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

Национальный исследовательский  Мордовский Государственный Университет им. Н.П. Огарева

 

Архитектурно-строительный факультет

 

Кафедра строительных конструкций

 

 

Курсовая работа

по дисциплине

«Долговечность  строительных конструкций

зданий и сооружений»

на тему

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

 

 

 

Автор проекта ст. гр. 403 д/о Шабаев И. Н.

Специальность 270102 «Промышленное  и гражданское строительство»

Номер зачетной книжки 081062

Обозначение курсовой работы КР-02069964-СК-2011

Руководитель проекта  И.П. Терешкин

 

Проект защищен

Оценка

 

 

 

 

 

Саранск 2011

Национальный исследовательский  Мордовский Государственный Университет им. Н.П. Огарева

 

Архитектурно-строительный факультет

 

Кафедра строительных конструкций

 

 

Задание на курсовую работу

 

на тему «Современные проблемы оценки степени ухудшения эксплуатационных качеств снижения несущей способности каменных и армокаменных конструкций зданий и сооружений»

 

 

 

 

Автор проекта ст. гр. 403 д/о И. Н. Шабаев

Специальность 270102 «Промышленное  и гражданское строительство»

Номер зачетной книжки 081062

Тема «Долговечность и  эксплуатационная надежность строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений»

Обозначение курсовой работы КР-02069964-СК-2011

Руководитель проекта  И.П. Терешкин

Срок представления  проекта к защите _______________

 

 

 

 

 

Саранск 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1. Введение…………………………………………………………………………………………………………………………….1

2. Кладочные растворы……………………………………………………………………………………………………..2

3. Материалы для каменной кладки и их свойства………..…………………………..…………….6

4.Экспертиза каменных конструкций

   4.1. Долговечность и энергоэффективность наружных стен………………………….8

   4.2. Причины образования трещин…………………………………………..………………………………14

   4.3. Осадка зданий……………………………………………………………………………………………………….21

   4.4. Температурные  деформации влажной кирпичной  кладки………………………….28

   4.5. Прочность кладки  зависит от расчета………………………………………………………..34

   4.6. Каменная кладка  с позиции Европейской строительной  науки –         - Еврокад 6…………………………………………………………………………………………………………………………….36

  4.7. Методика оценки  качества возведения кирпичных  зданий……………………….39

  4.8. Использование ЭВМ  в проектировании армокаменных  конструкций …….45

5.Методы мониторинга каменных зданий…………………………………………………………………..52

6.Инновационные методы ремонта и усиления каменных конструкций………….…57

   6.1. Инъецирование  как метод усиления каменных  конструкций…………………..58

   6.2. Спиралевидные  жесткие связи…………………………………………………………………………64

   6.3. Морозостойкие  кладочные растворы пониженной  плотности с добавками микрокремнезема  и омыленного таллового пека…………………………………..67

7. Результаты и их обсуждения…………………………………………………….……………………………73

8. Список литературы……………………………………………………………………………………………………..76

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

   Каменные конструкции – древнейший вид сооружений. Тысячелетиями создавался опыт строительства из камня. До настоящего времени существуют сооружения, построенные в Средневековье, древнем Риме и Египте. В те далекие времена технология строительства базировалась на предыдущем опыте, не было научно обоснованных расчетов.

 Отсутствие  до XX века мощного прессового  оборудования, необходимого для  экспериментов, тормозило создание  научно обоснованных методов  расчета.

 Наука о  проектировании каменных конструкций  создавалась в 20–30-е гг. ХХ столетия. Ученые России в результате изучения прочностных и деформационных свойств кладок разработали теорию расчета каменных конструкций. Большой вклад внесли Л.И. Онищик, В.А. Камейко, С.В. Поляков, С.А. Семенцов. Разработанные научно обоснованные методы расчета позволили уверенно строить каменные дома высотой 15–18 этажей и другие гражданские и промышленные сооружения.

До проведения исследовательских работ толщину  стен в верхних двух этажах назначали  не менее 2.5 кирпичей (для климата  Москвы), а в нижерасположенных  этажах толщину стен увеличивали  на 0.5 кирпича для каждых двух этажей. Это приводило к излишним расходам материала и затратам труда. Средняя  толщина и вес стен восьмиэтажного дома в настоящее время на 60 % меньше, чем в зданиях первой четверти прошлого века.

В настоящее время, когда проводится государственная  политика энергосбережения с повышением требований к теплозащитным качествам  стеновых ограждающих конструкций, актуальным становится применение многослойных стен. Если до недавнего времени  термическое сопротивление ограждающих  конструкций устанавливалось не менее требуемого значения из условия  гигиены, то в настоящее время  определяющим является требование по энергосбережению. Например, для г. Хабаровска требуемое термическое  сопротивление из условия гигиены  составляет R₀^тр = 1.55, а по условию энергосбережения R₀^тр_э = 3.84 м²* С/Вт, т.е. в 2.5 раза больше. Поэтому традиционная для Хабаровска толщина кирпичных стен в 64 см (2.5 кирпича) перестала удовлетворять требованиям теплозащиты.

При этом возможен переход на кладку из пустотелого  кирпича, многослойную облегченную  кладку с эффективными плитными утеплителями или минеральными засыпками.

В 1932 году были сделаны  первые попытки возведения стен в  зимних условиях – методом замораживания кирпичной кладки. Раньше уже при температуре минус 2...3 С прекращали кладку стен. Наступал перерыв в работе на 5–6 месяцев, а в условиях Дальнего Востока – и на больший срок.

Исследования  свойств кладки, возведенной методом замораживания, позволили сделать его основным методом кладки в зимних условиях. Внедрение этого метода работ является большим достижением нашей отечественной науки.   

 

 

 

В настоящее время  каменные конструкции, обладающие высокой  огнестойкостью и долговечностью, широко применяются при возведении фундаментов  и стен зданий, подпорных стен, дымовых  труб, водонапорных башен, плотин, канализационных  коллекторов, резервуаров и других сооружений.

К недостаткам  каменных конструкций следует отнести  трудности механизации работ  при мелких штучных камнях, недостаточную  прочность кирпича, что приводит к большому расходу материалов, рабочей  силы и ограничивает этажность зданий. Поэтому уже в середине прошлого века стали применять блоки из бетона и кирпича и стеновые панели.

В последние годы заметно ухудшилось качество выпускаемого кирпича, что связано в основном с изношенностью основных фондов заводов. Это заметно отразилось на качестве кирпичной кладки (чрезмерная толщина швов раствора, неровности рядов кладки). Специалисты-строители  должны знать, что утолщение швов раствора в кладке приводит к понижению  ее прочности на 30 и более процентов. Поэтому следует обращать большое  внимание на качество выполнения кладки.

Основными задачами в области совершенствования  каменных конструкций следует считать  повышение их качественного выполнения, максимальное облегчение веса за счет применения легких материалов (ячеистые бетоны, бетоны на легких заполнителях), пустотелых и пористых, экономное  расходование вяжущих материалов и  металлов, применение материалов, стойких  к атмосферным воздействиям и  агрессивной среде.

 

2. Кладочные растворы

Для кладки каменных штучных  материалов и для отделочных (штукатурных) работ применяют растворы различных  составов и предназначений. По количеству компонентов в составе растворы подразделяются на простые – с одним вяжущим веществом и сложные – с комбинацией вяжущих. В зависимости от вида конструкции и условий дальнейшей эксплуатации подбирают и состав растворов: цементный, цементно-глиняный, цементно-известковый.

Основной характеристикой  раствора является его прочность, т.е. сопротивление нагрузкам сжатия. Марка раствора определяется пределом прочности на сжатие по прошествии 28 суток при температуре от +5 до +25. Необходимую марку раствора получают при соблюдении свойств и соотношения компонентов в строгом соответствии к расчетным показателям, при этом особо обращают внимание на активность вяжущего вещества, период твердения и набора прочности и водоцементное соотношение.

При изменении количества содержания вяжущего вещества, растворы могут быть тощими, нормальными и  жирными. Тощий раствор (избыток  заполнителя) – рассыпается, затрудняет производство работ и, что важно, не отвечает требованиям прочности. Жирный раствор (избыток вяжущего) – при высыхании растрескивается, выкрашивается. Определить жирность раствора можно еще в момент приготовления и внесением соответствующих компонентов довести его до нормальной консистенции.

 

 

 

Количество и свойства вяжущего вещества, а так же введение в раствор высокодисперсных добавок  оказывает влияние на способность  раствора удерживать влагу в процессе твердения (особенно на пористых основаниях).

Преждевременная потеря влаги  ведет к растрескиванию швов кладки (или штукатурного слоя), несоответствию раствора проектной прочности  и угрозе разрушения конструкции.

При ведении каменной кладки немаловажным свойством раствора является его подвижность, влияющая на удобство его использования в производстве кладочных работ. Удобоукладываемость  раствора оказывает влияние на сроки  производства работ и, как следствие, на общую экономическую эффективность. Для пустотелого (эффективного) кирпича  выбирают растворы с низким показателем  подвижности (чуть выше чем для штукатурных работ), для полнотелого – средним, для забутовки – высоким.

Наиболее распространенным в применении является цементный  раствор. Такой раствор имеет  наиболее высокие прочностные показатели и может применяться в любом  виде кладки (в т.ч. наружных и подземных  конструкций). Недостатком цементного раствора является его низкое сопротивление  потерям тепла, поэтому в стеновой кладке его рекомендуется применять  только в облицовочном слое, используя  на внутреннем слое «теплые» растворные смеси (сложные и известковые).

Растворы, изготовленные  в заводских условиях, должны соответствовать  проектной марке и завозиться на место использования в строгом  соответствии с графиком производства работ и в необходимом количестве. При приготовлении раствора непосредственно  на стройплощадке необходимо уделять  особое внимание соблюдению пропорций  состава смеси и качеству применяемых  материалов. Приготовление растворов  может осуществляться только под  контролем технолога или опытных, обладающих необходимыми знаниями бригадиров и прорабов. Компоненты раствора просеивают через металлическую сетку с  ячейками 5*5 мм (для штукатурного раствора 2,5*2,5 мм), отделяя крупные частицы  и посторонние включения. Для  кирпичной лицевой кладки используют карьерный (желательно намывной) песок  с модулем крупности от 1 мм до 2,5 мм, для бутовой кладки размер зерен допускается до 5 мм, а в  штукатурном растворе - до 1 мм. Характеристики вяжущего вещества должны подбираться  в строгом соответствии с маркой, условиями эксплуатации и сложностью раствора (табл. 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Табл.1. Состав растворов для кладки выше уровня земли.

 

Марка цемента	Марка раствора
	100	75	50	25
с влажностью помещений  до 60%
Цементно-известковые растворы
600	1:0,4:4,5	1:0,7:6	-	-
500	1:0,3:4	1:0,5:5	1:1:8	-
400	1:0,2:3	1:0,3:4	1:0,7:6	1:1,7:1,2
300	-	1:0,2:3	1:0,4:4,5	1:1,2:9
Цементно-глиняные растворы
600	1:0,4:4,5	1:0,7:6	-	-
500	1:0,4:4,5	1:0,7:6	1:1:3	-
400	1:0,2:3	1:0,3:4	1:0,7:6	1:1:11
300	-	1:0,2:3	1:0,4:4,5	1:1:9
с влажностью помещений  выше 60%
Цементно-известковые растворы
600	1:0,4:4,5	1:0,7:6	-	-
500	1:0,3:4	1:0,5:5	1:0,7:8	-
400	1:0,2:3	1:0,3:4	1:0,7:6	-
300	-	1:0,2:3	1:0,4:4,5	1:0,7:9
Цементно-глиняные растворы
600	1:0,4:4,5	1:0,7:6	-	-
500	1:0,3:4	1:0,5:5	1:0,7:6	1:0,7:8,5
400	1:0,2:3	1:0,3:4	1:0,7:6	1:0,7:8,5
300	-	1:0,2:3	1:0,4:5	-
Цементные растворы
600	1:4,5	1:6	-	-
500	1:4	1:5	-	-
400	1:3	1:4	1:6	-
300	-	1:3	1:4,5	-

* песок в составах  растворов принят влажностью 2%, все  соотношения даны в объемах.

 

 

 

 

 

 

Состав растворов  для кладки ниже гидроизоляции и  уровня земли.

 

Марка цемента	Тип грунта
	Маловлажный		Влажный	Насыщенный
	Цементо-известковый раствор М10	Цементно-глиняный раствор М25	Цементно-известковый раствор М25	Цементный раствор М50
50	1:0,1:2,5	1:0,1:2,5	-	-
100	1:0,5:5	1:0,5:5	1:0,1:2	-
150	1:1,2:9	1:1:7	1:0,3:3,5	-
200	1:1,7:12	1:1:8	1:0,5:5	1:2,5
250	1:1,7:12	1:1:9	1:0,7:5	1:3
300	1:2,5:15	1:1:11	1:0,7:8	1:4,5
400	1:2,1:15	1:1:11	1:0,7:8	1:6

 

* песок в составах  растворов принят влажностью 2%, все  соотношения даны в объемах.

 

Особое внимание при  приготовлении растворов обращают на качество воды. Наиболее приемлемой для затворения считается вода из водопроводных сетей. Воду из других источников, содержащую промышленные и бытовые стоки, необходимо отправить  на анализ. Избыточное содержание кислот, щелочи, масел, солей (морская вода) может отрицательно повлиять на свойства раствора.

При изготовлении раствора, сначала смешивают компоненты в  сухом состоянии, затем затворяют  водой, точно дозируя все компоненты. Приготовленную смесь тщательно перемешивают до получения однородного состояния. При перемешивании происходит химическая реакция в процессе которой раствор принимает консистенцию теста. Неоднородный раствор, плохо приготовленный раствор, не соответствует расчетной марке и стремится к расслаиванию, что может привести к разрушению конструкций. Использовать готовый раствор необходимо не более чем через 1,5 часа с момента его приготовления.

Цементно-известковый раствор  относится к категории сложных  растворов и применяется, в основном, для внутренней кладки и штукатурки, т.к. является более «теплым» по сравнению  с простым цементным раствором. Для кладки ниже гидроизоляционного слоя применять его не рекомендуется. Для приготовления известковое  тесто разводят водой до жидкой консистенции и получившимся раствором затворяют, заранее подготовленную, песчано-цементную  смесь. При смешивании песка с  известковым молоком (без добавления цемента) получают простой известковый  раствор, где известь является вяжущим  веществом. Такие растворы в кладке не используются, а применяются только для внутренней штукатурки. Для работ  на потолке в  простые известковые растворы, для ускорения твердения, добавляют гипс.

 

 

 

 

 

Для приготовления цементно-глиняных растворов используют мелкодисперсную молотую глину вводя ее в раствор в виде добавки. Глина в растворе служит пластификатором, повышая плотность, прочность, водонепроницаемость и удобоукладываемость раствора. Редко применяемый известково-глиняный кладочный раствор получают смешиванием глины и извести с водой, полученной смесью затворяют песок. Использовать такой раствор можно только в сухом климате, в теплое время года.

 

3. Материалы для каменной кладки

 

Материалом для  массивных стен, столбов  и других конструктивных

элементов  служат искусственные камни правильной формы (кирпич, керамические камни и блоки), а также естественные камни (туф, ракушечник, известняк, гранит, песчаник и др.). Форма естественных камней зависит от степени обработки поверхностей  после их добывания в карьере.

Основной характеристикой  каменных материалов для несущих

конструкций является прочность. Она оценивается маркой. Марка  камня обозначает его предел прочности  при сжатии и изгибе в МПа (кгс/см²). Предел прочности камней при растяжении составляет 5…16% от прочности на сжатие. Поэтому каменная кладка применяется. как правило, в элементах, работающих на центральное и внецентренное сжатие.

Не менее важной характеристикой каменных материалов является влаго- и морозостойкость. Морозостойкость оценивается количеством  циклов попеременного замораживания (при температуре –15^оС в насыщенном водой состоянии) и оттаивания, после которых на поверхности материалов не должно быть видно следов повреждений – расслоения, трещин и др. По морозостойкости камней и кладки устанавливается степень долговечности зданий и сооружений.

Кирпич. Кирпич обладает прочностью от 5 до 20 МПа и удовлетворяет требованиям прочности. предъявляемым к несущим конструкциям. Кирпич бывает сплошной и  многодырчатый – пустотный. Пустотность кирпича составляет от 8,5 до 22%. Наличие в кирпиче пустот уменьшает его объемный вес и повышает теплотехнические свойства кладки.

Кирпич бывает глиняный пластического или полусухого прессования, силикатный, легковесный  и шлаковый. Каждый вид кирпича  имеет свой модуль упругости, вследствие чего деформативность кирпичных  кладок различна. Это учитывается при расчете на сжатие элементов, сложенных из различного вида кирпича. Неодинакова также зависимость между деформациями и напряжением. Для глиняного обожженного кирпича она близка к линейной. Для силикатного же кирпича эта зависимость криволинейна. В силикатном кирпиче имеют место остаточные деформации. Виды кирпича и их основные характеристики приведены в табл. 2.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.

Таблица 1

№ пп	Вид кирпича	Марка кирпича	Степень морозо-стой-кости (не менее)	Плотность кг/м3
1.	Глиняный обыкновенный (сплошной) пластического прессования   полусухого прессования	200;150;125;100;75     150;125;100;75	15       15	1700…1900       1800…2000
2.	Глиняный пустотелый: пластического прессования   полусухого прессования	150;125;100;75; 50     100;75;50	15       15	1300…1450       Не более 1500
3.	Силикатный (сплошной)	150;125;100;75	15	1800…2000
4.	Легковесный	100;75;50	10	700…1300
5.	Шлаковый (сплошной)	75;50;25	10	1200…1500

 

Размеры поперечных сечений кирпичных столбов и  простенков следует принимать кратными ширине кирпича 13см, включая растворный шов.

 

Керамические  камни. Керамические камни, как и кирпич, являются местным строительным материалом. Камни имеют пустоты- щели шириной 12мм, составляющие 20…30% объема камня. Керамические камни выпускаются следующих марок по сечению брутто: 150;100;75 и 50. Размеры керамических камней в плане равны размерам кирпича, а высота – примерно двум рядам кирпичной кладки (138мм). Это позволяет осуществить перевязку кладки продольных и поперечных стен, выполненных из керамических камней и кирпича. Керамика обладает высокой влаго- и морозостойкостью, что позволяет использовать ее для облицовки наружных стен и как архитектурный элемент при оформлении фасадов.

Крупные блоки. Крупные блоки, кирпичные и керамические, изготовленные на заводе в лучших производственных условиях,  чем кладка на строительной площадке,  обычно имеют большую прочность. Кроме того до минимума сокращаются мокрые процессы непосредственно на строительной площадке. Разрезка стен на кирпичные блоки, в основном. применяется трехрядная.

 

 

 

Бетонные блоки  изготовляются на гидравлических, вяжущих и, в отличие от кирпича из глины, не требуют обжига. Это обстоятельство выгодно отличает бетонные камни от кирпича и керамических камней. Прочность бетонных блоков существенно выше, чем кирпичных блоков. Крупные бетонные блоки  применяются для наружных и внутренних стен, санитарных узлов, цоколей, фундаментов и др. Блоки в зависимости  от предъявляемых к ним требованиям (прочности,  теплопроводности)  изготовляются без пустот и с пустотами из тяжелых и легких бетонов разных классов (марок) – В 3,5; В5; B7,5; B10; B 12,5 и В15 (50,75,100,125,150,200). Так, например, для несущих конструкций – фундаментов, стен подвалов многоэтажных зданий, к которым предъявляются требования высокой прочности, - применяются блоки из тяжелого бетона классов В10, В15.

Размеры блоков определяются принятыми способами разрезки стен, а для фундаментов и способами  перевязки. Следует придерживаться одного принципа разрезки наружных и  внутренних стен для совпадения их горизонтальных швов.  Это позволяет  перевязывать кладку в местах пересечения  продольных и поперечных стен, а  в случае необходимости – укладывать в горизонтальные швы металлические сетки.

Естественные  камни.  Камни мягкой породы  (туф, ракушечник и др.) обладают малой плотностью и малой теплопроводностью – качествами необходимыми для ограждающих  конструкций. Они имеют малый предел прочности  при сжатии и большую влагоемкость и поэтому используются в малоэтажном строительстве в несущих стенах, а также как заполнители стен каркасных зданий любой этажности. Камни мягких пород не могут применяться для стен подвалов, цоколей и в качестве облицовки. Наружные стены из камней мягких пород защищаются от атмосферных осадков слоем штукатурки.

Камни твердых пород (гранит, песчаник и др.) отличаются большой плотностью, высокой прочностью и большой теплопроводностью. Обладая высокой влаго- и морозоустойчивостью, гранит и песчаник успешно применяются для кладки фундаментов, стен подвалов, цоколей, подпорных стенок и в качестве облицовки капитальных зданий.

Обработка камней твердых пород весьма трудоемка, поэтому они часто применяются  в том виде, в каком получаются при добывании, т.е.  случайной  формы и размеров (рваный бут). В  отдельных случаях эти камни  с большой или меньшей тщательностью  обрабатываются на две параллельные  постели. Для облицовки стен камни  обрабатываются более чисто и  по всему периметру.

 

4. Экспертиза каменных конструкций.

 

4.1  Долговечность и энергоэффективность наружных стен.

Одним из основных направлений при реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» является повышение долговечности наружных стен зданий при рациональном уровне теплоизоляции. Необходимость совместного решения этих вопросов обусловлена не только первоначальной стоимостью жилья, но и эксплуатационными затратами на отопление, текущие и капитальные ремонты. Сбалансированный подход расширяет область применения теплоэффективных долговечных, огнестойких керамических,

 

ячеистобетонных, полистиролбетонных, легких керамзитобетонных материалов, альтернативных мягким минераловатным и пенополистирольным.

Для достижения установленного СНиП 23-02-2003 [1] уровня теплоизоляции из условий энергосбережения в настоящее время широко используются стены из облегченной кладки. В качестве облицовочного слоя в них предпочтение обычно отдают керамическому пустотелому кирпичу. В целях повышения прочности и долговечности применяются металлические связи и железобетонные несущие элементы. Наличие в узлах стен высокотеплопроводных материалов в сочетании с утеплителями и облицовочным кирпичным слоем привело к ухудшению температурно-влажностного режима и концентрации напряжений в некоторых участках стен. Эти процессы оказывали доминирующее влияние на снижение долговечности и преждевременное разрушение фасадов. На стадии проектирования их влияние не учитывалось, т.к. не разработаны инженерные методы расчета влажностного режима и долговечности узлов сопряжения конструкций.

Разрушение облицовочного слоя из лицевого керамического кирпича в наружных стенах из трехслойной кладки происходит из-за низкого качества строительных работ, ошибок, допускаемых проектировками, и существенного различия в физических свойствах поставляемого пустотелого лицевого кирпича. Некоторые ошибки и низкое качество работ стали проявляться на 5–7 году эксплуатации зданий в виде трещин на фасадах, разрушений лицевого керамического кирпича в зоне перекрытий, частичного разрушения кирпичей от механических нагрузок в узлах сопряжений облицовочного слоя с конструктивными элементами здания. Отсутствие армирования горизонтальных рядов кладки в облицовочном слое, а также некачественная установка гибких металлических связей, соединяющих облицовочный слой с конструктивными элементами стены или полное их отсутствие, явились причиной появления вертикальных трещин до 7-го этажа. Отслоению и падению лицевых кирпичей и их размораживанию, а также разрушению раствора в зоне железобетонных перекрытий, способствовало недостаточное их утепление. Прикрепленные к железобетонным перекрытиям металлические уголки приводят к образованию конденсата, который впитывается кирпичом и при заморозках разрушает облицовочный слой. Особо это заметно при эксплуатации пустотелого лицевого кирпича в облицовочном слое стен с плохо вентилируемой воздушной прослойкой. Поэтому выполненные ремонтные работы на ряде зданий не приостановили отслоение и падение лицевых кирпичей. Видно, что эпизодические ремонты приводят к ухудшению внешнего вида фасада из-за больших трудностей в подборе цвета кирпича.