CC BY
117
УДК 69.059.4
ТЕХНІЧНИЙ СТАН ШТУЧНИХ СПОРУД
Є.В. Клименко, доцент, к.т.н.,
В.С. Дорофєєв, професор, д.т.н., ОДАБА
Анотація. Наведено технологію визначення технічного стану штучних споруд. Наводиться перелік технічних станів, який рекомендується, методику визначення його для окремих конструкцій та систем у цілому.
Ключові слова: штучні споруди, технічні стани, технологія оцінювання технічного стану.
Вступ
Чинні в Україні норми щодо технічної експлуатації будівель та споруд [1], які поширюються також і на штучні споруди на дорогах, визначають чотири технічних стани окремих будівельних конструкцій та будівель і споруд в цілому. Віднесення до кожного з цих станів проводиться на підставі оцінювання певного комплексу дефектів та пошкоджень і в цілому ряді випадків практично не мають відношення ні до міцності несучих конструкцій, ні до надійності окремих елементів або будівель і споруд як систем. Разом з тим гостро стоїть проблема оцінювання технічного стану окремих конструкцій та будівель і споруд з метою забезпечення їх надійної та безвідмовної експлуатації, а також виконання підтримуючих та капітальних ремонтів.
Мета і постановка задачі
На кафедрі залізобетонних та кам’яних конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури розробляється методологія оцінювання, прогнозування та регулювання технічного стану будівель та споруд.
При цьому встановлювалися критерії віднесення будівельних конструкцій до одного із технічних станів:
1. конкретний технічний стан повинен відображати якісно новий ступінь роботи конструкції;
2. критерії віднесення конструкції до того чи іншого стану повинні бути формалізовані, визначатися розрахунками та бути такими, які б не давали двоякого трактування у питанні визначення технічного стану;
3. Кількість технічних станів повинна бути мінімальною.
Розв’язання задачі
Як об’єкт розглядається будівля або споруда в цілому. Виходячи з цього, до кожної будівлі (споруди) залежно від ряду факторів, як-то: призначення; проектна довговічність (нормативний термін експлуатації); матеріали, з яких виготовлені окремі конструкції та частини будівлі; технологічного процесу; впливу навколишнього середовища тощо, пред’являються певні вимоги (параметри) для виконання будівлею (спорудою) функціонального призначення на проектний термін експлуатації.
Усі ці вимоги визначаються на стадії проектування та складають сукупність показників експлуатаційної придатності (ПЕП). Як правило, порушення вимог до кожного із цих показників (відмова) має різний вплив на роботу конструкції як системи. Якщо в результаті перевищення допустимих значень ПЕП можливе руйнування конструкції, то перевищення допустимих значень іншими призводить лише до унеможливлення нормальної її експлуатації. Виходячи з цього всі показники експлуатаційної придатності рекомендується розділяти на дві групи:
I - показники експлуатаційної придатності, перевищення яких призводить до руйнування конструкції (системи). Сукупність показників цієї групи позначимо Хи; Х12; ... Х1і;
II - ПЕП, перевищення значень яких вище ніж допустимі не призводить до руйнування конструкції, але унеможливлює нормальну експлуатацію їх. Сукупність ПЕП другої групи позначимо відповідно Х21; Х22; ... Х2}.
Часто показники експлуатаційної придатності, віднесені до першої чи другої їх групи, співпадають
з вимогами, які пред’являються до першої та другої групи граничних станів. Таке співпадання найчастіше має місце для несучих конструкцій, але воно не є обов’язковим.
Пропонується скоротити число технічних станів окремих конструкцій та будівель (споруд) в цілому до трьох:
I - задовільний. При цьому показники експлуатаційної придатності як першої, так і другої груп не перевищують своїх граничних значень. Конструкції, які можуть бути віднесені до цього стану відповідають вимогам розрахунків за I та II групою граничних станів;
II - непридатний до нормальної експлуатації. Деякі (або усі) ПЕП другої групи перевищують свої граничні значення, а показники експлуатаційної придатності першої групи не перевищують відповідних граничних значень. Конструкції, які мають цей технічний стан не відповідають вимогам, що пред’являються за II групою граничних станів, але відповідають вимогам міцності (вимогам за I групою граничних станів);
III - аварійний. Нехай один з показників експлуатаційної придатності першої групи перевищив своє граничне значення. Конструкції не відповідають вимогам за I (або за I і II) групою граничних станів.
Тобто для задовільного технічного стану (І) повинні виконуватися системи нерівностей (1) та (2)
'*11 — *ПДіт
*12 — * 12,1іт (і)
^*1і — Х1і,1іт •
*21 — *21,1іт *22 — *22,1іт
К, * *2,,1т-
В цих системах як Хи Иш позначене граничне значення і -го показника експлуатаційної придатності першої групи, як Х2, 1іт - те ж , -го ПЕП другої групи.
Якщо перша (1) система виконується, а друга (2) є несумісною, то конструкцію слід віднести до ІІ технічного стану (непридатного до нормальної експлуатації).
У разі, коли перша (1) система є несумісною (незалежно від виконання нерівностей другої (2) системи), то конструкція відноситься до аварійного технічного стану (ІІІ).
Під час визначення технічного стану будівлі чи споруди в цілому розглядається система з таким ієрархічним поділом:
перший рівень - система, яка описує один із показників експлуатаційної придатності та його відповідність граничному значенню;
другий рівень - система, що описує сукупність показників експлуатаційної придатності (першої чи другої їх групи) та відповідність кожного із них відповідному граничному значенню.
До першого рівня можна віднести: показники міцності нормального та похилого перерізу; міцність вузла з’єднання елементів; ширина розкриття тріщин (нормальних та похилих); прогини елементів; опір теплопередачі конструкції тощо. В процесі визначення технічного стану будівлі (споруди) в цілому, в детермінованій постановці, на першому рівні визначаються усі показники експлуатаційної придатності та порівнюються з граничними значеннями їх. На підставі такого порівняння робиться висновок про неперевищен-ня параметрів конструкції тим вимогам, які до неї пред’являються. Визначення окремих показників виконується за нормативними методиками. При цьому враховуються особливості роботи залізобетонних конструкцій, як-то: перерозподіл зусиль в статично невизначених конструкціях, вплив попереднього напруження арматури тощо.
Другий рівень включає в себе певну сукупність показників експлуатаційної придатності, які створюють дві групи таких показників. Непере-вищення усіма окремими показниками своїх граничних значень і означає віднесення будівлі чи споруди до цього технічного стану.
При імовірнісному підході до оцінювання технічного стану на першому рівні ієрархії визначається імовірність відмови конструкції за даним показником експлуатаційної придатності, тобто імовірність перевищення ним своєї граничної величини.
Метою розрахунку надійності другого рівня при такому підході є визначення імовірності відмови системи, тобто імовірність виходу хоча б одного вектора показників експлуатаційної придатності за межі області якості. Для цього в кожному випадку для обох груп показників створюється модель, що представляє собою дерево відмов.
В конструкціях, що експлуатуються, спостерігається дещо інша картина. З однієї сторони, під час проектування в перерізах з’являються запаси пов’язані, наприклад, з дискретним сортаментом арматури, необхідністю проектувати жорсткі конструкції, тобто переважає розрахунок за другою групою граничних станів, а іншої сторони мають місце пошкодження матеріалів, викликані дією навантаження та впливів під час експлуатації. Ці запаси, якщо вони відносяться до менш надійного матеріалу (в нашому випадку - до бето-
ну), підвищують початкову надійність системи значно більше ніж запаси у більш надійному матеріалі (сталевій арматурі). З іншої сторони, як правило, системи будівлі чи споруди є статично невизначеними, тобто мають гарячі та холодні резерви. Визначення надійності таких систем хоча і складніше, однак досить добре вивчене [2] і може використовуватися у практичних розрахунках.
Дана методика апробована на досить великій кількості об’єктів, в тому числі і штучних споруд на дорогах.
Так в 1993 році один із авторів приймав участь в обстеженні несучих конструкцій пролітної будівлі мосту через р. Ворскла в м. Полтаві (в районі Південного вокзалу). Загальний вид мосту показаний на рис. 1.
Рис. 1. Загальний вид мосту
Обстеження виконувалось з метою оцінювання технічного стану конструкцій, виявлення дефектів, відхилень від проекту, пошкоджень, які з’явилися протягом довготривалої експлуатації (більш ніж 30 років), а також під час виконання ремонтних робіт. Міст представляє собою п’ятипролітну балково-консольну систему з шістьма поздовжніми залізобетонними балками, поперечними розпірками та плитою, виконаними з того ж матеріалу. Споруда призначена для пропуску автомобілів (чотири смуги руху) та однієї залізничної колії. Міст побудований за проектом, розробленим Київським відділенням Державного проектного інституту СРСР «Проектсталькон-струкція» в 1954 році.
В ході обстеження встановлено, що під час будівництва суттєвих (таких, які б могли вплинути на технічний стан конструкцій) відхилень не було. Неруйнуючими методами визначена міцність бетону. Виявилося, що при проектному класі бетону В20 (марка М250), фактична міцність відповідає бетону класу В25. Підвищення міцності бетону проти проектної пояснюється довготривалим твердінням його в порівняно сприятливих умовах. Цей факт під час оцінювання технічного стану (порівняння показників експлуатаційної придатності першої групи) дав можливість виявити доволі суттєві резерви міцності, тобто, власне кажучи, запаси.
Основні пошкодження мосту: протікання (через незадовільний технічний стан гідроізоляції плитної частини, що було підтверджено шурфуванням дорожнього одягу та відкриттям плити при подальшому ремонті мосту); корозія бетону конструкції (рис. 2); відшарування захисного шару бетону поздовжньої та поперечної арматури, що викликане з одного боку недостатньою товщиною цього шару, а з другого - активізацією процесу корозії сталі (рис. 3); відсутність ефективного водові-дведення з мосту.
Рис. 2. Корозія бетону
Рис. 3. Корозія робочої арматури
Оцінювання технічного стану окремих конструкцій виконувалось за вищенаведеною методикою. Оскільки пошкодження знижували один з найвідповідальніших показників експлуатаційної придатності першої групи а саме, міцність, то в ході експертизи на підставі фактичних значень характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів, фактичних розмірів конструкцій та реальних навантажень за методикою чинних норм визначалася фактична несуча здатність елементів мосту. В результаті виконаних перевірних розрахунків встановлено, що ПЕП першої (міцність нормального та похилого перерізів), а також другої групи (величина прогинів, ширина розкриття тріщин) не перевищують своїх граничних значень. В результатів виконаних досліджень зроблено висновок про те, що конструкція знаходиться в задовільному технічному стані (1) та може експлуатуватись без обмежень.
Однак, аналіз динаміки розвитку пошкоджень показав, що градієнт зменшення остаточного ресурсу конструкції (тобто час до переходу конструкції в аварійний технічний стан) визначається міцніс-
тю бетону, оскільки через його корозію ця характеристика зменшується. На підставі цього висновку було вироблено рішення про проведення капітального ремонту одягу мосту з відновленням його гідроізоляції. Ці заходи привели до призупинення процесу корозії бетону та зменшення його міцності, тобто до різкого уповільнення зносу конструкцій. Проведені через 10 років додаткові дослідження мосту показали, що на момент обстеження він знаходиться в задовільному технічному стані та може нормально експлуатуватися в подальшому. Під час цього обстеження встановлено, що усі показники експлуатаційної придатності обох груп не перевищують своїх допустимих значень. Знос конструкцій іде рівномірно. Конструкції повинні підлягати лише поточному ремонту.
Висновки
Дослідження щодо розробки методології оцінювання технічного стану будівельних конструкцій є актуальними.
Запропонований підхід до визначення технічних станів носить формалізований вид, дає можливість враховувати фактичні резерви несучої здатності окремих конструкцій та оцінювати їх стан на підставі строгої методології.
Розділення усієї сукупності показників експлуатаційної придатності на дві групи призвело до диференційованого врахування результатів зносу конструкцій та впливу окремих параметрів на роботу системи в цілому.
Запропонована методологія дає можливість не лише оцінювати технічний стан, а й регулювати його в процесі експлуатації.
Література
1. Нормативні документи з питань обстежень,
паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель і споруд / Держ. комітет буд-ва, архіт. та житлової політики України, Держнаглядохоронпраці України. -К., 1997. - 145 с.
2. Семко О.В. Надійність сталезалізобетонних
конструкцій: дис. докт. техн. наук. - Полтава: Полт. нац. техн. ун-т ім. Ю. Кондратюка, 2006. -468 с.
Рецензент: Е.Д. Чихладзе, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 20 вересня 2006 р.
