Обследование и испытание зданий и сооружений. Обследование и испытание зданий и сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Рис.5.3. Конструкция ячейки сборного шатрового перекрытия ОТЦ: а - общий вид; б – разрез Испытания проводились в 1975 году. Опытный фрагмент состоял из двух ячеек по 12x12 м каждая. Статический расчѐт был выполнен по той же программе, по которой рассчитывали реальный пространственный блок. Монтаж конструкций произвели по проектной технологии с помощью специальных кондукторов на фундаментах под реальные колонны. Нагружение производилось штучными грузами в виде бетонных фундаментных блоков. Раскладка блоков соответствовала наиболее неблагоприятным возможным расчѐтным схемам нагружения. В процессе испытания производились измерения по приборам в соответствии с заранее разработанной программой. Испытания подтвердили надѐжность конструкции в отношении прочности, жѐсткости и трещиностойкости по всем испытательным схемам. Действительный резерв прочности по результатам испытаний выявить не удаюсь, так как дальнейшее нагружение 130 поверхностной равномерно распределенной нагрузкой было прекращено в связи с исчерпанием резерва балласта; фактическая испытательная нагрузка при этом более чем в 1,3 раза превышала контрольную по текучести арматуры. Однако достигнутый результат не свидетельствует об «особой» надежности шатровых перекрытий по сравнению с другими конструкциями. В действительности он показал, что статический расчѐт с использованием МКЭ в упругой постановке применительно к железобетону, особенно в стадии работы с трещинами, не соответствует действительному напряженно-деформированному состоянию конструкции, следствием этого является недооценка еѐ прочности и несущей способности. Кроме того, опыт показал, что не всякая модель, формально построенная из конечных элементов, может служить математическим аналогом прототипа. Из курса строительной механики мы знаем, что разделение упругих систем на конечные элементы чаще всего производится чисто формально из соображений удобства компоновки геометрической схемы из стандартных КЭ, приложения к ним расчѐтных нагрузок и расшифровки результатов счѐта. Каждый расчѐтчик при этом руководствуется только своим личным опытом эксплуатации соответствующей программы и собственной интуицией. Никаких иных правил на этот счѐт не существует. Однако если система достаточно сложная, допускающая различные схемы еѐ представления в конечных элементах, то, как показывает практика, конечные результаты расчѐта на ЭВМ с использованием одних и тех же программ изменяются в зависимости от принятой расчѐтной схемы, расхождения могут быть существенными. По результатам испытаний натурного фрагмента были намечены основные направления по усовершенствованию дискретных расчѐтных схем шатровых перекрытий в конечных элементах для расчѐта с использованием стандартных программ не только в упругой стадии работы, но и с учѐтом трещин, т. е. в стадии, близкой к предельному равновесию. Одновременно было признано возможным и целесообразным применить шатровые 131 перекрытия в промзданиях с укрупненной сеткой колонн 12x12 м при более тяжѐлых нагрузках - от 30 до 50 кН на 1 м 2 . Решение этих и других сопутствующих задач было связано с проведением специальных экспериментально-теоретических и проектно- конструкторских работ, в которых приняли участие названые выше ПИ-1, НИИЖБ, СибАДИ, трест Оргтехстрой Минсевзапстроя СССР и ряд других строительных организаций. В общем комплексе научно-исследовательских работ важное значение придавалось испытаниям физических моделей новых конструкций шатровых перекрытий. О методах испытаний и о важнейших задачах, которые были решены с помощью моделирования, речь пойдет ниже. Испытание физической модели шатрового перекрытия Шатровые перекрытия под тяжѐлые нагрузки существенно отличались по конструкции и способу их сборки от омского варианта. Впервые они были применены в Ленинграде на строительстве завода по производству тяжѐлой теплотехнической арматуры. Главный корпус завода - трѐхпролетный двухэтажный с раскрытым вторым этажом на (рис. 4.4). Все несущие конструкции сборные железобетонные. Над первым этажом и частично над вторым перекрытия шатровые. Рис. 54.4. Поперечный разрез корпуса № 101 завода им. Лепсе в Ленинграде с шатровыми перекрытиями под тяжѐлую нагрузку: 1 - железобетонные колоны; 2 - шатровые оболочки 132 Общий вид отдельной ячейки шатрового перекрытия, образующие еѐ сборные элементы показаны на рис. 4.5. Контурные балки 1 сдвоенные, свободно опертые на капители колон. Каждый сборный шатѐр по периметру опирается на свои собственные четыре контурные балки. Сборку шатра начинают с установки четырѐх угловых двухгранных блоков 2, которые временно с помощью оттяжек (на рисунке не показаны) крепятся к колоннам. Затем устанавливают плиты наклонных граней 3 и замоноличивают все швы между плитами и контурными балками. На завершающем этапе сборки, после твердения монолитного бетона, укладывают средние плиты шатра 4, плиты над ложбинами 5 и над зазорами между контурными балками по периметру 6. Как видим, при такой конструкции отпадает необходимость в применении громоздких монтажных кондукторов. Оба варианта шатровых перекрытий, показанные выше, отличаются от известных аналогов наличием мощных балок, располагаемых в пределах строительной высоты перекрытия по контуру каждой шатровой оболочки. Оказалось, что эта особенность существенно изменяет характер деформаций всего перекрытия в целом и распределение усилий между элементами по сравнению с известными складчатыми конструкциями перекрытий. В качестве объекта для изучения действительной работы новых шатровых перекрытий был принят вариант, показанный на рис.4.5. Специально для исследовательских целей был разработан экспериментальный проект одной ячейки шатрового перекрытия размером 12x17 м под расчѐтную нагрузку 36 кН на 1 м 2 . Он послужил прототипом для изготовления физической модели и нескольких вариантов численных математических аналогов. Предварительный статический расчѐт прототипа выполнили с использованием программы ЛИРА на базе схемы в КЭ, сформированной по традиционной технологии. Рабочую продольную арматуру в контурных балках определили в соответствии с рекомендациями по проектированию пространственных железобетонных конструкций. 133 Рис. 5.5. Конструкция и детали шатрового перекрытия под тяжѐлые нагрузки: 1 - контурные балки; 2 - угловые двухгранные плиты; 3 - 4 плоские ребристые плиты граней шатровой оболочки; 5 - плиты настила над ложбинами; 6 - плиты перекрытия зазора между контурными балками Железобетонная модель, как и прототип, была собрана из отдельных элементов и представляла собой физически и конструктивно его копию, выполненную в масштабе т l =1:6. Детали модели были изготовлены из пескобетона, состав которого определялся главным образом из условия прочности, близкой к прототипу. Арматуру подбирали из условий соблюдения индикаторов подобия (4.26) и (4.27). Интенсивность испытательной равномерно распределенной поверхностной нагрузки на модель вычислялась согласно формулам (4.8), что при Е µ = Е n означает равенство q ом = q оП Несложно заметить, что применительно к железобетонным конструкциям формулы (4.8) должны рассматриваться как приближѐнные, так как не учитывают неупругие свойства железобетона. Сборка модели из отдельных элементов производилась на шаблон-кондукторе; между собой элементы соединялись через закладные детали, после чего производилось замоноличивание швов между плитами таким же пескобетоном. Для нагружения модели был изготовлен специальный гидравлический стенд в виде сварной рамы из швеллеров с дощатым настилом (рис. 4.6). Стенки и днище стенда образовали короб размером в плане 2000x2000 мм, соответствующим размеру испытываемой модели. На днище, внутри короба, находился резиновый мешок- 134 камера в форме параллелепипеда, из которого выходили штуцера на узел управления подачей и сливом воды и контролем давления внутри гидрокамеры. Модель в собранном виде укладывалась на гидрокамеру, частично заполненную водой, и располагалась на ней в перевѐрнутом положении. После этого по углам свободно насаживались специальные шарнирные опоры, их положение фиксировалось стопорными гайками. Испытание модели в перевернутом положении и необходимость в специальном гидравлическом стенде диктовались несколькими соображениями. Во-первых, это большая ожидаемая разрушающая нагрузка, которая была принята равной 100 кН/м 2 , так как более точно спрогнозировать еѐ было невозможно. Легко высчитать, что при испытании в рабочем положении на модель надо было бы «взгромоздить» 40 тонн балласта сверху, а приборы разместить и вести наблюдения снизу, находясь под моделью. Этот вариант был неприемлем. Во-вторых, условия работы для персонала, ведущего испытания, должны быть комфортными и безопасными. Всем этим условиям удовлетворял изготовленный силовой стенд. Комфортные условия заключались в том, что все индикаторы вертикальных перемещений размещались не снизу под моделью, а сверху, были доступны и хорошо просматривались. Кроме того, процесс образования и развития трещин происходил на доступной, хорошо просматриваемой поверхности самой шатровой оболочки. И, наконец, для получения прогнозируемой нагрузки 100 кН/м 2 достаточно было создать в гидрокамере избыточное давление всего в одну атмосферу, т. е. 1 кгс на 1 см 2 , что обеспечивалось давлением воды в водопроводе. 135 Рис. 5.6. Схема гидравлического испытательного стенда и модели: 1 - силовая рама из швеллеров; 2 - гидрокамера; 3 - манометр; 4 - вентиль; 5 - модель шатровой оболочки в перевернутом положении; 6 - съѐмные шаровые опоры; 7 – гайки Для измерения линейных перемещений использовались многооборотные прогибомеры системы ЦНИИСК и индикаторы часового типа ИЧ; фибровые деформации на поверхности бетона и в арматуре измерялись электротензометрическим методом с помощью автоматических тензометрических комплексов ТК-2 Давление воды в гидросистеме - нагрузка на модель - контролировалось с помощью манометров. Работа модели под нагрузкой была изучена на всех стадиях деформирования, вплоть до разрушения. Разрушение выразилось в раздроблении бетона угловых плит шатровой оболочки, таким образом, было выявлено одно из возможных (в общем-то известное) предельных состояний по прочности. Большую информацию о напряжѐнно-деформированном состоянии модели в стадии предельного равновесия дала общая картина трещин на поверхности складчатой оболочки и контурных балок (рис. 4.7). 136 Рис. 5.5. Характер разрушения и картина трещин на нижней поверхности модели шатровой складчатой оболочки Еѐ изучение и анализ позволили решить ряд практических задач, связанных с расчѐтом и проектированием аналогичных по конструкции железобетонных шатровых перекрытий. В общих чертах сущность решенных задач и их практическая значимость заключаются в следующем. Была предложена «гибкая» кинематическая схема пластического механизма шатрового перекрытия в стадии излома; на основании этой схемы получены аналитические зависимости, характеризующие состояние конструкции в стадии предельного равновесия. «Гибкость» кинематической схемы заключалась в том, что она оказалась одинаково пригодной для расчѐта на прочность не только данного конкретного прототипа, но и целого ряда других аналогичных конструкций с различными геометрическими параметрами и соотношениями жесткостей элементов. Расчѐт модели численным методом выполнялся с помощью стандартной программы ЛИРА, которая, как известно, реализует МКЭ в упругой формулировке. В стадии работы с трещинами модель уже не являлась упругой системой. Поэтому расчѐт был выполнен при двух разных схемах разделения модели на конечные элементы. В задаче ШАТЕР-1 разделение производилось по традиционной методике исходя из удобства формального опи- сания модели, нагрузки, жѐсткостей и расшифровки результатов счета. В задаче ШАТЕР-2 было, по возможности, частично учтено 137 разделение модели на элементы трещинами, можно сказать, «естественная дискретизация», при этом в расчѐт вводилась рабочая арматура в роли КЭ-связей между КЭ-пластинками и стержнями. Сравнение результатов расчѐта с опытными данными оказалось в пользу схемы ШАТЕР-2. Эти и другие результаты испытания модели были использованы при доработке проекта натурной конструкции шатровых перекрытий. В заключение отметим, что научные и практические результаты испытания физической модели и еѐ численных аналогов, о которых сказано выше, приведены как пример конкретных задач, которые могут быть поставлены и решены методом моделирования. Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое моделирование? В каких случаях и с какой целью обращаются к моделированию строительных конструкций? 2. В чем сущность методов моделирования: математического, физического и механического? На каких принципах подобия они базируются? 3. Какие деформируемые системы являются подобными в механическом смысле? Какие вопросы изучает теория механического подобия? 4. Назовите условия простого механического подобия. Как эти условия выражаются математически? 5. Назовите и поясните основные условия простого механического подобия упругих систем. 6. В чем сущность расширенного механического подобия? В каких случаях его применяют? Приведите простейшие примеры расширенного подобия. 7. Охарактеризуйте принципиальные отличия моделирования железобетонных конструкций по сравнению с упругими. Назовите основные задачи, решаемые с помощью моделирования. 8. С какой целью сочетают, как правило, механическое и численное моделирование железобетонных конструкций? 138 Общее обследование строительных конструкций зданий и сооружений Целью проведения натурных обследований является получение достоверных данных о состоянии строительных конструкций и инженерных систем и выявление причин, обусловивших данное состояние. По материалам обследования делается вывод об условиях дальнейшей эксплуатации элементов здания, мероприятиях по обеспечению их надежности и долговечности, либо замене. Выявлению подлежат: - дефекты, связанные с недостатками норм проектирования и проектного решения; - дефекты изготовления или возведения; - дефекты монтажа сборных конструкций; - повреждения от агрессивных воздействий среды; - механические повреждения от нарушений правил эксплуатации; - повреждения от непредусмотренных проектом статических и динамических воздействий; - повреждения, вызванные чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера (пожар, взрыв, землетрясение, наводнение и т. д.). Система технического обследования включает следующие виды контроля технического состояния в зависимости от задач обследования и периода эксплуатации здания: - инструментальный приемочный контроль законченного строительства, капитально отремонтированного или реконструированного здания; - профилактический контроль; - техническое обследование зданий для постановки на плановый капитальный ремонт, модернизацию или реконструкцию; - специальные виды обследования (обследования после пожаров, взрывов, аварий, а также после воздействия нагрузок, не предусмотренных проектом). 139 При проведении вышеуказанных видов контроля выполняется общее и детальное обследование. Рассмотрим порядок проведения общего обследования строительных конструкций зданий и сооружений. Порядок проведения общего обследования строительных конструкций зданий и сооружений Общее обследование проводится с целью получения основной информации и общей оценки технического состояния конструкций, определения необходимости объема и программы детального и специального обследования. Оно включает в себя общую оценку конструктивной схемы и соответствие здания проекту в части объемно-планировочного и конструктивного решения, по виду и характеру нагрузок, условиям эксплуатации. Производится оценка качества материалов, несущих и ненесущих элементов, строительно-монтажных работ и строительно-ремонтных работ, в основном по внешним признакам, дается ориентировочная оценка категории состояния отдельных конструкций с разработкой в необходимых случаях противоаварийных мероприятий. Предварительно, на основании изучения имеющейся документации, с целью упорядочения выполнения обследования здание разбивается на характерные зоны, назначаемые по следующим, признакам: - вид конструкций и инженерных систем; - особенности нагрузок и воздействий. При изучении документации, особое внимание необходимо обратить на: - проектные расчеты, планы, продольные и поперечные разрезы конструкций, рабочие чертежи элементов конструкций и узлов; - конструктивную схему, обеспечивающую пространственную жесткость сооружения; - физико-механические параметры строительных материалов; 140 - сроки выполнения отдельных видов строительных работ; - условия эксплуатации (нагрузки на несущие элементы конструкций; максимальную и минимальную температуру воздуха снаружи и внутри здания; вредные выделения, связанные с технологическим процессом; характер вибрационных воздействий; осадки фундаментов и время стабилизации осадок); - замечания контролирующих комиссий, сделанные при строительстве и приемке объекта в эксплуатацию, при ранее проводимых обследованиях, и принятые меры по устранению недостатков; - данные о ремонтах и усилениях. Основные параметры эксплуатационных воздействий устанавливаются по данным проектно-технической документации. Общая площадь одной зоны обследования не должна превышать 1000 м 2 . В пределах каждой зоны фиксируют участки с различным состоянием конструкций. В случае, когда документация отсутствует, необходимо установить: - год возведения объекта; - нормы, по которым проектировался объект; - характерные схемы конструкции и их особенности, свойственные определенным периодам развития строительной техники; - организации, проектировавшие и строившие объект; - данные об объекте в периодической технической печати тех лет, когда он проектировался или возводился, и сведения по аналогичным объектам и конструкциям, на которые есть техническая документация. При отсутствии проектно-технической документации выполняются обмерочные чертежи здания, эскизы обследуемых строительных конструкций и узловых соединений с необходимыми размерами элементов. В состав обмерочных чертежей входят: 141 - поэтажные планы здания или его отдельных участков, подлежащих обследованию; - поперечные и продольные резервы; - схемы расположения несущих строительных конструкций. На данном этапе также выполняют следующие работы: - анализируют планировочные решения в сочетании с конструктивной схемой; - осматривают фасад конструкции крыши, несущие конструкции лестницы, дверные и оконные блоки; - составляют дефектные ведомости; - намечают места выработок, вскрытий, зондирования конструкций в зависимости от целей обследования здания; - изучают особенности близлежащих участков тер- риторий, вертикальной планировки, состояние благоустройства участка, организацию отвода поверхностных вод; - устанавливают наличие вблизи здания засыпанных оврагов, термокарстовых провалов, зон оползней и других опасных геологических и гидрогеологических явлений; - оценивают расположение здания в застройке с точки зрения подпора в дымовых, газовых, вентиляционных каналах (для жилых и административных зданий); - фотографируют фасады, фиксируют деформации, повреждения. При общем обследовании, как правило, проводят визуальный осмотр всех конструкций (сплошное обследование) с использованием в необходимых случаях простейших инструментов и приборов (отвесы, лупы, бинокли, стальные линейки и т. д.). Производят простейшие испытания и измерения для получения дополнительных данных о состоянии конструкций и их соответствии проекту: ориентировочную оценку прочности бетона и его плотности, измерение ширины раскрытия и глубины наиболее характерных трещин, выборочное измерение наибольших отклонений от проекта основных размеров - сечений элементов, площадок опирания 142 конструкций, наклонов, определение глубины нейтрализации бетона, коррозии металла. Визуальное обследование, как правило, выполняется сплошным. При этом фиксируются: - все трещины в бетоне конструкций, в особенности трещины в зонах конструкций, в которых они не допускаются (наклонные трещины, пересекающие растянутую и сжатую зоны, трещины в зоне конструкции, работающей на сжатие, продольные трещины вдоль арматуры или в сжатой зоне); - оголение арматуры; - выколы бетона, каверны, раковины, повреждения защитного выявленные участки бетона с изменением его цвета; - повреждения арматуры, закладных деталей, сварных швов (в том числе в результате коррозии); - схемы опирания конструкций, несоответствие площадок опирания сборных конструкций проектным требованиям; - прогибы, относительная величина которых превышает для напряженных стропильных ферм 1/800; преднапряженных стропильных балок и балок перекрытий - 1/400; плит перекрытий и покрытий - 1/200; - наиболее поврежденные и аварийные участки и конструкции и т.д. Детальный осмотр конструкции следует начинать с наиболее ответственных элементов. Цель осмотра – установление повреждений, а также выявление элементов конструкции, изготовление, монтаж, эксплуатация которых проведены с отклонениями от проекта. Несущие элементы с дефектами условно можно разделить на две группы: элементы, в которых имеют место отклонения, не вызывающие видимых разрушений; элементы с локальными разрушениями. Выявляя в ходе осмотра дефекты первой группы, особое внимание следует обратить на опорные части и соединения. Необходимо проверить правильность опирания и крепления опорных площадок, качество сварки, ослабления болтовых со- единений. Проверяя состояние сварных швов, в первую очередь следует осмотреть швы в узлах, к которым примыкают стержни 143 с большими растягивающими и сжимающими усилиями. При осмотре необходимо зафиксировать лишние монтажные швы, которые могут изменить расчетную схему конструкции. С особой тщательностью необходимо осмотреть сжатые элементы металлических конструкций. Погнутости сжатых стержней являются одним из наиболее часто встречающихся дефектов металлических ферм. Детальному осмотру подлежат также вертикальные и горизонтальные связи, узлы примыкания связей к фундаментам, обеспечивающие пространственную жесткость сооружения. Одним из грубейших и, к сожалению, часто встречающихся нарушений правил эксплуатации является удаление вертикальных крестовых связей при установке оборудования в промзданиях. К дефектам второй группы, выявляемым при детальном осмотре, относятся ослабления элементов, вызванные местными разрушениями. Это могут быть срезы болтов, над- резы, сколы, обрывы отдельных элементов конструкций и т. д. С методической точки зрения два вида ослаблений следует выделить в особую группу. Это коррозионные поражения и трещины. При осмотре устанавливается наличие трещин, проводится предварительный анализ причин их возникновения, определяются места с наибольшими поражениями коррозией. При выявлении элементов конструкций, ослабленных коррозией, следует иметь в виду, что наибольшему поражению подвержены металлические и железобетонные конструкции в цехах и специальных помещениях, в которых по тех- нологическому режиму предполагается наличие агрессивных веществ. При этом самые существенные повреждения бетона и стали происходят из-за кислотной и сульфатной коррозии, при периодическом увлажнении и некачественной химзащите. Для обычных зданий и сооружений в наибольшей степени коррозии подвержены подземные части здания при воздействии агрессивных грунтовых вод и переменном температурно- влажностном режиме эксплуатации, а также несущие элементы покрытия при разрушении материалов кровли и утеплителей. 144 При этом наибольшей коррозии следует ожидать на участках с максимальными напряжениями, вместах приложения сос- редоточенных нагрузок, на вводах вентиляционных систем и в зонах с плохой вентиляцией, на участках с интенсивным пыле- накоплением, а также в местах нарушения защитного слоя бетона и антикоррозионного покрытия. По данным осмотра оп- ределяются качественные показатели коррозии: область рас- пространения коррозии и ее характер. По характеру и области распространения коррозия подразделяется на сплошную и местную, равномерную, неравномерную и язвенную. В несущих элементах строительных конструкций к наиболее типичным дефектам относятся трещины, которые являются следствием ошибок при проектировании, изготовлении и эксплуатации сооружений. В металлических конструкциях появление трещин в большинстве случаев определяется явлениями усталостного характера. Усталостные трещины часто обнаруживаются при обследованиях сосудов давления, подкрановых балок, высотных сооружений. Появление и медленное развитие трещин под действием нагрузки наблюдается в условиях коррозии. Температурные напряжения вызывают микротрещины в сварных швах. Образование трещин при постоянных напряжениях возможно при наличии дефектов структуры в зонах концентрации напряжений. В металлическом элементе конструкции, при статическом нагружении, трещины появляются при низких температурах, или высокоскоростном нагружении. В этих случаях хрупкая трещина быстро развивается, и, обследуя такие конструкции, можно обнаружить уже не дефект-трещину, а полное разрушение элемента. Так как в строительстве используются конструкционные металлы, как правило, с хорошо выраженными пластическими свойствами, то при обследовании металлических конструкций трещины встречаются значительно реже, чем в железобетонных, кирпичных и каменных конструкциях. Во многих случаях для металлических конструкций, работающих на статическую нагрузку, обнаруженная трещина не несет в себе 145 непосредственной опасности. Дальнейшее развитие трещины часто ограничивается перераспределением усилий и зоной остаточных сжимающих напряжений у ее вершины. Распространение такой трещины наблюдается только при больших перегрузках. При обследовании железобетонных и кирпичных сооружений детальное исследование трещин в конструкциях является наиболее ответственным этапом. Сооружение без трещин встречается значительно реже, чем с трещинами. Полная классификация трещин в железобетонных элементах представляется задачей чрезвычайно сложной. Существуют классификации трещин по их геометрическим (длина, ширина раскрытия, глубина распространения) и статистическим параметрам (среднее и дисперсия числа трещин в единице объема), энергетическим показателям (сумм- марная поверхностная энергия), характерным стадиям процесса трещинообразования при постепенном увеличении нагрузки и др.. Однако приведенные варианты классификаций, несмотря на их, несомненно, положительные стороны в теоретическом аспекте, недостаточно информативны при решении практических задач. Основным критерием оценки трещин в обследуемых сооружениях является степень их опасности для несущих конструкций. Рассматривая трещины по показателю опасности, можно выделить три группы дефектов-трещин: 1) трещины неопасные, ухудшающие только качество лицевой поверхности; 2) опасные трещины, вызывающие значительное ослабление сечений, к ним относятся также все не стабилизировавшиеся трещины, развитие которых продолжается с неослабевающей интенсивностью; 3) трещины промежуточной группы, которые ухудшают эксплуатационные свойства, способствуют физическому износу, снижают надежность и долговечность конструкции, однако непосредственной опасности не представляют, так как для разрушения объекта в зоне трещины необходимо дополнительное неблагоприятное стечение обстоятельств. 146 Для конструкций с трещинами второй и третьей групп должны быть предусмотрены мероприятия по восстановлению эксплуатационных качеств. В зависимости от индивидуальных особенностей конструкции выбираются различные способы восстановления, которые могут заключаться в простейшем слу- чае – в заделке трещин раствором, или усилении дефектного элемента в том случае, когда дальнейшая его эксплуатация мо- жет привести к разрушению элемента и конструкции в целом. Для того, чтобы правильно рассчитать степень опасности трещины в железобетонном элементе, необходимо выяснить причины ее возникновения. Сложность решения этой задачи определяется тем, что часто воздействие нагрузок, ставших причиной появления и развития трещин, обнаружить в момент проведения обследования не удается. Трещина могла образоваться в зимний период эксплуатации конструкции из-за перегрузки снегом, промерзания увлажненной области бетона, наледи. Появление трещин возможно также при неправильной эксплуатации конструкций производственных зданий, от временных перегрузок несущих элементов. Образование трещин возможно и на стадии монтажа конструкций. Причиной могут оказаться поставленные неправильно или в недостаточном количестве временные связи, некачественное выполнение строительно-монтажных работ или нарушения порядка монтажа. Часто трещины возникают из-за неравномерной осадки здания, которая имела место в течение непродолжительного периода при монтаже или эксплуатации. Наконец, трещины могут появиться при изготовлении строительного изделия, а также в процессе его транспортировки. Во всех случаях действие фактора, вызвавшего появление трещины, могло прекратиться к моменту проведения обследования. При недостаточно строгом контроле на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций сведения о появлении трещин своевременно не регистрируются. Таким образом, от инженера-экспериментатора, проводящего обследование, требуется умение при наличии неполной 147 информации дать правильную оценку состояния конструкции и причин деструкции. Чрезвычайно полезной в этом случае могла быть классификация трещин по причинам их возникновения, но, к сожалению, такой всеобъемлющей строгой классификации быть не может. Можно лишь говорить о наиболее вероятном происхождении трещин определенного вида в железобетонных и каменных конструкциях. Такую условную классификацию следует постоянно дополнять на основании результатов обследований, проводимых различными строительными организациями, институтами и лабораториями. Возникновение трещин в железобетонной или каменной конструкции определяется локальными перенапряжениями и ослаблениями. Причиной появления больших напряжений, образования и развития трещин являются: - перегрузки, вызванные статическими и динамическими силовыми воздействиями; - концентрация напряжений на структурных неоднородностях и в зонах изменений геометрических параметров несущего элемента, а также при натяжении арматуры; - неравномерные перемещения конструкций из-за перегрузок или различия в деформативных характеристиках строительных материалов; - неравномерные осадки фундаментов; - различные температуры элементов конструкции, либо резкий перепад температуры в сечении элемента, неравномерное распределение температуры в объеме бетона массивных конструкций при экзотермической реакции; - большая усадка бетона, вызванная нарушениями при изготовлении или же неудачном подборе состава бетонной смеси, неравномерная усадка поверхностных слоев бетона внутренних областей, вызванная интенсивной потерей влаги на его поверхности; - расклинивающее действие льда в порах, пустотах, трещинах на увлажненных зонах бетона; 148 - расклинивающее действие арматуры при ее коррозии из- за накопления ржавчины. Местные ослабления в бетоне конструкций, которые приводят к появлению трещин, могут быть также вызваны нарушениями в технологии изготовления сборных и монолитных железобетонных конструкций и, как следствие, большой неоднородностью структуры бетона; коррозией бетона, вызванной фильтрацией воды, повышенным содержанием солей, растворяющей способностью фильтрующих вод; электрохимической и газовой коррозией. Детальный осмотр дефектных зон железобетонных и каменных конструкций должен завершаться составлением предварительного заключения, в котором дается ориентировочная оценка причин возникновения и степени опасности трещин, приводится план инструментальных измерений, результаты которых должны уточнить причину местных разрушений. Во многих случаях предварительная оценка происхождения и опасности деструкции может быть произведена по аналогии обнаруженной трещины с трещинами, природа появления которых достаточно хорошо изучена. К характерным особенностям трещин, которые могут быть выявлены в ходе детального осмотра, относятся: - ориентация трещин (продольная, поперечная, вертикальная, горизонтальная, наклонная); - количество трещин и их расположение в дефектной области; - ширина раскрытия и зона распространения трещины по длине и толщине элемента. Информация, полученная при осмотре, дополняется результатами инструментальных измерений, по которым уточняется область распространения трещины, оценивается возможность ее дальнейшего развития, для незастывшей трещины определяются длина и ширина раскрытия как функции времени. Анализ результатов многочисленных обследований позволяет указать на некоторые закономерности образования и 149 развития трещин в несущих элементах железобетонных и кирпичных сооружений, которые связаны с конкретным видом воздействий и характерны для определенных по конструктивному назначению несущих элементов. Неравномерные деформации основания при действии собственного веса строительных конструкций и полезной нагрузки определяются потерей устойчивости основания, пучением грунта, вымыванием основания при нарушении системы водоснабжения, замачиванием лессовидных грунтов, неоднородностью основания в зоне фундаментов. Рис.5.6. Трещины в стеновых панелях и кирпичной кладке, вызванные неравномерной осадкой Зоны деструкции, ориентация трещин зависят от расположения ослаблений под фундаментом или наличием уплотнений грунта. Существенное влияние на схему образования трещин от неравномерной осадки основания оказывает конструктивное выполнение узлов и сопряжений, обеспечивающих пространственную жесткость здания. При неравномерных деформациях основания трещины появляются в несущих стеновых панелях (рис.5.1), на стыках, часто переходят на перегородки и панели перекрытий. 150 Для анализа возможных вариантов трещинообразования несущий стеновой блок может быть рассмотрен с известной долей приближения как балка-стенка с различными условиями опирания. Ослабления основания у краев фундамента или же прочная опора под средней частью здания (рис. 5.1 а) вызывают напряженное состояние с максимальными растягивающими напряжениями в верхней трети балки-стенки над краем ослабленного участка основания. Наклонные трещины отрыва возникают от действия изгибающего момента и поперечной силы. Эти трещины могут не доходить до верхней кромки стены, т. к. критические растягивающие напряжения определяются, главным образом, поперечной силой. При значительных различиях податливости грунта (рис. 5.1 б) возникает вертикальная трещина сдвига на границе ослабленного и нормального основания. В этом случае наибольшее относительное смешение краев трещины отмечается в уровне фундамента. Если ослабленная зона грунта расположена под средней частью фундамента (рис. 5.1 в), трещины отрыва, вызванные неравномерной осадкой, наклонены к центру стены и к зоне ослабленного основания. Образование вертикальных трещин сдвига в этом случае маловероятно. При перегрузке простенка возникают вертикальные, горизонтальные и наклонные трещины. При неправильном опирании перекрытия появляются трещины смятия в верхней части панели. Сквозная силовая трещина любой ориентации может привести к снижению несущей способности и устойчивости стены. Наибольшую опасность представляют горизонтальные и наклонные трещины. Появление вертикальных силовых трещин в плоскости стены от перегрузок маловероятно, так как столб несущей стены работает в условиях плоской деформации, поэтому при центрально приложенной нагрузке следует ожидать возникновения трещин расслоения по толщине панели. Выпучивание несущей железобетонной стены, которое сопровождается появлением горизонтальных трещин, может 151 быть следствием недопустимо большого эксцентриситета вертикальной нагрузки при неправильном монтаже; перегрузке стены в результате перераспределения усилий; неодинаковой деформативности различных по толщине слоев панели при неправильной технологии изготовления; горизонтальных перемещениях конструкций от неравномерной осадки. В ходе инструментальных измерений при обследовании стен с горизонтальными трещинами обязательно следует определять перемещения изгиба стены относительно краев панели, характеризующие степень выпучивания и реальный эксцентриситет вертикальной нагрузки. Различия в деформативности и загруженности вертикальных элементов здания вызывают неравномерность осадки несущих стен. Относительные смещения рядом расположенных вертикальных конструкций увеличиваются по высоте здания. Это может явиться причиной появления вертикальных трещин в узлах сопряжения панелей и наклонных трещин в перегородках и панелях. При различной деформативности стеновых панелей трещины развиваются в верхней части здания (рис.5.2). Причиной возникновения опасных наклонных трещин с большой длиной и раскрытием является сочетание неравномерной осадки и вертикальных перегрузок или же усадки бетона и перегрузок. Температурные трещины в стеновых панелях появляются при больших градиентах температуры по толщине элемента или же при ограничении связями температурного расширения и сжатия элемента. Вертикальные несквозные температурные трещины в наружных стеновых панелях развиваются в пределах одного этажа. Часто наблюдаются сквозные температурные вертикальные трещины в перемычках при неудачном выполнении температурных швов. Характерной особенностью температурных трещин является непостоянство ширины их раскрытия. В связи с этим, если есть основания полагать, что трещина температурная, необходимо на стадии проведения 152 инструментальных измерений проконтролировать ширину ее раскрытия в течение суток. Усадочные трещины на поверхности стеновых панелей и плоских плит имеют вид беспорядочной сетки (рис. 5.3 а). В ребристых плитах, трехслойных панелях, балках, стеновых панелях с проемами усадочные трещины распространяются на большую глубину, часто оказываясь сквозными (рис. 5.3 б). Эти трещины расположены в зонах изменения геометрии сечения (сопряжение ребра и полки, мостики холода в трехслойных панелях, углы дверных проемов и т. д.). Усадочные трещины во внутренних конструкциях с раскрытием менее 0,3 мм при отсутствии агрессивной среды не представляют опасности. Рис. 5.7. Схема образования трещин при различной деформативности несущих конструкций девятиэтажного жилого здания Трещины с большим раскрытием способствуют коррозии арматуры и закладных деталей, вызывают повышенную деформативность поверхностных слоев и могут стать причиной нежелательного перераспределения усилий. Так, при расположении больших усадочных трещин на одной из граней стеновой панели вертикальная нагрузка, распределяясь пропорционально жесткостям слоев, создает эксцентриситет нормальной силы и вызывает выпучивание стены с растяжением на дефектной ослабленной усадочными трещинами поверхности, что может в конечном итоге привести к образованию силовой горизонтальной трещины. Усадочные 153 трещины во внешних железобетонных конструкциях должны быть заделаны. В противном случае они будут развиваться в результате расклинивающего действия льда, образующегося в них в зимний период. В конструкциях без преднапряжения появление трещины, проходящей вдоль арматуры в защитном слое бетона, вызывается коррозией арматуры. Расклинивающее действие продуктов коррозии может оказаться столь значительным, что вызовет отслоение защитного слоя бетона на больших участках. Рис. 5.8. Схемы расположения усадочных трещин При обследовании часто обнаруживаются трещины в железобетонных перекрытиях. Обеспечивая пространственную жесткость сооружения и воспринимая вертикальную нагрузку, перекрытия работают в условиях сложнонапряженного состояния. Чердачные и надподвальные перекрытия, кроме того, находятся под воздействием температуры и влажности. Поэтому причины образования трещин устанавливаются в результате инструментальных измерений ширины раскрытия трещин, глубины их распространения, деформаций, прочности бетона, толщины защитного слоя идиаметра арматуры. Наиболее опасными являются трещины, расположенные поперек рабочего пролета балочных плит. Каковы бы ни были причины, их вызывающие, эти трещины ведут к ослаблению расчетных сечений. Силовые трещины от вертикальной нагрузки с максимальным раскрытием на нижней поверхности плиты обнаруживаются в средней части плиты с направлением поперек рабочего пролета. В защемленных по двум сторонам 154 плитах вертикальная перегрузка вызывает образование поперечных трещин на опорных участках с максимальным раскрытием на верхней поверхности. Если деструкция плиты вызвана неравномерной осадкой вертикальных несущих элементов сооружения или горизонтальными перегрузками, то опасная поперечная трещина располагается на верхней поверхности одного из приопорных участков плиты. Причиной образования трещин в верхней области одной из опорных зон плит и на нижней поверхности средней части пролета является либо совместное действие неравномерной осадки и вертикальной нагрузки, либо действие только вертикальной нагрузки. Для последующих перерасчетов крайне важно знать, какая из этих двух причин является определяющей. Необходимая для этого информация может быть получена в результате измерений осадок плиты, а также в ходе испытаний пробной нагрузкой малой величины, которые позволяют уточнить расчетную схему работы плиты. В балках рамных конструкций схема образования опасных силовых поперечных трещин такая же, как и в ребристых плитах. При больших вертикальных нагрузках на железобетонные балки, например, для подкрановых балок, возможно также образование веретенообразных наклонных трещин (рис. 5.4 а) с максимальным раскрытием на полке в зоне центра тяжести сечения. Возникновение таких трещин определяется не учетом в расчетах дополнительных крутящих моментов, появившихся из-за больших эксцентриситетов вертикальной нагрузки при смещении рельса с оси балки (рис. 5.4 б). 155 Рис. 5.9. Веретенообразные трещины в подкрановой балке при эксцентриситете вертикальной нагрузки Существование опасных силовых горизонтальных трещин продольного изгиба в железобетонных колоннах маловероятно, так как большое значение сжимающей силы при возникновении перегрузок от изгибающего момента вызывает перенапряжение сжатия на одной из граней и образование поперечного излома на противоположной грани колонны, что ведет к окончательному разрушению. Критическая перегрузка сопровождается появлением вертикальных трещин отрыва. Как показывают результаты обследований железобетонных стоек, находящихся в аварийном состоянии, разрушению колонн с образованием вертикальных трещин способствует изгиб стержней продольной рабочей арматуры. В практике современного строительства установка продольных рабочих стержней в колонны представляется наиболее нерациональным использованием арматурной стали, поэтому актуальной задачей строительного производства является скорейший массовый переход к железобетонным элементам, работающим на сжатие, с рациональным расположением арматурной стали (бетон в спиральной обойме, трубобетон, мембранобетон). Данные детального осмотра являются основой для составления подробного плана инструментальных измерений и неразрушающих испытаний. В плане инструментальных обследований приводится перечень геометрических и физико- механических параметров, подлежащих экспериментальной оценке, указываются необходимые приборы, выпускаемые промышленностью, уточняется методика контроля. Вид контроля (сплошной, выборочный), объем выборки контролируемые параметры определяют по стандартам и чертежам на данный вид конструкций, СНиПам на процессы производства работ для приемочного контроля с учетом фактического состояния, конструкций и цели обследования. 5.2. Оценка технического состояния зданий и сооружений по результатам общего обследования 156 На основании результатов, полученных на этапе общего обследования, выполняется предварительная оценка технического состояния конструкций и инженерных систем здания с разработкой в необходимых случаях противоаварийных мероприятий (временные крепления, ограничение нагрузок и т. д.); решается вопрос о необходимости проведения специального обследования и намечаются участки его выполнения, составляется программа детального обследования, в которой устанавливается необходимая степень дополнительной детализации визуального обследования (фиксация и измерение трещин, геометрических размеров сечений элементов и площадок опирания и т. д.), определяется количество (выборка) конструкций, подлежащих инструментальному обследованию, выбираются неразрушающие методы, участки и объем испытаний. Определяют состав и объем подготовительных работ (изготовление подмосток, очистка конструкций, устройство дополнительного освещения, защита оборудования и имущества от порчи и загрязнения), уточняют общий график выполнения работ и мероприятия по технике безопасности. Все дефекты конструкций или их элементов, отмеченные как наиболее опасные, относят к разряду критических (1-й класс). Остальные дефекты разделяют на две группы: а) дефекты, которые характеризуют показатели качества, имеющие нормируемые численные значения; б) дефекты, связанные с нарушением технологии производства работ, повреждения и т. п., не имеющие нормируемых численных значений. Дефекты группы б относят к разряду значительных, а для группы а разряд дефекта определяется величиной его отклонения в процентах от нормируемого параметра (сверх допуска); • критический дефект: ∆ ≥ 3 0 %; • значительный дефект: ∆ < 30 %; • малозначительный дефект: ∆ ≤ 1 0 %. Различают две степени ответственности элемента или его участка, в котором обнаружен данный дефект. К первой группе ответственности относят элементы или их составные части (для 157 сложных элементов), локальный отказ которых может привести к полному или ограниченному отказу системы элементов, к значительному снижению показателей эксплуатационных качеств конструкций или помещений, к существенному ухудшению основных технико-экономических показателей. Так, для дефектов продольного армирования железобетонных конструкций более ответственными являются пролетные участки балок, панели нижнего пояса стропильных ферм и т. п. (первая степень ответственности). Менее ответственными являются приопорные участки балок, если не нарушены условия анкеровки, панели верхнего пояса ферм и т. п. (вторая степень ответственности). Для дефектов, влияющих на несущую способность каменной кладки, к первой степени ответственности относят, в частности, простенки и другие несущие участки стен, а ко второй — подоконные участки стен, самонесущие стены и т. п. Для дефектов кладки, снижающих показатели качества, характеризующие теплотехнические свойства стен, к первой степени ответственности относят наружные стены, а ко второй — внутренние и т. д. По количеству (степени распространенности) дефектов в элементе или на его рассматриваемом участке различают: а) единичные дефекты, занимающие до 10 % площади (длины и т.д.); б) многочисленные — до 60 %; в) массовые — свыше 60 %. В зависимости от класса дефектов, определенного в процессе обследования, их количества, а также назначенной степени ответственности участка или элемента конструкции или сети, в котором обнаружены данные дефекты, определяется категория его технического состояния и принимается решение о необходимой степени детализации последующих этапов обследования или о возможных мерах по восстановлению эксплуатационных качеств конструкций. С позиций несущих свойств конструкций отнесение их к определенной категории технического состояния выполняют по табл. 5.1. 158 Оценку дефектов строительной системы, сети или среды выполняют в соответствии с конкретной целью обследования по отдельным группам показателей эксплуатационных качеств (несущие свойства конструкции, антикоррозионная защита, теплозащита, звукоизоляция, состояние воздушной среды и т. д.). Подробная классификация дефектов по перечисленным группам показателей качества элементов зданий приводится в соответствующих пособиях. В числителе приведены данные для элементов первой степени ответственности, а в знаменателе — второй степени ответственности. Для отнесения данной конструкции к конкретной категории состояния достаточно появления указанного в таблице сочетания параметров дефектов в любом из элементов (участков конструкции) определенной степени ответственности. Возможные меры по восстановлению эксплуатационных качеств конструкций: I категория — исправное (хорошее) состояние — мелкие дефекты устраняются в процессе технического обслуживания; II категория — неисправное (удовлетворительное) состояние — дефекты устраняются в процессе технического обслуживания и мелкого ремонта; III категория — ограниченно работоспособное состояние (не вполне удовлетворительное) — опасность обрушения отсутствует. Необходимо строгое соблюдение всех эксплуатационных требований. Возможны ограничения на некоторые параметры эксплуатации. Требуется ремонт. IV категория — неработоспособное состояние (неудовлетворительное) — необходимо срочное ограничение нагрузок, устройство предохранительных сеток от падения отслаивающихся частей и т. д. Требуется крупный ремонт, а возможно, и усиление или замена элементов или конструкций (уточняется расчетом). V категория — предельное (предаварийное) состояние — требуется срочное ограждение опасного участка, разгрузка 159 конструкций и устройство временных креплений (стоек, подпорок, накладок и т. п.) с последующей разборкой и заменой конструкций или сети. Для соответствующих категорий технического состояния, определенных по показателям антикоррозионной защиты, теплозащиты, звукоизоляции, состояния воздушной среды и т. д., конкретные меры по восстановлению эксплуатационных свойств определяют с учетом действующих нормативных документов. Техническое состояние здания в целом оценивается в соответствии с техническими положениями и определяется по совокупности состояния элементов. Таблица 5.1 Классификация дефектов степень распространенности дефекты критические (1) значительные (2) малозначительные (3) массовые V V IV III III III многочисленные V V III III III II единичные V IV III II II I Для уточнения объема выборки при детальном обследовании, заполнения паспорта на здание, определения очередности постановки зданий на ремонт и т. п. может понадобиться интегральная усредненная оценка категории состояния всей генеральной совокупности конструкций каждого вида. Для этого используют формулу (5.1): Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ñð 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 2 3 4 5 (5.1) где К i (i — 1, 2...5) — количество конструкций, имеющих 1-го категорию состояния. В данной лекции были рассмотрены вопросы, касающиеся общего обследования строительных конструкций зданий и сооружений, а также порядок оценки технического состояния 160 здания по результатам обследования. Данные мероприятия входят в систему технического обследования. По результатам общего обследования составляется акт и делается вывод о необходимости проведения детального обследования. Если по результатам общего обследования выполнена достаточная и полная в соответствии с поставленными задачами оценка состояния конструкции, то детальное обследование может не производиться. Вопросы для самоконтроля: 1. Что является целью проведения натурных обследований строительных конструкций? 2. Что включает в себя общее обследование строительных конструкций? 3. Перечислите параметры, которые устанавливаются в случае отсутствия документации на объект. 4. Какая основная цель детального осмотра строительных конструкций? 5. Перечислите наиболее типичные дефекты в несущих элементах строительной конструкции, выявляемые в ходе обследования. 6. Какие основные причины возникновения трещин в железобетонных и каменных конструкциях? 7. Охарактеризуйте дефекты строительных конструкций и их элементов. 8. Как оценивается техническое состояние здания? |