студент с 01.01.2019 по 01.01.2021
, Россия
сотрудник с 01.01.2003 по настоящее время
Липецк, Липецкая область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 08.04.01 Строительство
ББК 302 Проектирование
ББК 304 Конструкции
ББК 38 Строительство
ТБК 50 Технические науки в целом
ТБК 5016 Проектирование. Конструирование
BISAC TEC005000 Construction / General
В статье рассмотрены основные причины физического износа металлических подкрановых балок промышленных зданий на опасных производственных объектах. Проведен анализ существующих методик определения физического износа и остаточного ресурса различных конструкций, а также нормативно-технической документации, регламентирующий вопрос проведения обследований конструкций и назначения технического состояния конструкций. Проведен анализ характерных дефектов и повреждений сварных подкрановых балок с анализом их влияния на несущую способность. Исследована зависимость величины физического износа от продолжительности эксплуатации подкрановых балок. Предложена методика определения физического износа отдельных конструкций на основании их влияния на несущую способность конструкции и их эксплуатационные характеристики, опираясь на существующие методики определения физического износа конструкций непроизводственных зданий. Предложена методика определения остаточного ресурса металлических конструкций методом Пуассона, в зависимости от степени физического износа и продолжительности эксплуатации. Применение данной методики позволяет при проведении экспертизы промышленной безопасности более точно подходить к определению остаточного ресурса строительных конструкций. На основании этих данных более обоснованно подходить к реконструкции, усилению или капитальному ремонту существующих конструкций, а также полной или частичной их замены.
промышленная безопасность, остаточный ресурс, физический износ, подкрановая балка, поврежденность, категория технического состояния
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. Махутов Н.А., Гаденин М.М., Печёркин А.С., Красных Б.А. Научные проблемы определения ресурса и управления сроком безопасной эксплуатации промышленных объектов // Безопасность Труда в Промышленности, 2019. №4. С. 7–15.
2. Махутов Н.А., Гаденин М.М., Печёркин А.С, Красных Б.А. Расчетно-экспериментальные подходы к анализу и обеспечению ресурса и срока безопасной эксплуатации промышленных объектов // Безопасность Труда в Промышленности. 2020. №1. С. 7–15.
3. ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М.: Изд-во стандартов, 2012. 30 с.
4. Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности», Приказ Ростехнадзора №420 от 20 октября 2020 г.
5. ВСН 53-86(р). Правила оценки физического износа жилых зданий. Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2007. 80 с.
6. Выдрин В.Н., Зубко О.В. Наиболее характерные дефекты и повреждения металлических эксплуатируемых подкрановых балок при проведении экспертизы промышленной безопасности // Символ науки. 2015. Ч.10-2. С.102-109.
7. СТО 22-05-04. Руководство по определению индивидуального ресурса стальных подкрановых балок с усталостными трещинами в стенках для допущения их временной эксплуатации. М.: ЗАО «ЦНИИПСК» им. Мельникова, 2004. 42 с.
8. СП13-102-2003.Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.: Минстрой России. 2016. 82 с.
9. ГОСТ 13377-75. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1975. 23 с.
10. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в техничке (ССНТ). Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2015. 22 с.
11. ГОСТ Р 53006-2008 Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2009. 10 с.
12. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97г. № 116-ФЗ.
13. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности» от 14.11.2013 №538.
14. Об основах государственной политики Российской Федерации в области промышленной безопасности на период до 2025 года и дальнейшую перспективу: Указ Президента Рос. Федерации от 6 мая 2018 г. №198.
15. РД 24-112-5Р Руководящий документ по оценке остаточного ресурса кранов мостового типа содержит указания по выполнению работ, направленных на оценку ресурса грузоподъемных кранов по критериям безопасности и работоспособности расчетных стальных конструкций: нормативно-технический материал. М.: Стандартинформ, 2002. 23 с.
16. РД 26.260.004-91 Руководящий документ по прогнозированию остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатаци: нормативно-технический материал. М.: Стандартинформ, 1991. 46 с.
17. Руководство по восстановительному ремонту подкрановых конструкций. М.: Укрниипроектстальконструкция, 1991. 114 с.
18. РД 09-102-95 Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России. М.: Стройиздат, 2002. 55 с.
19. СА 03-006-06 Методические указания по проведению технического обслуживания, ремонта, обследования, анализа промышленной безопасности производственных зданий и сооружений предприятий, эксплуатирующих взрывопожароопасные и химически опасные объекты. НПК «Изотермик». 2008. 236 с.
20. Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам М.: Стандартинформ, 2001. 106 с.
21. Майстренко И.Ю., Валиуллин Д.А., Нардшина А.Р., Зиннуров Т.А., Майстренко А.Р. Оценка остаточного ресурса стальной конструкции, эксплуатируемой в агрессивной среде// Известия КГАСУ: стальные конструкции, здания и сооружения. 2016. №4. С. 208–216.
22. Белый Г.И. Причины снижения надежности и приближенная оценка ресурса стальных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений// Реконструкция Санкт-Петербурга: междунар. Науч.-практ. конф.: сб. докл. 2005. Ч.1. С. 70–73
