CC BY
47
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.05 Г.Д. Шмелев
ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАСУ»
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО СРОКА СЛУЖБЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Разработана и предложена систематизация определяющих параметров для конструкций из различных материалов. На основе изменения этих параметров выполняется прогноз остаточного срока службы строительных конструкций с использованием параметрических методов. Для каждого параметра определены предельные значения, превышение которых способно привести к невозможности нормальной эксплуатации конструкции или даже к ее обрушению.
Ключевые слова: прогноз, определяющие параметры, параметрические методы, строительные конструкции, предельные значения.
Для контроля технического состояния строительных конструкций при обследовании зданий и сооружений в процессе их длительной эксплуатации действующими нормативными документами [1, 2] рекомендуется использовать ключевые параметры. Однако ни в одном действующем нормативном документе не приведены конкретные параметры, которые необходимо контролировать. Изучение иностранной литературы [3—8] также не выявило существования такой систематизации.
В соответствии с классификацией методов прогнозирования, приведенной в [9], одним из методов для прогнозирования надежности и остаточного ресурса сложных систем является параметрический метод.
В процессе работы и анализа возможности построения прогнозов параметрическими методами нами были определены основные параметры, которые необходимо контролировать для конструкций из различных материалов. В качестве таких параметров рекомендуется выбрать: Для бетонных и железобетонных конструкций: смещение опор;
уменьшение размеров поперечного сечения элемента; величина действующей нагрузки;
местные силовые разрушения (раздробление, смятие, скалывание и т.п.); прочность бетона при сжатии;
прочность арматуры на растяжение (при выявлении воздействий на арматуру температур свыше 300 °С);
площадь поперечного сечения арматуры;
отклонения от вертикали (крены);
несущая способность (по всем расчетным сечениям);
образование и ширина раскрытия трещин (нормальных и наклонных);
прогибы;
сцепление арматуры с бетоном;
для каменных конструкций:
наличие, длина и ширина раскрытия трещин;
смещение опор;
уменьшение размеров поперечного сечения элемента; выпучивание из плоскости стены; величина действующей нагрузки;
местные силовые разрушения (раздробление, смятие, скалывание и т.п.); прочность камня; прочность раствора;
площадь поперечного сечения арматуры (для армированной кладки); отклонения от вертикали (крены). несущая способность (по всем расчетным сечениям); для стальных конструкций:
длина и ширина раскрытия трещин в сварных швах; потеря устойчивости элементов (стрелка выгиба); глубина коррозионного повреждения; относительная поврежденность;
уменьшение размеров поперечного сечения элемента;
величина действующей нагрузки;
вероятное снижение несущей способности;
отклонения от вертикали (крены);
несущая способность (по всем расчетным сечениям);
прогибы.
Для построения прогноза необходимы критерии оценки предельных значений определяющих параметров строительных конструкций. Большинство из них определено системой действующих нормативно-технических документов, часть приводится в справочной и научной литературе. Ниже указаны нормативно-технические документы, в которых приведены предельные значения определяющих параметров конструкций или их значения со ссылкой на справочную или научную литературу.
Предельные значения определяющих параметров для бетонных и железобетонных конструкций
Наличие и ширина раскрытия трещин оценивается в соответствии с указаниями СНиП 52-01—2003, СП 52-101—2003, СП 52-102—2004 и СП 52-103— 2007 с учетом требований к конструкциям по трещиностойкости. Предельное значение ширины трещины по величине раскрытия перед обрушением оценивается в 1,0 мм [10]. При достижении трещиной такой ширины требуется немедленное усиление конструкций.
Смещение опор оценивается по предельным величинам смещений конструкций на опорах, которые регламентируются требованиями норм СНиП 3.03.01—87. Увеличение смещения сверх предельно допускаемых величин требует выполнения поверочного расчета соответствующего узла.
Уменьшение размеров поперечного сечения элемента оценивается по предельному значению уменьшения размеров поперечного сечения элементов
железобетонных конструкций — до оголения продольной рабочей арматуры. Полное оголение арматуры недопустимо по условию совместности работы арматуры и бетона.
Величина действующей нагрузки оценивается исходя из постоянных нагрузок на перекрытия и покрытия, собственного веса строительных конструкций, полезной временной нагрузки (в т.ч. и от оборудования), нагрузок от ветра (на ограждающие конструкции) и снега (на покрытие), с учетом снеговых мешков. Величины указанных составляющих действующей нагрузки определяется по СП 20.13330.2011 и паспортам на оборудование.
Местные силовые разрушения (раздробление, смятие, скалывание и т.п.) недопустимы, так как могут привести к обрушению расположенных выше конструкций. При наличии таких повреждений следует немедленно принять меры к усилению поврежденной зоны.
Прочность бетона при сжатии оценивается по результатам испытаний с использованием не менее 2 приборов, принцип работы которых основан на неразрушающем методе по ГОСТ 22690. За предельно допустимое значение следует принять проектную прочность бетона (по марке или классу). При снижении прочности бетона ниже проектных значений более чем на 5 % следует выполнить поверочные расчеты конструкции по несущей способности.
Прочность арматуры на растяжение — для контроля по этому критерию, при выявлении воздействий на арматуру температур 300 °С и более необходимо выполнить поверочные расчеты конструкций с учетом температурных воздействий на арматуру и бетон.
Площадь поперечного сечения арматуры оценивается исходя из модели коррозионного повреждения [9] и глубины коррозии. За предельно допустимое значение коррозионного повреждения арматуры следует принять 15%-ное уменьшение площади сечения арматурного стержня [10]. Увеличение коррозии более 15 % от площади сечения приведет к неминуемому обрушению конструкции. При достижении указанных значений коррозионных повреждений арматуры следует немедленно приступить к усилению конструкции.
Отклонения от вертикали (крены) для железобетонных конструкций оцениваются на соответствие предельно допустимым значениям, регламентируемым по СНиП 3.03.01—87. При достижении больших величин, чем предусмотрено в соответствующих таблицах СНиП 3.03.01—87 следует выполнить проверку устойчивости на опрокидывание (для свободно стоящих конструкций) или проверку несущей способности с увеличенным эксцентриситетом (для несущих конструкций).
Прогибы оцениваются на соответствие предельно допустимым прогибам, регламентируемым по СП 20.13330.2011. Превышение предельно допустимого значения прогиба свидетельствует о недопустимости дальнейшей нормальной эксплуатации конструкции.
Несущая способность (по всем расчетным сечениям) оценивается на основании выполненных поверочных расчетов конструкций, с учетом действующих и проектных нагрузок. При снижении несущей способности более чем на 25 % [10] следует принять срочные меры к усилению конструкций.
Образование и ширина раскрытия трещин (нормальных и наклонных) оцениваются непосредственным измерением и на основании выполненных поверочных расчетов конструкций, с учетом действующих и проектных нагрузок.
Все расчеты железобетонных конструкций следует выполнять с учетом основных положений и требований СНиП 52-01—2003, СП 27.13330.2011, СП 52-101— 2003, СП 52-102—2004, СП 52-103—2007, СП 52-105—2009, СП 52-110—2009.
Предельные значения определяющих параметров для каменных и армокаменных конструкций
Наличие, длина и ширина раскрытия трещин оцениваются путем непосредственных измерений. При длине трещины в 8 рядов кладки по высоте или больше, каменная кладка признается аварийной, так как напряжения в кладке оказываются равными 0,8...0,9 от разрушающих [10]. Дальнейшая эксплуатация каменной кладки без усиления недопустима.
Смещение опор оценивается по предельным величинам смещений конструкций на опорах, которые регламентируются требованиями норм СНиП 3.03.01—87. Увеличение смещения сверх предельно допускаемых величин требует выполнения поверочного расчета опорного узла.
Уменьшение размеров поперечного сечения элемента требует выполнения поверочных расчетов с обоснованием остаточной несущей способности каменной кладки.
Выпучивание из плоскости стены оценивается по величине отклонения выпученной части стены от вертикали. Выпучивание стены на 1/3 ее толщины считается недопустимым [10]. Каменная кладка стен в этом случае должна быть усилена.
Величина действующей нагрузки оценивается исходя из постоянных нагрузок на перекрытия и покрытия, собственного веса строительных конструкций, полезной временной нагрузки (в том числе и от оборудования), нагрузок от ветра (на ограждающие конструкции) и снега (на покрытие), с учетом снеговых мешков. Величины указанных составляющих действующей нагрузки определяются по СП 20.13330—2011 и паспортам на оборудование.
Местные силовые разрушения (раздробление, смятие, скалывание и т.п.) для каменной кладки недопустимы, так как способны привести к обрушению конструкций.
Прочность камня оценивается непосредственным измерением. Измерения следует проводить с использованием методов и приборов неразрушающего контроля. Допускается выполнять отбор проб из каменной кладки или испытывать целые кирпичи, взятые в доступных ненагруженных местах кладки (под оконными проемами, на парапете и т.п.). При прочности камня ниже проектной следует выполнить поверочный расчет каменной кладки в наиболее нагруженном сечении.
Прочность раствора оценивается непосредственным измерением. Предпочтительно измерения следует проводить с использованием методов и приборов неразрушающего контроля. Допускается выполнять отбор проб из каменной кладки или испытывать целые куски раствора, взятые в доступных ненагруженных местах кладки (под оконными проемами, на парапете и т.п.). При прочности раствора ниже проектной следует выполнить поверочный расчет каменной кладки в наиболее нагруженном сечении.
Площадь поперечного сечения арматуры (для армированной кладки) контролируется непосредственным измерением в доступных местах. При коррозионном поражении более 5 % арматуры в кладке требуется выполнить поверочный расчет с учетом остаточного сечения арматурных стержней.
Отклонения от вертикали (крены) для каменных конструкций оцениваются на соответствие предельно допустимым значениям, регламентируемым по СНиП 3.03.01—87. При достижении больших величин, чем предусмотрено в СНиП 3.03.01—87, следует выполнить проверку устойчивости на опрокидывание (для свободно стоящих конструкций) или проверку несущей способности с увеличенным эксцентриситетом (для несущих конструкций).
Несущая способность (по всем расчетным сечениям) оценивается на основании выполненных поверочных расчетов конструкций, с учетом действующих и проектных нагрузок. При снижении несущей способности более чем на 25 % [4] следует принять срочные меры к усилению конструкций.
Предельные значения определяющих параметров для стальных конструкций
длины и ширины раскрытия трещин в сварных швах — трещины в сварных швах недопустимы.
Потеря устойчивости элементов (стрелка выгиба) оцениваются в соответствии с указаниями СП 16.13330—2011 и рекомендациями «Пособия по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП И-23—81*)».
Уменьшение размеров поперечного сечения элемента в качестве предельно допустимой величины коррозионного повреждения следует принимать снижение площади сечения элемента в результате коррозии 25 % и более [4].
Глубина коррозионного повреждения — аналогично уменьшению размеров поперечного сечения элемента.
Величина действующей нагрузки оценивается исходя из постоянных нагрузок на перекрытия и покрытия, собственного веса строительных конструкций, полезной временной нагрузки (в т.ч. и от оборудования), нагрузок от ветра (на ограждающие конструкции) и снега (на покрытие), с учетом снеговых мешков. Величины указанных составляющих действующей нагрузки определяется по СП 20.13330—2011 и паспортам на оборудование.
Отклонения от вертикали (крены) оцениваются на соответствие предельно допустимым значениям, регламентируемым СНиП 3.03.01—87. При достижении больших величин, чем предусмотрено в СНиП 3.03.01—87 следует выполнить проверку устойчивости на опрокидывание (для свободно стоящих конструкций) или проверку несущей способности с увеличенным эксцентриситетом (для несущих конструкций).
Прогибы оцениваются на соответствие предельно допустимым прогибам, регламентируемым по СП 20.13330—2011. Превышение предельно допустимого значения прогиба свидетельствует о недопустимости нормальной эксплуатации конструкции.
Несущая способность (по всем расчетным сечениям) оценивается на основании выполненных поверочных расчетов конструкций, с учетом действующих и проектных нагрузок. При снижении несущей способности более чем на 25 % [10] следует принять срочные меры к усилению конструкций. Расчеты
стальных конструкций следует выполнять в соответствии с указаниями СП 16.13330—2011 и СП 53-102—2004.
Аналогичная систематизация проведена и для деревянных конструкций зданий и сооружений.
Прогнозирование по большинству параметров может быть выполнено при наличии не менее, чем 2 точек наблюдений (исходная — полученная на момент строительства или сдачи объекта в эксплуатацию; промежуточная — соответствующая значению параметра на момент проведения обследования). Для построения достоверной модели прогноза потребуется не менее 3 точек (исходная и две промежуточные).
При построении прогноза рекомендуется использовать наиболее эффективный в условиях ограниченной информации интервальный метод, суть которого заключается в построении границ интервала наиболее вероятных значений изменяемого параметра.
Общая схема прогнозирования остаточного срока службы строительных конструкций с использованием определяющих параметров (параметрический метод) выглядит следующим образом:
по архивным материалам (проектная и исполнительная документация) определяется первоначальное значение контролируемого параметра и пределы его разброса (изменения);
в ходе обследования выясняется фактический разброс значений показателя для данного вида конструкций на объекте;
по полученным значениям строится график, аналогичный представленному на рисунке.
Оценка остаточного срока службы конструкции по достижению предельно допустимых значений контролируемого параметра: 1 — верхняя граница изменения параметра; 2 — нижняя граница изменения параметра
За прогнозируемый остаточный срок службы, в соответствии с графиками, приведенными на рисунке, следует принимать временной интервал между Т2 и Т так как в момент времени Т3 значение контролируемого параметра достигает, в соответствии с прогнозом, предельного значения. Именно в этот момент времени хотя бы для одной конструкции может наступить предельное или ава-
рийное состояние. Далее на интервале Т3—Т4 для основной массы рассматриваемых конструкций наступает достижение предельного значения контролируемого параметра.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 53778—2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М. : Стройиздатинформ, 2010. 65 с.
2. СП 13-102—2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М. : Госстрой России ГУП ЦПП, 2003. 32 с.
3. Schueremans L., Van Gemert D. Service life prediction of reinforced concrete structures, based on in-service chloride penetration profiles // Proceedings of de Eighth International Conference on Durability of building materials and components. In 4 Vols. Vol 1. 1999. Pp. 84—93.
4. Dotreppe J.-C. Degradation mechanism and service life on concrete slabs on composite bridges // Proceedings of de Eighth International Conference on Durability of building materials and components. In 4 Vols. Vol 1. 1999. Pp. 16—27.
5. MichaelH. Faber, OliverKubler, MarioFontana, MarkusKnobloch. Failure Consequences and Reliability Acceptance. Hochschulverlag AG on der ETH Zurich. 2004. 143 p.
6. Asko Sarja. Integrated life cycle design of structures. Tailor and Francis e-Library. 2005. 130 p.
7. KumarMehtaP., Richard W. Burrows. Building durable structures in the 21st century. The Indian Concrete Journal. № 6. 2001. Pp. 437—443.
8. Kaliske M., Schmidt J. A new design proposal for timber/concrete-composite beams. // Improvement of Buildings' Structural Quality by New Technologies - Schaur et al. Tailor and Francis Group. London. 2005. Pp. 21—34.
9. Шмелев Г.Д., Ишков А.Н. Прогнозирование остаточного ресурса изгибаемых железобетонных конструкций эксплуатируемых в неагрессивных средах. Ростов-на-Дону : Рос. гос. строит. ун-т, 2007. 219 с.
10. Мальганов А.И., Плевков В.С., ПолищукА.И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий : Атлас схем и чертежей. Томск : Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990. 315 с.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторе: Шмелев Геннадий Дмитриевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАСУ»), 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, 8(473)254-92-96, shmelev8@mail.ru.
Для цитирования: Шмелев Г.Д. Систематизация определяющих параметров для прогноза остаточного срока службы строительных конструкций // Вестник МГСУ. 2013. № 8. С. 89—96.
Shmelev G.D.
SYSTEMATIZATION OF KEY PARAMETERS FOR PROGNOSTICATION OF RESIDUAL SERVICE LIFE OF BUILDING STRUCTURES
The author considers the key parameters used to monitor the condition of structures in the course of their long-term use. In the process of analyzing the expediency of employment of the parametric method of prognostication, the author identified the main parameters of structures made of different materials to be monitored for the above purpose. The research team led by the author systematized the key parameters of masonry, reinforced masonry, concrete, reinforced concrete and structural steel. Thus, the
key parameters of reinforced concrete structures include displacement of supports, size reduction of the cross-section of a structural element, loading value, concrete strength in compression, tensile strength, cross sectional area of reinforcement, bearing capacity (for all sections), crack opening width (normal and oblique), deflections, and adhesion between concrete and reinforcement.
Prognostication requires identification of the limit values of the above-mentioned parameters. Most of them are specified in the effective regulatory documents; some may be found in the reference and research literature. For example, any increase of corrosion in excess of 15% of the cross sectional area will not cause the failure of the structure. It is recommended to use the method of intervals as a most efficient one in the context of limited information. It contemplates development of interval boundaries of the most probable values of changing parameters. A general pattern for the prognostication of the remaining service life of building structures using the key parameters (the parametric method) may be used to identify initial values of these parameters and limits of changes in their values.
Key words: systematization, forecast, key parameters, parametric method, building structures, limit parameter values.
References
1. GOST R 53778—2010. Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya [National State Standard 53778—2010. Buildings and Structures. Procesures for Inspection and Monitoring of Their Technical Condition]. Moscow, Stroy-izdatinform Publ., 2010, 65 p.
2. SP 13-102—2003. Pravila obsledovaniya nesushchikh stroitel'nykh konstruktsiy zdaniy i sooruzheniy [Construction Regulations 13-102—2003. Procedures for Inspection of Bearing Structural Elements of Buildings and Structures]. Moscow, Gosstroy Rossii GUP TsPP Publ., 2003, 32 p.
3. Schueremans L., Van Gemert D. Service Life Prediction of Reinforced Concrete Structures, Based on In-service Chloride Penetration Profiles. Proceedings of the Eighth International Conference on Durability of Building Materials and Components. 1999, vol. 1, pp. 84—93.
4. Dotreppe J.-C. Degradation Mechanism and Service Life on Concrete Slabs on Composite Bridges. Proceedings of the Eighth International Conference on Durability of Building Materials and Components. 1999, vol. 1, pp. 16—27.
5. Faber M.H., Kubler O., Fontana M., Knobloch M. Failure Consequences and Reliability Acceptance. Hochschulverlag AG on der ETH. Zurich, 2004, 43 p.
6. Sarja A. Integrated Life Cycle Design of Structures. Tailor and Francis e-Library, 2005, 130 p.
7. Kumar M.P., Burrows R.W. Building Durable Structures in the 21st century. The Indian Concrete Journal. 2001, no. 6, pp. 437—443.
8. Kaliske M., Schmidt J., Schaur. A New Design Proposal for Timber/Concrete-composite Beams. Improvement of Buildings' Structural Quality by New Technologies. London, Tailor and Francis Group, 2005, pp. 21—34.
9. Shmelev G.D., Ishkov A.N. Prognozirovanie ostatochnogo resursa izgibaemykh zhe-lezobetonnykh konstruktsiy ekspluatiruemykh v neagressivnykh sredakh [Forecasting the Residual Service Life of Inflexible Reinforced Concrete Structures in the Non-aggressive Environment]. Rostov-on-Don, RGSU Publ., 2007, 219 p.
10. Mal'ganov A.I., Plevkov V.S., Polishchuk A.I. Vosstanovlenie i usilenie stroitel'nykh konstruktsiy avariynykh i rekonstruiruemykh zdaniy. Atlas skhem i chertezhey [Reconstruction and Reinforcement of Building Structures of Dangerous and Reconstructed Buildings. Atlas of Patterns and Drawings]. Tomsk, Tomskiy mezhotraslevoy TsNT publ., 1990, 315 p.
About the author: Shmelev Gennadiy Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Urban Planning and Management, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (Voronezh GASU), 84 20-letiya Oktyabrya st., Voronezh, 394006, Russian Federation; shmelev8@mail.ru; +7 (473) 254-92-96.
For citation: Shmelev G.D. Sistematizatsiya opredelyayushchikh parametrov dlya progno-za ostatochnogo sroka sluzhby stroitel'nykh konstruktsiy [Systematization of Key Parameters for Prognostication of Residual Service Life of Building Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State Unisversity of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 89—96.
