Корозійний знос і несуча здатність сталевих елементів: як враховують втрату перерізу

Що корозія робить із елементом

Корозія діє двома шляхами. Перший очевидний: переріз тоншає, і в металі, що лишився, напруження за того самого навантаження зростають. Другий менш помітний: у статично невизначеній конструкції елементи втрачають жорсткість по-різному, і зусилля перерозподіляються на ті, що збереглися краще. Тому перевірка одного ураженого елемента окремо може недооцінити навантаження на сусідній.

Тонкий переріз від того самого стоншення втрачає більшу частку площі, ніж товстий. Саме тому кутики, швелери й тонкі листи в сирих місцях виходять з ладу раніше за масивні профілі.

Шар іржі несучої здатності не має. У розрахунок входить лише метал, що лишився, виміряний після зачистки до чистої поверхні.

Види корозійного пошкодження

У виробничих спорудах переважає електрохімічна корозія за участі вологи. Її ділять на загальну, рівномірну або нерівномірну по поверхні, і місцеву: плями, виразки, точкові ураження, наскрізні проникнення. Місцева корозія виникає там, де вплив локальний: тече покрівля, нещільний трубопровід, елемент постійно зволожується в місці контакту з мокрою кладкою чи бетоном.

Як втрату перерізу вводять у розрахунок

Спершу вимірюють залишкову товщину металу, а не ржавого шару: після зачистки до чистого металу, у кількох точках по довжині й по периметру, із фіксацією найгірших зон. Різниця між початковою товщиною (за кресленням чи сортаментом) і виміряною і є стоншення.

Далі зменшують геометричні характеристики перерізу: площу, момент інерції, момент опору. Кожну поверхню, що контактує зі середовищем, зменшують на глибину проникнення корозії. Для закритого профілю з ураженням з одного боку ця глибина дорівнює стоншенню. Для відкритого профілю (двотавр, швелер, кутик), який кородує з обох боків, на кожну поверхню припадає половина виміряного стоншення.

Скільки відсотків перерізу це забирає, залежить від того, скільки металу припадає на одиницю периметра, що контактує зі середовищем. Чим тонша стінка і чим більше відкритих поверхонь, тим швидше росте втрата. Тому однакова глибина корозії по-різному б’є по кутику, швелеру, двотавру й трубі. Формули для кожної форми застосовує проєктувальник за чинною методикою перевірочних розрахунків.

Пітинг враховують окремо. Коефіцієнт пітингоутворення залежить від глибини уражень і від того, наскільки густо вони розташовані. Сталь для розрахунку уражених елементів характеризують за випробуваннями, а не лише за паспортом.

Потім перевіряють обидві групи граничних станів: міцність і стійкість при розрахункових навантаженнях, а також прогини й переміщення, бо жорсткість теж упала. У статично невизначених системах перераховують усю схему, а не один стрижень, бо ослаблений елемент віддає частину зусилля сусіднім. Наскрізні ураження й вирізи рахують як ослаблення за площею нетто, але наскрізну корозію як допустиму в розрахунок не вводять: її усувають.

Якщо умови міцності, стійкості чи жорсткості не виконуються, ослаблення вважають корозійним пошкодженням, і конструкцію підсилюють. Розрахунок підсилення ведуть уже із залишковим перерізом. Загальну логіку перевірочного розрахунку розібрано в статті Оцінка технічного стану сталевих конструкцій.

Коли елемент підсилюють, а коли міняють

Єдиної межі для всіх елементів немає. Рішення залежить від того, який це елемент, скільки перерізу втрачено, де саме (у найнапруженішій зоні чи ні), в якому стані решта елемента, чи можна дістатися до зони, і що показує перерахунок із підсиленням.

Є орієнтир із ремонту кранових металоконструкцій: елемент, який через корозію втратив понад 5 % площі перерізу в стержневих системах або понад 10 % у балкових, вважають непридатним до ремонту й міняють. Це вузькоспеціальний критерій для вантажопідйомних кранів. На будівельні конструкції та опори його переносять лише з обґрунтуванням розробника проєкту.

Підсилення розглядають, коли втрата локальна, решта елемента здорова, до зони є доступ, а перерахунок із підсиленням виходить. Колони ремонтують у разі суттєвого корозійного зносу чи значних місцевих пошкоджень і зазвичай роблять це під навантаженням, бо розвантажити їх складно. Заміну застосовують тоді, коли підсилити неможливо, і зазвичай повторюють раніше існуюче конструктивне рішення.

Метал підсилення не може поступатися наявному за механічними властивостями, в’язкістю й зварюваністю, а в агресивному середовищі його корозійна стійкість не нижча за стійкість існуючого. Якщо конструкцію раніше не зварювали й даних про зварюваність немає, спершу оцінюють зварюваність (див. уточнення характеристик сталі).

Зачистка від іржі сама здатна остаточно послабити сильно вражений елемент. Тому під такі елементи на час очищення ставлять тимчасові опори. Для металевих опор подібні рішення розібрано в статті Знос і корозія металевих опор.

Підсилення не має створювати нових осередків корозії

Накладки й ламелі в уражених зонах легко утворюють щілини та замкнені порожнини, де волога лишається. Тому підсилення проєктують так, щоб до всіх поверхонь можна було дістатися для захисту, а щілини герметизують. У місцях обриву елементів підсилення не допускають різких концентрацій напружень, а швів не скупчують.

Шви на елементах підсилення роблять суцільними. Переривчасті (шпонкові) шви припустимі лише в статично навантажених конструкціях у неагресивному середовищі, а при динамічних навантаженнях їх не застосовують.

Якщо ураження викликали не волога, а удари транспорту чи теплове випромінювання від обладнання, у проєкті підсилення передбачають захисні облицювання й огородження, інакше пошкодження повториться.

Захист після ремонту: фарба й цинк

Без захисту підсилення втрачає сенс: механізм, що з’їв метал, почне працювати знову. Систему захисту обирають за агресивністю середовища й доступністю поверхонь. Лакофарбове покриття лишається найкоротшою ланкою захисту каркаса: його поновлюють значно частіше, ніж міняють сам метал.

Для нових елементів, які виготовляють на заводі, одним із варіантів є гаряче цинкування. Як працює цинк і скільки служить покриття, розібрано в статтях Строк служби гарячого цинкування і Проєктування під гаряче цинкування. Цинкують елемент у ванні цілком, тому для вже змонтованої конструкції це означає демонтаж. На місці її захищають фарбувальною системою, а ділянки зварювання деталей підсилення, що приварюють на об’єкті, захищають окремо.

Що ми можемо зробити

Вимір залишкової товщини й оцінку стану елементів виконує технічне обстеження. Компанія ПОЛІГОНАЛЬ розробляє креслення КМ і КМД для підсилення чи заміни (проєктування), виготовляє елементи за кресленнями замовника (виготовлення), виконує гаряче цинкування та порошкове фарбування. Монтаж на об’єкті виконує партнерська будівельна компанія.

Нормативи й чинність

Оцінка корозійного зносу входить у технічне обстеження за чинним порядком і Методикою проведення обстеження та оформлення його результатів (затверджена наказом від 06.08.2022 № 144) та ДСТУ 9273:2024. Розрахунок уражених елементів виконують за ДБН В.2.6-198:2014 «Сталеві конструкції. Норми проектування» і ДБН В.1.2-14:2018 «Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель і споруд» (обидва зі Змінами № 1).

Класифікацію агресивності середовища та вимоги до систем захисту від корозії встановлюють окремі чинні нормативи: їхні назви й редакції проєктувальник підтверджує перед проєктом. Орієнтири, наведені в статті (розміри виразок і пітингу, відсоток втрати перерізу для кранових конструкцій), мають довідковий характер і не замінюють рішення розробника проєкту. Чинність і чинна редакція всіх згаданих документів потребують перевірки.