10936

Е.А. Хаустова, П.А. Хазов

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ УПРУГИХ СТЕРЖНЕЙ СПЛОШНОГО ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Вопросы обеспечения общей устойчивости систем сплошного переменного сечения играют важную роль в связи с применением в них высокопрочных сталей, а также лёгких сплавов, обладающих высокими деформативными свойствами. Целесообразность применения элементов переменного сечения обуславливается возможностью снижения материалоёмкости конструкции, а также более равномерным распределением напряжения. Использование рамных каркасов переменной жёсткости показало, что они обеспечивают минимизацию затрат не только на стадии строительства, но и в период эксплуатации. Они технологичны с точки зрения изготовления элементов, сборки и монтажа. В связи с этим в настоящее время данной тематике уделяется большое внимание [1-9]. Однако в России, несмотря на наличие целого ряда преимуществ, применение данного типа конструкций ограничено в связи с отсутствием эффективных методик расчёта.

Одной из главных проблем темы в настоящее время является отсутствие инженерных способов проверки устойчивости элементов переменного сечения, необходимой для обеспечения их безопасной эксплуатации и предотвращения возможных разрушений. В связи с этим теоретические, экспериментальные и численные исследования пространственной устойчивости стержней переменной жёсткости являются актуальными для строительной механики.

В данной работе рассматривается аналитический способ определения критического усилия, при котором стержень переменного сечения теряет устойчивость. В качестве граничных условий принимается шарнирное закрепление (рис. 1,а).

Для теоретического определения критической силы целесообразно применить подход Л. Эйлера [9], состоящий в предположении нахождения стержня в критическом состоянии, при котором возможны как исходная (рис. 1,а), так и отклонённая формы (рис. 1,б)равновесия.

5. Если придать стержню малое отклонение, то кривизна изогнутой оси будет уменьшаться по мере увеличения сечения стержня. Это означает, что максимальное отклонение оси стержня от исходного

положения уmax будет возникать в сечении с координатой хmax < 2 (рис. 1,б).

220

6. В шарнирах полностью отсутствует кривизна оси стержня, ввиду равенства нулю изгибающих моментов. Так как перемещения точек по краям стержня отсутствуют, уравнение изогнутой оси у(х) должно удовлетворять ряду условий:

Согласно принципу Лагранжа о возможных перемещений, сумма работ всех внешних и внутренних сил на любом возможном перемещении равна нулю:

На расстоянии х от начала координат выделим бесконечно малый элемент стержня (рис. 1,в), в котором возникает изгибающий момент М(х),

Рис. 3. Расчетная схема стержня переменного сечения: а – исходная форма равновесия; б – отклоненная форма равновесия; в – расчетная схема для определения критической силы.

где E – модуль упругости изучаемого материала, J – осевой момент инерции стержня.

Работа внешних сил определяется выражением:

Здесь dx – проекция малого элемента ds на ось х (рис.31,в).

В несжимаемом стержне длину l можно определить, как длину

где φ – угол наклона касательной к оси стержня (рис. 1,в).

Учитывая, что в момент потери устойчивости 2 = 2, = 1,= ′, выражение для работы внешних сил приобретет следующий вид:

Окончательное выражение для критической силы с учётом (4) и (9):

∫ ( ) ∙ (′′( ))2кр = 0 ∫0( ′( ))2

Полученное выражение для определения критического усилия, приводящего к потере устойчивости стержня, переменного сечения нуждается в упрощении. Ввиду того, что применение в инженерной практике уравнений подобного вида затруднительно, так как требует проведения операций интегрирования и дифференцирования. Сложность решения данной проблемы заключается в том, что на данный момент не найдено в общем виде аппроксимирующей функции, удовлетворяющей совокупности условий (1). Поэтому для расчётов конструктивных элементов переменного сечения используются методы математического моделирования в программных комплексах с проведением соответствующей верификации результатов за счёт введения поправочных коэффициентов или данные физических экспериментов, предполагающих разрушение опытных образцов.

Литература

1.Катюшин, В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство): монография / В.В. Катюшин. – М.: Стройиздат, 2005. – 656 с.

2.Аскинази, В.Ю. Пространственная устойчивость элементов стальных рамных конструкций переменной жесткости: автореф. Канд. техн.

наук: 05.23.01 / В.Ю. Аскинази. – СПб, 2017. – 26 с.

3.Никора, Н.И. Продольный изгиб стержней переменной жесткости с учетом деформаций ползучести и температурных воздействий / Н.И.

222

Никора // Диссертация на соискание степени канд. техн. наук. – Ростов-на- Дону, 2016. – 120 с.

4.Богданович, А.У. Устойчивость стержня переменного эллиптического сечения при продольном сжатии / А.У. Богданович, А.А. Абдюшев // Известия КГАСУ. – Казань, 2006. - №2(6) – С. 38-41

5.Богданович, А.У. Продольное сжатие тонкостенного стержня переменного сечения при различных вариантах закрепления торцов / А.У. Богданович, И.Л. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. – Москва,

2005. - №10. – С. 19-25

6.Беляева, С.Ю. Исследование несущей способности элементов стальной рамы переменного сечения при ошибках сборки и монтажа / С.Ю. Беляева, Д.Н. Кузнецов, И.А. Ковылина // Современное строительство и архитектура. – 2016. – № 1 (01). – С. 22-26.

7.Блюмин, С.Л. Решение задачи устойчивости сжато-изгибаемых жестко опертых стержней переменной жесткости / С.Л. Блюмин, В.В. Зверев, И.В. Сотникова, А.С. Сысоев // Вестник МГСУ. – 2015. - №5. – С.

18-27.

8.Галкин, А.В. Задача устойчивости сжато-изгибаемых стержней со ступенчатым изменением жесткости / А.А Галкин, А.С. Сысоев, И.В. Сотникова // Вестник МГСУ. – 2015. - №2. – С.38-44.

9.Лампси, Б.Б. Устойчивость центрально сжатого стержня переменного сечения / Б.Б. Лампси, П.А. Хазов, Н.А. Кириллова. – Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. - № 21. – 2018. – С. 139-142.

Аниськина К.И.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ЗАЩИТА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ

Коррозия является предметом научных исследований уже более 150 лет. Как и природные явления (температурные воздействия, грозовые разряды, землетрясения и др.), коррозия может нанести опасный ущерб зданиям и сооружениям, привести к их разрушению. Однако, в отличие от стихийных бедствий, существуют различные методы предотвращения и контроля коррозии, которые могут снизить или устранить ее воздействие на общественную безопасность, экономику и окружающую среду.

223

Коррозия (от лат. Corrosio – разъедание) – самопроизвольный процесс разрушения металлов вследствие их взаимодействия с коррозионной средой [1,2]. Более того, это взаимодействие может иметь различный характер: химический, электрохимический, а иногда и физико-химический. Что происходит с металлами, попавшими в агрессивную среду? Дело в том, что эти материалы имеют недостаточную термодинамическую устойчивость к определённым веществам, с которыми они взаимодействуют. Проявлением коррозии являются ее продукты, такие как ржавчина.

Коррозионный процесс наносит существенный ущерб мировой экономике, и разрешение этой проблемы является важной и актуальной во времени задачей. Согласно статистическим данным [5] ежегодные мировые потери от коррозии оцениваются в 1,8 трлн долларов, а в таких странах, как США и Германия затраты достигают 3,1% от валового внутреннего продукта. Однако, при грамотном использовании научно-обоснованных методов защиты от такого типа воздействий часть потерь можно было бы избежать.

Помимо ущерба с экономической точки зрения, коррозионный процесс может привести к разрушениям конструкций или их элементов, серьезным авариям и чрезвычайным ситуациям, в том числе к человеческим жертвам. Так, в 2005 г. в здании плавательного бассейна «Дельфин», расположенного в г. Чусовом, произошло обрушение части покрытия помещения, в котором была размещена большая ванна (рис.1). Причиной аварийной ситуации послужил разрыв горизонтальной стыковой накладки и фасонки в монтажном узле нижнего пояса фермы. Главным фактором, вызвавшим разрыв в узле, стало уменьшение площади рабочего сечения накладки и фасонки (более 50%) вследствие коррозии металла.

Рис.1 Последствия обрушения покрытия бассейна «Дельфин» в г. Чусовом

Еще одним примером разрушения вследствие воздействия коррозии является авария в 1983г. в США. В Гринвиче рухнул мост через реку

224

Мианус (рис.2). Одной из причин обрушения стала коррозия подшипников подъемного механизма. Она, в свою очередь, возникла из-за нарушения требований к очистке рядом расположенных стоков и повышения уровня воды.

Рис.2 Последствия обрушения моста через реку Мианус в Гринвиче, США

Существует множество методов защиты конструкций от коррозии. Основными и эффективными из них являются:

1.Использование коррозионностойких материалов;

2.Защитные покрытия (металлические, неметаллические);

3.Подавление влияния коррозионной среды;

4.Электрохимический метод;

5.Рациональное конструирование изделий.

Наиболее надёжный метод борьбы с коррозией – изготовление строительных конструкций или их элементов из коррозионностойких материалов. В состав таких материалов, помимо обычных примесей, входят компоненты, вызывающие пассивность металла в агрессивной среде.

Введение элементов (меди, титана, хрома) к сталям приводит к тому, что при коррозионном процессе образуются плотные продукты реакции, предохраняющие и защищающие сплав от разрушения. Однако коррозионностойкие материалы имеют высокую стоимость и низкую пластичность, поэтому на практике большинство конструкций и изделий производят из доступных материалов с последующей защитой их от коррозии.

Основным способом борьбы с коррозией являются искусственно создаваемые на поверхности металла защитные покрытия – металлические и неметаллические (полимерные, лакокрасочные) [4]. Выбор вида покрытия зависит от среды размещения конструкции и природы металла.

Материалами для металлических покрытий могут быть чистые металлы (Zn, Al, Cu) и их сплавы: бронза, латунь и т. Д. В зависимости от

225

характера защиты основы различают анодные и катодные покрытия. Если металл покрытия в определённой коррозионной среде имеет более отрицательный потенциал, чем металл основы, то растворяется покрытие, а не основа. Такое покрытие называется анодным. Если покрытие имеет более положительный потенциал, то растворяется основа – покрытие катодное.

Неметаллические защитные покрытия могут быть как неорганическими (неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома и фосфора) так и органическими (лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, резиной, полимерными пленками). Защитное действие таких покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды.

Внастоящее время наибольшее распространение получили «трехслойные» материалы с двойным уровнем защиты. Первым уровнем является непосредственно оцинковка, вторым – полимер. Благодаря такой структуре сталь становится стойкой к воздействию агрессивных сред и механическим повреждениям.

Метод изменения свойств коррозионной среды [3] пригоден в том случае, когда защищаемое изделие эксплуатируется в ограниченном объеме жидкости. Метод состоит в удалении из раствора, в котором эксплуатируется защищаемая деталь, растворенного кислорода (деаэрация) или в добавлении к этому раствору ингибиторов – веществ, при добавлении которых в среду, где находится металл, значительно уменьшается скорость коррозии металла.

Электрохимический метод защиты основан на замедлении скорости анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая защита осуществляется путем присоединения к защищаемой конструкции, находящейся в среде электролита, металла с более отрицательным значением электродного потенциала – протектора. Наиболее применима электрохимическая защита в коррозионных средах с хорошей ионной электрической проводимостью.

Основы безотказной работы строительных конструкций и оборудования в значительной мере закладываются еще на стадии рационального конструирования. При проектировании следует минимизировать или исключить опасные, с точки зрения коррозионного процесса, участки: места для скопления влаги, зазоры, щели, контакты металлов и механических напряжений.

Внастоящее время в области коррозионной защиты повышенное внимание современных исследователей обращено на разработку и анализ новых противокоррозионных покрытий. Среди многочисленных исследований по покрытиям большой интерес представляют следующие темы:

1.Супергидрофобные покрытия;

226

2.«Зеленые технологии»;

3.Снижение водопроницаемости полимерных покрытий;

4.Самозалечивающиеся покрытия;

5.Мониторинг состояния покрытий в режиме реального времени. Проблема предотвращения коррозионных разрушений металлических

конструкций занимает одно из основных мест в решении задачи по повышению надежности и долговечности. К настоящему времени благодаря изучению механизма коррозии, причин ее возникновения разработано большое количество методов защиты от коррозионных воздействий, выбор которых определяется природой защищаемого металла, экономическими соображениями, параметрами коррозионной среды. Несмотря на научнотехнический прогресс и появление новых, современных технологий, проблема борьбы с коррозией остается актуальной.

Литература

1.СП 28.13330.2017 Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СниП 2.03.11-85 (с Изменениями N 1, 2).

2.ГОСТ 5272-68 Коррозия металлов. Термины (с Изменениями N

1,2)

3.Степанова, В.Ф. Защита от коррозии строительных конструкций – основа обеспечения долговечности зданий и сооружений / В.Ф. Степанова

//Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2005. – №3. – С. 16-19.

4.Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М. Обзор зарубежного опыта исследований коррозии и средств защиты от коррозии // Авиационные материалы и технологии. 2015. №2.

5.Schütze M., Hays G.F., Burns W., Han E., Jacobson G. Global Needs for Knowledge Dissemination, Research, and Development in Materials Deterioration and Corrosion Control, 2009.

Борискина Е.С., Деулина Н.М.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АДАПТИВНОГО ФУНДАМЕНТА В СЕЙСМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ РАЙОНАХ

Примерно 25% территории России, на которой расположены 27 субъектов Федерации с населением около 20 млн. человек, подвержено

227

воздействию землетрясений интенсивностью 7 баллов и выше. Степень опасности сейсмического воздействия зависит не столько от его силы, сколько от размеров ущерба социального, экономического, экологического, который может возникнуть в результате человеческих потерь, разрушений зданий, сооружений, хозяйственных объектов, инженерной инфраструктуры.

Сейсмические воздействия представляют собой колебания земной поверхности в результате быстрого выхода накапливаемой энергии внутренних сил планеты. Эти колебания передаются через грунт в основании на само здание или сооружение.

Очень важным является умение проектировать в соответствующих регионах сейсмостойкие здания и сооружения, которые будут оставаться надежной конструкцией во время различных процессов, происходящих в земной поверхности.

Сейсмостойкость сооружения – способность сооружения сохранять после расчетного землетрясения функции, предусмотренные проектом, например:

-отсутствие глобальных обрушений или разрушений сооружения, или его частей, способных обусловить гибель и травматизм людей;

-эксплуатацию сооружения после восстановления или ремонта;

-пожарную безопасность здания;

-отсутствие обрушения сооружения в случае повторных толчков с интенсивностью на один балл меньше расчётного землетрясения до восстановления или ремонта. [1]

Для того чтобы здание противостояло перемещениям, возникающим

входе подземных толчков, необходимо предусматривать антисейсмические мероприятия.

Антисейсмические мероприятия – это совокупность конструктивных и планировочных решений, основанных на выполнении требований, обеспечивающих определённый, регламентированный нормами, уровень сейсмостойкости сооружений.

Вкачестве таких мероприятий при проектировании зданий используются различные системы сейсмозащиты. Данные системы позволяют уменьшать сейсмические нагрузки на надземные конструкции зданий и сооружений, вследствие чего повышается надёжность их работы при землетрясениях, снижается материалоёмкость и сметная стоимость объектов строительства, расширяются области их применения в районах с разной степенью сейсмической активности.

Наиболее важным является обеспечение устойчивости и прочности фундамента здания, так как фундамент – это основа всего здания,

228

представляющая собой подземную конструкцию для передачи нагрузок и воздействий от здания или сооружения к грунтовому основанию.

Для строительства зданий в условиях сейсмичности устраивают те же фундаменты: свайные, ленточные, плитные и столбчатые. Однако особые условия строительства требуют соответствующих изменений в конструкции стандартных фундаментов. К примеру, для усиления сборных фундаментов обязательно устраиваются перевязка блоков в узлах и укладка дополнительных арматурных сеток, а отдельные фундаменты должны раскрепляться железобетонными вставками. [2]

Подавляющее большинство конструкций существующих сейсмостойких фундаментов направлено на «обособление» самого здания от основания. Так, например, существуют фундаменты, представляющие собой определённым образом уложенные две плиты: верхнюю и нижнюю или же свайные фундаменты с песчаной подушкой между ростверком и самим зданием.

Также в настоящее время для обеспечения сейсмостойкости здания применяются всевозможные системы сейсмозащиты. Существует несколько видов таких систем: системы с включающимися и выключающимися связями, резинометаллические опоры, системы с сейсмоизолирующими скользящими опорами и скользящими поясами, кинематические и подвесные опоры, системы с повышенным демпфированием. [5]

Однако основная часть конструкций существующих сейсмостойких фундаментов не обеспечивает защиту от вертикальной составляющей колебаний, а также их возведение является достаточно трудоёмким. Более того, такие конструкции работают только по жёсткой конструктивной схеме, они практически не изгибаются под действием внешних нагрузок.

При конструировании фундаментов в сейсмически опасных районах серьёзной расчётной проблемой является предотвращение горизонтальных перемещений различных фундаментов по отношению друг к другу. Также может возникнуть опасность отрыва одной из сторон фундамента от грунта.

Если отдельные фундаменты колонн каркасных зданий не могут воспринимать сдвигающие усилия от сейсмической нагрузки, их необходимо соединять с соседними фундаментами. В качестве таких связей могут быть использованы фундаментные балки, над стыками которых с фундаментами следует укладывать симметрично оси ряда сетки длиной 2 м из арматуры. [3]

229