Шульга Степан Николаевич – Начальник отдела экспертизы
зданий и сооружений ОАО «Магнитогорский ГИПРОМЕЗ»,
г.Магнитогорск
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований
Нормальная эксплуатация – эксплуатация, осуществляемая (без ограничений) в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими или бытовыми условиями.
Надежность строительного объекта – свойство строительного объекта выполнять заданные функции в течение требуемого промежутка времени.
Нагрузочный эффект – усилия, напряжения, деформация, раскрытия трещин, вызванные силовыми воздействиями.
Эксплуатация здания или сооружения – использование здания или сооружения по функциональному назначению с проведением необходимых мероприятий по сохранению состояния конструкций, при котором они способны выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.
Предельные состояния – состояния, при которых конструкция, основание (здание или сооружение в целом) перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ (возведении).
ГОСТ Р 54257-2010. Надежность строительных конструкций и оснований
Долговечность – способность строительного объекта сохранять физические и другие свойства, устанавливаемые при проектировании и обеспечивающие его нормальную эксплуатацию в течение расчетного срока службы при надлежащем техническом обслуживании.
Надежность строительного объекта – способности строительного объекта выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации.
Расчетный срок службы – установленный в строительных нормах или в задании на проектирование период использования строительного объекта по назначению до капитального ремонта и (или) реконструкции с предусмотренным техническим обслуживанием. Расчетный срок службы отсчитывается от начала эксплуатации объекта или возобновления его эксплуатации после капитального ремонта или реконструкции.
Строительная конструкция – часть здания или сооружения, выполняющая определенные несущие, ограждающие или эстетические функции.
Техническое обслуживание и текущий ремонт – комплекс мероприятий, осуществляемых в период расчетного срока службы строительного объекта, обеспечивающих его нормальную эксплуатацию.
Эксплуатация несущих конструкций объекта – комплекс мероприятий по поддержанию необходимой степени надежности конструкций в течение расчетного срока службы объекта в соответствии с требованиями нормативных и проектных документов.
Прогрессирующее (лавинообразное) обрушение – последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие начального локального повреждения.
ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.
Живучесть – свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять заданное назначение в процессе неблагоприятных воздействий на весь объект или отдельные его компоненты, поддерживая в допустимых пределах свои эксплуатационные показатели.
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость исследования живучести такой масштабной и многофункциональной системы, как подкраново-подстропильная ферма (далее ППФ), продиктована рядом проблем:
Во-первых, возрастание масштабов и стоимости систем приводит к значительному росту ущербов от длительного отключения даже части системы, увеличению доли технологически связанных нарушений работоспособности, а следовательно, масштабов «поражения» системы.
Во-вторых, в больших системах возрастают сложность и трудоемкость восстановительных операций. Поэтому стремление к уменьшению размеров «поражения» системы одновременно является стремлением к созданию более благоприятных условий для восстановления требуемого уровня функционирования.
Кроме того, существует проблема быстрого и оптимального включения сохранившихся в системе ресурсов в интересах выполнения жизненно важных функций системы после сильного на нее воздействия.
Решение этих проблем требует от системы новых качеств, которыми она может и не располагать, если спроектирована для работы только в нормальных условиях эксплуатации.
Решение этой задачи заключается в определении математических и физических моделей сложных технологических рабочих и аварийных процессов ППФ для анализа условий перехода от штатных состояний к условиям возникновения и развития аварий.
Такие модели характеризуются многоуровневой структурой, затрагивающей глобальные, локальные и объектовые аспекты безопасности. Результатом построения моделей является построение «дерева неисправностей». Анализ дерева неисправностей является одним из методов идентификации опасностей и оценки риска.
Количественные характеристики моделей аварийных процессов и их развитие по определённым сценариям осуществляются на базе фундаментальных закономерностей физики, химии и механики катастроф, алгебры логики. При этом стадии возникновения и развития аварийных ситуаций характеризуются различными сочетаниями физических, химических и механических поражающих и повреждающих факторов.
Теория, техника и технология предупреждения аварий ППФ и несущих конструкций покрытия производственных зданий включают в себя анализ новых предельных состояний при наиболее сложных сценариях развития аварийных ситуаций с учётом первичных и вторичных факторов повреждений в основном металле, металле сварных швов, в болтовых соединениях, развитие методов и создание систем оперативной диагностики аварийных ситуаций и поврежденных состояний в случае возникновения техногенных аварий.
Механика катастроф и нелинейная механика деформирования принимались в качестве научной основы для:
— анализа источников возникновения и сценариев развития аварийных ситуаций;
— разработки рекомендаций для проектирования ППФ по критериям живучести;
— принятия решений о допустимости реализации проектов, возможной эксплуатации и продлении ресурса безопасной эксплуатации.
Расчётное обоснование безопасности несущих конструкций ППФ выполняется поэтапно, с учётом:
— прочности, жёсткости и устойчивости (применение методов сопротивления материалов);
— выносливости, долговечности (применение методов теории много- и малоцикловой усталости);
— динамической прочности и ресурса (с применением методов динамики деформирования и разрушения);
— трещиностойкости и живучести (с применением методов линейной и нелинейной механики разрушения).
- ЦЕЛЬ МЕТОДИКИ
Прикладной задачей исследования живучести является определение возможности каскадного разрушения конструкции и разработки мероприятий по обеспечению комплексной безопасности ППФ по критериям прочности, ресурса, безопасности с использованием приемлемых и управляемых рисков на стадии проектирования, эксплуатации и при реализации восстановительных работ в условиях непрерывного производственного процесса.
- МЕТОДИКА ОБСЛЕДОВАНИЯ ППФ С НЕРАЗРЕЗНЫМ НИЖНИМ ПОЯСОМ
Комплексное обследование промышленного здания в настоящее время регламентируется действующим ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга зданий и сооружений». Учитывая особенность конструкций ППФ с неразрезным нижним поясом, имеется специфика их обследования:
— значительная протяжённость сварных швов этих конструкций (длина только одной ППФ с неразрезным коробчатым нижним поясом может быть более 200 м);
— наличие фрикционных соединений на высокопрочных болтах;
— наличие в пролёте источников повышенного тепловыделения;
— обследование выполняется в условиях действующего производственного процесса;
— наличие работающих мостовых кранов грузоподъёмностью до 500 т.
Комплексное обследование ППФ включает:
— измерение необходимых для выполнения целей обследования геометрических параметров конструкций, их элементов и узлов;
— инженерно-геологические изыскания;
— инструментальное определение параметров дефектов и повреждений;
— определение фактических характеристик материалов основных несущих конструкций и их элементов;
— измерение параметров эксплуатационной среды, присущей технологическому процессу в здании и сооружении;
— определение реальных эксплуатационных нагрузок и воздействий, воспринимаемых обследуемыми конструкциями с учетом влияния деформаций грунтов основания;
— определение реальной расчетной схемы здания или сооружения и его отдельных конструкций;
— определение расчетных усилий в несущих конструкциях, воспринимающих эксплуатационные нагрузки;
— поверочный расчет несущей способности конструкций по результатам обследования;
— анализ причин появления дефектов и повреждений в конструкциях;
— составление итогового документа (заключения) с выводами по результатам обследования.
2.1. Обследование сварных швов ППФ
Сварные швы ввиду значительной их длины в конструкции ППФ обследуются в несколько этапов.
На первом этапе выполняется визуально-измерительный контроль.
Визуально-измерительный контроль (ВИК) — это один из методов неразрушающего контроля оптического вида. Он основан на получении первичной информации о контролируемом объекте при визуальном наблюдении или с помощью оптических приборов и средств измерений. Это органолептический контроль, т.е. воспринимаемый органами чувств (органами зрения). ГОСТ 23479-79 «Контроль неразрушающий. Методы оптического вида» устанавливает требования к методам контроля оптического вида.
Визуальный метод контроля позволяет обнаруживать несплошности, отклонения размера и формы от заданных более 0,1 мм при использовании приборов с увеличением до х10.
Визуальный контроль, как правило, производится невооруженным глазом или с использованием увеличительных луп до ´7. В сомнительных случаях и при техническом диагностировании допускается применение луп с увеличением до ´20.
Перед проведением визуального контроля поверхность в зоне контроля должна быть очищена от ржавчины, окалины, грязи, краски, масла, брызг металла и других загрязнений, препятствующих осмотру.
При визуально-измерительном контроле сварных швов зоной контроля являются сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла на ширине не менее 200 мм в каждую сторону от шва с двух поверхностей, если обе они доступны для осмотра.
На втором этапе выполняется детализированное изучение выявленных дефектов с уточнением их параметров: определены их границы, ширина раскрытия, глубины.
Для решения этих задач наиболее эффективным методом для замеров границ трещиноподобных дефектов оказался капиллярный.
2.2. Обследование соединений на высокопрочных болтах
Обследование фрикционных соединений выполняется согласно руководству [1]. Особенностью фрикционных соединений на высокопрочных болтах является то, что усилия воспринимаются не срезом болтов и смятием стенки, а силами трения, возникающими между соприкасающимися поверхностями, стянутыми высокопрочным болтом. В связи с этим величина натяжения высокопрочных болтов и качество подготовки фрикционных поверхностей соединяемых элементов являются решающими и контролируются во время проверки. Недостаточное натяжение высокопрочных болтов во фрикционных соединениях может привести к «проскальзыванию» элементов, при этом болты будут работать на срез, элементы – на смятие. Кроме того, возможно нарушение геометрической формы за счет взаимного смещения элементов – болты будут вступать в работу неравномерно, так как разница диаметров отверстий и болтов может достигать 6 мм и возможны случаи поочередного разрушения болтов.
Контроль за состоянием высокопрочных болтов и соединяемых элементов производится визуально и заключается в проверке наличия болтов в узлах, а также в выборочной проверке их натяжения и сохранности (отсутствие трещин, порывов) соединяемых элементов. Проверяются болты в каждом десятом узле (10% узлов). При последующих проверках проверяются не проверенные ранее узлы.
В процессе инструментальной проверки контролируется натяжение болтов (табл.1). Контроль натяжения болтов осуществляется по моменту закручивания динамометрическими ключами. В дополнение к этому контролируются зазоры между элементами фрикционных соединений. Проверка зазоров осуществляется набором щупов.
В случае выявления дефектов аварийного характера, когда в соединении ослаблено более 10% болтов, отсутствуют более 10% болтов, а также обнаружения трещин или порывов в соединяемых конструкциях немедленно должны быть приняты меры по их устранению.
2.3. Тепловизионный контроль
Для исследования тепловых воздействий на ППФ целесообразно выполнять тепловизионный контроль. Тепловизионное обследование ППФ выполняется в соответствии с ГОСТ Р 54852-2011 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».
Метод основан на дистанционном измерении тепловизоpом полей темпеpатуp контролируемых поверхностей. Перепады темпеpатуp возникают при наличии источников тепловыделения технологического оборудования, а также в результате неравномерного распределения температуры конструкций внутри самого здания в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Измерения выполняются как в зимнее время года (выявляется максимальный перепад температур), так и в летнее (определяется максимальный нагрев конструкции от температуры наружного воздуха и технологического оборудования).
2.4. Исследование напряжённо-деформированного состояния
Для контроля напряжённо-деформированного состояния допускается использование нескольких методов:
— метод тензометрии;
— рентгенографический метод;
— магнитные методы;
— резистивный электроконтактный метод НК;
— акустические методы.
Метод тензометрии получил широкое распространение в практике исследования НДС металлоконструкций. Метод тензометрии, являющийся основным в экспериментальном определении напряжений при испытаниях, заключается в измерении при помощи специальных точных приборов, называемых тензометрами, деформаций в какой-либо точке (зоне) элемента конструкции и нахождении по величине этих деформаций, используя зависимость Гука, величин напряжений. Деформации, измеряемые на отрезке, длина которого до деформации называется базой S, при работе в упругой стадии характеризуются малыми величинами.
Тензометрами измеряют абсолютное удлинение (укорочение) ΔS, и по ним определяют среднюю относительную деформацию. Для того чтобы средняя относительная деформация точнее отражала истинную, база S должна быть по возможности короткой.
При линейном напряженном состоянии для определения напряжения достаточно измерить ΔS на базе, расположенной вдоль элемента.