Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве»

Методические рекомендации

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Москва 2018 г.

Содержание

Введение......................................................................................3

1    Область применения..................................................................4

2    Нормативные ссылки..................................................................5

3    Термины и определения..............................................................7

4    Общие положения.....................................................................8

5    Основные предпосылки к расчетному подходу по оценке остаточного

ресурса.......................................................................................11

6    Методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций.............16

Приложение А. Рекомендуемые минимальные значения индекса

надежности р...............................................................................24

Приложение Б. Методика оценки остаточного ресурса несущих

железобетонных конструкций по критерию прочности...........................38

Приложение В. Приближенная оценка остаточного ресурса несущих

железобетонных конструкций............................................................38

Библиография...............................................................................50

5 Основные предпосылки к расчетному подходу по

опенке остаточного ресурса

При эксплуатации несущей конструкции рассматривают три этапа эксплуатации. Первый этап - период приработки конструкции. Второй этап -время работоспособной работы конструкции, третий этап - достижение предельного срока службы конструкции (см. рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - График снижения надежности (Н) конструкции: Т0 - период приработки; Тр - работоспособность; ГС1 - предельный срок службы

На первом этапе эксплуатации, когда построенная конструкция эксплуатируется некоторое время без снижения надежности (период приработки). За этот период протекают основные длительные деформации конструкций (например, ползучесть), возрастает прочность бетона, нормально функционируют системы водоотведения и гидроизоляция и т.п.

На данном этапе вероятность безотказной работы конструкции сохраняется на высоком уровне: P(t)=0,9986 [2]. В течение указанного периода за конструкцией осуществляются только содержание и профилактические работы. Выполнение работ по содержанию и профилактике конструкций в целом выполняется согласно СП 255.1325800. Продолжительность этого периода зависит от качества изготовления и монтажа конструкций (рис. 5.1, точка А).

Второй этап эксплуатации характеризуется появлением и развитием дефектов, изменением свойств материалов конструкции, развитием коррозии. Появляются отказы в элементах конструкции, срок службы которых ниже (покрытие, деформационные швы, изоляция и т.п.). Дефекты и отказы влияют на несущую способность конструкции. Конструкция продолжает эксплуатироваться в прежнем режиме, т.е. без каких-либо ограничений, хотя ее надежность постепенно снижается (см. рис. 5.1, линия А-Б). Продолжительность второго этапа определяется временем, за которое вероятность безотказной работы конструкции снижается с 0,9986 до 0,9 [2]. В этот период за конструкцией ведется уход и проводятся плановые профилактические работы, а также локальный ремонт в рамках работ по содержанию.

Продление указанного этапа возможно при проведении плановопредупредительных работ (ППР) - см. рис. 5.1, линия «а» - «б».

Снижение вероятности безотказной работы конструкции в течение второго этапа (см. рис. 5.1, точка Б) означает, что дальнейшая эксплуатация конструкции по первоначальной схеме невозможна и конструкция подлежит ремонту. В случае, если выполнение ремонта задерживается или перенесено на более поздний срок, то допускается дальнейшая временная эксплуатация конструкции (до проведения ремонта) при обязательном изменении условий ее нагружения (т.е. при введении ограничений по временной нагрузке).

Третий этап эксплуатации конструкции характеризуется двумя факторами:

-    наличием дефектов, снижающих их несущую способность;

-    введением ограничений по нагрузкам и воздействиям на конструкцию, и периодическим последующим снижением их величин с целью обеспечения требуемой надежности.

Продолжительность третьего этапа (см. рис. 5.1, участок Б-В) определяется временем, необходимым для достижения конструкцией такого состояния, когда, при максимально возможных ограничениях по временной нагрузке, вероятность безотказной ее работы снова достигает Р = 0,9 [2].

На третьем этапе эксплуатации конструкции обязательно должен быть выполнен ее ремонт, не дожидаясь наступления момента В (см. рис. 5.1), или предпринята серия ремонтных мероприятий (определяется экономическими расчетами), включая планово-предупредительные работы, цель которых переместить момент времени ремонта конструкции или ее восстановления, в т.ч. за счет изменения темпов деградации материалов.

Уровни надежности в общем случае определяются основными принципами подхода к расчету по оценке остаточного ресурса несущей конструкции. В настоящей методике рассматриваются два основных уровня надежности - Hj и Н₂ (см. рис. 5.1).

Уровень Hj характеризуется достаточным значением вероятности безотказной работы конструкций (Р = 0,9) в условиях действия проектных нагрузок. Этому уровню соответствует временной отрезок Г_р, называемый работоспособным периодом (условно, работоспособностью) и определяемый для проектируемых, строящихся или недавно построенных сооружений. При достижении уровня Hj снижается несущая способность конструкции или выполняется ее ремонт.

Уровень Н₂ характеризуется пониженным значением вероятности безотказной работы в условиях действия проектных нагрузок. Этому уровню

соответствует предельный износ конструкции, а ее дальнейшая эксплуатация недопустима даже при пониженной эксплуатационной нагрузке. Первое снижение допустимой нагрузки происходит в возрасте конструкций до Т_р. Последующие снижения нагрузки возможны на участке Б-В (Б*-В*) (см. рисунок 5.1,), что может продлить период эксплуатации до достижения уровня Н₂.

Критерием невозможности эксплуатации несущей конструкции преимущественно принимают исчерпание ее несущей способности. При необходимости в качестве данного критерия могут быть приняты иные параметры технического состояния конструкции.

Уровни надежности Hj и Н₂ также могут быть характеризованы соответствующей величиной индекса надежности р, являющейся аргументом функции (Ф) вероятности наступления отказа. Величины индекса надежности р принимают в общем случае с учетом уровня ответственности здания или сооружения, в котором находятся рассматриваемые конструкции, расчетной ситуации и других факторов. Допускается назначать индексы надежности р согласно Приложению А.

Остаточный ресурс эксплуатируемой конструкции определяется периодом эксплуатации до достижения предельного износа. Момент наступления предельного износа (момент невозможности дальнейшей эксплуатации) устанавливают, как правило, на основании графика снижения несущей способности, построенного по результатам перерасчета конструкции.

При перерасчете конструкции учитывают:

-    деградацию материала конструкции (изменение прочности сечения);

-    прогноз изменения характеристик материалов конструкции на момент ti (прогноз изменения прочности на сжатие, растяжение, сдвиг и т.п., изменения площади сечения, включая коррозионные процессы);

-    изменение граничных условий и жесткости конструкции;

- иные факторы, которые могут оказать влияние на величину остаточного ресурса конструкции.

Деградация свойств материалов в конструкции вызывается неблагоприятной комбинацией воздействий статически и динамически действующих внешних сил и внутренних самоуравновешивающихся полей напряжений.

Деградация структуры материалов конструкции зависит главным образом от комбинации силовых полей в конструкции. С учетом этого принятая в действующих нормативных документах методика оценки надежности в форме сопоставления комбинации суммарных напряжений с предельными значениями прочности, изменяющейся во времени, может быть использована и в оценке остаточного ресурса конструкции.

При этом учитывают, что величины напряжений, как и надежность, изменяются во времени вследствие деструктивных процессов в материалах конструкции, изменений деформативных свойств и др.

При оценке остаточного ресурса для различных видов несущих конструкций и их материалов могут быть применены различные виды моделей, описывающих деградацнонные процессы.

При оценке остаточного ресурса рассматривают различные возможные модели отказов (износа). Отказы возникают в различных комбинациях и сочетаниях. Вероятность их реализации в разных конструкциях различна.

Основная часть предсказуемых взносов относится к категориям медленно протекающих, постепенных отказов. Они могут быть своевременно обнаружены и приостановлены или устранены в результате ремонта.

6 Методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций

Основными этапами определения остаточного ресурса несущей конструкции являются:

-    анализ исходной технической документации;

-    оценка технического состояния;

-    анализ результатов оценки технического состояния (включая установление критериев предельных состояний и выбор определяющих параметров технического состояния);

-    определение остаточного ресурса

В рамках анализа исходной технической документации устанавливают номенклатуру технических параметров конструкции, устанавливают предельные состояния, выявляют наиболее вероятные отказы и повреждения, которые могут привести к отказу конструкции.

Особое внимание должно быть уделено анализу критериев, причин, последствий и критичности отказов, выявлению возможных постепенных, деградационных и зависимых отказов, подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов.

Анализу подлежат:    нормативно-техническая, конструкторская

(проектная) и эксплуатационная, в том числе монтажная и ремонтная документация. Кроме того, следует проанализировать базу данных по техническим параметрам конструкции или составленные ранее аналогичные технические заключения по результатам анализа технического состояния конструкции или его мониторинга при их наличии. Также в процессе анализа может быть рассмотрена иная научно-техническая информация по отказам и повреждениям по аналогичным конструкциям.

По результатам анализа исходной технической документации

составляют:

-    перечень проанализированной документации;

-    схему конструкции с указанием элементов и участков, которые в результате особенностей их конструкторской или технологической реализации и (или) условий функционирования и нагруженности представляются наиболее предрасположенными к появлению повреждений и (или) отказам (в особенности скрытым, зависимым и внезапным);

-    перечень технических параметров конструкции;

-    программу оценки технического состояния конструкции.

В общем случае оценку технического состояния конструкции выполняют согласно ГОСТ 31937.

В рамках оценки технического состояния конструкции получают информацию о реальном техническом состоянии конструкции, наличии в ней повреждений, выявлении причин и механизмов их возникновения и развития.

Оценку технического состояния выполняют в соответствии с программой, разработанной на основании анализа технической документации. Программой, как правило, предусматривают:

-    визуальный контроль;

-    измерения геометрических параметров, включая толщинометрию;

-    замеры твердости и определение механических характеристик материалов, металлографические исследования, определение химического состава металла, дефектоскопический контроль, вид и объем которого устанавливается с учетом требований полноты и достаточности выявления дефектов и повреждений рассматриваемой конструкции;

-    испытания на прочность (с испытанием контрольных образцов, с применением неразрушающих методов, методов тензочувствительных покрытий, тензометрии, акустической эмиссии, термографии и др.).

Для выполнения обследования применяют методики и аппаратуру, регламентируемые для этих целей действующей нормативно-технической

документацией с учетом требований проектной, монтажной и эксплуатационной документации на обследуемую конструкцию.

Результаты обследования должны быть оформлены в виде протоколов измерений, карт дефектности и повреждений конструкции с таблицами данных и отражены в отчете или техническом заключении.

В рамках анализа результатов оценки технического состояния конструкции устанавливают ее текущее техническое состояние, уровень и механизмы повреждения, фактическую нагруженность, необходимые для прогнозирования развития этого состояния в соответствии с установленными закономерностями доминирующих механизмов повреждения до достижения параметрами технического состояния значений, при которых конструкция переходит в предельные состояния.

Анализ результатов оценки технического состояния конструкции должен включать:

-    оценку фактической нагруженности конструкции, выполненную расчетным методом по действующим нормативным документам с учетом всех режимов нагружения и действующих нагрузок (включая температурные воздействия), фактической геометрии конструкции, фактических толщин ее несущих элементов, имеющихся и выявленных концентраторов напряжений и экспериментальных результатов исследований напряженно-деформированного состояния, полученных при ее обследовании;

-    установление механизмов образования и роста обнаруженных

дефектов и    повреждений, возможных    отказов    (постепенных,

деградационных, внезапных, включая их категории, последствия и критичность) вследствие развития дефектов и повреждений, при этом особое внимание должно быть уделено подтверждению отсутствия возможности внезапных отказов, при которых нельзя прогнозировать остаточный ресурс;

-    оценку параметров технического состояния объекта, их соответствие требованиям действующих нормативных документов и конструкторской

документации, а по отклонению от требований - выбор определяющих параметров технического состояния;

-    установление при необходимости уточненной по сравнению с указанной в действующей нормативной документации системы предельных состояний и их критериев (например, уровень прогрессирующего формоизменения, возникновение предельно допустимых трещин, уровень течи перед разрушением и т.д.);

-    заключение о необходимости дальнейших уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов;

-    заключение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции с установлением назначенного ресурса (до проведения уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния, характеристик материалов и оценки остаточного ресурса) в случае отсутствия повреждений, влияющих на параметры технического состояния объекта.

Результаты анализа оценки технического состояния оформляют в виде технического заключения с решением о продолжении дальнейших исследований напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов или возможности дальнейшей эксплуатации с указанием назначенного ресу рса.

Результаты анализа оценки технического состояния также рекомендуется дополнить в базу данных по техническим параметрам конструкции (при ее наличии).

Также в рамках анализа результатов оценки технического состояния конструкции могут быть выполнены уточненные расчеты и исследования напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов.

В рамках выполнения уточненных расчетов и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и характеристик

материалов получают дополнительную (а также отсутствующую в технической документации) информацию о номинальных и местных напряжениях и деформациях с учетом фактических свойств материалов, необходимую для установления механизмов повреждений и (или) расчетов остаточного ресурса.

Уточненные расчеты проводят с учетом всех режимов и действующих нагрузок за период эксплуатации (включая температурные воздействия и взаимодействие с внешней средой), а также возможным изменением характеристик материалов.

Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния, выполненные по действующим нормативным документам, не регламентированным непосредственно для обследуемой конструкции, должны быть проверены экспериментальными методами (тензометрии, тензочувствительных покрытий, термометрии, акустической эмиссии и т.д.), которые в отдельных случаях (например, при отсутствии достаточно точных или апробированных на практике методов для сложных расчетов) могут использоваться самостоятельно. При этом могут применяться (при достаточном теоретическом и экспериментальном обосновании) методы моделирования и ускоренные методы испытания.

Определение уточненных характеристик материалов должно проводиться с учетом необходимой точности и объемов контроля неразрушающими методами или на образцах, вырезанных из элементов конструкции в соответствии с программами исследований, составленными с учетом обнаруженных повреждений и условий эксплуатации элемента конструкции. Перечень характеристик материала должен быть расширен и включать, кроме стандартных прочностных свойств, в зависимости от условий эксплуатации характеристики малоцикловой и многоцикловой усталости, длительной прочности, трещи ностой кости, сопротивления коррозии и коррозионному растрескиванию и др.

Введение

Настоящая методика разработана в развитие положений СП 255.1325800.2016 «Здания и сооружения. Правила эксплуатации. Основные положения» для реализации проектировщиками требований, заложенных в сводах правил, и выполнения более грамотного и рационального проектирования зданий и сооружений, а также для содействия экспертным и эксплуатирующим организациям при составлении и планировании бюджетов на обслуживание и капительный ремонт несущих конструкций зданий и сооружений.

Разработка методики направлена на решение следующих задач:

-    рекомендации по методике оценки остаточного ресурса несущих конструкций зданий и сооружений;

-    развитие положений СП 255.132800.2016 «Здания и сооружения. Правила эксплуатации. Основные положения».

Методика разработана авторским коллективом: А.В. Цапулина, гл. инж. Г.Н. Кохало (ООО «НИЦ КБС»); к. т. н. С.А. Зенин, инж. А.М. Петров (АО «НИЦ «Строительство»).

з

Испытания образцов и определение характеристик материалов должны проводиться в соответствии с действующими нормативными документами.

По результатам уточненных расчетов и исследования напряженно-деформированного состояния и характеристик материалов должны быть уточнены механизмы повреждений, параметры технического состояния, установлены определяющие параметры технического состояния и критерии предельных состояний.

Остаточный ресурс конструкции необходимо устанавливать на основе совокупности имеющейся информации прогнозированием его технического состояния по определяющим параметрам до достижения предельного состояния.

На первой стадии прогнозирования остаточного ресурса должно быть установлено, что в результате проведенных обследований и анализов технического состояния конструкции в соответствии с разделами 4-5 настоящей методики выполнены одновременно следующие условия:

-    известны параметры технического состояния объекта, в частности, определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов объекта;

-    установлены критерии предельных состояний объекта, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

Прогнозирование остаточного ресурса может быть выполнено упрощенными или точными методами. Выбор способа прогнозирования остаточного ресурса зависит от периодичности контроля за конструкцией. При непрерывном (или дискретном) контроле за параметрами технического состояния могут допускаться упрощенные методы, при которых прогнозирование осуществляют по одному параметру технического состояния. Упрощенные методы прогнозирования могут использоваться, например, при прогнозировании остаточного ресурса:

Методика разработана для применения широким кругом специалистов, чья деятельность связана с проектированием и исследованиями в области строительства зданий и сооружений.

Настоящая методика предназначена для оценки остаточного ресурса несущих конструкций жилых и общественных зданий и сооружений, необходимой при технической инвентаризации, планировании и проектировании капитального ремонта.

Методика не распространяется на оценку остаточного ресурса несущих конструкций зданий и сооружений, пострадавших в результате стихийных бедствий.

2 Нормативные ссылки

В настоящей методике использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения»;

ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»;

СП 15.13330.2012 «СНиП Н-22-81* Каменные и армокаменные конструкции»;

СП 16.13330.2017 «СНиП 11-23-81* Стальные конструкции»;

СП 20.13330.2016 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия»;

СП 22.13330.2016 «СНиП    2.02.01-83*    Основания зданий и

сооружений»;

СП 24.13330.2011 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты»;

СП 28.13330.2017    «СНиП    2.03.11-85    Защита строительных

конструкций и коррозии»;

СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий»;

СП 63.13330.2012 «СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»;

СП 64.13330.2017 «СНиП Н-25-80 Деревянные конструкции»;

СП 70.13330.2012 «СНиП 3.03.01-87 Несущие и ограждающие конструкции»;

СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология»;

СП 255.1325800.2016 «Здания и сооружения. Правила эксплуатации. Основные положения».

Примечание - При пользовании настоящей методикой целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте

национального органа Российской Федерации по стандартизации в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован на 01 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящей методикой следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определении

В настоящей методике правил применены следующие термины с соответствующими определениями:

ресурс несущей конструкции (срок* службы): календарная продолжительность эксплуатации или ее возобновление после ремонта конструкции до перехода несущей конструкции в предельное состояние (момент снятия с эксплуатации);

остаточный ресурс несущей конструкции (остаточный срок службы):    календарная    продолжительность    эксплуатации    несущей

конструкции    от момента контроля ее технического состояния

(идентификации) до перехода в предельное состояние;

предельное состояние несущей конструкции: состояние несущей конструкции, при которой эксплуатация несущей конструкции недопустима или нецелесообразна;

отказ: событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния;

наработка: продолжительность работы конструкции; надежность конструкции: свойство конструкции сохранять во времени и в установленных пределах безотказное состояние и выполнять требуемые функции в течение расчетного срока службы;

уровень надежности конструкции:    характеристика,    численно

устанавливающая надежность конструкции, а также вероятность наступления отказа конструкции в расчетный срок службы.

Настоящая методика позволяет выполнить расчетный прогноз остаточного ресурса несущих конструкций на стадии эксплуатации. В общем случае остаточный ресурс эксплуатируемой конструкции определяется ее перерасчетом на основании фактических и прогнозируемых характеристик материалов.

Методика расчетного прогнозирования срока службы учитывает требования действующих нормативных документов по проектированию несущих конструкций: СП 15.13330, СП 16.13330, СП 63.13330, СП 64.13330 и др.

В качестве базовой концепции оценки остаточного ресурса несущей конструкции принимают подход, основанный на принципе безопасной эксплуатации по техническому состоянию [3]. Согласно данному подходу оценку технического состояния конструкции осуществляют по параметрам технического состояния, обеспечивающим ее надежную и безопасную эксплуатацию согласно действующим нормативным документам (ГОСТ 31937, СП 15.13330, СП 16.13330, СП 63.13330, СП 64.13330 и пр.) и конструкторской документации, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния согласно п. 8.3 СП 255.1325800.

В качестве определяющих параметров технического состояния для оценки остаточного ресурса принимают в общем случае параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести консгрукцию в неработоспособное или предельное состояние.

В зависимости от критериев предельного состояния и условий эксплуатации конструкции параметрами ее технического состояния могут служить:

- характеристики материалов (механические характеристики - предел текучести, предел прочности, твердость, трещи ностой кость, пределы

выносливости, длительной прочности, ползучести и т.д., химический состав, характеристики микроструктуры и т.д.);

-    несущая способность конструкции (с учетом имеющихся граничных условий, нагрузок и возможных типов разрушений);

-    характеристики нагрузок и воздействий (температура, давление, динамика и т.д.).

В качестве основного параметра технического состояния конструкции для оценки ее остаточного ресурса принимают, как правило, несущую способность конструкции. В данном случае несущую способность конструкций определяют в зависимости от вида их материала согласно требованиям действующих нормативных документов (СП 15.13330, СП 16.13330, СП 63.13330, СП 64.13330, СП 24.13330 и др.) с учетом положений настоящей методики.

При принятии в качестве критериев характеристик нагрузок и воздействий учитывают положения СП 20.13330 по назначению их величин и длительности.

Оценку параметров технического состояния и выбор определяющих параметров осуществляют по результатам анализа технической документации, экспертного обследования, данных мониторинга (при наличии).

По сравнению с предусмотренной в нормативно-технической и конструкторской (проектной) документации может вводиться дополнительная система критериев предельного состояния, переход в которое определяет остаточный ресурс рассматриваемой конструкции.

Прогнозирование остаточного ресурса в общем случае осуществляется согласно закономерностям изменения определяющих параметров, полученным при анализе механизмов развития повреждений и (или) по результатам измерения функциональных показателей. На основании

полученных оценок принимается решение о дальнейшей эксплуатации конструкции.

Допускается использовать положения данной методики для определения сроков службы несущих конструкций на иных стадиях жизни несущей конструкции (например, проектирование и строительство).

На стадии проектирования может быть определен расчетный срок службы несущей конструкции с заданными характеристиками материалов. При определении расчетного срока службы учитывают климатические особенности участка строительства, принятые характеристики материалов, геометрические характеристики конструкции. Представляется возможным проектирование конструкции с любым заданным сроком службы.

На стадии строительства может быть определен прогнозируемый срок службы реально построенной конструкции с учетом реальных параметров материалов, дефектов изготовления конструкции и отступлений от требуемой технологии. Расчеты выполняют по предельным состояниям, используя фактические прочностные характеристики материалов и учитывая величины дополнительных напряжений в конструкции, обусловленных технологическими отступлениями. При этом по мере получения дополнительной информации в процессе эксплуатации конструкции, в частности, по мере наполнения базы данных по техническим параметрам конструкции по результатам обследований и работ по мониторингу, данный прогноз может уточняться.

ю