Определение остаточного срока службы зданий и сооружений производится различными способами, в зависимости от действующей в каждой стране нормативной документации и исторически сложившихся подходов к определению остаточного ресурса.
Многие подходы являются стандартными (расчет максимальной нагрузки как статической переменной в наиболее опасном поперечном сечении участка, но многие подходы являются новаторскими: например в работе основным критерием вычисления при определении параметров индекса надежности является стоимость.
Масштабное исследование остаточного ресурса было проведено А. Патроном, К. Кремоном с использованием данных наблюдений 120 европейских мостов старше 100 лет. Остаточный срок службы был найден в предельном состоянии с учетом неопределенности механических характеристик металлов и их усталостного разрушения. Основными методами определения остаточных характеристик долговечности и надежности являются FORM (надежность первого порядка) и ISM (отбор проб).
В настоящее время в России существует несколько методов определения показателей долговечности и надежности, в том числе и остаточного ресурса), основанных на детерминистических расчетах и аппарате теории вероятностей.
По ограничивающим условиям (детерминистический расчет) остаточный срок службы определяют следующими методами: по статической прочности; скорости коррозии; усталостной прочности металла; по ухудшению физических свойств.
У большинства российских экспертов наиболее распространён метод А. Н. Добромыслова на основе визуального осмотра (физического износа), в котором определяется относительная надёжность зданий и остаточный срок службы.
В качестве объекта исследования авторами рассмотрен существующий цех промышленного предприятия в г. Таганроге Ростовской области.
Обследование технического состояния строительных конструкций здания цеха было проведено в октябре 2016 года, в результате чего было выявлен ряд серьезных дефектов, влияющих на техническое состояние и работоспособность конструкций.
Здание цеха представляет собой одноэтажное трехпролетное промышленное здание, прямоугольное в плане. Дата ввода в эксплуатацию - 1973 г.
Размеры здания в осях 120×66 м, ширина пролетов по 24 м и 18 м (рис.1-3)
Рисунок 1. План цеха
Рисунок 2. Разрез поперечный
Рисунок 3. Фасад А-Г
По конструктивной схеме здание цеха является каркасным. Фундаменты под колонны цеха – железобетонные монолитные стаканного типа. Колонны – сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «А-В» - сборные железобетонные, стропильные фермы в осях «В-Г» - металлические, подстропильные фермы – металлические.
При обследовании строительных конструкций здания цеха были выполнены следующие работы: определение соответствия строительных конструкций здания проектной документации и требованиям нормативных документов, выявление дефектов и повреждений элементов и узлов конструкций здания с составлением ведомостей дефектов и повреждений;
определение пространственного положения строительных конструкций здания, их фактических сечений и состояния соединений; определение фактической прочности материалов и строительных конструкций здания в сравнении с проектными параметрами; определение степени коррозии арматуры и металлических элементов строительных конструкций
Для определения категории технического состояния (относительной надежности) здания был выбран метод с использованием сетевого графа. Сетевая модель системы «Здание» (рис.4) состоит из следующих вершин, характеризующих относительную надежность (вероятность безотказной работы) для следующих случаев: 1- исправное состояние объекта, 2 –состояние коммуникаций, 3- состояние отделки, в том числе гидроизоляции, 4 – состояние прилегающей территории, 5 – состояние ограждающих конструкций (стен и плит покрытия), 6 – состояние металлических стропильных ферм, 7- состояние железобетонных колонн, 8 – состояние оснований и фундаментов; 9 - разрушение объекта; ребра – проявление взаимодействий подсистем.
Рисунок 4. Сетевая модель системы «Здание»
Согласно графу, разрушение здания (пусть между вершинами 1 и 9) может пройти по любому из полных путей.
Относительная поврежденность j-той системы равна εj. Lля данной сетевой модели:
Категория технического состояния, как и показатели надежности (вероятность отказа и безотказной работы) для всех конструкций, кроме стропильных металлических ферм, оценивались согласно методике и сведены в табл.1.
Таблица 1. Результаты оценки технического состояния конструкций цеха
|
№ |
Подсистема конструкций, согласно рис.4. |
Описание состояния |
Категория технического состояния |
Вероятность безотказной работы |
|
2 |
Коммуникации |
Прорывов, разрывов, ржавчины нет |
Работоспособная |
0,95 |
|
3 |
Отделка |
Частично отсутствует АКЗ металлоконструкций |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
4 |
Прилегающая территория |
Частично разрушена отмостка |
Ограничено работоспособная |
0,85 |
|
5 |
Ограждающие конструкции (плиты, стены) |
Плиты - регулярное замачивание, разрушение защитного слоя бетона и обнажение арматурной сетки полок и ребер плит, трещины в продольных и поперечных ребрах, пробиты непроектные сквозные отверстия. Стены, кирпичная кладка – трещины, фрагментарное, отсутствие остекления, размораживание., частичное разрушение; стеновые панели - выпадение бетона из швов, нарушение герметичности швов, большая площадь замачивания, разрушение защитного слоя бетона и коррозия арматуры, трещины, искривление из вертикальной плоскости, сколы ребер. |
Ограничено работоспособная |
0,8 |
|
7 |
Колонны |
Трещины вдоль рабочей арматуры, разрушение защитного слоя бетона с обнажением и без обнажения арматуры, замачивание основания, замасливание бетона на локальных участках, поверхностная коррозия обрамления и закладных деталей |
Ограничено работоспособная |
0,83 |
|
8 |
Основания и фундаменты |
Дефектов и повреждений, свидетельствующих о неравномерных осадках - не обнаружено. |
Работоспособная |
0,95 |
При обследовании стропильных ферм обнаружены следующие дефекты и повреждения: ветхое состояние антикоррозионного лакокрасочного покрытия части здания в осях В-Гх1-21, поверхностная коррозия элементов металлических ферм; местные погибы верхних и нижних полок, раскосов и стоек фермы (рис. 5, таблица 2); выгиб стойки фонаря.
Рисунок 5. Схема расположения точек погибов элементов фермы
Расчет был произведен с использованием метода конечных элементов в ПК ANSYS. К стропильной ферме в месте опирания прогонов была приложена узловая нагрузка от веса кровельного настила и прогонов, временная нагрузка на покрытие (снеговая, рис. 6а). Нагрузка от собственного веса фермы задана автоматически (рис.6б).
а)
б)
Рисунок 6. Нагрузка на ферму, а- на кровлю и временная, б – собственный вес
|
Точка, дефект |
Фото дефекта |
Вид на конечно-элементной модели |
Вид на эпюре напряжений |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
Если стержни системы сделаны из одного материала, но имеют различные поперечные сечения, то формула вероятности не разрушения системы: 
где 
для растянутых стержней, и 
для сжатых стержней (в каждом стержне свое конкретное напряжение).
Здесь F – внешняя нагрузка;
si – напряжение, вызываемое усилием 
в i-том стержне;
- усилие в i-том элементе от внешней нагрузки F=1;
Ai – площадь сечения i-того стержня.
Функция распределения прочности элементов:
, где s - напряжение, действующее в стержне.
Значение P(s) – есть вероятность того, что случайный предел текучести Ry будет меньше действующего напряжения s, т.е. вероятность разрушения. Через интеграл вероятности Гаусса: 
.
Результаты расчета напряжений (согласно расчету в ПК ANSYS) и вероятности разрушения фермы в точках с максимальными напряжениями (согласно формуле (1)) сведены в табл.3. Материал фермы - сталь С245, Ry=240МПа, 
– м.о. предела текучести; s(Ry)=20МПа,
Таблица 3. Вероятность разрушения элементов фермы
|
Параметр |
Номер точки на рис. 5 |
Верхн. пояс |
Нижний пояс |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
|
Напряжение, МПа |
6,1 |
235,4 |
49,2 |
102,1 |
202,6 |
113,2 |
|
Вероятность разрушения |
0,0 |
0,163 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
Расчет полных путей сведен в табл.4.
Таблица 4. Расчет вероятности разрушения здания
|
Полный путь |
Вероятность разрушения |
Полный путь |
Вероятность разрушения |
|
1-2-5-9 (f1 = P2∙P5) |
0,01 |
1-3-6-7-9 (f9 = P3∙P6∙P7) |
0,006 |
|
1-3-5-9 (f2 = P3∙P5) |
0,04 |
1-3-6-7-8-9 (f10 = P3∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
|
1-3-6-9 (f3 = P3∙P6) |
0,032 |
1-3-7-8-9 (f11 = P3∙P7∙P8) |
0,002 |
|
1-3-7-9 (f4 = P3∙P7) |
0,034 |
1-4-8-9 (f12 = P4∙P8) |
0,008 |
|
1-3-8-9 (f5 = P3∙P8) |
0,01 |
1-4-8-7-9 (f13 = P4∙P8∙P7) |
0,001 |
|
1-3-5-6-9 (f6 = P3∙P5∙P6) |
0,006 |
1-4-8-7-6-9 (f14 = P4∙P8∙P7∙P6) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-9 (f7 = P3∙P5∙P6∙P7) |
0,001 |
1-4-8-7-6-5-9 (f15 = P4∙P8∙P7∙P6∙P5) |
0,0 |
|
1-3-5-6-7-8-9 (f8 = P3∙P5∙P6∙P7∙P8) |
0,0 |
Относительная поврежденность здания |
0,189 |
Остаточный ресурс здания определяется как время до наступления неработоспособного состояния (относительная надежность Pнер = 0,75):
где λзд – скорость разрушения здания:
где t – время от ввода в эксплуатацию до обследования.
Остаточный ресурс здания равен:
Проведенный анализ эффективности применения комплексного подхода с использованием вероятностных методов и теории графов к определению остаточного ресурса зданий позволяет учесть техническое состояние каждого вида конструкций с учетом их дефектов.
