Опыт обследования несущих конструкций и его отражение с помощью компьютерных технологий в рамках современного учебного процесса

При натурном обследовании несущих конструкций встречаются разнообразные дефекты, различные несовершенства и повреждения. Эти повреждения с годами вследствие продолжения эксплуатации здания в прежнем режиме – возрастают. Повреждения снижают несущую способность конструкций, поэтому количественный анализ повреждений – актуальная задача сегодняшнего дня.

Основная задача проектировщика – оценить несущую способность поврежденных конструкций и, если это необходимо, выполнить проект усиления. В настоящее время такая оценка несущей способности выполняется с применением современных компьютерных технологий. Основными материалами, на основании которых выполняется такая оценка, являются результаты натурного обследования конкретной конструкции.

При натурном обследовании важно уточнить существующие и будущие нагрузки. Часто встречается несоответствие реальных нагрузок – проектным:

• несоответствие реального состава кровли – проекту (вскрытие кровли часто показывает существенное увеличение реальных постоянных нагрузок);

• неучет снеговых мешков на кровле здания;

• установка нового – более тяжелого – оборудования на кровле здания (встречается при установке крупногабаритных рекламных щитов);

• монтаж более тяжелых перегородок или нового оборудования на перекрытиях зданий (этот факт часто имеет место при смене собственника помещений и при перепрофилировании здания);

• неучет нагрузки от металлизированной пыли (особенно часто это явление встречается на предприятиях черной металлургии, где наблюдается концентрация пыли на горизонтальных плоскостях. В справочной литературе встречается термин «вес отложенной производственной пыли»).

Выше перечисленные несоответствия нагрузок легко учитываются перерасчетом конструкции на новые – более опасные – виды нагружений. Современные расчетные программы дают возможность учесть любые виды нагрузок.

Каждый конкретный дефект может быть описан некоторым имитационным способом, чтобы адекватно отражать эффект снижения либо несущей способности, либо снижение критических сил, при которых происходит потеря устойчивости.

Так, коррозия, поражающая сечение стальных стержней, фасонок или арматуры может быть описана снижением площади сечения при проверочном расчете. Аналогичная задача возникает при поражении деревянных конструкций гниением или грибком, которое возникает при плохой проветриваемости. Это существенно снижает не только площадь поперечного сечения, но и длину участка, на котором это происходит. Перерасчет узлов с такими поражениями трудно предсказуем и представляет интерес.

Современные программы расчета позволяют легко перейти от первоначальной проектной площади к уменьшенной. Это особенно ценно для статически неопределимых конструкций. Раньше, до внедрения современных компьютерных технологий, такая постановка вопроса и ее решение была бы непростой задачей.

Искривленность стальных стержней в стропильных фермах, обладающих большой гибкостью, может быть описана приданием в расчетной схеме реальных стрелок прогибов, обнаруженных при натурных обследованиях. Начальная погибь характеризуется относительной стрелкой погиби и видом изогнутой оси. Наиболее существенно на результаты влияет именно стрелка прогиба, которая наблюдается при обследованиях. Это снижает критические силы для сжатых раскосов и приводит к повышению деформативности стропильных ферм.

Все эти особенности конструкции легко вносятся в расчетную схему и могут быть получены количественные результаты, позволяющие сделать достоверные выводы о поведении конструкции и о степени опасности того или иного конкретного дефекта.

Без привлечения современных компьютерных технологий решение подобных задач раньше было невозможно.

Весьма опасна для конструкции может быть невключенность стержня в работу.

Невключенность стержня в работу конструкции может быть вызвана разными причинами:

• разрыв высокопрочных болтов;

• разрыв сварных швов;

• отсутствие каких-либо креплений (встречается в горизонтальных связях по нижним поясам стропильных ферм в зданиях черной металлургии).

Для структурных конструкций из стальных труб с болтовыми соединениями встречаются ниже перечисленные дефекты:

• свободное вращение стержня вокруг собственной оси;

• воздушные зазоры в торцах трубчатых стержней;

• воздушные зазоры между головкой болта и вкладышем;

• разрыв высокопрочных болтов;

• перепутанность диаметров стержней и мест их постановки.

Невключенность стержня в работу легко имитируется его удалением из расчетной схемы. При расчете по пространственной схеме это приводит к снижению степени статической неопределимости, некоторому повышению деформативности и перераспределению усилий между оставшимися рабочими стержнями. Важно, чтобы удаленный стержень или группа стержней не приводили к геометрической изменяемости системы, которая равносильна аварийной ситуации.

Перепутанность диаметров стержней с местами их постановки по проекту приводит к несимметричной работе конструкции на симметричную нагрузку, искажению усилий и перегрузке стержней с малыми диаметрами. Решение такой задачи для многократно статически неопределимой системы немыслимо без использования современных расчетных программ. Учет таких дефектов легко осуществляется изменением продольных жесткостей в соответствующих стержнях структурной конструкции. Расчет такой системы с искаженными жесткостями занимает считанные секунды. Анализ напряжений в стержнях и оценка их несущей способности является центральным местом в таком исследовании.

В стальных структурных конструкциях, опирающихся на четыре колонны, встречаются случаи передачи опорных реакций на оголовки колонн с большими эксцентриситетами. Это приводит к внецентренному сжатию колонн, что может быть весьма опасно. Как показывают натурные обследования, эксцентриситеты бывают разнонаправленными по отношению к каркасу и приводить к несимметричной работе конструкции при симметричной нагрузке.

При натурных обследованиях наблюдается внеузловая передача опорных реакций от прогонов, опирающихся на верхний пояс стропильных ферм. Такая передача нагрузки заставляет работать верхний пояс фермы на изгиб, вызывая дополнительные изгибные напряжения.

Современные расчетные программы дают возможность легко прикладывать опорные реакции прогонов на верхние пояса ферм, минуя узлы, т. е. отказываясь от применения гипотезы о шарнирности в узловых сопряжениях. Такой подход усложняет расчетную схему, превращая ферму в статически неопределимую систему, но он ближе к действительной работе стальных ферм, которая не имеет идеальных шарниров в узлах.

Особая ситуация возникает при имитации дефектов, обнаруживаемых в сварных швах. Каждый тип дефекта шва требует особого подхода и внимательного изучения. В некоторых случаях дешевле и проще просто усилить швы с обнаруженными дефектами, чем каким-то образом имитировать дефект.

Реальные дефекты по физическому смыслу богаче и разнообразнее любых существующих на сегодняшний день математических моделей. В то же время одна и та же расчетная модель может отражать принципиально различный характер повреждений. Например, модель удаления стержня из расчетной схемы равносильна разрушению высокопрочного болта в структурных конструкциях или разрушению сварных швов в стержне, примыкающем к узлу. Такие типы дефектов полностью выключают стержень из работы.

Физические и химические процессы, протекающие при замедленном разрушении высокопрочных болтов или коррозии металла, сложны, многообразны и во многих отношениях до конца не исследованы.

Все дефекты и повреждения фиксируются фотографиями, рисунками с показом мест их нахождения с соответствующими примечаниями. Такие материалы, систематизированные и собранные вместе, называются ведомостями дефектов.

Желательно привлекать к этим работам студентов старших курсов. Это приобщение студентов благоприятно сказывается на их профессиональном воспитании, росте их интереса к предмету изучения, обогащению их опытом и умению работать с различными современными измерительными приборами.

Конечно, эти обследовательские работы требуют самого серьезного отношения к технике безопасности, поскольку приходится работать на высоте, в стесненных условиях, при плохом освещении, сильном ветре и т. п. трудностях.

Дефекты и повреждения с точки зрения снижения несущей способности, устойчивости и жесткости конструкций уже более ста лет являются актуальной задачей для инженеров и конструкторов и описаны во многих трудах как отечественных, так и зарубежных ученых. Отличительной особенностью является приспособленность этих методик к ручному расчету.

Огромное разнообразие и объем встречающихся дефектов в принципе не может быть идентифицирован и решен ручными методиками расчета, особенно для статически неопределимых систем.

Анализ дефектов, их сортировка по степени опасности требуют привлечения опытного специалиста, а процесс внесения обнаруженных дефектов в расчетную схему и перерасчет требует хорошего знания современных программных средств.

Современный расчетный аппарат, основанный на компьютерных технологиях, позволяет расширить целые классы решаемых задач, что очень важно для количественных оценок тех или иных дефектов и повреждений. Современные компьютерные технологии в области расчета строительных конструкций основаны на численных методах с использованием матричных операций. Сейчас нет никаких ограничений на количество неизвестных и матричные операции позволяют легко справиться с любым количеством неизвестных, однако получить какие-либо аналитические зависимости не представляется возможным.

Массовое использование компьютерных технологий для расчета несущих конструкций проектными организациями в начале ХХI века можно рассматривать как культурный феномен нашего времени. Этот культурный феномен объясним и вполне оправдан, поскольку существующие программные средства очень хорошо приспособлены для профессиональной работы инженеров-конструкторов.

Специфические задачи возникают при реставрационных работах на памятниках архитектурного или конструктивного зодчества. Иногда требуется обязательное сохранение использованных материалов при невозможности изменения конструктивных решений, принятых более ста лет назад. В этом случае проверочный расчет с учетом имитации встретившихся дефектов, является единственным эффективным инструментом в руках инженера.

Накопление опыта решения и постановки таких задач, обсуждение их в научной литературе, обогащают наши представления об остаточных ресурсах несущей способности отдельных стержней и узлов конструкций с конкретными повреждениями.

Современный учебный процесс в высших учебных заведениях имеет две ступени. Первая ступень – бакалавр и вторая – магистр. Целесообразно ставить подобные задачи студентам в рамках магистерских диссертаций. Научная новизна обсуждаемой проблемы и разнообразные методические подходы отвечают современным требованиям к выпускным работам магистров. Научная литература по рассматриваемой проблеме весьма разнообразна и открывает широкие возможности для расширения технического кругозора выпускников высших технических учебных заведений.

Хорошим примером является магистерская диссертация, выполненная в МГСУ под руководством автора статьи, посвященная влиянию неравномерного перекоса опорных узлов структурных конструкций. Исследование было выполнено с применением аппарата теории матриц.

При этом не следует отказываться и от традиционных методик с привлечением дифференциального и интегрального исчисления в символьной форме. Такие подходы иногда оказываются более плодотворны, поскольку они могут привести к новым, ранее неизвестным, аналитическим формулам, удобным для практического применения. Примером этого перспективного направления является магистерская диссертация, выполненная под руководством автора в МФЮА (МИТУ-МАСИ).