в состав которой входит целлюлоза, макулатура и древесная щепа, поступает в цех картонно-делательных машин (КДМ), где напуском массы на сетку и отцеживанием паров воды в атмосферу получается картон. Картонная лента после барабана с помощью ножей разрезается на листы или сворачивается в рулоны. На автопогрузчиках картон поступает в сушильное отделение и в папочное отделение на технологическую линию по производству картонных изделий. Готовая продукция при помощи автопогрузчиков, подкрановых балок и транспортерной ленты поступает на склад.

Длительная эксплуатация цехов главного корпуса в условиях повышенной влажности и высоких температур привели к снижению несущей способности, а в некоторых случаях - к разрушению строительных конструкций здания. В связи с создавшейся ситуацией, между кафедрой строительных конструкций Пермского государственного технического университета и дирекцией картонной фабрики “Северный коммунар” был заключен договор о проведении научно-исследовательских работ по техническому обследованию, оценке несущей способности, усилению и разработке рекомендаций по даль­ нейшей эксплуатации строительных конструкций папочного цеха и цеха КДМ.

Папочный цех представляет собой однопролетное, одноэтажное помеще­ ние, расположенное в осях А...Д и 5...22 с размерами в плане 19,25 х 44,4 м Несущие конструкции покрытия выполнены в виде металлических ферм трапецеидального очертания пролетом 18 м с элементами из спаренных уголков с опиранием по оси А на стены, а по оси Г на стальные колонны. Высота до низа несущих конструкций покрытия - 6,07 м. Стены цеха - кирпичные, из обыкновенного глиняного кирпича пластичного прессования.

Цех картонно-делательных машин расположен в осях Д...Л и 14...26 здания с размерами в плане 23,15 х 34,98 м. Несущие конструкции покрытия цеха - металлические фермы трапецеидального очертания пролетом 23,15 м из спаренных уголков с опиранием на кирпичные стены. Помещение цеха одноэтажное, однопролетное с высотой до низа конструкций покрытия 6,2 м. Стены цеха кирпичные, из обыкновенного глиняного кирпича пластичного прессования.

Техническое обследование строительных конструкций цеха КДМ и папочного цеха позволило установить следующие их дефекты и отклонения от проектного решения:

1. Полный физический и моральный износ кровельного покрытия над залом КДМ.

2. Необоснованное применение в составе кровельного покрытия папочного цеха древесно-стружечной плиты, которая, пропитавшись влагой.

увеличилась в объеме, вызывая отслоения и разрушения на отдельных участках рулонного кровельного ковра.

3. Высокая влажность внутри помещений привела к интенсивным коррозийным процессам стальных прогонов и ферм покрытия. Уменьшение площади сечения элементов составило от 2 до 5 %.

4. Низкое качество выполнения сварных швов узловых прикреплений стальных ферм покрытия ^папочного отделения. Размеры швов в узлах ферм меньше принятых в проекте.

Материалы технического обследования и результаты проверочных расчетов основных несущих строительных конструкций цеха КДМ и папочного цеха позволили разработать проект реконструкции цехов, включая полную замену Существующей кровли покрытия на новую с применением эффективных теплоизоляционных материалов; утепление наружных кирпичных стен; усиление ферм покрытия папочного цеха, очистку от коррозии и покрытие антикоррозийными составами поверхностей стальных конструкций здания.

Получено 10.06.99

УДК 669.14.018.24

Л.П.Абашева

Пермский государственный технический университет

ОБ ОЦЕНКЕ ^-СВОЙСТВ СТАЛЬНОГО ПРОКАТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Традиционные оценки свойств сталей по толщине проката (^-свойств) имеют недостатки применительно к сталям обычного качества вследствие особенностей их микроструктуры и возможности появления хрупких слоистых разрушений. Обсуждаются новые методы оценки трещиностойкости проката с учетом полосчатой структуры материала с позиций механики разрушения.

Прокат для строительных сварных металлических конструкций, полностью отвечающий требованиям стандартов на поставку металла для ответственных сооружений, в то же время может иметь низкие свойства по толщине проката (д-свойства). О ^-свойствах обычно судят по величине относительного сужения \|/г цилиндрического образца, вырезанного по толщине (в ^-направлении) проката /2/. Вместе с тем стандартные характеристики механических свойств стали не могут полностью отразить особенности работы такого материала, и главным образом, влияние низких температур при эксплуатации и загрязненность сталей неметаллическими включениями, прежде всего сульфидами марганца, которые располагаются параллельно плоскости

проката и действуют как трещиноподобные дефекты при приложении нагрузки в ^-направлении.

Для оценки 2-свойств толстолистового проката проведены эксперимен­ тальные исследования на наиболее распространенных строительных сталях в широком диапазоне температур, вплоть до криогенных. Материалом исследования послужили: горячекатаный прокат толщиной 40 мм из малоуглеродистой стали ВСтЗсп, прокат толщиной 20 и 50 мм из стали повышенной прочности 09Г2С, нормализованный прокат толщиной 50 мм из стали высокой прочности марки 09Г2ФБ и термически улучшенный прокат толщиной 40 мм из стали 14ГСМФР. Для испытаний принимали цилиндрические образцы, гладкие и с внешним кольцевым надрезом, различным способом ориентированные к плоскости листа - вдоль, поперек и по толщине, нагружаемые по схеме осевого растяжения.

Испытания образцов при комнатной температуре подтвердили общую закономерность сильного снижения механических свойств, и в первую очередь пластичности проката в 2-направлении. В случае сталей обычного качества (5* = = 0,025...0,035%) при переходе от продольных и поперечных образцов к образцам, вырезанным по толщине проката, пластичность стали резко снижалась от у > 50% при стандартной вырезке образца до Ч*г < 15% для образцов, вырезанных в 2-направлении. При этом с увеличением прочности 2- свойства сталей обычного качества понижались вплоть до значений —> 0 как, например, в случае сложнолегированной стали с молибденом 14ГСМФР с <ту « 900 МПа.

Установлено, что при переходе к вырезке образцов в 2-направлении пластичность падает из-за наличия в структуре сталей системы микродефектов, параллельных плоскости проката, прежде всего строчечных сульфидов марганца. При очищении проката от подобных частиц и замены строчечных сульфидов на глобулярные, что имеет место при изготовлении стали 09Г2ФБ, 2- свойства резко возрастали, у стали 09Г2ФБ с оу « 450 МПа \|/г = 60%, а у стали

обычного качества 09Г2С с оу « 420 МПа \|/2 = 10%.

Поэтому при оценке проката с высоким уровнем 2-свойств, как в рассматриваемом случае стали 09Г2ФБ, когда образец, вырезанный в 2- направлении, имеет те же закономерности разрушения, что и стандартные образцы, характеристика относительного сужения Ч*2 является наилучшей для оценки 2-свойств.

При отрицательных температурах продольные и поперечные образцы из сталей обычного качества даже при наличии минимальной климатической температуры (-70°С) находились в вязком состоянии > 50%. Аналогичные выводы можно сделать о состоянии образцов из стали высокой чистоты 09Г2ФБ, вырезанных в 2-направлении. Испытания при отрицательных температурах цилиндрических образцов из стали 14ГСМФР, вырезанных по

толщине проката, показали, что при температуре -75°С разрушение происходило на упругом участке диаграммы работы, а в интервале от -110 до -96°С происходило падение временного сопротивления, при этом внешний надрез переставал влиять на прочность образца. Переход из вязкого состояния в хрупкое наблюдали в области действия криогенных температур (ниже -80°С).

Визуальное исследование изломов цилиндрических образцов показало, что изломы поперечных и продольных гладких образцов стали обычного качества с понижением температуры испытаний изменялись мало - изломы имели традиционное строение ”чашечкой”, видно заметное сужение образцов в процессе разрушения. Изломы цилиндрических образцов, вырезанных по толщине, имели характерное слоистое строение и состояли, из плоских участков, параллельных плоскости листа, соединенных перемычками, ориентированными преимущественно нормально к плоскости проката. Участки излома, параллельные плоскости листа, обычно лежали в местах скопления неметаллических включений, чаще всего сульфидов марганца, вытянутых по направлению прокатки. Таким образом, при испытаниях по толщине проката обычного качества, появлялся дополнительный фактор охрупчивания - неблагоприятная мшфоструктура в виде системной трещиноватости, нормальной к разрушающей нагрузке. При снижении температуры испытаний до -80°С слоис тый излом уступал место слоистому хрупкому [1].

Важно отметить, что в случае классического излома “чашечкой” разрушение начинается в центральной части образца и напряжения закономерно определяют по формуле с = Р/Р, где Р - нагрузка, Р - площадь сечения образца, при этом результаты испытаний слабо зависят от сечения образца. Поэтому хорошей инженерной оценкой 2-свойств является относительное сужение \|/2. При слоистом, особенно при слоистом хрупком, разрушении (как и при хрупком кристаллическом) разрушение начинается с поверхности образца, в этом случае разрушающее напряжение сильно зависит от диаметра образца, и подсчет напряжений по формуле а = Р1Р здесь физически необоснован. Поэтому в случае слоистых, особенно слоистых хрупких разрушений закономерен переход к оценке прочности проката с помощью методов механики разрушения. В случае \у2 < 3...4% с помощью этой характеристики вряд ли удовлетворительно можно оценить 2-свойства.

Для цилиндрических образцов с внешним кольцевым надрезом, вырезанных по толщине проката из высокопрочной стали 14ГСМФР, определены коэффициенты интенсивности напряжений /ц с в диапазоне температур. Вычисляли значения К\сдля гладких образцов из этой же стали по схеме цилиндрических образцов с внешним надрезом. В случае разрушения в криогенной области температур с образованием слоистого хрупкого излома полученные значения совпадали, в этой области разрушение является хрупким “в смысле Гриффитса”.

Для исследования возможности перехода материалов из вязкого состоя­ ния в хрупкое в диапазоне климатических температур эксплуатации (до -70°С) испытывали на внецентренное растяжение прямоугольные компактные образцы с надрезом [3], при этом усталостная трещина не наносилась. Образцы, ориентированные параллельно и перпендикулярно плоскости проката толщиной 20 мм, выполнялись из стали 09Г2С обычного качества (8 ~ 0,03%).

В основании надреза прямоугольного компактного образца создается более высокая концентрация напряжений, чем в цилиндрическом образце с внешним кольцевым надрезом, поэтому для прямоугольных компактных образцов с надрезом, параллельным.плоскости проката, переход из вязкого состояния в хрупкое происходил в диапазоне реальных климатических температур эксплуатации (при -70°С). Изломы образцов при положительной температуре испытания имели слоистую структуру и характеризовались наличием большого числа неметаллических включений и шлаковых образований. При отрицательных температурах слоистый излом уступал место хрупкому слоистому.

При оценке трещиностойкости сталей при климатических температурах в ряде случаев обнаружилось, что коэффициент интенсивности напряжений возрастает с понижением температуры, что противоречит очевидному факту, что вязкость в этом диапазоне температур должна понижаться. Полученный результат объясняется тем, что величина К1с зависит от разрушающего напряжения, которое в переходных областях от вязкого состояния к хрупкому может возрастать при понижении температуры. Поэтому для оценки трещиностойкости исследуемых сталей - высокопрочной 14ГСМФР и серийной 09Г2С - использована величина радиуса пластически деформирован­ ной зоны у дна надреза. Радиус пластичности, определенный для цилиндрических и прямоугольных компактных образцов, уменьшался с понижением температуры, а склонность к хрупкому разрушению возрастала, что полностью соответствует имеющимся представлениям.

Полученные данные позволили заключить, что 2-свойства сталей обычного качества (ц/2 < 10... 15%) вряд ли можно удовлетворительно оценить как величиной относительного сужения Ч/г цилиндрического образца, вырезанного по толщине проката, так и с позиций известных методов механики разрушения [3], т.к. при действии нагрузки в 2-направлении трещиноподобные дефекты могут действовать на прочность образца не в меньшей степени, чем усталостные трещины, наводимые в образцах в классическом варианте Испытаний методами механики разрушения.

Оценку трещиностойкости по толщине проката обычного качества можно проводить на небольших образцах с обычным надрезом, испытываемых по схеме внецентренного растяжения, при этом роль трещины играют трещиноподобные поверхностные дефекты, изначально имеющиеся в рассматриваемом прокате.

1. Бут В.С.Денис А.Е., Иващенко Г.А. Оценка склонности сталей слоистому растрескиванию // Автоматическая сварка. 1976. № 10.

. 2. ГОСТ 28870-90. Сталь. Методы испытания на растяжение толстолистового проката в направлении толщины. М., 1991.

3. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М., 1985.

Получено 10.06.99

УДК 624.042.1:681.3.06

Е.И. Новопашина, Т.В. Юрина

Пермский государственный технический университет

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОРПУСА ПЕЧАТНОЙ ФАБРИКИ «ГОЗНАК»

Приведены результаты обследования конструкций железобетонного каркаса и перекрытий 5-этажного трёхпролётного здания с учётом действующих вибрационных и динамических нагрузок от установленного оборудования и возможной его перестановки по технологической необходимости. Разработаны рекомендации по надёжной эксплуатации колонн, ригелей, плит перекрытий. Даны рекомендации по обеспечению прочности и устойчивости кирпичных самонесущих стен большой высоты и протяженности.

Обследование производственного корпуса печатной фабрики «Гознак» выполнено по договору № 98/77 согласно техническому заданию.

Проект производственного корпуса разработан в 1956-1957 гг. институ­ том Гипрокинополиграф. Здание эксплуатируется с 1960 г., конструкции крытой платформы возведены позднее - в 1965-1966 гг.

Здание корпуса в плане прямоугольное, размерами (по осям) 18 х 150 м, трёхпролётное пятиэтажное с подвалом и пристроенной вдоль продольной стены крытой платформой, предназначенной для накопления и передачи материалов в производственный цех.

Каркас здания из сборных железобетонных элементов решён по рамной схеме с жёсткими узлами, обеспеченными приваркой арматурных стержней и закладных деталей с последующим замоноличиванием узлов.

Кровля выполнена из оцинкованного и окрашенного железа по деревянной обрешётке и деревянным, стропилам с образованием большого объёма чердачного помещения.

Устойчивость здания в продольном направлении обеспечивается в основном через межколонные - связевые плиты, т.к. отсутствуют по проекту и в натуре связи по колоннам.

Жёсткость здания в поперечном направлении меньше, чем по ныне действующим типовым решениям, т.к. ригель рамы высотой 600 мм (против 800 мм) и не замоноличен с плитами перекрытий, которые опираются на ригель по верху.

Фундаменты здания под колонны - монолитные железобетонные столбчатого типа, глубиной заложения - 6,05 м. Под всеми фундаментами выполнена щебёночная подготовка толщиной 100 мм с проливной цементным раствором. Грунты (по проектным данным) представлены крупнозернистыми плотными песками с включением гравия и гальки с принятым (по проекту) допускаемым давлением на грунт 3,5 кгс/см2.

Грунтовые воды расположены примерно на 4 м ниже подошвы фундамента по данным на момент строительства здания.

Наружные стены - самонесущие, опираются на фундаментные балки. Стены подвала - из бетонных блоков, толщиной 600 мм.

Стены выше отметки 0,00 (уровень пола первого этажа) выполнены из силикатного кирпича, толщиной 640 мм, цоколь здания отштукатурен, гидроизоляция стены в некоторых местах нарушена.

Продольные стены здания воспринимают ветровую нагрузку, затем через анкеры она передаётся на поперечные рамы здания. На стены передаётся также часть собственного веса покрытия и снега через стропила и мауэрлатный брус.

Наружный осмотр стен показал, что кладка стен первоначально выполнена некачественно, швы раствора разной толщины, неровные; на уровне пятого и четвёртого этажей снаружи заметен в отдельных местах «рыхлый» характер кладки.

При обследовании стен внутри помещений отмечено значительное замачивание стен на пятом этаже и в подвальном помещении. В зимний период при повышенных тепловыделениях помещений пятого этажа температура в непроветриваемом помещении чердака часто выше 0° и снег на холодной металлической кровле, подтаивая снизу, является причиной увлажнения стен. В данный период принято решение по дополнительному утеплению чердачного перекрытия для улучшения температурно-влажностного режима чердачного помещения.

При осмотре стен также был отмечен отход стены по продольной оси здания от вертикального положения, что вызывает большие опасения по возможной потере устойчивости стены.

Самонесущие стены корпуса имеют большую высоту (отметка карниза +25,65 м) и большую протяжённость. Для обеспечения устойчивости стен, проектом предусмотрена анкеровка стен и перекрытий. Вследствие длительной

эксплуатации связь стен с перекрытиями нарушена из-за коррозии и сдвига анкеров.

Для оценки величины отклонений стены от вертикали были замерены расстояния на первом этаже от грани колонны до 1рани стены (по проекту 150 мм) и на пятом этаже. Замеры проводились на одной высоте. На пятом этаже также было замерено расстояние от 1рани продольного ребра пристенной плиты чердачного перекрытия до грани стены, которое по проекту равно 0. При анализе результатов замеров выявлено:

-зазор от стены до грани колонны на первом этаже составляет от 120 до 150 мм, т. е. близок к проектному - 150 мм;

-то же расстояние на уровне пятого этажа составляет около 300 мм;

-разность расстояний на уровне первого и пятого этажей, т.е. отклонение от вертикали стены высотой 19,2 м составляет до 200 мм, т.е. до 1/3 толщины стены (по признакам дефектов к предаварийным относится отклонение от вертикали свыше 1/4 толщины стены [1].

Как отмечалось, к производственному корпусу вдоль продольной стены в 1965 г. была пристроена крытая платформа. При строительстве платформы балки покрытия из двутавра №27 были оперты на кирпичную стену построенного корпуса путём образования в последней ниш выемкой из неё кирпичей. Глубина опирания балок - от 60 до 150 мм.

Внецентренное приложение нагрузки на стену вызывают изгибающий момент в последней и способствует сдвигу стены от вертикального положения, уменьшает общую устойчивость стены.

Кроме того, уклон металлической кровли (по результатам обследования он составляет 1:20) способствует возникновению сдвигающей силы, а в сочетании с осадкой стены платформы отдельные балки покрытия «сползают» из гнёзд стены, наблюдаются уменьшения площади опирания и «выкрашива­ ние» кирпича. При этом со временем от деформации грунтов и стены увеличивается эксцентриситет приложения нагрузки на стену.

Пристроенная платформа имеет под перекрытием платформы подвальное тоннельное помещение, примыкающее к производственному корпусу.

Перекрытие тоннельного помещения выполнено из металлических балок двутавр № 45 с опиранием на стену по оси “Ъ” производственного корпуса. На металлические балки опираются ребристые сборные железобетонные плиты перекрытий.

В период обследования было выявлено, что кирпичная стена производственного корпуса под металлическими балками перекрытия имеет вертикальные трещины шириной раскрытия до 2 мм. Трещины начинаются под опорной пластиной балки и доходят до уровня пола. Кирпичная кладка этой стены выполнена некачественно. Вследствие местных неровностей, неодинаковой плотности отдельных участков затвердевшего раствора, каменная кладка подвергается не только сжатию, но также изгибу и срезу. По

характеру трещин, высоте развития (на всю высоту) и ширине раскрытия (до 2 мм) можно считать, что кирпичная стена в местах опирания металлических балок находится в предаварийном состоянии и требует усиления.

Таким образом, согласно разделу 7 пособия [2], обследуемая кирпичная продольная стена по оси “Ъ” производственного корпуса находится в аварийном состоянии.

Для обеспечения надёжной эксплуатации разработаны рекомендации по усилению наружной стены, которые состоят в следующем:

-усиление кирпичной стены под всеми опорами балок перекрытий платформы металлическими якорями;

-передача нагрузки от кровельного покрытия платформы на метал­ лические колонны усиления под балками, что устранит внецентренное приложение нагрузки на кирпичную стену и «оттягивание» её уклонным покрытием платформы;

-стягивание в уровне пятого этажа продольных стен по оси «Ъ» и «Я» металлическими тяжами с применением наружных накладок в виде швелеров;

-разгрузка карниза стены от усилий распора, передаваемого стропилами уклонной кровли через мауэрлатный брус.

Рекомендуется по всей протяжённости стены по оси. «Ъ» установить

разгрузочные деревянные стойки по типу применённого ранее решения, разработанного в ОКСе.

Также выполнен статический расчёт рамы здания на действующие нагрузки по проектным данным. Это было необходимо для оценки несущей способности элементов здания (колонн и ригелей) в соответствии с условиями эксплуатации, т.к. в проекте отсутствуют данные об усилиях в элементах рамы.

Действующие нагрузки на элементы здания приняты на основании исполнительных схем размещения оборудования, материалов и перегородок в помещениях каждого этажа по результатам обследования и данным заказчика.

Статический расчёт рам каркаса на все виды загружений проведён по программе «РАМА». Выполнены конструктивные расчёты колонн и ригелей с учётом усилий в элементах рамы.

Выполнены также расчёты плит чердачного перекрытия на действующие нагрузки. В расчётах армирование конструкций принято по исполнительной проектной документации. Расчёты показали, что несущая способность железобетонных колонн каркаса, ригелей и железобетонных плит перекрытий обеспечена.

В результате работы установлено, что конструкции производственного корпуса имеют большой срок эксплуатации (с 1962 г.), подвержены динамическим и вибра-ционным воздействиям от технологического оборудования (особенно на третьем этаже). В здании часто перестанавливается оборудование, пробиваются отверстия, применяются подвески, увлажняются конструкции перекрытия над подвалом и пятым этажом, в небольшом