Практика строительства раполагает большим числом примеров аварий и обрушений конструкций, вызванных случайными явлениями, которые не могут быть предусмотрены заранее. Изучение последствий таких аварий позволяет выявить ряд конструктивных, монтажных и других дефектов (которые без аварии могли быть и не обнаружены) и изыскать пути дальнейшего развития и усовершенствования конструкций или отдельных узлов.

Особенно богата примерами аварий практика мостостроения, примеры из этой области весьма поучительны и для промышленных и гражданских сооружений. К авариям мостов  приводили такие непредвиденные случайности, как смазка стеарином опорных шарниров, способствовавшая соскальзыванию опор, смещение недостаточно хорошо закрепленного груза, перевозимого по мосту, подмывы быка и т. п.

Приведем примеры аварий более позднего периода из области промышленных сооружений.

В результате взрыва в воздухонагревателях гремучей смеси коксового газа с воздухом в 1959 г. в период окончания строительства новой доменной печи на Кузнецком металлургическом комбинате имело место одновременное разрушение двух воздухонагревателей [12]. Авария произошла при их испытании на плотность сжатым воздухом при температуре наружного воздуха —17° С. Конструкции воздухонагревателей были изготовлены из малоуглеродистой спокойной стали марки МСт. Толщина листов 14—24 мм. Монтаж осуществлялся укрупненными блоками. Качество швов при монтаже проверялось радиографированием.

При испытании воздухонагревателей вначале давление сжатого воздуха, подаваемого от паровоздушной станции, было доведено до 2,2 ати, затем снижено до 0,7. При повышении давления до 2,3—2,5 ати произошло последовательное разрушение с интервалом в несколько секунд двух воздухонагревателей, трубопроводов холодного и горячего дутья и кирпичной дымовой трубы. Кроме того, воздушной волной были разрушены здания воздухонагревателей и находившийся против потерпевшего аварию воздухонагревателя монтажный башенный кран грузоподъемностью 25 т. По,сле разрушения оба воздухонагревателя представляли собой бесформенную массу разорванного металла и выброшенной шамотной кладки. Было установлено, что разрывы кожухов возникли по вертикали—поперек   наибольших кольцевых напряжении.

Трещины видны по основному металлу и лишь в отдельных случаях — по сварным швам. Они имели хрупкий характер с явно выраженным на поверхности излома «шевронным» узором, что указывало на мгновенное ударное действие усилия разрушения.

Поверочные расчеты конструкции и результаты испытаний образцов, вырезанных из различных ест обломков разрушенных конструкций как цилиндрической части, так и купола воздухонагревателей, показали, что конструкции при нормальных условиях эксплуатации не могли быть разрушены под действием нагрузок. Материал оказался вполне доброкачественным: сталь марки МСт. 3 спокойная, содержание углерода 0,15—0,22%. Порог хладноломкости в результате испытания на ударную вязкость при /=+20, —20 и—40°С оказался: для листов толщиной 14 мм — от —30 до —40° С, а для листа с 6 = 24 мм, употребленного для нижней цилиндрической части обечайки высотой 2350 мм и выполненной из стали Ст. 3 кипящей, он выше —20° С.

Основные кольцевые напряжения в цилиндрической части резервуаров даже с учетом температурных деформаций внутри кладки и кожуха к моменту разрушения не могли превысить 870 кГ/см2 (при допускаемом напряжении 1800 кГ/см2). Тщательные всесторонние исследования подтвердили, что к моменту испытания не было никаких условий для хрупкого разрушения воздухонагревателей от статической нагрузки. В чем же причина аварии? Воздухонагреватели за две недели до разрушения сушили коксовым газом. Три временных трубопровода для газа проходили вблизи воздухонагревателей и, как оказалось, имела место утечка газа. Последний проникал в воздухонагреватели и скапливался под их куполами, так как он значительно легче воздуха.

Для образования гремучей смеси необходимое количество коксового газа невелико—по объему немногим более 5%. Такое количество газа размещается под куполом слоем всего 1,5 м. При первой подаче сжатого воздуха в процессе испытания воздухонагревателей перемешивания смеси не произошло. При последующем снижении и повышении давления до аварийной величины искра, вызванная блуждающими токами электричества (при наличии на площадке большого числа сварочных трансформаторов и электродвигателей строительно-монтажных механизмов), явилась источником взрыва. Эта авария учит тому, что перед испытаниями все замкнутые сосуды и трубопроводы должны быть тщательно провентилированы, а из резервуаров взяты контрольные пробы воздуха. К конструкциям, работающим на высоком давлении, не следует приваривать никаких вспомогательных деталей особенно поперечными швами по отношению к направлению наиболее высоких рабочих напряжений.

 

 

 

 

 

 

Продолжение

 

Для изучения степени аварийности тех или иных конструкций или сооружений значительную услугу могут оказать материалы по авариям и разрушениям металлоконструкций, накопленные во время Великой Отечественной войны: акты экспертиз, паспорта и т. п. Аварии жилых и коммунальных зданий, вызванные военными действиями, достаточно хорошо изучены и систематизированы. Аварии металлических конструкций, насколько известно автору, специально не изучались.

В сооружениях, подверженных действию больших динамических нагрузок, а также деформаций оснований, шарнирные поперечные схемы сооружений разрушаются реже, чем рамные.

Применяющиеся типы каркасов промышленных зданий полностью себя оправдывают. Где бы взрыв ни произошел, никаких новых внутренних усилий в элементах несущего каркаса здания по сравнению с учитываемыми при проектировании (на нагрузку нормальную эксплуатационную, а не взрывную) он не возбуждает. В условиях взрывной волны требуется только некоторый пересмотр схемы расположения связей. Лучше всех ведут себя каркасы, у которых горизонтальные связи по нижнему поясу расположены по периметру и в середине здания, а не только по длинным сторонам сооружения и в его середине. Одна система поперечных связей в середине сооружения не гарантирует жесткости сооружения в плане. Хорошо работают при всяких условиях нагрузки и автоматически приспосабливаются к изменениям направления сил и перераспределениям возникающих   усилий   только крестовые (диагональные) связи. Расположение вертикальных связей, идущих непрерывно вдоль здания, более выгодно в тех случаях, если происходит авария одной или нескольких колонн. В этом случае конец стропильной фермы, поддерживаемый колонной, будет работать как консоль, опираясь на непрерывную вертикальную связевую ферму (прогон) в плоскости конька. Такие связи удерживают от обрушения стропильные фермы цеха, где уничтожается взрывом одна из опор стропильной фермы. Имели место случаи, когда стропильные фермы пролетом до 26 м не обрушивались при подрыве колонн с одной стороны вследствие наличия продольного фонаря в коньке. Фонарь удерживал стропильные фермы, лишившиеся опор с одной стороны, несмотря на то что непрерывно идущих вдоль здания связей он не имел.

Наблюдались интересные случаи: фермы не только не обрушивались в силу жесткости узлов (в расчете принимаемых шарнирными), но даже не деформировались, несмотря на то что по одному и даже по два элемента основной решетки (стойки и раскосы) оказывались разорванными.

Деформации основания, вызвавшие изменение положения фундаментов, почти одинаково отражаются как на сплошных, так и на сквозных конструкциях ригилей и колонн. Такие деформации сказываются прежде всего на соединениях этих элементов друг с другом.

Аварии металлических каркасных промышленных зданий, как правило, носят местный характер, и их восстановление, сводящееся к замене разрушенных или деформированных элементов и усилению конструкций, особых трудностей не представляет.

Не всегда, к сожалению, удается установить истинную причину аварии, часто можно высказать только ряд предположений. От совокупности четырех причин, которые нельзя было предвидеть как в проекте, так и при выполнении работ, в конце декабря 1960 г. произошла авария металлических конструкций покрытия здания фасонно-сталелитейного цеха на Ижорском заводе. Комиссия, расследовавшая причины аварии *, высказала указанные ниже четыре возможные причины, но заявила, что точно установить причины аварии не представляется возможным.

 

Более редки, но все же имеют место случаи аварий конструкций после выполнения их усиления. Обычно здесь повинно неправильное производство работ по усилению конструкций (порядок работ, режим сварки, и т. п.). Существенную роль играет также тщательность предварительного (перед усилением) обследования конструкций. Обрушение покрытия чугуно-, бронзолитейного цеха на одном из заводов в Ленинграде, построенного в 80-х годах XIX в., произошло в 1954 г. после усиления стропильных ферм. Последние пролетом 25,32 м опирались на металлические стойки из двух швеллеров (рис. 60). Пояса ферм из двух уголков были усилены полосами. Проект усиления покрытия был составлен без тщательного обследования конструкций: их фактическое состояние было недостаточно полно выявлено. Обмерные чертежи носили чисто эскизный характер, истинные сечения элементов не везде соответствовали принятым в расчете.

Фермы в процессе эксплуатации, очевидно, изменили свою конструктивно-расчетную схему, так как их опирание на стойку фактически перестало быть шарнирным. Существенное значение на величину усилий в элементах фермы дал эксцентриситет приложения опорной реакции. Произошла постепенная «сдача» сильно поврежденных коррозией и работающих далеко неполным сечением стоек, на которые опирались фермы. В итоге изгибающий момент в опорном узле перераспределился между отдельными стержнями.

Фермы были усилены в напряженном состоянии. Напряжения же в расчете были подсчитаны в предположении, что все сечение (старое и усилитель) воспринимает нагрузку равномерно. Перераспределение напряжений между старым и новым сечениями, как известно, действительно имеет место, но только после наступления текучести в обоих сечениях, чего не было в рассматриваемом примере. Неправильно был принят в расчете и равномерный износ (20%) для всех стержней фермы.

К непредвиденным причинам, вызывающим аварии металлических конструкций, следует отнести и сейсмические воздействия.