Диагностика и испытание строительных конструкций

г) трещины «обычные», не вызывающие опасений в надёжности конструкции (ширина раскрытия «обычных» трещин не должна превышать величин, указанных в [5, табл. 21]).

Исследуя характер распространения и раскрытия видимых трещин, в большинстве случаев можно определить причину их образования, а также оценить степень опасного состояния конструкции.

Трещины от силового воздействия обычно располагаются перпендикулярно действию главных растягивающих напряжений. Основные виды «силовых» трещин представлены в табл. 5.

Усадочные трещины в плоских конструкциях распределяются хаотично по объёму, а в конструкциях сложной конфигурации концентрируются в местах сопряжения элементов (узлы ферм; сопряжение полки и ребёр в плитах, двутавровых балках и т.д.). Трещины от коррозии проходят вдоль корродируемых арматурных стержней.

Таблица № 5

Трещины в железобетонных конструкциях

Трещины в плитах перекрытий

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи обнаружения трещин в железобетонные перекрытиях промышленных зданий, которые, как правило, работают в сложных условиях, испытывая технологические перегрузки, ударные и вибрационные воздействия, разрушающее влияние технических масел и других агрессивных сред, что приводит к их быстрому износу, а следовательно, и появлению трещин. Как видно из рис.8, характер трещин, обусловленных силовым воздействием, зависит от статической схемы плиты перекрытия: вида и характера действующей нагрузки, способов армирования и соотношения пролётов. При этом трещины располагаются перпендикулярно главным растягивающим напряжениям.

Причинами широкого раскрытия «силовых» трещин обычно является перегрузка плиты, недостаточное количество рабочей арматуры или неправильное её размещение (сетка смещена к нейтральной оси). Если ширина раскрытия трещин превышает 0,3мм, плиты усиливаются методом наращивания с дополнительным армированием. В местах приложения больших сосредоточенных сил усиливается зона, воспринимающая нагрузку, для чего используются различные распределительные устройства (стальные листы, балки, густоармированная набетонка и пр.

Трещины в балках с обычным армированием

Характерным для балок является образование нормальных (вертикальных) и наклонных (косых) трещин на боковой поверхности, причём нормальные трещины возникают в зоне действия наибольших изгибающих моментов, а наклонные - в зоне действия наибольших касательных напряжений, вблизи опор.

Картина трещинообразования балок в основном зависит от статической схемы, вида поперечного сечения и напряжённого состояния. На рис.2.9, а, б показаны «силовые» трещины в однопролётной и многопролётной балках прямоугольного сечения. Характерно, что нормальные трещины имеют наибольшую ширину раскрытия у растянутой грани, в то время как наклонные - вблизи центра тяжести сечения.

Нормальные трещины с шириной раскрытия более 0,5мм обычно свидетельствуют о перегрузке балки или недостаточном её армировании продольной рабочей арматурой.

Наклонные трещины, особенно в зоне заанкеривания рабочей продольной арматуры, считаются наиболее опасными, так как могут привести к внезапному обрушению балки. Причинами образования и раскрытия наклонных трещин часто служат низкий класс бетона, большой шаг поперечной арматуры, низкое качество сварки поперечных и продольных стержней.

Трещины в предварительно напряжённых балках

Балки, армированные высокопрочной арматурой классов A-V, A-VI, B-II, K-7, изготавливаются предварительно напряжёнными с повышенными требованиями к трещиностойкости, поэтому появление в них широко раскрытых трещин всегда свидетельствует либо о серьёзных технологических недоработках, либо перегрузках. На рис.9, в показаны характерные трещины в предварительно напряжённой стропильной балке, в табл.№6 представлены возможные причины образования чрезмерно раскрытых трещин.

При оценке эксплуатационной пригодности обследуемых балок важным показателем является ширина раскрытия силовых трещин. Следует однако отметить, что действующие нормы, регламентируя ширину трещин с позиции долговечности конструкции, игнорируют тот факт, что она является, кроме того, и показателем напряжённого состояния сечения.

На кафедре строительных конструкций ПГАСА разработан метод обследования балок, базирующийся на новых представлениях о параметрах трещинообразования, где ширина нормальных трещин, расстояние между ними, а так же прогиб балок играют определяющую роль. При этом обработка результатов обследования состоит из следующих этапов:

- по формуле определяется максимально допустимая безопасная ширина раскрытия трещин, которая сопоставляется с фактически измеренной, . Если <, то переходят к следующему этапу;

- по формуле находится средняя деформация арматуры на участке с трещинами;

- по формуле вычисляется кривизна элемента, как функция от прогиба;

- по формуле определяется относительная деформация сжатия бетона в сечении с трещиной;

- по графикам расчётных диаграмм состояний бетона и арматуры определяются уровни соответствующих напряжений и формулируется вывод о степени опасности напряжённого состояния сечения в целом.

Таблица № 6. Трещины в балках

Для балок, армированных стержнями из мягкой стали с площадкой текучести, уровень достигнутых напряжений ?0,85 считается не опасным, и балки могут эксплуатироваться с пониженной до расчётной величины нагрузкой без усиления. При уровне напряжений <0,85 требуется усиление нормального сечения.

Оценка напряжённого состояния балок по результатам натурного обследования является достаточно перспективной и при условии дальнейшего накопления экспериментальных данных, включаяющих длительные испытания, многорядное положение рабочих стержней, предварительное напряжение, может использоваться в поверочных расчётах.

Трещины в колоннах

Картина трещин в колоннах главным образом зависит от вида внецентренного сжатия и характера действующих нагрузок. Кроме того, заметное влияние оказывают технологические параметры: прочность бетона, качество армирования, условия твердения и пр. При больших эксцентриситетах приложения нагрузки в растянутой зоне могут образовываться широкораскрытые горизонтальные трещины поз.1, свидетельствующие о перегрузке колонны или её недостаточном армировании. При малых эксцентриситетах появляются трещины поз.2, являющиеся следствием перегрузки ствола колонны или низкого класса бетона. Появление вертикальных «силовых» трещин часто провоцируется усадочными, совпадающими с ними по направлению.

Низкое качество сварного соединения продольных и поперечных стержней или слишком большой шаг поперечной арматуры приводят к потере устойчивости сжатых продольных стержней и появлению трещин поз. 3. Отсутствие косвенного армирования в зоне концентрации сжимающих напряжений у верха колонны вызывает образование вертикальных трещин поз. 4. О недостаточном армировании, или явной перегрузке консоли, свидетельствуют трещины поз. 5 и 6.

Ствол колонны с «силовыми» трещинами, как правило, усиливается железобетонной или стальной обоймой, а консоль с помощью затяжек, конструкция которых приводится ниже.

Трещины в стропильных фермах

Трещинообразование в стропильных фермах обусловлено особенностью их статической работы как пространственных конструкций. Соединение элементов фермы в узлах создаёт предпосылки для концентрации в них разнородных по знаку и характеру напряжений: сжимающих, растягивающих, касательных. В результате концентрации напряжений узлы подвержены наиболее интенсивному трещинообразованию и требуют значительного расхода арматуры. Большие растягивающие усилия в нижнем поясе приводят к появлению сквозных вертикальных трещин, а сжимающие усилия в верхнем поясе - к появлению несквозных горизонтальных трещин.

Картина трещинообразования в раскосной стропильной ферме сегментного очертания, характеристика трещин дана в табл. №7

Таблица № 7. Трещины в стропильных фермах

Трещины в сборных панелях перекрытий

Сборные ребристые панели перекрытий (покрытий) типа П, 2Т представляют собой пространственную конструкцию, объединяющую балки (рёбра) и плиту, поэтому характер образования трещин от эксплуатационной нагрузки у них практически не отличается от ранее рассмотренных конструкций - балок и плит. Это наглядно видно из картины трещин в ребристой плите, представленной на рис.11, а. Однако следует отметить, что из-за сложности конструктивной формы, плотного армирования при изготовлении панелей часто образуются и технологические дефекты в виде щелеобразных раковин и усадочных трещин. К ним относятся трещины, идущие вдоль арматурных стержней и возникающие от разрыва уплотнённой бетонной смеси при вибрировании; продольные щелеобразные раковины под арматурными стержнями от зависания бетонной смеси; трещины от температурной деформации формы при пропаривании; усадочные трещины при жёстком режиме тепловлажностной обработки, высоком расходе вяжущего, большом водоцементном соотношении.

Для многопустотных панелей перекрытий характерны технологические трещины в рёбрах между пустотами, образующиеся при вытягивании пуансонов, а также продольные трещины в верхней полке вдоль пустот.

Панели перекрытий с технологическими трещинами шириной раскрытия более 0,2 мм ремонтируются или отбраковываются.

Трещины в каменных конструкциях

Кирпичная кладка, как и бетон, хорошо сопротивляются сжатию и значительно хуже растяжению. В результате этого на растянутой поверхности кладки задолго до разрушения появляются трещины. Имеются также и другие факторы, способствующие образованию трещин:

а) низкое качество кладки (несоблюдение перевязки, толстые растворные швы, забутовка кирпичным боем);

б) недостаточная прочность кирпича и раствора (трещиноватость и криволинейность кирпича, высокая подвижность раствора и т.п.);

в) совместное применение в кладке разнородных по прочности и деформативности каменных материалов (например, глиняного кирпича совместно с силикатным или шлакоблоками);

г) использование каменных материалов не по назначению (например, силикатного кирпича в условиях повышенной влажности);

д) низкое качество работ, выполняемых в зимнее время (использование не очищенного от наледи кирпича, применение смёрзшегося раствора);

е) отсутствие температурно-усадочных швов или недопустимо большое расстояние между ними;

ж) агрессивные воздействия внешней среды (кислотное, щелочное и солевое воздействия, попеременное замораживание и оттаивание, увлажнение и высушивание);

з) неравномерная осадка фундаментов.

Анализируя картину трещин в каменной кладке, следует помнить, что появление отдельных трещин в перевязочных камнях свидетельствует о перенапряжении.

Развитие трещин, как правило, указывает на значительное перенапряжение кладки и необходимость её срочной разгрузки или усиления.

Трещины в кирпичных внецентренно сжатых колоннах

Характер трещинообразования в кирпичных колоннах, так же как и в железобетонных, зависит от величины эксцентриситета приложенной силы.

При больших эксцентриситетах в растянутой зоне колонн по неперевязанному шву образуются горизонтальные трещины. С увеличением эксплуатационной нагрузки трещины раскрываются и удлиняются, в результате может произойти потеря устойчивости колонны или разрушение её сжатой зоны.

При малых эксцентриситетах горизонтальных трещин может не быть. Однако, если имеет место перегрузка колонны, появляются вертикальные продольные трещины.

Внецентренно сжатые кирпичные колонны, на поверхности которых имеются горизонтальные и вертикальные трещины шириной раскрытия более 0,5 мм, обычно требуют усиления.

Трещины в кирпичных стенах

Причинами образования трещин в стенах могут быть как внешние силовые воздействия, так и внутренние усилия, обусловленные влиянием окружающей среды и физико-химическими процессами, протекающими в материалах кладки. В зданиях с железобетонными перекрытиями, работающими совместно со стенами, причиной появления трещин может быть разница коэффициентов температурного расширения железобетона и каменной кладки.

Следует отметить, что образующиеся в стенах трещины имеют различную направленность и глубину проникновения в кладку. Так, при центральном сжатии в зоне перегрузки образуются вертикальные, параллельные направлению действующей силы, трещины, распространяющиеся на всю глубину стены. При внецентренном сжатии возможно образование неглубоких горизонтальных трещин, сопровождающихся выпучивание стены. Если под концом железобетонной или стальной балки отсутствует распределительная консрукция (армированный слой раствора или железобетонная подушка), то в зоне опирания часто образуются вертикальные неглубокие трещины, свидетельствующие о чрезмерных сжимающих напряжениях в кирпичной кладке.

Из внешних силовых воздействий, вызывающих интенсивное трещинообразование, особо опасными следует признать те, которые возникают при неравномерной осадке фундаментов под стенами. Так, в зданиях без подвалов причиной неравномерной осадки может стать рытьё траншеи под водопроводно-канализационные сети ниже отметки фундаментов или рытьё котлована под новое здание в непосредственной близости к существующему. Увеличивает опасность образования трещин и вибрация грунтового основания в результате близкой забивки свай.

Картина трещин анализируется, одновременно выявляются особо опасные для несущей способности стен повреждения. Возможные причины образования трещин указываются в табл. 8.

Таблица 8. Причины образования трещин в стенах

Способы залечивания трещин

Залечивание трещин в конструкциях производится разными методами, одним из которых является инъецирование, т.е. нагнетание в трещины растворов. В зависимости от вида конструкции, формы и размеров дефектов инъецирование осуществляется различными видами растворов, по названию которых даются определения: силикатизация, битумизация, смолизация и цементация.

Силикатизация состоит из двух этапов. На первом - через пробуренные в конструкции отверстия нагнетается жидкое стекло, которое, проникая через трещины в тело конструкции, заполняет их; на втором - нагнетается раствор хлористого кальция, который, реагируя с жидким стеклом, образует труднорастворимый гидросиликат кальция CaO SiO₂·2,5H₂O и нерастворимый гель кремнезёма SiO₂·nH₂O. Силикатизация используется для залечивания трещин в конструкциях, работающих в агрессивных и слабоагрессивных средах.

Битумизация заключается в нагнетании в конструкцию разогретого до 200-300⁰С битума марки III, причём конструкция должна иметь низкую влажность, чтобы не было парообразования. Битумизация не увеличивает прочности конструкции, однако она является хорошим средством повышения её водонепроницаемости и коррозийной стойкости.

Смолизация состоит в нагнетании в трещины и пустоты компаундов эпоксидных смол, что является надёжным способом повышения коррозийной стойкости и существенного увеличения прочности конструкции.

Цементация трещин представляет собой наиболее распространённый способ залечивания конструкций, при котором используется цементная смесь разных составов в зависимости от ширины раскрытия трещин. Виды цементных составов даны в табл. 9 Цементная смесь готовится на портландцементе или тампонажном цементе марок 400 и 500, засыпаемых в воду с последующим интенсивным перемешиванием в течение 2-3 мин. Готовая смесь процеживается через сито с ячейками 0,5-1 мм. Смесь должна быть использована в течение 30 мин.

Инъецирование трещин, т.е. процесс нагнетания смеси в залечиваемую конструкцию, состоит из трёх операций:

- подготовка скважин;

- установка и омоноличивание инъекционных трубок;

- нагнетание смеси.

Таблица № 9. Характеристика цементных составов

Подготовка заключается в расчистке и расширении участка конструкции с трещинами, где предполагается установить трубки, при этом удаляются грязь, наплывы раствора и инородные включения. Количество подготавливаемых скважин определяется рабочей схемой из расчёта не менее двух трубок на одну трещину. Глубина скважин должна составлять 50-70 мм, диаметр - 18-25 мм. Скважины желательно делать под углом 60-80⁰ к вертикальной поверхности, обеспечивая хорошее стекание смеси в дефектный участок.

Инъекционные трубки заделываются в конструкцию цементным раствором состава 1:3 с осадкой конуса 2-3 см. При больших размерах трещин вокруг трубки укладывается пропитанная смолой или жидким стеклом пакля, которая плотно зачеканивается. Конец трубки должен выступать над поверхностью конструкции на 50-80 мм для крепления к ней шланга.

На каждом обработанном участке устанавливается не менее двух трубок: в одну нагнетается смесь, а другая служит для контроля. Смесь нагнетается специальными ручными насосами (НИИ Мосстроя или С-402А), а нагнетания небольших объёмов смеси используются различные шприцы.

Рабочее давление при инъецировании раствора составляет 1-4 атм., но может повышаться в отдельных случаях до 10-20 атм. Продолжительность инъекции цементным раствором на один инъектор должна быть не более 10 мин. Инъекционные трубки извлекаются из конструкции через 6 часов после окончания инъекции.

Повреждения конструкций при пожарах

Повреждения конструкций при пожарах происходят в результате воздействия высоких температур. При этом ухудшаются эксплуатационные качества конструкций, снижается прочность материала, сила сцепления арматуры с бетоном, уменьшаются размеры рабочего сечения. Из-за неравномерного температурного нагрева может изменяться расчётная схема элементов, работающих в составе неразрезных систем.

При пожарах большой интенсивности и длительности деревянные и металлические конструкции как правило приходят в негодность, в то время как железобетонные и каменные конструкции частично сохраняют эксплуатационные качества.

Рассмотрим более подробно поведение железобетонных конструкций при пожарах.

Бетон является несгораемым и достаточно огнестойким материалом. Однако под воздействием высоких температур снижаются его прочность и защитные свойства по отношению к заключённой в нём арматуре. Кроме того, при продолжительном пожаре сильно нагревается сама арматура, в которой появляются значительные пластические деформации. В результате этого изгибаемые элементы получают недопустимые прогибы и чрезмерно раскрытые трещины, а внецентренно сжатые элементы теряют устойчивость.

По некоторым данным [6] при температуре пожара 1000-1100⁰C в течение одного часа арматура, расположенная в бетоне, на глубине 2,5 см может нагреваться до температуры 550⁰С, при этом модуль упругости снижается на 40…60%.

В соответствии с «Рекомендациями по оценке состояния и усилению строительных конструкций зданий и сооружений» [6] степень повреждения железобетонных конструкций после пожара характеризуется показателями, приведёнными в табл. №10.

По итогам анализа повреждений принимаются решения о ремонте или усилении конструкций. Так, например, консрукции, имеющие слабую степень повреждений, подвергают косметическому ремонту, при средней степени повреждений конструкции ремонтируют путём инъецирования трещин или наращиванием сечения бетона, при сильной степени повреждений конструкции усиливают введением дополнительных опор, наращиванием сечения бетона и арматуры или другими методами, обеспечивающими прочность, жёсткость и долговечность конструкции. При полной степени повреждений состояние конструкций считается аварийным и восстановление их нецелесообразно. Конструкции в этом случае требуют полной или частичной замены.

Таблица № 10. Повреждения конструкций после пожара

В процессе проектирования усиления определяется температура нагрева поверхности конструкций, а также оценивается прочность бетона и арматуры. При этом температура нагрева бетона в зависимости от его цвета и других характерных признаков определяется по показателям, приведённым в табл. 11, или опытным путём, на основании физико-химических исследований проб бетона массой 100-200 г, изъятых с поверхностей слоёв конструкций, по методике [12]. Температуру нагрева арматуры, как правило, принимают равной температуре нагрева бетона в исследуемой зоне.

Таблица № 11. Определение температуры нагрева бетона по цвету и другим характерным признакам [11]

Таблица № 12. Определение величины снижения прочности бетона после пожара [11]

Примечание: 1. После нагрева до температуры выше 500⁰С значения прочности бетона принимаются равными нулю. 2. Промежуточные значения прочности бетона устанавливаются линейной интерполяцией.

Таблица № 13. Определение величины снижения прочности арматуры после пожара [11]

Особое внимание при исследованиях уделяют показателям прочности бетона и арматуры, которые определяют с помощью инструментов и приборов приведённых в табл. 1, или испытанием образцов, вырезанных из тела конструкций.

При отсутствии экспериментальных данных величину снижения прочности бетона и арматуры находят через понижающие коэффициенты , и , или в процентном выражении по данным табл. 12 и 13.

Литература

И.С. Гучкин. Диагностика повреждений и восстановление эксплуатационных качеств конструкций. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2001.

Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. - Л.: Стройиздат, 1975.

Васильев Н.М. Влияние нефтепродуктов на прочность бетона //Бетон и железобетон. - 1981. - №3. - с. 36-37.

СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозий. - М.: Стройиздат, 1986.

Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжёлых и лёгких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84). М.: ЦИТП, 1989.

Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989.

Правила оценки физического износа жилых зданий. ВСН 53-86 (р). - М.: Гражданстрой, 1988.

Фридман О.М. Электроомотическая сушка зданий. - М.: Стройиздат, 1970.

Грачёв И.А. и др. Гидроизоляция подвалов и стен зданий. - Л., 1970.

Балалаев Г.А. и др. Защита строительных конструкций от коррозии. - М.: Стройиздат, 1966.

Рекомендации по обследованию зданий и сооружений, повреждённых пожаром/ НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 1987.

Методические рекомендации по оценке свойств бетона после пожара/НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 1985.