Бетонные и железобетонные конструкции

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В процессе возведения и  эксплуатации зданий и сооружений наблюдаются  случаи, когда в несущих бетонных и железобетонных конструкциях возникают  недопустимые прогибы, трещины, повреждения. Эти явления вызваны либо отклонениями от требований проекта при изготовлении и монтаже этих конструкций, либо ошибками при их проектировании. При  этом необходимо выявить и оценить  фактическое состояние конструкции, установить причины повреждений, определить реальную прочность, трещиностойкость и жесткость конструкции с  целью принятия решения о необходимости  и рациональности способов усиления конструкций.

Реконструкция производства и модернизация технологических  процессов связаны с изменением нагрузок на конструкцию. Правильная оценка несущей способности конструкций  и разработка рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации возможны только в результате детального натурного обследования, в процессе которого рассматриваются  конструктивные особенности, состояние  и специфика работы конструкции  в условиях эксплуатации.

Из-за отсутствия общепринятых методических указаний обследования часто  проводятся без специальных программ и основываются, главным образом, на личном опыте обследователей, использующих в работе лишь рекомендации разрозненных публикаций. При этом могут быть упущены некоторые вопросы, характеризующие  рабочее состояние исследуемой  конструкции.

Решения, принятые на основании  недостаточных обследований, могут  быть ошибочны и могут не дать ожидаемого положительного результата или даже привести к ухудшению состояния  конструкции. Неопытные обследователи в своих решениях идут по пути заведомой перестраховки, что приводит к необоснованным затратам значительных средств на выполнение нерациональных или ненужных усилений.

Сложно составить единую методику обследования, которая подходила  бы для всех видов бетонных и железобетонных конструкций и охватывала бы все  возможные в практике случаи. Однако существует ряд вопросов, подлежащих обязательному выяснению при  проведении обследования любых бетонных и железобетонных конструкций. Поэтому  следует придерживаться такой программы, соблюдение которой будет способствовать достаточно полному отражению существа вопроса и поможет избежать грубых упущений.

Предлагаемая обобщенная программа натурного обследования предусматривает узловые моменты  обследования любой бетонной и железобетонной конструкции с пояснением методики проведения работ в обычной практике. На основании этой программы могут  быть разработаны частные методические указания, учитывающие специфику  обследования конкретных видов конструкций.

Практика обследования показывает, что отдельные этапы программы  в ходе работы могут выполняться  не в указанном порядке, а одновременно. Например, прочность бетона, фактическое  армирование и величины нагрузок часто определяются одновременно с  составлением ведомостей дефектов. Кроме  того, по ходу обследования рекомендуется  проводить предварительные расчеты  на основании расчетных и действительных характеристик материалов и нагрузок. Для окончательных выводов по обследованию необходимо выполнить  поверочные расчеты по уточненным действительным нагрузкам, характеристикам материалов и сечениям элементов. При отсутствии какой-либо проектно-технической документации следует попытаться решить необходимые  вопросы на основании имеющихся  материалов и по состоянию конструкций  в натуре. Случается, что даже неполных данных может быть достаточно для  решения частных вопросов, что  должно подтвердиться дальнейшими  исследованиями.

Выполняя обследование бетонных и железобетонных конструкций, исполнитель  несет ответственность за достоверность  его результатов, за инженерный смысл  и обоснованность выводов. Поэтому  к такой работе должны привлекаться квалифицированные специалисты, имеющие  опыт проектной и производственной работы, знающие признаки разрушения или характер предельного состояния  конструкций и методы их испытания.

Неквалифицированный обследователь-исполнитель  обязан точно зафиксировать результаты своих наблюдений с тем, чтобы  они могли послужить достоверным  основанием для дальнейшего изучения их другими специалистами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ I

Методы и средства обследования бетонных и железобетонных конструкций при реконструкции.

 

В последние годы значительно  вырос объем реконструкции и  технического перевооружения предприятий, зданий и сооружений. При этом одной из главных задач является экономия материальных и энергетических ресурсов. Одной из особенностей современных натурных обследований стало более тесное сотрудничество с технологами, проектировщикам и специалистами по инженерному оборудованию зданий, а основными заказчиками и потребителями результатов работ стали инвесторы и проектные организации.

В этом случае необходимый  объем сведений можно получить при  проведении только комплексных обследований, охватывающий более широкий круг вопросов.

В ряде случаев реконструкция  зданий связана с их перепрофилированием. При этом в существующем объеме здания размещается новое технологическое  оборудование, имеющее свои особенности.

Проведение такой работы необходимо и по причине существенных изменений в нормативной базе, что требует выявления соответствия объемно-планировоных и конструктивных решений здания, а также систем пожаротушения эти новым нормам.

Реконструкция здания с его  надстройкой или с другими  изменениями объемно-планировочных  решений требует также получений  сведений о существующих системах инженерного  оборудования.

Основными задачами обследования несущих железобетонных конструкций  являются определение состояния  конструкций с выявлением повреждений  и причин их возникновения, а также  физико-механических характеристик  бетона.

Натурные обследования бетонных и железобетонных конструкций включают в себя следующие виды работ:

- осмотр и определение  технического состояния конструкций  по внешним признакам;

- инструментальное или  лабораторное определение прочности  бетона и арматурной стали;

- определение степени  коррозии бетона и арматуры.

Механические  методы неразрушающего контроля при обследовании конструкций применяют для определения прочности бетона всех видов нормируемой прочности, контролируемых по ГОСТ 18105 (таблица 3.1).

В зависимости от применяемого метода и приборов косвенными

характеристиками прочности  являются:

- значение отскока бойка  от поверхности бетона (или прижатого  к ней ударника);

- параметр ударного импульса (энергия удара);

- размеры отпечатка на  бетоне (диаметр, глубина) или  соотношение диаметров отпечатков  на бетоне и стандартном образце  при ударе индентора или вдавливании  индентора в поверхность бетона;

- значение напряжения, необходимого  для местного разрушения бетона  при отрыве приклеенного к  нему металлического диска, равного  усилию отрыва, деленному на площадь  проекции поверхности отрыва  бетона на плоскость диска;

- значение усилия, необходимого  для скалывания участка бетона  на ребре конструкции;

- значение усилия местного  разрушения бетона при вырыве  из него анкерного устройства.

При проведении испытаний  механическими методами неразрушающего контроля следует руководствоваться  указаниями ГОСТ 22690.

Методы определения  прочности бетона в зависимости  от ожидаемой прочности элементов

Таблица 3.1

Наименование метода	Предельные значения прочности  бетона, МПа
Упругий отскок и пластическая деформация	5-50
Ударный импульс	10-70
Отрыв	5-60
Скалывание ребра	10-70
Отрыв со скалыванием	5-100

 

К приборам механического  принципа действия относятся: эталонный  молоток Кашкарова, молоток Шмидта, молоток Физделя, пистолет ЦНИИСКа, молоток Польди и др. Эти приборы  дают возможность определить прочность  материала по величине внедрения  бойка в поверхностный слой конструкций  или по величине отскока бойка  от поверхности конструкции при  нанесении калиброванного удара (пистолет ЦНИИСКа).

Молоток Физделя основан на использовании пластических деформаций строительных материалов. При ударе молотком по поверхности конструкции образуется лунка, по диаметру которой и оценивают прочность материала.

Место конструкции, на которое  наносят отпечатки, предварительно очищают от штукатурного слоя, затирки  или окраски.

Процесс работы с молотком Физделя заключается в следующем:

- правой рукой берут  за конец деревянной рукоятки, локоть опирают о конструкцию;

- локтевым ударом средней  силы наносят 10-12 ударов на  каждом участке конструкции;

- расстояние между отпечатками  ударного молотка должно быть  не менее 30 мм.

Диаметр образованной лунки  измеряют штангенциркулем с точностью  до 0,1 мм по двум перпендикулярным направлениям и принимают среднее значение. Из общего числа измерений, произведенных  на данном участке, исключают наибольший и наименьший результаты, а по остальным  вычисляют среднее значение.

Прочность бетона определяют по среднему измеренному диаметру отпечатка  и тарировочной кривой, предварительно построенной на основании сравнения  диаметров отпечатков шарика молотка  и результатов лабораторных испытаний  на прочность образцов бетона, взятых из конструкции по указаниям ГОСТ 28570 или специально изготовленных  из тех же компонентов и по той  же технологии, что и материалы  обследуемой конструкции.

К методике определения прочности  бетона, основанной на свойствах пластических деформаций, относится также молоток Кашкарова (ГОСТ 22690).

При ударе молотком Кашкарова  по поверхности конструкции получаются два отпечатка на поверхности  материала с диаметром d_d и на контрольном (эталонном) стержне с диаметром d_э.

Отношение диаметров получаемых отпечатков зависит от прочности  обследуемого материала и эталонного стержня и практически не зависит  от скорости и силы удара, наносимого молотком. По среднему значению величины d_d/d_э из тарировочного графика определяют прочность материала.

На участке испытания  должно быть выполнено не менее пяти определений при расстоянии между  отпечатками на бетоне не менее 30 мм, а на металлическом стержне - не менее 10 мм (таблица 3.2).

К приборам, основанным на методе упругого отскока, относятся пистолет ЦНИИСКа, пистолет Борового, молоток Шмидта, склерометр 6КМ со стержневым ударником и др. Принцип действия этих приборов основан на измерении упругого отскока ударника при постоянной величине кинетической энергии металлической пружины. Взвод и спуск бойка осуществляются автоматически при соприкосновении ударника с испытываемой поверхностью. Величину отскока бойка фиксирует указатель на шкале прибора.

 

Таблица 3.2

Наименование метода	Число испытаний на участке	Расстояние между местами  испытаний	Расстояние от края конструкции  до места испытаний, мм	Толщина конструкции, мм
Упругий отскок	5	30	50	100
Пластическая деформация	5	30	50	70
Ударный импульс	10	15	50	50
Отрыв	1	2 диаметра диска	50	50
Скалывание ребра	2	200	-	170
Отрыв со скалыванием	1	5 глубин вырыва	150	Удвоенная глубина установки  анкера

 

 

Рациональные  методы, как правило, применяются для обследования состояния и контроля качества сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций при строительстве, эксплуатации и реконструкции особо ответственных зданий и сооружений.

Рациональный  метод основан на просвечивание контролируемых конструкций ионизирующим излучением и получение при этом информации о ее внутреннем строении с помощью преобразователя излучения. Просвечивание бетонных и железобетонных конструкций производят при помощи излучения рентгеновских аппаратов, излучения закрытых радиоактивных источников.

Магнитный метод основан на взаимодействии магнитного или электромагнитного поля прибора со стальной арматурой бетонной и железобетонной конструкции.

Принцип определения прочности  бетона ультразвуковым методом основан на наличии функциональной связи между скоростью распространения ультразвуковых колебаний и прочностью бетона.

Ультразвуковой  метод применяют для определения прочности бетона классов В7,5 - В35 (марок М100 - М450) на сжатие.

Прочность бетона в конструкциях определяют экспериментально с использованием градуировочных зависимостей "скорости распространения ультразвука - прочность  бетона. V = f(R)" или "время распространения ультразвука t - прочность бетона. t = f(R)". Степень точности метода зависит от тщательности построения тарировочного графика.

Для определения прочности  бетона ультразвуковым методом применяются  приборы УКБ-1, УКБ-1М, УК-16П, "Бетон-22" и др.

Ультразвуковые измерения  в бетоне проводят способами сквозного  или поверхностного прозвучивания. При измерении скорости распространения  ультразвука способом сквозного  прозвучивания ультразвуковые преобразователи  устанавливают с противоположных  сторон образца или конструкции. Скорость распространения ультразвука V, м/с, вычисляют по формуле

,

где t - время распространения ультразвука, мкс;

l - расстояние между центрами установки преобразователей (база прозвучивания), мм.

При тщательном проведении испытаний этот метод дает наиболее достоверные сведения о прочности  бетонных и железобетонных конструкциях. Недостатком его является большая  трудоемкость работ по отбору и испытанию  образцов.

Такие конструкции, как балки, ригели, колонны, должны прозвучиваться в поперечном направлении, плита - по наименьшему размеру (ширине или  толщине), а ребристая плита - по толщине  ребра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Инструментальные  измерения геометрических параметров конструкций.

Определение геометрических параметров бетонных и железобетонных конструкций и производится по рекомендациям  настоящей методики. При этом фиксируются  все отклонения от проектного положения.

Минимальные геометрические параметры конструкций следует  назначать такими, чтобы обеспечивать:

- возможность надлежащего  размещения арматуры (расстояния  между стержнями, защитный слой  бетона и т.д.), ее анкеровки  и совместной работы с бетоном;

- достаточную жесткость  конструкций;

- необходимую огнестойкость,  водонепроницаемость конструкций,  тепло- и звукоизоляцию, коррозионную  стойкость, радиационную защиту  и т.п.;

- возможность качественного  изготовления при бетонировании  конструкций.

В конструкциях зданий и  сооружений следует предусматривать  их разрезку постоянными и временными температурно-усадочными швами, расстояния между которыми назначают в зависимости  от климатических условий, конструктивных особенностей сооружения, последовательности производства работ и т.п.

Определение и оценку лакокрасочных  покрытий железобетонных конструкций  следует производить по методике, изложенной в ГОСТ 6992. При этом фиксируются следующие основные виды повреждений: растрескивания и отслоения, которые характеризуются глубиной разрушения верхнего слоя (до грунтовки), пузыри и коррозионные очаги, характеризуемые размером очага (диаметром) в мм. Площадь отдельных видов повреждений покрытия выражают ориентировочно в процентах по отношению ко всей окрашенной поверхности.

При наличии увлажненных  участков и поверхностных высолов  на бетонных и железобетонных конструкций  определяют величину этих участков и  причину их появления.

Результаты визуального  осмотра бетонных и железобетонных конструкций фиксируются в виде карт дефектов, нанесенных на схематические  планы или разрезы здания, или  составляют таблицы дефектов с рекомендациями по классификации дефектов и повреждений  с оценкой категории состояния  конструкций.

Геометрические параметры  конструкции проверяются измерительными инструментами с точностью ± 1 мм. Контролируемые размеры, методы и  средства контроля устанавливаются ГОСТ 13015.1-81. Геометрические размеры конструкций и их сечений должны соответствовать рабочим чертежам и ГОСТу на данный вид конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диагностика их состояния.

Диагностика технического состояния бетонных конструкций

Прочностные характеристики бетона и напряженное состояние  железобетонного массива строительной конструкции в процессе её эксплуатации могут существенным образом изменяться относительно проектных значений.

Качество бетона различных  сооружений определяют в следующих  основных случаях:

• по требованию контролирующей организации, которая осуществляет технический надзор за объектом в период его эксплуатации, а также согласно требования проекта и специальных нормативных документов;
• из опасения, что качество бетона с течением времени ухудшилось – утратило свои первоначальные параметры и не соответствует техническим условиям, что может привести к самопроизвольному разрушению объекта или его части;
• при принятии решения о возможности использования старых железобетонных конструкций в новом строительстве, или целесообразности полного, частичного демонтажа объекта при его реконструкции.

Существует множество  разных методов определения прочности  бетонных и железобетонных строительных конструкций. Это методы:

• упругого отскока;
• пластических деформаций;
• отрыва и скалывания ребра конструкции;
• отрыва со скалыванием;
• ультразвуковой;
• керновых проб и другие.

Однако, большинство из них  неприемлемо для старых сооружений в связи с несоответствием  прочностных характеристик верхнего слоя бетона толщиной около 100 мм и внутренней части массива строительной конструкции.

Поэтому на практике используется два известных метода исследований качества железобетонных сооружений, которые длительное время находились в эксплуатации – это ультразвуковой и керновых проб.

Ультразвуковой является неразрушающим методом определения  прочности бетона по градуировочной зависимости, которую устанавливают  на основании параллельных испытаний  под прессом и неразрушающим  методом, не менее чем 20 серий контрольных  кубов. Контрольные образцы отбирают на посту формирования из произвольно  выбранных замесов. Диапазон изменения  прочности бетона серий образцов должен быть таким, чтобы для построения градуировочной зависимости коэффициент  вариации их прочности не превышал 30%.

Необходимо отметить, что  ультразвуковой метод определения  качества бетона старых строительных конструкций является не достаточно надежным и эффективным в связи  со сложностью градуировки аппаратуры и неизвестным составом бетона исследуемого объекта, что приводит к значительной погрешности в получаемых результатах.

Наиболее достоверным  методом исследования фактической  прочности бетона старых конструкций  в глубине массива является метод керновых проб. Сущность метода заключается в высверливании из бетонного массива кернов-цилиндров диаметром не менее 100 мм с последующим испытанием их на гидравлическом прессе.

Однако данный метод существенно  нарушает целостность массива, что  в некоторых случаях являются недопустимым для особо ответственных  сооружений или конструкций.

Научно-производственной фирмой «ЛЕАН» совместно с институтом геотехнической механики НАН Украины под руководством д.т.н. В. С. Кулинича разработан метод  определения прочности бетона и  напряженного состояния железобетонного  массива с помощью локального гидроразрыва.

Физической основой метода есть количественная зависимость критического давления жидкости при гидроразрыве изолируемого участка нагнетательной камеры от напряженного состояния и  свойств материала исследуемого объекта.

Сущность метода заключается  в следующем. В намеченном для  оценки участке бетонного массива  сверлят измерительный шпур диаметром 10-40мм и требуемой глубины. В заданной части шпура герметизируют нагнетательную камеру, в которую высоконапорным насосом закачивают жидкость до критического давления, приводящего к гидроразрыву стенок камеры. Инструментально фиксируются  численные значения параметров локального гидроразрыва и определяются прочностные  параметры бетона сооружения.

Необходимо отметить, что  этим методом возможно определять и  напряженное состояние массива  железобетонной конструкции.

Данный параметр до настоящего времени определялся только расчетным  путем и не всегда отвечал фактическому значению напряжения в ж/б массиве, что искажало реальную картину технического состояния исследуемого объекта.

Место, количество, длина  и направление сверления измерительных  шпуров для оценки напряженного состояния  бетонного массива методом локального гидроразрыва обуславливается поставленными  задачами. В одном измерительном  шпуре по параметрам локального гидроразрыва можно определить численные значения двух главных компонент поля напряжений, действующих в плоскости, ортогональной  продольной оси нагнетательной камеры.

Поэтому для общей оценки напряженного состояния заданного  участка бетонного массива необходимо наличие не менее двух взаимно  ортогональных измерительных шпуров, ориентированных в направлении  действия главных компонент тензора  напряжений.

Метод локального гидроразрыва дает возможность получить белее  достоверные результаты качеств  бетона старых сооружений по сравнению  с ультразвуковым методом и требует  значительно меньшего нарушения  целостности массива в сравнении  с керновым методом.

Это позволяет более эффективно и надежно проводить обследования, диагностику и оценку технического состояния бетонных, железобетонных сооружений разного назначения, а  также разрабатывать мероприятия  по их защите и укреплению.

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ II

 

Как показывают результаты обследований, повреждения колонн от силовых воздействий достаточно редки, что объясняется значительной недогруженностью колонн промышленных зданий и наличием в них определенных резервов несущей способности. Поэтому  во многих случаях при реконструкции  производственных зданий не требуется  усиливать или заменять колонны  и для обеспечения их дальнейшей нормальной эксплуатации можно ограничиться лишь небольшими ремонтными работами по ликвидации отдельных повреждений.

Необходимость усиления колонн возникает, как правило, только при  значительном увеличении нагрузок, а  также в случае существенного  коррозионного износа конструкций. Поскольку колонны воспринимают нагрузки от всех вышележащих конструкций, их полная разгрузка крайне сложна, поэтому основной задачей при  выборе способа усиления колонн является обеспечение возможности выполнения работ под нагрузкой или с  частичной разгрузкой (например, снятие временных нагрузок).

Как и для других конструкций, усиление колонн может быть выполнено  методом увеличения сечения, изменением конструктивной схемы или комбинированным  методом. Наиболее распространенный способ повышения несущей способности  колонн — увеличение сечения элементов. При усилении центрально-сжатых колонн должно быть обеспечено минимальное  смещение центра тяжести усиленного сечения от линии действия сжимающих  усилий, в связи с чем для  них рационально симметричное усиление.

При усилении внецентренно сжатых колонн с преобладающими моментами  одного знака целесообразна несимметричная схема усиления со смещением центра тяжести усиленного сечения в  сторону действия момента. Если моменты  различных знаков близки по абсолютной величине, то, как и в случае центрально-сжатых   колонн, следует использовать симметричную или близкую к ней схему усиления.

В некоторых случаях центрально-сжатые или сжатые с небольшим эксцентриситетом колонны могут быть усилены обетонировкой. При конструировании усиления необходимо обеспечить совместную работу бетона усиления и основного стержня, в этом случае колонна после усиления может рассматриваться как железобетонный стержень с жесткой арматурой.

К наиболее эффективным способам усиления колонн предварительно напрягаемыми элементами, относятся :

• увеличение сечений предварительно напрягаемыми распорками;
• введение в работу усиливаемых колонн предварительно напряженных элементов из труб и других жестких профилей;
• комбинированное усиление — разгрузка колонны вводимыми в ее работу предварительно напрягаемыми элементами с последующим ее усилением увеличением сечений.

 

 

 

 

Рис. 1 Усиление колонны  металлическими обоймами:

 

1 – силиваемая колонна;

2 – ветви обоймы;

3 – планки обоймы;

4 – опорный уголок

 

Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов  выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10-16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров  продольной арматуры в шахматном  порядке.

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкание колонны к  стене, рекомендуется  устройство «рубашек» - незамкнутых  с одной стороны обетонок.

При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку  поперечной арматуры по концам поперечного  сечения «рубашек». 
В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.

При усилении «рубашками»  локальных поврежденных участков, как  и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции  на длину не менее 500 мм, а также  не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани  элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».

По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов  – 6 мм.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению, рекомендуется  металлические обоймы из уголков, устанавливаемых  о граням колонн, и соединительных планок между ними.

Эффективность включения  металлической обоймы в работу колонны  зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков  поверхность бетона по граням колон  тщательно выравнивается скалыванием  неровностей и зачеканкой цементным  раствором.

Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого  планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают  газовой горелкой до 100-120°С и в  разогретом состоянии приваривают  второй конец планок. 
замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса.