Изменение эксплуатационных свойств элементов зданий в процессе эксплуатации. Причины и факторы окружающей среды, вызывающие износ и старение элементов зданий. Методы определения остаточного ресурса зданий и отдельных конструктивных элементов.

• Изменение эксплуатационных свойств элементов зданий в процессе эксплуатации

В процессе эксплуатации зданий их техническое состояние изменяется. Это выражается в ухудшении количественных характеристик работоспособности, в частности, надежности. Ухудшение технического состояния зданий происходит в результате изменения физических свойств материалов, характера сопряжений между ними, а также размеров и форм.

С течением времени несущие и ограждающие конструкции и оборудование зданий и сооружений изнашиваются, стареют. В начальный период эксплуатации зданий происходят взаимная приработка элементов; релаксация напряжений; осадочные явления, вызванные изменением и нагрузками па основания, деформациями ползучести в материалах, и т.д. Происходит снижение механических, прочностных и ухудшение эксплуатационных характеристик конструкций зданий. Все эти изменения в конструкциях зданий могут быть как общими, так и локальными, они происходят самостоятельно и в совокупности.

Наибольшее количество дефектов, отказов и аварий приходится на процесс строительства и в первый период эксплуатации зданий и сооружений. Главные причины - недостаточное качество изделий, монтажа, осадка оснований, температурно-влажностные изменения и т.д.

Пocтроечный и первый послепостроечный периоды характеризуются приработкой всех элементов на сложной единой системе здания. В этот период происходят сдвиг и отрыв внутренних стен от наружных, усадка, температурные деформации конструкции, ползучесть материалов и т.д.

По окончании периода приработки конструкций и элементов зданий с окружений, после заделки дефектных участков в период нормальной эксплуатации количество отказов снижается и стабилизируется.

Основными деформациями этого периода являются внезапные деформации, связанные с условиями работы и эксплуатации элементов.

Причиной внезапных деформаций во времени могут быть неожиданные концентрации нагрузок, ползучесть материалов, неудовлетворительная эксплуатация, температурно-влажностные воздействия, неправильное выполнение ремонтных работ.

Третий период, период интенсивного износа, связан с явлениями старения материала конструкций, снижением упругих свойств.

Конструкции и оборудование даже при нормальных условиях эксплуатации имеют разные сроки службы и изнашиваются неравномерно. Продолжительность службы отдельных конструкций зависит от материалов, условий эксплуатации. На долговечность конструктивных элементов влияет конструктивное решение и капитальность здания в целом; в зданиях, выполненных из прочных материалов и надежных конструкций, любой элемент служит дольше, чем в зданиях из недолговечных материалов.

• Причины и факторы окружающей среды, вызывающие износ и старение элементов зданий

Старение материала происходит во времени в результате воздействия на конструкцию окружающей среды, механических нагрузок, связанных с техно­логическими процессами в здании.

            При старении меняется микроструктура материала, иногда с нарушением химических связей частиц. Изменение с течением времени физи­ко-химических характеристик материала  элемен­та под влиянием механических нагрузок и окружающей среды на­зывают старением. Факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах кон­струкции. В большинстве случаев такие процессы не вызывают немедленного разрушения, но сопровождаются интенсивным физи­ческим износом материала конструкции.

             Разрушение материала в агрессивной среде зависит от интенсивности на­грузок и активности окружающей среды. Различают три наиболее типичных случая разрушения материала конструкций. Первый случай характеризуется большими статическими или динамическими нагрузками, которые вызывают напряжения в материа­ле, значительно превышающие допустимые. Во второмслучае разрушение конструкции является результа­том совместного воздействия механических нагрузок и факторов ок­ружающей среды. Третийслучай разрушения материала конструкции сопровожда­ется малыми напряжениями от статических и динамических нагру­зок. Такие нагрузки сами по себе не могут вызвать разрушения конструкции в течение продолжительного времени. Наиболее важ­ную роль в разрушении материала в этом случае играют факторы окружающей среды. В условиях эксплуатации зданий обычно наблюдаются второй и третий случаи разрушения конструкций.

            Влияние микроструктуры материала на износ конструкции. Ве­щества в природе находятся в четырех агрегатных состояниях: твер­дом, жидком, газообразном и плазменном. Материалы, применяе­мые для конструкций зданий,— твердые. В отличие от жидкостей и газов твердые тела обладают упругостью: при изменении формы под воздействием внешних сил возникают силы упругости, стремя­щиеся возвратить твердое тело в первоначальную форму.

         Для износа конструкций в присутствии среды характерны отно­сительно высокие скорости распространения трещин и сравнительно медленное понижение прочности, если действие среды не акти­визируется напряжениями приложенных нагрузок.

Таким образом, физический износ конструкций обусловлен сов­местным действием окружающей среды и механических нагрузок, вызывающих значительные напряжения.

Из вышеизложенного следует, что физико-механические пара­метры материала конструкций есть случайные величины, опреде­ляемые следующими факторами:

• в одном и том же материале есть дефекты различного происхождения, при этом внешне одинаковые конструкции могут иметь дефекты различной степени опасности.
• прочность конструкции оп­ределяется наиболее опасным дефектом;
• чем больше площадь поверхности и объем конструкции, тем ве­роятнее присутствие опасных дефектов.

Интенсивность действия среды на процессы износа зависит от со­стояния окружающей среды. К наиболее активным средам,  относятся солнечная ра­диация, атмосферная среда, влага, грунтовая среда, биологическая среда.

       Факторы, действующие на износ конструкций, делят на две группы: определяемые естественными кли­матическими и метеорологическими условиями; обусловленные технологическими процессами, протекающими в помещениях зда­ния

• Методы определения остаточного ресурса зданий и отдельных конструктивных элементов.

Остаточный ресурс - суммарная наработка элемента от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.

Остаточный ресурс эксплуатируемого пролетного строения определяется перерасчетом конструкции на основании фактических и прогнозируемых характеристик материалов.

К ост – определяется как доля времени, которую объект не доработал до предельного состояния.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА.

1.Остаточный ресурс объекта устанавливается на основе:

- выявленного механизма достижения объектом предельного состояния

- прогнозирования развития выявленных дефектов и повреждений в последующий период эксплуатации;

- изучения влияния эксплуатационных факторов на механические свойства стали и геометрические размеры конструкций;

- принятой степени приемлемого риска;

- рассмотрения готовности службы производственного контроля Заказчика к выполнению решений и рекомендаций;

-анализа дополнительных фактов, выявленных в процессе обследования.

2. Выбор критериев и повреждающих параметров технического состояния производится Специализированной экспертной организацией с указанием обоснования в Техническом заключении.

2.1. Для конструкций, у которых возможно хрупкое разрушение, остаточный ресурс допускается определять с использованием подходов механики разрушения и характеристик статической или динамической (для динамически нагруженных конструкций) трещиностойкости сталей: коэффициента интенсивности напряжений и критической величины раскрытия трещин⁵.

2.2. Для конструкций, в которых действуют циклические нагрузки, остаточный ресурс рассчитывается согласно СНиП II-23-81*. При выявлении в конструкциях трещин и трещиноподобных дефектов остаточный ресурс допускается определять с использованием подходов механики разрушения и данных по циклической трещиностойкости сталей⁶.

2.3. Для конструкций, в которых возможна реализация вязкого механизма их разрушения, остаточный ресурс допускается устанавливать по скорости коррозии.

3. Остаточный ресурс объекта устанавливается по наименьшей величине остаточного ресурса основных несущих элементов конструкций, замена или усиление которых невозможна или экономически нецелесообразна.

4. Остаточный ресурс (этап остаточного ресурса) объектов, несущие конструкции которых выполнены из кипящих марок сталей, устанавливается расчетом на сроки, не превышающие:

3 года - для опасных и ответственных объектов;

5 лет - для неопасных промышленных объектов и объектов вспомогательного назначения

По истечении установленного срока остаточного ресурса и необходимостью дальнейшей эксплуатации конструкций требуется дополнительное их освидетельствование.

5. Результаты по прогнозированию остаточного ресурса вносятся в Техническое заключение и служат основанием для принятия решения о дальнейшей эксплуатации объекта.