Долговечность каменных и армокаменных конструкций

Содержание

   Введение2

1. Предварительное обследование4
2. Особенности работы и разрушения конструкций8
3. Методы оценки каменных и армокаменных конструкций11
4. Bыбор методов контроля прочности бетона построенных сооружений 14
5. Мероприятия по обеспечению долговечности зданий из каменных и армокаменных конструкций. 24
6. Списки использованных источников…………………………………………..31

Введение

Долговечность зданий и cooружений - предельный срок службы зданий и сооружений, в течение которого они не утрачивают необходимых эксплуатационных качеств. Долговечность здания и сооружения определяется сроком службы его основных конструкций (напр., фундаментов, несущих стен или каркаса). Др. конструктивные элементы (заполнение стен, перекрытий, кровля, полы, оконные переплеты, двери и пр.) обычно обладают меньшей долговечностью, изнашиваются быстрее и заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение общего срока его службы. У наружных частей здания наиболее короткие сроки службы характерны для кровель, изоляционных и защитно-отделочных слоев и др. элементов, подверженных интенсивному разрушающему влиянию.

Постепенный износ конструкции  происходит неравномерно в течение  общего срока службы здания; в первый период после постройки - быстрее (что  связано с усушкой материалов, деформациями конструкций, неравномерными осадками грунта), а в последующий, преобладающий по длительности, - медленнее (нормальный износ). По окончании первого  периода эксплуатации здания, характеризующегося относительно быстрым износом, отд. конструкции могут нуждаться  в спец. послеосадочном ремонте.

В последний период эксплуатации здания, прослужившего много лет, т.е. когда его конструкции существенно  износились и материалы, входящие в  их состав, частично разрушились, быстрота износа конструкций вновь возрастает, что может приводить к авариям, если здания находятся без постоянного  технич. надзора.

Долговечность сокращается  при неправильной эксплуатации зданий и сооружений, перегрузках конструкций, а также при резко выраженных разрушающих влияниях окружающей среды (действии влаги, ветра, мороза и т.п.). Сокращение долговечности выражается постепенной потерей прочности, а для нек-рых конструкций (кровель) более быстро наступающей утратой непроницаемости. Большое значение для обеспечения Д. имеет правильный выбор конструктивных решений с учетом особенностей климата и условий эксплуатации. При игнорировании этого разрушение конструкций может произойти очень быстро. Так, долговечность каменных (кирпичных и др.) стен жилых домов составляет сотни лет, а такие же (не защищенные дополнительно от действия влаги) стены бань и т.п. зданий с высокой влажностью разрушаются в течение нескольких десятков лет и даже быстрее. Влияние внешних климатических условий на сокращение

наружной части строительных конструкций наиболее заметно на территориях с влажным климатом (см. Климатология строительная, Климатическое  районирование); исключение составляют конструкции, выполненные из нек-рых  материалов на основе высокомолекулярных соединений (напр., рулонные материалы, пластмассы и т.п.), к-рые быстрее  разрушаются под действием солнечных  лучей и резких колебаний темп-ры.

Повышение долговечности  конструкций достигается применением  строит, и изоляционных материалов с высокой стойкостью (см. Стойкость  строительных материалов, Морозостойкость, Влагостойкость, Биостойкость) и защитой  конструкции от проникновения внутрь ее разрушающих агентов и прежде всего жидкой влаги.

Практических инженерных расчетов долговечности пока еще  не существует; в связи с этим степени долговечности конструкций, указываемые в строит. нормах и  правилах, условны и используются гл. обр. для экономич. предположений (1-я степень - срок службы более 100 лет; 2-я - более 50 лет; 3-я - более 20 лет).

1. Предварительное обследование

Предварительное обследование зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения проводят с целью предварительной оценки технического состояния строительных конструкций для определения  необходимости в проведении детального (инструментального) обследования отдельных  зданий и сооружений или отдельных  их участков или конструкций. Предварительное  обследование предполагает сплошное визуальное обследование конструкций и выявление  дефектов и повреждений по внешним  признакам, их фиксацию с необходимыми замерами. Обследование проводится с  учетом анализа материалов обследований прошлых лет (если таковые имеются).

Если проводился мониторинг здания или сооружения с замерами и фиксацией параметров физико-геологических, инженерно-геологических и других природных и техногенных процессов, режима подземных вод, биоразрушений, то такая информация весьма полезна.

Основой предварительного обследования является осмотр зданий (сооружений) и  их отдельных конструкций с применением, по мере необходимости, измерительных  инструментов и приборов (биноклей, фотоаппаратов, рулеток, штангенциркулей, щупов, геодезического оборудования и  т.п.).

При визуальном обследовании конструкций выявляют и фиксируют  видимые дефекты и повреждения, производят контрольные обмеры, делают описания, зарисовки, фотографии дефектных  участков, составляют схемы и ведомости  дефектов и повреждений с фиксацией  их мест и характера. Проводят проверку наличия характерных деформаций здания (сооружения) и его отдельных  строительных конструкций (трещин, прогибов, провисаний, кренов, искривлений, выгибов, перекосов, разломов, расстройств стыков элементов и т.д.), по которым можно  предварительно предположить причины  возникновения этих деформаций. Если обследование вызвано деформациями и повреждениями, то прежде всего осматриваются участки, внушающие опасения. Устанавливают наличие аварийных участков, если таковые имеются.

По результатам визуального  обследования делается предварительная  оценка технического состояния конструкций (сооружений), которое определяется по степени повреждения и по характерным дефектам. Зафиксированная картина дефектов и повреждений может позволить выявить причины их возникновения и быть достаточной для оценки состояния конструкций или сооружения в целом и составления заключения. О неудовлетворительном или аварийном состоянии могут свидетельствовать различные внешние признаки.

О неполадках (деформациях, повреждениях) в состоянии каменных конструкций могут свидетельствовать:

повреждения стен (прогибы, выгибы, отклонения от вертикали);

трещины и сквозные разломы  в кладке стен;

деформации или утраты клиновых камней в замке арочных  и сводчатых конструкций;

смещения и просадки пят  арок и сводов;

трещины и разломы в  сводчатых конструкциях;

увлажнение кладки стен, выветривание и вымывание раствора из швов кладки;

разрушение основного  материала стен (плинфы, кирпича, бутового камня, известняковых блоков), нарушение  сплошности материала, выкрашивание;

нарушение в кладке анкеровки, разрывы и провисание тяжей и  связей, воспринимающих распорные усилия арочных и сводчатых конструкций  и обеспечивающих пространственную жесткость сооружения.

О неблагоприятном состоянии  бетонных и железобетонных конструкций  могут свидетельствовать разные признаки, в том числе:

нормальные трещины в  пролете изгибаемых конструкций  и в растянутых элементах;

наклонные трещины в приопорных зонах изгибаемых конструкций;

относительные прогибы, превышающие  предельно допустимые по нормам проектирования;

повреждения арматуры и закладных  деталей (надрезы, вырывы, отрыв анкеров);

выпучивание сжатой арматуры, продольные трещины в сжатой зоне бетона;

отслоения и сколы защитных слоев бетона;

коррозионные повреждения  стальной арматуры.

Одновременно с обследованием  технического состояния зданий, сооружений, комплексов богослужебного и вспомогательного назначения целесообразно проводить  инженерно-геологическую и физико-геологическую  оценки состояния исторической территории, на которой они расположены. Подобные оценки позволят не только изучить  влияние природных условий на функционирование сооружений и их комплексов, но и выявить возможное развитие опасных процессов и сделать  своевременный прогноз их негативного  влияния на устойчивость и сохранность  сооружений.

Общие закономерности пространственно-временной  изменчивости основных компонентов  исторического ландшафта могут  быть отражены на соответствующих картах, разрезах, профилях.

На устойчивость зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения в  отдельных случаях может оказывать  влияние наличие активных в геодинамическом  отношении разрывных и трещинных  зон, которые обычно развиты в  скальных породах, но нередко проявляются  и в пределах относительно маломощного  осадочного чехла дисперсных грунтов (литосферы), перекрывающего скальный массив, его гранитные и базальтовые  слои.

Выявление, картирование и  оценка современной активности тектонических  структур осуществляются с помощью  комплексных структурно-геоморфологических, геофизических и геодезических  методов согласно существующим нормативно-методическим документам для решения следующих  задач:

оценки изменения несущей  способности пород основания  сооружений;

прогноза возможной активизации  экзогенных геодинамических процессов (оползней, обвалов, карста, суффозии, эрозии и др.);

выявления современных тектонических  смещений и наклонов, превышающих  предельно допустимые деформации в  основании сооружений;

прогноза возможного приращения сейсмической интенсивности (балльности) в разрывных зонах за счет раздробленности  пород и техногенных воздействий (утечки воды и т.п.);

прогноза возникновения  сейсмотектонических и сейсмогравитационных дислокаций при сильных землетрясениях.

Предельно допустимые (за весь срок службы сооружения) деформации, связанные  с современными тектоническими движениями, определяются действующими нормативными показателями (относительное горизонтальное сжатие или растяжение - 1 мм/м, радиус кривизны - менее 20 км, наклон - 3 мм/м, уступ - 1 см, относительная неравномерность осадок - 0,006, крен фундамента - 0,005 (СП 11-104).

Если результаты визуального  обследования зданий, сооружений и  комплексов богослужебного и вспомогательного назначения окажутся недостаточными для  решения поставленных задач, то проводится детальное инструментальное обследование. В этом случае, при необходимости, разрабатывается программа работ  по детальному обследованию. Так, например, если при визуальном обследовании будут  обнаружены дефекты и повреждения, снижающие прочность, устойчивость и жесткость несущих конструкций  сооружения (стен, колонн, столбов, арок, сводов покрытий и перекрытий, куполов и прочих), то необходимо перейти к детальному обследованию.

При обнаружении характерных  трещин, перекосов частей здания, разломов стен и прочих повреждений и деформаций, свидетельствующих о неудовлетворительном состоянии грунтов основания, необходимо в программе детального обследования запланировать проведение инженерно-геологического исследования, по результатам которого могут потребоваться не только восстановление и ремонт строительных конструкций, но и укрепление оснований и фундаментов.

Если при предварительном  обследовании будут выявлены характерные  деформации или иные признаки динамических воздействий, то необходимо составить  предварительное ориентировочное  мнение о причинах и источниках вибрации, воздействующих на объект обследования, и учесть это в программе проведения детального обследования.

В случае выявления признаков, свидетельствующих о возникновении  аварийной ситуации, необходимо незамедлительно  принять решение по предотвращению возможного обрушения - разгрузить дефектные  конструкции и разработать временные  страховочные крепления (стойки, подкосы, сжимы, затяжки, распорки и т.д.). На характерные  трещины, свидетельствующие о неблагополучном  состоянии конструкции, целесообразно  ставить маяки для наблюдения за их развитием.[7]

2. Особенности работы и разрушения конструкций

При обследовании и оценке технического состояния каменных и  армокаменных конструкций необходимо учитывать особенности их работы и разрушения, обусловленные их структурой.

Каменная кладка является неоднородным упругопластическим телом, состоящим из камней и швов, заполненных  раствором. Этим обуславливаются следующие  особенности ее работы: при сжатии кладки усилие передается неравномерно вследствие местных неровностей и неодинаковой плотности отдельных участков затвердевшего раствора. В результате камни подвергаются не только сжатию, но также изгибу и срезу.

Характер разрушения кладки и степень влияния многочисленных факторов на ее прочность объясняется  особенностями ее напряженного состояния  при сжатии. Разрушение обычной кирпичной  кладки при сжатии начинается с появления  отдельных вертикальных трещин, как  правило, над и под вертикальными  швами, что объясняется явлением изгиба и среза камня, а также  концентрацией растягивающих напряжений над этими швами.

При обследовании каменных и армокаменных конструкций необходимо в первую очередь выделить несущие  элементы, на состояние которых следует  обратить особое внимание.

Первые трещины в кирпичной  кладке появляются при нагрузках  меньших, чем разрушающие, причем обычно отношение т=Ncrc/Nu тем меньше, чем  слабее раствор (Ncrc - нагрузка, соответствующая  моменту появления трещин, Nu - разрушающая  нагрузка). Так, например, для кладок на растворе марок:

50 и выше     т=0,7-0,8;

10 и 25        т=0,6-0,7;

2 и 4          т=0,4-0,6.

Момент появления первых трещин зависит от качества выполнения горизонтальных швов и плотности  применяемого раствора.

В кладках из крупноразмерных  изделий (высокопустотных керамических камней, камней из ячеистого бетона) наступает хрупкое разрушение, первые трещины появляются при нагрузках 0,85-1 от разрушающей.

Важной причиной, снижающей  прочность и упругость каменной кладки, является неравномерная плотность  и усадка раствора. Частичное заполнение раствором вертикальных швов не приводит к снижению прочности кладки, однако уменьшает ее трещиностойкость и  монолитность.

Вертикальные швы и  отверстия в пустотелых камнях нарушают монолитность кладки и вызывают концентрацию растягивающих и сдвигающих напряжений у верхнего и нижнего концов щелей. Поэтому прочность кладки из пустотелых камней снижается на 15-20 % (за исключением  дырчатого

кирпича и керамических камней с щелевидными пустотами).

Среди возможных причин возникновения  дефектов следует выделить механические, динамические, коррозионные, температурные, влажностные воздействия, а также  дефекты, обусловленные неравномерностью деформаций оснований. Последние могут  быть вызваны как разностью степени  загружения соседних участков стен (например, торцевых - самонесущих и продольных - несущих), так и разностью, технологических  условий на смежных участках, а  также следствием вымывания грунта из-под фундамента грунтовыми водами, замачивания просадочных грунтов  и др.

Важным этапом обследования каменных конструкции является установление деформативно-прочностных характеристик  кладки. Обнаруженные в несущих каменных конструкциях трещины следует оценивать  с позиции работы кладки над нагрузкой  при сжатии. Различают четыре стадии работы кладки при сжатии, приведенные  на рис. 1.

Рис. 1. Стадии работы кладки при сжатии

F - усилие в кладке; Fcrc - усилие в кладке, при котором  образуются трещины; Fu - разрушающее  усилие

Первая стадия работы каменных конструкций при усилии в кладке F меньше усилий Fcrc, при котором не образуются трещины, свидетельствует  о нормальном состоянии конструкций. Вторая стадия при F=Fcrc характеризует  удовлетворительное состояние конструкций; третья стадия при Fcrc<F<Fu характеризует  неудовлетворительное состояние конструкций; четвертая стадия при F=Fu характеризует  предаварийное или аварийное  состояние конструкций (Fu - разрушающее  усилие).[8]

3. Методы оценки каменных и армокаменных конструкций.

В настоящее время наряду со строительством зданий и сооружений и сооружений различного назначения с применением сборных и монолитных железобетонных конструкций все  более широко применяются каменные и армокаменные конструкции. Этому  способствуют как большие запасы природных камней, таки материалов для искусственных камней и наличие  развитой промышленности этих строительных материалов.

Оценка состояния каменных и армокаменных конструкций может  производиться, также как для  большинства других строительных конструкций  по  внешним признакам. Для этого  разработан ряд универсальных рекомендаций.

Общая оценка надежности и  технического состояния различных  инженерных сооружений в зависимости  от имеющихся у них характерных  повреждений с учетом значимости отдельных видов конструкций  представлена в табл. 1.

Таблица 1. Оценка состояния каменных и армокаменных конструкций по внешним признакам

[6]

4. Bыбор методов контроля прочности бетона построенных сооружений

В последние годы популярность и доступность различных методов  контроля прочности бетона и реализующих  их приборов резко возросла. И несмотря на требования нормативных документов, резко ограничивающие возможность  применения большинства методов  для использования в ходе обследования конструкций зданий и сооружений, в том или ином объеме они применяются  большинством организаций.

Необходимо уточнить, что  в данной статье речь идет только о  прочности бетона на сжатие и далее  под "прочностью" понимается именно этот параметр бетона.

Рассмотрим следующие  вопросы.

1. Какие методы определения  (оценки) прочности бетона применяются  и какие наиболее доступны?

2. Каковы параметры основных  применяемых методов с точки  зрения стоимости оборудования, производительности и погрешности  измерений?

3. Какие методы в реальных  условиях объектов обследования, с учетом сложившейся на рынке  ситуации, можно применять, соблюдая  требования норм.

Условно все применяемые  методы можно разделить на 3 группы, представленные на рис.2.

Рис. 2. Классификация методов контроля прочности бетона

Результаты, полученные методами первой группы, являются наиболее соответствующими истинному значению прочности материала  по следующим причинам. Во-первых, измеряется именно искомый параметр - усилие, соответствующее  разрушению при сжатии. Во-вторых, исследуется  образец материала, изъятый из тела конструкции, а не только из поверхностного слоя. В-третьих, влияние на результат  измерения внешних факторов: влажность, армирование, дефекты поверхностного слоя и прочих, - можно свести к  минимуму.

Однако данный подход для  рядовых объектов на практике применяется  крайне редко. Это обусловлено тремя  основными причинами: высокая стоимость  оборудования, большая трудоемкость процесса измерения и, следовательно, его себестоимость и локальное повреждение конструкций, которое в большинстве случаев заказчик не приемлет.

Подсчитаем оценочную  стоимость необходимого для первого  вида измерений оборудования. Учитывая, что метод выбуривания кернов по сравнению с отбором проб выпиливанием характеризуется меньшей трудоемкостью  и повреждением, наносимым конструкции, рассмотрим оборудование именно для  него.

Рассмотрим комплект оборудования, доступного на рынке, со средним качеством  и минимальными необходимыми параметрами. В минимальный комплект можно  включить: перфоратор (Bosch GBH 2-26), установка  алмазного сверления для отбора кернов диаметром до 100 мм (Husqvarna DMS 160A), камнерезный станок (Diam SK-600) и пресс  гидравлический (ПГМ-1000МГ4). Данные сведены  в таблицу 1.

Трудозатраты для выполнения измерений будут состоять из выбуривания  трех кернов (согласно п. СП 13-102 [6] для  определения прочности одного конструктивного  элемента), доставки с объекта в  лабораторию (в расчет взят 1 ч), торцовки на камнерезном станке и испытания  на прессе с последующей обработкой результатов.

Для всех методов контроля, указанных на рис.1, по требованиям  ГОСТов [1,2,3] необходимо до выполнения измерений (отбора проб) определить наличие  и расположение арматуры. Данная операция, как правило, выполняется магнитным  методом по ГОСТ 22904 [7]. Эта составляющая в затраты на приборное обеспечение  и трудоемкость не включена.

Подсчитаем оценочную  стоимость необходимого для второго  вида измерений оборудования. Расчет выполнен для метода отрыва со скалыванием, так как в отличие от методов  отрыва и скалывания ребра, данный метод  в отечественной практике обследования нашел наибольшее применение.

В минимальный комплект можно  включить перфоратор (Bosch GBH 2-26) и прибор для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием (ПОС-50МГ4). Трудозатраты для выполнения измерения  методом отрыва со скалыванием будут  состоять из бурения шпура, закладки анкера и проведения измерения. Количество единичных измерений для определения  прочности бетона участка конструкции  должно быть не менее трех [4,6]. Данные представлены в таблице 1.

Во всех косвенных неразрушающих  методах контроля прочности для  реализации достаточно наличия самого прибора контроля. Трудоемкость состоит  непосредственно из измерений того или иного параметра (отскок, скорость ультразвука, диаметр отпечатка  и пр.) после выполнения надлежащего  количества измерений.

Измерение прочности методом  пластической деформации характеризуется  большей трудоемкостью, так как  помимо нанесения отпечатков на поверхность  бетона конструкции необходимо производить  измерение их диаметров и дальнейший расчет их отношения (при использовании  молотка Кашкарова).

Таблица 2. Сводные данные по методам измерения

Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод  о том, что приборы третьей  группы характеризуются очевидными преимуществами. Они обладают наименьшей трудоемкостью и, соответственно, стоимостью единичного испытания. Величина инвестиций в приобретение оборудования также  минимальна по сравнению с методами 1 и 2 групп. Помимо этого все косвенные методы контроля являются полностью "неразрушающими" и не наносят повреждений бетону конструкций при измерениях.

Именно эти факторы  являются основной причиной большой  популярности методов группы 3 у  различных организаций, занимающихся обследованием и испытаниями  бетона. Особенно это относится к  фирмам, стремящимся минимизировать расходы на оборудование, либо "молодым" организациям, а также к организациям, основной целью которых является не качество выполненной работы.

Рассмотрим другую сторону  проблемы.

Согласно п.3.14 ГОСТ 22690 [2], "для определения прочности  бетона в конструкциях предварительно устанавливают градуировочную зависимость  между прочностью бетона и косвенной  характеристикой прочности (в виде графика, таблицы или формулы)". Применение методов упругого отскока, ударного импульса или пластической деформации при обследовании конструкций, бетон которых обладает параметрами, отличающимися от бетона, на котором  построена градуировочная зависимость (то есть всегда), возможно только с  уточнением данной зависимости. Уточнение  зависимости подразумевает испытание  бетона методом группы 2 или 1.

Согласно п.3.16. ГОСТ Р 53231 [4], использование всех косвенных  методов контроля (группа 3) возможно только с построением градуировочной зависимости.

Согласно п.8.3.1 и Приложению Б СП 13-102 [6], определение прочности  бетона выполняется неразрушающими методами в соответствии с ГОСТ 22690 [2], и без построения градуировочной зависимости может быть выполнено  только методами отрыва со скалыванием, отрыва, скалывания ребра и по испытанию  отобранных образцов.

Иными словами, применять  все методы контроля прочности, входящие в группу 3 (рис.1), без построения градуировочной зависимости НЕЛЬЗЯ, а построение зависимости ведет  к неизбежному использованию  методов группы 1 или 2. По результатам анализа отчетов сторонних организаций, а также общения с коллегами из различных регионов России можно утверждать, что в отечественной практике обследования указанными нормами пренебрегает большинство организаций. Почему так происходит, описано выше.

Рассмотрим, чем вызвано  такое категоричное требование норм по отношению к косвенным неразрушающим  методам контроля.

Во-первых, это большая неопределенность (погрешность) результатов измерения фиксируемого параметра. Помимо наличия приборной составляющей погрешности (износ пружины, низкий заряд аккумуляторов и т.п.), которая вносит определенный вклад в результирующую погрешность, превалирующую роль играют многочисленные внешние факторы [8]. К ним относятся: