Мониторинг эксплуатационного износа зданий и сооружений и разработка матрицы организации капитальных и текущих ремонтов

Актуальность темы

Большая часть жилого фонда требует проведения текущего и капитального ремонта, реконструкции или реновации. Существующая нормативная база: МГСН 301.01−96, МДС 3−1.99, ВСН 58−88(р), ВСН 53−86(р), — регламентирующая проведение капитальных и текущих ремонтов, устарела и не отражает ситуации в ЖККкроме того, в РФ отсутствуют нормы, регламентирующие риск аварии на объектах строительства, а существующие методики требуют серьезных доработок.

В настоящее время в большинстве крупных муниципальных образований сохранилась трехуровневая система эксплуатации жилищного фонда, которая не предполагает заинтересованности в снижении затрат на содержание жилищного фонда. Основной формой является бригадное обслуживание: получая фиксированную заработную плату, работники жилищного хозяйства не заинтересованы в сохранности объектов жилищного фонда, рост объемов производства основывается на ремонтных работах, и доход работников не зависит от качественных показателей.

Таким образом, возникла необходимость разработки нового подхода к эксплуатации жилищного фонда: от восстановления и затратного механизма финансирования к сохранению жилищного фонда — повышению безопасности при эксплуатации жилого фонда, повышению качества предоставляемых условий проживания, предупреждению аварийных ситуаций и др.

Выходом из создавшейся ситуации является комплексное использование современных методов мониторинга и прогнозирования дефектов зданий с последующим планированием ремонтно-строительных работ. Разрабатываемая методика должна позволить собственнику жилья увидеть эксплуатационные затраты на любом периоде жизненного цикла объекта недвижимости, установить, на что и как будут расходоваться средства, какие текущие и капитальные ремонты предстоит провести в какие периоды времени.

Целью работы является разработка мониторинга эксплуатационного износа зданий и сооружений и матрицы капитальных и текущих ремонтов для 4 повышения эффективности проведения ремонтно-строительных работ, позволяющей достигнуть высокого уровня предоставляемых жильцам услуг.

Задачи исследования:

• определить факторы количественной оценки эксплуатационного износа элементов зданий и сооружений;

• разработать математическую модель, описывающую износ зданий в зависимости степени поврежденности элементов с учетом нарушений режимов эксплуатации;

• разработать методику планирования ремонтно-строительных работ с использованием интегральных показателей состояния несущих строительных конструкций, инженерных систем;

• разработать матрицу капитальных и текущих ремонтов для планирования ремонтно-строительных работ на весь период эксплуатации объекта.

Научная новизна:

• определены факторы количественной оценки эксплуатационного износа элементов зданий и сооружений для определения уровня остаточного ресурса;

• разработана математическая модель, описывающая износ зданий в зависимости от старения степени поврежденности элементов с учетом нарушений режимов эксплуатации;

• разработана методика планирования ремонтно-строительных работ отличающая от известных тем, что в ней используются интегральные показатели состояния несущих строительных конструкций, инженерных систем. Методика позволяет определить время проведения капитального ремонта, при этом интервал проведения ремонтных работ определяется исходя из уровня остаточного ресурса;

• отличительным признаком разработанной методики планирования ремонтно-строительных работ является матричное описание всех видов работ позволяющее получить полную последовательность работ;

• с использованием результатов мониторинга, определение остаточного ресурса и плана ремонтно-восстановительных работ разработана матрица капитальных и текущих ремонтов. Для проведения вычислений предложенной матрицы в оболочке Ма1−1аЬ разработан алгоритм.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики эксплуатации жилищного фонда, позволяющего оценить текущее состояние строительных конструкций и элементов зданий, определить оптимальный состав и объем ремонтно-строительных работ для обеспечения качественных условий проживания на любом этапе эксплуатации объектов. Положения и научные результаты работы могут быть использованы на различных предприятиях ЖКК и в учебном процессе.

Достоверность результатов. Теоретическая часть работы базируется, на основных физических законах и статистических данных. Основные допущения, принятые при выводе исходных уравнений модели, широко используются в работах других авторов. Адекватность модели и точность полученных вычислений оценивалась путем сопоставления расчетных данных с результатами данных обследований жилого фонда.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 1-й международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (г. Воронеж, 2006 г.) — международной научно-практической конференции «Концептуальные вопросы современного градостроительства» (г. Воронеж, 2007 г.) — 4-й международной конференции «Строительство и недвижимость: -экспертиза и оценка» (г. Прага, 2007 г.) — международной научно-практической конференции «Проблемы эффективного функционирования и развития региональных инвестиционно-отраслевых комплексов» (г. Прага-Пенза, 2009 г.).

На защиту выносятся:

• факторы количественной оценки эксплуатационного износа элементов зданий и сооружений для определения уровня остаточного ресурса;

• математическая модель, описывающая износ зданий в зависимости от старения степени поврежденности элементов с учетом нарушений режимов эксплуатации;

• методика планирования ремонтно-строительных работ, отличающая от известных тем, что в ней используются интегральные показатели состояния несущих строительных конструкций, инженерных систем;

• матрица капитальных и текущих ремонтов и алгоритм для проведения вычислений предложенной матрицы в оболочке МАТЬАВ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных статей общим объемом 82 страниц, из них лично автору принадлежит 53 страница. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура», «Промышленное и гражданское строительство», «Вестник гражданских инженеров».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] изложены основные принципы системного подхода к организации ремонта и содержания жилого фонда, показано построение модели эффективной эксплуатации жилого фондав работе [2] • приведена оценка фактического технического состояния строительных конструкций с использованием комплекса методик прогноза и мониторинга изменения технического состоянияв работе [3] приведена классификация качественных признаков формирования организационно-технологических системв работе [4] представлена комплексная модель износа системы объектов ЖККв [5] определены принципы формирования планов проведения ремонтно-строительных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 147 наименований и трех приложений.- Общий объем работы составляет 170 страницы машинописного текста, включая 40 таблиц и 36 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Определены факторы количественной оценки эксплуатационного износа элементов зданий и сооружений для определения уровня остаточного ресурса, учитывающие особенности состояния конструктивных элементов. Эти факторы дают возможность распределять рационально ресурсы на проведение ремонтно-строительных работ достигая таким образом наименьших затрат при наибольшей продолжительности жизни объектов жилой недвижимости.

2. Разработана математическая модель, описывающая износ зданий в зависимости от старения, степени поврежденности элементов с учетом нарушений режимов эксплуатации. На основании математической модели определены сроки эксплуатации элементов зданий и их состояние. Что позволяет прогнозировать время проведения мониторинга элементов зданий и инженерных систем и время проведение ремонтно-строительных мероприятий.

3. Разработана методика планирования ремонтно-строительных работ отличающая от известных тем, что в ней используются интегральные показатели. состояния несущих строительных конструкций, инженерных систем. Методика позволяет определить время проведения капитального ремонта, при этом интервал проведения ремонтных работ определяется исходя из уровня остаточного ресурса. Отличительным признаком разработанной методики планирования ремонтно-строительных работ является матричное описание всех видов работ позволяющее получить технологическую последовательность работ.

4. Разработана матрица капитальных и текущих ремонтов. Для проведения вычислений предложенной матрицы в оболочке МАТЪАВ разработан алгоритм, позволяющий в отличие от известных определить приоритетность ремонтно-восстановительных работ в любой период жизни объектов недвижимости и сформировать планы проведения ремонтных работ, электронный паспорт здания. Алгоритм позволяет проводить мониторинг текущего состояния, планировать проведение капитальных и текущих ремонтов как одного, так и группы объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

О ТЕХНИЧЕСКОМ СОСГОШШИ И СРОКЕ СЛУЖБЫ.

Рис. 1.16- Блок-схема оценки технического состояния и срока службы конструкций.

Состояние жилых зданий и инженерных систем определяет комфортность проживания людей, качество районной и городской инфраструктуры, эстетический вид жилых комплексов. В этих условиях возрастает роль эксплуатационных и ремонтных служб, в задачу которых входит поддержание зданий и систем в степени высокой эксплуатационной готовностиизучение условий их эксплуатациипланирование проведения необходимых ремонтовсокращение и предупреждение преждевременного морального и физического износа конструктивных элементов.

1.4. Постановка целей и задач исследования.

1. Проведенный анализ состояния жилого фонда г. Воронежа показал, что 23,3% жилищного фонда имеют физический износ 30.60%, а общая площадь жилых зданий, находящихся в ветхом и аварийном состоянии, составляет 207,5 л тыс.м. Физический и моральный износ объектов инженерной инфраструктуры также чрезвычайно высок, следствием чего являются значительные потери энергоресурсов и воды, низкая надёжность функционирования систем жизнеобеспечения. Основной причиной сложившегося положения является многолетнее финансирование жилищно-коммунальной сферы по остаточному принципу. Решение этой проблемы на современном этапе возможно только за счет эффективного управления объектами недвижимости, и переход от нормативной системы проведения работ по технической эксплуатации объектов недвижимости к более прогрессивной.

2. В рыночных условиях, когда у эксплуатационных управлений находится ограниченное количество ресурсов, целесообразно переходить на систему мониторинга, которая дает ясную картину фактического состояния конструктивных элементов жилых зданий и систем и позволяет использовать ресурсы по необходимости появления фактических отказов и сбоев и прогнозировать дальнейшее содержание объектов жилой недвижимости.

3. Одной из моделей организации работ по технической эксплуатации объектов недвижимости является создание системы мониторинга и планирование проведение предупредительных ремонтов объектов жилой недвижимости, которая будет отслеживать фактическое наступление отказа конструктивных элементов зданий и систем, это даст возможность рационально использовать ресурсы во времени. Для этого следует последовательно решить ряд задач:

•установить статистическим путем потоки фактических отказов конструктивных элементов зданий и сооружений;

• определить связи между плановыми и статистическими величинам потока отказов;

4. Не смотря на значительное количество работ, рассмотренных выше, автоматизация мониторинга и планирования работ по технической эксплуатации объектов недвижимости широкой практики управления производством в нашей стране пока не получила. Это обусловлено рядом причин, основными из них являются:

• неадекватность моделей реальным условиям производства;

• высокая трудоемкость и как следствие стоимость создания автоматизированных систем;

• высокая трудоемкость подготовки исходных данных;

• ограниченные возможности применяемых ОТМ, и низкий уровень МО;

• несовершенство методов и алгоритмов.

Для устранения перечисленных проблем необходимо решить задачи связанные с разработкой моделей прогнозирование износа основных строительных элементов и конструкций, методов расчетов и оптимизации проведения ремонтно-строительных работ по технической эксплуатации объектов недвижимости и способов численной реализации разработанных методик.

2. МОНИТОРИНГ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ИЗНОСА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СРОКОВ СЛУЖБЫ.

ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ 2.1 Система мониторинга эксплуатационного износа и методы оценки остаточных сроков службы элементов жилых зданий Старение зданий и сооружений, приводящее в конечном итоге к разрушению, как отдельных конструктивных элементов, так и объекта в целом, диктует необходимость развитие системы мониторинга технического состояния. В то же время применяемые методики оценки состояния элементов основанные на применение экспоненциального закона старения требуют уточнения.

Общую структура мониторинга технического состояния зданий и сооружений предлагаем в виде схемы, представленной на рис. 2.1.

Визуальное обследование.

Инструментальное обследование.

Определение фактического состояния элементов зданий.

Сбор информации.

Прогноз состояния.

Статистические.

Через интенсивность отказов.

Через параметр потока.

С учетом восстановления.

Мозговой атаки.

Экспертные.

Оценка прогнозируемог о состояния.

Использование методик оценки ресурсов.

Детерминированные.

Механика линейного накопления повреждений.

Механика разрушений.

Физико-статистические.

Параметрические.

Нагрузка несущая способность.

Стохастические дифференциальные уоавнения.

Экспертных оценок.

Определение элементов требующих проведения текущего или капитального ремонта.

Рис. 2.1 — Система мониторинга эксплуатационного износа зданий и сооружений.

Условно мониторинг может быть разделен на информационную систему и управление. В основу информационной системы закладываются наблюдения и прогноз состояния. Прогноз технического состояния строительных конструкций зданий и инженерных сооружений может быть выполнен с использованием методов теории надёжности и теории прогноза [88].

Для сложных систем, к числу которых относятся практически все здания и инженерные' сооружения, могут быть применены методы оценки и прогнозирования сроков службы, представленные на рис. 2.2. Для создания информационной системы мониторинга технического состояния зданий и инженерных сооружений предлагается совместно использовать: статистическую методику с учетом восстановления конструкций, основанную на показателях физического износа, усиленную методом экспертных оценокпараметрические методы, основанные на изменении одного из характерных параметров конструкции (прочность бетона, коррозионный износ арматуры, совместность работы арматуры и бетона) — метод «нагрузка — несущая способность», учитывающий одновременное изменение нагрузок и несущей способности конструкцииметод «нагрузка — деформация», учитывающий возможность появления в конструкции сверхнормативных деформаций при старении материалов и вероятном изменении нагрузок.

Совместное использование нескольких методик, построенных на разных подходах и учитывающих различные параметры работы конструкций, позволяет избежать погрешностей каждого метода в отдельности и увеличить достоверность результатов.

Рис. 2.2 — Методы оценки и прогнозирования ресурса сложных систем В основу статистической методики с учетом восстановления конструкций положен основной закон старения или накопления повреждений классической теории надежности [88]. Математическое выражение, описывающее закон накопления повреждений, может быть представлено в следующем виде: Т.

1 -у.

2Л) т где Т7 — величина повреждений (физического износа), полученная на прогнозируемый момент времени гВ — предельно допустимая поврежденность данного вида конструкцийТ — предельный срок службы конструкциит. -коэффициент формы кривой.

На рис. 2.2. показаны графики уточненной модели физического износа и экспоненциальной модели, точки А, В, С показывают границы состояния конструкций: исправное в течение первых 24 лет эксплуатации объекта, запроектированного на срок службы до 100 летсостояние нормальной эксплуатации до 67 лет жизненного цикла объектадалее идет период в течение которого требуется проведение восстановительных мероприятийв последствии наступает недопустимое и аварийное состояние строительных отселение жильцов с последующей утилизацией объекта. о о X.

СП.

Я)Я.

Я ЬЙ о о V я о я е.

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130.

Продолжительность эксплуатации здания, лет.

Рис. 2.2 — Уточненная модель физического износа — 1 и экспоненциальная модель.

— 2.

При выполнении работ по оценке фактического технического состояния строительных конструкций здания определяется величина повреждений на момент обследования. С использованием зависимости (2.1) производится вычисление предельного срока службы конструкции и дальнейшее прогнозирование процесса старения конструкции до любой степени повреждения (физического износа).

Использование методики несколькими независимыми экспертами одновременно, позволяет снизить неточность определения как средней, так и предельной величины повреждений конструкций каждого типа на момент проведения обследования, и как следствие повысить достоверность результатов прогнозирования.

Параметрическая методика оценки остаточных сроков службы железобетонных несущих конструкций основана на построении прогноза состояния по одному из известных параметров. Разработаны и используются следующие параметрические модели: изменение прочностных характеристик бетона во времени до достижения предельно допускаемого по нормам класса бетонаизменение несущей способности конструкции по изменению физико-механических характеристик бетонаразвитие деформаций конструкции (ширина раскрытия трещин, прогибы) в результате изменения физико-механических характеристик бетонапо прекращению сцепления бетона и арматуры в результате развития коррозионных процессов на поверхности последнейизменение несущей способности конструкции в результате коррозионных повреждений рабочей арматурыразвитие деформаций конструкции (ширина раскрытия трещин, прогибы) в результате коррозионных повреждений рабочей арматуры.

В качестве модели изменения прочностных параметров бетона использована зависимость следующего вида [96] :

R (t) = R0-(l + a. lg 0 -kR-(t-t0), (2.2) где R0- прочность бетона в момент времени taи t — возраст бетона в годаха — коэффициент, характеризующий интенсивность прироста прочности бетона со временем и зависящий от состава бетонной смеси, условий хранения образцов и других факторовkRкоэффициент интенсивности снижения прочности бетона вследствие деструктивных процессов.

Полученные расчетные точки по каждой из моделей, используются как исходные для последующих расчетов по методикам «нагрузка — несущая способность» и* «нагрузка — деформация». Методики «нагрузка — несущая способность» и «нагрузка — деформация», основанные на расчетах по двум группам предельных состояний [116, 112], позволяют одновременно учесть реальное изменение нагрузок на конструкции в процессе эксплуатации, изменения физико-механических и защитных свойств бетона во времени, начало и скорость развития коррозии на поверхности стальной арматуры.

За остаточные значения сроков службы по несущей способности, как в параметрических методах, так и в методе «нагрузка — несущая способность» принимаются моменты времени, в которые расчетные значения нагрузок оказываются равными несущей способности конструкций. При этом рекомендуется расчет несущей способности выполнять с использованием нормативных сопротивлений материалов. Таким образом, на момент окончания срока эксплуатации конструкции оказываются работающими без учета запаса надежности по материалам.

По окончании выполнения всех расчетов результаты сравниваются, анализируются и на их основании выносится решение об окончательном сроке продленной эксплуатации конструкции. С использованием полученного остаточного срока выполняется последующее регулирование эксплуатационного износа и принимается решение о проведении ремонта.

2.2 Общая оценка и классификация ресурса работы конструкций и элементов жилых зданий.

Для проведения мониторинга здания требуется систематизировать оценку остаточных сроков службы конструкций зданий. Очевидно, что для систематизации дефектов зданий требуется учитывать особенности зданий по периодам строительства, согласно проведенному анализу в первой главе здания, подразделяют на следующие периоды застройки, каждый из периодов характеризуется определенным качеством и составом строительных материалов используемых при строительстве: 1 — дореволюционный (до 1917г) — 2 -довоенный (1917;1940) — 3 — послевоенный (1945;1955) — 4 — современный (после 1955).

Особое значение при оценке остаточных сроков службы будет иметь объемно планировочное и конструктивное решение зданий. Каждый тип зданий домов первых массовых серий имеет свои особенности, например, первый этап развития индустриально жилищного строительства, осуществляемого по типовым проектам первого поколения позволил реализовать жилищную программу и сыграл свою положительную роль. Однако негативными сторонами домов этих серий сегодня являются градостроительные, морально-эстетические и физические недостатки 5-ти этажной жилой застройки. Начиная с 60 годов полносборные здания становятся основным видом строительства. Каркасно-панельная схема предусматривает передачу нагрузок на каркас, а в панельной схеме на внутренние несущие панели.

Анализ архитектурно планировочных решений домов первых массовых, серий и оценка их соответствия современным требованиям позволяют сделать вывод о том, что моральный износ этих зданий заключается в недостаточности размеров помещений, малой высоте этажей, невысоких эксплуатационных характеристиках (звукоизоляции, теплоизоляционных характеристиках наружных стен), невыразительность и однообразие фасадов.

При определении нормативного срока эксплуатации будем учитывать капитальность зданий заложенные проектные сроки эксплуатации: I — 130 и более летII — 80−130 летIII — 50−80 летIV — до 50 летV — менее 30 лет.

Эксплуатационный износ зданий и их отдельных конструктивных элементов обуславливается изменчивостью во времени внутренних и внешних свойств (материалов) и внешних условий (нагрузки и воздействия). Физический износ отдельных конструкций, элементов и систем или участков оценивается путем сравнения признаков физического износа, выявленных в результате визуального и инженерно-инструментального обследования.

В настоящее время обследование зданий регламентируется согласно СП 13 102−2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений», принятые и рекомендованные к применению в качестве нормативного документа в системе нормативных документов в строительстве.

71 постановлением Госстроя России от 21 августа 2003 года № 153, под понятием «оценки технического состояния строительных конструкций» понимается установление степени повреждения и категории технического состояния строительных конструкций или зданий и сооружений в целом на основе сопоставления фактических значений количественно оцениваемых признаков со значением этих же признаков, установленных проектом или нормативным документом.

Закон разграничивает понятия «оценка технического состояния», «диагностика» и «обследование» зданий и сооружений.

Диагностика — это установление и изучение признаков, характеризующих состояние строительных конструкций, зданий и сооружений для определения возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их эксплуатации.

Обследование — это комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность объектов обследования и определяющих возможность их дальнейшей эксплуатации или необходимость восстановления и усиления.

Дефиниция категории «мониторинг зданий и сооружений» закреплена в ГОСТе Р 22.1.02−95, под которым понимается процесс непрерывного или периодического наблюдения, оценки и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений в связи с изменением природно-техногенных условий, хозяйственной деятельностью человека и другими.

Мониторинг осуществляется по всем компонентам технических состояний объекта. Для проектных обследований важны все составляющие технического состояния объекта, для обеспечения безопасной эксплуатации объекта от обрушения необходим мониторинг его деформационного состояния.

При оценке технического состояния строительных конструкций, зданий и сооружений используют критерии оценки — установленные проектом или нормативным документом количественные или качественные значения.

72 параметров характеризующие прочность, деформативность и другие нормированные характеристики строительных конструкций. Оценка технического состояния зданий и сооружений выявляет нормативный уровень технического состояния зданий и сооружений, при котором количественное и качественное значение параметров всех критериев оценки соответствует требованиям нормативных документов.

Нормативным документом по оценке физического износа зданий является ВСН 53−86 (р). По которому под физическим износом конструкции, элемента, системы инженерного оборудования и здания в целом следует понимать утрату ими первоначальных технико-эксплуатационных качеств (прочности, устойчивости, надежности и др.) в результате воздействия природно-климатических факторов и жизнедеятельности человека.

Физический износ на момент его оценки выражается соотношением. стоимости объективно необходимых ремонтных мероприятий, устраняющих повреждения конструкции, элемента, системы или здания в целом, и их восстановительной стоимости.

Физический износ отдельных конструкций, элементов, систем или их участков следует оценивать путем сравнения признаков физического износа, выявленных в результате визуального и инструментального обследования, с их значениями, приведенными в таблицах физического износа конструкций и элементов жилых зданий.

При этом следует учесть, что если конструкция, элемент, система или их участок имеет все признаки износа, соответствующие определенному интервалу его значений, то физический износ следует принимать равным верхней границе интервала.

Если в конструкции, элементе, системе или их участке выявлен только один из нескольких признаков износа, то физический износ следует принимать равным нижней границе интервала.

Если в таблице интервалу значений физического износа соответствует только один признак, физический износ конструкции, элемента, системы или их.

73 участков, следует принимать по интерполяции в зависимости от размеров или характера имеющихся повреждений.

Для определения физического состояния конструктивных элементов применяют оценку категорий технического состояния на основании результатов обследования и проверочных расчетов. Предлагается использовать классификацию повреждений элементов зданий по уровню остаточного ресурса Ь, значения которого представлены в таблице 2.1.