В практике обследования и экспертизы технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений регулярно встречаются случаи аварийного и ограниченно работоспособного (предаварийного) состояния строительных конструкций, несущая способность которых или уже исчерпана, или близка к своему исчерпанию. Своевременные меры по восстановлению несущей способности аварийных конструкций позволяют существенно снизить затраты на эксплуатацию всего здания или сооружения, а главное, не допустить угрозу жизни и здоровья людей [1, 2].
При обследовании строительных конструкций фиксируются первоначальные (непроектное положение и соединение, отсутствие элементов, сниженное качество материалов и др.) и постепенные накопления дефектов и повреждений (трещины, сколы, коррозия и др.), что в ряде случаев усложняет поверочные методы расчета этих конструкций, которые могли бы отразить их фактическую несущую способность. Поэтому перед инженерами ставится непростая задача: смоделировать расчетом аварийное состояние строительных конструкций таким образом, чтобы оно соответствовало фактическому аварийному состоянию, и предложить корректные меры по восстановлению их несущей способности.
В данной статье анализируется один из случаев аварийного состояния строительных конструкций площадки обслуживания сооружения, отказ закладной детали которой привел к ее обрушению.
Цель статьи заключается в моделировании работы закладной детали железобетонной колонны и установлении причин исчерпания ее несущей способности.
Для достижения цели требуется:
1. Установить метод расчета, отражающий все особенности работы конструкций.
2. Выполнить моделирование расчетных случаев.
3. Установить причины исчерпания несущей способности конструкции.
Конструктивное решение площадки представляет собой металлическую балочную клетку шириной до 2 м, расположенную вдоль сооружения, которая крепится к каждой колонне через закладную деталь МН и металлический подкос П1 (рис. 1, 2).
Рис. 1. Поперечный разрез и маркировка элементов площадки
Рис. 2. Схема расположения элементов площадки и нагрузки от веса монтажников
Рис. 3. Фактическое и проектное расположение элементов закладной детали МН исследуемого узла крепления
Установленные начальные отклонения рассматриваемой конструкции от проекта:
1) отсутствие подкосов П1 – ошибка эксплуатации или монтажа;
2) непроектное положение анкерных стержней закладной детали МН (рис. 3, разрез 2–2) – ошибка изготовления.
Перед инженерами стояла задача рассмотрения совместного и отдельного влияний отклонений 1 и 2, а также их отсутствия (соответствие проекту) на несущую способность всей площадки обслуживания.
Согласно проведенному анализу исходной проектной документации на площадку обслуживания, установлено, что равномерная передача усилий на все анкерные стержни расчетного ряда не обеспечена. В связи с этим наиболее вероятной является потеря несущей способности закладной детали через потерю несущей способности анкерных стержней в зоне их соединения с пластиной закладной детали.
Поиск усилий, действующих в анкерных стержнях закладной детали, необходимо определять путем моделирования, расчета и анализа НДС всей площадки. Это позволит найти усилия в анкерных стержнях закладной детали по отдельности, с учетом любого (проектного или фактического) их расположения и выполнить анализ их прочности, а в случае, если прочность анкерного стержня обеспечена, анализ прочности их сварных соединений к пластине.
В соответствии с [3, 4] расчет конструкций по предельным состояниям первой и второй групп следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции.
Расчетному анализу подвергнут случай одновременного расположения 6-ти монтажников вблизи внешнего края площадки у оси «3». Подробная схема расположения нагрузки от монтажников представлена на рис. 2.
Атмосферные воздействия в расчете были приняты фактическими и на момент обрушения отсутствовали.
Прочностной анализ конструкций площадки вели от сочетания С1 расчетных нагрузок, представленного в табл. 1.
Таблица 1
Загружения и сочетания загружения площадки
|
№ п/п |
Загружение/ сочетание |
Нормативное значение |
Коэф-т надежности по нагрузке |
Расчетное значение |
|
1 |
Собственный вес металлических деталей площадки, заданных в расчетной схеме |
Рассчитывается программой |
1,05 |
Рассчитывается программой |
|
2 |
Вес настила (просечно-вытяжной лист ПВ1-510) |
0,254 кПа |
1,05 |
0,267 кПа |
|
3 |
Вес ограждения |
0,181 кН/м |
1,05 |
0,19 кН/м |
|
4 |
Вес монтажников (всего 6) |
6 кН |
1,2 |
7,2 кН |
|
С1 |
N1*1,05 + N2*1,05 + + N3*1,05 + N4*1,2 |
Примечание. 1) N1, N2, N3, N4 – нормативные значения нагрузок; 2) Нагрузку от веса монтажников для расчетной схемы прикладывали путем пересчета в нагрузку на линию соответствующей длины.
Нагрузки на схему прикладывали в соответствии с табл. 1. Нагрузку от веса монтажников суммарной величиной 7,2 кН распределили по длине 2,41 м интенсивностью 2,99 кН/м. Нагрузку от настила и от ограждения прикладывали по пролетным балкам площадки в виде равномерно-распределенной нагрузки по длине соответствующей величины.
Расчет НДС элементов площадки выполнен с использованием программного комплекса (ПК) SCAD.
Для расчета элементов площадки в условиях, приближенных к реальным, часть элементов задавали с помощью оболочечных элементов (КЭ оболочки, тип 44), а именно (маркировка приведена в соответствии с рис. 1): закладная деталь МН, консольная балка Б1, пластины Ф1, Ф2, Ф3. Остальные элементы площадки заданы стержневыми конечными элементами (рис. 4).
Рис. 4. Расчетная схема площадки с установленными подкосами
Физическую нелинейность работы материалов в расчете не учитывали. Геометрическую нелинейность учитывали для контактного взаимодействия пластины закладной детали МН с телом колонны.
Фактическое расположение элементов исследуемого узла, толщины пластин, а также номер профиля швеллера были приняты на основании предоставленной проектной документации.
Сетка конечных элементов закладной детали МН построена таким образом, чтобы учесть предполагаемое проектом расположение анкерных стержней (рис. 5).
Рис. 5. Расчетная схема узла крепления консоли с фактическим положением арматурных стержней 1…9
Закрепление расчетной схемы в пространстве выполнено на концах анкерных стержней закладной пластины МН через шарнирно-неподвижные связи (направление вдоль X, Y, Z), а в узлах соединения анкерных стержней с пластиной задавали шарнирно-подвижные связи (по направлению вдоль X, Z – закрепляли, по Y – освобождали). Подкос закрепили через узлы пластины Ф3 по всей высоте (через жесткие связи).
Контактное взаимодействие пластины закладной детали МН с бетоном колонны решали через односторонние связи, жесткость которых на растяжение принимали нулевой (имитация свободного отрыва пластины от поверхности колонны), а жесткость на сжатие принимали эквивалентной жесткости на сжатие бетона В25 колонны.
Силу трения закладной детали МН с телом колонны не учитывали.
Результаты расчета усилий, действующих в наиболее нагруженных анкерных стержнях закладной детали МН, расположенной в оси «3», отражены в табл. 2. Расчетом учтены проектное и фактическое расположение анкерных стержней, а также присутствие и отсутствие подкосов П1 площадки обслуживания. Нумерация анкеров приведена в соответствии с рис. 3.
Таблица 2
Результаты расчетов внутренних усилий в стержнях закладной детали МН
|
№ анк. стержня |
Площадка с подкосами П1 |
Площадка без подкосов П1 |
||
|
Nанк., тс/Qанк., тс. (проект.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (факт.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (проект.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (факт.) |
|
|
1 |
0,316 / 0,054 |
0,403 / 0,088 |
2,221 / 0,086 |
3,386 / 0,603 |
|
2 |
1,218 / 0,153 |
0,679 / 0,179 |
6,457 / 2,309 |
5,964 / 1,354 |
|
3 |
0,316 / 0,054 |
0,136 / 0,04 |
2,221 / 0,086 |
1,038 / 0,237 |
Примечание. Все значения внутренних усилий даны по модулю.
В табл. 2, 3 выделены подчеркиванием те анкерные стержни, внутренние усилия в которых превышают максимально допустимые исходя из расчета анкерных стержней по несущей способности в соответствии с формулами (6), (7), (9) [5].
Анализ полученных результатов показал, что несущая способность анкерных стержней № 2 (а следовательно, и всей площадки обслуживания) при моделировании отсутствия подкосов не обеспечена. Отмечено, что стержень № 2 при фактическом расположении стержней в закладной детали МН по сравнению с проектным расположением нагружен больше в 1,8 раза при исполнении с площадки подкосами и в 1,08 раза при исполнении без подкосов. Это обусловлено тем, что стержень № 2 при проектном расположении стержней в закладной детали МН установлен напротив верхнего ребра жесткости Ф1, которое сосредотачивает изгибающий момент во всем узле, прежде всего на близлежащие стержни.
Исчерпание несущей способности узла площадки при варианте без подкосов наступает в стержнях № 2. Следующим этапом было моделирование работы площадки без учета этих стержней. Результаты представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов внутренних усилий в стержнях закладной детали МН без учета стержней № 2
|
№ анк. стержня |
Площадка с подкосами П1 |
Площадка без подкосов П1 |
||
|
Nанк., тс/Qанк., тс. (проект.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (факт.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (проект.) |
Nанк., тс/Qанк., тс. (проект.) |
|
|
1 |
0,55 / |
0,44 / |
4,81 / 0,41 |
4,76 / 0,4 |
|
2 |
– |
– |
– |
– |
|
3 |
0,55 / |
0,45 / |
4,81 / 0,41 |
4,98 / 0,47 |
Примечание. Все значения внутренних усилий даны по модулю.
Анализ полученных результатов варианта площадки без подкосов показал, что отсутствие стержней № 2 распределило внутренние усилия на стержни № 1 и 3, а именно: в стержнях № 1 и 3 при проектном исполнении МН усилие возросло в 2,17 раза, при фактическом исполнении МН в стержне № 1 усилие возросло в 1,41, в № 3 в 4,8 раза. Заметим, что несущая способность стержней № 1 и 3, за счет более равномерного распределения внутренних усилий между ними, оказалась достаточной, чтобы площадка обслуживания продолжила эксплуатацию без подкосов.
Выводы
1. Отсутствие подкосов на площадке обслуживания как вид № 1 отступления от правил эксплуатации или монтажа вызвало преждевременное исчерпание наиболее нагруженных анкерных стержней № 2 в закладной детали МН.
2. Исчерпание несущей способности анкерных стержней № 2 ведет к исчерпанию несущей способности площадки обслуживания только в том случае, если имеет место вид № 2 отступления от проекта – непроектное положение анкерных стержней закладной детали МН.