Анализ причин разрушения металлической рамы при аварии возводимого складского здания

Abstract

Modified soil is widely used to strengthen the foundation footings, in the construction of roads and railways, as well as for the production of bricks and pavement tiles. In our research we modified soil with cement. One of the most important physical and mechanical properties of soil-cement composite (SCC) is the compressive strength. We carried out a study of SCC strength depending on its curing conditions and percentage of cement. For our study we used loam soil with the plasticity index of Ip = 12.3, Portland cement M500, ground limestone with the specific surface of 4500 cm2/g, superplasticizer C-3 and water for mixing.

Curing of samples was carried out in air-humid condition in wet sawdust and also with the thermal-humid treatment in a steam chamber. It is experimentally established that the strength of SCC depends not only on the ratio of clay aggregate and mineral binder, but also on the temperature and humidity conditions of curing. Additives of ground limestone and superplasticizer contribute to increase the compressive strength of SCC. A mathematical model for determining the compressive strength of SCC depending on the percentage of cement and the curing period is developed. This proposed mathematical model is advisable to apply for assessment of the compressive strength of SCC massive layer after the urgent repair of under-road pipelines.

УДК 624.9

АНАЛИЗ ПРИЧИН РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМЫ ПРИ АВАРИИ ВОЗВОДИМОГО СКЛАДСКОГО ЗДАНИЯ

А.Н. Малахова*, Д.В. Морозова**

* Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет ** Московский политехнический университет

Аннотация Ключевые слова:

В статье представлен анализ причин разрушения металлической рамы авария, металлическая рама, про-

при аварии возводимого складского здания. Приведены фотографии странственный каркас, металличе-

последствий аварии — обрушение подстропильной фермы и колонны ские связи, база колонны, анкерные

в одном пролёте здания. Выполнена оценка технологии производства болты, железобетонные пилястры.

работ по возведению пространственного металлического каркаса склад- История статьи:

ского здания. Дата поступления в редакцию 22.04.17

Дата принятия к печати 24.04.17

Разрушение конструктивных элементов здания, как в процессе эксплуатации здания, так и при его возведении является поводом для рассмотрения принятого конструктивного решения, проверки прочности и устойчивости конструктивной системы и отдельных элементов здания, а также анализа причин разрушения конструкций здания при аварии.

При возведении одноэтажного складского здания для хранения сырья — глины для производства керамической плитки — на этапе монтажа металлических конструкций произошло обрушение конструктивных элементов продольной двухпролетной рамы каркаса здания.

Keywords:

soil-cement composite, compressive strength, curing condition, soil-cement ratio.

Date of receipt in edition: 11.06.17

Date of acceptance for printing: 12.06.17

Конструктивная система складского здания — каркасная. В пространственном металлическом каркасе здания можно выделить центральную продольную двухпролетную раму, включающую в себя три колонны и две подстропильные фермы пролетом 48 м и 36 м.

По проекту складского здания левая стойка рамы должна быть укреплена связевой конструкцией. Правая стойка рамы примыкает к существующему зданию. На подстропильные фермы опираются стропильные фермы, установленные с шагом 6 метров. Стропильные фермы складского здания имеют пролеты L = 35,7 м и 45,0 м. Несущие металлические фермы пространственного каркаса складского здания являются опорой для двускатной кровли этого здания. Причем подстропильные фермы, входящие в состав центральной продольной двухпролетной рамы, располагаются по коньку кровли.

На рисунке 1 показана схема расположения фундаментов и несущих ферм покрытия здания, а на рисунке 2 представлена двухпролетная центральная продольная рама пространственного каркаса складского здания.

Особенностью конструктивного решения складского здания является установка колонн пространственного металлического каркаса здания частично на железобетонные стены высотой около 6 м, опирающиеся на ленточный фундамент, и частично (по одной стороне здания) на колонны каркаса, опирающиеся на столбчатые фундаменты. Вертикальная рабочая арматура монолитных стен сопрягается с выпусками арматуры из монолитных ленточных фундаментов.

Такое конструктивное решение склада обусловлено наличием в здании двух зон: зона для хранения насыпной глины и зона для проезда механизмов транспортировки и укладки грунта.

Железобетонные стены здания, в свою очередь, являются упорами для насыпного грунта.

Стропильная ферма

о-—\-

Стена

о-

Пилястра/ стены

[Фундамент | существующего ! склада

Места хранения насыпной глины

IПодстропильная \ продольная ферма

Ленточный ! фундамент

Столбчатый

фундамент

Проезд

¿¿ооббоооббооосР Рис. 1. Схема расположения фундаментов и несущих ферм покрытия здания

Рис. 2. Двухпролетная центральная продольная рама пространственного каркаса складского здания

Как видно на рисунке 1, наиболее нагруженными являются колонны в составе центральной продольной рамы пространственного каркаса складского здания. Эти колонны имеют развитые опорные базы. Конструктивное решение опорной базы левой колонны центральной продольной рамы пространственного каркаса здания представлено на рисунке 3. Для сопряжения баз колонн продольной рамы с железобетонными стенами в них предусмотрены уширения — пилястры.

Опорная часть (база) колонн продольной рамы пространственного каркаса складского здания запроектирована как шарнирная. Плита базы колонны крепится к основанию с использованием восьми фундаментных болтов М30. Под плитой башмака колонн по проекту должна быть предусмотрена подушка из бетона В25 толщиной 30 мм.

Рис. 3. Конструктивное решение узла сопряжения металлической колонны продольной центральной рамы каркаса с пилястрой монолитной стены здания

Узел опирания подстропильных ферм на колонны продольной центральной рамы каркаса решен таким образом, что при монтаже верхний пояс подстропильной фермы заводится в неглубокий паз на верхней поверхности колонны с закреплением верхнего пояса фермы двумя монтажными болтами. Такая организация сопряжения конструктивных элементов продольной центральной рамы предъявляет повышенные требования к точности расположения вертикальных несущих конструкций (стен и колонн) строящегося складского

здания, а также к точности изготовления и сборки металлических конструкций несущего каркаса здания.

Подстропильные металлические фермы продольной центральной рамы каркаса были собраны на болтах из отдельных отправочных единиц. При обрушении фермы болты, установленные для соединения верхнего пояса фермы, оказались срезанными. Следует отметить, что при выполнении монтажных работ запрещается применение болтов, не имеющих клейма предприятия-изготовителя и маркировки, обозначающей класс прочности.

На рисунке 4 представлено сопряжение стропильных ферм с подстропильными. Левая стойка рамы и подстропильная ферма левого пролета рамы утрачены в результате происшедшей аварии. Как показано на рисунке 4, подстропильная ферма правого пролета была частично раскреплена стропильными фермами,

Рис. 4. Сопряжение стропильных ферм с подстропильной фермой для центральной продольной рамы

в то время как подстропильная ферма левого пролета была установлена на колонны непосредственно перед аварией.

Рамная система здания, включающая в себя и стропильную систему здания, работает в эксплуатационный период как пространственная. Пространственная рамная система допускает наличие шарнирных узлов сопряжения конструктивных элементов пространственной рамы, а также наличие шарнирных опорных узлов рамной системы. Однако в период возведения плоские рамы с шарнирными узлами требуют повышенного внимания. Должна быть разработана специальная документация на производство работ, в которой была бы отражена последовательность и особенности сборки конструктивных элементов пространственной системы складского здания.

Таким образом, основной причиной обрушения конструктивных элементов центральной продольной плоской рамы пространственного каркаса складского здания (см. рис. 4) является монтаж рамы, предпринятый без учета того обстоятельства, что устойчивость плоской рамы с шарнирным опорным закреплением и свободным опиранием верхнего пояса подстропильных ферм на оголовки колонн не может быть обеспечена без раскрепления конструкций на стадии их монтажа.

В соответствии с /1/ для монтажа конструктивных элементов каркаса складского здания в проекте производства работ должны быть разработаны четкие указания относительно последовательности и особенностей сборки конструктивных элементов пространственного металлического каркаса при его монтаже, в том числе устройство монтажных опор под стропильные и подстропильные фермы, что не было сделано /5/.

Падение колонны центральной продольной рамы привело к разрушению фундаментных болтов и бетона железобетонной стены здания, на которую была установлена колонна. На рисунке 5а показано, что почти все фундаментные болты срезаны (разрушение по металлу), а в зоне расположения крайнего фундаментного болта произошло разрушение также по бетону, что может быть связано с недостаточными размерами в плане пилястры железобетонной стены (см. рис. 5а, б). Срез фундаментных болтов произошёл вследствие увеличения изгибающего момента и поперечной силы на уровне базы колонны, возникшего в результате аварии. При этом произошло увеличение эксцентриситета приложения продольной силы относительно оси колонны по сравнению с расчётным эксцентриситетом.

Следует также отметить, что к аварийной ситуации и последующему разрушению конструктивных элементов зданий, как правило, приводит стечение нескольких неблагоприятных обстоятельств, к которым, например, можно отнести относительную сложность установки баз колонн центральной продольной рамы складского здания на железобетонных стенах с пилястрами.

а

б

Рис. 5. Разрушение фундаментных болтов упавшей колонны (а) и сколы бетона пилястры стены под базой устоявшей после аварии средней колонны (б) центральной продольной рамы пространственного каркаса складского здания