Долговечность и эксплуатационная надежность строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

 В качестве  примеров повреждения жилых зданий  трещинами можно привести практически  все 16-22-этажные дома башенного  типа из керамзитобетона и  ряд 12-15-этажных домов из эффективного  кирпича. Трещины в кирпичной  кладке часто образуются в  зонах опирания железобетонных  или металлических пролетных  элементов. Например, под 12-метровыми  железобетонными балками перекрытия  арочного проезда в кирпичном  доме по ул. Богдановича-Некрасова  произошел опасный разрыв армированной  кладки.

При обследовании строящегося 13-этажного кирпичного жилого дома по ул. Воронянского обнаружено, что  после воздействия морозов в  наиболее напряженных простенках 1-го и 2-го этажей появились трещины вертикальной ориентации и отколы, характерные  для стадии разрушения кладки. Указанные  простенки оказались в предаварийном  состоянии.

Результаты многочисленных натурных обследований, инженерных расчетов и теоретических исследований с  использованием новых компьютерных технологий убедительно свидетельствуют, что многие кирпичные здания повышенной этажности имеют заниженный по отношению  к нормируемому уровень прочностной  надежности. Построенные монолитные дома, как правило, имели

дефекты, которые  недопустимо снижали эксплуатационные качества жилья. В зону риска указанные  объекты вошли в результате наслоения  многих причин.

В большинстве  случаев наиболее негативные последствия  вызывает несовершенство применяемых  конструктивных схем зданий.

Кроме того, снижают  требуемый уровень надежности многочисленные факторы. Например, для каменных зданий характерны следующие: в кирпичных зданиях повышенной этажности средний уровень вертикальных сжимающих напряжений увеличился в 2-3 раза по сравнению со зданиями высотой до 5 этажей. При этом стали более ощутимо проявляться касательные и растягивающие напряжения, вызванные разной нагруженностью стен и температурными воздействиями; резко сократились резервы прочности стеновых материалов из-за назначения толщин стен не по конструктивным или теплотехническим требованиям, а на основании прочностных расчетов; с применением для несущих элементов керамического щелевого кирпича и растворов высоких марок увеличилась "хрупкость" кладки; из-за многочисленных пустот уменьшился эффект, связанный с возникновением двух- и трехосного сжатия в больших стеновых массивах. Увеличилось количество концентраторов напряжений в материале. Относительная прочность кладки из щелевого кирпича при растяжении снизилась по отношению к кладке из полнотелого кирпича; с ростом количества этажей увеличиваются силы трения и защемления опор железобетонных элементов в стенах здания, что исключает "проскальзывание" пролетных элементов на опорах при изменении температурных деформаций и приводит к образованию дополнительных трещин в кладке под торцами железобетонных плит, прогонов, перемычек, то есть уже на стадии возведения накапливаются начальные повреждения в наиболее нагруженных элементах зданий; действующие нормативные документы не содержат прямых указаний по учету перечисленных выше факторов или предлагают их учитывать с погрешностью порядка 100 % (например, при определении вертикальных деформаций стен вообще не учитываются температурные воздействия).

Анализ проектных  решений и натурные обследования зданий, возведенных в 1990-1997 годах, показали, что подавляющее большинство  конструктивных решений жилых домов  принято без должного расчетного обоснования. В процессе обследований объектов в связи с возникшими повреждениями выяснилось, например, что проектные расчеты стен ряда 9-15 этажных кирпичных домов сводились  к проверке прочности кладки условно  вычлененных из остова простенков и  сбору нагрузок на фундаменты. Во всех проанализированных случаях проектные  решения не обосновывались расчетами  стеновых конструкций в пространственной постановке задачи с учетом температурных  воздействий, с оценкой критериев  прочностных характеристик материалов при двух- и трехкомпонентном напряженном  состоянии. Здания повышенной этажности  из монолитного бетона и кирпича, особенно в случаях устройства эффективной  теплоизоляции стен, требуют новых  подходов к проектированию и к  качеству строительных работ. Получен  ряд подтверждений необходимости изменения принципов расчета и конструирования таких объектов, в первую очередь связанных с правильным учетом при проектировании температурных воздействий.

Современные технологии исследований - путь к решению  проблемы.

Учитывая многолетнее  запаздывание научных исследований в указанной области, НЭОППП "Стройнаука" сочла приоритетным решение названных  проблем и с 1993 г. проводит комплексные  натурные и теоретические исследования по данному направлению. За это время освоена технология компьютерных исследований монолитных и каменных домов повышенной этажности, оболочек, других конструкций, позволяющая рассчитывать сложные статически неопределимые системы зданий в целом, осуществлять более корректный учет совместного проявления основных нагрузок и температурных воздействий, получать все компоненты напряженного состояния материалов в любой точке, наглядные картины деформирования конструкций, требуемое армирование строительных элементов. При необходимости проводится более глубокий расчетный анализ влияния пластических деформаций, трещин, неравномерной осадки фундаментов и т.д. Результаты расчетов обобщаются в цветной графике в виде картин деформирования остова и деформаций отдельных элементов и узлов, полей и изолинии напряжений с выявлением зон максимальных напряжений и прогнозируемых трещин, полей требуемого армирования стен, поясов жесткости и других элементов.

Особое внимание уделено многофакторному тестированию применяемых расчетных технологий на простых примерах и известных  классических задачах, сопоставлению  разных расчетных программ, сравнению  полученных при компьютерных исследованиях  экстремальных значений напряжений с качественной картиной образования  трещин на реальных строительных объектах, а также с опубликованными  результатами испытания конструкций.

Указанное направление  исследований совпадает с мировыми тенденциями в области строительного  проектирования. По техническим возможностям и глубине проведения расчетов освоенные компьютерные технологии опережают имеющиеся в проектных институтах и научных организациях РБ. Решенные задачи по основным параметрам соразмерны с уровнем публикаций в ведущих зарубежных изданиях по данной области за 1996-1997 гг.

Известно, что  методика расчета по СНиП II-22-81 [2] ориентирует на ручные методы расчета, на раздельный учет ряда нагрузок и воздействий, допускает условное "расчленение" конструкций на простые элементы. При таком упрощении прочностные расчеты осуществляются не по внутренним усилиям, а по условно собранным нагрузкам без учета их перераспределения, температурных и других составляющих.

Достигнутый уровень  компьютерных технологий позволяет  устранить эти недостатки. Одним  из важнейших достоинств технологии компьютерных исследований, которой  располагает НЭОППП "Стройнаука", является возможность выполнения пространственных расчетов остова здания в целом при  одновременном учете сочетаний  нагрузок, природных и техногенных  воздействий или возможность  анализировать влияние отдельных  воздействий.

Использование современных  технологий при расчетах кирпичных  и монолитных зданий позволяет выявлять зоны наибольших растягивающих напряжений в строительных конструкциях, предсказывать  места возможного образования трещин в стенах и определять требуемое  армирование в таких 

зонах. Наличие всех компонентов напряжений дает возможность более правильно назначать прочностные параметры материалов в сжатых элементах и в зонах передачи больших сосредоточенных нагрузок.

Учет перераспределения  усилий между вертикальными несущими элементами при пространственных расчетах позволяет более обоснованно  назначать нагрузки на фундаменты зданий, не допускать перенапряжения в фундаментных плитах вследствие перераспределения  нагрузок между отдельными стенами, что встречалось на практике, так  как проектирование фундаментов  традиционно выполнялось по условным грузовым площадям.

С освоением компьютерных технологий появилась возможность  моделировать испытания работы остовов  зданий, выявлять наглядную картину  поведения их конструкций, анализировать  особенности деформирования как отдельных участков стен, так и остова в целом, оценивать и дополнять данные натурных обследований, решать широкий круг оптимизационных задач.

Опираясь на результаты натурных обследований зданий и численные  исследования, Стройнаука выявила серьезные  недостатки в области проектирования каменных и монолитных зданий, а  также в соответствующих нормативных  документах.

Характерные недоработки проектных решений.

К наиболее значимым последствиям в анализируемых случаях  приводили следующие проектные  несовершенства.

Необоснованные  усложнения архитектурных форм, вызывающие ущербность конструктивных схем, несопоставимость поэтажных планировок, при которых  стены ослабляются из-за неблагоприятного расположения проемов, отверстий, ниш  и штраб, врезкой вентблоков. Нерегулярная система проемов и ослаблений по высоте зданий вызывает нежелательные в кладочных материалах срез, изгиб и растяжение. Не отвечают правилам конструирования принципы анкеровки многопустотных плит перекрытий.

Обычно ситуация усугубляется некорректным выбором  расчетных моделей и методов  расчета основных несущих элементов  зданий (неверной оценкой реальных жесткостей строительных конструкций  и узлов их сопряжения, недостаточно полным учетом физических и геометрических эксцентриситетов приложения нагрузок, неучетом стадийности загружения и  др.). Многократно встречались случаи неудачного решения зон передачи на кладку больших сосредоточенных  нагрузок, сопряжения с остовом незащищенных элементов типа стенок-балок, пилонов  большой жесткости и др. В практике проектирования остовов с такими элементами недопустимо использовать упрощенные приемы, при которых расчет сводится к проверке одного из прочностных  компонентов для условно вырезанных элементов. Сложное напряженное  состояние возникает в кирпичных  и монолитных зданиях при размещении за пределами наружных стен отдельно стоящих железобетонных или металлических  стоек с передачей на них нагрузок от консольно-нависающих этажей, эркеров, лоджий и т.п. Из-за разных температурных  деформаций в таких случаях обычно возникают трещины в опирающихся  на стойки стеновых конструкциях. На 15-этажном  жилом доме в г. Минске по этой причине образовались трещины в эркерах, опирающихся на внешние стойки.

При проектировании утеплённых стен допускаются многочисленные переходы от защищенных конструкций  к открытым, наличие "мостиков холода", применение открытых для резкого охлаждения (укорочения) конструкций, совместно работающих с утепленным остовом, а также применение трехслойных стен с жесткими связями. Трещины температурного происхождения, например, характерны для парапетов.

Неблагоприятное напряженно-деформированное состояние  возникает в зоне контакта холодных бетонных стен цоколя с утепленными  снаружи вышележащими стенами, даже при малой длине температурных блоков.

Часто дефекты  зданий связанны с недостаточной  проработкой в проектах вопросов стадийности возведения секций. Это  связано с некорректным учетом взаимного  влияния смежных зданий или их частей, возводимых со значительной разбежкой  по времени и поэтапным нагружением, применением ударных и вибрационных технологий при устройстве свайных  фундаментов, а также закладке котлованов вблизи построенных объектов без  должных защитных мероприятий.

К основным причинам систематических дефектов необходимо отнести и использование некачественных материалов ( например, кирпича и бетона недостаточной морозостойкости) либо использование материалов не по назначению, например применение прокладочного рубероида на картонной основе в качестве покровного слоя без дополнительной защиты. Недоработки такого типа являются следствием фрагментальных познаний нормативных требований и отсутствия доступной информационной базы на современных носителях.

Важнейшим отрицательным  фактором, многократно увеличивающим  расходы на эксплуатацию конструкций  и зданий в целом, является традиционное игнорирование приемов конструктивной защиты. Дефекты карнизов, отмосток, неорганизованный сброс воды со скатных  кровель (в том числе и на плоские  козырьки над входами). Отвод воды с кровли через лотки в парапетах. Некачественная гидроизоляция подвалов, отсутствие пароизоляции по внутренним поверхностям сантехнических помещений  и, наоборот, паронепроницаемая отделка  наружных поверхностей стен, систематические  дефекты устройства эксплуатируемых  крыш (под проездами, террасами и  др.). Традиционно низко качество защиты деревянных конструкций, устройства деформационных швов, примыканий кровель, заделки швов между панелями, антикоррозийной  защиты закладных и соединительных деталей, маслозащиты перекрытий и  др.

Несовершенства  нормативных документов.

Значительную  часть проектных дефектов порождают  недоработки нормативных документов. Основные недостатки норм проектирования каменных и армокаменных конструкций (СНиП II-22-81) [2] обусловлены применением упрощенных расчетов кладки без обязательного совместного учета основных факторов. (Так, при фактическом двухосном или трехосном напряженном состоянии расчет производится всего лишь на одноосное сжатие.) При этом допускается некорректное определение деформированного (и соответственно напряженного) состояния разнонагруженных сопряженных стен, а также недостаточно корректный учет температурных воздействий. Схожие просчеты присущи и к СНиП 2.08.01-85 [7].

Приведем несколько  примеров внутренних противоречий и  несовершенств СНиП II-22-81 [2] и пособия к нему.

Нормы проектирования каменных конструкций, с одной стороны, не допускают раскрытия трещин в  наиболее ответственных неармированных сжатых элементах, с другой стороны, содержат расчетные рекомендации, приводящие к большой вероятности образования  таких трещин. В нормах четко не отражено, к предельным состояниям какой группы следует относить расчеты  кладки на температурные воздействия. Не учитывается влияние температуры  в рекомендациях по расчету жестких  связей многослойных стен и т.д.