О методике определения надежности зданий рассказывает
В. КИШКИН, канд. техн. наук, директор Агентства строительной экспертизы
Задачу определения надежности зданий и сооружений могут решать только специализированные организации, имеющие необходимые лицензии. Ответственность по надежности конструкций объекта возлагается на проектировщиков (производящих расчет), на нормативы (устанавливающие требования к их долговечности), на результаты инженерно-геологических и инженерно-гидрологических изысканий. В соответствии с определением, приведенным в глоссарии Международной организации по качеству ИСО (ISO), «надежность» – собирательный термин, используемый для описания характеристики готовности и влияющих на нее факторов: безотказности, ремонтопригодности и обеспеченности технического обслуживания и ремонта. То есть, это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Данное понятие применяется для неколичественного описания зависящих от времени возможностей эксплуатируемого объекта.
В соответствии с требованиями строительных норм и правил (СНиП), действующих в России, строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью при возведении и эксплуатации с учетом влияния потенциально возможных особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва). Методы расчета должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учетом изменчивости свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности (и хозяйственной значимости) проектируемых объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности.
В настоящее время признанной методологией проведения таких расчетов являются расчеты по методу предельных состояний. Условия обеспечения надежности при этих расчетах заключаются в том, чтобы расчетные значения нагрузок или вызванных ими усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытий трещин не превышали соответствующих им предельных значений, устанавливаемых нормами проектирования конструкций или оснований. Расчетами учитываются неблагоприятные возможные характеристики материалов и невыгодные возможные величины и сочетания нагрузок и воздействий, а также условия эксплуатации и особенности работы конструкции. Расчет по методу предельных состояний должен гарантировать, что за время эксплуатации сооружения не одно из недопустимых предельных состояний не наступит.
В данном случае, под «предельным состоянием» подразумевается такое состояние объекта, при котором дальнейшая его эксплуатация должна быть приостановлена вследствие: необратимого нарушения норм и требований безопасности, или необратимого превышения заданных параметров, или необратимого снижения эффективности функционирования (ниже допустимого уровня), или необходимости проведения полного капитального ремонта.
Расчетные схемы и основные предпосылки расчетов должны максимально достоверно соответствовать реальным условиям работы конструкций. В обоснованных случаях следует также учитывать пространственный характер работы, пластические и реологические свойства материалов, физическую и геометрическую нелинейность.
Основными параметрами сопротивления материалов силовым воздействиям являются нормативные сопротивления Rn устанавливаемые нормами проектирования на основе обработки данных испытаний образцов так, чтобы обеспеченность Rn, была не менее 0,95. При расчете конструкций, работающих при высоких или низких температурах, повышенной влажности, при повторных воздействиях, следует учитывать изменения физико-механических свойств материалов (прочности, упругости, вязкости) и других явлений (например, ползучести, усадки). Нормативные значения характеристик грунтов устанавливают на основе данных инженерных изысканий, выполняемых для проектируемого здания или сооружения, или на основе опыта проектирования и строительства.
Так как всегда имеется возможность появления в конструкции материала со значениями сопротивления меньшими, чем Rn, то при расчете в качестве характеристики материала используют расчетное значение сопротивления, получаемое путем деления величины Rn на коэффициент надежности по материалу Лm. Возможные отклонения прочностных и других характеристик грунтов в неблагоприятную сторону от их нормативных значений учитываются коэффициентом надежности грунту Лq. Значения коэффициентов Лm и Лq могут быть различными для различных предельных состояний.
Усилия в элементах возникают в результате действий на него одной или комбинации нескольких нагрузок. В зависимости от продолжительности действия нагрузки разделяют на постоянные, действующие на протяжении всего периода строительства и эксплуатации сооружения, и временные, которые в отдельные периоды времени могут отсутствовать.
К постоянным нагрузкам относятся нагрузки от веса частей здания и строительных конструкций, давление грунтов. Предварительное напряжение конструкций также создает постоянную нагрузку.
Временные нагрузки подразделяют на длительные, кратковременные и особые.
К длительным временным нагрузкам относятся нагрузки от временных перегородок, стационарного оборудования, в том числе от веса жидкостей или сыпучих материалов, наполняющих его во время работы, от веса книг и архивных дел на стеллажах в библиотеках и архивах.
К кратковременным нагрузкам и воздействиям относятся: снеговые, ветровые, гололедные нагрузки, нагрузки от подъемно-транспортного оборудования, а также возникающие при монтаже и перевозке оборудования.
К особым относятся сейсмические и взрывные воздействия, воздействия связанные с авариями на технологическом оборудовании, а также неравномерные деформации основания (просадки, крены и т. п.).
Основными характеристиками нагрузок (воздействий) являются их нормативные значения. Для постоянных нагрузок нормативные значения определяются с использованием данных о геометрических параметрах элементов и статистических данных о плотности материалов, составляющих конструкцию. Данные о нормативных значениях атмосферных воздействий формируются в результате многолетних наблюдений и содержатся в нормах проектирования. Величины этих воздействий варьируются в зависимости от района размещения объекта. Нормативные значения атмосферных нагрузок, которые могут вызывать в конструкциях динамические усилия или деформации, должны определяться с учетом динамических явлений и динамических характеристик конструкций.
Так как реальные нагрузки могут отличаться от нормативных в большую или меньшую сторону в результате случайных отступлений от значений, предусмотренных проектом, в расчете они учитываются совместно с коэффициентом надежности по нагрузке Лf .
Конструкции и основания следует рассчитывать с учетом возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок (для сечений элементов, конструкций и их соединений либо для всего здания или сооружения в целом). Уменьшение вероятности одновременного превышения несколькими нагрузками их расчетных значений по сравнению с вероятностью превышения одной нагрузкой ее расчетного значения учитывается коэффициентами сочетаний нагрузок 1/2.
При расчете конструкций должны рассматриваться следующие расчетные ситуации:
- установившаяся, имеющая продолжительность того же порядка, что и срок службы строительного объема (например, эксплуатация между двумя капитальными ремонтами или изменениями технологического процесса);
- переходная, имеющая небольшую по сравнению со сроком службы строительного объекта продолжительность (например, возведение здания, капитальный ремонт, реконструкция);
- аварийная, имеющая малую вероятность появления и небольшую продолжительность, но являющаяся весьма важной с точки зрения последствий достижения предельных состояний, возможных при ней (например, ситуация, возникающая в связи с взрывом, столкновением, аварией оборудования, пожаром, а также непосредственно после отказа какого-либо элемента конструкции).
Каждая из расчетных ситуаций характеризуются собственной расчетной схемой конструкции, видами нагрузок, значениями коэффициентов условий работы и коэффициентов надежности, перечнем предельных состояний, которые должны рассматриваться в данной ситуации.
В общем случае выделяют две группы предельных состояний [12]:
Первая группа (I) предельных состояний характеризует полную непригодность к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или полную (частичную) потерю несущей способности зданий и сооружений в целом. Эта группа включает в себя несколько подгрупп:
Ia – разрушения любого характера (пластические, хрупкие, усталостные и др.);
Ib – потеря устойчивости формы, приводящая к полной непригодности к эксплуатации;
Ic – потеря устойчивости положения;
Id – переход в изменяемую систему;
Ie – качественное изменение конфигурации;
If – другие явления, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации (например, чрезмерными деформациями в результате ползучести, пластичности, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образованием трещин).
Вторая группа (II) предельных состояний характеризует состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы. Такими состояниями являются:
IIa – достижение предельных деформаций конструкции (например, предельных прогибов, поворотов) или предельных деформаций основания;
IIb – достижение предельных уровней колебаний конструкций или оснований;
IIc – образование трещин;
IId – достижение предельных раскрытий или длин трещин;
IIe – потеря устойчивости формы, приводящей к затруднению нормальной эксплуатации;
IIf – другиe явления, при которых возникает необходимость временного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за неприемлемого снижения их срока службы (например, коррозионные повреждения).
Для конкретных конструкций группы и подгруппы предельных состояний, по которым требуется выполнять расчеты, определяются нормами (стандартами) на проектирование.
Так, например, для металлических конструкций к предельным состояниям первой группы относятся:
1. Потеря устойчивости конструкции при достижении критического значения нагрузки. При наступлении данного состояния деформации продолжают быстро нарастать даже при снижающейся нагрузке.
2. Характерные для балок, выполненных из обычных сталей с протяженной площадкой текучести, чрезмерно большие деформации конструкций вследствие текучести металла или из-за сдвигов в соединениях.
3. Хрупкое разрушение, происходящее внезапно, без предварительных признаков, при низком уровне средних напряжений от действующих нагрузок.
4. Вязкое разрушение.
5. Усталостное разрушение, наступающее в результате превышения количества циклов, создающих определенный уровень напряжений в металле, над предельным количеством циклов для этого уровня напряжений.
6. Изменение формы конструкции, приводящее к изменению ее расчетной схемы (например, превращение вогнутой конструкции в выпуклую).
7. Состояния, возникающие при совместном действии нагрузок и неблагоприятных факторов внешней среды. (Например, совместное действие расчетных нагрузок и тепловое воздействие при пожаре).
8. Резонансные явления. Эти явления могут быть связаны с воздействием ветра на высотные или большепролетные сооружения, с воздействием вибрации, создаваемой машинами или оборудованием, на строительные конструкции.
Другой вид состояний, например, когда невозможна нормальная эксплуатация мостового крана вследствие сверхнормативных прогибов подкрановых балок (хотя их несущая способность может быть достаточна) или зыбкость перекрытия при ходьбе создает дискомфорт для людей и мешает работе точных приборов, относятся к предельным состояниям второй группы.
Так как расчетные модели всегда в большей или меньшей степени отличаются от реальных условий работы элементов конструкций, соединений, зданий и сооружений и их оснований, а также происходят изменения свойств материалов вследствие влияния температуры, влажности, длительности воздействия, его многократной повторяемости и других факторов, не отражаемых непосредственно в расчетах, эти вероятные отличия и изменения учитываются коэффициентами условий работы Лd. Этот коэффициент может также учитывать факторы, не имеющие приемлемого аналитического описания, такие, как влияние коррозии, агрессии среды, биологических воздействий. Коэффициенты условий работы и способ их введения в расчет устанавливаются на основе экспериментальных и теоретических данных о действительной работе материалов, конструкций и оснований в условиях эксплуатации и производства работ.
При проведении расчетов по методу предельных состояний также необходимо учитывать степень ответственности проектируемого или обследуемого здания, характеризуемую экономическими, социальными и экологическими последствиями их отказов. Для этого в расчеты дополнительно вводится коэффициент надежности по назначению сооружения Лn. Значение коэффициента зависит от того, к какому уровню ответственности отнесено здание или сооружение.
Нормальный (II) уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений массового строительства (жилые, общественные, производственные, сельскохозяйственные здания и сооружения). Для таких объектов коэффициент надежности по назначению установлен Лn=0,95.
Для зданий и сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям (резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью 10 000 м² и более, магистральные трубопроводы, производственные здания с пролетами 100 м и более, а также уникальные здания и сооружения) устанавливается повышенный (I) уровень ответственности с Лn=1.
Для сооружений сезонного или вспомогательного назначения (парники, теплицы, летние павильоны, небольшие склады и подобные сооружения) нормами установлен пониженный (III) уровень с Лn=0,9.
Степень ответственности необходимо учитывать не только при выполнении проверочных расчетов конструкций зданий и сооружений, но и при установлении требований к их долговечности, при назначении объема инженерно-геологических и инженерно-гидрологических изысканий для строительства, периодичности освидетельствования и проведения технического обслуживания.
Как мы видим, задача определения надежности зданий и сооружений насколько важна, настолько же и сложна. Правильно и компетентно оценить ее могут только специализированные организации, имеющие необходимые лицензии.
