Введение к работе
Актуальность темы
Надёжная и безотказная работа на протяжении всего нормативного срока эксплуатации элементов каркасов промышленных зданий является приоритетным направлением строительной отрасли России. Особенно важна безаварийная работа каркаса в зданиях первой категории по ответственности, в частности в зданиях ТЭЦ. К таким зданиям относятся объекты жизнеобеспечения городов и населенных пунктов (теплоэлектроцентрали), объекты добычи, переработки и хранения нефтяной и газовой промышленности и др.
Увеличение расчётных нагрузок (снеговой на 28,6 % и коэффициента по ответственности для зданий первой категории на 20 %), физический износ, поражение коррозией, необходимость восприятия дополнительных нагрузок в связи с реконструкцией зданий (замена кранового оборудования вследствие необходимости транспортировки механизмов повышенной массы, увеличение высоты смежных зданий, которое ведёт к нарастанию расчетной снеговой нагрузки за счёт образования снеговых «мешков») требуют восстановления работоспособности элементов каркаса.
Необходимо отметить и нарушения, с которыми проектировались, строились и эксплуатировались здания ТЭЦ. К таким дефектам и повреждениям относятся: коррозия элементов каркаса в агрессивных средах, отсутствие связей, непроектные закрепления вспомогательных и основных механизмов и трубопроводов, несвоевременный текущий ремонт и т.д. Данные повреждения обнаружены при натурных обследованиях ряда ТЭЦ и других промышленных предприятий города Пензы и Пензенской области. Анализ результатов показал неудовлетворительное состояние ферм и ребристых плит покрытия, консолей колонн. В большинстве случаев исчерпание работоспособности - это совокупность многих нарушений, которые приведены выше.
Таким образом, актуальность повышения надёжности, живучести и работоспособности элементов каркасов ТЭЦ для городских инфраструктур несомненна и будет возрастать с течением времени.
Цель работы - разработать и исследовать эффективные способы восстановления работоспособности несущих элементов каркаса зданий первой категории по ответственности, а именно продлить безотказную работу ферм системы покрытия и железобетонных консолей колонн для опирання подкрановых балок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать причины обрушений промышленных зданий;
провести критический анализ существующих способов усиления ферм покрытия и консолей колонн для опирання подкрановых балок;
разработать новые эффективные способы восстановления работоспособности ферм покрытия с использованием сталетрубобетона и консолей колонн на основе балансирного устройства и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймы;
изготовить модели аварийных железобетонных консолей колонн;
разработать и изготовить конструкции с применением балансирного устройства и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймы для восстановления работоспособности аварийной консоли;
провести физические испытания моделей аварийных консолей до их разрушения и после восстановления работоспособности с применением балансирных устройств и сталетрубобетонной предварительно напряжённой обоймой;
оценить эффективность способов восстановления работоспособности консолей колонн;
предложить алгоритм расчёта конструкции усиления;
выполнить технико-экономический анализ новых и существующих способов усиления консолей колонн.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан новый тип технологичных конструкций из свальцованных элементов с применением объёмно-преднапряжённого трубобетона, обеспечивающих полное восстановление работоспособности сжатых элементов и повышение живучести ферм покрытия;
разработан метод предотвращения обрушения ферм покрытия отбором избыточного тепла, в основе которого лежит принцип испарения воды при температуре 100 С и недопущения разогрева конструкции свыше 110-130 С;
получены новые экспериментальные данные о напряжённом состоянии рабочей арматуры на моделях консоли колонны с помощью тензостанции ММТС.64-01, что позволило обосновать способы усиления консолей колонн для опирання подкрановых балок;
разработаны стальные балансирные устройства, полностью разгружающие железобетонные аварийные консоли колонны от опорных реакций смежных подкрановых балок с дальнейшей передачей их на стержень нижней части колонны с минимальным эксцентриситетом, и обеспечивающие безотказную работу на протяжении 10-30 лет с промежуточным обследованием 3 года;
разработан принципиально новый вид восстановления строительных конструкций с применением объёмно предварительно напряжённых сталетрубобетонных обойм - замкнутые стальные обоймы охватывают аварийную консоль по контуру, мелкозернистый расширяющийся
бетон заполняет полость между обоймой и консолью, при этом обойма препятствует расширению бетона, тем самым объёмно обжимает и предварительно напрягает консоль, в результате исключается возможность её обрушения;
объёмно-напряжённые сталетрубобетонные консоли превращают в надёжный элемент каркаса, и слабое сечение возникает в другом месте;
экспериментально с помощью тензостанции ММТС.64-01 получена информация о напряжённо-деформированном состоянии балансирных устройств и сталетрубобетонных обойм, отражающая их действительную работу;
разработаны алгоритм расчёта конструкции балансирных устройств и рекомендации по их проектированию.
Практическая ценность работы заключается:
в предотвращении возникновения аварий зданий первой категории по ответственности, таких как теплоэлектроцентрали и им подобные;
в выявлении возможности повышения устойчивости сжатых элементов ферм, выравнивании несущей способности сжатых и растянутых стержней, что позволило предотвратить внезапное обрушение ферм;
в восстановлении работоспособности ферм покрытия, эксплуатируемых в реальных условиях в течение нескольких десятков лет и получивших опасные повреждения и дефекты, повышении их живучести благодаря тому, что сжатые элементы фермы превращают в сталетрубобетонные;
в разработке способа восстановления работоспособности аварийных консолей колонн для опирання подкрановых балок на основе сборных балансирных устройств, а также сталетрубобетонной объёмно предварительно напряжённых обойм, которые обеспечивают полную разгрузку аварийных консолей;
в возможности понижения материалоёмкости, увеличения прочности и улучшения технологичности монтажа за счёт исключения аварийной консоли колонны из работы и переноса опорной реакции на стержень колонны с минимальным эксцентриситетом, а также возможности повторного использования балансирных устройств.
Автор защищает:
результаты нового анализа существующих технических решений по усилению стропильных ферм покрытия и консолей колонн для подкрановых балок;
способы восстановления работоспособности железобетонных консолей колонн;
методику испытаний и результаты экспериментальных исследований способов по восстановлению работоспособности консолей колонн для
опирання подкрановых балок с использованием балансирных устройств и сталетрубобетонных обойм с эффектом объёмного обжатия;
способы восстановления работоспособности стропильных ферм покрытия и исключения возможности обрушения их от пожара;
алгоритм расчёта конструкций балансирного устройства и рекомендации по их проектированию;
сравнительный технико-экономический анализ способов усиления консолей колон.
Внедрение результатов: по материалам работы осуществлено восстановление работоспособности консолей колонн Пензенского филиала ОАО «ТГК-6»; материалы работы используются студентами, магистрами, аспирантами при выполнении курсовых и дипломных работ; при чтении курса «Металлические конструкции и спецсооружения».
Апробация работы. Результаты диссертации представлены на:
международной научно-практической конференции «Строительная индустрия: Вчера, Сегодня, Завтра» (г.Пенза, октябрь 2010 г.);
Х-ХІ научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г.Пенза, 2010-2011 гг.);
международном научном форуме «Наука молодых - интеллектуальный потенциал XXI века» (г.Пенза, 2011 г.);
международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г.Курск, 7-8 октября 2011 г.);
международном форуме «Актуальные проблемы современного строительства, энергосберегающие технологии» (г. Пенза, 1-2 декабря 2011г.);
международной заочной научной конференции «Технические науки: традиции и инновации» (г. Челябинск, январь 2012 г);
-международной научной конференции «Научная мысль информационного века» (Польша, 7-15 марта 2012 г.);
- международной научной конференции «Новейшие научные дос
тижения» (Болгария, 17-25 марта 2012 г.).
Достоверность результатов обусловлена проведением физического эксперимента на достаточно крупных моделях, тарировкой измерительных и нагружающих устройств, применением в экспериментальных исследованиях апробированных средств и методов измерения, обработкой результатов и хорошим совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Полный объём диссертации составляет 188 страниц, работа проиллюстрирована 101 рисунком и 9 таблицами. В списке литературы содержится 111 отечественных и переводных источников.
