Основные причины аварий металлических конструкций

Металлические конструкции находятся в несколько худшем положении, чем инженерные конструкции, выполненные из других материалов. Высокие расчетные сопротивления и обусловленные ими легкость и ажурность металлических конструкций могут привести к тому, что недостаточное сопротивление только одного конструктивного элемента (затяжки в арках и рамах, ванты в вантовых конструкциях) вызывает аварию всей конструкции. В строительной практике известны такие примеры, когда причиной аварии каменных, бетонных, деревянных и других конструкций были дефекты металлических элементов, входящих в общий конструктивный комплекс.

При исследовании аварий конструкций, их отдельных элементов или целых сооружений всегда имеет место стечение ряда неблагоприятных факторов. Иногда бывает трудно правильно установить причину аварий и отделить ее от следствия, а это играет важную роль не только для расследования причин катастрофы, но и для их профилактики в будущем. Так, например, потеря устойчивости конструкции в ряде случаев могла бы и не иметь места, если бы не было перегрузки, а последняя явилась следствием нелепой случайности и т. п. Без преувеличения можно сказать, что почти при каждом случае аварии наблюдается потеря устойчивости отдельными элементами конструкции, не говоря уже о том, что одной из самых распространенных причин аварий является потеря устойчивости всей конструкции или сооружения в целом. Недостатки, допущенные при проектировании, взаимодействуют с ошибками при монтаже, неправильной эксплуатацией, и все это обычно приводит к аварии. Гораздо реже аварию обусловливает какой-то единственный недостаток или единственная ошибка. Современные методы проектирования и расчета обеспечивают, как правило, достаточные запасы прочности в конструкциях и их отдельных элементах.

Основные причины аварий: перегрузка, потеря устойчивости, хрупкое разрушение конструкций, ошибки при проектировании.

Анализ большого числа аварий и аварийных состояний конструкций позволяет придти к выводу, что большинство их происходит в результате снеговой перегрузки, на которую при эксплуатации сооружений не обращают должного внимания. Это и понятно: если, например, увеличивается крановая нагрузка, делается какая-либо реконструкция сооружения, сразу же возникает вопрос о перерасчете конструкций, их усилении и пр.

Принятые же в свое время к эксплуатации сооружения, зачастую выполненные по типовым проектам, рассчитанные на усредненные, а не на реальные для каждого конкретного объекта нагрузки, продолжают эксплуатировать, не обращая внимания на несоответствие между проектными и реальными нагрузками.

При изучении и расследовании причин аварий конструкций зданий и сооружений ряда производственных цехов цементных заводов установлено, что обрушение кровельных покрытий обусловлено в основном значительной перегрузкой конструкций, большим скоплением сцементированной технической пыли на кровле и, как исключение, другими причинами.

За редким исключением, нет почти ни одной аварии, ни одного крушения, в которых не имела бы места потеря устойчивости отдельными элементами или всей конструкцией. Потеря устойчивости может быть общая или местная. Опасность аварии от потери устойчивости особенно велика потому, что потеря устойчивости может наступить внезапно. Например, при достижении в элементе конструкции сжимающей силой своего критического значения достаточно дать малейший толчок в поперечном к продольной оси направлении, чтобы стержень потерял устойчивость. Из всех инженерных конструкций металлические наиболее подвержены потере устойчивости, так как они выполняются из сравнительно тонких и длинных стержней.

Потеря общей или местной устойчивости сжатыми элементами очень часто происходит из-за:

• — отсутствия надлежащей развязки сжатых поясов, как при монтаже, так и в период эксплуатации;
• — несвоевременной постановки постоянных и временных связей жесткости;
• — при наличии в конструкции случайно изогнутых стержней.

Например, при использовании верхнего пояса ферм для подъема грузов или же при применении в стержневых конструкциях уголковых профилей малых размеров, которые при транспортировке и монтаже получают искривления, вмятины и ряд других дефектов. Нередки случаи потери устойчивости в стержневых системах фермы, арки, рамы вследствие недоучета знакопеременности усилий. В таких случаях стержни должны быть проверены дважды — на растяжение и на сжатие с продольным изгибом. Последнее, если даже оно мало по сравнению с растягивающим усилием, вызывает продольный изгиб стержня, который может привести к выходу из строя сначала одного стержня, перераспределению усилий в остальных и, в конечном итоге, к аварии.

Известно огромное число аварий, вызванных отсутствием, недостаточным количеством, неправильной или несвоевременной расстановкой связей пространственной жесткости. Сказанное относится почти ко всем плоским и пространственным конструкциям. Плоские конструкции — фермы, арки, рамы с неправильно сконструированными связями — плохо сопротивляются изгибу из плоскости конструкций. Небольшая перегрузка или дефекты монтажа могут вызвать обрушение. Все это часто приводит к катастрофам.

После аварий, вызванных потерей устойчивости, аварии в результате хрупкого разрушения занимают, пожалуй, первое место. Этот вид разрушений, следуя нашей классификации, логично отнести к авариям, основными причинами которых являются неудачные проектные решения или отступления от проекта. Последнее имеет место в тех случаях, когда проектная марка стали без соответствующего на то обоснования заменяется другой.

Хрупкое разрушение стали может иметь место:

• — при работе конструкций в условиях низких температур (наиболее часто встречающееся разрушение);
• — в случае применения материалов, подверженных хрупкому разрушению; при этом аварии могут иметь место и при нормальных температурах;
• — под влиянием различных дефектов в основном металле и сварных швах;
• — при определенных условиях напряженного состояния материала;
• — при действии на конструкцию ударных и других видов динамических нагрузок.

Авторы проектов простых и сложных металлоконструкций должны совершенно четко до мельчайших подробностей представлять себе процесс сборки и монтажа конструкций, избегать асимметрии и эксцентриситетов в конструкциях, чтобы при монтаже сжатые стержни не получали свободную длину больше той, которая будет в условиях нормальной эксплуатации.

Небольшое упущение, допущенное при проектировании монтажа, может привести к аварии при его выполнении.

Неправильное ведение монтажа конструкций и оборудования, нетщательно продуманные места строповки конструкций часто приводят к авариям. Особенно опасна строповка за элементы несущих конструкций вне узлов. Наиболее часты аварии при монтаже из-за несвоевременной постановки связей, обеспечивающих пространственную жесткость плоских конструкций, недостаточного закрепления связей (только их «прихватка»), несвоевременной постановки монтажных болтов, распорок и т. п.

При монтаже плоских конструкций (фермы, рамы) особое внимание следует обращать на расчалку первой фермы. Работа эта весьма ответственна и требует тщательного исполнения, так как при неправильном ее выполнении ферма может опрокинуться и упасть с опор. Поднятая первая ферма представляет собой плоскую неустойчивую систему, которая самостоятельно не может находиться в равновесии. Ферма должна быть хорошо расчалена. Затем необходимо тщательно выверить, нет ли выпучивания отдельных участков ферм вследствие возможного неравномерного натяжения расчалок. Только после этого приступают к установке второй и последующих ферм. Установленную вторую ферму надо сразу закрепить с первой, чтобы образовать пространственный блок. Последующие фермы также схватываются связями, распорками, сборными плитами с прежде установленными фермами. Целесообразно вначале поднимать спаренные фермы связевого блока. Категорически должно быть запрещено временное соединение между собой конструкций при их монтаже с помощью канатов и дощатых расшивок. Связи сразу должны ставиться постоянные. Еще раз подчеркиваем, что правильная и своевременная расстановка связей играет большую роль в предотвращении аварий.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

• 1. Область применения металлических конструкций.
• 2. Перечислите основные особенности металлических конструкций
• 3. Достоинства и недостатки металлических конструкций.
• 4. Назовите основные этапы проектирования металлических конструкций.
• 5. Причины аварий металлических конструкций.