Оценка технического состояния стальных конструкций: категории состояния и что меняется в расчёте существующей конструкции

Новая конструкция и действующая: в чём разница для расчёта

В проектном расчёте неопределённость закрывают запасами: сталь берут по минимальным значениям из стандарта, нагрузки по нормам с коэффициентами надёжности, сечения по сортаменту. У действующей конструкции часть неопределённости снимает измерение: её можно обмерить, взвесить, испытать. Зато появляется другая: физический износ, отклонения от проекта, неизвестная история нагружения.

Поэтому прямой перенос проектной методики даёт неверный результат в обе стороны. Если конструкция сделана без лишних запасов, то с учётом износа она «не проходит» по формулам новых норм, хотя десятилетиями стоит. Если же после реконструкции нагрузки выросли, проверка по старому сечению и старым нагрузкам даёт завышенную надёжность. Поверочный расчёт сводит в одно неравенство фактические усилия и фактическую несущую способность, а запасы берёт из действующих норм, не придумывая собственных.

Задачи бывают двух типов. Прямая: выдержит ли конструкция заданные или уточнённые нагрузки. Обратная: какую нагрузку она выдержит с теми дефектами, что имеет, то есть какова её остаточная несущая способность. Обратная нужна, когда решают, хватит ли конструкции до ближайшего ремонта и насколько усиливать.

Что именно заменяют в расчёте

Само неравенство остаётся прежним: усилия от нагрузок не должны превышать несущую способность. Меняется содержание каждой части.

Нагрузки: что уточняют и насколько

Собственный вес металла берут по обмерам или по чертежам КМД с контрольными замерами сечений, а когда чертежей нет, по обмерам элементов. Для такой нагрузки коэффициент надёжности принимают равным единице: вес измерен, а не предположен. Покрытия и перекрытия оценивают по вскрытию кровли и фактическому составу слоёв: берут образцы из шурфов, не менее пяти, и обрабатывают результаты статистически.

Крановое воздействие берут из паспорта или по результатам взвешивания крана, с учётом того, где кран реально работает и как близко к ряду колонн подходит тележка. Коэффициент для груза зависит от типа крана, режима работы и грузоподъёмности. Снеговую и ветровую нагрузки уточняют по ближайшей метеостанции в сходных условиях защищённости: для снега нужны наблюдения минимум за 20 лет, для ветра минимум за 15, а расчётное значение зависит от того, на какой срок принимают решение.

Срок тоже работает как поправка. Если конструкцию нужно лишь дотянуть до ближайшего ремонта, не дольше чем на год, расчётные снеговые, ветровые и гололёдные нагрузки допускается уменьшить на 20 %, как для периода монтажа. На более длинный срок этот приём не распространяется.

В практике перерасчётов учёт фактической технологии снижает крановое воздействие иногда до 40 %, а уточнение снега и ветра для конкретной площадки даёт 5–25 %. Это верхние пределы, а не ожидаемые значения: закладывать их заранее нельзя, каждый случай подтверждают документами о технологии и данными наблюдений.

Дефекты: что вводят в расчёт, а что нет

Дефекты делятся на те, влияние которых можно выразить расчётом, и те, что расчётом не оправдывают. К первой группе относятся вырезы, выломы металла и прожоги, коррозия как потеря сечения, общие искривления и местные погибы, смещение осей стержней, эксцентриситет в узлах, крепление не в узле, замена сечений или видов соединений. Их вводят либо изменением геометрии сечения или расчётной схемы, либо поправками в поверочных формулах.

Вырезы и ослабления проверяют по площади нетто, с эксцентриситетом от смещения центра тяжести ослабленного сечения. Искривлённый стержень в схеме показывают прямым, но со сниженной осевой жёсткостью, а сжатый считают как внецентренно сжатый, заменяя стрелу искривления эквивалентным эксцентриситетом. Стрелу измеряют на месте и, когда возможно, приводят к ненагруженному состоянию.

Вторая группа: трещины в основном металле и швах, разрывы и изломы элементов, дефекты швов (кроме уменьшенного катета), сквозная коррозия, ослабленные или отсутствующие болты и заклёпки, смятие в соединениях, отрыв головок, опасные виды коррозии. Их устраняют, а не оформляют расчётом. Как это делают, разобрано в статье о типовых повреждениях и ремонте.

Отдельно от категории состояния дефекты делят по опасности. Категория А: дефект особо ответственного элемента или соединения, угрожающий непосредственным разрушением. Категория Б: прямой опасности сейчас нет, но дефект может повредить другие элементы и со временем перейти в А. Категория В: с угрозой разрушения не связан. При дефекте категории А немедленно ставят в известность ответственных лиц, делают зону безопасной для людей и имущества, а дальше временно раскрепляют, разгружают или срочно ремонтируют.

Расчётная схема существующего каркаса

Это наименее формализуемый этап. История нагружения и причины повреждений обычно неизвестны, поэтому считают по нескольким схемам и смотрят, какая хуже. Типичный пример: ферма считается жёстко прикреплённой к колонне, пока верхний опорный узел не смещается относительно неё, а для перехода на шарнир хватает взаимного смещения в несколько миллиметров. Поэтому для узлов и опор задают несколько вариантов, а для каждого стержня берут худший.

Начинают с более простой плоской схемы с жёсткими или шарнирными узлами и ведут расчёт сверху вниз, передавая опорные реакции. К пространственной переходят, когда по простой схеме здание должно было бы уже упасть, а оно стоит: пространственная схема учитывает поддержку со стороны соседних конструкций. Состояние опор проверяют на месте: анкерные болты, смещение опорных плит, эксцентриситеты опирания. Если узел залит бетоном и увидеть его нельзя, его характеристики берут по косвенным признакам, например по целостности бетона заливки.

Основным остаётся линейно-упругий расчёт. Нелинейно-упругий нужен для оценки устойчивости. Пластический расчёт для существующих конструкций обычно не применяют: история нагружения неизвестна, а он даёт более высокую оценку несущей способности, то есть снимает запас у действующей конструкции.

Уточнённая схема может открыть резервы: учёт поворота фундаментов, настоящей жёсткости крепления фермы к колонне, работы кровельного диска, продольных связей и торцевого фахверка. Но действует и в обратную сторону: ошибка в модели узла сдвигает моменты в колоннах на десятки процентов и вверх, и вниз. Кровельный диск считают жёстким только тогда, когда обследование подтвердило, что кровля, крепление к прогонам и стыки не повреждены.

Два других пути к оценке: опыт эксплуатации и пробное нагружение

Расчёт не единственный способ. Стальную конструкцию можно признать работоспособной по одному опыту эксплуатации, но только когда одновременно выполнены два условия: она работает не менее 25 лет и изменения режима не ожидается. Срок можно сократить, но не меньше чем до десяти лет, если доля снеговой нагрузки в расчётном сочетании меньше четверти, а решение действует не дольше трети уже отработанного срока. Даже тогда дефектов категорий А и Б быть не должно, иначе нужна расчётная или экспериментальная оценка.

Пробное нагружение есть эксперимент, и у него есть программа: цель, какие элементы нагружают, чем создают нагрузку, ступени, что измеряют и где. Нагружают ступенями, не менее чем тремя до первого контрольного значения, с выдержкой; величину нагрузки контролируют с точностью ±5 %. Прекращают немедленно, если появилось разрушение элемента, местная потеря устойчивости, трещины с раскрытием более 0,2 мм или их рост, срез болтов или заклёпок. Под нагруженной конструкцией людям находиться запрещено.

Работоспособной конструкцию признают, если разрушений не было, перемещения при первом контрольном значении допустимы и не оставляют остаточных деформаций, а отношение остаточного перемещения к полному при втором контрольном значении не выходит за предел. Предел строже для сварных конструкций, чем для клёпаных и болтовых. Когда для одного элемента разные способы дают разный результат, берут самую осторожную оценку.

Категории состояния и что с ними делать

Четыре категории состояния (исправное, работоспособное, ограниченно работоспособное, аварийное) и шкала I–IV описаны в статье Диагностика и оценка технического состояния. Здесь важнее другое: какое решение стоит за каждой категорией.

Как принимают решение: оставить, усилить или заменить

Решение всегда привязано к прогнозируемому сроку: до конца нормативного срока сооружения, до ближайшего капитального ремонта или до повторной оценки, когда проверят, можно ли продлить эксплуатацию. Одно и то же обследование даёт разные выводы для трёх горизонтов, и в отчёте горизонт должен быть назван.

Выбор между вариантами опирается прежде всего на экономику, но учитывают и факторы, которые в деньги не переводятся, например безопасность или историческую ценность. Ремонт или усиление должны вернуть конструкции работоспособное состояние. Замену отдельного элемента допускают, когда усилить его невозможно или невыгодно. Окончательно об усилении повреждённых конструкций или замене решает разработчик проекта. Способы усиления разобраны в статье Усиление стальных конструкций.

Оценка отдельных конструкций складывается в оценку каркаса: состояние здания определяет худшая из несущих конструкций. Если хоть одна аварийная, аварийным считают и здание, а в обоснованных случаях оценивают отдельно части, выделенные по функции или конструкции.

Что нужно иметь для поверочного расчёта

Исходные данные обычно есть у владельца: чертежи КМ и КМД, паспорт объекта, исполнительная документация, сведения о ремонтах и изменениях. Недостающие сечения и размеры узлов снимает обследование. Порядок сбора данных и документы описаны в статьях Порядок обследования и паспортизация и Надзор и контроль.

Компания ПОЛИГОНАЛЬ выполняет техническое обследование, разрабатывает чертежи КМ и КМД для ремонта и усиления (проектирование) и изготавливает элементы усиления и замены по чертежам (изготовление). Монтаж на объекте выполняет партнёрская строительная компания. Общие принципы проверки балок, колонн и ферм по действующим нормам даны в расчётных статьях: балка, колонна, ферма.

Нормативы и действительность

Состояние конструкций оценивают по действующему порядку технического обследования зданий и сооружений и действующей Методике проведения обследования и оформления его результатов (утверждена приказом от 06.08.2022 № 144); методическую основу оценки даёт также ДСТУ 9273:2024. Поверочный расчёт выполняют по ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и ДБН В.1.2-14:2018 «Общие принципы обеспечения надёжности и конструктивной безопасности зданий и сооружений» (оба с Изменениями № 1).

Приёмы, описанные выше (оценка по опыту эксплуатации, пробное нагружение, уменьшение нагрузок на короткий срок, пределы из практики перерасчётов), носят методический характер. В каждом случае их применение согласуют с действующими нормами и обосновывают в заключении. Действительность и действующая редакция каждого из названных документов требуют проверки перед использованием в проекте.