СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК E04G23/00 E04B1/08 E04B1/24 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при разработке технологии проведения оценки технического состояния металлических строительных конструкций, результаты которого используются для увеличения их ресурса.

К таким конструкциям относятся фермы и ригеля перекрытий цехов, колонны опирания ферм и ригелей, светофорные площадки и ходовые лестницы дымовых труб, несущие фермы каркасно-обшивных градирен, корпуса и растяжки металлических дымовых труб и т.д.

Одной из задач, возникающей при эксплуатации строительных металлических конструкций, является поддержание его элементов в состоянии, обеспечивающем прочность сооружения при действии на него эксплуатационных нагрузок.

Актуальность этой задачи следует из того, что в процессе эксплуатации строительного сооружения происходит снижение прочности строительных металлических конструкций за счет их коррозии.

Поддержание необходимой прочности строительных металлических конструкций может быть обеспечено путем их ремонта или их замены ( полной или частичной ) на основе рекомендаций, полученных путем обработки результатов их инструментального обследования, включающего анализ прочности металлических конструкций без износа ( на его основе разрабатывается карта замеров с примерами по ее заполнению ), расчет максимальных износов, анализ прочности металлических конструкций с учетом максимальных износов, расчет ресурса металлических конструкций и размеров усиливающих элементов ( при необходимости ).

Также поддержание необходимой прочности строительных металлических конструкций может быть обеспечена путем уменьшения эксплуатационных нагрузок по сравнению с проектными нагрузками, на которые было спроектировано строительное сооружение, при одновременном обеспечении выполнения сооружением его функций. Например, эксплуатационная нагрузка может быть уменьшена путем гарантированного недопущения образования снегового покрова на перекрытие.

Известен способ увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов строительных конструкций (см. источник), основанный на инструментальном определении размеров элементов конструкции и последующем их усилении.

Данный способ принят за прототип в заявляемому
Недостатком известного способа является его трудоемкость, т.к. необходимо проводить сплошной контроль и последующее усиление элементов конструкций, для которых величины износа превышают нормативно заданные.

Целью изобретения является снижение трудоемкости обеспечения увеличении ресурса безопасной эксплуатации элементов строительных металлических конструкций.

Это достигается тем, что в известкоторого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение размеров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструмен тальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют размеры усиливающих элементов, используемых для последующего усиления тех элементов металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения, превышают допустимые, и, наконец, определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса.

В процессе анализа проектной документации на металлические конструкции в виде ферм присваивают номера узлам местам пересечения стержней и расчитывают их координаты в прямоугоьной системе координат.

Начало координат помещают в узле с номером 1, ось X направляют вдоль фермы, а ось Y помещают в плоскости фермы.

При обработке данных анализа проектной документации расчитывают характеристики элементов металлических конструкций площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций.

В качестве постоянных нагрузок используют весовые нагрузки от слоев покрытия элементов металлических конструкций, а в качестве временных весовые нагрузки от снегового покрова на покрытие и от подвижного подъемно-транспортного оборудования.

Отношение допустимых и эксплуатационных напряжений для элементов, у которых осуществляют инструментальное определение размеров, находится в пределах 1-1,5.

Максимальный износ, определяемый при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, выражают в процентах к проектной толщине полки профиля.

При обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, расчитывают характеристики элементов металлических конструкций площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций с использованием максимальных износов.

Ресурс определяют из допущения, что в течение допустимого срока эксплуатации скорость коррозии элементов металлических конструкций постоянна и не превысит равномерную вероятную максимальную скорость коррозии соответствующего элемента металлической конструкции, определяемую при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров.

Величину ресурса определяют в годах.

Перед усилением элементов металлических конструкций, дополнительно уменьшают в них действующие эксплуатационные напряжения.

В качестве усиливающих элементов металлических конструкций используют стержни с круглым и квадратным поперечным сечениями.

Уменьшение действующих эксплуатационных напряжений в элементах металлических конструкций перед их усилением осуществляют в 1,1-1,4 раза.

Уменьшение действующих эксплуатационных напряжений в элементах металлических конструкций осуществляют путем разгрузки конструкций от временной нагрузки.

Уменьшают действующие эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций от снеговой нагрузки путем сброса снега с элементов металлических конструкций.

Усиление элементов металлических конструкций осуществляют во время отсутствия снеговой нагрузки.

Приведем конкретную реализацию способа увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов строительной металлической конструкции на примере ферм перекрытия цеха промышленного предприятия со следующими характеристиками размеры цеха: ширина 54 м; длина 54 м; высота 16 м; угол наклона покрытия цеха 12 град.

Состав покрытия цеха и вес его составляющих: гравий, втопленный в мастику 24 кГ/м²; рубероидный ковер 16 кГ/м²; деревоплита 136 кГ/м²; металлические прогоны 19 кГ/м². Несущие элементы перекрытия цеха: количество ферм в цехе 20; количество стержней фермы 65; количество узлов фермы 34; количество прогонов в ряду 22; суммарный вес ферм со связями 153000 кГ; материал ферм сталь 15ХСНД ГОСТ 5058 26 05; материал прогонов сталь ВСт3сп5 ГОСТ 380 71; материал колонн, стоек и подстропильных балок сталь 10Г2С1 ГОСТ 5058-65; допустимое напряжение материала ферм колонн, стоек и подстропильных балок 25 кГ/мм²; допустимое напряжение материала прогонов 18 кГ/мм².

Характеристики района расположения цеха: номер снегового района 5; нормативный вес снегового покрова 200 кГ/м²; средняя скорость ветра 5 м/с; район не сейсмичный.

Процессу проведения обработки результатов инструментального обследования предшествует анализ проектной документации, резульльтаты которого вместе с результатами обработки представляются в отчете в виде табл.1-10.

По результатам анализа проектной документации на металлические конструкции перекрытия цеха вводятся номера узлов (пересечения стержней), позволяющие устанавливать соответссвие между стержнями фермы в проектной документацией и между стержнями фермы на эскизах и в таблицах отчета. Численные величины представляются в табл.1, в столбцах N которой указаны порядковые номера стержней, а в столбцах NN-NK приведены номера узлов.

Дальнейший анализ проектной документации на фермы перекрытий цеха, после присвоения порядковых номеров стержням и узлам ферм, сводится к расчету координат X, Y их узлов, при этом принято, что начало координат находится в узле 1, координата X направлена вдоль фермы. Величины координат узлов ферм, представляются в табл. 2. В столбцах N табл.2 приведены присвоенные ранее порядковые номера узлов, а в столбцах X и Y соответствующие узлам координаты, которые используются при расчете усилий в стержнях.

Далее по проектной документации устанавливаются типы профилей, из которых выполнены стержни и размеры этих профилей, при этом для профилей приняты следующие обозначения, используемые в отчете уголок равнобокий; уголок неравнобокий; швеллер; двутавр; уголок двойной равнобокий; уголок двойной неравнобокий, соединение по B; уголок двойной неравнобокий, соединение по H; [] швеллер двойной, соединение по торцам полок; двутавр сварной. Размеры сечений профилей в табл.3. представлены в следующем виде: B x t x H x d, где B ширина полки; t толщина полки; H высота стенки ( второй полки ); d толщина стенки ( второй полки ); L длина стержня.

Данные, полученные в результате анализа проектной документации (табл.1-3 ), обрабатываются и представляются в табл.4. В столбце N приведены порядковые номера стержней ферм в той же последовательности, что и в предыдущих таблицах. В следующих столбцах приведены соответственно характеристики стержней фермы: F площадь, R₁ радиус инерции и W момент сопротивления поперечного сечения; S_кр критическая сила. Расчетные данные необходимы как для контроля процесса расчетно теоретических работ, так и для проведения анализа прочности ферм перекрытия цеха при проектных размерах стержней.

Нагрузки на фермы перекрытия определяются в соответствии с основными положениями и правилами, установленными нормами на проектирование строительных конструкций. Основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения, приведенные в нормах и в проектной документации. Расчетное значение нагрузки определяется как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности.

На фермы действуют вертикальные нагрузки постоянные и временные.

Наименование постоянных нагрузок, нормативные значения и коэффициенты надежности: гравий, втопленный в мастику 24 кГ/м²; 1,30; рубероидный ковер 16 кГ/м²; 1,30; деревоплита 136 кГ/м²; 1,10; металлические прогоны 19 кГ/м²; 1,05; фермы со связями 53 кГ/м²; 1,05.

К временным относятся нагрузки с полным нормативным значением: снеговые и от подвижного подъемно-транспортного оборудования.

Коэффициент надежности для нагрузки от веса снега принят равным 1,4, а от веса подвижного подъемно-транспортного оборудования 1,2.

В расчетах прочности ферм используется полное нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, определяемое согласно выражению
S S_o x K х К₁ х К₂ 200 х 1,0 х 0,7 х 0,95 133 кГ/м₂,
где S_o 200 кГ/м₂ нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 для горизонтальной поверхности земли района 5;
K 1,00 коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Коэффициент K в районах со средней скоростью ветра за три наиболее холодных месяца V > 2 м/с снижается путем умножения на коэффициент K₁, определяемый из выражения
K₁ 1,2 0,1V 0,70,
где V 5 м/с средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца в районе расположения цеха. Для зданий шириной b до 90 м и высотой h > 10 м коэффициент K дополнительно снижается умножением на коэффициент K2, определяемый из выражения
K₂ 1 0,2(1 b / 90)(h/10 -1) 0,95,
где b 54 м,
h 16 м ширина и высота цеха соответственно.

Величины расчетных нагрузок, приведенные к узлам фермы, представляются в табл. 5. В столбцах N табл.5 приведены номера узлов ферм, в столбце N_т величины нагрузок, приведенных в проектной документации, в столбце N_э - результирующие расчетных нагрузок, включая нагрузки от веса снега и элементов покрытия.

Отношение расчетной временной снеговой нагрузки на перекрытие к расчетной постоянной ( вес покрытия и вес ферм со связями ) определяется из выражения
R (133 х 1,4)/(24 х 1,3 + 16 х 1,3 + 136 х 1,1 + 19 х 1,05 + 53 х 1,05) 0,67
Как видно из выражения, путем уменьшения снеговой нагрузки расчетную нагрузку на перекрытие можно снизить на 30 40 поэтому согласно способу перед усилением элементов конструкций дополнительно уменьшают в них эксплуатационные напряжения путем уменьшения снеговой нагрузки, чтобы повысить эффективность включения в работу усиливающих элементов.

Эксплатационные напряжения в элементах, как показано выше, можно уменьшить в 1,1 1,4 раза путем разгрузки конструкций от временной (снеговой) нагрузки путем сброса снега с элементов конструкции или проведения усиления элементов конструкции, которое осуществляют во время отсутствия снеговой нагрузки.

Согласно способу перед инструментальным определением размеров элементов конструкций, расчетным путем при проектных размерах элементов определяют в них эксплуатационные и допустимые напряжения, сравнивают их, а инструментальное определение размеров осуществляют для элементов, у которых отношение допустимого и эксплуатационного напряжений составляет величину, меньшую расчетной.

Анализ прочности ферм перекрытия при проектных размерах (без износа) стержней необходим как для выявления реальной несущей способности конструкции перекрытия, так и для выявления наиболее нагруженных стержней, что необходимо при составлении карты замеров и при разработке инструкции по заполнению карты замеров.

Необходимость анализа прочности без износа обоснована так же в случае отсутствия проектной документации, при проведении реконструкции сооружений ( замена покрытий цеха, листов обшивки градирен и т.д. ), нагружении конструкций нагрузками, не предусмотренными проектной документацией.

Результаты анализа прочности конструкции представлены в табл.6. Суть содержания первых трех столбцов пояснена выше. В столбцах S_дп и S_э приведены соответственно допустимые и эксплуатационные усилия для стержней ферм, характер эксплуатационного усилия ( растяжение р или сжатие c ) в столбце р/с таблицы.

В столбце Вывод приведены результаты анализа прочности стержней ферм: Удов эксплуатационные напряжения в стержнях не превышают расчетные; Неуд. - превышают.

Согласно способу инструментальное определение размеров осуществляют для элементов, у которых отношение допустимых и экслуатационных напряжений находится в пределах 1-1,5 (в пределах действующих нормативных коэффициентов надежности по нагрузкам).

На основе полученных результатов ( табл.1 6) формируется карта замеров, оформленная в виде отчета, с примерами ее заполнения, содержащая таблицы, аналогичные табл.3 с незаполнеными столбцами: B ширина полки; t толщина полки; H высота стенки ( второй полки ), которые заполняются в процессе инструментального обследования. Примеры содержат образцы заполнения таблиц с указанием конкретных мест проведения замеров.

Итогом проведения инструментального обследования металлических конструкций перекрытия цеха является заполненная карта замеров, при этом при проведении инструментального обследования проводится проверка соответствия осмотренных профилей стержней ферм проектным и проводятcя замеры фактических толщин полок профилей, а также устанавливают нагрузки на фермы, не предусмотренные проектной документацией.

Для каждого стержня получают максимальный износ, выраженный в процентах к проектной толщине полки профиля этого стержня. С использованием максимальных износов величины расчетных данных с износом представлены в табл.7, аналогичной табл. 3, кроме столбца "Износ,", в котором приведен максимальный износ.

Аналогично вышеизложенному ( табл.6) формируется табл.8 с результатами анализа прочности с учетом износа, что позволяет сделать вывод о возможности дальнейшей эксплуатации ферм перекрытия. Согласно способу после определения размеров элементов конструкции дополнительно определяют путем расчетов при инструментально определенных размерах эксплуатационные и допустимые напряжения, сравнивают эксплуатационные и допустимые напряжения, а последующее усиление осуществляют для элементов, у которых эксплуатационные напряжения превышают допустимые.

Результаты анализа прочности ( табл.8 ) позволили установить стержни фермы, не удовлетворяющих нормам прочности. С целью обеспечения дальнейшей эксплуатации ферм, имеющих стержни, не удовлетворяющие нормам прочности, проводят расчеты по определению размеров усиливающих элементов, использование которых позволяет компенсировать износ.

В качестве усиливающих элементов рассмотрены стержни с круглым и квадратным поперечным сечениями, для которых определены соответственно диаметр D и сторона квадрата H, результаты которых представляются в табл.9 в столбцах D и H.

Для каждого стержня определяется равномерная максимальная скорость коррозии V, ресурс в годах и допусимый износ в Ресурс определяется из допущения, что в течение допустимого срока эксплуатации скорость коррозии каждого стержнея постоянна и не превысит равномерную вероятную максимальную скорость коррозии соответствующего стержня.

Результаты расчетов представляются в табл. 10. Обработка результатов инструментального обследования других типов конструкции содержит все вышеприведенные этапы.

Способ внедрен при оценке технического состояния металличеких конструкций цеха одного из промышленных предприятий, параметры которого приведены выше.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при разработке технологии проведения оценки технического состояния строительных металлических конструкций, результаты которого используются для увеличения их ресурса. Сущность: сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки - постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение размеров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют размеры усиливающих элементов, используемых для последующего усиления тех элементов металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения превышают допустимые, и, наконец, определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса. дополнительно определяют путем расчетов при инструментально определенных размерах расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, сравнивают расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, а последующее усиление осуществляют для элементов, у которых эксплуатационные напряжения превышают допустимые. 15 з.п.ф-лы, 10 табл.

1. Способ увеличения ресурса безопасной эксплуатации элементов строительных металлических конструкций, основанный на проведении расчетов прочности элементов металлических конструкций, инструментальном определении размеров элементов металлических конструкций и последующем их усилении, отличающийся тем, что сначала проводят анализ проектной документации на металлические конструкции, в результате которого устанавливают типы и размеры профилей элементов металлических конструкций, полученные данные подвергают обработке, проводят расчет прочности при проектных размерах элементов металлических конструкций на нормативные нагрузки постоянные и временные, в результате которого определяют в элементах металлических конструкций расчетные эксплуатационные и допустимые напряжения, формируют карту замеров и проводят инструментальное обследование элементов металлических конструкций с использованием карты замеров, в результате которого осуществляют проверку соответствия осматриваемых профилей проектным, устанавливают нагрузки, не предусмотренные проектной документацией, и проводят инструментальное определение размеров элементов металлических конструкций, затем осуществляют обработку результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, и на ее основе проводят расчет прочности элементов металлических конструкций, в результате которого определяют расчетные эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций, сравнивают их с допустимыми напряжениями, определяют размеры усиливающих элементов, используемых для последующего усиления тех элементов металлических конструкций, у которых расчетные эксплуатационные напряжения, превышают допустимые, и, наконец, определяют для элементов металлических конструкций величины максимальной скорости коррозии, допустимого износа и ресурса. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе анализа проектной документации на металлические конструкции в виде ферм присваивают номера узлам местам пересечения стержней, и рассчитывают их координаты в прямоугольной системе координат. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что начало координат помещают в узле с номером 1, ось Х направляют вдоль фермы, а ось Y помещают в плоскости фермы. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке данных анализа проектной документации рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве постоянных нагрузок используют весовые нагрузки от слоев покрытия элементов металлических конструкций, а в качестве временных весовые нагрузки от снегового покрова на покрытие и от подвижного подъемно-транспортного оборудования. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение допустимых и эксплуатационных напряжений для элементов, у которых осуществляют инструментальное определение размеров, находится в пределах 1 1,5. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальный износ, определяемый при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, выражают в процентах к проектной толщине полки профиля. 8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров, рассчитывают характеристики элементов металлических конструкций площадь, радиус инерции, момент сопротивления изгибу поперечного сечения, а также величины критических усилий потери устойчивости элементов металлических конструкций с использованием максимальных износов. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что ресурс определяют из допущения, что в течение допустимого срока эксплуатации скорость коррозии элементов металлических конструкций постоянна и не превысит равномерную вероятную максимальную скорость коррозии соответствующего элемента металлической конструкции, определяемую при обработке результатов, занесенных при инструментальном обследовании в карту замеров. 10. Способ по пп.1 и 9, отличающийся тем, что величину ресурса определяют в годах. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед усилением элементов металлических конструкций дополнительно уменьшают в них действующие эксплуатационные напряжения. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве усиливающих элементов металлических конструкций используют стержни с круглым и квадратным поперечным сечениями. 13. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что уменьшение действующих эксплуатационных напряжений в элементах металлических конструкций перед их усилением осуществляют в 1,1- 1,4 раза. 14. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что уменьшение действующих эксплуатационных напряжений в элементах металлических конструкций осуществляют путем разгрузки конструкций от временной нагрузки. 15. Способ по пп. 1 и 11, отличающийся тем, что уменьшают действующие эксплуатационные напряжения в элементах металлических конструкций от снеговой нагрузки путем сброса снега с элементов металлических конструкций. 16. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что усиление элементов металлических конструкций осуществляют во время отсутствия снеговой нагрузки.