Категории технического состояния строительных объектов. Влияние дефектов и повреждений на техническое состояние конструктивных элементов

Оценка технического состояния строительных конструкций или объекта в целом производится на основе сопоставления фактических значений количественно оцениваемых признаков, полученных в результате технического обследования строительных объектов, со значениями этих же признаков, установленных нормами на проектирование.

Техническое состояние обследуемых строительных конструкций и объекта в целом может быть отнесено к одной из четырех категорий технического состояния (таб.1.2.1). При этом критерии категорий технического состояния определены нормами [3].

Таблица 1.2.1

Проектирование строительных, в частности, железобетонных конструкций выполняется в соответствии с указаниями, приведенными в [1]. Прочностные расчеты ведутся по алгоритмам, соответствующим виду напряженного состояния конструкции: изгиб, сжатие, растяжение. Алгоритм прочностных расчетов реализуют путем расчета по предельным состояниям первой группы. Выход за предельное состояние применительно к прочностным расчетам приводит к разрушению конструкции. Однако следует отметить, что при этом запроектированная конструкция находится в нормальном, а не предаварийном состоянии, так как прочностные расчеты проводятся с учетом коэффициентов надежности (запаса).

Коэффициенты надежности при проведении расчетов вводятся:

к прочностным характеристикам материалов: коэффициент надежности по бетону (тяжелому) при сжатии g_b=1,3 и при растяжении g_bt=1,5; коэффициент надежности по арматуре g_s=1,15;

к нагрузкам: коэффициент надежности по ответственности зданий и сооружений g_n (определяется заявленным уровнем ответственности, относится ко всем нагрузкам), коэффициент надежности по нагрузке (определяется видом нагрузки), среднее значение g_f,сред.=1,15.

Для учета условий работы бетона при проведении расчетов бетонных и железобетонных конструкций применяются коэффициенты g_bi, приведенные в таблице 1.2.2.

Таблица 1.2.2

Таким образом, в начале эксплуатации конструктивные элементы, рассчитанные по строительным нормам, имеют определенный конструктивный запас, основанный на учете при проведении прочностных расчетов коэффициентов надежности. Дефекты и повреждения, возникающие в конструктивных элементах при эксплуатации, влияют на надежность конструкций и могут привести к изменению технического состояния конструктивных элементов с нормального на аварийное.

Дефекты и повреждения конструктивных элементов могут возникнуть от силовых воздействий и от воздействия внешней среды.

Для изгибаемого элемента характерно наличие двух усилий - изгибающего момента М и поперечной силы Q (рис 1.2.1). При выполнении прочностных расчетов изгибаемых элементов рассматриваются нормальное и наклонное сечения, в которых соответственно момент и поперечная сила достигают своих максимальных значений. Для балки, приведенной на рисунке 1.2.1, нормальное сечение будет располагаться в середине пролета. Местоположение наклонного сечения - у опор балки.

Целью выполнения прочностных расчетов изгибаемых железобетонных конструкций при проектировании является подбор продольной рабочей арматуры A_s, которая вместе с бетоном обеспечивает прочность нормального сечения, а также поперечной рабочей арматуры A_sw, которая вместе с бетоном обеспечивают прочность наклонного сечения. Расчеты железобетонных конструкций, выполняемые при проведении обследования, носят проверочный характер.

Особенности работы железобетонной балки, свободно опертой и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, показаны на рисунке 1.2.1. Стадии разрушения балки по нормальному сечению, условия появления и характер развития трещин, а также смещение по высоте сечения нейтральной оси и изменение высоты сжатой зоны бетона в нормальном сечении балки приведены на рисунке 1.2.2.

Рис.1.2.1. Работа железобетонной балки перекрытия под действием равномерно распределенной нагрузки. Расчетная схема, усилия и армирование железобетонной балки

На начальной стадии нагружения (рис.1.2.2а) деформации в бетоне изгибаемой балки носят упругий характер. Эпюра напряжений в сжатой и растянутой зонах сечения сначала является треугольной. Затем, по мере увеличения нагрузки, в растянутой зоне развиваются пластические деформации. Эпюра растягивающих напряжений становится криволинейной. Трещины в растянутой зоне сечения не будут образовываться, пока растягивающие напряжения в бетоне s_bt не достигнут своих максимально допустимых значений, которые зависят от класса бетона.

Для промежуточной стадии нагружения (рис.1.2.2б) характерно появление и развитие трещин в растянутой зоне сечения. При этом в растянутой зоне сечения, в основном, работает арматура (s_s - напряжение в растянутой арматуре).

В финальной стадии напряженного состояния (рис.1.2.2в) внешняя нагрузка воспринимается бетоном сжатой зоны и арматурой, установленной в растянутой зоне сечения. Подбор арматуры в изгибаемом элементе производится из условия равенства равнодействующей сжимающих усилий в бетоне и равнодействующей растягивающих усилий в арматуре. Трещины в растянутой зоне достигают нейтральной оси. В бетоне сжатой зоны также появляются трещины, свидетельствующие о разрушении бетона. При установке продольной арматуры с запасом, напряжения в сжатом бетоне s_b достигает максимума, в то время как напряжения в растянутой арматуре s_s максимальных значений не достигают. В результате такой ситуации напряжения в сжатом бетоне s_b продолжают возрастать, что приводит к раздроблению бетона сжатой зоны.

Рис.1.2.2. Стадии напряженного состояния изгибаемой железобетонной балки по нормальному сечению: а - начальная; б - промежуточная; в - финальная

По-другому разрушается консольная изгибаемая конструкция. Например, разрушение балконной плиты будет происходить по нормальному сечению у опоры, трещины появятся на верхней грани плиты.

На рисунке 1.2.3 показаны армирование и трещины, возникающие при разрушении коротких консолей колонн [13]. Разрушение коротких консолей связано с появлением трещин, вызванных действием момента (рис. 1.2.3б, позиция 1) и поперечной силы (рис. 1.2.3б, позиция 2). Продольная и поперечная арматура консоли (рис. 1.2.3а) препятствуют появлению и развитию трещин поз.1 и трещин поз.2, соответственно.

Рис.1.2.3. Армирование (а) и трещины при разрушении (б) коротких консолей: 1 - трещины, вызванные действием момента, 2 - трещины, вызванные действием поперечной силы.

Прочностные расчеты центрально сжатых элементов выполняются для определения количества продольной рабочей арматуры А_s,tot, которая вместе с бетоном сечения обеспечивает прочность железобетонного элемента (рис.1.2.4, сечение 1-1). Для предотвращения выпучивания продольной рабочей арматуры устанавливается поперечная конструктивная арматура (хомуты).

На рисунке 1.2.4 приведена схема расположения сборных железобетонных колонн в пределах высоты здания. Стык колонн с ригелем - шарнирный. К нижней колонне при выполнении прочностного расчета прикладываются: нагрузки от покрытия Р₁ и двух перекрытий Р₂. Учитывается также собственный вес всех колонн. При проведении расчета колонна рассматривается как центрально сжатая. Трещины при разрушении нижней колонны показаны на рисунке 1.2.4, позиция 1. Другой вариант развития трещин при разрушении колонны приведен на рисунке 1.2.4. позиция 2. Продольная сила, сжимающая колонну, приводит к образованию трещин, которые указывают на снижение ее несущей способности.

Рис.1.2.4. Схема расположения, нагрузки, трещины при разрушении (поз.1 и 2) и армирование (сечение 1-1) нижней колонны каркасного здания, выполненного из сборного железобетона

Для внецентренно сжатого элемента характерно наличие двух усилий - продольной сжимающей силы N и изгибающего момента М.

При действии в поперечном сечении элемента усилий N и М сжатой оказывается только часть сечения колонны (рис.1.2.5, сечение 1-1). В связи с чем, продольная рабочая арматура колонны испытывает как сжатие (A_s^'), так и растяжение (A_s). При этом A_s= As', так как для внецентренно сжатых элементов обычно выбирается симметричное армирование. Поперечная арматура в колонне устанавливается конструктивно для предотвращения выпучивания сжатых стержней продольной арматуры. Для внецентренно сжатых колонн назначается прямоугольное сечение, вытянутое в направлении действия момента (h>b). При применении вязаной арматуры и h>500 мм должны устанавливаться дополнительные продольные арматурные стержни.

Картина трещинообразования при разрушении внецентренно сжатой железобетонной колонны в составе монолитной рамы представлена на рисунке 1.2.5 (поз.1 и 2). При приложении и последующем росте нагрузки, со стороны растянутых волокон внецентренно сжатого элемента образуются трещины, которые развиваются и доходят до сжатой зоны сечения элемента. В сжатой зоне сечения появляются трещины (поз.1), имеет также место раздробление бетона (поз.2)

Рис.1.2.5. Армирование (сечение 1-1) и трещины при разрушении (поз. 1 и 2) внецентренно сжатой железобетонной колонны монолитной рамы

Применение железобетонных конструкций для восприятия только растягивающих усилий ограничено из-за низкой сопротивляемости бетона растяжению, однако растянутые элементы в составе железобетонных конструкций имеют место. Например, нижний пояс стропильной фермы являются центрально растянутым конструктивным элементом фермы.

При работе центрально-растянутого элемента приложенная сила N воспринимается продольной арматурой А_s,tot, , бетон при определении несущей способности конструктивного элемента не учитывается.

На рисунке 1.2.6 приведено армирование (сечение 1-1) и трещины при разрушении центрально растянутого железобетонного элемента

Рис.1.2.6. Армирование (сечение 1-1) и трещины при разрушении центрально растянутого железобетонного элемента

Железобетон относится к комплексным строительным материалам, и без обеспечения надежной совместной работы арматуры и бетона железобетонные конструкции не могут работать эффективно. На величину сцепления арматуры с бетоном отрицательно влияют загрязнение арматуры, несоблюдение конструктивных требований, в том числе к толщине защитного слоя бетона.

Бетон является неоднородным по структуре строительным материалом, состоящим из гранул пески и щебня, соединенных между собой цементным камнем. Цементный камень характеризуется наличием многочисленных пор, капилляров и микротрещин, образующихся при его твердении. Как правило, к моменту приложения нагрузки бетон имеет развитую систему пор, капилляров и усадочных микротрещин, которая и является отправной точкой в развитии трещин при силовых и несиловых воздействиях на конструктивные элементы зданий и сооружений.

На рисунке 1.2.7 показано разрушение консольной железобетонной плиты козырька над входом в здание, произошедшее в результате воздействия внешней среды.

Рис. 1.2.7. Разрушение консольной железобетонной плиты козырька над входом в здание

Замерзание и оттаивание воды, скопившейся в порах и трещинах бетона, способствует разрушению плиты. Результатом процессов карбонизации, происходящих при воздействии на бетон плиты дождевой воды, является коррозия арматуры. При этом объем заржавевшей стали увеличивается по сравнению с объемом той же стали, незатронутой коррозией, что вызывает механическое отторжение защитного слоя от поверхности арматуры [14]. Негативное воздействие на балконную плиту также оказывает перепад температур наружного воздуха и нагрев конструкции вследствие интенсивной солнечной радиации.

В соответствии со строительными нормами [15] после изготовления на поверхности сборных железобетонных конструкций допускается наличие ограниченных по ширине (0,1...0,2 мм) технологических трещин, также допускаются раковины, отколы бетона, местные наплывы, но их количество и размеры нормируются для установленных категорий поверхностей (А0...А7).

Следует отметить, что трещины, ограниченные по ширине раскрытия, не оказывают существенного влияния на работу железобетонных конструкций. В таблице 1.2.2 показано, что предельно допустимая ширина раскрытия трещин a_crc для железобетонных конструкций составляет 0,1...0,4 мм. Такие трещины являются волосяными и мало различимы при осмотре железобетонных конструкций.

При определении деформаций значения предельно допустимых прогибов железобетонных конструкций f_ult, в основном назначаются, исходя из эстетико-психологических требований [таб.1.2.3], соблюдение которых обеспечивает благоприятное впечатление от внешнего вида конструкции и отсутствие ощущение опасности, возникающей от видимого прогиба конструкций.

При обследовании конструктивных элементов зданий, находящихся в аварийном состоянии, важно правильно оценить тип разрушения. Он может быть сопряжен с постепенным нарастанием деформаций и перераспределением усилий или может характеризоваться как быстрое (хрупкое) разрушение.

При применении арматурных сталей, имеющих площадку текучести (мягких сталей) - разрушение происходит по первому типу, высокопрочной арматуры - по второму.

Таблица 1.2.2

Таблица 1.2.3

Визуальную оценку снижения несущей способности обследуемых железобетонных конструкций можно произвести по виду дефектов и повреждений в соответствии с их классификацией в [3].

Так, волосяные трещины, появившиеся при изготовлении сборных железобетонных конструкций (в основном на наружной поверхности) не влияют на несущую способность конструкции, но могут снизить ее долговечность.

При возведении монолитных железобетонных конструкций в условиях стеснения деформаций (в опалубке) температурно-усадочные усилия могут приводить (непосредственно после снятия опалубки или спустя некоторое время) к появлению трещин силового характера. При ширине раскрытия трещин больше допустимой снижается долговечность, жесткость и прочность монолитных конструкций.

Сколы бетона, возникающие при механических воздействиях на конструктивный элемент, не снижают его несущую способность, если они расположены в растянутой зоне. При расположении сколов в сжатой зоне уменьшается площадь ее сечения и, соответственно, снижается несущая способность конструкции.

Промасливание бетона при технических утечках маслянистых материалов снижает несущую способность конструкции (снижение прочности бетона до 30%).

Определенное снижение несущей способности сборных железобетонных конструкций может также наступить при уменьшении размеров площадок опирания конструкций по сравнению с проектными.

Отслоение защитного слоя бетона из-за коррозии арматуры снижает прочность нормальных сечений конструктивного элемента, а при расположении дефектов на опорном участке переводит состояние конструкции в аварийное.

О снижении несущей способности в связи с перегрузкой конструкций могут свидетельствовать:

o нормальные трещины в изгибаемых конструкциях и в растянутых элементах конструкций, ширина раскрытие которых превышает допустимые значения (см. таб. 1.2.2);

o наклонные трещины, в том числе со смещением участков бетона относительно друг друга, с разрывами или смещениями поперечной арматуры в зоне наклонных трещин;

o вертикальные прогибы железобетонных конструкций, превышающие допустимые (см. таб.1.2.3).

Аварийное состояние сборных железобетонных конструкций может наступить при повреждениях в стыках сборных элементов зданий и сооружений: отрыве анкеров от пластин закладных деталей, деформации соединительных элементов и др.

Свои особенности разрушения имеют каменные и армокаменные конструкции. К каменным конструкциям, прежде всего, относятся вертикальные несущие конструкции зданий: столбы и стены.

Поведение каменных и армокаменных конструкций под нагрузкой определяется многими факторами, и, прежде всего тем обстоятельством, что каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней (кирпичей) и швов, заполненных раствором. В армокаменных конструкциях неоднородность усиливается наличием арматуры.

Характер разрушения кладки и степень влияния многочисленных факторов на ее прочность объясняются особенностями ее напряженного состояния при сжатии. Разрушение кирпичной кладки при сжатии начинается с появления отдельных вертикальных трещин (см. рис.1.2.8а). Затем при увеличении нагрузки увеличивается длина и ширина раскрытия отдельных трещин (рис. 1.2.8б).

При дальнейшем нагружении кладки количество местных вертикальных трещин увеличивается, они постепенно объединяются и образуют трещины большой протяженности. В результате этого кладка разделяется на отдельные столбики, которые затем разрушаются вследствие возникновения в сечении эксцентриситетов, продольного изгиба и раздробления отдельных кирпичей (рис.1.2.8в).

Рис.1.2.8. Характер развития трещин в сжатой кирпичной кладке [13]: а - малоразвитые трещины, б - увеличивается длина и ширина раскрытия отдельных трещин, в - трещины при разрушении

Арматурные сетки, размещенные в горизонтальных швах кладки, препятствуют ее поперечному расширению и тем самым значительно увеличивают прочность кирпичной кладки.

На прочность кладки при сжатии влияют прочность камня, размеры камня, правильность формы камня, наличие пустот в пустотелых камнях, прочность раствора, удобоукладываемость раствора, деформативные свойства затвердевшего раствора, качество кладки, система перевязки кладки, степень сцепления раствора с камнем, степень заполнения раствором швов кладки. В таблице 1.2.4 описано влияние перечисленных факторов на прочность кладки.

Таблица 1.2.4

Оценка несущей способности эксплуатируемых армированных и неармированных каменных конструкций производится по результатам обследования. При этом должно быть учтено наличие факторов, снижающих несущую способность конструкций. Такими факторами могут быть: трещины; разрушение поверхностного слоя кладки из-за атмосферных воздействий;

механические повреждения;

наличие эксцентриситетов, вызванных отклонением стен и столбов от вертикали или при их выпучивании из плоскости;

нарушение конструктивных связей между стенами вследствие образования вертикальных трещин в местах сопряжения стен или при разрыве поперечных связей между стенами, колоннами и перекрытиями каркаса;

повреждение опор балок и перемычек;

смещение элементов покрытий и перекрытий на опорах.

В [17] приведены табличные коэффициенты снижения несущей способности каменных конструкций К_тр£1, которые необходимо учитывать при оценке несущей способности конструкций: при наличии трещин; при повреждении кладки опор балок, ферм, перемычек; при повреждении кладки стен и столбов при пожаре.

Снижение долговечности в процессе эксплуатации в большей мере касается наружных стен зданий.

Стены из полнотелого кирпича обычно не требуют специальной дополнительной защиты от атмосферных осадков. Эта функция должна выполняться конструкцией стены, самим сечением стены при достаточной ее толщине и аккумулятивной способности.

Считается, что толщина стены не менее 38 см при нормальном воздействии осадков исключает увлажнение (промокание) всего сечения стены. Следует учитывать, что кирпич сухого прессования имеет сеть капилляров, сообщающихся между собой и открытых с его поверхности. Такой кирпич быстро насыщается водой. Кирпич пластического прессования имеет поры закрытые и поэтому медленно впитывает влагу. Однако основной проникающий поток влаги идет не по капиллярам, а по трещинам и пустотам, которые имеются в кирпиче и тем более в растворе кирпичной кладки. Хотя капиллярный подсос способствует проникновению влаги в толщу стены, в то же время он благоприятствует и непрерывному высыханию стены. Если кирпичная стена ориентирована на господствующее направление косого дождя, особенно на открытой местности, то при затяжных осадках в условиях постоянного притока влаги может увлажняться внутренняя поверхность стен, на которой появляется плесень, грибок, скопление пыли, сопровождаемые отслоением штукатурки и обоев. Этот процесс усиливается при высокой относительной влажности воздуха внутри здания.

Кирпичные стены являются проницаемыми для влаги, которая может быть в виде жидкости или пара. Важным обстоятельством является беспрепятственная диффузия влаги. Каменная кладка - неоднородна, раствор для кладки обычно имеет более плотный состав, чем кирпич, поэтому в местах их соприкосновения в кирпиче скапливается влага. Скапливание влаги может также происходить в местах соприкосновения камней кирпичной кладки с облицовочным слоем, либо теплоизоляционным слоем из легкого бетона, так как эти материалы имеют неодинаковую водопоглощающую способностью и капиллярную проводимость.

При применении облегченной кладки наружных стен теплоизоляционный слой может располагаться снаружи, между двумя массивными слоями, либо с внутренней стороны стены. Если утепляющий слой расположен на внутренней поверхности стены, то зимой при большой влажности в помещении возникает опасность увлажнения, как материала стены, так и самого утеплителя.

Слои теплоизоляции почти бесполезны, если они увлажнены. Они должны быть водостойки и долговечны. Если теплоизоляционный слой расположен внутри стены, то это обстоятельство «сводит на нет» хорошую теплоаккумулирующую способность массивной стены. В этом случае наружный слой стены (из-за меньшей своей толщины по сравнению со сплошной стеной) хуже реагирует не температурно-влажностные воздействия: наружный слой может намокать и деформироваться. Для предотвращения намокания утеплителя между ним и наружным слоем стены следует предусматривать вентилируемую воздушную прослойку.

Расположение теплоизоляционного слоя с наружной стороны стен является лучшим вариантом расположения утеплителя по сечению стены. В этом случае внутренние помещения и конструкции здания лучше защищены от колебаний температуры, но проблемы защиты самого утеплителя от увлажнения во многих случаях заставляют отказываться от этого варианта.

Бетонные стеновые камни на шлаковом, известковом и гипсовом вяжущем, как и силикатные камни и кирпич, мало устойчивы во влажной среде, тем более при действии отрицательных температур.

Для достижения долговечности наружных стен из пустотелых поризованных камней или ячеистых блоков необходимо выполнять наружную штукатурку или устраивать облицовку из кирпича. Нормами рекомендуется перевязка облицовки, жестко связанной с кладкой тычковыми рядами. В этом случае наружный слой кроме обеспечения более надежного (по сравнению с применением гибких связей) сопряжения стены и облицовки рассматривается в качестве несущего слоя. Применение стен из пустотелых поризованных каменей, ячеистых блоков не допускается для цоколей и стен подвалов.

Определенной проблемой для наружных стен здания, выполненных из кирпича или имеющих в своем составе защитную кирпичную стенку, является появление на поверхности стен высолов. Высолы на поверхности не только ухудшают внешний вид стен, но и способствуют разрушению кладки.

Причинами разрушения несущих каменных стен могут быть неравномерные осадки основания зданий и сооружений. На рисунке 1.2.9 показаны характерные трещины в каменных стенах, связанные с осадками основания.

Рис.1.2.9. Характерные трещины в каменных стенах зданий от осадки основания [13]: 1 - слабый грунт, 2 - котлован, 3 - жесткое включение значительных размеров, 4 - новое здание, 5 - существующее здание, 6 - шов примыкания.

При выявлении в ходе обследования технического состояния здания дефектов, указывающих на снижение несущей способности основания зданий и сооружений требуется привлечение специалиста по основаниям, с тем чтобы правильно и полно учесть техническое состояние грунтов основания.

На рисунке 1.2.10 показано конструктивное решение железобетонного монолитного столбчатого фундамента (фундамента мелкого заложения) под колонну каркасного здания и дефекты, которые для него характерны [13].

Рис.1.2.10. Конструктивное решение и дефекты монолитного железобетонного столбчатого фундамента: 1 - трещина в подколонной (стаканной) части, 2 - трещина от изгиба нижней ступени, 3 - разрушение ступеней фундамента в следствии коррозии бетона и арматуры (действие агрессивных грунтовых вод)

Конструктивными элементами столбчатого фундамента являются ступенчатая фундаментная плиты и подколонник.

При проведении расчета считается, что выступающие за пределы подколонника участки фундаментной плиты изгибаются под действием давления грунта. Расчетная схема – консоль. Рассматриваются изгиб нижней ступени, а также изгиб консоли из двух ступеней. Фундаментная плита армируется сеткой, установленной у нижней растянутой грани плиты. Разрушение плиты будет происходить по нормальному сечению в заделке консолей, трещины будут появляться на нижней грани плиты.

Подколонник работает и армируется как центрально (внецентренно) сжатый элемент.

При опирании на монолитный железобетонный фундамент стальной колонны, ее сопряжение с фундаментом выполняется с использованием анкерных болтов. В этом случае трещины разрушения идут вдоль анкерных болтов.