Оценка технического состояния конструкций

В нашей стране эксплуатируется более 100 млн т металлических конструкций произ­водственных зданий. Многие из них были построены 50 и более лет назад. Технологии устаревают значительно быстрее. Реконструкция предприятий, зданий и сооружений позволяет повысить производительность труда, качество продукции, экологическую безопасность, а также улучшить условия труда с меньшими затратами и в более короткие сроки, чем при новом строительстве.

К реконструкции действующего предприятия относится осуществляемое по еди­ному проекту полное или частичное переоборудование и переустройство производ­ства (без строительства новых и расширения действующих цехов основного производ­ственного назначения, но со строительством при необходимости новых и расшире­нием действующих объектов вспомогательного и обслуживающего назначения) с за­меной морально устаревшего и физически изношенного оборудования, механизаци­ей и автоматизацией производства и т.д. К реконструкции действующего предприятия относится также строительство новых цехов и объектов взамен ликвидируемых цехов и объектов того же назначения, дальнейшая эксплуатация которых по техническим и экономическим условиям признана нецелесообразной. Реконструкция действующего предприятия может осуществляться также в целях изменения профиля предприятия и организации производства новой продукции на существующих производственных площадях.

Техническое перевооружение и реконструкция производства приводят к изменению нагрузок и схем их приложения, при этом по-иному решаются объемная планировка и конструктивная схема здания.

К увеличению нагрузок, действующих на конструкции, приводит установка новых мостовых и подвесных кранов или повышение грузоподъемности существующих, а также установка нового вентиляционного оборудования для улучшения условий труда работа­ющих, охраны окружающей среды и т.д. Установка более совершенного и мощного оборудования, а также изменение профиля предприятия могут потребовать увеличения высоты здания или шага колонн.

Решение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкций и необходимости усиления принимается в результате оценки их технического состояния. Если конструк­ции не соответствуют новым эксплуатационным требованиям, то разрабатывается про­ект их усиления или замены.

Техническое состояние конструкций оценивается по результатам обследований и проверочных расчетов конструкций. В необходимых случаях производятся испытания конструкций с целью уточнения их действительной работы. В результате обследования конструкций определяется соответствие фактических и проектных конструктивных ре­шений, сечений элементов, соединений и узлов. При отсутствии технической докумен­тации на основании обмеров составляют обмерочные чертежи основных несущих кон­струкций со всеми необходимыми для проверочных расчетов и разработки проекта уси­ления размерами. При обследовании выявляются также дефекты и повреждения конст­рукций. Под дефектами обычно понимаются несовершенства конструкций, получен­ные на стадии проектирования, изготовления и монтажа. Повреждения появляются в процессе эксплуатации конструкций.

В результате обследования и испытаний уточняются расчетная схема конструкций, нагрузки, действующие на них, и качество материата. Если дефекты и повреждения конструкций приводят к снижению несущей способности конструкций, то уточнение расчетной схемы, фактических нагрузок и качества материала могут способствовать выявлению резервов их несущей способности.

По результатам проверочных расчетов конструкций, выполненных с учетом дефек­тов и повреждений, а также возможных резервов несущей способности, дается оценка их технического состояния.

Характеристика эксплуатационных воздействий. Дефекты, характеризующие начальное состояние конструкций, способствуют появлению повреждений. Последние возникают и развиваются во времени и зависят от срока и качества эксплуатации и интенсивности воздействий. Воздействия, приводящие к возникновению и развитию повреждений, могут быть разделены на три вида: силовые (механические), коррозион­ные и температурные.

Повреждения от силовых воздействий. Возникают в результате несоответствия рас­четных предпосылок действительным условиям работы конструкций и нарушений пра­вил технической эксплуатации. Эти повреждения могут быть вызваны следующими при­чинами:

- ошибками проектирования, связанными с неправильным определением нагрузок и внутренних усилий, подбором сечения элементов и конструкцией узлов;

- отличием фактического напряженного состояния от расчетного вследствие неиз­бежного упрощения и идеализации расчетной схемы конструкций, ее элементов, узлов и действующих нагрузок, а также недостаточной изученностью действительной работы конструкций;

- пониженными прочностными характеристиками основного и наплавленного метал­ла, дефектами, приводящими к концентрации напряжений и способствующими уста­лостному и хрупкому разрушению;

- изменением сечений элементов, размеров сварных швов, числа болтов и заклепок при изготовлении и монтаже по сравнению с проектом;

- перегрузкой конструкций при монтаже и эксплуатации;

- нарушением при монтаже и эксплуатации схемы передачи нагрузок (смещения про­гонов, эксцентриситет и перепады высот в стыках подкрановых рельсов и т.д.), что приводит к появлению дополнительных, не учитываемых расчетом нагрузок и динами­ческих воздействий;

- нарушениями правил технической эксплуатации - ударами транспортируемых гру­зов, использованием конструкций для подвески блоков и опирания домкратов при ремонтах без соответствующих расчетов и необходимого усиления, вырезкой отверстий в элементах конструкций и элементов связей для пропуска коммуникаций и т.д.

Повреждения от воздействий температуры. Могут быть результатом как непосред­ственного воздействия на металл (на его свойства), так и воздействия на конструкцию. При нагревании стальных конструкций до 200°С разрушается лакокрасочное покрытие, при температуре 300-400°С происходит коробление элементов конструкций, свыше температуры 400°С - снижение модуля упругости, а при температуре 600-700°С сталь полностью теряет несущую способность.

Повреждения от воздействия низких температур возникают, как правило, в откры­тых сооружениях и неотапливаемых зданиях. К таким повреждениям относятся хрупкие трещины в местах концентрации напряжений (сварные швы, резкие изменения сече­ний, фасонки ферм и т.д.). Особенно велика опасность хрупкого разрушения конструк­ций, выполненных из кипящей стали. В настоящее время применение кипящих сталей для конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах, не допускается.

В результате температурных воздействий на статически неопределимые конструкции в них возникают дополнительные усилия. В горячих цехах при изменении температуры появляются значительные температурные перемещения. При наличии связей, которые препятствуют перемещениям, в элементах конструкций и связях появляются дополни­тельные усилия. Известны случаи разрушения вертикальных связей между колоннами, вызванные циклическим характером изменения температурных воздействии.

Повреждения от коррозионных воздействий. Проявляются в виде разрушения защитных покрытий и коррозии металла. Преобладающим видом коррозии строительных ме­таллических конструкций является атмосферная.

Коррозионное разрушение может быть общим или местным. В результате общего равномерного коррозионного разрушения поверхности металла уменьшается площадь поперечного сечения элемента и снижается его несущая способность. При местной коррозии потери металла значительно меньше, но возникает концентратор напряже­ний, что увеличивает опасность хрупкого разрушения.

Можно оценить коррозию по скорости ее проникновения в глубь металла (мм/год). Скорость коррозии зависит от характеристик среды (влажности, агрессивности, темпе­ратуры), качества металла и конструктивной формы.

Влажность воздуха в значительной степени определяет скорость коррозии. Чем выше влажность, тем интенсивнее протекают коррозионные процессы. При относительной влажности воздуха менее 50% коррозия практически отсутствует.

Существенно увеличивают скорость коррозии имеющиеся в атмосфере агрессивные примеси: SO₂, SO₃, H₂S и др. В условиях промышленного города скорость коррозии в два и более раз выше, чем в условиях незагрязненной агрессивными примесями атмос­феры.

Изменение температуры от 0 до + 40°С практически не влияет на скорость коррозии. Резко ускоряет коррозионный процесс комбинированное воздействие повышенной температуры (более 40°С) и высокой влажности. При отрицательных температурах коррозионные процессы резко замедляются, и при температуре ниже -20°Сскорость кор­розии близка к нулю.

Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов выше, чем сталей, что объясняется образованием на поверхности металла окисной пленки, выполняющей роль естествен­ного защитного покрытия. Коррозионная стойкость сталей в значительной степени за­висит от их химического состава. Снижают коррозионную стойкость сера и марганец, повышают - медь, хром, алюминий, никель. Поэтому коррозионная стойкость легиро­ванных сталей выше, чем обычной малоуглеродистой стали Ст3.

Коррозионные потери и скорость коррозии зависят от формы сечения элементов и конструктивных решений узлов. Сечения с меньшей поверхностью при прочих равных условиях будут более коррозионно-стойкими. Мерой эффективности сечения при кор­розионном воздействии может быть принято отношение площади поперечного сечения А к периметру сечения Р, обозначаемое как β = А/Р и называемое коэффициентом слитности. Очевидно, что чем выше значение β, тем больше коррозионная стойкость элемента. С этой точки зрения традиционная тавровая форма стержней стропильных ферм, составленных из двух уголков, крайне нерациональна. В эксплуатирующихся кон­струкциях при обследовании необходимо обратить внимание на элементы и узлы, име­ющие неудачную конструктивную форму, которая способствует накоплению пыли и влаги (опорные узлы ферм, необетонированные базы колонн и т.д.).

Наиболее характерные дефекты и повреждения конструкций. Каркасы зданий различных отраслей промышленности испытывают воздействия разных видов и различ­ной интенсивности. Анализ состояния конструкций каркасов показывает, что наиболь­шее количество повреждений (при равных сроках эксплуатации) наблюдается в зданиях цехов черной и цветной металлургии. Повреждения в цехах заводов черной металлургии определяются интенсивной работой мостовых кранов и в отдельных случаях (гальвани­ческие отделения листопрокатных цехов, аглофабрики) - корроизонными воздействи­ями. Для конструкций зданий цветной металлургии характерны повреждения, вызван­ные корроизонными воздействиями. На предприятиях цинковой и свинцовой промыш­ленности скорость местной коррозии достигает 2 мм в год, а общей - 0,6 мм в год.

Конструкции, составляющие каркас здания, испытывают воздействия разного вида, различаются типами сечения и напряженного состояния. Наиболее повреждаемыми яв­ляются конструкции покрытия (прогоны, стропильные фермы), имеющие относительно тонкостенные сечения и элементы большой длины. Наименьшее количество поврежде­ний имеют колонны зданий, что объясняется более мощными сечениями, малой гибко­стью, видом напряженного состояния и существенными резервами несущей способнос­ти. Ниже приведены наиболее часто встречающиеся дефекты и повреждения отдельных конструкции каркаса, которые могут быть выявлены при обследовании.

Прогоны. Для этих конструкций характерны прогибы в плоскости наибольшей жест­кости и в плоскости скатной составляющей, превышающие нормативные значения. Основной причиной таких повреждений является превышение постоянных и снеговых нагрузок, действующих на них, над проектными. Причиной значительных прогибов в плоскости скатной составляющей может также служить отсутствие или плохое закреп­ление тяжей. В условиях средне- и сильноагрессивной среды возможны коррозионные повреждения.

Стропильные фермы. Основные дефекты и повреждения показаны на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Дефекты и повреждения стропильных ферм:

1 - искривление стержня: 2 - трещина в фасонке; 3 - прогиб полки уголка; 4 - отсутствие соединительных прокладок между уголками; 5- расцентровка в узле

Наибо­лее часто наблюдается искривление стержней (рис.11.1). Если число искривленных растянутых и сжатых стержней примерно одинаково, то можно считать, что причиной этого дефекта является действие остаточных сварочных напряжений при изготовлении ферм. Если больше искривлено сжатых стержней, то это свидетельствует о том, что повреждения - резуль­тат работы под нагрузкой, и несущая способность стержней не обеспечена. Причиной может быть превышение нагрузок или недостаточное сечение элементов.

Наибольшую опасность представляет трещина в фасонке, которая может появиться при изготовлении или монтаже фермы. Появлению трещины способствуют близкое расположение элемента решетки фермы к поясу.

Проверки расчетом требуют дефекты изготовления и монтажа ферм: отсутствие или недостаточное число соединительных прокладок между уголками, внеузловое опирание прогонов или панелей покрытия, расцентровка стержней решетки в узлах ферм. При отсутствии соединительных прокладок между уголками в сжатых стержнях не обес­печивается их совместная работа, увеличивается гибкость и в результате снижается несущая способность. Внеузловое опирание прогонов или панелей покрытия, расцент­ровка в узлах приводят к появлению изгибающих моментов в стержнях ферм. В условиях средне- и сильноагрессивных сред возможны коррозионные повреждения стержней и узлов ферм.

Подкрановые балки. Долговечность подкрановых балок в основном определяется ин­тенсивностью работы мостовых кранов. При кранах режимных групп 1K - 5 К подкрано­вые балки после значительного срока эксплуатации (40 лет и более) обычно не имеют существенных повреждений. Подкрановые балки являются наиболее повреждаемыми конструкциями в зданиях с мостовыми кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы (группы режима 6К-8К). Первые повреждения появляются в них через 3-5 лет эксплуатации, а срок службы не превышает 8-12 лет. Основные дефекты и повреждения подкрановых балок показаны на рис. 11.2. Наибо­лее характерное повреждение балок - трещины в верхнем поясном шве и околошов­ной зоне, а также в швах крепления ребер жесткости к верхнему поясу балки. Эти трещины носят усталостный характер. Появлению их способствуют непровары швов, эксцентриситеты рельса, удары колес крана на стыках рельсов, имеющих зазоры и перепады высот. Остальные повреждения являются, как правило, результатом некаче­ственной эксплуатации.

Рис. 11.2. Дефекты и повреждения подкрановых балок:

1 - трещина в поясном шве; 2 - трещина в поясном шве, переходящая на стенку; 3 - трещи­на в сварных швах крепления ребер жесткости к верхнему поясу балки; 4 - прогиб верхнего пояса

Связи. К основным повреждениям связей по покрытию относятся: искривление и отсутствие элементов, а также отсутствие болтов крепления связей к фермам. Все это - результат низкого качества монтажа и эксплуатации конструкций. Особенно опасны повреждения горизонтальных поперечных связей по нижним поясам в торцах здания, отсутствие или повреждение распорок по верхним поясам ферм под фонарем и распо­рок по нижним поясам ферм, закрепляющих опорную панель нижнего пояса из плос­кости, при жестком сопряжении ригеля с колонной. Повреждения вертикальных свя­зей между колоннами (местные прогибы, искривления) могут быть результатом слу­чайных механических воздействий при монтаже и эксплуатации. Возможны поврежде­ния и разрушение связей вследствие температурных воздействий (особенно при нали­чии неразрезных подкрановых балок).

Резервы несущей способности. Под резервом несущей способности понимают отношение усилий (S - N)/S (S - несущая способность; N - расчетное усилие) или напряжений в конструкциях (R - σ)/R (R - расчетное сопротивление; σ - напряже­ние от расчетных нагрузок).

Резервы несущей способности выявляются в результате уточненных расчетов, в ко­торых более полно и правильно учитываются факторы, определяющие несущую спо­собность конкретной конструкции: нагрузки, прочность стали, расчетная схема.

Перерасчет существующих конструкций по действующим нормам может выявить резервы несущей способности в результате совершенствования нормативных докумен­тов за время, прошедшее с начала проектирования здания.

Уточнение нагрузок. Уточнение действующих нагрузок и воздействий проводится на основании анализа технической документации и технологического процесса, а также данных ближайших метеостанций и натурного обследования. Фактические нагрузки могут значительно отличаться от проектных как по величине, так и по характеру воздействий. Уточнение нагрузок обычно позволяет выявить резервы несущей способности, хотя в некоторых случаях (например, нагрузки от кровли) фактическая нагрузка может пре­вышать проектную.

Собственная масса металлоконструкций устанавливается по чертежам КМД (с обя­зательными контрольными замерами сечений), а при отсутствии чертежей - по ре­зультатам обмеров.

Нагрузка от кровли определяется после вскрытия кровли и часто превыша­ет проектную. Это объясняется большей толщиной и плотностью утеплителя и цемент­ной стяжки, толщина которой может составлять 80-100 мм (по проекту 20-30 мм). К увеличению нагрузки приводит и нарушение правил ремонта кровли. Его часто про­изводят наложением дополнительных слоев рубероида без снятия поврежденных. Как показывают обследования, число слоев рубероида доходит до 8-10, а нагрузка от них - до 0,4-0,5 кН/м² вместо 0,1-0,15 кН/м² по проекту.

Уточнение снеговых нагрузок в результате учета местных метеорологических усло­вий, подтаивания, сдувания и переноса может позволить уменьшить расчетные снего­вые нагрузки.

Расчетная ветровая нагрузка может быть снижена в результате учета новой застрой­ки, данных ближайшей метеостанции, а также фактической ориентации здания на местности.

Возможность снижения расчетных вертикальных нагрузок от мостовых кранов опре­деляется особенностями технологического процесса. В некоторых случаях из-за располо­жения оборудования невозможно максимальное приближение тележки к подкрановой балке. Нередко на заводах используются мостовые краны, грузоподъемность которых превышает требуемую (из-за унификации мостовых кранов), в результате чего краны работают с недогрузкой. Поэтому допускается определение нагрузок от мостовых кра­нов по результатам испытаний. Вертикальная нагрузка от кранов может быть снижена за счет ограничения приближения тележки крана и сближения кранов (если позволяет, технология). Методики определения нагрузок при реконструкции производственных зданий под­робно рассмотрены в [24; 25].

Оценка качества стали. Качество стали эксплуатируемых металлических конст­рукций определяется на основании анализа рабочих чертежей и заводских сертифи­катов. Устанавливаются марки стали и расчетные сопротивления. В случае отсутствия или недостаточности сведений, появлении в конструкциях повреждений, связан­ных с низким качеством металла (расслой, трещины), а также при необходимости выявления резервов несущей способности конструкций проводятся испытания ме­талла.

Свойства стали обладают определенной изменчивостью: наблюдается существенная разница в прочности проката, полученного в разные годы на разных металлургических заводах. При новом проектировании необходимо учитывать изменчивость свойств стали (предела текучести, временного сопротивления) во всей генеральной совокупности металла данной марки. Очевидно, что разброс показателей прочности стали для част­ной совокупности (однотипных элементов конкретного здания) меньше, чем для гене­ральной. Поэтому по результатам анализа фактических свойств металла можно получить более высокое расчетное сопротивление, чем принятое при проектировании конструк­ций. Методика определения расчетного сопротивления стали приведена в спецкурсе [24] и СНиПе II - 23 - 81.

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 металла является состояние сварных соединений. Если при обследовании не обнаружено трещин, вызванных самой свар­кой, то дополнительных оценок свариваемости можно не проводить. В клепаных конструкциях оценка свариваемости необходима в том случае, если при их усилении предпо­лагается использование сварки. Обычно свариваемость стали оценивают по углеродно­му эквиваленту, определяемому по формуле

Сэ = С+ (Mn/6)+ (Si/24) + (Cr/5) + (Ni/40) +(Cu/13) +(V/14) +(P/2).

Уточнение расчетной схемы. Стальные каркасы одноэтажных промышленных зданий, находящихся в эксплуатации, в основном были рассчитаны как плоские попереч­ные рамы. Стойки рам считались жестко защемленными на уровне верхнею уступа фундамента, решетчатые ригели заменялись сплошными и принимались жестко или шарнирно соединенными со стойками. Наиболее полное представление о фактическом работе каркаса можно получить в результате натурных испытаний конструкций, но некоторое уточнение усилий, действующих в конструкциях, получают в результате рас­четов. Наиболее точно соответствует фактическому распределению усилий расчет зданий как пространственной системы на ЭВМ.

Проверочные расчеты конструкций. Эти расчеты выполняются с учетом выявленных дефектов и повреждений, уточненных нагрузок, расчетных схем и прочности материала.

Расчеты выполняются по формулам, приведенным в СНиПе II - 23 - 81 для проектирования но­вых конструкций, с учетом некоторых особенностей. Например, при расчетах стерж­ней решетки стропильных ферм с гибкостью λ>60 возможность их случайного ис­кривления учитывается коэффициентом условий работы γ_c = 0,8. При проверочных расчетах эксплуатируемых стропильных ферм этот коэффициент может быть принят равным единице, а стержни рассчитывают с учетом фактических искривлений, выяв­ленных при обследовании. Искривленные стержни рассчитывают как внецентренно сжатые.

Проверку прочности элементов, имеющих ослабление в виде вырезов, подрезов, производят по площади нетто с учетом эксцентриситета от смещения центра тяжести ослабленного сечения относительно центра тяжести первоначального сечения. Учет вли­яния коррозионных повреждений производится уменьшением расчетной площади по­перечного сечения. Более подробно особенности проверочных расчетов эксплуатируе­мых конструкций рассмотрены в книге [24].

Результаты оценки технического состояния конструкций. На основании результатов обследований и проверочных расчетов конструкций дается оценка их техни­ческого состояния. Эта оценка должна определить возможность дальнейшей эксплика­ции конструкции, необходимость проведения мероприятий по ремонту и повышению их несущей способности. Учет фактического состояния конструкций и условий эксплу­атации позволяет установить для сохраняемых конструкций менее жесткие ограниче­ния смещений и гибкости элементов, чем для новых (раздел «Дополнительные требо­вании по проектированию конструкций зданий и сооружений при реконструкции» |СНиП II - 23 - 81|). При этом основным критерием является возможность нормальной эксплуатации кон­струкций в конкретных условиях.

Различают три типа состояния здания, а также отдельных конструктивных элемен­тов и узлов:

- работоспособное - несмотря на имеющиеся отступления от норм, государственных стандартов и технической документации нормальная эксплуатация конструкций обес­печивается в конкретных условиях рассматриваемого здания;

- ограниченно работоспособное - для обеспечения функционирования конструкции необходимо проведение специальных (допустимых условиями эксплуатации) мероп­риятий по контролю за состоянием конструкций, параметрами технологического про­цесса, нагрузками или другими условиями эксплуатации (возможно с ограничением продолжительности функционирования);

- неработоспособное (недопустимое) - существующее или прогнозируемое по рас­чету состояние конструкций является одним из предельных состояний и без усиления конструкции не может быть допущено к эксплуатации.

Для реконструируемых производственных зданий, где планируется изменение вели­чины и схемы нагрузок, прогнозируемое по расчету состояние часто превышает пре­дельное.

Вопрос замены конструкций или их сохранения с последующим усилением решает­ся и результате технико-экономического анализа.