Оцінка технічного стану сталевих конструкцій: категорії стану й що змінюється в розрахунку існуючої конструкції

Нова конструкція й діюча: у чому різниця для розрахунку

У проєктному розрахунку невизначеність закривають запасами: сталь беруть за мінімальними значеннями зі стандарту, навантаження за нормами з коефіцієнтами надійності, перерізи за сортаментом. У діючої конструкції частину невизначеності знімає вимір: її можна обміряти, зважити, випробувати. Натомість з’являється інша: фізичний знос, відхилення від проєкту, невідома історія навантажень.

Тому прямий перенос проєктної методики дає хибний результат в обидва боки. Якщо конструкцію зроблено без зайвих запасів, то з урахуванням зносу вона «не проходить» за формулами нових норм, хоч десятиліттями стоїть. Якщо ж після реконструкції навантаження зросли, перевірка за старим перерізом і старими навантаженнями дає завищену надійність. Перевірочний розрахунок зводить в одну нерівність фактичні зусилля й фактичну несучу здатність, а запаси бере з чинних норм, не вигадуючи власних.

Задачі бувають двох типів. Пряма: чи витримає конструкція задані або уточнені навантаження. Зворотна: яке навантаження вона витримає з тими дефектами, що має, тобто яка її залишкова несуча здатність. Зворотна потрібна, коли вирішують, чи вистачить конструкції до найближчого ремонту й наскільки підсилювати.

Що саме замінюють у розрахунку

Сама нерівність лишається тією ж: зусилля від навантажень не мають перевищувати несучої здатності. Змінюється наповнення кожної частини.

Навантаження: що уточнюють і наскільки

Власну вагу металу беруть за обмірами або за кресленнями КМД з контрольними замірами перерізів, а коли креслень немає, за обмірами елементів. Для такого навантаження коефіцієнт надійності приймають рівним одиниці: вагу виміряно, а не припущено. Покриття й перекриття оцінюють за розкриттям покрівлі й фактичним складом шарів: беруть зразки зі шурфів, не менше п’яти, і обробляють результати статистично.

Крановий вплив беруть із паспорта або за результатами зважування крана, з урахуванням того, де кран реально працює і як близько до ряду колон підходить візок. Коефіцієнт для вантажу залежить від типу крана, режиму роботи й вантажопідйомності. Снігове й вітрове навантаження уточнюють за найближчою метеостанцією в подібних умовах захищеності: для снігу потрібні спостереження щонайменше за 20 років, для вітру щонайменше за 15, а розрахункове значення залежить від того, на який строк ухвалюють рішення.

Строк теж працює як поправка. Якщо конструкцію треба лише дотягнути до найближчого ремонту, не довше ніж на рік, розрахункові снігові, вітрові й ожеледні навантаження допускається зменшити на 20 %, як для періоду монтажу. На довший строк цей прийом не поширюється.

У практиці перерахунків облік фактичної технології знижує крановий вплив іноді до 40 %, а уточнення снігу й вітру для конкретного майданчика дає 5–25 %. Це верхні межі, а не очікувані значення: закладати їх наперед не можна, кожен випадок підтверджують документами про технологію й даними спостережень.

Дефекти: що вводять у розрахунок, а що ні

Дефекти діляться на ті, вплив яких можна виразити розрахунком, і ті, що розрахунком не виправдовують. До першої групи належать вирізи, виломи металу й прожоги, корозія як втрата перерізу, загальні викривлення й місцеві погнутості, зсув осей стрижнів, ексцентриситет у вузлах, кріплення поза вузлом, заміна перерізів чи видів з’єднань. Їх вводять або змінюючи геометрію перерізу чи розрахункову схему, або поправками в перевірочних формулах.

Вирізи й послаблення перевіряють за площею нетто, з ексцентриситетом від зсуву центра ваги ослабленого перерізу. Викривлений стрижень у схемі показують прямим, але зі зниженою осьовою жорсткістю, а стиснутий рахують як позацентрово стиснутий, замінюючи стрілку викривлення еквівалентним ексцентриситетом. Стрілку вимірюють на місці й, коли можна, приводять до ненавантаженого стану.

Друга група: тріщини в основному металі й швах, розриви й зломи елементів, дефекти швів (окрім зменшеного катета), наскрізна корозія, ослаблені чи відсутні болти й заклепки, зминання в з’єднаннях, відрив головок, небезпечні види корозії. Їх усувають, а не оформляють розрахунком. Як це роблять, розібрано в статті про типові пошкодження й ремонт.

Окремо від категорії стану дефекти ділять за небезпекою. Категорія А: дефект особливо відповідального елемента чи з’єднання, що загрожує безпосереднім руйнуванням. Категорія Б: зараз прямої небезпеки немає, але дефект може пошкодити інші елементи й з часом перейти в А. Категорія В: з загрозою руйнування не пов’язаний. З дефектом категорії А негайно повідомляють відповідальних осіб, убезпечують людей і майно в зоні, а далі тимчасово розкріплюють, розвантажують або терміново ремонтують.

Розрахункова схема існуючого каркаса

Це найменш формалізований етап. Історія навантажень і причини пошкоджень зазвичай невідомі, тож рахують за кількома схемами й дивляться, яка гірша. Типовий приклад: ферма вважається жорстко прикріпленою до колони, поки верхній опорний вузол не зрушується відносно неї, а для переходу на шарнір вистачає взаємного зсуву в кілька міліметрів. Тому для вузлів і опор задають кілька варіантів, а для кожного стрижня беруть найгірший.

Починають з простішої плоскої схеми з жорсткими або шарнірними вузлами й ведуть розрахунок згори вниз, передаючи опорні реакції. До просторової переходять, коли за простою схемою будівля мала б уже впасти, а вона стоїть: просторова схема враховує підтримку з боку сусідніх конструкцій. Стан опор перевіряють на місці: анкерні болти, зсув опорних плит, ексцентриситети обпирання. Якщо вузол залито бетоном і побачити його не можна, його характеристики беруть за побічними ознаками, наприклад за цілістю бетону заливки.

Основним лишається лінійно-пружний розрахунок. Нелінійно-пружний потрібен для оцінки стійкості. Пластичний розрахунок для існуючих конструкцій зазвичай не застосовують: історія навантажень невідома, а він дає вищу оцінку несучої здатності, тобто знімає запас у діючої конструкції.

Уточнена схема може відкрити резерви: облік повороту фундаментів, справжньої жорсткості кріплення ферми до колони, роботи покрівельного диска, поздовжніх зв’язків і торцевого фахверка. Але діє й у зворотний бік: помилка в моделі вузла зсуває моменти в колонах на десятки відсотків і вгору, і вниз. Покрівельний диск вважають жорстким лише тоді, коли обстеження підтвердило, що покрівля, кріплення до прогонів і стики не пошкоджені.

Дві інші дороги до оцінки: досвід експлуатації й пробне навантаження

Розрахунок не єдиний спосіб. Сталеву конструкцію можна визнати працездатною за самим досвідом експлуатації, але лише коли одночасно виконано дві умови: вона працює щонайменше 25 років і зміни режиму не очікується. Строк можна скоротити, але не менш ніж до десяти років, якщо частка снігового навантаження в розрахунковому сполученні менша за чверть, а рішення діє не довше третини вже відпрацьованого строку. Навіть тоді дефектів категорій А і Б не повинно бути, інакше потрібна розрахункова чи експериментальна оцінка.

Пробне навантаження є експериментом, і в нього є програма: мета, які елементи навантажують, чим створюють навантаження, ступені, що вимірюють і де. Навантажують ступенями, не менш ніж трьома до першого контрольного значення, з витримкою; величину навантаження контролюють з точністю ±5 %. Припиняють негайно, якщо з’явилося руйнування елемента, місцева втрата стійкості, тріщини з розкриттям понад 0,2 мм чи їх ріст, зріз болтів або заклепок. Під навантаженою конструкцією людям перебувати заборонено.

Працездатною конструкцію визнають, якщо руйнувань не було, переміщення при першому контрольному значенні допустимі й не лишають залишкових деформацій, а відношення залишкового переміщення до повного при другому контрольному значенні не виходить за межу. Межа суворіша для зварних конструкцій, ніж для клепаних і болтових. Коли для одного елемента різні способи дають різний результат, беруть найобережніший.

Категорії стану й що з ними робити

Чотири категорії стану (справний, працездатний, обмежено працездатний, аварійний) і шкалу I–IV описано в статті Діагностика та оцінка технічного стану. Тут важливіше інше: яке рішення стоїть за кожною категорією.

Як ухвалюють рішення: залишити, підсилити чи замінити

Рішення завжди прив’язане до прогнозованого строку: до кінця нормативного строку споруди, до найближчого капітального ремонту або до повторної оцінки, коли перевірять, чи можна продовжити експлуатацію. Те саме обстеження дає різні висновки для трьох горизонтів, і в звіті горизонт має бути названий.

Вибір між варіантами спирається насамперед на економіку, але враховують і чинники, які в гроші не переводяться, наприклад безпеку або історичну цінність. Ремонт чи підсилення мають повернути конструкції працездатний стан. Заміну окремого елемента допускають, коли підсилити його неможливо або невигідно. Остаточно про підсилення пошкоджених конструкцій чи заміну вирішує розробник проєкту. Способи підсилення розібрано в статті Підсилення сталевих конструкцій.

Оцінка окремих конструкцій складається в оцінку каркаса: стан будівлі визначає найгірша з несучих конструкцій. Якщо хоч одна аварійна, аварійною вважають і будівлю, а в обґрунтованих випадках оцінюють окремо частини, виділені за функцією чи конструкцією.

Що треба мати для перевірочного розрахунку

Вихідні дані зазвичай є у власника: креслення КМ і КМД, паспорт об’єкта, виконавча документація, відомості про ремонти й зміни. Бракуючі перерізи та розміри вузлів знімає обстеження. Порядок збору даних і документи описано в статтях Порядок обстеження та паспортизація і Нагляд і контроль.

Компанія ПОЛІГОНАЛЬ виконує технічне обстеження, розробляє креслення КМ і КМД для ремонту й підсилення (проєктування) та виготовляє елементи підсилення й заміни за кресленнями (виготовлення). Монтаж на об’єкті виконує партнерська будівельна компанія. Загальні принципи перевірки балок, колон і ферм за чинними нормами подано в розрахункових статтях: балка, колона, ферма.

Нормативи й чинність

Стан конструкцій оцінюють за чинним порядком технічного обстеження будівель і споруд та чинною Методикою проведення обстеження та оформлення його результатів (затверджена наказом від 06.08.2022 № 144); методичну основу оцінювання дає також ДСТУ 9273:2024. Перевірочний розрахунок 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).

Прийоми, описані вище (оцінка за досвідом експлуатації, пробне навантаження, зменшення навантажень на короткий строк, межі з практики перерахунків), мають методичний характер. У кожному випадку їх застосування узгоджують із чинними нормами й обґрунтовують у висновку. Чинність і чинна редакція кожного з названих документів потребують перевірки перед використанням у проєкті.