Металлургический завод – это особо опасный и технически сложный, а в отдельных случаях и уникальный объект капитального строительства, требующий высокой квалификации специалистов, в том числе для выполнения обследования технического состояния и проектирования строительных конструкций.

Металлургический завод состоит из множества взаимосвязанных частей, таких как аглофабрика, коксохимическое производство, комплекс доменной печи, сталеплавильные цеха, цеха холодной и горячей прокатки, системы аспирации и др. В связи с большим объемом всего металлургического производства и конструктивным разнообразием каждого из входящих в его состав комплексов, содержание настоящей статьи будет ограничено изучением особенностей проектирования сооружений комплекса доменной печи.

Анатомия печи

Сердцем комплекса доменной печи является доменная печь в совокупности с литейными дворами. Литейные дворы представляют собой неотапливаемое здание с избытками теплоты с располагаемыми внутри него рабочими площадками. Конструкции зданий и рабочих площадок могут быть разными. Наиболее интересным примером из всех представленных на экспертизу решений литейных дворов является литейный двор доменной печи № 6 Новолипецкого металлургического комбината: это круглое в плане здание купольного типа радиусом основания 40 м с тремя кольцевыми балками и шпангоутами сплошного сечения.

На покрытии литейных дворов располагаются аэрационные фонари без заполнения, с ветробойными щитами, служащие для вентиляции литейных дворов и сброса излишков тепла. Ограждающие конструкции зданий литейных дворов выполнены из сплошного металлического листа (в виде металлических щитов) толщиной обычно 4 мм.

Рабочие площадки литейных дворов доменной печи представляют собой одноуровневое или разноуровневое перекрытие, на котором располагаются каналы для отвода шлака, складируются материалы, располагаются машины и механизмы, а также на которое возможен заезд грузового транспорта. В теле перекрытия рабочих площадок при реконструкции могут прокладываться газоходы системы аспирации. Под рабочей площадкой располагаются пути движения чугуновозов, перевозящих расплав чугуна. Конструкции желобов и конструкции рабочей площадки защищаются жаропрочной футеровкой.

Собственно, доменная печь является сложным сооружением с несущими конструкциями из листовой стали – кожухом доменной печи в виде оболочки вращения – с навешиваемой изнутри футеровкой и охладительным оборудованием. Непосредственно вокруг кожуха доменной печи располагается этажерка (чаще всего «четырехколонник» – с четырьмя опорами) с колошниковыми площадками и загрузочным устройством. Общая высота сооружения в некоторых случаях – более 100 метров (например: доменная печь № 5 Череповецкого металлургического комбината). Фундамент доменной печи с этажеркой чаще всего общий в виде монолитной железобетонной плиты.

Особенности проектирования

Так как доменная печь является сложным сооружением, находящимся в особых условиях эксплуатации, согласно требованиям действующих норм (п. 1.2 СП 16.13330 «СНиП II-23-81*. Стальные конструкции») при их проектировании следует соблюдать требования, предусмотренные соответствующими нормативными документами, в которых отражены особенности работы этих конструкций. В настоящий момент существует единственный такой нормативный документ – Р-001-98 «Руководство по проектированию стальных конструкций объектов доменных печей большого объема», разработанный в 1998 г. ЦНИИПСК им. Мельникова. Хотя данное руководство было составлено в качестве дополнения к действовавшим в то время СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» и СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», оно не входит в «Перечень национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», утвержденного Постановлением Правительства Российской Федерации от 26 декабря 2014 года № 1521, и в «Перечень документов в области стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», утвержденного приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 марта 2015 года № 365, что ограничивает его применение в повседневной практике. А поскольку другие нормы проектирования, регламентирующие подобные требования, в действующей нормативной базе отсутствуют, возникает обоснованная положениями Федерального закона от 30 декабря 2009 года № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» необходимость разработки специальных технических условий (СТУ) на проектирование (и, возможно, строительство) доменных печей для каждого такого объекта.

В СТУ должны устанавливаться специальные требования к проектированию при отсутствии соответствующих норм либо при необходимости отступления от требований действующих нормативных документов (при обязательном устройстве компенсирующих мероприятий). Применительно к проектированию доменных печей дополнительно необходимо указание требований к расчету конструкций (например, по расчету листовых конструкций при изменении толщины стальных листов, указания по составу и использованию специальных сталей, требования к соединениям, изготовлению конструкций, производству работ, контролю качества).

Особенностью проектирования и расчета кожуха доменной печи, отраженной в «Руководстве по проектированию стальных конструкций объектов доменных печей большого объема» и отсутствующей в действующих нормах проектирования, является расчет оболочки доменной печи с изменяемой по высоте толщиной стенки и расчет концентрации напряжений вокруг отверстий. В настоящий момент в действующих нормативных документах в формулах по устойчивости листовых конструкций возможность изменения толщины листов никак не учитывается.

Как это устроено

Необходимой составляющей комплекса доменной печи являются также конструкции для подачи шихты, системы аспирации и блоки воздухонагревателей. Подача шихты осуществляется по конвейерам и конвейерным галереям, а также с помощью скиповых подъемников. Рациональный в инженерном плане и красивый визуально подъемник в виде конвейерной галереи с большими пролетами с неразрезным пролетным строением из трубы большого диаметра из листовой стали реализован, например, на Новолипецком металлургическом комбинате.

Блоки воздухонагревателей представляют собой комплекс сооружений различного состава, обязательно включающий в себя здание блока воздухонагревателей, газоходы и собственно оборудование (воздухонагреватели). В состав комплекса сооружений системы аспирации входят газоходы и оборудование (дымососы, электрофильтры, рукавные фильтры) с этажерками.

Управление доменной печью осуществляется из здания управления доменной печью. В связи с тем, что в настоящее время новые металлургические комбинаты практически не строятся, строительство новых зданий управления доменными печами, как правило, не осуществляется, и в основном выполняется реконструкция уже существующих зданий.

Конструкции зданий и сооружений комплекса доменной печи в основном стальные, конструктивные схемы принимаются в виде рамных и рамно-связевых каркасов. В отдельных случаях существующие конструкции (например, конструкции рабочих площадок) могут быть сборными железобетонными. При реконструкции в настоящее время используются стальные конструкции для устройства несущих конструкций, а перекрытия, например тех же рабочих площадок литейных дворов, предусматриваются монолитными железобетонными.

Зона повышенной ответственности

При рассмотрении представляемой на экспертизу проектной документации комплекса доменной печи одним из основополагающих моментов является правильное установление идентификационных признаков (в частности, уровня ответственности) зданий и сооружений, входящих в проектируемый комплекс. Согласно Градостроительному кодексу Российской Федерации, к особо опасным и технически сложным отнесены здания и сооружения, на которых получаются, транспортируются, используются расплавы черных и цветных металлов, сплавы на основе этих расплавов с их количеством 500 кг и более. Исходя из этого, доменная печь и литейные дворы являются особо опасными и технически сложными объектами и, соответственно, относятся к повышенному уровню ответственности.

Для объектов повышенного уровня ответственности, каким является комплекс доменной печи (либо его отдельные здания и сооружения), необходимо предусматривать научно-техническое сопровождение проектирования и строительства. Минимальные требования, предъявляемые к научно-техническому сопровождению, установлены в п. 12.4 ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований». В составе научно-технического сопровождения необходимо давать оценку соответствия требований и условий, принятых при проектировании, действующим нормам, оценку расчетных моделей, принятых при выполнении расчетов, и самих расчетов, выполнять второй расчет (с использованием другой расчетной программы и независимо от составляемой расчетной модели), выполнять сопоставление результатов двух расчетов с оценкой сходимости результатов расчетов. Также в составе научно-технического сопровождения при необходимости могут разрабатываться рекомендации по ветровым и снеговым нагрузкам, а также Специальные технические условия.

При реконструкции и новом строительстве часто возникает вопрос об определении состава зданий и сооружений, которые подлежат обследованию и проектированию. В данном перечне должны быть отражены проектируемые, демонтируемые, реконструируемые, технологически используемые и попадающие в зону влияния нового строительства здания и сооружения. К сожалению, на этом важном этапе возникает одна из основополагающих ошибок: неопределенность в части перечня зданий и сооружений, подлежащих обследованию и реконструкции. Чаще всего в проектной документации отсутствует единый перечень: необходимые сведения распределены по различным разделам проекта и в разных разделах проектной документации зачастую противоречат друг другу. Это приводит, например, к отсутствию проектных решений по ряду проектируемых или реконструируемых зданий и сооружений, а также к отсутствию исходных данных – результатов обследования технического состояния зданий и сооружений (например: часто отсутствуют обследования эстакад, по которым прокладываются новые коммуникации).

Обычные ситуации

Кроме того, при реконструкции здания и сооружений и выполнении обследования их технического состояния в ряде случаев возникает вопрос разделения конструкций (в случае их совместной работы) на отдельные здания или сооружения, а также вопрос неполного обследования или отсутствия обследования части зданий и сооружений. В качестве примера можно рассмотреть случай прохода реконструируемой конвейерной галереи через существующее здание с опиранием опор галереи на конструкции здания. В данном случае технологически это разные объекты, но конструктивно, в связи с совместной работой конструкций галереи и здания, это единое сооружение и, соответственно, обследованию подлежит все здание, включая конвейерную галерею.

Частый случай – обследование отдельных конструкций или помещений здания/сооружения без обследования всей совокупности здания в пределах отдельного независимого конструктивного блока (отдельного блока здания и сооружения либо всего здания и сооружения), что не дает общей картины и не позволяет оценить конструкцию в целом в пределах ее модели (расчетной схемы). Из этого следует, что обследование технического состояния должно выполняться всего здания или сооружения в целом либо отдельной его независимой части в пределах температурного или деформационного блока.

Типичные ошибки

В представляемых на экспертизу результатах обследования технического состояния комплекса зданий и сооружений доменной печи встречается достаточно много ошибок, связанных с отсутствием необходимых данных для проектирования, отсутствием необходимых исследований материалов, невыполнением обмерных работ и отсутствием схем с указанием сечений конструкций. К наиболее распространенным недостаткам этого типа можно отнести следующие: назначение сечений и определение схем конструкций и материалов на основании проектной документации; определение марки стали по исследованиям только ее твердости; определение материалов при их исследовании на основании действующих на текущий момент нормативных документов; определение характеристик материалов на основании ненормированных методик; отсутствие необходимых расчетов, в том числе на аварийную ситуацию и прогрессирующее обрушение, или использование расчетных моделей, не соответствующих фактическим условиям работы конструкций.

Представление в результатах обследования только изначальной проектной документации на строительство объекта (по которой выполнялось строительство) не может дать достоверной информации об объекте, так как непосредственно при строительстве возможно изменение конструкций. Все внесенные в процессе строительства изменения должны отражаться в исполнительной документации, при наличии исполнительной документации возможно использование ее для определения схем, сечения, материалов и других параметров конструкций, с учетом проверки на предмет возможного изменения конструкции после строительства и составления исполнительной документации.

Верный метод

Повсеместно для определения характеристик сталей существующих стальных конструкций используется метод определения твердости с определением по таблицам соответствующего этой твердости временного сопротивления стали. К сожалению, другие необходимые характеристики определить по данному методу невозможно и для их определения необходимо выполнять физико-механические и физико-химические исследования стали, что реализуется испытаниями ее образцов для определения предела текучести и временного сопротивления, определением химического состава для определения марки стали. Кроме того, в необходимых случаях требуется устанавливать ударную вязкость стали и проводить исследования ее микроструктуры (например для конструкций с динамическими нагрузками).

Оценка и определение материалов (например, марок стали, марок и состава раствора, марок кирпича и камней каменной кладки) по действующим на настоящий момент нормам без учета действующих на момент строительства норм и возможностей изготовления данных материалов приводят к неверному определению их характеристик. В качестве примера можно привести изменения марок стали и их химического состава и свойств в зависимости от времени изготовления (с учетом изменения технологий плавки металла). Так, в одном из рассмотренных в рамках экспертизы проектов была определена арматура железобетонных конструкций класса А-III, при том, что во время строительства такая арматура еще не выпускалась (выпускалась арматура класса не выше А-II).

Необходимыми данными для оценки существующих конструкций и выполнения расчетов являются: определение дефектов и повреждений (например, потеря сечения стальных конструкций), определение несущей способности конструкций с учетом дефектов, определение нагрузок на конструкции (фактических и проектных). Однако данные сведения в результатах обследования объектов комплекса доменной печи, а также в представленных расчетах часто отсутствуют.

Расчетные модели

Расчетные модели литейных дворов доменной печи, в том числе в расчетах на аварийную ситуацию, обычно не соответствуют фактической схеме их работы. Так, в расчет не включают листовые ограждающие конструкции стен и покрытия, фактически представляющие из себя мембрану, которая в случае возможного разрушения несущего элемента будет перераспределять возникающие усилия на окружающие несущие элементы. Также в расчетных моделях не учитываются дефекты существующих конструкций, в расчетах стальных конструкций не учитываются понижающие коэффициенты надежности по материалу в зависимости от времени изготовления стальных конструкций. Если рассматривать представляемые на экспертизу расчеты всех зданий и сооружений, то можно отметить следующие довольно частые ошибки: выбор разрушаемых элементов (часто встречающийся случай – удаление связи, что при статической неопределимости системы в принципе не может привести к обрушению и расчет теряет всякий смысл); отсутствие учета неравномерности снеговых нагрузок.

При проектировании новых объектов комплекса доменной печи во многих случаях не выполняется оценка влияния нового строительства на здания и сооружения окружающей застройки, а также при реконструкции существующих объектов не выполняется расчет существующих фундаментов при увеличении на них нагрузок. При этом должны определяться дополнительные осадки оснований, которые необходимо сравнивать с предельными значениями, устанавливаемыми в результатах обследования технического состояния на основании соответствующих нормативных документов.

В составе проектной документации, выполняемой на объекты комплекса доменной печи, как и на объекты иных комплексов, в ряде случаев не приведены решения по устранению дефектов реконструируемых зданий и сооружений, выявленные в ходе проведения обследования их технического состояния. Кроме того, отсутствуют или неверно расположены горизонтальные связи покрытия зданий и сооружений, не выполняется связевая решетка двухветвевых связей. Также зачастую возникает целый ряд вопросов, связанных с назначением материалов конструкций: неверное назначение марок стали стальных конструкций (с учетом уменьшения на единицу группы конструкции для зданий и сооружений повышенного уровня ответственности), неверное назначение марок бетона по морозостойкости и водонепроницаемости железобетонных конструкций в зависимости от условий эксплуатации (например, для конструкций, эксплуатируемых при воздействии на них осадков и находящихся в условиях знакопеременных температур), отсутствие решений или их несоответствие требованиям норм по защите строительных конструкций от коррозии.

Ценные указания

При проведении экспертизы проектной документации отмечаются многочисленные случаи, когда представленные расчеты несущих конструкций зданий и сооружений оценить невозможно, так как необходимые данные для этого в расчетах не приводятся. Для оценки расчетов в них должны быть приведены:

• описание конструктивной схемы с указанием условий закрепления элементов (наличия шарниров или жестких соединений), ограничений перемещений и других параметров расчетной схемы;
• общая расчетная модель здания (сооружения) с указанием жесткостей элементов (сечений, модулей деформации), указанием материалов (марок стали и бетона с пределами прочности, текучести и др.). Также это сбор нагрузок;
• перечень загружений, принятых в расчете, сочетания нагрузок (расчетные сочетания усилий – РСУ, расчетные сочетания нагрузок – РСН, комбинации загружений – в зависимости от используемой расчетной программы и предпочтений) с указанием коэффициентов сочетаний, а также, в случае задания РСУ и РСН, знакопеременные, взаимосочетаемые и взаимоисключаемые нагрузки;
• необходимые эпюры усилий и деформаций, поля напряжений, поля армирования, с указанием значений;
• расчет, подбор или проверка сечений на полученные усилия; выводы по результатам расчетов со сравнением полученных расчетных значений с нормируемыми параметрами.

Для минимизации количества ошибок и степени их последствий на всех этапах проектирования необходимо иметь четкое понимание выполняемых работ (структуры и объема работ), а также осуществлять контроль качества проектирования, выполняемый силами самой организации, в случае зданий и сооружений повышенного уровня ответственности – выполняемый силами сторонней организации в рамках научно-технического сопровождения. В случае привлечения генеральным проектировщиком субподрядных организаций, контроль качества выполненных субподрядчиками проектных либо обследовательских работ должен осуществлять генеральный проектировщик при приемке выполненных работ.

В целом можно отметить, что при проектировании нового строительства и реконструкции комплексов доменных печей, в особенности, кожухов доменных печей, существует ряд особенностей, связанных с технологией производства, наличием высокой температуры, а также несовершенством и недостаточной полнотой действующих нормативных документов. К сожалению, в настоящий момент документы, устраняющие, в том числе указанные выше, пробелы в нормативной базе и предоставляющие возможность выполнения проектирования и расчетов на основании нормативных требований, не разрабатываются.

Ошибки и недочеты, допускаемые исполнителями при создании проектной документации для зданий и сооружений комплексов доменных печей, а также в результате выполнения при этом обследований зданий и сооружений, являются достаточно однотипными. Они мало чем отличаются от совершаемых при проектировании других объектов (с поправкой на особенности конструкций) и вызваны как профессиональной подготовкой исполнителей, так и в равной степени несовершенством регламентирующих этот процесс нормативных документов.

Иван Сергеевич Трушков,
главный специалист управления строительных решений
Главгосэкспертизы России

Статья опубликована в журнале «Вестник государственной экспертизы» № 4/2018