2.4. Металлические конструкции

Стадии разрушения металлических конструкции. Различают [98] три стадии: подготовки разрушения, завершающейся возникновением повреждений и микротрещин в зернах кристаллической структуры стали; зарождения макротрещин; развития макротрещин, приводящие к разрушению. Основными формами разрушения является вязкое, хрупкое и усталостное. Кроме того, часто наблюдается разрушение при ползучести и коррозионное разрушение.

Хрупкое разрушение стальных сварных конструкций. В [98] приведена статическая классификация 60 отказов различных конструкций, представленная в 1971 г. Международным институтом сварки (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Классификация факторов хрупкого разрушения сварных конструкций

!!!НЕПРОВЕРЕННАЯ ТАБЛИЦА!!!

№п/п Фактор Частота, %
1 2 3
1 Конструктивные надрезы 14,3
2 Усталостные трещины 7,2
3 Коррозионные трещины 0,7
4 Технологические надрезы 7,2
5 Трещины в зоне термического влияния сварки 2,4
6 Трещины в сварных швах 1,6
7 Другие дефекты сварных швов 7,2
8 Перегрузка конструкций 6,3
9 Термические напряжения 4,8
10 Чувствительность стали к надрезам 20,6
11 Остаточные сварочные деформации 13,5
12 Дефекты структуры стали 0
13 Старение и наклеп стали 11,1
14 Влияние термообработки стали 2,4
15 Влияние закалки стали 0,7

Каждый отказ связан с проявлением 2 ... 3 факторов хрупкого разрушения. Отмечается [98], что представленная классификация имеет существенный недостаток - в ней отсутствует анализ влияния конструктивной формы элементов конструкций на их хрупкое разрушение.

В МИСИ обследовано 926 ферм. В 770 из них получена следующая частота появления отдельных повреждений (%) [96]:

Искривление элементов 81,8
Местные прогибы 7,7
Отклонение ферм от вертикали 4,2
Расстройство болтовых соединений 5,8
Прогибы фасонок 0,3
Трешины в фасонках 0,2

Там же [96, прилож. 1] описаны дефекты и повреждения стальных

49

сварных, болтовых и заклепочных соединений, а также элементов конструкций (табл.2.7).

В НИСИ собрано и классифицировано более 350 отказов стальных конструкций с хрупким разрушением [98]. До 43% составили отказы сварочных листовых конструкций (резервуары, газгольдеры и т.п.), 48% -решетчатых изгибаемых (фермы) и 19% - сплошностенчатых балочных.

В [110] дан анализ причин аварий 105 зданий и сооружений. Получено следующее распределение отказов:

дефекты монтажа 29,5 %
ошибки проекта 26,7 %
дефекты эксплуатации 14,3 %
дефекты изготовления 12,4 %
низкое качество стали 10,5 %
недостатки норм 6,6 %

В [65] описан случай прогрессирующего разрушения цеха. Необходимо было вкатить крупногабаритный груз. Этому мешала стойка рамы. Рабочие решили ломами отогнуть её на несколько миллиметров. Во время проведения этой операции стойка потеряла устойчивость и при падении повлекла за собой конструкции со значительной площади. Наиболее типичные сочетания основных причин аварий металлических конструкций приведены в [63] (табл.2.7.)

Таблица 2.7

Отклонение и повреждение Примечание
1 2
1. Сварные соединения  
Трещины в швах или в околошовной зоне Не допускаются
Неполномерность швов Необходимость устранения дефекта повреждения проверяется расчетом
Подрезы основного металла, непровары в корне и по сечению шва, шлаковые включения, поры и тд. Дефекты должны быть устранены, если они явились причиной возникновения трещин в швах данной или аналогичной конструкции
2. Болтовые соединения.  
Отсутствие болта (заклепки) или проворачивание от руки (кроме монтажных работ) Не допускается
Дрожание или перемещение болта (заклепки) под ударами контрольного молотка весом 300-400 г, перекос болта (заклепки) (кроме монтажных болтов) Не допускается при числе ослабленных болтов свыше 10% одной группе
Дефекты головок заклепок (трещиноватость, рябина, неполномерность и т.д.), неплотности склепываемого пакета, смещение заклепок с оси элемента и т.д При отсутствии ослабленных заклепок эти дефекты могут быть оставлены без исправления. Зазоры в пакетах следует заполнить эпоксидной смолой или другим материалом, предохраняющим от попадания влага и грязи
3. Элементы конструкции  
Трещины в основном материале элементов конструкций Не допускаются
Искривление элементов решетчатых конструкций Необходимость устранения повреждения устанавливается расчетом

50

Продолжение таблицы 2.7

Винтообразность элементов, перекос и грибовидность полок балок Повреждения устраняются в случаях, когда препятствуют нормальной эксплуатации конструкций, нарушают опирание и примыкание других элементов
Выпучивание стенки сплошной балки Необходимость устранения дефекта устанавливается расчетом. В рабочее сечение включаются часть стенки в сжатой зоне высотой 1 55 и растянутая зона Учитывается местный изгиб в пролете, равном расстоянию между ребрами жесткости
Местные погнутости (вмятины) Необходимость устранения устанавливается расчетом. При этом учитывается только неповрежденная часть сечения
Погнутость узловых фасонок:
а) в случае примыкания сжатого элемента с напряжением в нем более половины расчетного сопротивления;
б) в остальных случаях
Следует усиливать, если
a) tgα≤ 0,1;
б) tgα≤ 0,2;
Отклонение ферм от вертикали:
а) на опоре;
б) в середине пролета
Усилить, если
а) а>10 мм;
б) а>15 мм

Примечание: α - угол наклона фасонки к вертикали, а - расстояние между вертикалью и осью отклоненной фермы

Пропуск соединительных прокладок в сжатых элементах может привести к преждевременной потери устойчивости. В [96] показано, что наиболее часто отсутствует пристройка торцов опорных фланцев к опорным столикам и шайбы под болтами. Все это снижает надежность работы конструкций.

Приведем из [63) факторы, являющиеся причинами аварий и отказов в работе конструкций (табл. 2.8).

Таблица 2.8

51

1 - снег и непродуманная его очистка, наледи; производственная пыль; несоответствие фактических весов конструкций запроектированным; ветер; крановая нагрузка; динамическое воздействие нагрузки; температурные воздействия.

2 - перегрузка (1); отсутствие надлежащей развязки сжатых поясов; недостаточное количество или несвоевременная расстановка связей (постоянных и временных); большая гибкость элементов, эксцентричное приложение нагрузки; нарушение ППР; наличие вмятин и погнутостей, податливость монтажных стыков, несвоевременная или неправильная анкеровка опор, температурные деформации при неудачном закреплении связей, недостаточная толщина в листовых конструкциях, искажение геометрической формы (в резервуарах, баках и т.п. конструкциях), неудачное крепление оттяжек, вант, следствие неудачной строповки при монтаже (4), включение в проект новых инженерных решений без достаточной экспериментальной проверки; ошибки в расчетах, ошибки в чертежах.

3 - хрупкое разрушение в результате применения хладноломких сталей и конструктивных форм элементов с пониженной хладностойкостью; хрупкое разрушение сварных швов; замена одних профилей другими; недостаточная прочность, жесткость и устойчивость; неудачный выбор расчетной схемы (несоответствие действительной работе конструкций); несоответствие чертежей, выполненных в стадиях КМ и КМД; наличие концентраторов напряжений; примитивный приближенный расчет конструкций; неудачное конструктивное решение, главным образом, узлов сопряжений; занижение расчетной нагрузки по сравнению с реальной; недооценка жесткости узлов; внецентренное прикрепление элементов; невыполнение требований ремонте-пригодности; низкая квалификация исполнителей; отсутствие авторского и технического надзора.

4 - неправильное выполнение сварки в зимнее время; неправильная строповка; неправильный порядок наложения сварных швов; некачественная сварка; дефекты хранения и транспортировки конструкций; дефекты укладки сборных железобетонных плит покрытия; неправильная временная расчалка конструкций; отступление от ППР; монтаж конструкций главным образом до приемки нулевого цикла; неправильный выбор способа и порядка монтажа; повторные производственные операции: расклепка, повторная склепка и т.п.; применение некачественных материалов; низкое качество изготовления конструкций; низкое качество монтажа; недооценка монтажных нагрузок; несвоевременная постановка связей жесткости; изгиб косынок в плоскости наименьшей жесткости при небрежном выполнении монтажа; устройство не предусмотренных проектом отверстий и пазов; невыполнение требований ремонтно-пригодности, ввод в эксплуатацию конструкций (зданий и сооружений) с существенными недостатками.

5 - подвеска к конструкциям различного вида дополнительного оборудования; отсутствие периодического осмотра состояния конструкций, перегрузка снегом, производственной пылью (1); коррозия стали; ошибки, допущенные при реконструкции сооружений и усилении конструкций; увеличение нагрузки без усиления конструкций, без регулирования в них напряжения; отсутствие зашиты конструкций, работающих в агрессивных средах; устройство не предусмотренных проектом отверстий и лазов.

6 - усталостные разрушения, разрушения от старения, вибродинамическое действие кранов, подвижного состава и т.п.

52

7 - неравномерная осадка сооружения; неравномерная осадка железобетонных колонн под стальные подкрановые балки; недоброкачественное выполнение и дефекты в кирпичной кладке, на которую опираются металлоконструкции; потеря устойчивости основания, неравномерное промораживание грунта; наличие перекошенных закладных частей; пучение грунта; замачивание лессовидных грунтов; дефектность инженерно-геологических изысканий.

8 - различные обвалы, взрывы, подмыв фундаментов, обрушения вышележащих конструкций, удары и т.п.; аварии, вызванные сейсмическими воздействиями, ураганными ветрами и наводнениями.

Ежегодно 10...12% выплавленного и эксплуатируемого металла теряется вследствие коррозии [95, 96]. Количество разрушаемого коррозией металла растет почти пропорционально накопленному фонду металла. Потери, от коррозии доходят до 2...4% национального дохода каждой страны, 30% строительных металлических конструкций подвергаются атмосферной коррозии, 75% - разрушающему воздействию атмосферных и агрессивных сред. На рис.2.3 приведены виды коррозионных поражений стали.

Для предприятий химической промышленности характерна атмосферная (электрохимическая) коррозия. Скорость коррозии зависит от характеристик среды и меняется в широких пределах (0,05... 1,6 мм/год). Большую опасность представляет глубинная коррозия [96], способствующая концентрации напряжений и склонности стали к хрупкому разрушению. В соединениях элементов развивается щелевая коррозия. Продукты коррозии в щели расширяют элементы, что может привести к разрушению болтов и швов. Форма сечения элементов конструкций, их пространственное расположение существенно влияет на скорость коррозии. При проектировании защиты конструкций от коррозии это учитывается.

Коррозия металла - разрушение материала вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Выделяют следующие виды коррозии [49]: химическую, электрохимическую, щелевую, межкристаллитную, эрозионную, кавитационную, биологическую, питганговую, избирательное выщелачивание, водородное повреждение, коррозионное растрескивание под напряжением.

При химической коррозии поверхности конструкции происходит равномерное разрушение материала. Электрохимическая коррозия имеет место, когда возникает разность потенциалов между разнопородными металлами и создается электрический ток. Межкристаллитная коррозия развивается на границах зерен металлов.

Эррозионная коррозия - быстро протекающее химическое воздействие коррозионной среды на поверхность металла. Кавитационная коррозия наблюдается, когда в результате изменения давления в протекающей жидкости образуются пузырьки пара. При исчезновении с поверхности металла пленок воды возникают ударные волны, локально пластически деформирующие металл или разрушающие защитные покрытия.

Биологическая коррозия происходит вследствие активности живых организмов: аэробных и анаэробных бактерий, грибов, плесени, морских водорослей. Питтинговая коррозия возникает в результате локализованного

53

воздействия агрессивной жидкой среды. Образуются раковины или швы, нередко пронизывающие материал насквозь. При избирательном выщелачивании из сплава удаляется один элемент. Водородное повреждение (водородное вспучивание и охрупчивание, химическое воздействие водорода и обезуглероживание) не является видом коррозии, а её следствием. Так, при водородном вспучивании атомы водорода проникают в поры структуры металла, где образуют молекулярный водород. Давление водорода может быть такой величины, что происходит вспучивание, текучесть и разрушение.

Коррозионное растрескивание под напряжением проявляется возникновением множества трещин под влиянием одновременно действующего растягивающего напряжения и коррозионной среды. Это явление возникает при некоторой величине предельного напряжения.

Рис.2.5. Типы коррозийных поражений сгали
Рис.2.5. Типы коррозийных поражений сгали:
а) - равномерная коррозия; б) - неравномерная коррозия;
в)- коррозия пятнами; г)- коррозия язвами; 3)- коррозия точками;
е)- фазийное растрескивание

Дефекты сварных швов. Их разделяют по расположению (внутренние, наружные, поверхностные, сквозные), по форме и остроте (компактные, протяженные, плоскостные, объемные), по величине (мелкие, средние, крупные), по массивности (единичные, групповые, распространенные). К

54

дефектам относят: норы (сферические, канальные, линейные), шлаки (компактные, протяженные), металлические включения, непровары (в корне одностороннего шва без подреза, в корне одностороннего шва с подрезом, двустороннего шва), трещины (продольные, поперечные, разветвленные), подрезы, наплывы, нарушение соосности свариваемых элементов, прожоги, свищи.

Наиболее часто фактические размеры сварных швов отличаются от проектных. Разработаны разрушающие и неразрушающие методы контроля качества сварных швов. Так, к разрушающим испытаниям сварных соединений относят: механические (на растяжение, изгиб и т.п.), металлографические, коррозионные, химические, на свариваемость и надежность. Неразрушающими методами испытаний являются: радиационные и ультразвуковой контроль, магнитные и электромагнитные, оптические, радиоволновые, тепловые методы, капиллярное истечение.

В табл.2.7 приведены характерные дефекты сварных, болтовых соединений и элементов конструкций [96]. Там же приведены виды коррозионных разрушений (табл.2.8). Сопротивляемость трещинообразованию количественно определяют методом машинных испытаний с помощью технологических проб.

Подкрановые конструкции находятся в сложных условиях работы. После трех-четырех лет работы появляются следующие повреждения [96]: расстраиваются узлы крепления подкрановых и тормозных балок к колоннам, появляются усталостные трещины около верхнего пояса балок, в клепаных балках ослабляются заклепки верхнего пояса и появляются трещины в уголках. Особенно значительно повреждаются подкрановые конструкции в цехах с кранами тяжелого и весьма тяжелого режима работы.

55

Rambler's Top100
Lib4all.Ru © 2010.