НАУКА-СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Оценка качества стали, составляющая один из этапов обследования зданий при реконструкции, включает в себя определение свойств стали, выявление соответствия этих свойств условиям эксплуатации металлических конструкций и назначение расчетных сопротивлений.

К основным свойствам стали, важным с точки зрения ее работы в строительных металлических конструкциях, относятся: прочность, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, усталостная прочность, свариваемость, коррозионная стойкость.

Зависимость тех или иных свойств зависит от конкретных условий работы конструкций. Так, при эксплуатации конструкций при пониженных температурах особую важность приобретает склонность стали к хрупкому разрушению. Для подкрановых балок важны характеристики усталостной прочности.

Исходными материалами для оценки качества стали служат техническая документация и результаты испытаний. По чертежам КМ устанавливаются марки стали, электродов, метизов и других изделий, принятые при проектировании. По деталировочным чертежам КМД выявляются возможные замены марок в процессе изготовления конструкций. Данные сертификатов позволяют уточнить свойства материалов, заложенных в конструкцию, и степень соответствия этих свойств действующим ГОСТ и техническим условиям на поставку стали. Следует отметить, что сведения, содержащиеся в сертификатах, не полностью отражают свойства материала, использованного в конструкциях.

Как известно, свойства стали обладают определенной изменчивостью и единичные испытания (1—2 образца на партию проката) не могут дать полной характеристики качества стали. Нередко характеристики металла, получаемые при испытании образцов, вырезанных из конструкций, на 10—15% отличаются от указанных в сертификатах. Кроме того, существующая на металлургических заводах практика отбора проб для контрольных испытаний в потоке приводит к разным условиям охлаждения металла образцов и готового проката.

По исследованиям, выполненным в ЦНИИСК, это может привести к завышению результатов контрольных испытаний на 5—10%, поэтому данные сертификатов следует рассматривать лишь как качественную оценку свойств стали и указанные в них значения предела текучести и временного сопротивления не могут быть приняты в качестве расчетных сопротивлений. Если значения механических характеристик, приведенные в сертификатах, близки к нижним пределам, установленным в стандартах, а содержание углерода, серы и фосфора — к верхним, то существует достаточно большая вероятность появления в конструкциях металла, не отвечающего требованиям норм,

Дополнительные сведения о качестве металла можно получить, зная период его производства.

В дореволюционных строительных металлических конструкциях в основном применялось сварочное и литое железо. Нормировались значения временного сопротивления и относительного удлинения. Сварочное железо отличалось малой однородностью. Значение временного сопротивления в сечении проката колебалось в пределах 267—378 МП а. Прочность железа в направлении поперек проката была на 20—30% ниже, чем прочность вдоль проката. Структура волокнистая, с ярко выраженными шлаковыми включениями,

Временное сопротивление при нормированном значении 320 МПа изменялось в пределах 230—490 МПа, а относительное удлинение порядка 10—30%. Ориентировочное значение расчетного сопротивления сварочного железа не превышало 120—140 МПа и в каждом конкретном случае должно быть уточнено.

Литое железо отличалось большей однородностью и прочностью. Временное сопротивление составляло 350—450 МПа, а относительное удлинение было не менее 20%; структура однородная, мелкозернистая. По исследованиям литое железо как по химическому составу, так и по механическим свойствам близко к современной стали, марки СтЗкп, но имеет несколько меньшую однородность, коэффициент вариации по пределу текучести достигает 13%.

В 20-е годы в связи с острой нехваткой металла строительные конструкции нередко выполнялись из случайного материала. Механические свойства этого материала были чрезвычайно неоднородны, Для применения в конструкциях иногда достаточно было провести испытания на холодный изгиб в полевых условиях. Достаточно широко использовались немецкие стали, имевшие повышенное содержание фосфора. Допускалось применение томас-совских сталей. Отмечались случаи, когда при испытании образцов, вырезанных из конструкций, значение временного сопротивления составляло всего 130 МПа, а в месте разрыва обнаруживались объемные шлаковые влкючения. В то же время на многих объектах, сооруженных в этот период, испытания конструкций показали вполне удовлетворительные результаты. В большинстве случаев металл конструкций этих лет можно классифицировать как сталь 0 с расчетным сопротивлением R = 170 МПа.

В 30-х годах разработка и внедрение ОСТов на производство стали способствовали использованию в конструкциях более качественного металла. Исследования показали высокую стабильность свойств стали и хорошую отработку технологии ее изготовления. В строительстве в основном стала использоваться сталь марки СтЗ. Однородность значительно улучшилась и коэффициент вариации по пределу текучести и временному сопротивлению составил 6—9%. Среднее значение предела текучести составляло 261 МПа, временного сопротивления 400 МПа, относительного удлинения 26,3%. Следует сказать, что содержание фосфора и серы немного превышало современные требования и достигало 0,06— 0,08%, но значение ударной вязкости, даже при t = -20°C в среднем составило 0,56 МДж/м2.

С 1937 г. углеродистую прокатную сталь поставляли по ОСТ 2897, Повысилось качество стали и особенно улучшилась ее однородность. Химический состав приблизился к современной стали марки СтЗкп. Применение томассовских сталей было ограничено второстепенными нерасчетными элементами.

Испытания образцов, вырезанных из конструкций, цехов, построенных в 30-х годах, показали значения предела текучести 250-310 МПа, а временного сопротивления не ниже 380 МПа, Порог хладноломкости по результатам испытаний на ударную вязкость составил -10 ... - 20°С. Вместе с тем в конструкциях, выполненных в 30-е годы, еще применялась некондиционная сталь пониженного качества. Большое количество конструкций изготовлялось из немецкой стали с повышенным содержанием серы и фосфора. Все эти факторы необходимо учитывать при оценке качества материала. Появившиеся в это время отечественные стали повышенной прочности были использованы только на уникальных объектах и широкого распространения не получили.

В условиях военного времени требования к сталям для строительных конструкций были понижены. Было допущено применение бессемеровских и томассовских сталей. Ряд объектов на Урале, в Сибири и в других районах был выполнен из обезличенной стали, вывезенной из зон боевых действий. Испытания металла производились упрощенным способом на изгиб в холодном состоянии и твердость. Этой стали присваивалась марка СтО.

В конструкциях, построенных в 40-е годы, а также восстановленных после войны, нередко использовались поставленные по репарации из Германии томассовские стали с повышенным содержанием углерода, серы и фосфора. Эти стали при достаточно высокой прочности обладают повышенной хрупкостью и низкой свариваемостью.

Особенностью отечественной стали, выпущенной в период 1943— 1946 гг., является широкое использование легированного металлолома военных лет. Это привело к повышению средних значений прочностных характеристик при увеличении разброса. Сред нестатические значения предела текучести повысились до 300-310 МПа, а временное сопротивление до 440 МПа. Коэффициент вариации увеличился до 9—10%. В 50-х годах эти значения понизились и составили для предела текучести: среднее значение 270—280 МПа, при среднем квадратичном отклонении 20-25 МПа; для временного сопротивления соответственно 430-440 МПа и 20-23 МПа.

В последующие годы статистические характеристики распределения свойств малоуглеродистой стали оставались приблизительно на том же уровне. Как правило, спокойная сталь имеет прочностные характеристики на 20-25 МПа выше, чем кипящая. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение. Существенная   разница   (до   10%)   отмечается   между свойствами  металла, поставленного с разных заводов [33]. Фасонный прокат обладает повышенными прочностными характеристиками. С уменьшением толщины проката предел текучести и временное сопротивление увеличиваются, особенно при толщинах менее 10 мм [33]. В диапазоне толщины 4—10 мм на каждый миллиметр увеличения толщины значение предела текучести падает на 4-12 МПа.

Начиная с 60-х годов широкое применение в строительных конструкциях получили стали повышенной и высокой прочности. По результатам статистических исследований средние значения предела текучести большинства низколегированных сталей намного выше нормируемых величин, значения нормативных сопротивлений, установленные в стандартах, имеют обеспеченность выше 95%. Исключение составляет сталь марки 09Г2С, для которой среднее значение предела текучести близко к нижнему пределу и нормативное сопротивление имеет недостаточную обеспеченность. Как и для малоуглеродистых сталей профильный прокат обладает более высокой прочностью. С увеличением толщины проката предел текучести уменьшается. Так, для стали марки 10Г2С1 среднее уменьшение предела текучести на 1 мм толщины в диапазоне толщин 16-80 мм составляет 0,85 МПа. Значительно сильнее влияние толщины проявляется в диапазоне 4—10 мм. По исследованиям, выполненным для стали марки 09Г2 [45], снижение предела текучести для этих толщин составляет 7—10 МПа на 1 мм.

Указанные в нормах проектирования расчетные сопротивления устанавливались исходя из анализа всей совокупности свойств металла данной марки. При этом не учитывались особенности отдельных заводов-поставщиков, различия в свойствах металла разных профилей и толщин. При индивидуальном же подходе к каждому конкретному сооружению, выполненному из ограниченного набора профилей и толщин, представляется возможным уточнить значения расчетных сопротивлений, что во многих случаях позволит выявить определенные резервы несущей способности. Это можно сделать на основании испытаний образцов металла, отобранных из конструкций. Кроме того, испытания необходимы, если в технической документации отсутствуют сведения о марках стали, использованных при изготовлении конструкций, и сертификаты, а также в случае, если в конструкциях обнаружены повреждения, связанные с низким  качеством стали   (хрупкие трещины, расслой и т.д.).

Как показывают результаты обследований, в конструкциях, изготовленных после 1931 г., прочностные характеристики металла не ниже, чем регламентируемые для стали марки СтО. Поэтому, если конструкции эксплуатируются при статических нагрузках и положительной температуре, если напряжения в них не превышают 170 МПа и после реконструкции не предполагается увеличения нагрузок и интенсивности воздействий, то испытания образцов металла можно не проводить.

Учитывая, что свойства проката зависят от типа профиля и толщины, а также завода — поставщика металла, все конструкции разделяются на партии. В одну партию включается прокат одного профиля и толщины, входящий в состав однотипных конструкций (балки, фермы, колонны и т.д.) одного периода строительства. Объем партии не должен превышать 60 т или 100 шт. конструкций. При этом предполагается, что для однотипных конструкций одной очереди строительства каждый вид проката поставляется с одного металлургического завода.

В общем случае комплекс показателей, устанавливаемых при испытании металла эксплуатируемых конструкций, включает в себя определение:

содержания в стали углерода, кремния, марганца, серы и фосфора (для низколегированных сталей дополнительно выявляется содержание легирующих элементов);

временного сопротивления разрыву, предела текучести и относительного удлинения при статическом растяжении;

ударной вязкости при различных температурах в зависимости от условий эксплуатации и после механического старения;

распределения сернистых включений способом отпечатков по Бауману (для кипящих сталей).

Все испытания проводятся в соответствии с действующими стандартами. Образцы и пробы должны быть замаркированы с указанием мест их отбора. Стружка для химического анализа отбирается сверлением на всю толщину проката в трех местах по длине элемента и смешивается. Масса готовой пробы должна быть не менее 50 г. Перед отбором пробы поверхность элемента следует очистить от загрязнений, краски и окалины до металлического блеска.

Испытание на растяжение рекомендуется проводить на плоских образцах с записью диаграммы (ГОСТ 1947—84). При невозможности изготовления плоских образцов эти испытания можно провести на малых точеных образцах. Ударная вязкость определяется на стандартных образцах с надрезом. Элементы для испытания на растяжение и ударную вязкость следует вырезать по направлению действия основного силового потока. При вырезке должны быть обеспечены припуски, предохраняющие образец от влияния наклепа и нагрева.

Наибольший интерес представляет изучение свойств металла наиболее нагруженных элементов конструкций, поэтому предварительно следует выявить элементы, которые имеют наибольший уровень напряжений. Образцы вырезаются из малонапряженных зон этих элементов. Например в элементах ферм из уголков образцы отбираются из выступающих полок уголков в узлах, для поясов разрезных балок — в приопорных сечениях. Вырез должен быть плавным, без надрезов, в необходимых случаях места вырезки образцов должны быть усилены,

Темплеты для снятия отпечатков по Бауману вырезаются из листовой и широкополосной стали — вдоль направления прокатки, из сортового и фасонного проката — поперек направления прокатки. Рабочая поверхность шлифа должна лежать в плоскости, перпендикулярной направлению прокатки. Для листовой и широкополосной стали шлиф должен иметь поверхность 150xt (t — толщина проката, мм); для сортового и фасонного проката поверхность шлифа должна быть равна поперечному сечению профиля или половине профиля от кромки до оси симметрии.

Необходимость проведения тех или иных испытаний зависит от условий работы конструкций.

Для конструкций 1 и 2 (СНиП 11 -23-81), работающих в наиболее тяжелых условиях, проводится весь комплекс испытаний. Если конструкции выполнены из кипящей стали, то рекомендуется также для выявления размеров зерна определить микроструктуру. В конструкциях групп 3 и 4, эксплуатирующихся в отапливаемых помещениях, можно ограничиться только установлением химического состава и испытаниями на растяжение, поскольку опасность хрупкого разрушения таких конструкций мала.

Важным вопросом является определение количества проб и образцов для испытаний. Естественно, что достоверность результатов испытаний при увеличении их числа возрастает. Однако сложность вырезки образцов и усиления этих мест в условиях действующего производства, дополнительные затраты на изготовление образцов и проведение испытаний заставляют ограничить их число минимально необходимым, установленным на основании практики обследований

Для получения наиболее полной информации о механических свойствах стали можно воспользоваться косвенными методами оценки прочности без вырезки образцов. Одним из таких методов является оценка прочности стали по результатам измерения твердости. Под твердостью понимается сопротивление, которое данный материал оказывает проникновению в него другого, более твердого. В отличие от других методов механических испытаний определение твердости не приводит к разрушению образцов или элементов конструкций. Существующие приборы отличаются простотой и компактностью и позволяют проводить испытания непосредственно на конструкциях.

Наиболее распространенными способами оценки твердости являются методы Бринеля и Польди. Интересная методика оценки твердости стали была разработана в ЦНИИПпроектстальконструкции, Волгоградском политехническом институте и ВНИИФТРИ, По результатам определения твердости по эмпирическим зависимостям вычисляется значение временного сопротивления бв и условного предела   текучести а. Для строительных сталей твердость по Бринелю НВ обычно  не превышает 260 и значения прочностных характеристик могут быть определены по формулам

Однако из-за недостаточной точности этого метода его можно использовать только для предварительной оценки прочности стали и выбора наиболее слабых элементов для последующих испытаний более точными методами. В то же время простота и возможность испытаний практически всех наиболее нагруженных элементов делают этот метод весьма полезным при проведении обследования.

Другая методика для определения механических свойств стали была разработана в МИСИ им. В.В, Куйбышева и в Коммун а рском горно-металлургическом институте [22, 35]. Она основана на определении усилия, необходимого для среза резьбы с записью диаграммы деформирования и позволяет получить характеристику прочностных и пластических свойств стали.

Площадь диаграммы деформирования дает оценку пластических свойств стали. Анализ результатов испытаний стандартных образцов на растяжение и по предложенной методике выявил тесную корреляционную связь между характеристиками, получаемыми по обеим методикам. Коэффициент корреляции составляет 0,8— 0,9. К достоинствам методики следует отнести определение механических характеристик практически без разрушения элементов (диаметр отверстий не превышает 5 мм, глубина составляет небольшую часть толщины проката), возможность изучения свойств металла в малых зонах, например в угловых швах, быстроту проведения испытания и низкую трудоемкость работ.

Склонность стали к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытаний на ударную вязкость. Использование силовых, деформационных и энергетических критериев, основанных на линейной механике резрушения, требует специального оборудования; кроме того, толщина металлопроката, применяемого в конструкциях из обычной строительной стали, не позволяет изготовлять образцы для таких испытаний. Поэтому такие методы не могут быть рекомендованы для широкого применения.

Основным типом образцов для ударных испытаний являются образцы с U-образным надрезом. Для наиболее ответственных конструкций могут использоваться образцы с V-образным надрезом. По результатам испытаний при разных температурах определяют порог хладноломкости и сопоставляют его с условиями работы конструкций.

Свариваемость стали является комплексной характеристикой, включающей в себя прочность соединения при различных условиях работы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин, хладноломкость и т,д, В эксплуатируемых сварных конструкциях косвенной оценкой свариваемости материала является состояние сварных соединений. Если при обследовании не обнаружено трещин, вызванных самой сваркой, то дополнительных оценок свариваемости можно не проводить. В клепаных и других конструкциях, не имеющих сварных соединений, оценка свариваемости необходима в том случае, если при их усилении предполагается использование сварки.

Использование специальных технологических проб требует вырезки заготовок из конструкций и достаточно трудоемких испытаний, поэтому их применение может быть рекомендовано только в исключительных случаях. Обычно свариваемость стали эксплуатируемых конструкций оценивают по углеродному эквиваленту, определяемому по формуле

Сталь считается хорошо свариваемой при Сэ < 0,45%. Углеродистая сталь хорошо сваривается при содержании углерода С < 0,22, серы S <0,055, фосфора Р < 0,050 и кремния Si < 0,22%.

Коррозионную стойкость стали эксплуатируемых конструкций также можно оценить по их состоянию, т.е. виду и степени развития коррозионных повреждений. Косвенно коррозионную стойкость определяют по ее химическому составу. Так, при добавках в стали никеля, хрома и меди ее коррозионная стойкость в промышленной атмосфере повышается. Все строительные стали по коррозионной стойкости можно разделить на три группы [27]. Наименее стойкие марганцовистые стали 09Г2; 14Г2; 14ГСМФР входят в первую группу и в средне- и сильноагрессивной среде имеют повышенную скорость коррозии, Медистые и атмосферостойкие стали 10ХСНД, 15ХСНД, 10ХНДП и другие имеют повышенную коррозионную стойкость й в слабоагрессивных открытых атмосферах могут применяться без специальных защитных мероприятий. Прочие стали, в том числе и малоуглеродистые, имеют промежуточную коррозионную стойкость.

По результатам комплексных испытаний стали и их сопоставлению с нормативными требованиями выявляется соответствие свойств материала новым условиям эксплуатации после проведения реконструкции. В необходимых случаях вводятся ограничения на эксплуатацию, например в горячих цехах с конструкциями, выполненными из кипящих сталей и имеющих пониженную хладостойкость, не допускается остановка технологического оборудования в зимний период; в зимний период на эстакадах для снижения уровня напряжений ограничивается сближение и величина грузов для мостовых кранов и т.д.

При разработке проекта усиления учитывается свариваемость стали. Способ защиты конструкций от коррозии назначается с учетом не только среды, но и коррозионной стойкости стали. Если металл конструкций не удовлетворяет нормативным требованиям и в конструкциях обнаружены серьезные повреждения (трещины, расслой), может быть поставлен' вопрос об их замене.

Одним из основных результатов оценки качества материала является назначение расчетных сопротивлений. При ограниченном числе испытаний, указанном в табл. 4.1, не представляется возможным использовать их результаты непосредственно для назначения расчетного сопротивления. В этом случае по материалам испытаний устанавливается марка стали или ее аналог в действовавших в период строительства ГОСТах и технических условиях и расчетные характеристики назначаются исходя из опыта эксплуатации конструкций, выполненных из аналогичных сталей,

Расчетное сопротивление основного металла рекомендуется определять делением нормативного значения предела текучести RH на коэффициент надежности по материалу Для сталей, у которых приведенные в сертификатах или полученные при испытаниях значения предела текучести соответствуют требованиям стандартов, действовавших в период строительства, в качестве нормативного принимается минимальное значение предела текучести, указанное в этих документах.

Если приведенные в сертификатах или полученные при испытаниях значения предела текучести ниже указанных в стандартах, то за нормативное принимается минимальное из данных сертификатов или результатов испытаний значение предела текучести.

Стали, применявшиеся до 1932 г. (срока введения первых общесоюзных нормативных документов), имели весьма большой разброс свойств, поэтому для них коэффициент надежности по материалу следует принимать не ниже 1,2.

После введения ОСТа на производство стали однородность металлопроката улучшилась и значение коэффициента 7м Для конструкций, выполненных в период 1932—1982 гг., можно снизить. По результатам статистических исследований для малоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности с пределом текучести dT < 380 МПа можно принять 7м = 1#1- Для сталей более высокой прочности, как правило, прошедших термообработку, разброс свойств увеличивается, поэтому значение 7м следует назначить 1,15. Наконец, для зданий, построенных после 1982 г. и запроектированных по СНиП М-23-81, коэффициент надежности по материалу принимается в соответствии с нормами.

В конструкциях, выполненных до 50-х годов, для сварки нередко использовались электроды с ионизирующей обмазкой. В этом случае, учитывая пониженное качество шва, следует вводить коэффициент условий работы 7СВ = 0,8.

Расчетные сопротивления срезу заклепок определяются по ранее действующим нормам проектирования (СНиП М-В,3-72), при этом, если способ образования отверстий не установлен, то расчетные сопротивления принимаются по группе С.

При большом количестве испытанных на каждую партию образцов (не менее 10) для определения нормативного сопротивления могут использоваться статистические методы. В качестве нормативного сопротивления при этом принимается значение предела текучести, имеющее обеспеченность не ниже 95%, что соответствует основным положениям методики расчета строительных конструкций по предельным состояниям.

Как показывают результаты статистических исследований, плотность распределения предела текучести стали достаточно близко соответствует нормальному распределению

При бесконечно большой выборке и значениях выборочных характеристик, приближающихся к параметрам генеральной совокупности, обеспеченности 95% соответствует к = 1,65. Для ограниченной выборки п статистические характеристики распределения могут отличаться от параметров генеральной совокупности и тем больше, чем меньше выборка. Учитывая это, значение к определяется по формуле

Для наиболее ответственных конструкций, наступление предельного состояния для которых связано с обрушением (потеря устойчивости,   любой  вид  разрушения),  доверительную  вероятность у следует назначить достаточно высокой и принять ее не менее 0,9, Для элементов и конструкций, имеющих повышенную ответственность, но для которых наступление предельного состояния не связано с обрушением (развитие пластических деформаций и прогибов) значение у можно уменьшить и принять 0,7. Для конструкций, имеющих чисто экономическую ответственность, если наступление предельного состояния не грозит обрушением, значение у можно принять 0,5.

Во всех случаях значение нормативного сопротивления следует принимать не выше минимального предела текучести полученного при испытаниях. Для элементов, подвергнутых испытаниям, в качестве нормативного сопротивления принимается полученное значение предела текучести,

При использовании для определения свойств стали метода среза резьбы для контроля полученных результатов следует из каждой партии вырезать хотя бы по одному образцу и испытать его на растяжение. Для определения расчетного сопротивления коэффициент надежности по материалу принимается аналогично изложенному выше.