Аварийное состояние в металлоконструкциях и их обрушение могут иметь место при вполне доброкачественных во всех отношениях конструкциях, правильно выполненном монтаже и нормальной эксплуатации вследствие дефектов оснований, на которых установлены металлические конструкции. Поэтому перед монтажом необходимо особенно тщательно проверить, правильно ли выполнены те конструкции, на которые будут установлены металлические, и в отдельных случаях состояние грунтов под подошвой фундамента.

Характерную группу причин, от которых возникают аварийные состояния металлических конструкций,  составляют:

- неравномерность осадки грунта под фундаментами, на которые опираются металлоконструкции, - выдавливание грунта из-под фундаментов, выпучивание при вымораживании, - провалы грунта, оползни и т. д.

 

 

 

 

 

Неравномерная осадка грунта вызывает перекосы, перераспределение усилий между элементами конструкций и т. д., в отдельных случаях — превращение статически определимых систем в статически неопределимые. Изменяется статическая схема работы деформированных конструкций путем превращения их в новые конструктивные формы. Ненадежность оснований, неравномерная осадка, потеря устойчивости опорными конструкциями вызывают аварийные состояния. Качественная крупноузловая сборка значительно снижает вероятность аварии.

Недопустимые деформации в металлическом каркасе здания теплоэлектроцентрали в Сибири появились в 1953 г. вследствие неравномерного промораживания грунта в основании железобетонном плиты. В данном же случае сооружение, представляющее в поперечном разрезе четырехпролетную раму, получило деформации. Верхние узлы рамы большего 27-м пролета отклонились до 90 и 112 мм. Все семь рам имели отклонение в одном направлении. Аварийное состояние было ликвидировано пропуском пара от ТЭЦ и заливкой горячей водой при  60-7-70°С. Организация подогрева основания схематически показана на схеме в. По железобетонной плите по оси Б—В  и в пролет А—Б на черных отметках котлована были уложены перфорированные стальные трубы, по которым пропущен пар от действующей ТЭЦ, а котлован по оси А—В и главным образом «корыто» в  фундаменте по оси  Б—В  было залито  водой,   температуру которой поддерживали паром, подаваемым по трубам. Озеро горячей воды имело площадь зеркала до 1000 м2. Вся операция была проделана за 12 дней.

Полного возврата каркаса в вертикальное положение все же не удалось достичь вследствие погрешностей, допущенных при монтаже конструкций.

Для строителей, и особенно монтажников, поучительным примером недооценки качества основания грунта может служить авария монтажного крана. Во время подъема железобетонной фермы на строительстве Ачинского глиноземного завода весной 1962 г. опрокинулся 50-г кран СКТ-50 со стрелой 30 м и клювом 19 м. Основной причиной аварии оказалось наличие под щебеночной подсыпкой слоя подтаявшего снега, который сохранился у стены строящегося цеха в условиях Сибири до апреля.

В складе заготовок прокатного цеха одного из металлургических заводов Приднепровья вместе с рядом других причин нарушение эксплуатации кранового оборудования происходило вследствие неравномерной осадки колонн пролета. Цех построен на просадочно-лёссовидных грунтах с высоким уровнем стояния грунтовых вод. Под давлением складируемого в пролете металла грунт уплотнился и вызвал осадку колонн. За 10-летний период эксплуатации осадка отдельных колонн пролета достигла 260 мм, что привело к разрушению балок и их креплений к колоннам.

Катастрофа здания в штате Магараштра (Индия) произошла в результате чрезмерной перегрузки кирпичных колонн,, на которые опиралось междуэтажное перекрытие по стальным двутавровым балкам. Под тяжестью 400 человек междуэтажное перекрытие, как указывается в статье, рухнуло, вызвав разрушение всего здания. Серьезной конструктивной ошибкой была перегрузка колонн и, в частности, отсутствие опорных плит. В инженерном анализе катастрофы указывается, что перед обрушением балки междуэтажного перекрытия начали поворачиваться на опорах, вызвав внезапное уменьшение жесткости перекрытия вследствие большой разницы в моментах инерции двутавров относительно главных осей инерции.

Совершенно исключительный случай — стечение двух основных причин аварии — имел место осенью 1956 г. на строительстве Райчихинского стекольного завода (Амурская область). В период монтажа обрушились три фермы промышленного цеха, опиравшиеся на кирпичные пилястры. Авария произошла через полчаса после окончания рабочей смены и по счастливой случайности обошлась без жертв. Основные причины аварии — серьезные дефекты в конструкциях, на которые опирались металлические конструкции, — дефекты каменных стен и грубейшие нарушения правил монтажа металлоконструкций.

Фермы пролетом 18 м должны были быть установлены на кирпичные стены, сделанные не в соответствии с проектом. Вместо» кирпича марки 150 были применены марки 50 и 75. Пилястры были дефектными. Когда устанавливали ферму, то оказалось, что она не становится на болты, выпущенные в опорных подушках на пилястрах. Ферма была установлена так, что ее опора лежала на опорной подушке, а болты были срезаны. Кроме того, для подъема железобетонных плит покрытия на фермах был установлен кран-укосина, разгрузка которого производилась над аварийной фермой. Обрушение трех ферм покрытия произошло в результате среза пилястр.

В декабре 1964 г. службой надзора за производственными зданиями было замечено отклонение стены от вертикали в главном корпусе Саратовского завода технического стекла.

Завод был построен в 1956 г. Поперечник главного корпуса представляет собой одноэтажную трехпролетную раму. Стальные колонны по оси П опирались на сборную железобетонную подпорную стенку. Вдоль наружной стены по  на расстоянии  1,5 м располагалась яма размером 7x50 м и глубиной 4,5 м. Под фундаментной плитой ванной печи был заложен дренаж, понижавший уровень грунтовых вод.

Верх колонн и самонесущей стены отклонился от вертикали в наружную сторону от здания. Наибольшее смещение линии грани колонны от ее проектной линии имело место по оси 56 и достигало вверху колонны 105 мм и на уровне опорных шарниров — 89 мм. С целью предотвращения аварии были тщательно обследованы несущие конструкции пролета: колонны, подпорные стенки, узлы примыкания ферм к колоннам, узлы опирания колонн на подпорную стенку. Были выполнены геодезические замеры отклонения конструкций.

Установлено, что причиной деформации каркаса сооружения явилось смещение подпорной стенки подвала во внутрь здания, которое могло быть вызвано перегрузкой подпорной стенки в результате заполнения ямы эрклезом и боем стекла. Основанием подпорной стенки были способные к набуханию аптские глины. Крен подпорной стенки во внутрь здания мог появиться в результате набухания глин, увлажненных горячей водой, попадающей в основание подпорной стенки в момент спуска стекла в яму.

Для ведения наблюдений за состоянием конструкций в подвале на внутренней грани крайнего ряда столбов, несущих ванную печь, а также на гранях подпорной стенки (вверху и внизу) были установлены постоянные марки, по которым каждый месяц в течение   года   велись   наблюдения   за   состоянием   конструкций; показания регистрировались в журнале. На основании обследований, поверочных расчетов и анализа характера деформаций был» признано необходимым усилить металлические конструкции. Колонны были усилены приваркой к ним двух швеллеров № 20. Кроме колонн, были усилены подкрановые балки  № 36 под кран грузоподъемностью 20,5 т приваркой дополнительных элементов. В целях предотвращения возможных деформаций подпорной стенки были предусмотрены упоры между фундаментной плитой подпорной стенки и ванной печи. Проект усиления был разработан инж. А. И. Рейзман (Гипростекло). Усиление было выполнено в напряженном состоянии.

Важным  моментом во избежание усадок и набухания  глин в дальнейшем является постоянное поддерживание установившегося уровня грунтовых вод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры

 

 

Авария склада влажного концентрата на Сокол ово-Сарбайском горно-обогатительном комбинате произошла весной 1965 г. от потери устойчивости основания. Длина здания 348 м, ширина 42 м. В поперечном направлении склад перекрыт трехшар-нирными рамами ломаного очертания высотой 17,3 м и шагом 12 м. По верху рам расположена транспортерная галерея для догрузки концентрата. На фундамент в уровне шарнира действуют нормальная сила 270 г и распор 220 г. Глубина заложения фундаментов 6,2 м. С южной стороны склада на расстоянии 1,5 м о г стены начинается понижение территории, достигающее 2,7 м. Авария склада влажного концентрата произошла от потери устойчивости глинистого основания под нагрузкой от штабеля концентрата. Последний располагается непосредственно на бетонном полу в штабелях (пол разбит на блоки 6X4 м, швы залиты битумом). Штабеля высотой 15 ж с углом естественного откоса 45°. Объемный вес концентрата 3,5 т/м3, влажность ~ 12%. Интересен сам по себе процесс аварии. Она началась на южной стороне здания и практически продолжалась в течение суток. Первые ее признаки были замечены, когда обрушилась горизонтальная металлическая связь из уголков между арками средних рядов; затем произошло разрушение карпичных стен пристроенной подстанции, началось выпучивание грунта снаружи с образованием вала параллельно южной стене здания, понизился конек крыши.

Затем началось горизонтальное смещение колонн, и через 3 ч после первых признаков аварии появились начальные разрушения транспортерной галереи. Через 5 ч (считая с момента начала аварии) смещение наружных стен достигло 1765—2015 мм. Через 7 ч произошло сползание откоса штабеля концентрата. В это время перемещения наружных стен достигли 2735—2855 мм. Горизонтальные перемещения фундаментов рам с южной стороны вызвали перемещение металлических рам. Через 8 ч обрушилась конструкция галереи. Дальше деформации нарастали в течение 1 ч с прежней скоростью и через 9 ч стали затухать.

На 6-е сутки перемещения фундаментов практически закончились. Горизонтальные деформации их в месте выпора грунта оказались 4360—4660 мм. Высота вала при выпоре грунта достигала 2,35 м, ширина 6—7 м и длина — около 50 м. Расстояние между опорами арок увеличилось на 466 см, что повлекло за собой деформации арок, прогонов и связей. Конек кровли понизился на 3,2 м. Здание наклонилось в южном направлении на 2,14 м.

Чтобы предотвратить угрозу разрушения недеформированной части здания, где не было выпора грунта, аварийная часть здания была отсечена с помощью взрыва. Отрезанная от стальной части здания, аварийная часть могла бы свободно деформироваться до разрушения, но этого не случилось: разорвались прогоны и связи, смялись сжатые элементы конструкции. Напряжения изменились, и основная цель была достигнута. Деформации в арках продолжали нарастать. Арки были разобраны.
В качестве профилактических мер, предотвращающих аварии от потери устойчивости оснований, под основанием штабеля можно было устроить железобетонную шарнирную плиту с зубьями по краям или забить шпунты. Плита восприняла бы горизонтальный распор от штабеля, а зубья повысили сопротивление основания выпиранию. Принципиально мог бы быть устроен свайный фундамент с ростверком на уровне пола.
Основной причиной аварии, как уже указывалось, была потеря устойчивости основания штабеля влажного концентрата, т. е. недостаточная несущая способность основания для восприятия действующих нагрузок. По проектным данным расчетное сопротивление грунта на глубине 2 м принималось 1,5—2 кГ/см2, среднее же давление от штабеля влажного концентрата составляло 2,6 кГ/см2, а максимальное — 4,8кГ/см2 (насыпной весу = 3,2 т/м3). Потеря устойчивости основания штабеля вызвала катастрофические горизонтальные смещения фундаментов, захваченных массивом выпираемого грунта. Следует отметить, что при проектировании склада не был сделан расчет основания по деформациям от воздействия штабеля концентрата, несмотря на столь значительные давления на грунт, как указано выше. В конструкции лучше было бы применить арки с затяжками. При таком решении затраты металла почти не увеличиваются, а гарантия' надежности конструкции повышается во много раз.

Аварии и разрушения подкрановых конструкций. Исключительно большое значение для надежности работы подкрановых балок имеют правильная установка и выверка колонн, на которые они опираются. Точность соблюдения всех нормативных допусков совершенно необходима. Отклонение от этого приводит к невозможности использования закладных частей, усложняет опирание балок, вызывает необходимость устройства подкладок, хомутов и пр.

Выравнивающие подкладки из листовой или профильной стали оказывают вредное влияние на последующую работу балок. В отдельных случаях образуются податливые опоры. Конструкция балок подвергается кручению. Оседающие опоры вызывают зависание концов балок, удары на стыках и т. д. В приводятся примеры разрушений опорных участков подкрановых балок из-за податливости опорного пакета. При опирании балок на пакет или на перекошенную закладную часть балка подвергается кручению с крутящим моментом Мкр=Ае. От действия крутящего момента сначала разрушается приварка опорного ребра к нижней полке балки, а затем в стенке двутавра от усталости металла появляется горизонтальная трещина. Между листами выравнивающего пакета обнаруживаются неплотности. Подобные  явления   были   обнаружены   на  одном   из   заводов в Минске в балках, опирающихся на опорные листы и передающих давление через пристроганный конец опорной планки на перекошенную закладную часть железобетонной колонны. Подобные разрушения подкрановых балок встречаются весьма часто и являются наиболее характерными.
Для стальных подкрановых балок особенно вредны дефекты крепления верхнего пояса балок к железобетонным колоннам. Болты в креплениях зачастую смещены по отношению к диафрагме. Слой раствора, укладываемого для обеспечения плотности примыкания диафрагмы к бетону колонны, быстро разрушается, присоединение балки к колонне расстраивается. При действии знакопеременных и притом динамических нагрузок с течением времени наступает аварийное состояние.
 
Плохая регулировка ходовой части мостовых кранов, в результате которой могут иметь место перекосы, вызывающие увеличение горизонтальных сил, действующих на балки, также способствует вы- 3 ходу балок из строя. Для пред отвращения аварий необходимо строго соблюдать все требования, установленные СНиП на изготовление и монтаж сборных конструкций.
 
При детальном обследовании металлоконструкций склада заготовок прокатного цеха одного из металлургических заводов, выполненном ГПИ Проектстальконструкция в 1960 г., обнаружены многочисленные повреждения подкрановых балок. Прокатный цех вступил в строй в 1950 г. Склад заготовок пролетом 27 м перекрыт сварными стропильными фермами, опирающимися на стальные колонны. Все подкрановые балки клепаные, разрезные, пролетом 6; 12 ж и две — 24 м. Пролет оборудован кранами: двумя 15-г с жестким подьесом и двумя мостовыми—10 и 15,3-г с гибким подвесом. На отдельных участках количество проходов крана по подкрановым балкам достигает 350—400 тыс. раз в год.

На основании изложенных выше материалов можно обобщить основные повреждения подкрановых конструкций.

 

Основными причинами указанных разрушений были: неравномерная осадка колонн и динамические воздействия мостовых кранов с жестким подвесом, неудовлетворительные конструктивные решения ряда узлов, низкокачественное выполнение пристрожки вертикалов при изготовлении балок и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

До настоящего времени нет окончательного решения оптимальной конструкции не только крепления подкрановых балок, но и конструкции самой балки.

В качестве одной из мер предотвращения аварийных состояний и аварий подкрановых балок, особенно для кранов с тяжелым и весьма тяжелым режимом работы, А. И. Отрешко видит в коренном изменении формы балки. Такой формой являются двух-стенчатые замкнутые балки. Выгодность и целесообразность их применения будут возрастать с ростом интенсивности работы кранов и их грузоподъемности, а также с применением стали повышенной прочности.

В двухстенчатых балках исключается кручение верхнего пояса, изгиб стенки балки и местный изгиб тормозных конструкций и креплений к стойкам. На изгиб в обоих направлениях и кручение работает полным своим сечением вся двустенчатая балка. Кроме того, в этих балках можно почти полностью освободить верхнюю часть стенки и поясные швы от непосредственного давления колес крана.

Противоположного мнения о применении двустенчатых подкрановых балок придерживаются В. А. Балдин и Е. Е. Кочергова (ЦНИИСК). Исследуя пути повышения долговечности подкрановых балок по работам, выполненным в ЦНИИСК, установлено, что применение подкрановых балок с двумя стенками вряд ли целесообразно по следующим соображениям: при изгибе полки верхние поясные швы будут находиться в более тяжелых условиях, чем швы двутавровых балок; в полке двустенчатой балки могут появиться продольные трещины, как и в двутавровой; применение же подрельсового пути существенно не улучшит работу балки при циклических переменных нагрузках: в этом случае трудно избежать щели между полкой двутавра и поясом балки, которая при прохождении крана будет закрываться, а при отсутствии нагрузки — открываться; в результате продольные швы будут работать на знакопеременный изгиб, который приведет к их разрушению.
По-видимому, точка зрения ЦНИИСК наиболее близка к истине.