книги / Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений

УДК (624.011.1+624.011.78)(075.8)

А.В. Калугин, А.А. Дроздов, А.А. Плаксин, Н И Ушакова

Пермский государственный технический университет, ОАО «Галургия»

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В АГРЕССИВНОЙ СРЕДЕ КАЛИЙНЫХ КОМ БИНАТОВ

Проведен анализ факторов, влияющих на долговечность клееных деревянных конструкций арочных складов калийных комбинатов.

В Пермской области накоплен большой опыт проектирования, производства и эксплуатации клееных деревянных конструкций (КДК) в агрессивной среде калийных комбинатов. В основном КДК применяются при строительстве большепролетных складов и наземных транспортерных галерей. Ведущим институтом по проектированию зданий и сооружений из КДК для предприятий калийной промышленности является ОАО «Галургия» (г. Пермь).

Изготовление конструкций организовано в специализированных цехах в гг. Березники и Соликамск. Строительство зданий из КДК и их эксплуатация осуществляется на территориях рудоуправлений ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит».

Особый интерес для специалистов представляют по сути уникальные большепролетные склады пролетами 34 - 45 м.

В настоящее время в эксплуатации находится 37 большепролетных скла­ дов, в которых в качестве несущих конструкций применены деревянные и кле­ еные деревянные конструкции, среди них склады системы инженера В. С. Деревягина (5 шт.); склады из стрельчатых клееных деревянных арок (18 шт.); склады из А-образных арок (14 шт.). Основные геометрические схемы складов и их административная принадлежность приведены в таблице.

Эксплуатационная надежность деревянных конструкций в агрессивной среде калийных комбинатов значительно выше, чем конструкций из традиционных материалов: железобетона и стали. По данным отделов капитального строительства рудоуправлений, средняя периодичность капитального ремонта составляет: для железобетонных конструкций 5 - 7 лет; для стальных 7 - 1 0 лет. Это объясняется тем, что существующие способы защиты строительных конструкций от агрессивного воздействия промыш­ ленной среды калийных предприятий не обеспечивают требуемой долговеч­ ности стальных и железобетонных конструкций.

В тех же условиях практически без специальной защиты, без капиталь­ ного ремонта КДК эксплуатируются более 25 лет. Это подтверждается й зарубежным опытом применения КДК в калийных отраслях.

Вместе с тем за годы эксплуатации складов из КДК выявились и нерешенные практические и теоретические проблемы.

Рассматриваемые складские здания представляют собой сложную конструктивную систему, в которой необходимо учитывать совместную работу несущих элементов, выполненных из различных материалов.

Арки изготовлены из клееной древесины; элементы крепления полуарок между собой в коньковом узле, узел опирания полуарок на фундаменты, подвески транспортерной галереи, а также связи по каркасу выполнены из стали.

Снижение несущей способности этих элементов в процессе эксплуатации складов за счет коррозии стальных элементов и уменьшения прочности клеевых швов элементов из клееной древесины происходит неодинаково и неравномерно.

В частности, из-за коррозионного износа стальных элементов и расслоения клееных деревянных элементов, в последние годы возросли эксплуатационные расходы и затраты на капитальный ремонт складов, построенных 20-30 лет назад.

Анализ фактически действующих нагрузок на склады показал, что, например, характер отложения снега на покрытии стрельчатых арок значительно отличается от схем, приведенных в СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», и зависит от ориентации продольной оси склада.

При ориентации на местности продольной оси склада в направлении восток-запад, то есть практически перпендикулярно направлению господ­ ствующих зимой ветров в Пермской области, снег с одной половины кровли сдувается, а на другой образуется снеговой мешок.

В связи с этим фактическая односторонняя снеговая нагрузка на пок­ рытия некоторых стрельчатых складов в отдельные годы оказалась в 1,5-3 раза выше снеговой нагрузки, принятой при проектировании по действующим нормам. Учитывая это обстоятельство, было принято решение в дальнейшем проектировать склады из А-образных арок треугольного очертания, на которых нагрузка снега на покрытия в целом соответствует действующему СНиП.

Кроме того, к негативным последствиям для конструкций привели неудачные мероприятия по повышению огнестойкости клееных деревянных арок в зоне противопожарных разрывов: поперечное сечение арок обшивалось оцинкованной жестью с прокладкой из плоских асбестоцементных листов.

Сечение клееных деревянных арок оказалось в замкнутом'пространстве без вентиляции, что привело к конденсации влаги на поверхности и загниванию древесины этих арок.

По рассмотренным выше причинам произошли аварии на складе техни­ ческой соли БКПРУ-1 в марте 1983 года и на складе грануляции СКПРУ-1 в марте 1998 г.

фактическое расчетное сопротивление древесины на сжатие и скалывание вдоль волокон по результатам испытаний, - расчетное сопротивление

древесины на сжатие и скалывание вдоль волокон, по СниП Н-25-80 «Деревянные конструкцию).

крупнозернистого концентрата на СКПРУ-2; 11 - опытный склад руды на СКПРУ-2; 12- склад в порту г. Соликамска; 13 ~ склад мелкозернистого концентрата на СКПРУ-2; 14- склад сырой руды на СКПРУ-2; 15- склад руды №1 на БКПРУ-2

На диаграмме видно, что с увеличением сроков эксплуатации конструкций значения прочностных показателей клееной древесины меняются неоднозначно в связи с влиянием на эти показатели не только сроков службы конструкций, но и других факторов.

На прочностные характеристики КДК влияют следующие факторы:

58%. Значит, первоначальная прочность клеевого шва на сдвиг (скалывание) выше прочности древесины на скалывание вдоль волокон. Во всех остальных складах, эксплуатирующихся от 12 до 29 лет, характер скалывания прямо противоположный - скалывание по клеевому шву составляет более 50 %, Таким образом, прочность клеевых швов снижается значительно быстрее прочности самой древесины на скалывание вдоль волокон.

Общая цель исследований - разработать методику прогнозирования сроков службы объектов с применением КДК на основе анализа системы объективных критериев. Это позволит назначать обоснованные мероприятия по поддержанию в работоспособном состоянии зданий и сооружений с применением КДК, снизить затраты на капитальный ремонт, а в необходимых случаях принять своевременное решение о строительстве новых объектов взамен отслуживших свой срок службы.

Получено 10.06.99

УДК 624.042.8:534.1

А.Н. Потапов

Южно-Уральский государственный университет

ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НЕУПРУГИХ КОЛЕБАНИЯХ

Проведен анализ частотного спектра и собственных форм дискретной диссипативной системы (ДЦС) за пределом упругости.

В [1,2] предложен подход к неупругому динамическому анализу конструкций, аппроксимируемых дискретной расчетной схемой, с учетом вязкого трения. Основу подхода составляют математические модели неупругого расчета, позволяющие использовать прямой метод интегрирования уравнений динамического равновесия (УДР), разработанный для упругой системы. Упругопластический расчет сводится к последовательности квазиупругих решений. Сформулированы общие положения [2], характери­ зующие качественные уровни состояний диссипативной упругопластической конструкции в процессе ее динамической реакции.

1. Предварительные сведения. Условия динамического равновесия квазиупругой системы на интервале времени I е [и, 1ц.Ц (г = 0, 1, ...) представ­ ляются в виде [1,2]

демпфирования и жесткости квазиупругой системы соответственно; К((), Р(/) - векторыперемещений и внешней нагрузки; /?о(^) ~ вектор предельных значений

динамических восстанавливающих сил, ~ вектор остаточных усилий; и - число степеней свободы ДДС.

Интегрирование УДР (1) квазиупругой системы связано с решением алгебраической проблемы, имеющей вид матричного квадратного уравнения (МКУ)

Решение МКУ (2) отыскивается в виде корневой пары 8 ^ = М -1(-С +У±

± Ц)/2, где V = - V т, V — 1} т. Для матричных корней пары справедливы

Корни 8к содержат (в качестве характеристик спектра) информацию о внутренних динамических параметрах ДДС. Опуская индекс к, приведем 8 к

где Л -- матрица спектральных характеристик ДДС; Р - матрица собственных форм демпфированных колебаний; б = -КеЛ = сНа§ (бь ... ,б„) - матрица коэффициентов демпфирования; © = 1шЛ = (Иа§ (©[, ... ,©„) - матрица собственных частот демпфированных колебаний.

2. Состояния квазиупругой системы. В связи с ростом динамических нагрузок и появлением пластических деформаций в наиболее нагруженных элементах конструкции происходит образование шарниров текучести, приводящих к снижению параметров жесткости системы. Поскольку матрицы внутренних динамических параметров 5* становятся функцией времени, то их спектральные характеристики: е/*\ ©/^ оказываются переменными величинами. При этом количественный характер изменений, имеющий сам по себе важное значение, при некоторых условиях перерастает в качественный характер.

Например, при бе1 - 0 (с1е1 К(1г) - определитель матрица жесткости квазиупругой системы вырожденна. В этом случае количество шарниров текучести достигает такого числа, при котором вся конструкция (или ее отдельная часть) становится кинематически изменяемой системой - пластическим механизмом. Большой интерес, с точки зрения учета прочности, представляет исследование поведения конструкции в состоянии пластического механизма. Наличие такого состояния не означает обязательного разрушения конструкции. Для ее безопасной работы необходимо, чтобы продолжи­ тельность этого состояния была ничтожно малой по времени, а материал конструкции допускал остаточные деформации. Эта проблема актуальна в расчете систем на кратковременные нагрузки большой интенсивности типа взрывов, сейсмических волн и т.д. [3].

Из анализа соотношений Виета (3) и свойств корней МКУ (2) вытекают качественные оценки неупругой работы конструкции, представленные тремя теоремами [2]. Они определяют условия невырожденного и вырожденного состояний упругопластической конструкции в процессе ее динамической реакции.

В соответствии с первой теоремой условие невырожденного состояния квазиупругой системы обладает следующим необходимым и достаточным признаком:

Это утверждение можно расценивать хак условие, при котором обра­ зование пластического механизма разрушения на интервале времени Г е 1*1] невозможно.

Для ДЦС с полной диссипацией (<ЗеТ С Ф 0) справедлива вторая теорема, по которой условие вырожденного состояния квазиупругой системы принимает вид

открывают возможность для более детального изучения спектральных характеристик динамической системы и ее поведения в целом в ходе упругопластического процесса.

Пусть ДЦС находится под воздействием произвольной нагрузки (рис., а, р/х) - нагрузка в у-м узле). Динамика изменения общей жесткости системы, характеризуемая величиной де{ К({), показана пунктирными линиями 1 и 2 (см. рис., а). Для кривой 1 всюду удовлетворяется условие бе{ К(х) > 0, что соответствует признаку невырожденности (5). Кривая 2 построена для случая, когда матрица К(Х) на некотором интервале X е [хь (,„] - вырожденна (условия (6), (7)). При I е [0, /1] ДЦС совершает упругие колебания.

Снижение жесткостных параметров систему ведет к уменьшению нормы К(Х/). Согласно (3), это приводит к уменьшению норм 8к ( к = 1, 2). Чем слабее

Поэтому первоначально с появлением текучести уменьшение собственных значений X; происходит, главным образом, за счет снижения частотного спектра со7 ( / = ! , . . . , п). На рис., б показаны кривые собственных частот колебаний