836

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Д.А. Морозов

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ОБСЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисциплине «Вопросы проектирования, эксплуатации и усиления МК» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теория и проектирование зданий и сооружений (очная форма обучения, прикладная магистратура)

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

УДК 624.014(075.8)

Морозов Д.А. Основные вопросы эксплуатации, обследований и проектирования реконструкции стальных конструкций зданий и сооружений. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Д.А. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 11 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации практического усвоения части курса лекций по дисциплине «Вопросы проектирования, эксплуатации и усиления МК», изложены основные вопросы по обследованию и испытанию металлических конструкций зданий и сооружений.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теория и проектирование зданий и сооружений.

3

Введение.

Целями освоения учебной дисциплины Вопросы проектирования, эксплуатации и усиления МК являются:

ознакомить студентов с вопросами обследования зданий и сооружений; мониторингом в процессе строительства и эксплуатации; основными причинами аварийных состояний; контроль в процессе эксплуатации за возможными неравномерными деформациями; этапами и методами обследования и усиления оснований и фундаментов.

расширить кругозор студентов по вопросам эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений, изучение студентами передовых методов, методик и конструктивных решений эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений.

Темы занятий:

Тема 1 Общие правила проведения планового обследования стальных конструкций зданий и сооружений

По результатам обследований стальных конструкций зданий и сооружений их техническое состояние оценивают по следующим категориям [4]:

–нормативное, при котором количественное и качественное значение параметров по всем критериям для стальных конструкций соответствует требованиям нормативных документов;

–исправное, при котором отсутствуют дефекты и повреждения, влияющие на снижение несущей способности и эксплуатационной пригодности стальных конструкций;

–работоспособное, при котором некоторые из контролируемых параметров численно не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но не приводят к нарушению работоспособности, а несущая способность с учетом обнаруженных дефектов и повреждений обеспечивается;

–ограниченно работоспособное, при котором обнаруженные дефекты и повреждения дают некоторое снижение несущей способности, но функционирование конструкций еще возможно при контроле за их состоянием и обеспечении надлежащих условий эксплуатации (уменьшение, например, нагрузок);

–недопустимое, при котором из-за обнаруженных дефектов и повреждений снижение несущей способности и эксплуатационных характеристик не обеспечивает безопасного пребывания людей и сохранности оборудования; необходимо проведение страховочных мероприятий и усиление конструкций;

–аварийное, при котором выявленные повреждения свидетельствуют об исчерпании несущей способности, опасности обрушения; требуется принятие срочных противоаварийных мероприятий.

Плановое обследование стальных конструкций проводится в двух видах:

–комплексное;

–выборочное.

Комплексное обследование технического состояния проводят в случае, если необходимо получить количественную оценку фактических показателей состояния конструкций для выполнения капитального ремонта или реконструкции. При этом получаемая информация в результате обследования должна быть достаточной для рассмотрения вариантов капитального ремонта или проектирования реконструкции.

Выборочное (некомплексное) обследование проводится в плановом порядке для определения нормативного или работоспособного технического состояния стальных конструкций. Если при этом будут выявлены повреждения, характерные для ограниченно работоспособного состояния конструкций, то информация о них должна быть достаточной для вариантного усиления таких конструкций.

Для конструкций зданий и сооружений, находящихся по результатам плановых обследований в нормативном и работоспособном состояниях, эксплуатация разрешается без

4

ограничений. Для таких конструкций устанавливают даты периодических обследований в процессе эксплуатации.

Если по результатам планового обследования стальных конструкций здания (сооружения) установлено их ограниченно работоспособное состояние, то разрабатывают мероприятия по усилению таких конструкций и назначают дополнительные даты их периодических обследований в процессе последующей эксплуатации.

При обнаружении аварийного состояния конструкций эксплуатация здания (сооружения) не допускается.

Обследование технического состояния зданий и сооружений проводят в 3 этапа:

–подготовка к проведению обследования;

–предварительное (визуальное) обследование;

–детальное (инструментальное) обследование.

При сокращении Заказчиком объемов обследования, снижающем достоверность заключения о техническом состоянии объекта, Заказчик сам несет ответственность за низкую достоверность результатов.

На основе выполнения подготовительных работ устанавливают [4]:

–автора проекта;

–год разработки проекта;

–конструктивную схему здания;

–время возведения здания или сооружения;

–геометрические размеры конструкций;

–расчетную схему с проектными нагрузками;

–сертификаты и паспорта на примененные изделия и материалы;

–характеристики грунтового основания;

–программу обследований.

На основе предварительного (визуального) обследования:

–готовят ведомости дефектов и повреждений с фотофиксацией и с указанием вероятных причин появления;

–рассматривают необходимость проведения инженерно-геологических изысканий;

–уточняют конструктивную схему;

–определяют предварительную оценку технического состояния.

Детальное обследование технического состояния включает в себя следующие работы:

–измерение (инструментальное) геометрических параметров;

–инженерно-геологические изыскания (при необходимости на основе предварительного обследования);

–инструментальное определение параметров выявленных дефектов и повреждений;

–уточнение фактических характеристик материалов конструкций;

–измерение (или анализ представленных данных лабораторий) параметров эксплуатационной среды;

–определение реальных эксплуатационных нагрузок;

–разработка реальной расчетной схемы (конечно-элементной модели) конструкций;

–определение перемещений от нормативных нагрузок каждого загружения и от их сочетаний с применением не менее двух сертифицированных программ для ЭВМ;

–определение усилий от расчетных нагрузок каждого загружения и от их сочетаний с применением не менее двух сертифицированных программ для ЭВМ;

–составление итогового документа с выводами по результатам обследования;

–составление (или уточнение существующего) паспорта на здание (сооружение).

Примечания:

1) Особенности анализа качества стали.

Если, при очередном плановом обследовании стальных конструкций здания (сооружения) установлено техническое состояние на уровне ограниченно работоспособного или

5

ниже, то следует определять качество стали, из которой изготовлены конструкции с целью возможного выявления резервов технических характеристик.

При этом по мере необходимости нужны следующие технические характеристики стали по механическим свойствам, по химическому составу и марка стали:

–прочность: по пределу текучести и временному сопротивлению на разрыв образцов;

–пластичность: по относительному удлинению и относительному сужению при испытании стандартного образца на растяжение (разрыв);

–склонность к хрупкому разрушению: по величине ударной вязкости при температуре эксплуатации;

–химический состав и свариваемость (для выполнения усилений с применением свар-

ки);

–марка стали (на основании сопоставления вышеперечисленных технических характеристик и химического состава с нормами действующих стандартов).

2)По результатам прочностных испытаний образцов ( σТ , σв ) устанавливают

фициент надежности по материалу принимается в зависимости от периода выплавки стали: для конструкций, изготовленных до 1932 г., а также для сталей

с σТ < 215 МПа − γm = 1,2 ; для конструкций 1932…1982 гг изготовления с σТ < 380 МПа γ m = 1,1; с σТ > 380 МПа − γ m = 1,15; для конструкций,

изготовленных после 1982 г. − γm следует принимать по [5] или по [13] с учетом срока действия этих норм.

3)Для элементов конструкций, имеющих коррозионный износ с потерей более 25% площади поперечного сечения или остаточную после коррозии толщину

≤ 5мм, расчетные сопротивления следует умножать на коэффициент

γα = 0,95 - для слабоагрессивных, = 0,9 – для среднеагрессивных, = 0,85 – для сильноагрессивных сред [4].

4)Для выявления состояния сварных швов их очищают от окалины и пыли и специальными шаблонами замеряют катеты. Поверхность швов тщательно обследуется с применением лупы в местах возможного появления трещин. В сомнительных случаях поверхность шва протравливается растворами, а после просушки смачивается керосином, что позволяет установить вероятное наличие трещин [4].

5)Состояние болтов и заклепок в расчетных соединениях контролируется молот-

ком. При ударе ослабленные заклепки и незатянутые болты подают глухой, дребезжащий звук. Контроль натяжения болтов в сдвигоустойчивых соединениях проверяют тарировочным ключом [9].

Расчетные сопротивления сварных швов, болтов и заклепок в соединениях, подлежащих усилению, учитывают по проекту, а при отсутствии достаточных сведений по [5, п. 18.2].

Тема 2 Выявление дефектов и повреждений стальных конструкций Дефекты – несовершенства конструкции, полученные на стадиях проектирования, из-

готовления, транспортирования и монтажа; характеризуют начальное состояние конструкции в проектном положении. Дефектов в конструкциях строительного объекта на период его сдачи в эксплуатацию в нормальных условиях не должно быть. Если же они выявлены, то являются следствием либо недостаточной квалификации проектировщиков,

6

изготовителей конструкций и строителей и должны быть устранены по требованию государственной комиссии, принимающей объект в эксплуатацию, до подписания соответствующего акта. Подробная классификация дефектов несущих и ограждающих конструкций строительных объектов приведена в [10, с. 175…188].

Повреждения – несовершенства конструкции, полученные в процессе эксплуатации (первопричиной повреждения может быть не выявленный или не устраненный дефект). Как правило, повреждения возникают и развиваются во времени, зависят от срока эксплуатации, интенсивности нагрузок и воздействий и делятся на:

–силовые (механические) в виде разрывов, трещин, местных и общих погибей, расстройств соединений и т.п.;

–температурные в форме коробления, разрушения от высокой температуры, хрупких трещин от низкой температуры;

–химические и электрохимические в виде разрушений защитных покрытий и коррозии стали.

Перечень вероятных повреждений в стальных конструкциях каркасов одноэтажных промзданий подробно приведен в [11].

Назовем наиболее значимые причины их появления:

–ошибки проектирования от неверного определения нагрузок;

–упрощения при переходе от конструктивной схемы каркаса к его расчетной схеме (модели);

–пониженные прочностные показатели основного и наплавленного металла по сравнению с проектными;

–несогласованное с проектировщиками изменение сечений элементов, размеров сварных швов, количества и качества болтов;

–дополнительные, неучтенные при проектировании, усилия в конструкциях от нарушений при монтаже (эксцентриситеты на опорах, в монтажных стыках и т.п.);

–использование конструкций для подвески технологических грузов при ремонтах;

–удаление связей для пропуска коммуникаций;

–дополнительные усилия в элементах конструкций, не учтенные при проектировании от влияния высоких и низких температур;

–несвоевременное восстановление защитных покрытий на конструкциях в агрессивных средах эксплуатации.

В связи с проблемами разделения дефектов и повреждений, выявляемых при проведении обследований, в литературных источниках их указывают вместе.

В [11, с. 7…22] приведена подробная классификация дефектов и повреждений с разделением их на группы по видам конструкций производственных зданий, с разъяснениями вероятных причин их появления. Интересные обобщенные сведения о характерных дефектах и повреждениях строительных конструкций инженерных сооружений приведены в [12] в форме атласа схем и чертежей с указанием вероятных причин их появления и мероприятий по их устранению по результатам многолетней работы авторов по обследованию зданий и сооружений. На рис. 1…4 приведена выборка из [12] характерных дефектов и повреждений стальных конструкций. Ряд характерных дефектов и повреждений в стальных конструкциях производственных зданий приведен в [9, с. 278…282], [11, с. 5…22].

Тема 3 Основные причины аварий зданий и сооружений

7

Обобщая опыт аварий эксплуатируемых зданий (сооружений), в [6] отмечается, что при авариях имеет место стечение целого ряда неблагоприятных факторов. Иногда бывает трудно правильно установить причину аварии и отделить ее от следствия. Таким образом, недостатки, допущенные при проектировании, взаимодействуют с ошибками при монтаже

истановятся первопричинами при неправильной эксплуатации:

-временная перегрузка снегом кровли производственных зданий вдоль фонарей (пример больших прогибов прогонов на крыше промздания одного из заводов в г. Чебоксары);

-непродуманная очистка кровли от снега с образованием большой массы снега на небольшом участке;

-постоянная дополнительная неучтенная проектом нагрузка от производственной пыли, часто увлажненной;

-подвеска к конструкциям временных грузов при ремонте оборудования, непредусмотренных проектом;

-вырезка связей для пропуска технологических трубопроводов;

-коррозия стали под слоями краски (пример – обрушение покрытия в плавательном бассейне пос. Чусовое Пермской области через полтора года после обследования в период эксплуатации);

-консервирование отопления производственных зданий в связи со спадом производства (пример с аварией покрытия механического цеха на ОАО «Сетка» Володарского района г. Дзержинска в 1998 году; как оказалось, первопричиной были недостатки в сборке монтажных узлов покрытия);

-опасные колебания фахверковых колонн в торце кузнечного цеха (ОАО «Завод химического оборудования «Заря») от влияния продольной силы на крановые упоры подкрановых путей.

В [6, 7, 8] приведены различные виды аварийного состояния производственных зданий и сооружений, вызванные ошибками проектирования и монтажа, но проявившиеся в период эксплуатации (см. табл. 1) [6, с. 16…17]

Тема 4 Характерные дефекты и повреждения стальных конструкций зданий и сооружений Рассматриваются и приводятся примеры дефектов и повреждений стальных балок, ферм

колонн, и листовых конструкций.

Тема 5 "Эксплуатация и реконструкция стальных зданий и сооружений". Основные требования к стальным конструкциям зданий и сооружений на стадии

эксплуатации. Основы проектирования усиления стальных конструкций при реконструкции зданий и сооружений.

Вопросы к стальным конструкциям зданий и сооружений, выявляемые в процессе их эксплуатации, имеют важное значение как для обеспечения нормативной работы эксплуатируемых стальных конструкций, так и для вероятного учета выявленных дефектов и повреждений при новом проектировании и строительстве.

В настоящее время обновлено и опубликовано ряд нормативных документов, регламентирующих вопросы эксплуатации зданий и сооружений в современных условиях [1. 2. 3. 4. 5. 20]. Указанные нормативные документы являются основой для контроля сте-

8

пени конструктивной безопасности зданий и сооружений при их эксплуатации и, следовательно, при проектировании и расчетах.

Важнейшие показатели, обеспечивающие безопасную эксплуатацию зданий и сооружений с каркасами из любого материала – это:

–техническое состояние оснований под ними;

–техническое состояние строительных конструкций;

–способность несущих конструкций противостоять угрозам криминального и террористического характера.

При комплексном обеспечении безопасной эксплуатации здания или сооружения оценку показателей получают путем проведения плановых обследований в соответствии с требованиями соответствующих документов.

Тема 6. Показатели надежности и долговечности стальных конструкций. Основным показателем надежности стальных конструкций зданий или сооружений

является невозможность превышения в них предельных состояний при действии наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок в течение расчетного срока их эксплуатации.

Надежность стальных конструкций зданий зависит от расчетных ситуаций при эксплуатации:

–установившаяся – ситуация, имеющая небольшую продолжительность по сравнению со сроком службы (эксплуатация между капитальными ремонтами, между изменениями технологического процесса);

–переходная – ситуация, имеющая малую продолжительность (собственно сам капитальный ремонт или реконструкция строительного объекта);

–аварийная ситуация – при особых воздействиях, не предусмотренных проектом для стадии эксплуатации; в этом случае надежность стальных конструкций следует обеспечивать за счет проведения специальных мероприятий:

а) принятие конструктивных мер, которые защищают эксплуатируемое здание (сооружение) от аварийного состояния или прогрессирующего разрушения;

б) выполнение технического обследования стальных конструкций, попавших под особые воздействия, –

собоснованием расчетами по нормативным документам.

Тема 7. Общие положения реконструкции стальных конструкций Реконструкция, т.е. переустройство существующих объектов, выполняется в связи

с техническим перевооружением предприятий вследствие морального или физического износа технологического оборудования, смены или модернизации технологического процесса. Основной целью реконструкции строительных объектов является придание существующим строительным конструкциям новых свойств, обеспечивающих нормальную эксплуатацию в новых условиях. Однако по мере эксплуатации происходит физический износ строительных конструкций, в связи с чем требуется выполнение комплекса ремонтных работ по восстановлению утерянных ими эксплуатационных свойств. В этом случае реконструкция по модернизации оборудования совмещается с восстановлением работоспособности конструкций.

Для повышения качества проведения реконструкции стальных конструкций зданий и сооружений следует учитывать требования и рекомендации по ее проектированию.

Тема 8. Уточнение расчетной схемы стального каркаса реконструируемого здания. Уточнение расчетной схемы является одним из факторов выявления действительной работы каркаса и возможных резервов его несущей способности. Так при переходе от конструктивной схемы каркаса к расчетной в практических расчетах нового строительства не

9

полностью или вообще не учитывают ряд факторов, существенно влияющих на работу конструкций, в частности, перераспределение усилий за счет эффекта пространственной работы каркаса [9, с. 288…294], [11, с. 107…121].

Составляющие резервов несущей способности в [9] разделены на два вида:

−пересчет существующих конструкций, подлежащих реконструкции по современ-

ным нормам (см. [9, с. 294…298]);

−учет фактической работы и нагруженности конструкций, их геометрических характеристик и свойств стали (выявление сечений элементов, больших, чем проектные; уточнение свойств стали; уточнение нагрузок; учет пространственной схемы работы каркаса; учет действительной работы узла сопряжения ферм покрытия с колоннами; учет включения в горизонтальную работу каркаса сварных соединений ребристых железобетонных плит кровли (при наличии актов на скрытые работы приваривания закладных деталей плит к конструкциям ферм); учет боковой податливости оснований в работе фундаментов под колонны каркаса)

Тема 9. Классификация способов усиления стальных Согласно [3, с. 305] способы усилений разделены на четыре основных вида:

− аварийное усиление – в экстремальных случаях для срочного восстановления несущей способности конструкций. Здесь применяют наиболее простые и технологические решения для короткого срока эксплуатации до капитального ремонта (восстановление конструкций);

–временное усиление – для конструкций, нормальную эксплуатацию которых в плановом порядке следует обеспечить на период до капитального ремонта здания (сооружения);

–капитальное усиление – для решения задач при «средней» и «малой» реконструк-

циях;

–перспективное усиление – в конструкциях, на которые предполагается с течением времени установка нового оборудования с увеличенными нагрузками.

Классификация способов усиления в разных источниках литературы имеет менее или более подробную структуру.

Тема 10. Примеры усиления стальных конструкций.

Приведены существующие примеры усиления стальных конструкций зданий и сооружений различными способами, оценки прочности и деформативности стальных конструкций с повреждениями и после усиления.

Рекомендуемая литература

1.ГОСТ 27751-2014. Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения [Электронный ресурс]. – Введ. 11.12.14. – Режим доступа : КонсультантПлюс. Технические нормы и правила. Строительство.

2.ГОСТ Р53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. – Введ. 25.03.2010. – Москва : Стандартинформ, 2010. – 61 с.

3.СП 53-102-2004. Свод правил по проектированию и строительству. – Введ. 01.01.2005. – Москва : ЦПП, 2005. – 131 с.