Поверочные расчёты строительных конструкций

Зачем нужен поверочный расчёт

Расчёты несущих конструкций зданий и сооружений делятся на две основные группы — проектировочные и поверочные. В практике обследования технического состояния выполняются поверочные: их цель — определить несущую способность существующих конструкций, выявить резерв несущей способности либо элементы, которые этим резервом не обладают.

На основании поверочных расчётов делается вывод о возможности или невозможности увеличения нагрузки — например, при устройстве мансардного или антресольного этажа. Результаты дают основание и для выводов о необходимости мероприятий по увеличению прочности отдельных элементов конструкций. Так поверочный расчёт превращается в рекомендации по эксплуатации здания.

Расчёт связан с проектированием в обе стороны: он служит основанием для выполнения проектных работ, а после принятия проектных решений и проведения проектировочных расчётов выполняется снова — уже как подтверждение правильности проектных решений.

Когда нормы требуют оценки технического состояния с расчётом

Поверочный расчёт — не факультативная часть обследования. ГОСТ 27751-2014 «Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения» отводит оценке технического состояния отдельный раздел 13 и прямо перечисляет случаи, когда её проводят:

• по истечении расчётного срока службы объекта;
• при модернизации и реконструкции объекта, во время которой в существующую конструктивную систему добавляют новые элементы конструкции;
• при проверке возможности существующей конструкции выдерживать нагрузки, связанные с ожидаемыми эксплуатационными изменениями в использовании данного объекта;
• в случае капитального ремонта зданий, сооружений и их конструкций;
• при проверке эксплуатационной пригодности конструкций после аварийных воздействий — землетрясения, пожара, взрывных воздействий и т. п.;
• при проведении технического мониторинга;
• при изменении природно-климатических условий места расположения строительного объекта;
• при реконструкции или сносе строительного объекта.

Список стоит читать буквально. «Ожидаемые эксплуатационные изменения в использовании объекта» — это и перевод склада под производство, и установка нового станка, и превращение чердака в мансарду. «По истечении расчётного срока службы» — это ситуация, в которой находится большинство зданий советской постройки. Сам стандарт вводит эту оценку не как право владельца, а как условие дальнейшей эксплуатации: по п. 13.2 проверку и оценку технического состояния проводят по плану технического обслуживания, по запросу владельцев или органов власти.

Отметим, что снос попал в перечень наравне с реконструкцией. Разбирать здание тоже нужно с пониманием того, как оно работает: последовательность демонтажа меняет расчётную схему на каждом шаге, и элемент, который был второстепенным в исходной системе, после снятия соседних конструкций может оказаться единственным, что удерживает оставшуюся часть.

Что можно взять из старого проекта, а что придётся измерить

Главный практический вопрос любого поверочного расчёта: какие исходные данные допустимо принять по документам, а какие обязательно мерить на объекте. ГОСТ 27751-2014 отвечает на него в трёх пунктах.

Нормативная база. По п. 13.3 анализ и расчёт существующих конструкций выполняют на основе положений, изложенных в разделах 3–12 стандарта, и результатов обследования. Отменённые нормативные документы, действовавшие в период проектирования первоначальной конструкции, а также численные данные, правила и методики, не рассматриваемые в действующих нормативных документах, могут быть использованы только как вспомогательные материалы. Формулировка «только как вспомогательные материалы» закрывает распространённый спор: считать по СНиП 1962 года, потому что «здание по нему строилось», нельзя. Старый норматив полезен для реконструкции логики первоначального проекта — понять, какие допущения закладывал автор, какие коэффициенты применял, — но проверка ведётся по действующим нормам.

Геометрия. По п. 13.4 размеры элементов конструкции и их соединений допускается принимать в соответствии с первоначальной проектной документацией, если при обследовании не выявлено каких-либо существенных отклонений. В противном случае необходимо использовать результаты непосредственных измерений и натурных обследований. То есть проект — это гипотеза, которую обмеры либо подтверждают, либо отменяют. На практике по существующим зданиям расхождения находятся регулярно: изменённый при строительстве шаг балок, другое количество стержней в сечении, отличающаяся толщина полки.

Нагрузки. По п. 13.5 при проведении расчётов по оценке технического состояния нагрузки и климатические воздействия должны соответствовать фактическим расчётным ситуациям. Не проектным — фактическим.

Материалы. По п. 13.6 свойства материалов следует рассматривать в соответствии с фактическим состоянием конструкции. Если имеются документы по первоначальному проекту и в результате технического обследования не зафиксированы изменения свойств материалов, допускается использовать расчётные значения, принятые в первоначальном проекте; при необходимости следует провести контроль и проверку несущей способности конструкций на основе полученных при обследовании данных. Обратим внимание: в действующей редакции (с Изменением № 1) речь идёт о неразрушающем контроле — из исходного текста 2014 года слова о разрушающем контроле исключены.

Сложить эти четыре пункта вместе — и получится описание того, чем поверочный расчёт по фактическим данным отличается от «пересчёта по проекту»: единственное, что стандарт разрешает взять из архива без проверки, — это размеры при отсутствии существенных отклонений и характеристики материалов при отсутствии зафиксированных изменений. Всё остальное подтверждается на объекте.

Сбор нагрузок — первый шаг расчёта

Прежде чем считать несущую способность, нужно знать, что именно несёт конструкция. Нагрузки собираются по СП 20.13330.2016: собственный вес плиты, стяжки, засыпки и чистового покрытия, эквивалентная нагрузка от перегородок (п. 8.2.2, не менее 0,5 кПа) и полезная нагрузка по назначению помещения из табл. 8.3 — от 0,7 кПа на чердаке до 5,0 кПа на сцене зрелищного предприятия. Для складских помещений, архивов и книгохранилищ значения принимаются по табл. 8.1 и заданию на проектирование, с учётом удельного веса складируемого и высоты складирования. Каждая составляющая умножается на свой коэффициент надёжности по нагрузке: 1,1 для железобетона и дерева, 1,3 для стяжек и засыпок, выполняемых на площадке, 1,2 для слоёв заводского изготовления.

В существующем здании сбор нагрузок опирается на фактический состав пола, вскрытый при обследовании, а не на проектный: за годы эксплуатации стяжку переливают, полы меняют, перегородки переносят. Именно поэтому расхождение с проектом здесь обычное дело — и именно оно чаще всего объясняет прогибы и трещины в перекрытии.

Собрать нагрузки предварительно можно в калькуляторе внизу страницы: он считает по тем же формулам и нормам, что и мы, и показывает разбивку по каждой составляющей.

Предельные состояния: что именно проверяется

Расчёт по предельным состояниям — базовая схема всех строительных норм, и поверочный расчёт подчиняется ей так же, как проектировочный. ГОСТ 27751-2014 выделяет две основные группы предельных состояний и особые предельные состояния.

Первая группа — состояния, при достижении которых происходит потеря несущей способности и возникает аварийная расчётная ситуация. Стандарт относит к ней:

• разрушение любого характера — пластическое, хрупкое, усталостное;
• потерю устойчивости формы или положения — как отдельных элементов, так и сооружения в целом;
• чрезмерные деформации в результате деградации свойств материала, проявления пластичности или сдвига в соединениях, а также чрезмерное раскрытие трещин, при которых эксплуатацию необходимо прекратить;
• качественное изменение конфигурации или переход в изменяемую систему.

Вторая группа — состояния, при которых нарушается нормальная эксплуатация, исчерпывается ресурс долговечности или нарушаются условия комфортности. К ней относятся достижение предельных деформаций конструкции (прогибов, углов поворота) или предельных деформаций основания по технологическим, конструктивным либо эстетико-психологическим требованиям; предельные уровни колебаний, нарушающие работу оборудования или вредные для здоровья; образование трещин, которые эксплуатацию не нарушают; достижение предельной ширины раскрытия трещин; а также другие явления, требующие ограничения времени эксплуатации, — например коррозионные повреждения.

Особые предельные состояния возникают при экстремальных особых воздействиях и аварийных расчётных ситуациях; их достижение сопровождается развитием значительных неупругих деформаций и повреждений, а превышение ведёт к разрушению сооружения с катастрофическими последствиями.

Разница групп важна для интерпретации результата. Запас по первой группе исчерпан — это вопрос безопасности и повод немедленно ограничить эксплуатацию. Не выполнено требование второй группы — конструкция несёт нагрузку, но прогиб выходит за допустимый или трещина раскрыта шире нормы: эксплуатировать можно, но с ограничениями, и это ровно та ситуация, где поверочный расчёт даёт заказчику выбор между усилением и изменением режима эксплуатации.

Перечень предельных состояний для конкретных конструкций устанавливают нормы проектирования, причём состояния могут относиться как к сооружению в целом, так и к отдельным его элементам и соединениям. Для каждого предельного состояния устанавливаются расчётные значения нагрузок, характеристик материалов и грунтов, геометрические параметры с наиболее неблагоприятными отклонениями, коэффициенты надёжности и предельные значения усилий, напряжений, прогибов, перемещений и осадки фундаментов.

Класс сооружения и коэффициент надёжности по ответственности

Один и тот же элемент в разных зданиях проверяется с разной строгостью. За это отвечает раздел 10 ГОСТ 27751-2014 — учёт ответственности сооружений.

Для зданий высотой более 250 м, сооружений с большепролётными покрытиями без промежуточных опор пролётом более 100 м, железобетонных конструкций с консолью более 20 м и металлических конструкций с консолью более 50 м коэффициент принимают не менее 1,2. Отдельные здания и сооружения, не относящиеся к особо опасным или технически сложным, но входящие в состав опасного производственного объекта, допускается относить к классу КС-2.

Класс сооружения, уровень ответственности и численные значения коэффициента устанавливает генеральный проектировщик по согласованию с заказчиком в задании на проектирование, но не ниже значений таблицы 2 стандарта. При этом для разных конструктивных элементов одного сооружения допускается принимать разные уровни ответственности — практически значимая оговорка, когда в здании соседствуют, например, рядовое перекрытие и большепролётное покрытие зала.

На что коэффициент влияет: на него умножают эффекты воздействия при расчёте по предельным состояниям первой группы для основных сочетаний нагрузок. При расчёте по второй группе для объектов классов КС-2 и КС-3 коэффициент допускается принимать равным единице; при особых сочетаниях для КС-2 и КС-3 — также единице, если нормы проектирования не устанавливают иное значение.

Ответственность сооружения влияет не только на арифметику. По п. 10.4 классы и уровни ответственности учитывают при оценке долговечности; при разработке номенклатуры и объёма проектных работ, изысканий и экспериментальных исследований; при разработке конструктивных решений надземной и подземной частей; при разработке программ научно-технического сопровождения; при разработке правил приёмки, испытаний, эксплуатации и технической диагностики; а также при реконструкции, капитальном ремонте или сносе сооружений. Для класса КС-3 стандарт требует предусматривать научно-техническое сопровождение при инженерных изысканиях, проектировании, изготовлении, возведении и сносе конструкций, а также технический мониторинг при возведении, эксплуатации, реконструкции, капитальном ремонте или сносе.

Для объектов культурного наследия установлено отдельное требование: мониторинг технического состояния несущих и ограждающих конструкций при эксплуатации и научно-техническое сопровождение при реконструкции.

Расчётные ситуации: не только «здание стоит и работает»

Поверочный расчёт часто заказывают под конкретное будущее действие — надстройку, замену оборудования, усиление. Проверять при этом только конечное состояние недостаточно. ГОСТ 27751-2014 (п. 3.10) различает три типа расчётных ситуаций:

Установившаяся — ситуация, имеющая продолжительность того же порядка, что и расчётный срок службы объекта: например, эксплуатация между двумя капитальными ремонтами или между изменениями технологического процесса.

Переходная — имеющая небольшую по сравнению с расчётным сроком службы продолжительность: изготовление, транспортирование и монтаж конструкций, капитальный ремонт и реконструкция объекта.

Аварийная — имеющая малую вероятность появления и небольшую продолжительность, но существенную с точки зрения последствий: исключительные условия работы, которые могут привести к значительным социальным, экологическим и экономическим потерям.

Для существующего здания критичной нередко оказывается именно переходная ситуация. Пока идут работы, часть связей снята, часть перекрытий разгружена, часть — наоборот, принимает вес складированных материалов и техники, а система в целом временно работает не по проектной схеме. Расчёт, проверивший только «до» и «после», такую ситуацию пропускает.

Отдельно стандарт указывает (п. 3.9), что проектирование конструктивных элементов, воспринимающих циклические нагрузки, должно проводиться с учётом результатов их поверочного расчёта на выносливость и усталостную прочность. Для конструкций под крановыми нагрузками, под вибрирующим оборудованием, под транспортными воздействиями статической проверки недостаточно.

Требования к расчётной модели

Раздел 11 ГОСТ 27751-2014 задаёт требования к тому, что в поверочном расчёте занимает больше всего времени, — к самой модели. Расчётные модели должны отражать действительные условия работы конструкций и оснований, соответствовать рассматриваемой расчётной ситуации, учитывать конструктивные особенности объекта, его поведение вплоть до достижения предельного состояния, действующие нагрузки и воздействия, влияние внешней среды и возможные геометрические и физические несовершенства.

Расчётная схема, по стандарту, включает три составляющие: модели нагрузок и воздействий, модели напряжённо-деформированного состояния и модели сопротивления.

Модели нагрузок описывают интенсивность, место приложения, направление и продолжительность действия. Для динамических нагрузок дополнительно задаётся закон изменения во времени или характерные частоты, а при необходимости — фазовые углы и спектральные характеристики. Отдельно оговорено: если точно описать параметры нагрузки невозможно, целесообразно провести несколько расчётов с разными допущениями. Для обследования это прямое указание считать вариантно — что мы и делаем, проверяя несколько схем нагружения.

Модели напряжённо-деформированного состояния описывают реакцию конструкций при динамических и статических нагрузках, условия взаимодействия элементов между собой и с основанием, упругие и неупругие характеристики, геометрическую линейность или нелинейность, физические и реологические свойства материалов, эффекты деградации.

Модели сопротивления описывают местную прочность и устойчивость, прочность и устойчивость элемента, общую устойчивость объекта, мгновенную прочность и накопление повреждений во времени, прочность и деформирование основания.

Стандарт допускает и прямой эксперимент: в случаях, устанавливаемых заданием на проектирование, расчёт выполняют с использованием данных экспериментальных исследований реальных конструкций или их моделей. Для класса КС-3 при отсутствии данных о нагрузках или апробированных методов расчёта проверка выполняется на основе специальных теоретических, апробированных численных и (или) экспериментальных исследований на моделях или натурных конструкциях.

Ещё одна норма, которую полезно знать заказчику: при отсутствии в нормах проектирования указаний по учёту неупругих деформаций допускается выполнять расчёт в предположении упругой работы конструкции, при этом сечения элементов разрешается рассчитывать с учётом неупругих деформаций. Это объясняет, почему в двух заключениях по похожим объектам могут различаться и модель, и результат: выбор предпосылок — часть инженерного решения, и он должен быть обоснован в самом расчёте.

Расчётный срок службы

Поверочный расчёт часто отвечает не на вопрос «выдержит ли сейчас», а на вопрос «на сколько ещё хватит». Ориентиры по рекомендуемым срокам службы даёт таблица 1 ГОСТ 27751-2014:

Меры по обеспечению долговечности и конкретные значения расчётного срока службы определяет генеральный проектировщик по согласованию с застройщиком или техническим заказчиком. При соответствующем обосновании расчётные сроки службы отдельных конструкций могут отличаться от срока службы сооружения в целом — на практике так и происходит: кровля и заполнение проёмов заведомо переживают меньше циклов, чем каркас.

Истечение расчётного срока службы само по себе не означает, что здание непригодно. Оно означает ровно то, что записано в п. 13.1: наступил случай, когда техническое состояние нужно оценить, а несущую способность — проверить расчётом. Дальнейшая эксплуатация после этого возможна на условиях, которые формулируются по результатам оценки.

Прогрессирующее обрушение

Отдельный случай поверочного расчёта — проверка живучести конструктивной системы при локальном отказе. По п. 5.2.6 ГОСТ 27751-2014 расчёт на прогрессирующее обрушение обязателен для сооружений класса КС-3 и для многоэтажных зданий класса КС-2 с массовым пребыванием людей; его допускается не проводить, если предусмотрены специальные конструктивные мероприятия, исключающие прогрессирующее обрушение.

Расчёт выполняется на особые сочетания нагрузок, коэффициент надёжности по ответственности при этом принимается равным единице. Для уникальных зданий и особо опасных производственных объектов класса КС-3 расчёт ведётся в нелинейной постановке; для остальных объектов допускается линейная. Для объектов культурного наследия установлено ограничение: при расчёте на прогрессирующее обрушение исключение охраняемых элементов не допускается.

Практическую сторону такой проверки после локального разрушения — что именно обследуется, как оценивается зона повреждения — мы разбираем на странице обследования после ударного воздействия.

Для проектируемых объектов класса КС-3, размещаемых в зонах опасных климатических явлений, геокриологической опасности или карста, стандарт дополнительно требует анализа рисков возникновения аварийных ситуаций.

Что должно быть в результате

Пункт 13.7 ГОСТ 27751-2014 формулирует требование к итоговому документу кратко: он должен содержать выводы о текущем техническом состоянии строительного объекта и возможных условиях его дальнейшей эксплуатации.

Из этой формулировки следует то, что регулярно теряется в формальных отчётах. Недостаточно привести таблицу коэффициентов использования сечений — нужен вывод о том, при каких условиях объект эксплуатируется дальше: с какой предельной нагрузкой на перекрытие, с каким ограничением по расстановке оборудования, с какой периодичностью наблюдения, до какого срока. Поэтому наши расчётные выводы всегда переводятся в эксплуатационные ограничения и в перечень мероприятий по увеличению прочности отдельных элементов.

Что именно попадает в комплект и как читается заключение по объекту в целом — на странице этапы и результаты обследования.

Отдельно — про наблюдение после расчёта. Технический мониторинг несущей системы и ограждающих конструкций необходимо проводить при возведении, эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений класса КС-3 по отдельно разработанной программе в рамках научно-технического сопровождения; для класса КС-2 мониторинг следует проводить по заданию на проектирование. Если по результатам мониторинга значения контролируемых параметров превышены в неблагоприятную сторону, необходимы оценка технического состояния объекта и разработка комплекса мер по устранению превышения и защите людей от действия неблагоприятных факторов при дальнейшей эксплуатации. Предельно допустимые уровни колебаний при этом могут устанавливаться нормативными документами на проектирование, заданием на проектирование либо санитарными правилами и нормами.

Как мы считаем

Основное время в поверочном расчёте уходит не на сам расчёт: он занимает секунды. Дни уходят на составление расчётной схемы по фактическим данным обследования, анализ результатов и оформление — особенно при вариантном проектировании, когда проверяется несколько схем нагружения.

Практическое решение — создание математической модели конструкции и её тестирование. После успешного тестирования модели становится возможным многовариантный оперативный расчёт. Расчётный инструмент подбирается под задачу: для конструкций — расчётные комплексы МКЭ, для геотехнических задач — Plaxis 3D. Дополнительный выигрыш в том, что такой подход позволяет разделить полевые и камеральные работы: изменения в расчётную схему вносятся по мере поступления данных о фактическом состоянии конструкций — дефектах, повреждениях, прочностных характеристиках, — а не после завершения всех работ на объекте.

Тестирование модели — не формальность. Модель, которая не воспроизводит наблюдаемое поведение конструкции (фактические прогибы, картину трещин, характер осадок), даёт числа, не имеющие отношения к объекту. Поэтому расчётная схема сначала настраивается на то, что уже видно при обследовании, и только затем используется для проверки будущих вариантов нагружения.

Что мы делаем с результатом

Расчёт заканчивается одним из трёх выводов, и каждый ведёт к своему продолжению.

Резерв есть. Тогда в заключении фиксируется его величина по каждой проверенной конструкции и условия, при которых он сохраняется. Это основание для увеличения нагрузки — устройства антресоли, установки оборудования, надстройки.

Резерва нет, но дефицит локальный. Тогда задача сводится к мероприятиям по отдельным элементам: усилению балки, обойме колонны, перераспределению нагрузки. Мы указываем величину дефицита по каждому элементу — от неё зависит и техническое решение, и его стоимость.

Дефицит системный. Тогда речь идёт уже о решениях по несущей системе в целом и о работе в связке с реконструкцией или капитальным ремонтом объекта.

Во всех трёх случаях расчёт делается по фактическим данным обследования — это то, что отличает пригодный к использованию документ от пересчёта архивного проекта. Оставьте заявку с описанием объекта и задачи: сориентируем по составу расчётов, срокам и стоимости, ответим в течение часа в рабочее время.