Алгоритмы расчетов остаточного ресурса ЗиС

Остаточный ресурс здания или сооружения (далее - ЗиС) - время (в годах) до наступления предельного технического состояния, при котором дальнейшая эксплуатация их невозможна без проведения капитального ремонта с усилением и частичной заменой конструктивных элементов.

Предельное состояние - состояние здания (сооружения), при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Остаточный ресурс ЗиС определяется следующими факторами: начальной надежностью к моменту окончания строительства, продолжительностью службы здания, нагрузками и воздействиями на него. Скорость снижения надежности зависит от условий эксплуатации и их стабильности во времени – наличия и величин особых нагрузок, механических и климатических воздействий.

При проведении экспертизы промышленной безопасности любого здания (сооружения) (например, зданий котельных) основная задача - установить, можно ли данные сооружения безопасно эксплуатировать и в течение какого периода. То есть необходимо определить остаточный ресурс этих зданий.

Следует отметить, что здания бывают не поднадзорные и подназорными Ростехнадзору, ЗиС, являющиеся опасными производственными объектами, конструкции которых исчерпали нормативный срок эксплуатации, расчет остаточного ресурса является обязательным.

Когда надо рассчитывать остаточный ресурс

Необходимость определения остаточного ресурса возникает при следующих обстоятельствах:

В отношении объектов недвижимости

1. Оценка здания как объекта недвижимости, когда определяют разницу балансовой стоимости и суммы его износа.
В условиях образования рынка недвижимости невозможно производить с должной эффективностью операции купли-продажи без исчерпывающих сведений о техническом состоянии объекта. Анализ проектной документации дает лишь общее представление о параметрах объекта. Поэтому проводится предварительное общее обследование конструкций. Результаты обследования сопоставляют с современными требованиями нормативных документов к качеству материалов и конструкций, уровню комфортности, соответствующим функциональным, санитарно-гигиеническим, теплотехническим условиям и условиям безопасности. Приближенно определяется остаточный жизненный ресурс здания и его отдельных частей с целью оценки.

2. Оценка технического состояния здания и его элементов с целью реконструкции или капитального ремонта. 
В этом случае одной из главных задач является выявление возможности дальнейшей эксплуатации объектов недвижимости (продление срока эксплуатации) и факторов, уменьшающих их стоимость (обесценивание) на момент обследования.

В отношении опасных производственных объектов, ранее введенных в эксплуатацию

3. По требованию представителя Ростехнадзора. 
Основная цель технического обследования зданий и сооружений – выявление реального остаточного жизненного ресурса и принятие решения об их сносе, капитальном ремонте или реконструкции на основе выявленных дефектов несущих, ограждающих конструкций, инженерных систем и оборудования.

4. В случае аварии, в результате которой были повреждены несущие конструкции; 
В результате аварии на опасном производственном объекте, вследствие которой были повреждены несущие конструкции, обязательным условием является проведение экспертизы промышленной безопасности, одной из процедур которой является расчет остаточного ресурса. Данная норма установлена пунктом 2 статьи 7 Федерального закона №116-ФЗ.

5. При возникновении сверхнормативных деформаций здания или сооружения (климатические и технологические);

6. Отсутствие проектной документации, либо отсутствие в проектной документации данных о сроке эксплуатации здания или сооружения; 
Расчет остаточного ресурса в данном случае необходим с целью установления срока (в годах), при котором дальнейшая эксплуатация их невозможна без проведения капитального ремонта с усилением и частичной заменой конструктивных элементов.

Если в документации срок эксплуатации не установлен, допускается использовать данные по аналогам или определять его по согласованной с Ростехнадзором методике, с учетом результатов анализа документации, условий эксплуатации и технического диагностирования (экспертного обследования).

В отношении жилых, административных, общественных, бытовых и производственных зданий

7. Обследование здания перед его сдачей в эксплуатацию, перед выполнением капитального ремонта, в случае назначения судебной строительной экспертизы и иное.

Для осуществления технического обследования в соответствии с Градостроительным кодексом и Приказом Минрегиона РФ от 30.12.2009 N 624 индивидуальный предприниматель или юридическое лицо имеет право осуществлять обследование состояния грунтов основания и работы по обследованию строительных конструкций при наличии выданного саморегулируемой организацией свидетельства о допуске к таким работам.

Конечной целью обследования является техническое заключение с обоснованными предложениями и конкретными техническими решениями для дальнейшей разработки проекта реконструкции или капитального ремонта объекта недвижимости. Техническое заключение содержит также архивные, архитектурные, конструктивные характеристики, поверочные расчеты несущих и ограждающих конструкций, инженерных сетей и оборудования.

Результаты обследования используют также, кроме перечисленных выше случаев, при страховании, паспортизации недвижимости и в ряде других подобных обстоятельств.

Техническое обследование проводят для объектов, не только находившихся в эксплуатации, но и вновь построенных, при наличии в процессе строительства недопустимых отклонений от проекта, объектов незавершенного строительства. При этом основные методы технического обследования остаются едиными, хотя в каждом конкретном случае могут быть некоторые отличия.

К выявленным дефектам относят не только разрушения конструкций, инженерных систем и оборудования, но и все отдельные несоответствия их состояния, действующим на момент обследования нормативам (например, требуемое сопротивление теплопередаче и т.д.).

Алгоритм экспертизы промышленной безопасности ЗиС с целью оценки его остаточного ресурса

1. Изучение технической документации на объект.
2. Натурное обследование строительных конструкций.
3. Выявление дефектов и повреждений, оценка их влияния на несущую способность.
4. Проведение неразрушающих испытаний.
5. Выполнение поверочных расчетов.
6. Оценка остаточного ресурса строительных конструкций.
7. Оценка технического состояния конструктивных элементов.
8. Разработка рекомендаций по дальнейшей эксплуатации объекта экспертизы.
9. Составление заключения экспертизы промышленной безопасности в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
10. Утверждение заключения экспертизы ПБ в Ростехнадзоре.

Сроки проведения и стоимость экспертизы зависят от вида оцениваемого объекта и определяются индивидуально.

Порядок и методы расчета остаточного ресурса

В качестве базовой концепции предлагается подход, основанный на принципе “безопасной эксплуатации по техническому состоянию”. Согласно данному подходу оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию в соответствие с нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией, а остаточный ресурс - по определяющим параметрам технического состояния. В качестве последних принимаются параметры, изменение которых (в отдельности или в некоторой совокупности) может привести объект в неработоспособное или предельное состояние.

Во время прогнозирования величины остаточного ресурса должно быть обеспечено выполнение (одновременное) следующих условий:

• известны параметры технического состояния здания;
• известны определяющие параметры технического состояния, изменяющиеся соответственно выявленному механизму повреждения элементов объекта;
• назначены критерии предельных состояний объекта, достижение которых возможно при развитии выявленных повреждений.

В зависимости от критериев предельного состояния и условий эксплуатации объекта параметрами его технического состояния служат:

• характеристики материалов (механические характеристики - предел текучести, предел прочности, твердость, трещиностойкость, пределы выносливости, длительной прочности, ползучести, химический состав, характеристики микроструктуры и т.д.);
• коэффициенты запасов прочности (по пределам текучести, прочности, длительной прочности, ползучести, трещиностойкости, устойчивости, по числу циклов или напряжениям при расчетах на циклическую прочность);
• технологические показатели (температура, параметры вибрации, режимы работы и т.д.).

Аспектами определения остаточного ресурса в общем виде являются:

• физический износ;
• статическая (в ряде случаев динамическая) прочность материалов с учетом дефектов и повреждений;
• усталость материалов.

Остаточный ресурс может определяться по тому или иному аспекту в зависимости от исходных материалов, полученных на этапе обследования. Для обеспечения заданной точности расчета в ряде случаев могут потребоваться дополнительные испытания конструкций статической либо динамической нагрузкой.

Существует два метода расчета: метод использования математических моделей и метод экспертных оценок. Данные методы могут применяться, как дифференцировано, так и вместе.

В настоящее время основные подходы к определению остаточного ресурса, как физико-механической характеристики, связаны с использованием: детерминированных расчетов; теории вероятности.

Применение вероятностных методов требует значительного объёма информации о внешних воздействиях, а также информации о материалах конструкций. Увеличение объёма необходимой информации обеспечивает большую достоверность выводов о надёжности и долговечности зданий и сооружений.

При вероятностном подходе:

• внешние условия эксплуатации конструкции считаются случайными процессами;
• за основной показатель надёжности принимается вероятность пребывания параметров системы в некоторой допустимой области, нарушение нормальной эксплуатации приводит к выходу из этой области;
• выход конструкции из строя является, как правило, следствием постепенного накопления повреждений;
• оценка соответствия фактического риска аварии объекта предъявляемым требованиям конструкционной безопасности является составной частью определения остаточного ресурса.

Параметрами технического состояния объекта служат:

• характеристики материалов (механические и химические);
• коэффициенты запасов прочности;
• технологические показатели.

Выбор ключевых параметров осуществляется по результатам анализа технической документации и результатов обследования. В отдельных случаях допустимо использовать результаты экспертной оценки, которая обязательно должна включать анализ условий эксплуатации, инструментальный контроль и поверочные расчеты.

Необходимо отметить, что все вышеописанные методы имеют ограниченную область применения, а также не учитывают такие существенные при определении остаточного ресурса факторы, как:

• резкое изменение условий эксплуатации и возможное воздействие особых нагрузок;
• наличие скрытых дефектов конструкций;
• качество изготовления конструкций;
• скорость деградации материалов конструкций и ее изменение.

Другим методом оценки остаточного ресурса является экспертный.

Экспертная оценка основывается на ряде анализов и результатов:

1. анализе технической и эксплуатационной документации;
2. анализе условий эксплуатации;
3. результатах полученных данных визуально измерительного контроля, инструментального контроля, неразрушающих испытаний, определения пространственного положения конструкций;
4. результатах проверочного расчета.

Техническое состояние конструкций подразделяется на пять уровней: исправное; работоспособное; ограниченно работоспособное; недопустимое и аварийное.

На основании анализа полученных результатов и опыта эксплуатации принимается решение о продлении эксплуатации с назначением остаточного ресурса, либо о необходимости проведения расчета остаточного ресурса.

В настоящее время, с учетом специфики диагностируемых объектов, специализированными организациями используются различные методики.

В общем случае выбор метода расчета остаточного ресурса по тому или иному критерию должен обосновываться точностью и достоверностью полученных данных, а также требованиям точности и достоверности прогнозируемого ресурса объекта и риска его дальнейшей эксплуатации.

Для более точного расчета остаточного ресурса при необходимости могут проводиться экспериментальные исследования конструкций, а именно: тензометрия и (или) акустическая эмиссия.

Расчеты остаточного ресурса по критериям предельных состояний

Расчеты остаточного ресурса по критериям предельных состояний проводятся по следующим методам:

I. Расчет остаточного ресурса в зависимости от физического износа.

Общая оценка повреждаемости сооружения производится по формуле:

где ε1, ε2, ..., εi - максимальные повреждения отдельных видов конструкций; α1, α2, …, αi – коэффициент значимости отдельных видов конструкций.

Относительная оценка повреждаемости сооружения производится по формуле:

Постоянная износа определяется по данным обследования:

где tφ - срок службы в годах на момент проведения экспертизы.

Срок службы здания с начала эксплуатации до капитального ремонта определяется по формуле, в годах:

II. Расчет остаточного ресурса по статической прочности.

Остаточный ресурс по критерию предельного состояния – допускаемому напряжению составляет:

где σв (t) – предел прочности на момент проведения обследования; 
[σ] – предел прочности по расчету; 
ασ – скорость снижения механических свойств. 
Скорость снижения механических свойств рассчитывается по формуле:

где σв – нормативный предел прочности; 
t – время от начала эксплуатации до момента проведения обследования.

III. Расчет остаточного ресурса по коррозионному износу конструкций.

Остаточный ресурс конструкций здания, подвергшихся коррозии определяется по формуле:

где Sф – фактическая минимальная толщина стенки элемента, мм; 
Sр – расчетная величина стенки элемента, мм; 
α – скорость равномерной коррозии, мм/год.

Скорость равномерной коррозии рассчитывается по формуле:

где Su – исполнительная толщина стенки элемента, мм; 
t – время от момента начала эксплуатации до момента проведения обследования, лет.

IV. Расчет остаточного ресурса по усталости конструкций

Ресурс циклической работоспособности определяется по формуле:

где Tэ – время эксплуатации с момента начала эксплуатации, лет; 
[N] – допустимое количество циклов нагружения; 
Nэ – количество циклов нагружения за период эксплуатации.

Ресурс остаточной работоспособности определяется по формуле:

По результатам расчетов остаточного ресурса делается оценка ресурса отдельных конструктивных элементов здания, частей здания, либо здания в целом. При расчете остаточного ресурса по нескольким критериям ресурс назначается по минимальному значению.

На основании данных по оценке технического состояния объекта и остаточного ресурса принимается обоснованное решение о возможности дальнейшей эксплуатации объекта в соответствии с остаточным или назначенным ресурсом ил его ремонте, снижении рабочих параметров, использованию по иному назначению или выводу из эксплуатации.

К списку статей