Аварийное состояние конструкций и собственно аварии, как видно из всего изложенного ранее, могут возникнуть на любом этапе существования конструкций; потенциально они могут содержаться уже в процессе проектирования и, вместе с тем, могут появиться после многолетней эксплуатации сооружений, а также после того, как конструкции были реконструированы. Можно указать ряд направлений, в которых должна работать техническая мысль проектировщика, монтажника и эксплуатационника, чтобы предотвратить повреждения инженерных металлических .конструкций.

Многолетнее изучение и анализ причин, вызвавших аварии и крушения, — свыше 100 примеров, которые с той или иной степенью подробности рассмотрены в настоящей работе, — позволяют придти к выводу, что подавляющее число аварий могло быть предотвращено, если бы своевременно было сделано освидетельствование конструкций и выполнены работы по их усилению. Совершенно естественно, что причинами некоторых из аварий были и несовершенство технических знаний в тот период, когда эти конструкции возводились и эксплуатировались.

Усиление и сопутствующее ему регулирование напряжений в элементах конструкций являются эффективными средствами продления срока нормальной эксплуатации конструкций, предот¬вращения аварий, повышения несущей способности конструкций при изменившихся условиях работы. Искусственным путем при помощи приемов регулирования напряжений можно в огромном большинстве случаев добиться необходимой «настр-ойки» конструк¬ции под наперед заданную нагрузку. Усиление и регулирование напряжений может быть выполнено в принципе на любой стадии существования конструкций.

Усиление осуществляется следующими основными способами:

увеличение жесткости всего сооружения (или его отдельных элементов);
видоизменение эпюры напряжений (внутренних усилий по сечению) ;
видоизменение эпюры изгибающих моментов;
разгрузка конструкций (элементов);
изменение эпюры продольных (реже поперечных) сил;
достижение особых (специальных) конструктивных требований.
Основные способы, которыми достигается регулирование напряжений:
постановка связей пространственной жесткости, диафрагм, распорок, шайб;
постановка предварительно напряженных тяжей, оттяжек, применение особого порядка загружения конструкций;
изготовление конструкций под нагрузкой, завальцовка предварительно напряженной проволоки, предварительные изгиб, растяжение, скручивание;
применение комплексных (объединенных) конструкций;
перемещение нагрузки на конструкции, изменение условий закрепления опор;
пригрузка консолей в консольных балочно-рамных системах;
перемещение опор в неразрезных конструкциях;
введение предварительно напряженных элементов в конструкции, введение шпренгеля;
уменьшение нагрузки, изменение режима эксплуатации конструкций;
введение дополнительных элементов в конструкцию, подведение между существующими новых конструкций;
уменьшение вибраций, повышение усталостной прочности;
ряд специальных способов, вызванных специфическими требованиями к конструкциям.

Наличие расчета подлежащих усилению конструкций, каким бы методом он не был выполнен, является уже достаточным основа¬нием для проектирования усиления и регулирования напряжений. «Игра сил» на какой-то момент и под какую-то определенную нагрузку уже сделана и можно от чего-то отталкиваться. При наличии расчета конструкций  технические   расчеты  по усилению и регулированию напряжений практически несложны и могут быть выполнены в любой проектной организации.

Результаты тщательного обследования усиливаемых конструкций и испытание их пробной нагрузкой или другими способами дадут основание для установления и назначения конкретно для данного случая коэффициентов перегрузки и условий работы, необходимых для расчета конструкций по методу предельных состояний.

Нормальный срок службы стальных конструкций (имеются в виду не какие-нибудь уникальные сооружения типа телевизионных башен большой высоты и т. п., а обычных производственных и гражданских зданий) считается не менее 50—70 лет, а крановых мостов — не менее 40 лет. По истечении этого срока конструкции претерпевают «моральный износ». Увеличиваются мощности кранов, возникает необходимость в реконструкции сооружений, вызываемой изменением технологического процесса. Во всех этих случаях единственно возможными путями сохранения конструкций и приспособления их к новым условиям работы являются усиление и регулирование напряжений.

Усиление и регулирование напряжений в конструкциях с большим успехом может быть также применено как средство предотвращения и ликвидации аварий и различных дефектов, допущенных в конструкциях. Так, дефекты, допущенные при проектировании и изготовлении конструкций, привели к тому, что после окончания строительства подкрановой эстакады лесного порта Братского лесопромышленного комплекса конструкцию подкрановой эстакады длиной 216 м пришлось усиливать. Это потребовало демонтажа всех ригелей Т-образной рамы, изменения схемы концевой части эстакады, изготовления новых консольных балок из низколегированной стали, замены решетчатых тормозных ферм сплошными листами и ряд других работ. На исправление допущенных дефектов потребовалось около 600 т стали (40% от веса всех металлоконструкций), а сметная стоимость усиления конструкций достигла 250 тыс. руб.

 

В этом примере одна из основных причин брака, следствием которого возникла необходимость усиления конструкций, заключалась в выполнении проекта неспециализированными проектными организациями.

Как правило, работы по ремонту, усилению, переустройству сооружений должны производиться не только без демонтажа и остановки производственного процесса, но и без ограничения эксплуатации конструкций. Усиление в этих случаях выполняется в конструкциях, находящихся в напряженном состоянии или лишь частично разгруженных. Конструкции могут иметь местные пореждения, погнутости, вмятины и т. п.

При усилении конструкций вообще, а поврежденных и находящихся в аварийном состоянии в особенности, необходимо принимать ряд мер, обеспечивающих безопасность работ по усилению и предотвращению распространения аварии на соседние конструкции. Эти меры в основном сводятся к постановке дополнительных раскреплений (на время работ по усилению или постоянных). Вводятся дополнительные связи, которые обеспечивали бы неизменяемость системы стальных конструкций при их частичном освобождении от существовавших ранее связей. Если общая жесткость и неизменяемость положения несущих конструкций обеспечиваются только за счет надежной связи их с железобетонными плитами, местное расстройство этой связи, равно как и местное разрушение покрытия, может привести к распространению аварии на весь температурный блок сооружения. При освобождении ферм, рам, арок  т. п. плоских конструкций от связей защемления нужно предусатривать меры предосторожности против возникновения мгновенно приложенных сил.

При усилении конструкций необходимо учитывать реальные условия, в которых выполняется усиление, и на всех стадиях производства работ предусматривать меры, обеспечивающие прочность, жесткость и устойчивость конструкций.

Дополнительные связи, вводимые в общую схему покрытия, должны обеспечивать неизменяемость стальных конструкций вне зависимости от их соединения с железобетонными плитами. В узлах верхних поясов ферм у опорных панелей для предупреждения возможных смещений из плоскости фермы при освобождении узлов от защемлений необходимо предусматривать постановку распорок.

Случаи аварий при выполнении усиления конструкций крайне редки, если приняты все меры предосторожности при выполнении работ. Особенно важно обеспечить устойчивость сжатых поясов при частичном демонтаже усиливаемых конструкций. Оригинальный прием обеспечения устойчивости верхних поясов ферм при монтаже новых конструкций, идея которого с успехом может быть использована и при усилении поврежденных и аварийных конструкций, применяется Спецстальконструкцией (проект производства работ разработан Промстальконструкцией). Как известно, особенно сложной задачей является обеспечение устойчивости первой установленной фермы, если не предусмотрена блочная установка первых двух ферм. Обычно для этой цели применяется ее расчали-вание; расчалки же мешают установке следующих ферм. Усиление верхнего пояса на период монтажа утяжеляет поднимаемые фермы, а оставление верхнего пояса нерасклепанным даже на самый короткий срок может привести к потере его устойчивости и аварии фермы. Спецстальконструкция применяет разгрузку верхнего пояса при помощи специальной мачты, установленной у конька первой фермы. Полиспаст этой фермы поддерживает верхний коньковый узел фермы.

Применяется регулирование усилий в стержнях фермы. Расчетом определяется то усилие, которое необходимо передать на вспомогательную мачту, чтобы обеспечить устойчивость фермы (это усилие равно примерно половине веса фермы). Высота мачты выбирается такой, чтобы вторая установленная ферма не касалась расчалок мачты. Кроме величины угла наклона расчалки к горизонту, необходимо учитывать также величину провеса расчалок*. Натяжение полиспаста производится после закрепления фермы на колоннах, до ослабления натяжения стропов монтажных кранов. При натяжении полиспаста мачты, закрепленного за коньковый узел фермы, стропы, идущие от фермы к грузовому полиспасту одного из двух кранов, ослабляются. Вторую установленную ферму жесткими распорками раскрепляют за первую. Отстроповку ее от кранов делают после установки жестких распорок. Связи между первой и второй фермами устанавливают начиная с середины ферм к их краям, после чего полиспаст мачты освобождается и мачту демонтируют.

 

 

 

 

 

Регулирование напряжений

 

 

При усилении поврежденных конструкций с большим успехом может быть применено регулирование напряжений. Сущность его, как известно, сводится к искусственному перераспределению в конструкциях или их элементах усилий (напряжений) в нужную сторону. Усиление — есть один из частных случаев регулирования напряжений. Метод предварительного напряжения при регулировании напряжений основан на создании в конструкциях искусственных усилий, обратных по знаку тем усилиям, которые возникают при нормальной эксплуатации конструкций.

Предварительное напряжение находит широкое применение и при усилении конструкций. Так, например, при реконструкции старого корпуса Донецкого завода металлоконструкций Днепропетровским филиалом Проектстальконструкции усиление ферм произведено при помощи приварки к крайним узлам их нижнего пояса затяжки круглого сечения 0 = 30 мм, которая затем была натянута фаркопфами силой около 5 т. Благодаря этому усилие в нижнем поясе уменьшилось до 20 т.

Включением в работу затяжки из высокопрочных тросов в ГДР были усилены главные балки мостов пролетами 14 и 15,9л; несущая способность балок была увеличена на 30—50%, работы по усилению были выполнены без прекращения эксплуатации мостов и с наименьшими затратами по сравнению с другими способами усиления. Одним из недостатков применения при усилении тросов является потеря напряжений в них, которая происходит в основном за счет обмятия анкеров и упорных узлов. Правда, экспериментами установлено, что при длительных испытаниях потери напряжений не увеличиваются.

Новым в области усиления конструкций за последние годы является более смелое применение конструкций, усиливаемых под нагрузкой, и усиление сварных швов в напряженном состоянии. Успешно разрабатываются вопросы расчета элементов конструкций, усиленных под нагрузкой.

Достаточно большое число исследований и практических примеров усилений, выполненных за последнее время (работы Н. Н. Рыкалина, исследования ЦНИИ Проектстальконструкция), позволяет сделать вывод о том, что при хорошо разработанном процессе технологии сварки и выполнении работ квалифицированными сварщиками наплавка на существующие швы дополнительного металла вполне допустима.

В основе технологии усиления сварных швов в напряженном состоянии должен лежать принцип последовательности временного снижения прочности конструкций в зоне сварки при усилении от менее нагруженных узлов и элементов к более нагруженным.

Расчет усиления сварных швов под нагрузкой делается в предположении, что участки шва, имеющие температуру 550° С и. выше, выключаются из работы, так как такие швы не могут воспринимать нагрузку. В основу расчета берут уравнение предельного состояния процесса распространения тепла при нагреве элемента подвижным точечным источником и по уравнению находят длину участка швов, имеющих температуру 550° С и выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проект производства работ по усилению должен устанавливать технологическую последовательность усиления отдельных узлов конструкции, последовательность наложения швов в каждом узле, режимы сварки, организацию производства работ, материалы, применяемые для сварки и т. п. При усилении в каждом узле сначала наплавляют швы менее нагруженных элементов, а затем более нагруженных; в уголковых элементах швы сначала накладываются по перу, а затем по обушку. При такой последовательности наложения усиливающих швов временное ослабление в результате разогрева металла более нагруженных узлов и участков компенсируется работой менее усиленных напряженных швов, способных нести кратковременную перегрузку.

В напряженном состоянии были усилены фермы пролетом 36 м, сквозь которые проходила транспортная галерея склада руды и концентрата аглофабрики завода им. Ильича в г. Жданове. В аварийном блоке величина катета большинства наложенных швов в натуре оказалась на 3—5 мм меньше проектной; неполноценными были и сварные швы в узлах многих ранее смонтированных ферм. К моменту усиления нагрузка на швы составляла 30— 40% от расчетной.

Конструктивное решение ферм было необычным. В центральной части была встроена жесткая четырехугольная рама галереи. Раскосы в надстройке отсутствовали. К моменту обрушения блока из двух ферм, соединенных между собой связями и прогонами, восемь укрупненных монтажных блоков уже было смонтировано. Одной из основных причин аварии была неполномерность заводских сварных швов. Поэтому было принято решение об их усилении, которое производилось в определенном порядке.  В первую очередь усиливались менее нагруженные узлы фермы, в узле—менее нагруженные стрежни, а в стержне — менее нагруженные швы. После усиления швов по одну сторону косынки в той же последовательности усиливались узлы и стрежни по другую сторону косынки.

Чтобы достичь максимального практически возможного разогрева деталей фермы, применялись электроды малых диаметров (4 мм), и наложение последующих швов делалось после остывания предыдущего шва до температуры 100° С. Сварка производилась только в одном узле, одновременное усиление в одном узле двух швов запрещалось. Электроды применялись типа Э-42А, усиение производилось на переменном токе силой 140—160 а. Работы велись в условиях положительных температур. Из 14 дней только в течение одного дня они выполнялись при температуре окружающего воздуха до —5° С.

При исследовании аварий и повреждений следует учитывать специфические особенности вантовых и предварительно напряженных конструкций. Применяемые в настоящее время предварительно напряженные металлические конструкции могут быть разделены на три группы:

предварительно напряженные высокопрочными затяжками из тросов, расположенными вдоль нижнего пояса ферм;

Из тросовых конструкций последнего времени, где успешно применено регулирование усилий, следует указать проект моста через р. Дунай в Братиславе. В проекте был использован метод регулирования усилий в вантах. В балке жесткости коробчатого сечения, поддерживаемой тремя системами вант, изгибающие моменты отрегулированы благодаря принятой определенной оследовательности монтажа. Мост имеет общую длину 423 м, высота наклонного пилона более 85 м. Следует отметить, что в Чехословакии применяется новая сталь марки 10600: высокопрочная проволока и горячекатаные круглые прутки. Сталь низко-лигированная: стПч = 90 кГ/мм2, сгт = 60 кГ/мм2, 6 = 8%. Путем наклепа сгт повышается на 35%.

Применение вант и вантовых конструкций при определенных условиях их работы, например в конструкциях и сооружениях с вибрационной нагрузкой, требует проверки вант на резонанс. Обрушение вантовой конструкции одного из зарубежных аэропортов произошло от разрыва вант, поддерживавших конструкцию. Разрыв был вызван резонансом, который появился в конструкциях тросов вследствие совпадения числа их собственных колебаний с числом колебаний, создаваемых моторами самолетов при подъеме последних со стартовой площадки.

Регулирование напряжений в новых конструкциях дает возможность уменьшить сечения элементов и экономить расход стали.

При усилении существующих и тем более поврежденных и аварийных конструкций, в них также выгодно перераспределять усилия в нужную для улучшения работы конструкции сторону и тем самым добиваться экономического эффекта, заключающегося в том, чтобы дорогостоящую и претерпевшую моральный износконструкцию вместо замены новой средствами усиления и регулирования напряжений заставить работать дальше и в ряде случаев под повышенную нагрузку.

опросы усиления и регулирования являются самостоятельными разделами большой проблемы — проблемы повышения прочности и долговечности металлических конструкций.

При рассмотрении различных путей и средств предотвращения аварий нельзя не остановиться (пока еще только в гюрядке по

становки вопроса) на экспериментальном пути изучения аварий. Здесь имеется в виду имитирование аварий на моделях, устройство экспериментальных катастроф, продувка моделей в аэродинамической трубе и др. Эти методы изучения аварий, по-видимому,, в первом приближении, будут аналогичны обычным опытным методам исследования действительной работы конструкций и сооружений, но с доведением модели конструкции до катастрофы.

Для получения исчерпывающих сведений о действительной работе конструкции (сооружения) необходимо подвергнуть тщательному анализу и изучению аварии этих конструкций. Бесспорно, что лучшего эксперимента, чем сама авария, не придумать и не поставить. При аварии выявляются неучтенные никаким расчетом условия фактической работы конструкции или ее отдельных эле¬ментов в общем комплексе сооружения, выявляются и допущенные ошибки, которые были сделаны на протяжении всей биографии конструкции от момента ее проектирования до аварии. Вместе-с тем имитирование аварий на моделях может принести существенную пользу при изучении аварийности и надежности отдельных конструкций, их элементов, отдельных узлов.

В настоящее время моделирование применяется при разработке или уточнении методов расчета на прочность и устойчивость, при проверке правильности результатов статического расчета, а в отдельных случаях — при замене аналитического расчета экспериментальным, при невозможности сделать аналитический расчет, при различных изысканиях, связанных с выбором наиболее рационального конструктивного решения. Оно может быть использовано-не только для проверки расчета, но и для выявления причин разрушения конструкций (подкрановые конструкции, радиомачтьг и др.). Для опор линий электропередач (ЛЭП) установлен порядок обязательного испытания натурных конструкций новых систем-с доведением конструкции до разрушения. Моделирование применяется в самой начальной стадии создания проекта и дает возможность выявить напряженное и деформированное состояние конструкций. Насколько нам известно, примеров моделирования аварий других гражданских и промышленных сооружений и ими¬тации аварий на моделях нет.

Для моделирования новых проектируемых конструкций применяют различные материалы, чаще сталь и алюминиевые сплавы. Последние имеют преимущества перед сталью в том отношении, что алюминий, обладая "большими деформационными свойствами. При относительно небольших нагрузках можно получить большие деформации. Хорошим материалом для моделей является также латунь, которая легко подвергается обработке. Модуль упругости латуни вдвое меньше, чем у стали, — это дает возможность уменьшать величины нагрузок по сравнению со стальными моделями. В исследовательской практике для моделей часто применяется органическое стекло.

В практике механической лаборатории ЛИСИ еще в 40-х годах под руководством проф. Н. Н. Аистова проводилось изучение на моделях работы таких конструкций, как башенные и сводчатые тержневые системы, купол Шведлера, каркас жесткого дирижабля, гибкий бункер, жесткие пространственные рамы и др. В настоящее время уже редкое исследование по конструкциям не имеет экспериментальной части, выполненной на моделях тех или иных конструкций, включая исследования на моделях из оптически активных материалов, проводимые оптическим методом. В практику испытаний вошли модели из оптически активных материалов на желатинно-глицериновой основе, например, извальц-массы и др.

Замена конструкции ее моделью имеет свою специфику. Например, если нагрузка не зависит от объемного веса материала конструкций (это имеет место при испытании бетонных столбов, вызывающих в основании напряжения от собственного веса), то для получения одинаковых напряжений в конструкции и в модели, уменьшенной по сравнению с конструкцией в п раз, нагрузка должна быть соответствующим образом уменьшена.

Пример. Если однопролетная балка, нагруженная по середине пролета силой Р, заменяется моделью, то сосредоточенная сила для модели должна быть уменьшена в 5 раз.

Если нагрузка зависит от объемного веса, то для искусствен¬ного увеличения объемных сил при испытании моделей применяют центрифугирование. Сущность его заключается в искусственном возбуждении центробежных сил, которое достигается следующим образом. Модель помещается в каретку, которая имеет возможность под действием центробежных сил поворачиваться. Центрифуга с кареткой и моделью при помощи мотора приводится во вращение. Каретка поворачивается, и на модель начинает действовать объемная сила.
 
Скорость вращения центрифуги подбирается так, чтобы сила отвечала величине, необходимой для данной модели.
Основная сложность применения моделирования к изучению аварий заключается в том, что в большинстве случаев авариям предшествует достаточно длительный срок эксплуатации конструкций; повреждения накапливаются в течение определенного промежутка времени. Не учитывать влияние фактора времени на прочность металла, соединений элементов, узлов и т. п. нельзя. Материал модели, ее узловые сопряжения будут иными. Сложность возникает и при изучении аварий, вызванных усталостью металла. При моделировании конструкций, работающих в условиях знакопеременных напряжений, нельзя не считаться с так называемыми масштабным фактором.

Область рационального применения моделирования при изучеии аварий стальных конструкций очерчивается следующими границами. Если произошло обрушение конструкций (сооружения), то высказывается ряд причин, вызвавших аварию. Если установить действительные причины не представляется возможным, в этом случае выполнение модели обрушившихся конструкций и имитирование аварии на модели поможет восстановить ряд моментов, ускользнувших при обследовании аварии.

Наиболее доступно, пожалуй, изучение и анализ на моделях аварий и их имитация в стержневых системах и листовых конструкциях, при авариях, происшедших в результате потери устойчивости, действия различных агрессивных сред, особенно в предприятиях химической промышленности, а также в металлических клеёных конструкциях, вантовых и комбинированных конструкциях, выполненных из различных материалов.