III. Раздел «Повышение долговечности строительных конструкций зданий и сооружений»

1. Отечественный и зарубежный опыт мониторинга коррозионного состояния строительных конструкций зданий и сооружений

Изучен и обобщен отечественный и зарубежный опыт мониторинга коррозионного состояния строительных конструкций зданий и сооружений, проанализированы современные методы исследования и прогнозирования развития коррозионных процессов, выполнена оценка текущего состояния научно-методического и информационного обеспечения мониторинга.

Сформулированы основные принципы и задачи мониторинга коррозионного состояния строительных конструкций зданий и сооружений. Определены базовые методы мониторинга коррозионного состояния, приборы и оборудование, используемые при его осуществлении. Выполнен анализ результатов обследований и мониторинга состояния отдельных зданий и сооружений в период 2006-2008 гг. с целью выявления значимых критериев интегральной оценки и прогноза их эксплутационной пригодности с учетом коррозионных поражений. Разработаны методика интегральной оценки состояния конструкций зданий и предложения по критериям такой оценки с учетом коррозионных поражений.

  В настоящее время можно осуществлять интегральную оценку остаточного ресурса и инструментальный мониторинг сооружения непрерывно, дистанционно, с высокой степенью многосторонности и гибкости. Для этого имеются необходимые приборы и оборудование. Разработаны рекомендательные документы и принципы расчета, регламентирующие такую оценку. Следует подчеркнуть, что такая база, в основном, носит региональный характер и относится к компетенции г. Москвы.

 Зачастую оценка остаточного ресурса зданий и сооружений проводится периодически с использованием ручного измерения параметров напряженно-деформированного состояния конструкций. Фундаментом аспектов структурной целостности и долговечности является развитие концепции непрерывного контроля для конструктивных элементов и для глобального поведения. Мониторинг зданий и сооружений целесообразно проводить с использованием современных мониторинговых систем, позволяющих в реальном масштабе времени получать информацию об изменении технического состояния здания. Крайне важно интеллектуальное оснащение мониторинговые системы, с тем, чтобы минимизировать влияние человеческого фактора в оценке результатов технического мониторинга.

 С каждым годом доля строительных объектов с высокой долей износа растет опережающими темпами в сравнении с новостройками. Одновременно, в соответствии с потребностями среды эксплуатации, постоянно увеличиваются эксплуатационные затраты. Следствием «эксплутационного недофинансирования» становятся возрастающее число крупных и мелких аварий, выход объектов из строя, значительные финансовые и трудовые потери, нарастание социальных проблем.

 Известно, что наиболее крупные и долговременные инвестиции осуществляются в сооружение зданий и объектов инфраструктуры. Становится очевидным, что бурно развивающееся в настоящее время строительство совпадает по времени с ростом расходов на эксплуатацию и ремонт существующего гигантского фонда инфраструктуры. Именно поэтому внимание общества и специалистов должно быть обращено не только на начальную, но, главным образом, на возрастающую с каждым днём стоимость эксплуатации этих сооружений.

 Подсчитано, что в США эксплуатируется более 595 тыс. автодорожных мостов, из которых примерно 25% имеют те или иные повреждения и требуют ремонта, реставрации или замены. В настоящее время стоимость эксплуатации мостов превышает $1 млрд. ежегодно, а стоимость эксплуатации всех зданий и сооружений превышает $20 млрд. В нашей северной стране, по оценкам специалистов, до 75% зданий и сооружений, в том числе мостов и дорог, подвергаются агрессивным природным воздействиям.

За рубежом всё большее применение находит практика государственно-частного партнерства, когда подобные объекты передаются крупным строительным компаниям на основе концессионных соглашений, предусматривающих проектирование, строительство и эксплуатацию объекта в течение определенного периода. При этом эти организации заинтересованы в максимально длительной безремонтной эксплуатации.

 В других случаях от проектировщиков стали требовать оценки полной стоимости проекта с учетом расходов на эксплуатацию и оценки потерь в случае раннего выхода объекта из эксплуатации, что заставляет инвесторов соглашаться на применение лучших материалов и проектных решений для возврата вложенных средств с наибольшей выгодой.

 Кроме того, в договор подряда теперь вписывают гарантийный срок эксплуатации не менее 10 лет, что и подрядчика вынуждает иначе подходить к качеству выполняемых работ. В качестве примера можно сослаться на опыт Великобритании в сооружении ис-пользуемых жилых подвальных помещений.

 Такое строительство осуществляется только специально аккредитованными компаниями, которые, пройдя соответствующую проверку, доказывают свою способность обеспечить безопасность помещения и здоровые условия проживания в нём в течение не менее 10 лет после окончания строительства. С заказчиками или покупателями такого здания подписывается контракт, в котором участвует и страховая компания, которая потом несёт полную ответственность за дом в гарантийный срок, в том числе и в случае изменения владельца дома, а также за работу субподрядчика, если таковой привлекался к работе.

 В последние годы к вопросам долговечности бетона привлечено внимание многих специалистов, и расчёты конструкций на долговечность становятся нормой во многих странах мира. В ЮАР, например, введены упрощенные контрольные испытания на долговечность, которые используются для оценки срока службы изделия. Эти испытания, базирующиеся на эксплуатационных характеристиках испытуемого изделия дают возможность подбора состава смеси для индивидуальных проектов.

 Основной объем проблем железобетона концентрируется вокруг коррозии арматурной стали, и напрямую связан с адекватностью её защиты слоем бетона. Защитный слой бетона подвержен воздействию таких агрессивных агентов, как хлорид-ионы и диоксид углерода из атмосферы, и физическому разрушению вследствие эффекта «замораживания-оттаивания». Для бетонных конструкций долговечность напрямую связана со способностью защитного слоя сохранять свои свойства в течение заданного срока эксплуатации.

 В общем случае, проектные концепции по обеспечению долговечности могут быть предписывающего и эксплуатационного характера. Первые основаны на спецификациях материалов (технических условиях), вторые - на количественных прогнозах по долговечности, полученных из натурных испытаний и измеренных фактических характеристик материалов.

 В Европе действующий стандарт на бетон EN 206 и переработанный на его основе немецкий стандарт DIN 1045-1 имеют предписывающий характер. Проектирование на долговечность заключается в правильном определении класса или области применения и правильном подборе материалов, соответствующих этим требованиям (толщина защитно-го слоя и обработка бетона). В редких случаях требуется доказательство морозостойкости бетона в присутствии солей-антиобледенителей, иногда подтверждения его водо- или га-зонепроницаемости. Ряд европейских стран разработали свои эксплуатационные характеристики, используемые в дополнение к требованиям, изложенным в EN 206.

Во многих странах для повышения долговечности железобетонных конструкций применяют некоторые дополнительные меры, в том числе вторичную защиту бетона, ингибиторы коррозии, катодную защиту, коррозионно-стойкие и нержавеющие стали, неметаллическую арматуру и т. д.

 Говоря о сроке службы конструкций из железобетона, нельзя не упомянуть о сложности и многогранности проблемы, которая, по мнению некоторых известных зарубежных специалистов, зачастую решается не совсем корректно. Так, например, С. Ростам из Да-нии полагает, что поиск путей продления срока службы железобетона только исследованием и усовершенствованием свойств бетона и арматурной стали мало продуктивен, хотя и представляет определенный интерес. Проблему следует решать комплексно, усовершенствование свойств обоих материалов и их оптимизация должны осуществляться с учетом их свойств в динамике и с учетом существа происходящих в конструкции под воздействи-ем окружающей среды процессов.

 Применяемый в течение многих лет в отечественной и зарубежной практике термин «долговечность конструкций» является достаточно субъективным и часто трудно определимым количественно. За рубежом в последнее время его часто заменяют термином «срок службы», измеряемым количеством лет. Этот термин относится к конструкциям, проявляющим удовлетворительные эксплуатационные качества в течение оговоренного периода времени без непредвиденных расходов на эксплуатацию.

 Конструкции и сооружения в соответствии с новыми европейскими нормами, рекомендуется проектировать с учетом заданного срока службы. Отечественные специалисты также предпринимают определенные шаги для разработки именно таких методов проектирования конструкций. Однако, как правило, конструкция или сооружение, после их изготовления переходит во владение (или управление) эксплуатирующей организации, где для них начинается наиболее сложная пора эксплуатации.

 Все конструкции и сооружения, как известно, выполняют одну или несколько функций, большинство из которых являются постоянными и активными, хотя некоторые из них могут быть пассивными и реализовываться только по требованию.

 Различают три основные причины потери функциональности (отказа) конструкций, ведущие к снижению прочности, потере внешнего вида, или эксплуатационных свойств:

 технические, вызванные старением материала;

внешние (предусмотренные и непредвиденные), вызванные загрязнением внешней среды: авариями, землетрясениями, вандализмом и т. д.;

человеческий фактор: ошибки в проектировании, реализации проекта, эксплуатации и т.п.

 Применительно к разработке стратегии эксплуатации бетонных конструкций следует иметь в виду известный «закон пяти» Де Ситтера, который утверждает, что один доллар, потраченный на долговечность на стадии проектирования и строительства, эквивалентен пяти долларам, потраченным на превентивную эксплуатацию, и двадцати пяти долларам, потраченным на коррективную эксплуатацию, т. е. на ремонтно-восстановительные работы.

 Возможные последствия потери функциональности (отказа) конструкций оцениваются экономическими и социальными категориями и являются основой при выработке стратегии эксплуатации. Цель стратегии - обеспечение экономически сбалансированных технических мероприятий на уровне отдельных компонентов и конструкции в целом, позволяющих содержать конструкцию в таком состоянии, когда она может выполнять свои функции в течение определенного периода времени с достаточной надежностью, эксплуатационной пригодностью и надлежащим внешним видом. Приступая к выработке стратегии, следует определить функциональные требования, которым должна отвечать конструкция (компонент), и последствия, к которым может привести преждевременная потеря прочности.

 

Известны три принципиально отличные стратегии эксплуатации:

коррективная;

по срокам службы;

по срокам достижения уровня неприемлемости.

 

 В первом случае эксплуатационные действия предпринимаются после обнаружения признаков отказа в конструкции; во втором - через определенный период эксплуатации; в последнем случае - после достижения конструкцией или отдельным ее компонентом предельного состояния.

 Эти стратегии применяются на компонентном уровне. Дело в том, что большинство сооружений представляет собой многокомпонентные системы. Несмотря на безупречное выполнение функций большинством компонентов, сооружение в целом может утратить проектные свойства в результате выхода из строя одного или нескольких компонентов. Поэтому на уровне сооружения для каждой из его функций создается система декомпозиции с использованием принципов системного анализа, разработаны модели их эксплуатации с принятием решения пока только на качественном уровне.

 Используются три типа стоимости: риска, ремонта и инспекции. Очевидно, что целью эксплуатации является минимальная стоимость срока службы. Поэтому все указанные выше стоимости должны быть привязаны ко времени. Чем дольше выполняет свои функции элемент, тем ниже будет стоимость единицы времени его эксплуатации, но при этом растет риск отказа конструкции, для снижения которого приходится чаще проводить инспекции.

 В связи с длительным сроком службы строительных конструкций заметную роль в проблемах надежности приобрел фактический банковский процент на вложенный капитал. Существуют упрощенные формулы для количественного определения ожидаемой удельной стоимости эксплуатации для всех трех эксплуатационных стратегий. Разработано несколько вариантов компьютерных программ, которые с учетом вероятностных схем деградационных процессов автоматически определяют наиболее экономичную стратегию или выдают стоимость заданной стратегии.

 Возможность количественной оценки стоимости отдельных компонентов и сооружений в целом с учетом эксплуатационных расходов и рисков отказа позволяет оценить целесообразность дальнейшей эксплуатации некоторых сооружений и даже их досрочной замены, например, мостов.

 Проф. Шиссель (Германия) предложил свою экономически оптимизированную модель стратегии эксплуатации конструкций на основе вероятностных оценок жизненного цикла отдельных её компонентов. Оценка срока жизни конструкции включает определение вероятности наступления ряда предельных состояний (например, депассивации арматуры), учитывая внешние воздействия (действие антиобледенителей и т.д.) и сопротивление элемента или конструкции, в целом, проницанию хлоридов.

 Создание практической модели поведения конструкции во времени предусматривает проведение мониторинга с момента введения конструкции в эксплуатацию с учетом всех её фактических характеристик. Предлагаемые автором модели жизненного цикла конструкций, которые учитывают влияние факторов эксплуатации, позволяют оптимизировать стоимость ремонтов с учетом большого числа параметров: технических и функциональных требований, безопасности, эстетики, экономии, экологии и т.д. Разработаны математические методы сортировки и выбора приоритетов разной степени сложности с учетом большого числа параметров, которые могут быть использованы проектировщиками при выборе оптимальных вариантов эксплуатации. Идентификация и выбор соответствующих методов принятия решений составляет значительную часть системы управления жизненным циклом конструкции, что, в конечном счете, позволяет эффективно продлевать сроки жизни различных зданий и сооружений из бетона.

Вызывает удивление, что современное сверхвысокое и сверхдорогое здание или мост с невиданным доселе пролетом, от нормального функционирования которых зачастую зависит жизнь огромного количества людей, в ходе строительства и эксплуатации управляются сравнительно примитивными единичными системами контроля и мониторинга, стоимость которых несопоставимо мала по сравнению со стоимостью контролируемых ими объектов и жизнями людей, а современный автомобиль, который обеспечивает комфортную и безопасную жизнь всего одного или нескольких человек от силы, напичкан управляющими системами, стоимость которых сопоставима со стоимостью самого автомобиля.

 За рубежом для наиболее ответственных сооружений разрабатываются специальные концепции эксплуатации. Если до сих пор подход к эксплуатации основывался на интуиции и опыте, то современный подход опирается на научную основу, развитие так называемых стратегий эксплуатации, которые зачастую становятся интегральной частью проектов новых ответственных сооружений.