Говоря о реконструкции энергетической инфраструктуры, мы в «Клубе ПИ» обычно пишем о модернизации собственно систем, отвечающих за снабжение предприятий энергоресурсами — электричеством, паром, горячей водой. Между тем, круг «энергетических вопросов», которые приходится решать руководству предприятий, несколько шире. Один из них — обеспечение безопасной эксплуатации зданий энергетических объектов. Учитывая средний возраст большого числа крупных промышленных предприятий и их инфраструктуры, а также изменения законодательства, определяющего обязательные требования к промышленным зданиям, столкнуться с вопросами надежности предстоит в ближайшее время многим.
К настоящему времени возведено много производственных зданий с покрытиями, основными несущими элементами которых являются стальные фермы и настил из железобетонных ребристых плит. Данное конструктивное решение являлось основным, преобладающим при строительстве покрытий тепловых электростанций, котельных залов и общепромышленных корпусов построенных до начала 2000 годов. Надёжность таких покрытий подтверждается длительной безаварийной эксплуатацией зданий и наличием резервов с неопределённой обеспеченностью. В результате исследований и совершенствования методов расчёта конструктивных систем эта неопределённость постепенно устраняется. В частности, путём применения вероятностных моделей подтверждена высокая надёжность сборных железобетонных настилов при значительном увеличении расчётных значений снеговой нагрузки на территории Российской Федерации с 1.07.2003 г. Так, например, расчетное значение снеговой нагрузки для III района на 1 м2 горизонтальной поверхности увеличилось со 140 кг/м2 до 180 кг/м2.
В то же время расчёты стальных ферм с применением традиционных расчётных схем показывают, что при измененной в большую сторону снеговой составляющей нагрузок возникают проблемы, связанные, в частности, с устойчивостью сжатых поясов и необходимостью их усиления. Эти проблемы приходится решать при реконструкции или капитальном ремонте зданий. Кроме этого, согласно статье 42 Федерального закона № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», при реконструкции или капитальном ремонте зданий требуется учитывать повышение уровня ответственности некоторых производственных объектов. Это приводит к дополнительному увеличению расчётных усилий в элементах ферм, которые применены, в частности, в покрытиях зданий тепловых электростанций. В соответствии со статьёй 48.1 Градостроительного кодекса Российской Федерации, такие здания отнесены к особо опасным и технически сложным объектам, и поэтому коэффициент надёжности γn по ответственности должен быть не ниже 1,1. По стандарту организации СТО 36554501-014-2008 минимальное значение коэффициента ещё больше γn = 1,2.
Увеличение расчётных значений снеговой нагрузки и повышение нормативных требований к безопасности зданий заставляют искать обоснованного объяснения фактов безаварийной эксплуатации покрытий из стальных ферм и ребристых настилов. Направление для поиска скрытых резервов содержится в требованиях закона № 384-ФЗ к расчетным моделям (в том числе расчетным схемам, основным предпосылкам расчета) конструкций, которые должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. Особое внимание при этом уделяется пространственной работе конструкций и взаимодействию элементов конструктивных систем.
Указанная проблематика стала основной темой научного иследования автора статьи при подготовке диссертационной работы. Для оценки механизма перераспределения усилий между сборным ребристым настилом и фермами выполнен анализ основных факторов взаимодействия: последовательности монтажа и замыкания связей, деформативности и прочности сварных соединений, деформативности растворных (бетонных) швов с учётом усадки, условий потери устойчивости элементов, характера загружения и усилий в узлах и элементах конструктивной системы. Далее более детально рассмотрим эти факторы.
Последовательность монтажа и замыкания связей
Данный фактор связан с технологией возведения покрытия. В ходе монтажа сначала монтируются стропильные фермы, потом на них укладываются ребристые плиты и вслед за этим замоноличиваются межплитные швы. На каждом этапе происходит изменение расчетной схемы покрытия:
- сначала расчетная схема представляет собой отдельно работающие фермы под нагрузкой от собственного веса;
- далее происходит формирование в пространственную расчетную систему из ферм и соединенных с ними ребристыми плитами под нагрузкой от собственного веса;
- на последнем этапе покрытие представляет статически неопределимую систему, состоящую из ферм, объединенных ребристым настилом, в котором плиты связаны между собой межплитными швами. На данную конструкцию, кроме перечисленных, действуют нагрузки от веса конструкции кровли и эксплуатационная нагрузка.
Деформативность и прочность сварных соединений определяется следующим:
ребристые плиты покрытия возможно приварить только в трех точках опирания, за исключением крайних рядов, которые привариваются по четырем точкам и последнего среднего ряда, который приваривается вообще по двум точкам. Согласно типовым решениям каждый сварной шов должен иметь длину не менее 60 мм и катет шва не менее 6 мм. Таким образом, можно определить прочностные и деформационные характеристики сварных соединений и моделировать их в расчетной схеме при помощи упругих конечных элементов, характеризующихся погонной жесткостью на растяжение-сжатие в глобальной системе координат. В случае отсутствия сварки в узле погонная жесткость в направлении осей Х и Y равна нулю.
При построении расчетной схемы в расчетных модулях довольно просто моделировать узловые соединения плит, приближающие схему к реальной конструкции.
Деформативность растворных (бетонных) швов с учётом усадки
Прочность и деформативность швов значительно влияет на эффективность совместной работы конструктивной системы покрытия, а при определенных условиях может вообще исключить данный фактор из обоймы резервов.
При монтаже ребристых железобетонных плит покрытия швы между ними заполняются бетоном на мелком заполнителе класса от В7.5 до В12.5. Размеры поперечного сечения шва довольно малы и составляют чаще всего по ширине 4 см и по высоте 15 см.
Моделирование межплитного шва в расчетных модулях выполняется при помощи двух узлового конечного элемента, моделирующего одностороннюю упругую связь между узлами. Данный конечный элемент позволяет задать зазор, моделирующий усадочные деформации межплитного шва.
Все перечисленные факторы взаимодействия напрямую определяют степень включения в совместную работу элементов конструктивной системы.
Обобщенные выводы и результаты расчета с учетом факторов взаимодействия
В ходе расчетов конструктивных систем покрытия из ферм и ребристых плит методом конечных элементов с учетом всех факторов взаимодействия было выявлено следующее:
- при расчете стропильных ферм по первой группе предельных состояний на проектные силовые воздействия настил способен снизить усилия в элементах верхнего пояса ферм на 7-12%.
- при расчете стропильных ферм по второй группе предельных состояний на проектные силовые воздействия настил способен снизить прогибы и деформации стропильных ферм до 20%.
- при исчерпании несущей способности элементов стропильной фермы на запроектные нагрузки настил наиболее эффективно включается в работу. В данном случае при расчете фермы по первой группе предельных состояний необходимо включать ребристый железобетонный настил в расчетную схему.
- прогрессирующее мгновенное разрушение возможно в случае разрыва элемента нижнего пояса одной фермы, в остальных случаях исчерпание несущей способности не ведет за собой мгновенного разрушения.
Заключение
Взаимодействие элементов в покрытии из стальных ферм и сборном железобетонном настиле создает резервирующий фактор, обеспечивающий надежность и живучесть данной конструктивной системы.
Поэтому учет факторов взаимодействия элементов покрытия при расчете позволяет снизить вам капитальные затраты в рамках реконструкции и капитальном ремонте объектов промышленных объектов.
