О критериях экспертизы промышленной безопасности несущих строительных конструкций

О КРИТЕРИЯХ ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НЕСУЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В.К. ИНОЗЕМЦЕВ, д-р техн. наук, профессор О.В. ИНОЗЕМЦЕВА, канд. техн. наук, ассистент Саратовский государственный технический университет

В настоящее время в различных регионах Российской Федерации в связи с проявлением опасных природных и техногенных процессов в пределах урбанизированных территорий происходит нарушение природной структуры грунтов в основаниях сооружений и снижение их несущей способности. Проявление негативных геологических процессов и явлений, как правило, тесно связано с изменением гидрогеологических условий. Это приводит к неравномерным деформациям оснований фундаментов, повреждениям несущих конструкций зданий и сооружения, а также к потере несущей способности и устойчивости подпорных сооружений, искусственных откосов и естественных склонов. В последние десятилетия наиболее активно проявляется процесс техногенного подтопления подземными водами, которому подвержено около 20% урбанизированных территорий страны в 82% городов России. Особенно активно негативные последствия подтопления проявляются в Центральном, Волго-Вятском, Поволжском и Северо-Кавказском регионах, в Московской, Нижегородской, Ульяновской, Краснодарской и Ростовской агломерациях. На территории Саратовской области характер подтопления тесно связан с гидрогеологическим режимом р. Волги, климатическими условиями и деятельностью человека. До конца XIX века подземные воды в пределах городской территории находились на глубине не менее 15-20 м. Наиболее существенное влияние техногенных факторов на гидрогеологическую обстановку г. Саратова начало проявляться с середины XX века, когда началось интенсивное строительство, промышленных и гражданских зданий. Заполнение Волгоградского водохранилища в 1961-1965 гг. привело к повышению уровня подземных вод на 8-10 м. К началу 2000 г. уровень подземных вод в центральной части г. Саратова фиксировался на глубине 1,5- 4 м. По оценкам специалистов, сейчас подтоплено свыше половины территории города. Повышение уровня подземных вод привело к активизации инженерно-геологических процессов на территории г. Саратова (оползни, просадки, набухание грунтов, суффозия и др.), аварийным повреждениям жилых и промышленных зданий, в том числе опасных производств. Это создает проблему оценки устойчивости оснований зданий и сооружений, а также прогноза на будущее развития негативных деформационных процессов в основаниях зданий и сооружений. В соответствии со статьей 7 (п.5) Закона "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" все технические устройства, применяемые на опасном производственном объекте (к которым относятся здания и сооружения), в процессе эксплуатации подлежат экспертизе промышленной безопасности. Результаты экспертизы позволяют определить влияние технического состояния здания и сооружения на промышленную безопасность эксплуатации объекта в соответствии с нормативными документами Ростехнад-зора. Анализ результатов проведенных в последнее время экспертиз промышленной безопасности такого рода представляет практический и научный интерес. На основе анализа материалов, содержащихся в ряде отчетов по экспертизе промышленной безопасности, можно сделать вывод, о парадоксальности сложившейся ситуации в данной области. Как известно одной из целей экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений является определение сте-

пени работоспособности, как отдельных элементов, так и здания или сооружения в целом. При этом работоспособность ранжируется по трем уровням: неработоспособное состояние (дефекты и повреждения категории «А»), ограниченно работоспособные и работоспособные состояния (соответственно дефекты и повреждения категорий «Б» и «В»), Несмотря на кажущуюся простоту ранжирования при практическом применении такого подхода к экспертизе несущих строительных конструкций, а также зданий и сооружений в целом, мы не всегда можем получить результат экспертизы адекватный реальному положению дел. Рассмотрим содержание введенных категорий экспертизы, так как они формально понимаются. Центральной категорией здесь вынужденно выступает категория «Б» - ограниченной работоспособности. Действительно с категориями «А» и «В» кажется на первый взгляд все ясно. Категория ограниченной работоспособности трактуется как категория технического состояния конструкций, при которой имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но отсутствует опасность внезапного разрушения и функционирование конструкции возможно при контроле ее состояния, продолжительности и условий эксплуатации; обнаруженные дефекты и повреждения не грозят на момент осмотра опасностью разрушения конструкций, но способны в дальнейшем вызвать повреждения других элементов и узлов или при развитии повреждения перейти в категорию «А». Проанализируем данное ранжирование дефектов и повреждений применительно к несущим строительным конструкциям и сооружениям в целом. Как наполнить конкретным содержанием категорию «А» - неработоспособное состояние для несущей строительной конструкции? Что принять в качестве критерия? В отношении промышленно изготовленного технического устройства (оборудования) этот вопрос ясен. При возникновении дефекта категории «А» техническое устройство перестает выполнять свою функцию. В отношении ограждающей конструкции можно сказать, что она не полностью ограждает. В отношении теплоизолирующей конструкции можно сказать, что она неработоспособна, так как совсем не изолирует. Здесь интересно то, что несущая конструкция существует пока «несет». Неработоспособная несущая конструкция - это уже рухнувшая конструкция. И, тем не менее, раз такая категория существует* то эксперты по промышленной безопасности вынуждены «находить» именно такие неработоспособные конструкции, находящиеся в процессе эксплуатации. Анализируя отчеты по экспертизе промышленной безопасности можно привести в качестве примеров дефектов отмечаемых как дефекты категории «А» «трещины верхнего пояса железобетонных балок (с шириной раскрытия 2 мм)», «недостаточную длину по перу сварного шва крепления фасонки к нижнему поясу стропильной фермы». При этом известно, что данная ферма эксплуатируется с середины прошлого века в таком состоянии. Здесь возникает вопрос - почему этот дефект (например дефект крепления фасонки) отнесен именно к категории «А». В данном случае причина отнесения этого дефекта к категории «А» основана не на каком либо фундаментальном критерии известном лишь эксперту. Она основана на прагматическом соображении эксперта, которое состоит в следующем: конструкция с дефектом категории «А» должна быть немедленно выведена из эксплуатации, значит к категории «А» следует относить только те дефекты, которые могут быть относительно быстро и легко устранены. Это снимает проблему долговременного вывода несущей конструкции из эксплуатации. Дефекты категории «А» как бы и найдены, однако проблемы тут же устранены. Рассмотрим пример отнесения дефекта несущей конструкции к категории «Б». Как это не странно, но к категории «Б» эксперты промышленной безопасности отнесли стропиль-

ную ферму покрытия, у которой произошла потеря устойчивости сжатой центральной стойки и центрального раскоса с общей деформацией из плоскости фермы со стрелой прогиба 150 мм. Центральная стойка больше не работает как стойка и, тем не менее, техническое состояние фермы отнесено экспертами к категории «Б». Если при введении категории «Б» предполагалась возможность ее перехода в категорию «А», то на какой критериальной основе они связаны. Это вопрос не праздный. Причина отнесения этого дефекта к категории «Б» в данном случае опять таки не связана, с каким либо критерием, на основании которого соотносится техническое состояние отдельного элемента (сжатой центральной стойки) и несущей конструкции в целом (стропильной фермы покрытия). Причина отнесения данного дефекта к категории «Б» обычно связана с невозможностью для промышленного предприятия немедленного вывода из эксплуатации стропильных ферм покрытия цеха в случае отнесения этого дефекта к категории «А». Эксперты, «зажатые» в «прокрустово ложе» введенного ранжирования состояний по трем уровням, априорно знают это. Поэтому и возникает здесь категорий «Б». Проведем сравнение с экспертизой технического состояния, какого либо элемента промышленного оборудования. Если эксперт относит техническое состояние элемента промышленного оборудования к категории «А», то в этом случае этот элемент гораздо легче заменить, чем элемент несущей конструкции здания или сооружения, где он находится. Примером могут служить железнодорожные эстакады налива нефтепродуктов. Заменить элемент технологической трубопроводной системы налива нефтепродуктов относительно легко. Решать вопросы капитального ремонта, реконструкции или замены самих несущих рамных конструкций эстакад - это равносильно долговременной остановке налива нефтепродуктов. Такая же ситуация имеет место и для зданий заводских цехов. Капитальный ремонт, реконструкция или замена несущих конструкций самого здания цеха (например, ферм покрытия) связана, как правило, с остановкой производства. Именно по этой причине техническое состояние стропильной фермы с центральной стойкой потерявшей устойчивость отнесено экспертами к категории «Б». Можно ли в отношении такой фермы говорить, что у нее «имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но отсутствует опасность внезапного разрушения». Здесь будет уместно отметить, что это не гипотетический пример. Известно, что практически все грандиозные катастрофы сооружений второй половины XIX века связаны с явлением потери устойчивости сжатых элементов несущих конструкций. Однако до настоящего времени специалисты, сталкивающиеся с этим явлением применительно к несущим конструкциям, как оказывается, не всегда понимают друг друга. Об этом недвусмысленно говорит, произвольно введенное в практику экспертиз несущих конструкций ранжирование их состояний по трем категориям работоспособности. Строители прошлого обладали, как правило, универсальными знаниями. Так строитель Флорентийского собора Санта Мария дель Фьоре Филиппо Брунеллески (1377 - 1446) был знаменит и как архитектор, и как живописец, скульптор и ювелир. Строитель Казанского собора в Петербурге Андрей Никифорович Воронихин (1759 - 1814) был не только архитектором и живописцем, но и инженером-конструктором. Им были выполнены сложные по тому времени расчеты купола и барабана Казанского собора [1]. Промышленная революция и экономический фактор при создании все более грандиозных сооружений второй половины XIX века привели к появлению специализации знаний и выделению специалиста расчетчика в области конструирования сооружений, в том числе в области их устойчивости. Однако проблема устойчивости долгое время ускользала из поля зрения спе-

циалистов. Задачи о потере устойчивости по выражению автора [1] «являются более «тонкими», чем рассмотренные прежде». Под задачами, рассмотренными прежде, автор подразумевает естественно задачи о прочности. Важным здесь является установление критерия устойчивости. Именно в вопросах выбора критерия устойчивости (особенно для сложных сред) мнения специалистов часто бывают прямо противоположными. Исключением из этого является статический критерий. Основы этого критерия были заложены в работах Л. Эйлера в 1744 г. Но и эта, решенная Л. Эйлером важная проблема устойчивости стойки, в течение 100 лет считалась причудой великого математика. Так разрушение 29 августа 1907 г. Квебекского моста через реку св. Лаврентия (Канада), при котором погибли 74 рабочих, занимавшихся сборкой моста, можно было избежать. Во время сборки моста еще за 23 дня до катастрофы было замечено выпучивание отдельных стержней конструкции моста. Но никто не подозревал истинной причины этого явления и возможных последствий. Эта и другие грандиозные катастрофы сооружений второй половины XIX века привлекли внимание ученых к проблеме устойчивости и заставили вспомнить работы Л. Эйлера. Материалы современных экспертиз промышленной безопасности в части оценки технического состояния несущих конструкций по трем категориям их работоспособности, грозят повторными воспоминаниями работ Л. Эйлера и других известных ученых и неизвестных практиков расчетчиков в области строительных конструкций уже в XXI веке.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с оценкой технического состояния таких промышленных объектов как несущие рамные конструкции железнодорожной эстакады налива нефтепродуктов (рис. 1) и регенераторы стекловаренных печей (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2

При проведении экспертизы промышленной безопасности в соответствии с нормативными документами Ростехнадзора техническое состояние несущих рамных конструкций эстакад и регенератора стекловаренной печи должны быть отнесено к одному из трех уровней работоспособности. Эти инженерные сооружения относятся к типу сооружений с высокорасположенным центром тя-

жести, а значит, имеют склонность к явлению потери устойчивости исходного положения равновесия. В процессе долговременной эксплуатации сооружение эстакады и сооружение регенератора получили некоторый боковой крен, выражающийся в боковом смещении (эксцентриситете) центра тяжести сооружения. По результатам визуального и инструментального контроля пространственного положения сооружений, очевидно, что здесь возникает проблема оценки их общей устойчивости или устойчивости исходного положения равновесия. Естественно, что «креновые» деформации этих сооружений считаются недопустимыми. Так для конструкций эстакад крен вызывает деформации технологической трубопроводной системы налива нефтепродукта, а для регенератора стекловаренной печи это обусловлено нарушением конструкций его сочленения с ванной расплава печи. Ранжировать техническое состояние этих сооружений как полностью работоспособное (категория «В») не позволяет отмечаемое экспертами наличие крена сооружений. Рассматривать их техническое состояние как неработоспособное (категория «А») - это значит фактически немедленно остановить работу этих промышленных объектов. Однако наличие деформаций крена для этих сооружений является неизбежным следствием самих технологических процессов производства. Так деформации крена эстакад неизбежно появляются вследствие циклической «пригрузки» основания в непосредственной близости от их фундамента весом железнодорожного состава с нефтепродуктами. Деформации крена регенератора вызываются техногенными термическими процессами в основании под их фундаментом, происходящими в непосредственной близости под фундаментной плитой ванны расплава стекломассы. Таким образом, в распоряжении эксперта остается лишь одна категория технического состояния для этих сооружений - ограниченная работоспособность (категория «Б»), Применительно к рассмотренной ситуации эта категория - компромисс, который никаким образом не раскрывает степень существующей опасности, так как в данном случае, исчезла сама возможность какого либо ранжирования. Тем не менее, используя методы строительной механики можно сказать, что «исходы» из этой проблемной ситуации могут быть самые различные, как в сторону полной работоспособности этих сооружений, так и в сторону их неработоспособности. Для этого необходимо ориентироваться не на умозрительно введенное ранжирование, а на исторически сложившиеся критерии прочности, устойчивости и долговечности применительно к специфике работы конкретного инженерного сооружения или несущей конструкции. Так, например, если для решения задачи об общей устойчивости положения, рассмотренные объекты (рис. 1, 2) представить в виде модельной системы (рис. 3, 4), объединяющей абсолютно жесткое сооружение на деформируемой фундаментной плите, взаимодействующей с упругопластическим слоем основания, то методы теории устойчивости позволят раскрыть истинное состояние этих объектов и дадут прогноз на будущее.

Рис. 3

Рис.4

Не вдаваясь в математические тонкости численного анализа уравнений, описывающих эти модельные системы, результаты которых можно найти в работах [2, 3, 4], рассмотрим качественное поведение данных систем при нагру-жении и в процессе эксплуатации. При постановке задачи устойчивости этих систем мы получаем нелинейную задачу, описывающую явление бифуркации исходного строго вертикального положения их равновесия и процесс начального «закритического» деформирования, сопровождающийся развитием «крено-вых» деформаций этих сооружений. Анализ поведения этих систем проведем по графикам изменения скоростей (приращений) вертикальных осадок опор сооружений в процессе нагружения (рис. 5). Полагаем, что данные сооружения обладают малым начальным несовершенством (эксцентриситетом центра тяжести), величина которого может быть сколь угодно мала. Начальное несовершенство системы приводит к начальной несимметрии приращений вертикальных перемещений опор сооружений ¡¥0 в процессе нагружения (Рис. 5).

В рассматриваемом случае оказывается, что процесс нагружения систем представляет собой последовательную смену фаз (А, В и С), в каждой из которых сооружения качественно меняют свое поведение, следовательно, и техническое состояние их для этих фаз качественно различается. Так при нагружении данных систем в фазе А, свойственные реальным объектам малые начальные несовершенства, продолжают оставаться малыми и нелинейные свойства систем (их склонность к явлению потери устойчивости процесса дефор-о мирования) мало заметны. При превышении не-

которого уровня нагружения системы наступает Рис' 5 фаза В, в которой получают развитие деформации

крена сооружений при которых скорость вертикальных осадок (или их приращений) одной из опор сооружения Ш1 замедляется по отношению к скорости осадок другой опоры Дй^, для которой скорость в процессе нагружения не меняется. В этой фазе нагружения происходит резкое нарастание крена сооружения. Заканчивается эта фаза при достижении параметром нагружения значения критической бифуркационной нагрузки, соответствующей бифуркации процесса деформирования основания сооружения без начальных несовершенств. При этом уровне нагружения скорость вертикальных осадок одной из опор замедляется до нуля. При дальнейшем нагружении в фазе С скорость вертикальных осадок этой опоры меняет свой знак и эта опора начинает свой подъем за счет разгрузки части основания под ней. Разгрузка части основания происходит при продолжающемся нагружении системы вследствие дальнейшего развития деформаций бокового крена. Заканчивается эта фаза предельной критической нагрузкой, при превышении которой какие либо состояния равновесия для этих систем теоретически отсутствуют. Практически предполагать, что эти сооружения при предельной критической нагрузке могут опрокинуться не следует. Однако, теоретически сооружение при действии предельной критической нагрузки полностью перестает быть устойчивым. Так, например, в этом случае в отношении отдельной рамы эстакады можно сказать, что сопротивление дальнейшему развитию ее бокового крена будет осуществляться только за счет ее внешних связей с остальной частью эстакады в виде металлических трапов и системы трубопроводов налива нефтепродукта. В данном случае рассмотрен процесс

монотонного нагружения сооружения до полной потери устойчивости. На практике большинство сооружений такого рода проектируются с таким расчетом, чтобы их эксплуатация осуществлялась в фазе «А» (Рис. 5.). Выход из этой фазы в фазу «В» или «С» происходит не в связи с увеличением уровня нагружения, а при постоянном уровне нагружения в связи с изменением жесткостных характеристик основания сооружений вследствие техногенных воздействий в процессе эксплуатации. Здесь неожиданным для эксперта может оказаться то, что фаза «А», гарантировавшая малость величины бокового керна системы при нагружении, в процессе деструктивных техногенных воздействий на жесткост-ные свойства оснований сооружений не гарантирует не только малости величины бокового крена сооружений, но и его общей устойчивости. Так в зависимости от уровня нагружения в фазе «А» прогноз развития неравномерности осадок опор сооружения может быть существенно различным.

В качестве примера потери устойчивости системы «сооружение - основание» при увеличении влажности основания (диапазон изменения параметра влажности от 25,8 до 32,8%) рассмотрим поведение сооружения с достаточно гибкой фундаментной балкой (А = L/24) и относительно высоко расположенным центром тяжести (H/L= 11,6) при действии постоянной нагрузки Рф .

На рис. 6 приведены две пары графиков приращений осадок левой и правой опор сооружения, построенных для двух значений Рф и с учетом очень малого начального несовершенства в виде эксцентриситета системы L/3*10"4. Известно, что при уменьшении начального крена системы предельное значение влажности основания стремится к бифуркационному значению для системы без начальных несовершенств. В качестве критического параметра здесь выступает значение влажности слоя основания «С».

Увеличение влажности слоя основания может достичь критического уровня при действии заданного уровня нагружения системы. Очевидно, что при другом уровне нагружения критическим окажется другой уровень влажности слоя основания. Таким образом, учитывая, что траектория нагружения состоит из последовательности двух этапов: силового нагружения до некоторого фиксированного уровня нагрузки и изменения влажности слоя основания, можно говорить о необходимости поиска в данном случае траектории нагружения, являющейся критической в смысле бифуркационной потери устойчивости системы в конце второго этапа траектории. Особенностью приведенного выше примера являлось достаточно значительная величина уровня нагружения в пределах зоны «А». Принятый уровень нагружения приводит к снижению запаса устойчивости сооружения на этапе его эксплуатации в условиях деструктивного техногенного воздействия, что вызывает потерю устойчивости сооружения в ее классической форме, свойственной бифуркационной постановке задачи об устойчивости. При меньшем значении уровня нагружения сооружения запас устойчивости сооружения будет выше и увеличение влажности слоя основания на втором этапе приводит к потере несущей способности слоя основания до достижения критического уровня потери устойчивости сооружения. Таким образом, можно видеть, что одна и та

79

Предельный уровень

технического воздействия

Рис.6

же система в зависимости от траектории нагружения может потерять устойчивость задолго до наступления предельного состояния, либо оказывается устойчивой вплоть до наступления предельного состояния по несущей способности слоя основания. Возвращаясь к вопросу экспертизы технического состояния сооружений можно утверждать, что для сложной нелинейной системы «сооружение - основание» множество возможных историй деформирования системы в зависимости от совокупности параметров ее состояния разделяются на критические, приводящие к потере устойчивости, и некритические, для которых реализуется предельное состояние по несущей способности слоя основания. Прогноз того, как действительно поведет себя сложная нелинейная система, склонная к явлению потери устойчивости, невозможен без использования критериев устойчивости процессов деформирования сложных сред.

В отличие от введенного ранжирования степени работоспособности, применяемого при экспертизе промышленной безопасности технических устройств на опасном производственном объекте, классические критерии строительной механики применительно к несущим конструкциям, элементам здания или сооружению в целом, дают фундаментальную основу и четко указывают методологию прогнозного анализа технического состояния такого объекта и связанной с ним промышленной безопасности.

Литература

1. Масленников A.M. Основы строительной механики для архитекторов: Учеб. пособие/ A.M. Масленников, А.Г. Егоян. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1988. - 284 с.

2. Иноземцева О.В. Влияние боковой пригрузки от железнодорожного транспорта на крен фундаментов эстакад налива нефтепродуктов/ В.К. Иноземцев, В.И. Редкое, О.В, Иноземцева // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений: Межд. науч.-практ. конф., Пенза, 2006. - С.61-63.

3. Иноземцева О.В. Общая устойчивость высотного сооружения на нелинейно деформируемом слое основания/ О.В. Иноземцева И Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2006. - № 3(15). - Вып. 2. - С. 84-88.

4. Иноземцева О.В. Проблема неравномерности осадок оснований при реконструкции регенераторов стекловаренных печей/ В.И. Редкое, О.В. Иноземцева, Ю.В. ЖуравлевII Совершенствование методов расчета строительных конструкций и технологий строительства: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 72-77.

ON CRITERIA OF INDUSTRIAL SAFETY EXAMINATION OF BEARING STRUCTURES

Inozemtsev V.K., Inozemtseva O.V.

The manuscript is devoted to discussion of criteria of industrial safety and problems of complex non-linear buckling inclined systems.