ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ  И  ОБРУШАЕМОСТЬ  БЛОКОВ  ПОКРЫТИЙ  ПРОМЫШЛЕННЫХ  ЗДАНИЙ

Нальгиев  Магомед  Исламович

студент  3  курса,  кафедра  Строительные  дисциплины  Инг  ГУ, 
РФ,  г.  Магас

E-mail:  magomed-nalgiev@mail.ru

Хамхоева  Залина  Магометовна

научный  руководитель,  ассистент  кафедры  Строительные  дисциплины

Инг  ГУ, 
РФ,  г.  Магас

В  нашей  стране  производство  металлических  конструкций  с  каждым  годом  набирает  обороты.  Ведь  конструкции  из  металла  обладают  высокой  прочностью,  поэтому  их  и  используют  в  качестве  конструкций.  В  России  наиболее  существенное  развитие  и  применение  металлических  конструкций  получило  с  середины  прошлого  века.  Развитие  металлостроительства  сопровождалось  совершенствованием  методов  расчета  конструкций.  Металлические  конструкции  широко  применяются  в  промышленном  строительстве.  Так  в  работе  [5]  отмечено,  что  к  80-м  годам  прошлого  века  стальные  конструкции  каркасов  зданий  составляли  более  половины  всей  массы  стальных  конструкций,  возводимых  в  СССР.  Техническое  состояние  промышленных  зданий  и  сооружений  и  уровень  их  эксплуатации  должны  определяться  в  процессе  систематических  наблюдений  и  периодических,  технических  осмотров.  Здания  и  сооружения  имеют  свойства  старения,  что  приводит  к  постепенному  уменьшению  их  уровня  безопасной  эксплуатации.

В  работе  [2]  рассматриваются  статистические  данные  о  длительности  эксплуатации  зданий  и  сооружений  Челябинской  области.  По  этим  данным  длительность  эксплуатации  75  %  зданий  составляет  не  менее  25  лет,  а  50  %  –  свыше  50  лет.  Из  общего  числа  сооружений  было  обследовано  70  %,  при  этом  у  93  %  обследованных  зданий  обнаружены  нарушения  технического  состояния  конструкций.  Эти  нарушения  свойственны  как  промышленным  предприятиям,  так  и  объектам  городской  инфраструктуры.  В  работе  [6]  также  отмечается,  что  с  точки  зрения  надежной  эксплуатации,  наибольшие  опасения  вызывают  промышленные  здания,  построенные  в  период  с  1930  до  1980  г.  которым  требуется  сегодня  точно  таких  же  темпов  капитального  ремонта  и  точно  таких  же  затрат  на  этот  ремонт,  какие  были  обеспечены  в  свое  время  в  Советском  Союзе.  Часть  из  них  находится  в  аварийном  или  предаварийном  состоянии.

Главным  критерием  определения  срока  жизни  любого  здания,  помимо  несущих  конструкций  (фундамент,  стены  и  перекрытия),  также  это  материалы,  из  которого  они  сложены.  Самые  надежные  считаются  те  дома,  несущие  конструкции  которых  сложены  более  чем  в  2,5  кирпича  и  они  относятся  к  категории  «капитальных»  и  могут  простоять  150  лет.  При  этом,  как  считают  специалисты,  нужно  отметить,  что  старые  кирпичные  дома  по  качеству  лучше  современных  и  могут  простоять  еще  дольше.  В  работе  говорится,  что  независимые  экспертные  организации  осуществляют  обследование  зданий  и  сооружений  не  в  достаточной  мере.  В  работе  [7]  подчеркивается,  что  согласно  нормативным  документам  60  %  производственных  сооружений  подлежит  обследованию.  В  то  же  время  следует  отметить,  что  с  увеличением  числа  зданий  и  сооружений  возникла  проблема  аварийности  данных  типов  сооружений.  В  настоящее  время,  к  сожалению,  аварии  являются  неотъемлемой  частью  нашей  жизни,  что  ярко  отражается  в  работе.

Блоки  покрытия  промышленных  зданий.

В  многоэтажных  промышленных  зданиях  покрытия  и  их  конструктивные  решения  аналогичны  совмещенным  крышам  гражданских  зданий.  Такие  крыши  принято  называть  покрытиями.  Блок  покрытия  представляет  собой  конструкцию,  геометрически  неизменяемую,  прочность  и  устойчивость  которой  обеспечена  при  воздействии  нагрузок,  которые  возникают  при  сборке  и  монтаже,  а  также  блок  покрытия  состоит  из  линейных  элементов  –  поясов  и  раскосов,  и  плоскостных  элементов  –  торцовых  ферм.  Конструкция  блока  покрытия  представляет  собой  пространственно-стержневую  систему  с  прямоугольной  сеткой  поясов,  которая  опирается  на  колонны  по  четырем  углам.  Продольные  пояса  верхней  поясной  сетки  выполняются  длинно  размерными  длиной  в  половину  пролета  из  прокатных  двутавров  и  швеллеров,  а  поперечные  –  коротко  размерными  длиной  в  одну  панель  из  уголков.  Все  стержни  нижней  поясной  сетки  выполняются  длинно  размерными  длиной  в  несколько  панелей.  Сборка  блоков  конвейерным  способом  покрытия  предусматривает  завершенное  устройство  как  несущих  конструкций,  так  и  ограждающих,  включая  гравийно-битумный  защитный  слой  кровли,  обделку  всех  примыканий  в  пределах  блока,  остекление  фонарей  и  другие  работы.  В  строительстве  достаточно  известна  конструкция  укрупненных  блоков  покрытий,  которая  состоит  из  трех  стропильных  ферм  разных  типов,  прогонов  и  системы  связей.  Недостатком  таких  блоков  является  повышенная  их  многодельность  и  трудоемкость,  так  как  стропильные  фермы  смежных  блоков  попарно  устанавливаются  на  колоннах  в  виде  двух  рядов  и  соединяются  между  собой  после  установки.  т.  е.  возникает  необходимость  выполнения  верхолазных  работ.  Наиболее  близким  решением  к  предлагаемому  является  конструкция  укрупненных  блоков  покрытий,  имеющих  в  каждую  сторону  консольные  части  (свесы)  с  выносом  на  половину  шага  ферм,  благодаря  чему  на  каждую  колонну  устанавливается,  только  один  ряд  стропильных  ферм.  Недостатками  таких  блоков  являются.

1.  Нарушение  непрерывности  горизонтальных  связевых  ферм  по  нижним  поясам  стропильных  ферм,  так  как  такие  связи  отсутствуют  в  панелях  с  консольными  свесами.  Это  существенно  снижает  пространственную  жесткость  каркаса  и  степень  его  надежности,  так  как  устойчивость  каркаса  при  устройстве  его  покрытия  обеспечивается  только  наличием  вертикальных  связей  по  колоннам.

2.  В  случае  дополнительного  устройства  горизонтальных  связей  в  консольных  панелях  известных  укрупненных  блоков  покрытия  требуется  поэлементный  их  монтаж  с  выполнением  верхолазных  работ,  что  не  индустриально,  и  требует  выполнения  этих  работ  в  опасных  условиях. 

3.  Для  зданий  с  кранами  тяжелого  режима  работы,  независимо  от  количества  пролетов,  отсутствие  непрерывных  горизонтальных  связевых  ферм  вообщем  является  недопустимым.  Устройство  по  данной  заявке  характеризуется  применением  одиночных  стропильных  ферм  по  каждому  поперечному  ряду  колонн  с  двухсторонними  консольными  свесами  с  обеспечением  непрерывности  связевых  горизонтальных  ферм,  образующих  жесткий  диск  каркаса.  Подбор  сечений  колонн  производится  для  случая  не  смещаемого  опирания  колонн  на  диске  здания,  т.  е.  наиболее  экономичным  способом.  Одновременно  обеспечивается  надежность  работы  всего  каркаса  здания,  его  пространственная  жесткость  и  высокие  эксплуатационные  качества,  а  также  индустриальные  способы  выполнения  монтажа  конструкций  с  исключением  верхолазных  работ.

Аварии  промышленных  зданий  и  сооружений,  с  обрушением  блоков  покрытий. 

Большое  значение  всегда  имело  обеспечение  надежности  и  безопасности  зданий  и  сооружений.  Возникающие  различные  аварийные  ситуации  в  большинстве  случаев  приводят  к  нанесению  вреда  жизни  и  здоровью  граждан,  имуществу  и  окружающей  среде.  На  территории  Российской  Федерации  безопасность  зданий  и  сооружений  регулируется  федеральным  законом  от  30  декабря  2009  г.  №  384-ФЗ  «Технический  регламент  о  безопасности  зданий  и  сооружений».

На  промышленных  предприятиях  существует  целый  ряд  зданий  и  сооружений,  аварии  которых  могут  привести  не  только  к  экономическим  потерям,  но  и  к  существенному  нанесению  ущерба  окружающей  среде.  При  анализе  работ  [8;  4]  стало  очевидно,  что  число  аварий  в  промышленных  зданиях  с  каждым  годом  возрастает.  Следовательно,  возрастают  и  материальные  и  человеческие  потери.  Такими  опасными  производственными  объектами  являются  практически  все  здания  и  сооружения  основных  производств.  В  результате  приведения  [1]  обследований  строительных  конструкций  и  экспертиз  промышленной  безопасности  стало  очевидно,  что  чаще  всего  повреждениям  подвергаются  такие  элементы  зданий,  как  подкрановые  конструкции  и  несущие  конструкции  покрытия.  Основными  причинами  появления  дефектов  и  повреждений  строительных  конструкций,  которые  в  дальнейшем  приводят  к  авариям  зданий  являются:

·     низкое  качество  работ  при  возведении  зданий  и  сооружений.

·     упущения  и  нарушения  правил  эксплуатации.

·     низкое  качество  материалов.

·     некачественное  изготовление  конструкций.

·     ошибки  на  стадии  проектирования.

·     недостатки  норм  проектирования,  правил  изготовления  и  монтажа  конструкций.

Рисунок  1.  Распределение  аварий  промышленных  зданий  с  металлическими  конструкциями  каркасов  по  их  причинам

Приведем  2  примера  [3]  крупных  аварий,  случившихся  по  этим  причинам,  которые  произошли  в  2006  году.

Рисунок  2.  Обрушение  покрытия  цеха  обжига  на  Магнитогорском  цементном  заводе

Рисунок  3.  Обрушение  покрытия  травильного  отделения  здания  ЛПЦ-5  ОАО  «Магнитогорский  металлургический  комбинат»

И  таким  образом,  многолетняя  повторяемость  аварий  с  одинаковыми  причинами  указывает  на  то,  что  одной  из  актуальных  проблем  является  изучение  участниками  строительства  и  эксплуатационными  организациями  причин,  приводящих  к  аварийному  состоянию  и  обрушению  зданий  и  сооружений,  на  конкретных  примерах.  Опыт  расследования  причин  аварий  зданий  и  сооружений  показывает,  что  они  являются  главной  причиной  нарушения  требований  нормативных  документов  при  выполнении  проектно-изыскательских  и  производстве  строительно-монтажных  работ,  изготовлении  строительных  материалов,  конструкций  и  изделий;  несоблюдения  норм  и  правил  технической  эксплуатации  зданий  и  сооружений.  Как  правило,  аварии  являются  следствием  невыгодного  сочетания  нескольких  из  этих  факторов.

Предотвратить  аварии  промышленных  объектов  поможет  выполнение  следующих  рекомендаций:

·     в  первую  очередь  за  зданиями  и  сооружениями  должен  быть  организован  надзор,  включающий  систематические  наблюдения;  обследования  технического  состояния  и  экспертизы  промышленной  безопасности  специализированными  организациями;  своевременное  выполнение  необходимых  ремонтов;  государственный  надзор  за  безопасной  эксплуатацией,  а  также  должны  быть  организованы  текущие,  периодические  и  внеплановые  осмотры;

·     соблюдение  на  предприятиях  графиков  проведения  обследований  и  экспертиз  промышленной  безопасности;

·     ответственное  отношение  к  проведению  профилактических  и  капитальных  ремонтов;

·     службы  надзора  за  безопасной  эксплуатацией  необходимо  укомплектовывать  в  соответствии  с  нормативными  требованиями;

·     ветхие  здания  и  сооружения  следует  своевременно  выводить  из  эксплуатации;

·     а  также  необходимо  вводить  и  осуществлять  мониторинг  технического  состояния  зданий  и  сооружений.

В  результате  проведенного  анализа  было  установлено,  что  обрушение  покрытия  на  промышленных  объектах,  как  правило,  сопровождается  обрушением  нескольких  единиц  или  десятков  ферм.  В  связи  с  этим  необходимо  отметить,  что  аварийные  обрушения  покрытия  одной  или  двух  ферм  происходят  в  большинстве  случаев  при  нарушениях  правил  производства  монтажных  работ  во  время  возведения  зданий.  Расследования  данных  случаев  показали,  что  одной  из  основных  причин  произошедших  аварий  является  неэффективность  работы  существенной  системы  управления  промышленной  безопасностью,  не  обеспечивающей  достаточный  уровень  технической  безопасности  при  эксплуатации  производственных  объектов.  Для  оценки  уровня  безопасной  эксплуатации  промышленных  зданий  рассмотрим  в  качестве  главных  факторов:

1.  стропильные  фермы; 

2.  повреждаемость  стропильных  ферм;

3.  влияние  времени  на  повреждаемость  стропильных  ферм;

Таким  образом,  для  минимизации  рисков  возникновения  аварийных  ситуаций  вследствие  обрушения  покрытий  и  других  несущих  конструкций  зданий  и  сооружений,  должна  использоваться  комплексная  система  контроля  и  выявления  ошибок  на  всех  этапах  жизненного  цикла  сооружения.

Фермы  в  промышленных  зданиях  бывают  стропильные  и  подстропильные.  Также  фермы  бывают  железобетонные  и  металлические:  сегментные  для  скатных  покрытий  и  с  параллельными  поясами  для  плоских  покрытий.

Стропильные  фермы.  Стропильные  фермы  в  строительстве  стропильные  фермы  воспринимают  как  жесткие  конструкции,  задачей  которых  является  поддержания  кровли  и  восприятия  действующих  на  них  нагрузок.  Металлические  стропильные  фермы  применяют  в  зданиях  кузнечных  цехов,  имеющие  ширину  пролетов  от  24  м  и  более,  а  также  при  наличии  мостовых  кранов  грузоподъемностью  более  20  тонн.  Применяют  их  и  в  цехах,  имеющих  молоты  с  массой  подающих  частей  2  тонн  и  более,  так  как  такие  молоты  оказывают  динамические  воздействия  на  каркас  здания.  Применение  металлических  ферм  для  цехов  листовой  штамповки  так  и  для  других.  обязательно  при  ширине  пролетов  30  и  более  метров.  А  также  при  строительстве  домов  большой  площади  применяют  металлические  фермы,  имеющие  растянутые  стойки.

Подстропильные  фермы.

Подстропильные  фермы  или  балки  служат  для  опирания  основных  несущих  конструкций  покрытия,  когда  шаг  колонн  превышает  шаг  строительных  ферм  или  балок  или  когда  шаги  крайних  и  средних  колонн  неодинаковы.  Их  делают  из  предварительно  напряженного  железобетона  или  металлическими.  Предпочтительнее  проектировать  здания  без  подстропильных  конструкций,  принимая  шаги  крайних  и  средних  колонн  одинаковыми  –  12  м  и  используя  для  покрытия  плиты  длиной  12  м,  так  как  подстропильные  конструкции  при  наличии  мостовых  кранов  затрудняют  устройство  стояков  для  отвода  воды.

Повреждаемость  стропильных  ферм.

Анализ  аварий  зданий  и  сооружений  показывает,  что  вероятность  аварии,  в  т.  ч.  с  человеческими  жертвами,  виной  которых  становится  поврежденность  стропильных  ферм,  при  эксплуатации  объектов  различного  назначения  очень  высока.  Повреждения  стропильных  ферм  сопровождается  соединением  элементов  фермы  в  узлах  создающих  предпосылки  для  концентрации  в  них  разнородных  по  знаку  и  характеру  напряжений:  сжимающих,  растягивающих,  касательных.  В  результате  концентрации  напряжений  узлы  подвержены  наиболее  интенсивному  трещинообразованию  и  требуют  значительного  расхода  арматуры.  Большие  растягивающие  усилия  в  нижнем  поясе  приводят  к  появлению  сквозных  вертикальных  трещин,  а  сжимающие  усилия  в  верхнем  поясе  –  к  появлению  несквозных  горизонтальных  трещин.  Трещины  опорного  узла  ферм  по  своей  природе  близки  к  трещинам  на  опорах  балок.  Горизонтальные  трещины  в  нижнем  напряженном  поясе  появляются  при  отсутствии  или  недостаточности  поперечного  армирования  в  обжатом  бетоне.  Нормальные  (перпендикулярные  к  продольной  оси)  трещины  в  большинстве  случаев  появляются  в  растянутых  стержнях  при  необеспеченности  трещиностойкости  элементов.  А  также  следует  обратить  внимание  на  то  обстоятельство,  что  снятие  внешней  нагрузки  на  ферму,  уменьшая  растягивающие  усилия  в  нижнем  поясе,  приводит  к  закрытию  трещин,  но  при  этом  может  вызвать  увеличение  раскрытия  других  трещин.  Исчерпание  прочности  бетона  на  отдельных  участках  сжатого  пояса  или  на  опорах,  свидетельствует  о  появлении  повреждений  в  виде  лещадок.  Для  подробного  получения  статических  данных  о  механических  повреждениях  стропильных  ферм  нами  проведен  анализ  повреждаемости  девяти  одноэтажных  промышленных  зданий  с  металлическими  каркасами,  несущими  конструкциями  которых  являются  стропильные  фермы  пролетом  от  11  до  36  м.  Итого,  бщее  число  обследованных  стропильных  ферм  составило  1217  штук.  Длительность  эксплуатации  рассматриваемых  зданий  на  момент  проведения  натурных  обследований  составило  от  35  до  118  лет.  На  первом  этаже  был  проведен  анализ  по  двум  типам  повреждений  –  механических  и  коррозионных.  Необходимо  отметить  наличие  усиленных  элементов  стропильных  ферм,  общее  количество  усиленных  элементов  составило  31  штук.  Распределение  стропильных  ферм  по  видам  дефектов:

Механические  повреждения  –  18,2  %

Коррозия  –  38,7  %

Без  дефектов  –  43,1  %

К  числу  механических  повреждений  обследованных  ферм  относятся  общие  искривления,  местные  погибы,  ослабления  или  отсутствие  болтовых  соединений,  вырезы  в  элементах  ферм,  искривления  фасонок  и  др.  Отметим,  что  механические  повреждения  были  выявлены  в  222  стропильных  фермах,  в  которых  число  дефектных  элементов,  имеющих  механические  повреждения,  составило  257  штук.

Влияние  времени  на  повреждаемость  стропильных  ферм.

Для  того  чтобы  изучить  процесс  накопления  механических  повреждений  в  процессе  эксплуатации  авторами  на  основании  результатов  натурных  обследований  35  одноэтажных  производственных  зданий  предприятий  горной  и  металлургической  промышленности  была  исследована  повреждаемость  металлических  элементов  блоков  покрытий.  Площадь  обследованных  зданий  составила  от  1  до  60  тыс.  м²,  суммарная  площадь  обследованных  зданий  составила  351  116  м²,  при  длительности  эксплуатации  от  20  до  90  лет.  Количество  обследованных  ферм  при  общем  показателе  составило  1996  штук,  механические  повреждения  были  обнаружены  у  387  ферм,  в  виде  общих  и  местных  искривлений  стержней,  что  составило  19,4  %.  Таким  образом  было  установлено,  что  часть  промышленных  зданий  до  80  %  эксплуатируется  с  механическими  дефектами  повреждениями  стропильных  ферм,  доля  поврежденных  стропильных  ферм  от  общего  числа  в  каждом  здании  составляет  от  0,11  до  0,33.  При  этом  средняя  наработка  до  возникновения  механических  повреждений  в  стропильных  фермах  составляет  от  четырех  до  12  лет.

Выводы:

Анализируя  данную  работу  мы  достаточно  убедились  о  необходимости  разработки  новых  или  усовершенствования  существующих  методов  расчета  блоков  покрытий  промышленных  зданий  по  предотвращению  аварийных  обрушений.  Аварии,  происходящие  в  промышленных  зданиях  растут  ежегодно,  и  все  еще  остаются  частью  сегодняшней  реальности,  что  свидетельствует  об  актуальности  исследований  по  их  предотвращению.  На  основе  собранных  статистических  данных  обрушений  блоков  покрытий  подчеркиваем  тот  факт,  что  в  большинстве  случаев  разрушение  одной  фермы  приводит  к  обрушению  всего  блока  покрытия,  что  свойственно  прогрессирующим  обрушениям.  Средняя  наработка  до  возникновения  первого  механического  повреждения  в  стропильных  фермах  составляет  от  четырех  до  12  лет.

Общие  искривления  и  местные  погибы  были  и  остаются  самыми  распространенными  механическими  повреждениями,  которые  при  взаимодействии  с  другими  неблагоприятными  воздействиями  влияют  на  несущую  способность  стропильных  ферм  и  могут  привести  к  их  аварийному  разрушению.  В  ходе  работ  проектирования  блоков  покрытий  необходимо  учитывать  все  предполагаемые  дефекты,  которые  возникнут  при  изготовлении,  монтаже  и  эксплуатации,  учитывая  их  величину  и  количество.

Список  литературы:

1. Беляев  Б.И.,  Корниенко  С.В.  Причины  аварий  стальных  конструкций  и  способы  их  устранения. 
2. Еремин  К.И.  Матвеюшкин  С.А.  Электронная  паспортизация  зданий  и  сооружений  /  Сб.  науч.  трудов  «Предотвращение  аварий  зданий  и  сооружений».  Магнитогорск,  2008
3. Еремин  К.И.,  Шишкина  Н.А.  Обзор  аварий  зданий  и  сооружений,  произошедших  в  2006  году  //  Предотвращение  аварий  зданий  и  сооружений.
4. Еремин  К.И.,  Матвеюшкин  С.А.  Особенности  экспертизы  и  неразрушающего  контроля  строительных  металлических  конструкций  /  Сб.  науч.  Трудов.
5. Металлические  конструкции.  Справочник  проектировщика  /  Под  ред.  Н.П.  Мельникова.
6. Нежданов  К.К.,  Жуков  А.Н.  Анализ  состояния  и  причин  обрушений  строительных  конструкций  в  промышленных  зданиях  //  Региональная  архитектура  и  строительство.
7. Пермяков  М.Б.  Аварии  промышленных  зданий:  анализ  причин//  Электронный  журнал  Предотвращение  аварий  зданий  и  сооружений.
8. Реестр  аварий  зданий  и  сооружений  2001–2010  годов  /  К.И.  Еремин,  Н.А.  Махутов,  Г.А.  Павлова,  Н.А.  Шишкина.