student from 01.01.2019 to 01.01.2021
, Russian Federation
employee from 01.01.2003 until now
Lipetsk, Lipetsk, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
OKSO 08.04.01 Строительство
BBK 302 Проектирование
BBK 304 Конструкции
BBK 38 Строительство
TBK 50 Технические науки в целом
TBK 5016 Проектирование. Конструирование
BISAC TEC005000 Construction / General
The article discusses the main reasons for the physical wear and tear of metal crane beams of industrial buildings at hazardous production facilities. The analysis of the existing methods for determining the physical wear and the residual life of various structures, as well as regulatory and technical documentation, regulating the issue of conducting inspections of structures and the appointment of the technical condition of structures is carried out. The analysis of characteristic defects and damages of welded crane beams and an analysis of their influence on the bearing capacity is made. The dependence of the amount of physical wear and tear on the duration of operation of crane girders has been investigated. A method is proposed for determining the physical wear and tear of individual structures on the basis of their effect on the bearing capacity of the structure and their operational characteristics, based on the existing methods for determining the physical wear of structures of non-industrial buildings. A method is proposed for determining the residual life of metal structures by the Poisson method, depending on the degree of physical wear and the duration of operation. The use of this technique provides more accurately approach the determination of the residual life of building structures when conducting an industrial safety examination. Based on these data, it is more reasonable to approach the reconstruction, strengthening or overhaul of existing structures, as well as their complete or partial replacement.
industrial safety, residual life, physical wear, crane girder, damage, technical condition category
Введение. Вопросам анализа безопасной эксплуатации инженерных конструкций, а также методам прогнозирования их долговечности в различных производственных условиях в настоящее время уделяется особое внимание. Ключевую роль при этом приобретают исследования, нацеленные на управление сроками безотказной и безопасной эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО) [1, 2].
Безопасная эксплуатация представляет собой свойство объекта противостоять переходу в аварийное состояние. Она определяется остаточным ресурсом несущих конструкций, а также техническим состоянием объекта в целом [3, 8].
Вместе с тем, в соответствии с действующим законодательством, здания и сооружения на ОПО подлежат экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) по истечении сроков безопасной эксплуатации установленные проектной документацией [4]. Согласно этому документу, одним из основных мероприятий является оценка остаточной несущей способности и пригодности зданий и сооружений к дальнейшей эксплуатации.
Материалы и методы. Определение физического износа и технического состояния строительных конструкций, является очень важным условием, для точного определения остаточного ресурса. Основополагающим нормативным документом, при определении физического износа строительных конструкций, является ВСН 53-86(р) [5]. Данный нормативный акт, в основном предназначен для оценки физического износа жилых зданий, необходимой при технической инвентаризации, планировании и проектировании капитального ремонта жилищного фонда независимо от его ведомственной принадлежности. Физический износ конструкции, элемента или системы, имеющих различную степень износа отдельных участков, следует определять по формуле:
(1)
где Фк – физический износ конструкций, элемента или системы, %; Фi – физический износ участка конструкции, элемента или системы, Рi – размеры (площадь или длина) поврежденного участка, м2 или м; Рк – размеры всей конструкции, м2 или м; n – число поврежденных участков.
В случае попытки оценки физического износа строительных конструкций промышленных зданий, и подкрановых конструкций в частности, возникает довольно много вопросов для обсуждения. Непосредственно в [5] физический износ участка конструкции, элемента или системы, определяется в соответствии с четко определенными таблицами для определения физического износа, в зависимости от признаков износа и количественной оценки данного признака, для различных типов конструкций жилых и общественных зданий.
При оценке физического износа (технического состояния) подкрановых конструкций, можно говорить о некоторых характерных дефектах и повреждениях металлических эксплуатируемых подкрановых балок.
Подкрановые конструкции являются весьма металлоемкой и повреждаемой частью промышленного здания, срок службы которой в 3-4 раза ниже долговечности других конструкций. Многочисленные натурные обследования подкрановых балок показали, что, в основном, срок их эксплуатации не превышает 20 лет, а в условиях тяжелого режима работы - 4÷7 лет и отмечаются случаи выхода из строя и замены через 2÷2,5 года эксплуатации.
Преждевременные выходы из строя подкрановых балок приводят к значительным материальным и трудовым затратам, связанным как с ремонтом (зачастую полной заменой) конструкции, так и с экстренной остановкой и нарушением технологического процесса. Наибольший ущерб наносится предприятиям с непрерывным циклом производства, где убытки от таких внеплановых остановок могут в несколько раз превышать стоимость заменяемых конструкций. Для конструкций таких линий производства, просто необходимым является определение срока эксплуатации конструкций без проведения капитального ремонта или замены конструкций. Для возможности оценки данного периода, вводится понятие остаточного ресурса объекта капитального ремонта, или отдельных конструкций.
По мнению некоторых исследователей [6], следует выделять характерные дефекты, на основе некоторой выборки проектов ЭПБ промышленных зданий:
Группа 1 – трещины в нижнем поясе балки, где наиболее опасными трещинами, можно считать те, что развиваются в растянутой зоне разрезных балок.
Группа 2 – трещины, развивающиеся в верхнем поясе балок, причем как наклонные, так и поперечные.
Группа 3 – трещины, развивающиеся в околошовной зоне подкрановых балок, а также в поясном шве.
Группа 4 – трещины в зоне опорного узла, нижней зоне балки, зоне монтажного или заводского стыка.
Группа 5 – трещины в швах приварки, основном металле промежуточных и опорных поперечных ребер жесткости к верхнему поясу, околошовной зоне.
Группа 6 – трещины в швах приварки опорных ребер подкрановой балки к нижнему поясу.
Основные, наиболее опасные и чаще всего наблюдаемые дефекты – усталостные трещины. В руководстве по определению индивидуального ресурса стальных подкрановых балок с усталостными трещинами [7], так же выделяются характерные дефекты.
От места расположения по длине балки:
- У опорных и промежуточных ребер жесткости;
- У поверхностного дефекта поясного шва.
От распространения по высоте стенки:
- В металле поясного шва;
- В околошовной зоне поясного шва;
- В основном металле стенки;
- С переходом из металла шва на околошовную зону;
- С переходом из металла шва в основной металл пояса.
В зависимости от геометрического развития трещин:
- Горизонтально развивающаяся трещина;
- Развивающаяся вертикально;
- Развивающаяся под углом к горизонтальной линии;
- Трещины с ветвлением ветвей.
К менее опасным дефектам подкрановых конструкций можно отнести: разрушение защитных покрытий, коррозия поверхности подкрановых балок, коррозия сварных швов, расстройство болтовых соединений не носящее массовый характер. Стоит отметить и такие, довольно часто встречающиеся, но серьезные дефекты как: дефекты концевых упоров, остаточный прогиб балки, расцентровка и неточная подгонка элементов в узлах сопряжений, смещение опорных ребер с оси колонны.
Основная часть. Для проведения анализа физического износа подкрановых балок, были выбраны отчеты по проведению экспертизы промышленной безопасности пяти промышленных зданий черной металлургии. Срок эксплуатации конструкций подкрановых балок от 6 до 44 лет. Типовые подкрановые балки пролётом 12м, с шагом поперечных ребер жесткости 1,5м, высотой сечения 2800мм, выполненные по разрезной и неразрезной схеме. На основании имеющихся дефектов и повреждений, в соответствии с (1) и характерных повреждений балок, изложенных выше, назначен физический износ подкрановых балок – (Фк).
Каждая из девяти выборок, включает различное количество подкрановых балок, для удобства дальнейшей работы вычислим средний и медианный показатель износа, подлежащие анализу.
Рис. 1. Физический износ конструкций подкрановых балок в зависимости от срока эксплуатации
Рис. 2. Средний физический износ подкрановых балок:
1 – кривая физического износа; 2 – аппроксимирующая функция
Рис. 3. Медианный физический износ подкрановых балок:
1 – кривая физического износа; 2 – аппроксимирующая функция
Один из способов оценки остаточного ресурса основан на распределении Пуассона. В общем виде остаточный ресурс возможно определять по формуле:
(2)
где,
– Фактический срок эксплуатации объекта капитального строительства, либо отдельной строительной конструкции, Т – Срок службы конструкции до проведения очередного капитального ремонта.
Этот показатель определяется формулой:
(3)
где, 0,16 – значение, которое обусловлено ограниченным-работоспособным состоянием, либо определяется в соответствии с таблицей 1 [6], в зависимости от относительной надежности и назначенной категории технического состояния, 
– постоянная физического износа, определяемая в зависимости от хронологического возраста конструкции на момент обследования, и относительной надежности. Или же определяется по формуле:
(4)
где, 
– срок эксплуатации в годах на момент обследования., 
– вероятность безотказной работы или же по-другому коэффициент относительной надежности, определяемый по формуле:
(5)
где, 
– поврежденность здания, в соответствии с [6] определяется по формуле:
(6)
где, 
,
– величина поврежденности или же степень опасности дефекта. 
,
– коэффициент ответственности, либо же значимости некоторых видов конструкции.
При отсутствии других данных по рассчитываемым конструкциям, коэффициенты значимости 
следует принимать: для колонн 
=8, для ферм =7, фундаментов и несущих стен различной конструкции =3, перекрытия и покрытия =2, =4 для балок, =2 для других строительных конструкций.
В зависимости от имеющихся дефектов и повреждений, состояние конструкций, следует подразделять на 5 категорий: аварийное, неудовлетворительное, не совсем удовлетворительное, удовлетворительное, нормальное [9].
Для дальнейшего расчет остаточного ресурса воспользуемся таблицей из [9], внеся некоторые изменения и соотнеся назначенный физический износ конструкций, и категорией технического состояния элементов конструкций в соответствии с [21].
Величину поврежденности конструкций по истечении некоторого промежутка времени t лет эксплуатации, следует определять по формуле:
(7)
, (8)
где, – Срок эксплуатации в годах на момент обследования.
Срок эксплуатации объекта капитального строительства или отдельной конструкции до аварийного состояния следует определять по формуле:
, (9)
Таблица 1
Результаты расчета физического износа подкрановых балок в зависимости от поврежденности
|
Категория |
Описание технического состояния |
Относительная надежность |
Поврежденность
|
Стоимость ремонта C, % |
Категория |
Физический износ, % Фi |
|
|
1 |
Нормальное – исправное состояние |
0,98 |
0,03 |
0 |
В |
0-8 |
|
|
2 |
Удовлетворительное – |
0,95 |
0,05 |
0–11 |
Б |
8-30 |
|
|
3 |
Не совсем удовлетворительное. |
0,85 |
0,15 |
12–36 |
Б |
30-50 |
|
|
4 |
Неудовлетворительное. |
0,75 |
0,25 |
37–90 |
А |
50-70 |
|
|
5 |
Аварийное состояние. |
0,65 |
0,35 |
91–130 |
А |
Свыше 70 |
|
Таблица 2
Результаты расчета остаточного ресурса поврежденных подкрановых конструкций
в зависимоси от срока эксплуатации
|
Поврежденность |
Относительная надежность |
Срок |
Постоянная физического износа |
Остаточный срок службы до |
Остаточный ресурс |
|
0,0450 |
0,955 |
15 |
0,003070 |
52,12 |
37,12 |
|
0,0400 |
0,96 |
12 |
0,003402 |
47,03 |
35,03 |
|
0,0500 |
0,95 |
12 |
0,004274 |
37,43 |
25,43 |
|
0,1300 |
0,87 |
29 |
0,004802 |
33,32 |
4,32 |
|
0,1210 |
0,879 |
35 |
0,003685 |
43,42 |
8,42 |
|
0,0357 |
0,9643 |
12 |
0,003029 |
52,82 |
40,82 |
|
0,1270 |
0,873 |
29 |
0,004683 |
34,16 |
5,16 |
|
0,0405 |
0,9595 |
13 |
0,003180 |
50,31 |
37,31 |
|
0,0460 |
0,954 |
13 |
0,003622 |
44,17 |
31,17 |
|
0,0300 |
0,97 |
11 |
0,002769 |
57,78 |
46,78 |
|
0,0700 |
0,93 |
16 |
0,004536 |
35,28 |
19,28 |
|
0,1060 |
0,894 |
44 |
0,002547 |
62,83 |
18,83 |
|
0,0250 |
0,975 |
6 |
0,004220 |
37,92 |
31,92 |
|
0,0333 |
0,9667 |
10 |
0,003387 |
47,24 |
37,24 |
Рис. 4. Остаточный ресурс конструкций, в зависимости от физического износа:
1 – кривая остаточного ресурса; 2 – линейная фильтрация; 3 – степенная линия тренда;
4 – аппроксимирующая кривая остаточного ресурса
Выводы. Анализируя результаты проведенных исследований, можно сказать, о том, что методика прогнозирования остаточного ресурса металлических конструкций с учетом эксплуатационных повреждений и хронологического возраста на сегодняшний день внятно не сформулирована и полученные данные могут быть отправной точкой для дальнейших изысканий в этой области. Вместе с тем, изучение факторов физического износа металлических конструкций подкрановых балок с учётом длительности эксплуатации и определение степени поврежденности подкрановых балок в зависимости от характера эксплуатационных дефектов должны быть неотъемлемой частью при экспертизе промышленной безопасности на ОПО. На ряду с этим, расчет остаточного ресурса подкрановых балок целесообразно вести с учетом степени их поврежденности.
1. Makhutov N. A. et al. Scientific problems of determining the resource and managing the period of safe operation of industrial facilities [Nauchnye problemy opredeleniya resursa i upravleniya srokom bezopasnoj ekspluatacii promyshlennyh ob"ektov]. Labor Safety in Industry. 2019. No. 4. Pp. 7–15. (rus)
2. Makhutov N. A. et al. Computational and experimental approaches to the analysis and provision of the resource and the period of safe operation of industrial facilities [Raschetno-eksperimental'nye podhody k analizu i obespecheniyu resursa i sroka bezopasnoj ekspluatacii promyshlennyh ob"ektov]. Labor Safety in Industry. 2020. No. 1. Pp. 7–15. (rus)
3. GOST 31937-2011 Buildings and structures. Rules of inspection and monitoring of technical condition [Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya]. Date of introduction 2012-01-01. Instead of GOST R 1.8-2004. M.: Publishing House of standards, 2012 . 30 p. (rus)
4. On the approval of federal norms and rules in the field of industrial safety "Rules for conducting industrial safety expertise" [Ob utverzhdenii federal'nyh norm i pravil v oblasti promyshlennoj bezopasnosti «Pravila provedeniya ekspertizy promyshlennoj bezopasnosti»]. Rostechnadzor Order No. 420 of October 20, 2020. (rus)
5. VSN 53-86(p) Rules for assessing the physical deterioration of residential buildings. Gosstroy of Russia. M.: FSUE TSPP, 2007. 80 p. (rus)
6. Vydrin V. N., Zubko O. V. The most characteristic defects and damages of metal crane beams operated during the industrial safety examination [Naibolee harakternye defekty i povrezhdeniya metallicheskih ekspluatiruemyh podkranovyh balok pri provedenii ekspertizy promyshlennoj bezopasnosti]. A symbol of science. 2015. 10-2. Pp. 102–109. (rus)
7. STO 22-05-04. Manual for determining the individual resource of steel crane beams with fatigue cracks in the walls to allow their temporary operation [Rukovodstvo po opredeleniyu individual'nogo resursa stal'nyh podkranovyh balok s ustalostnymi treshchinami v stenkah dlya dopushcheniya ih vremennoj ekspluatacii]. M.: CJSC "TsNIIPSK" named after Melnikov, 2004. 42 p. (rus)
8. SP13-102-2003.Rules for the inspection of load-bearing building structures of buildings and structures [Pravila obsledovaniya nesushchih stroitel'nyh konstrukcij zdanij i sooruzhenij]. M.: Ministry of Construction of Russia, 2016. 82 p. (rus)
9. GOST 13377-75. Reliability in technology. Terms and definitions [Nadezhnost' v tekhnike. Terminy i opredeleniya]. M.: Publishing house of standards, 1975. 23 p. (rus)
10. GOST 27.002-2015 Reliability in technical specifications (SSNT). Terms and definitions [Nadezhnost' v tekhnichke (SSNT). Terminy i opredeleniya]. M.: Standartinform, 2015. 22p. (rus)
11. GOST R 53006-2008 Resource assessment of potentially dangerous objects based on express methods. General requirements [Ocenka resursa potencial'no opasnyh ob"ektov na osnove ekspress-metodov. Obshchie trebovaniya]. M.: Standartinform, 2009. 10 p. (rus)
12. Federal Law" On Industrial Safety of hazardous production facilities " [Federal'nyj zakon «O promyshlennoj bezopasnosti opasnyh proizvodstvennyh ob"ektov»]. No. 116-FZ. (rus)
13. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Rules for conducting an industrial safety examination" [Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoj bezopasnosti «Pravila provedeniya ekspertizy promyshlennoj bezopasnosti»]. dated 14.11.2013 No. 538 p. (rus)
14. On the fundamentals of the state policy of the Russian Federation in the field of industrial safety for the period up to 2025 and further prospects [Ob osnovah gosudarstvennoj politiki Rossijskoj Federacii v oblasti promyshlennoj bezopasnosti na period do 2025 goda i dal'nejshuyu perspektivu]. The Presidential decree grew. No. 198 p. (rus)
15. RD 24-112-5R of the Russian Federation dated May 6, 2018, The guidance document on the assessment of the residual life of bridge-type cranes contains instructions for performing work aimed at assessing the life of lifting cranes according to the criteria of safety and operability of design steel structures [Rukovodyashchij dokument po ocenke ostatochnogo resursa kranov mostovogo tipa soderzhit ukazaniya po vypolneniyu rabot, napravlennyh na ocenku resursa gruzopod"emnyh kranov po kriteriyam bezopasnosti i rabotosposobnosti raschetnyh stal'nyh konstrukcij: normativno-tekhnicheskij material]. normative and technical material. M.: 2002. 23 p. (rus)
16. RD 26.260.004-91 Guidance document on forecasting the residual life of equipment by changing the parameters of its technical condition during operation [Rukovodyashchij dokument po prognozirovaniyu ostatochnogo resursa oborudovaniya po izmeneniyu parametrov ego tekhnicheskogo sostoyaniya pri ekspluataci: normativno-tekhnicheskij material]. Normative and technical material. M.: 1991. 46 p. (rus)
17. Guide to the restoration repair of crane structures [Rukovodstvo po vosstanovitel'nomu remontu podkranovyh konstrukcij]. Ukrniiproektstalconstruction. M.: 1991. 114 p. (rus)
18. RD 09-102-95 Methodological guidelines for determining the residual resource of potentially dangerous objects supervised by the Gosgortehnadzor of Russia [Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu ostatochnogo resursa potencial'no opasnyh ob"ektov, podnadzornyh Gosgortekhnadzoru Rossii]. M.: Stroyizdat, 2002. 55 p. (rus)
19. CA 03-006-06 Methodological guidelines for carrying out maintenance, repair, inspection, analysis of industrial safety of industrial buildings and structures of enterprises operating explosion-and fire-hazardous and chemically hazardous objects [Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu tekhnicheskogo obsluzhivaniya, remonta, obsledovaniya, analiza promyshlennoj bezopasnosti proizvodstvennyh zdanij i sooruzhenij predpriyatij, ekspluatiruyushchih vzryvopozharoopasnye i himicheski opasnye ob"ekty]. NPK "Izothermik" M.: 2008. 236 p. (rus)
20. Recommendations for assessing the reliability of building structures of buildings and structures by external signs [Rekomendacii po ocenke nadezhnosti stroitel'nyh konstrukcij zdanij i sooruzhenij po vneshnim priznakam]. 2001. 106 p. (rus)
21. Maistrenko I. Y, Valiullin D. A, Nadrshina A. R, Zinnurov T. A, Maistrenko T. I. u. Assessment of the residual resource of a steel structure operated in an aggressive environment [Ocenka ostatochnogo resursa stal'noj konstrukcii, ekspluatiruemoj v agressivnoj srede]. Izvestiya KGASU: steel structures, buildings and structures. 2016. No. 4. Pp. 208–216. (rus)
22. Bely G.I. The reasons for the decrease in reliability and an approximate assessment of the resource of steel structures of operated buildings and structures [Prichiny snizheniya nadezhnosti i priblizhennaya ocenka resursa stal'nyh konstrukcij ekspluatiruemyh zdanij i sooruzhenij]. Reconstruction of St. Petersburg: international. Scientific and practical conf.: sat.dokl, 2005. 1. Pp. 70–73. (rus)
