Дефекты и повреждения элементов строительных металлоконструкций. Наи­более распространенные дефекты и повреждения, выявляемые при проведении обследований элементов строительных металлических конструкций производст­венных зданий различного назначения, представлены в табл. 9.3.

При выполнении основной задачи - обнаружение и документальное описание каждого отклонения, дефекта и повреждения - специалисты, проводящие освиде­тельствование, должны обладать достаточной подготовкой и опытом для прогнози­рования вероятного развития этих несовершенств и принимать своевременные меры по предупреждению опасных последствий.

Удаление или повреждение элементов в ряде случаев может радикально изме­нить схему работы конструкции или даже каркаса в целом. Так, например, отсут­ствие даже одной распорки по верхнему поясу фермы на участке фонарной конст­рукции может вызвать потерю устойчивости пояса фермы и привести к обруше­нию покрытия. Общие и местные искривления стержней, а также искажения фор­мы их поперечного сечения являются распространенными видами повреждений.

Искривления сжатых стержней, особенно в двух плоскостях, снижают их несу­щую способность вплоть до полного исключения из работы. Провисающие растя­нутые связи и распорки вибрируют при работе кранов, не обеспечивают пространственную работу каркаса, увеличивают расчетную длину сжатых элементов, кото­рые они по идее должны раскреплять.

В отличие от подобных сравнительно легко обнаруживаемых визуально дефек­тов, весьма трудоемкой является процедура выявления хрупких и усталостных трещин и особенно на ранних стадиях их возникновения и развития.

Исследованиями установлено, что порог хладноломкости стали зависит от многих факторов и в их числе от способа выплавки, степени раскисления, толщи­ны металлопроката, термообработки. Наиболее значительным фактором, способст­вующим хрупкому разрушению стали, является возрастание величины локальных напряжений в месте резкого изменения сечения (искажение формы и толщины элемента, дефекты сварных швов, технологические повреждения структуры метал­ла при правке, резке, продавливании отверстий, термическом воздействии сварки). В этих местах одноосное напряженное состояние переходит в двухосное и даже пространственное при одновременной концентрации местных напряжений на уз­ком участке дефекта, что и способствует зарождению хрупкой трещины. Особую опасность представляют концентраторы, расположенные перпендикулярно направ­лению растягивающих усилий. Содействуют разрушению также начальные оста­точные напряжения от прокатки и других процедур, связанных с неравномерными нагревом или остыванием металла.

Вероятность хрупких разрушений возрастает с увеличением геометрических размеров конструкций и толщин элементов.

Существенным в возникновении хрупких трещин является характер нагрузки. При ударных, циклических и переменных нагрузках напряжения возрастают от нуля до максимума в короткое время или мгновенно, в период, недостаточный для пластической релаксации напряжений. Вместе с тем создаются условия постепен­ного и скрытого накопления повреждений - зародышей хрупких разрушений.

Хрупкие разрушения чаще всего происходят при одновременном сочетании:

- резких концентраторов напряжений;

- высоких местных напряжений (остаточных или от действующих нагрузок на сооружение);

- отрицательной температуры, при которой данная марка стали переходит в хрупкое состояние.

Для стальных конструкций опасен и такой вид износа, как усталостный рост трещин, главным образом, в сварных швах. Под усталостью материала понимается изменение механических и физических свойств в результате действия циклически изменяющихся во времени напряжений. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости - наибольшим напряжением, которое может выдержать материал без разрушения при заданном количестве циклов нагружения.

Усталостные трещины могут возникнуть в местах концентраторов в зоне как растягивающих, так и сдвиговых (касательных) напряжений. Зарождение этих трещин происходит в основном с поверхности металла. В сварных фланговых и стыковых соединениях появление трещин инициирует такой дефект как непровар. Период роста усталостных трещин до разрушения элемента в некоторых случаях измеряется месяцами и даже годами. Скорость роста зависит от уровня нагруже­ния элемента с трещиной, частоты загружения, температуры эксплуатации и свойств металла. Процесс распространения усталостной трещины, а также ресурс эксплуатационной пригодности конструкции с трещиной может быть оценен рас­четным путем на основе критериев механики разрушения с использованием кине­тических зависимостей и характеристик трещиностойкости металла. Так, например, в работе [15] приведены основы инженерного расчета сосудов на циклическое под­растание трещин и определение критической длины трещин, грозящих аварией.

На усталостную прочность влияют такие факторы как химический состав стали, величина зерна и структура. С увеличением зерна предел усталости снижается; усталостная трещина в мелкозернистой стали распространяется медленнее. Кон­центраторы напряжений на различные стали при переменных нагрузках влияют неодинаково. Можно отметить, что у строительной стали повышенной прочности наблюдается более значительное понижение предела выносливости в связи с чув­ствительностью этих сталей к концентраторам напряжений, что приближает эти стали к пределу усталости обычной малоуглеродистой стали При этом следует иметь в виду, что сварной шов воздействует также как фактор, вызывающий обра­зование неблагоприятной структуры в зоне термического влияния сварки.