Расчет остаточного ресурса строительных конструкций зданий и сооружений

Шматков Сергей Борисович Челябинск, директор ООО ПТИ «Спецжелезобетонроект», к.т.н.

В статье предлагается метод отслеживания технического состояния конструкции за время ее эксплуатации и последующая экстраполяция полученных параметров до достижения конструкцией предельных значений

При обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений, оценке их технического состояния, расчет остаточного ресурса строительных конструкций и их элементов является важным и информативным этапом.

Для зданий и сооружений на опасных производственных объектах, конструкции которых исчерпали нормативный срок эксплуатации, расчет остаточного ресурса является обязательным [1].

Предлагаемый способ расчета остаточного ресурса базируется на отслеживании параметров, определяющих техническое состояние конструк- ции, за время эксплуатации и экстраполяции этих параметров до достижения ими предельных значений [2]. Методика расчета остаточного ресурса предполагает, что имеется достоверная информация о техническом состоянии конструкции и выполнены поверочные расчеты с учетом имеющихся дефектов, повреждений, фактических свойств материалов для некоторых моментов эксплуатации. Предельные состояния принимаются в соответствии с правилами проектирования строительных конструкций по предельным состояниям и дополняются конструктивными требованиями.

Исправное состояние предполагает выполнение следующих условий:

• 1)    первого предельного состояния

№»,)]»<^,           (1)

где F,(x_m) - функция, характеризующая нагружен-ность конструкции; индекс i обозначает вид расчета по первому предельному состоянию (прочность, устойчивость, усталостное либо хрупкое разрушение и т.п.); х_т - параметры, определяющие значения функций F, (внутренние силы, геометрические характеристики сечений и т.п.); R, - расчетные характеристики материалов, используемые в г-м расчете по первому предельному состоянию; и - номер расчетного участка (сечения);

• 2)    второго предельного состояния

[SM)L <^.,,,               (2)

где S/y„,) - функции, характеризующие деформированное состояние; индекс j обозначает вид де- формации (перемещение, прогиб, ширину раскрытия трещин и т.п.); ут - параметры, определяющие значения функции 5V ; sJ-M - предельные значения j-й деформации;

• 3)    конструктивных требований

О) где Ск,„ - конструктивный параметр (геометрические размеры элементов, прочностные, жесткос-ные характеристики и т.п.) на участке и; ck,u - предельное значение конструктивного параметра; р -показатель степени, служащий для унификации неравенства (3), причем р = 1, если по нормам требуется, чтобы С к не превосходил ct„ ир = -1, если требуется, чтобы Ск был не меньше q.„.

Выполнение условий (1) - (3) характеризуется коэффициентами запасов к,„, к)п, кк]П, представляющих собой отношения правых и левых частей данных неравенств. Исправное состояние предполагает, что все коэффициенты запаса не меньше единицы. Несущая способность (прочность), ус- тойчивость конструкции, недопущение усталостного или хрупкого разрушения будут обеспечены при выполнении к1П > 1. Коэффициентом запаса конструкции по первому предельному состоянию ^является минимальное значение к1п, т.е.

ку = min (к,_-п\

Необходимым условием для пригодности конструкции к безопасной эксплуатации является выполнение требования ^> 1.

Коэффициентом запаса конструкции по второму предельному состоянию к, является минимальное значение к_]-т т.е.

k_s = min (&₇,„).

При значении k_s < 1 затрудняется нормальная эксплуатация конструкции и (или) снижается ее долговечность из-за недопустимых деформаций (осадок прогибов, кренов, раскрытия трещин).

Конструктивные требования (3) это ограничения по геометрическим прочностным, жесткост-ным параметрам конструкции, по воздействиям среды, устанавливаемые нормативными документами. Их можно разделить на две группы. В первом случае нарушения конструктивных требований вызываются дефектами строительства и незначительными повреждениями (отклонения в геометрических размерах, искривления, нарушение толщины защитного слоя бетона и т.п.). Они приводят к дополнительному увеличению напряжений и деформаций и должны учитываться в расчетах по первому и второму предельным со- стояниям. Вторая группа конструктивных требований относится к минимально необходимым прочностным и жесткостным характеристикам конструкции, остаточным толщинам, недопустимым технологическим воздействиям (температура, агрессивность среды). Нарушения второй группы конструктивных требований, как правило, качественно меняет поведение конструкции, делает недостоверными выбранные расчетные схемы и способы расчетов. Такие нарушения должны рассматриваться как повреждения категории «А» с принятием незамедлительных противоаварийных мероприятий.

При расчете остаточного ресурса рассматривается изменение коэффициентов запаса к,_№ к_ьп и к_кл во времени от начального состояния в момент времени t_o до рассматриваемого времени эксплуатации конструкции t. За начальное состояние конструкции (при пуске в эксплуатацию) может быть принято ее проектное состояние, дополненное сведениями из исполнительной документации. Если в промежуток времени от t_o до t достоверные расчетные данные отсутствуют, изменение коэффициентов запаса во времени допускается аппроксимировать квадратичной зависимостью (см. рисунок). В этом случае время, когда коэффициент запаса достигает предельного значения равного единице, вычисляется по формуле:

к                              (4)

В случае, когда в промежутке времени от /₀ до t есть данные по расчетам конструкции и вычислены соответствующие коэффициенты запаса, для определения t_u могут использоваться более сложные аппроксимации зависимостей к = k(f) с использованием трех и более точек.

После вычисления значения /„ по коэффициентам запаса для первого предельного состояния к_1П и по коэффициентам запаса для второй группы конструктивных требований к_к,_п определяется остаточный ресурс конструкции как минимальный из всех рассчитанных

7= min [(?„ -/),Д],             (5)

где р„ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние некоторых неучтенных в расчетах

Описание закона изменения коэффициентов запаса во времени факторов, таких как превышение нормативного срока эксплуатации конструкции, раскрытие трещин в железобетонных конструкциях в прогнозируемый период больше предельных значений; статическую неопределимость рассматриваемого элемента конструкции и возможность перераспределения усилий и т.п.

В тех случаях, когда здание, сооружение или конструкция усилены, частично заменены или реконструированы, начальное состояние усиленных либо замененных элементов (время t^ принимается соответствующим началу эксплуатации после ремонта.

Изложенный способ расчета остаточного ресурса реализован в виде стандарта предприятия ООО Проектно-технологический институт «СПЕЦЖЕЛЕЗОБЕТОНПРОЕКТ» и используется при обследованиях и экспертизах промышленной безопасности зданий и сооружений.