С.Н.Шутов,
начальник отдела ООО «Экспертный центр», эксперт в области промышленной безопасности
E-mail: ShutovSN@gaz.ru
С.Н. Сухонин,
начальник отдела ООО «Экспертный центр», эксперт в области промышленной безопасности
А.А. Муратов,
Ведущий специалист ООО «Экспертный центр», эксперт в области промышленной безопасности Муратов Алексей Альбертович.
В.П. Егорычев,
Ведущий специалист ООО «Экспертный центр», эксперт в области промышленной безопасности
Steel columns in industry. Industrial safety expertise
S. N. Shutov,
S. N. Sukhonin
Heads of departments
A. A. Muratov,
V. P. Egorychev
Leading specialists
All of them are the experts in industrial safety,
limited company “Expertise Center”
Что такое металлическая колонна
Основными элементами стального пространственного каркаса промышленных зданий являются металлические колонны, подкрановые балки различной конфигурации, фермы, связи и прогоны. Именно с колонн и следует начинать обследование таких конструкций.
Колонной называется вертикальный стержень, который работает на сжатие и передает давление на фундамент или на части сооружения расположенные ниже.
В колоннах различают следующие части:
оголовок, представляющий собой верхнюю часть колонны, воспринимает внешние нагрузки и передает их на стержень;
стержень, имеющий надкрановую и подкрановую часть, передаёт нагрузку с оголовка на базу;
база, представляющая собой нижнюю часть колонны, передаёт нагрузку на фундамент.
Можно классифицировать колонны по ряду признаков. По характеру работы: центрально-сжатые и внецентренно-сжатые. По конструктивной форме: постоянного сечения, переменного сечения, ступенчатые. По типу сечения: сплошные и сквозные. По месторасположению: для крайних и средних рядов.
Задаваясь вопросом классификации стальных колонн нельзя забывать о марках стали, из которой они изготовлены. Стальные каркасы многих действующих промышленных предприятий смонтированы из кипящих сталей, применение которых в настоящее время для ответственных несущих конструкций запрещено, так как кипящая сталь характеризуется пониженной прочностью и пониженным сопротивлением хрупкому разрушению.
К категории кипящих сталей относятся:
- пудлинговая (С<0,015 %), бессемеровская и томасовская (обе с С<0,25 %), частично мартеновская (С<0,030 %), производимая в 1890-1925 годах. В конструкциях дореволюционной постройки применялись в основном сварочное и литое железо, качество металла назначалось техническими условиями на поставку металла для железных дорог. Сварочное железо отличается большой неоднородностью свойств, а литое железо близко к стали Ст3кп;
- зарубежные стали, поставляемые в Россию в период индустриализации 1924-1930 годах.
В 20-е годы единственным требованием было испытание стали на холодный загиб, выполняемое в полевых условиях. В этот период широко использовались немецкие, стали с повышенным содержанием фосфора. Длительная эксплуатация этих сталей в условиях циклического нагружения и старения металла приводит к существенному изменению его структуры и механических свойств. Как правило, металл конструкций тех лет это сталь Ст0 с расчетным сопротивлением 1700 кгс/см2;
- стали, полученные по способу Сименс - Мартена и бессемерованием за период 1926-1940 годов. Нормами 1931г. регламентировались механические свойства стали, химический состав не нормировался и не контролировался;
- стали военного периода 1941-1945 годов для строительных конструкций гр. А, ГОСТ 380-41. В условиях войны требования к сталям для строительных конструкций были понижены. Из зоны военных действий на наши заводы было вывезено большое количество стального легированного проката. На этот металлопрокат отсутствовали заводские сертификаты, сталь получила условное название обезличенной, ей присваивалась марка Ст0 при удовлетворительных результатах испытаний на твердость и изгиб в холодном состоянии;
- стали и конструкции, поставленные Германией по репарации в период 1945-46 годов. В конце войны было завезено большое количество зарубежных сталей, из них велось восстановление промышленности. В 1946г. промышленность начала поставлять для строительных металлоконструкций низколегированную сталь повышенной прочности марки СХЛ2, а позднее 15ХСНД. При этом нормировались более высокое содержание легирующих компонентов и, соответственно, обеспечивалось более высокое качество;
- стали 50-х годов, марки Ст3, поставленные по ГОСТ 380-50. Эта сталь получила наименование Ст3 кипящая. Таким образом, металлоконструкции, смонтированные (изготовленные) до 1960 г., в основном, выполнены из кипящей стали;
- стали 60-х годов, марки ВСт3кп, поставленные по ГОСТ 380-60. Основной конструкционной сталью тех лет являлась углеродистая сталь, а низколегированная сталь применялась в необходимых случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании;
- стали для металлических конструкций покрытий производственных зданий, запроектированных до 1970 г. по СНиП II-В.3-62. В то время резко ограничили применение кипящих сталей в несущих конструкциях: сварных фермах и ригелях рам, главных балках перекрытий, подкрановых балках и других сварных конструкциях, подвергающихся непосредственному воздействию динамических нагрузок.
Сложность при эксплуатации конструкций из кипящих сталей заключается в том, что зимой при возникновении внутри цеха пониженных температур в результате остановок технологического процесса или отключения отопления, может произойти их обрушение без предварительных признаков и при низком уровне напряжений от действующих нагрузок.
Дефекты и повреждения стальных колонн
Качество изготовления, монтажа и правила технической эксплуатации стальных колонн регламентируются нормативно-техническими документами. Но в результате проектных недочетов, недостаточного контроля качества работ при изготовлении и монтаже конструкций, нарушений правил технической эксплуатации появляются отклонения от проектных размеров, неисправности и повреждения. Неисправность, возникшая в конструкции на стадии её изготовления, транспортировки и монтажа называется дефектом, а отклонение качества, формы и фактических размеров элементов и конструкций от требований нормативных документов или проекта, полученное в процессе эксплуатации называется повреждением.
Повреждения, в зависимости от причин их возникновения, можно разделить на механические (трещины, местные погибы, искривления, разрушения соединений), химические (коррозия) и температурные (коробление при высоких температурах, хрупкие трещины при низких температурах).
При обследовании стальных колонн необходимо обращать внимание на натяжение анкерных болтов, состояние необетонированной части базы, узлов крепления к колоннам подкрановых и тормозных балок, стропильных и подстропильных ферм, сохранности решетки колонн, узлов вертикальных связей между колоннами.
Связи, не будучи сильно нагруженными элементами, играют существенную роль в обеспечении надежной работы раскрепляемых ими колонн. Недопустимо самовольное удаление связей или использование их для крепления блоков и тросов при подъеме оборудования и проведении ремонтных работ.
В зонах проездов, складирования, работы кранов возможны механические повреждения нижних частей колонн (рис. 1, рис. 2, рис. 3). В местах, подвергающихся воздействию высоких температур возможны местные разрушения, коробления и погнутость ветвей и элементов решетки. В стенках колонн делают вырезы для прохода коммуникаций без усиления ослабленных сечений, используют в качестве якорей и упоров (рис. 4, рис. 5) при такелажных работах и ремонте оборудования, зачастую не согласовывая со службой надзора за зданиями и не делая ни каких расчетов.
Коррозии подвергаются части колонн соприкасающиеся с грунтом, мусором, вблизи ендов и внутренних водостоков с неисправной кровлей, в местах протечек технических жидкостей. К таким узлам относятся оголовки колонн, узлы опирания подкрановых балок, базы колонн и узлы крепления вертикальных связей, расположенные ниже отметки пола и необетонированные. Увлажнение и воздействие агрессивных сред за короткий промежуток времени может привести к сквозной коррозии даже толстостенных элементов конструкции. На рисунке 6 представлен яркий пример сквозной коррозии в базе стальной колонны, зафиксированный при обследовании цеха, работающего в условиях повышенного тепловыделения и агрессивных сред - повреждение химического характера. О том насколько серьёзна сложившаяся ситуация и необходимы экстренные меры, думаем говорить излишне.
Про повреждения в виде вырезов мы уже говорили выше. Они приводят к ослаблению поперечного сечения, родственные им дефекты и повреждения: вырез элемента или части сечения, отсутствие элемента, предусмотренного проектом, абразивный износ, уменьшение сечения по сравнению с проектом в результате замены при изготовлении, монтаже или эксплуатации.
Большая группа повреждений и дефектов, таящая в себе потенциальную опасность это трещины в основном металле и в сварных швах, как продольные, так и поперечные. Реагировать на их появление следует незамедлительно, так как с течением времени они развиваются все больше и больше. Приведем один из простых рецептов при появлении такой болезни. Просверливается сквозное отверстие диаметром 17 - 21 мм. на расстоянии 40 - 50 мм. от видимых концов трещины в направлении ее развития. В дальнейшем при заварке трещин просверленные отверстия нельзя заваривать ни в коем случае. После засверловки трещину необходимо визуализировать, для этого она обрамляется полосой несмываемой белой краски или специальным маркером по металлу. Около обрамления тем же несмываемым составом ставят дату просверливания отверстий. Специальным инструментом надо произвести разделку кромок трещины до конечных отверстий, после чего металл у концов трещин нагревают до температуры 150 - 200 °С для раскрытия зазора в разделке и заваривают электродами соответствующих марок. Поверхность сварных швов в конструкциях, подвергающихся динамическому воздействию подвижных или вибрационных нагрузок, зачищают заподлицо с поверхностью элемента. Разметочную полосу, которой мы визуализировали трещину, после окончания работ по заварке, обводят яркой цветной краской и той же краской наносят дату выполнения сварки. Эта метка позволит в дальнейшем без труда находить и контролировать состояние отремонтированного участка. Если трещина в элементе, дважды подвергалась заварке и возникла снова, необходимо организовывать работы, либо по его усилению, либо по его замене.
Обследование колонн на дефекты и повреждения
В ходе обследования колонн встречаются дефекты сварных швов (неполномерность заполнения швов, пороки сварки и даже отсутствие швов), общие и местные искривления элементов или вмятины (характеризуется величиной и длиной искривленного участка), ослабление или отсутствие болтов или заклепок, дефекты болтовых и заклепочных соединений (трещиноватость, неполномерность головок, перекос стержня), отклонение или смещение конструкций относительно проектного положения, расцентровка элементов, внеузловое опирание и т.д.
Мы не ставим себе цель подробно рассмотреть все дефекты и повреждения, выявляемые при проведении обследования стальных колонн, отметим только что все эти несоответствия связаны, в основном, с нарушениями правил технической эксплуатации строительных конструкций промышленных предприятий.
Не лишним будет напомнить, что в случае обнаружения при обследовании опасных деформаций, дефектов, повреждений или других признаков возможного разрушения конструкций руководитель группы обследования немедленно в письменной форме должен уведомить об этом руководителя предприятия и направить копию уведомления в местные органы Ростехнадзора России.
Конечно, дефекты и повреждения должны выявляться в процессе систематического надзор за техническим состоянием, содержанием и ремонтом зданий и сооружений который осуществляет персонал службы надзора за зданиями и сооружениями предприятия совместно с инженерно-техническими работниками, ответственными за сохранность зданий и сооружений. Кроме систематического надзора, все производственные здания и сооружения должны подвергаться периодическим техническим осмотрам. Осмотры бывают общими и частичными. При общем осмотре осматривают все конструкции здания или сооружения в целом, при частичном - осматривают отдельные элементы (кровля, фермы, покрытия, балки, перекрытия, стены, колонны, проемы, подкрановые конструкции).
Очередные общие осмотры необходимо проводить два раза в год - весной и осенью. Весенний осмотр имеет своей целью освидетельствование состояния здания или сооружения после таяния снега и дождей. В ходе этого осмотра уточняются объемы работы по текущему ремонту зданий и сооружений, выполняемому в летний период, и выявляются объемы работ по капитальному ремонту для включения их в план будущего года.
Осенний осмотр проводится с целью проверки подготовки зданий и сооружений к зиме. К этому времени должны быть закончены все летние работы по текущему ремонту.
Состав комиссии по проведению текущих осмотров конструкций здания определяется начальником цеха (управления, производства), эксплуатирующего соответствующее здание или группу зданий и сооружений. Результаты всех видов осмотров оформляются актами, в которых отмечаются обнаруженные дефекты, а также необходимые меры для их устранения с указанием сроков выполнения работ.
В случае обнаружения аварийного состояния строительных конструкций руководитель службы надзора за зданиями и сооружениями предприятия обязан:
ограничить или прекратить эксплуатацию аварийных участков и принять меры по предупреждению несчастных случаев;
немедленно доложить об этом руководству предприятия;
принять меры по немедленному устранению причины аварийного состояния и временному усилению поврежденных конструкций;
обеспечить регулярное наблюдение за деформациями поврежденных элементов;
принять меры по организации квалифицированного наблюдения аварийных конструкций и по результатам обследования обеспечить срочное восстановление аварийного объекта.
Печально, что повреждение такого масштаба, как сквозная коррозия стенки колонны, не было обнаружено в процессе периодических осмотров и систематического надзора за состоянием конструкций здания, но соответствующие службы на предприятиях малочисленны и, как следствие, перегружены. Поэтому экспертиза промышленной безопасности строительных конструкций зданий и сооружений опасных производственных объектов, проводимая специализированной организацией, была и остаётся последней линией обороны.
Литература:
1.СТО 22-01-02. Руководство по эксплуатации несущих стальных конструкций покрытий зданий, выполненных из кипящих сталей.
РАЗРАБОТЧИК: ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова», ФГУП ГПИ «Сибпроектстальконструкция», ООО «Экспертиза металлоконструкций», ООО «Тестдиагцентр».
М.: Научно-промышленный Консорциум РЕСУРС, 2002 – 14с.
2.СТО 22-02-02. Руководство по обследованию и определению остаточного ресурса несущих стальных конструкций покрытий зданий, выполненных из кипящих сталей.
РАЗРАБОТЧИК: ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова», ФГУП ГПИ «Сибпроектстальконструкция», ООО «Экспертиза металлоконструкций», ООО «Тестдиагцентр».
М.: Научно-промышленный Консорциум РЕСУРС, 2002 – 13с.
3.РД 22-01-97. Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов (обследование строительных конструкций специализированными организациями).
РАЗРАБОТЧИК: Экспертно-консультативный ЭКЦ-МЕТАЛЛУРГ
Директор Е.А. Щербаков 10 декабря 1997г.
М.: ЦНИИПСК им. Мельникова; ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ, 1997 - 29с.
4.СП 13-102-2003. ПРАВИЛА ОБСЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.
РАЗРАБОТЧИК: ФГУП «КТБ ЖБ», ГУП «НИИЖБ», ЦНИИ-26, ГУП «ЦНИИСК им. Кучеренко», ГУП «НИИ Мосстроя» 21 августа 2003г.
М.: ФГУП ЦПП, 2003 - 32с.
5.Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 14 ноября 2013г. N 538 г. Москва «Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности».
М.: Российская газета № 6272 от 31 декабря 2013 г.
6.«Положение о проведении планово-предупредительного ремонта производственных зданий и сооружений» утверждено Постановлением Госстроя СССР от 29 декабря 1973 г. N 279.
М.: Госстрой России, 2000
«Законодательство о капитальном строительстве», вып. 7, ч. 2