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

Нормы разрешают  не учитывать влияние температуры  на стадии возведения объектов и при  вводе их в эксплуатацию. В то же время температурные повреждения  конструкций чаще происходят именно на стадии возведения объектов, а их влияние сказывается в основном на стадии эксплуатации.

Например, выявлена закономерность образования и раскрытия  трещин в местах опирания на кирпичную  кладку длинномерных железобетонных элементов  из-за их укорочения при резком похолодании.

Такие трещины  можно наблюдать в кирпичной  кладке под плитами лоджий.

Отмеченный факт подтверждает недорабоки проектов и  нормативной документации и свидетельствует  о пониженной надежности кирпичных  зданий в результате массовых температурных  повреждений кирпичной кладки в  зонах опирания длинномерных элементов.

В примерах по проектированию каменных и монолитных зданий не содержится указаний по проведению расчетов конструкций  на температурные воздействия в  вертикальном направлении. Однако именно вертикальные температурные деформации являются основной причиной характерных  повреждений монолитных домов из керамзитобетона.

В нормах содержатся расчетные и конструктивные рекомендации, направленные на обеспечение совместной работы элементов в зонах сопряжения разнонагруженных стен многоэтажных зданий. Однако нормативная методика базируется на условном разделении смежных стен и сопоставлении свободных деформаций каждого участка при действии только вертикальных нагрузок. Точность такой методики невелика. Значительно  более высокую точность дает пространственный конечноэлементный расчет с одновременным  учетом температурных воздействий. Оценка уровней касательных и  растягивающих напряжений в стенах позволяет адресно назначать  кладочное армирование и параметры  поясов жесткости.

В нормативных  документах недостаточно корректно  изложены конструктивные требования к  учету шага поперечного армирования  кладки. Максимальный шаг арматурных сеток не увязан с толщиной стен. Не содержатся указания по размещению верхней и нижней сеток в армируемых элементах. Для обеспечения требуемых  значений расчетных сопротивлений  армированной кладки следует шаг  поперечных арматурных сеток назначать  не более минимального поперечного размера армируемого элемента и предусматривать обязательную укладку арматурных сеток как под, так и над опорами плит перекрытий, прогонов, перемычек других железобетонных пролетных конструкций.

 

 

 

С учетом вышеизложенного  разработаны и апробированы уточнения  нормативной методики расчетов, которые  могут быть предложены для внесения в качестве дополнений к нормативной  документации.

 

Недостатки  ведения строительных работ и  эксплуатации.

Значительное  снижение нормируемого уровня надежности строительных объектов вплоть до создания аварийных ситуаций обусловлено  дефектами изготовления, транспортировки  и монтажа конструкций.

Чаще нарушаются геометрические допуски изготовления и монтажа строительных элементов, происходят несвоевременная установка  связей и сварка арматурных выпусков железобетонных изделий, нарушение  проектного армирования, завышается водоцементное  соотношение бетона, вследствие чего занижаются его прочностные характеристики, допускается укладка раствора после  схватывания. Характерными являются нарушения  выполнения антикоррозионной защиты конструкций, их консервации на период технологических  перерывов и т.д.

Среди причин неудовлетворительного  качества строительства следует  выделить проблему низкой морозостойкости  материалов. Бетоны практически не заказываются и не контролируются по морозостойкости. Кирпич выпускается  с морозостойкостью, примерно в 2 раза ниже среднеевропейского уровня. В  основном из-за этого требуют повышенных эксплуатационных расходов практически  все ранее облицованные фасадные поверхности.

Много проблем  возникает при выполнении зимней кладки методом замораживания. Велика вероятность чрезмерных поворотов  консольно защемленных в кладке элементов в момент ее оттаивания, поэтому консольные элементы до полного  набора прочности кладки требуют  страховки. Имеют место факты  игнорирования тепловой защиты монолитного  бетона при его электропрогреве в зимних условиях.

В последние годы заметна заинтересованность строителей в повышении качества возводимых объектов. Ряд научно исследовательских  работ выполнено по заказам КПП "Минск-промстрой", Минскпроекта, Минскстроя. Существенную организационную  роль в исследованиях по выявлению и устранению строительных дефектов внесло Управление Госстройнадзора и Комитет по надзору за ведением строительных работ.

С усложнением  строительных обьектов повышается вероятность  существенных повреждений вследствие нарушений нормальных условий их эксплуатации. В последнее время  участились случаи перепланировки квартир  многоэтажных зданий с удалением  части несущих конструкций, порой  без предшествующего обследования и квалифицированной расчетной  оценки возможности таких реконструкций. Такие действия могут привести к  самым серьезным последствиям.

Наибольшую опасность  представляет неблагоприятное сочетание  проектных ошибок с дефектами  выполнения строительно-монтажных  работ и нарушениями условий  эксплуатации зданий.

 

 

 

 

 

Выводы

Практически все  обследованные кирпичные и монолитные дома выше 9 этажей имели пониженную эксплуатационную надежность. На ряде объектов выявлены повреждения и  недопустимые дефекты стеновых конструкций, как правило, вызванные чрезмерными  деформациями (как вертикальными, так  и  горизонтальными) преимущественно температурной природы. Неудачные решения применяются порой многие годы. Сложившаяся ситуация указывает на необходимость значительно повысить качество проектирования, экспертизы проектов и выполнения строительно-монтажных работ. В связи с изложенным на данном этапе рекомендуется следующее.

Расчет зданий с кирпичными и монолитными стенами  необходимо выполнять в пространственной постановке задачи с учетом температурных  воздействий. При проектировании зданий свыше 5 этажей не следует применять  упрощенные способы расчета, как  это предлагается, например, в пособиях к СНиП II-22-81 [2] и к СНиП 2.08.01-85 [7].

Для определения  деформаций, усилий и напряжений в  элементах зданий рекомендуется  применять метод конечных элементов  с использованием апробированных предложений  по оценке жесткостных характеристик  основных элементов.

При прочностных  расчетах элементов монолитных и  кирпичных зданий рекомендуется  использовать критерии прочности материалов, соответствующие сложнонапряженному состоянию (двухосному).

Целесообразно ввести в практику проектирования ответственных  объектов анализ напряженно-деформированного состояния их конструктивных систем в целом, с использованием современных  компьютерных технологий для "испытаний "уже на стадии проектирования работы остова, что позволит оптимизировать принимаемые конструктивные решения  и повысить их надежность.

Для зданий повышенной этажности не следует применять  конструктивные решения трехслойных  стен с "жесткими связями", а также  наружных стен с расположением эффективного утеплителя на их внутренней поверхности.

Необходимо пересмотреть принципы проектирования кирпичных  остовов с целью уменьшения эффекта  разнонагруженности стен или повышения  сдвиговой жесткости зон сопряжения таких стен за счет увеличения кладочного армирования на верхних этажах и  др., назначать расположение и армирование  железобетонных поясов жесткости не из конструктивных соображений, а по расчету.

Остро назрела  необходимость доработать рекомендации по защите строительных конструкций  от размораживания и коррозии с учетом достигнутых технологий в этой области.

До внесения изменений  в нормативные документы оправданной  мерой представляется ограничение  этажности и размеров температурных  блоков кирпичных и монолитных зданий.

3. Осадка зданий

Осадка зданий - перемещения здания в процессе строительства и эксплуатации, связанные с изменениями в грунтах оснований фундаментов. Нормативные документы регламентируют предельно допустимые вертикальные осадки зданий и неравномерные перемещения разных частей зданий (табл.3).

 
Табл.3. Предельно допустимые осадочные деформации

В процессе строительства  на песчаных грунтах обычно достигается 70-80% нормативной величины осадки зданий, на глинистых грунтах - 25-40%. Остальная  часть осадки зданий происходит в  период эксплуатации (более интенсивно у зданий на песчаных грунтах, достаточно медленно во времени - на глинистых  грунтах). Осадка оснований фундаментов  как системы, состоящей из отдельных  элементов, вызывается отказом одного или нескольких элементов, при этом наиболее опасны факторы, вызывающие внезапные  отказы.

Осадку  зданий может вызвать взаимодействие следующих факторов: 
- воздействие окружающей среды (агрессия, вибрация, морозное пучение, землетрясение, увлажнение, набухание грунта и другие); отклонение от требований СНиП и ТУ по изготовлению, перевозке конструкций, монтажу, забивке свай, хранению, эксплуатации, контролю качества и несущей способности и другие; 
- неправильные исходные данные (неточность расчета, неправильное определение характеристик грунта и другие), функциональные воздействия (расположенные рядом существующие здания, сваи или фундаменты, ограниченность площадки строительства и другие).

Осадочные трещины  в конструкциях зданий, как правило, возникают лишь при неравномерных  осадках. Различают следующие виды неравномерных осадок зданий (рис. 1): прогиб (а), выгиб (б), кручение (в), перенос (г). Причинами этих деформаций могут быть: неравномерность удельного давления на грунты оснований под подошвой фундаментов; неоднородность и разнопрочность грунтов оснований; неоднородность сжимаемости из-за различных факторов

 

(например, наличие  жесткости включений карстовых  или других пустот, местное замачивание  лессовых или оттаивание вечномерзлых  грунтов и т.д.); влияние горных  выработок (подработок) или отрывка  открытых котлованов и траншей  вблизи здания; влияние вибрации (например, забивка свай в непосредственной  близости от здания).

 
Рис.1. Схема неравномерных осадок зданий

 
Рис.2. Осадочные трещины

При обследовании деформированных зданий составляют чертежи и выполняют фотоснимки, характеризующие расположение трещин (рис.2) и других деформаций, их размер и развитие, характер раскрытия трещин (кверху или книзу), расположение поперечных стен, расчленение здания трещинами на блоки и условия устойчивости отдельных блоков. Деформации прогиба, выгиба и перекоса часто вызываются различными модулями деформаций грунтов под разными участками зданий. При прогибе трещины концентрируются у фундамента и расширяются книзу. Они угасают к подоконникам первого этажа (реже второго). При выгибе трещины образуются в карнизе. Их количество и раскрытие уменьшаются книзу. Обычно прогиб здания менее опасен, чем выгиб. При прогибе здание почти никогда не теряет общей связи и не разламывается, не появляются опасные отдельно стоящие блоки.

В практике эксплуатации зданий (особенно старых кирпичных) наиболее часто наблюдается выгиб, что  объясняется перегрузкой продольных стен наиболее тяжелыми торцевыми (часто  глухими) стенами. Устройство в зданиях  арочных проездов у торцов еще  больше способствует этому явлению.

При изгибе стены (в ее плоскости) вследствие неравномерной осадки возникают  трещины. По гипотезе наибольших касательных  напряжений (О.Мор) первичные поверхностные  разрушения всегда обнаруживают признаки сдвига. Эти поверхности всегда покрыты  мельчайшей пылью, в то время как  вторичные поверхности, обусловленные  разрывом, обладают гладкой и твердой  поверхностью. Наклонные трещины  в стенах, цоколе, фундаменте с одинаковыми  направлениями и раскрытием являются действием поперечных сил, а не изгибающих моментов. При изгибе трещины имеют  форму параболы, причем при внезапных  сильных осадках парабола имеет  большую величину оси по сравнению  с хордой. По наклону трещин нетрудно судить, какая часть здания оседает.

Зависимости относительного прогиба стен и максимального  угла поворота определяют условия и  возможности появления трещин в  кирпичных зданиях при неравномерных  осадках. Осадку зданий можно классифицировать и по степени ответственности последствий (табл.4).

Табл.4. Осадка зданий по степени ответственности последствий.

Беспроводное  решение для мониторинга осадки зданий.

Британская компания BOX Telematics специализируется на создании автоматизированных систем и имеет  большой опыт в разработке беспроводных решений для рынков М2М (Machine-to-Machine), мобильной телематики и телеметрии. Сегодня в этой области BOXTelematics признана одним из ведущих британских поставщиков. Необходимость мониторинга осадки зданий дала возможность специалистам компании еще раз применить свой опыт для создания автоматизированных систем контроля.

Для того чтобы  своевременно обнаружить эти нежелательные  явления, принять необходимые меры и избежать серьезного ущерба, приходится регулярно вызывать дорогостоящих  специалистов для проведения измерений, которые требуют больших затрат времени и средств. Однако подобные инспекции возможны не чаще одного раза в неделю, а этого недостаточно для

 

того, чтобы вовремя  заметить опасные изменения. Решением проблемы могла бы стать автоматизированная система мониторинга здания (рис. 3).

Рис. 3. Схема решения для мониторинга здания

Требования  к проекту

 

Для создания работающей автоматизированный системы мониторинга осадки здания, сертифицированной для применения в Великобритании и Европе в целом необходимо, чтобы: