ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ ЗДАНИЙ


При эксплуатации крупнопанельных зданий часто наблюдаются протечки и промерзания стыков наружных стен. По данным [1] этот вид отказов составляет около трети всех эксплуатационных повреждений жилых зданий. Еще треть повреждений составляют трещины в швах, облицовочных слоях и ограждающих конструкциях. В целом, около 70% обследованных крупнопанельных зданий имеют повреждения наружных стен. Протечки через стены происходят в 38% случаев отказов, связанных с увлажнением, в том числе 36% через вертикальные швы, 32% – горизонтальные швы, 25% – угловые соединения. Причем около 50% отказов стыков приходится на верхние этажи, что связано с повышенным давлением ветра.

Причины эксплуатационных отказов разнообразны: неудачные решения некоторых типов стыков, дефекты изготовления, транспортирования и монтажа панелей, нарушение технологии герметизации стыков, низкое качество устройства связей и замоноличивания стыков, различные эксплуатационные воздействия. Как показали исследования [1-3], основной причиной возникновения и раскрытия трещин в стыках крупнопанельных зданий является перераспределение нагрузок между стенами при развитии неодинаковых деформаций ползучести и усадки сопрягаемых стен и их стыковых соединений, а также температурно-влажностные воздействия.

Раскрытие стыков обуславливается высокой податливостью связей петлевого типа, соединяющих панели в горизонтальном направлении. Стена расчленяется на отдельные вертикальные элементы, число которых соответствует количеству вертикальных рядов панелей. Каждый вертикальный ряд панелей деформируется самостоятельно, а трещины в вертикальных швах компенсируют температурные деформации панелей. Причем ширина раскрытия стыка нижних этажей меньше, так как нагрузка и сила трения в горизонтальных швах выше и деформации меньше. Усадочные явления в панелях наружных стен, интенсивно протекающие в первые месяцы после их монтажа, также могут приводить к необратимому раскрытию вертикальных стыков.

Периодические температурные деформации стыков панелей на одну комнату могут достигать 1 мм, панелей на две комнаты – 2 мм. Причем частота появления деформаций 0,4-0,6 мм может составлять 200 раз в год, 0,8-1,0 мм – 10 раз в год, главным образом, в зимний период [3]. Таким образом, применяемые герметики должны эффективно работать в условиях изменения размеров стыка на 10-20%. Согласно Правилам и нормам технической эксплуатации жилищного фонда (2003 г.), регламентируемое раскрытие стыков от температурных деформаций принимается равным для горизонтальных стыков – 0,6-0,7 мм, вертикальных – 2-3 мм. При этом допустимая ширина раскрытия трещин ограничивается величиной: в стыках – до 1 мм, в панелях – до 0,3 мм.

Появление силовых трещин в элементах крупнопанельных зданий связано с действием сложных концентраций нагрузок, вызванных неточностями монтажа панелей, а также неравномерностью по толщине растворных швов. Для обследованных в г.Челябинске зданий серии 97 и 121 установлено, что типичные трещины возникают в подоконном поясе панелей (рис.1).

 


Рис.1. Виды трещин в панелях

Ширина раскрытия трещин типа 1 и 2 достигает 1,5-2,0 мм. Указанные трещины могут возникать вследствие нагрева внутреннего слоя панелей от радиаторов. В двухмодульных панелях серии 121, установленных на две цокольные панели, часто возникают трещины типа 3. Они являются следствием растягивающих напряжений в средней части панели из-за температурных деформаций цокольных панелей. Подобные трещины были обнаружены и в крупнопанельных зданиях серии 1-464 [1].

Установлено, что в большинстве случаев трещине на внешнем слое панели соответствует трещина на внутреннем слое. При этом доказано существование значительных растягивающих напряжений в подоконном поясе панелей, превосходящих предельные значения при расчетных нагрузках.

В платформенных стыках при плохом качестве растворного шва часто появляются трещины в стеновой панели и концевой части плиты перекрытия. Совместная работа внутренних и наружных стен, препятствующая трещинообразованию, лучше всего обеспечивается при заведении плит перекрытий на наружные стены. При стыках других типов возможны значительные (до 2-3 мм) деформации сдвига в вертикальных стыках с раскрытием трещин до 1,5-2,0 мм [2].

Если взаимосвязь интенсивности отказов стыков и качества их герметизации несомненна и подтверждается опытом эксплуатации, то влияние качества строительно-монтажных работ в целом на повреждаемость крупнопанельных зданий не столь очевидно и нуждается в доказательствах. Логическое обоснование указанного влияния обусловлено следующими экспериментально-теоретическими положениями.

1. Работа здания и напряженно-деформированное состояние его несущих элементов зависит от жесткости конструктивной системы. Кроме характеристик сечений и материалов на жесткость оказывают влияние податливость соединений сборных элементов, швов, стыков и перемычек при растяжении, сжатии, сдвиге, повороте и перекосе.

2. Податливость связей зависит от их вида (петлевые, сварные), характеристик стали, уровня напряжений и качества замоноличивания стыка (ширины раскрытия трещин).

3. Податливость растворных швов при сжатии прямо пропорциональна толщине шва и обратно пропорциональна прочности раствора. При платформенном опирании коэффициент податливости стыка при сжатии определяется податливостью растворных швов, модулем упругости бетона опорной части плиты перекрытия и глубиной опирания плиты.

4. На податливость шпоночных стыков при сдвиге влияет их геометрия, модули упругости материала панели и бетона замоноличивания.

5. Податливость перемычек зависит от характеристик сечения, модуля упругости и модуля сдвига бетона, параметров армирования, а в фазе образования вертикальных трещин – дополнительно от их ширины раскрытия и количества.

Таким образом, наблюдаемые дефекты возведения крупнопанельных зданий [4], а именно: уширенные и неравномерные растворные швы, снижение прочности раствора и бетона в швах и стыках, нарушение геометрии стыков при неточностях монтажа, дефекты устройства связей сборных элементов – приводят к снижению приведенной изгибной жесткости в столбах стен, невыгодному перераспределению усилий, снижению общей жесткости, прочности и устойчивости здания.

На основании изложенного, рассмотрим гипотезу о неблагоприятном влиянии дефектов СМР на интенсивность износа крупнопанельных зданий. Для проверки этой гипотезы были обследованы 30 зданий серий 97, 121 и 1.090, причем по девяти из них имелись точные данные о дефектности СМР. При обследовании фиксировались трещины вертикальных швов наружных стен и лестничной клетки, трещины в панелях наружных стен цокольного и 1-го этажей, а также доля выкрошенных и ремонтных швов (табл.1).

 

Таблица 1

Результаты исследования повреждений крупнопанельных зданий


здания
БездефектностьР Показатель качества
KСМР
Трещины в швах Трещины в панелях Доля выкрошенных
швов, %
Доля ремонтных
швов, %
лестнич. клетки наружных стен
% acrc,
мм
% acrc,
мм
кол-во acrc,
мм
1 0,63 0,78 85 0,75 44 1,34 1,3 6,1
2 0,50 0,76 100 1,10 68 1,22 18 0,97 9,2 7,8
3 0,62 0,76 100 0,61 45 0,63 14 0,51 3,3 6,7
4 0,51 0,65 100 1,18 60 1,32
5 0,57 0,77 97 0,85 44 0,95 6 0,65 3,9
6 0,64 0,82 83 0,66 53 0,73 15 0,62 4,1 1,6
7 0,56 0,69 100 0,58 65 1,24 26 1,08 9,8 3,7
8 0,61 0,80 100 0,73 50 1,15 2 0,35 4,8
9 0,85 0,85 60 0,05 36 0,51 1 0,01 0,5

 

Как видим, средняя ширина раскрытия трещин acrc в вертикальных швах составила 0,05-1,34 мм при максимальных значениях 1,5-2,0 мм, что согласуется с данными [1, 2]. Допустимое по нормам эксплуатации значениеacrc=1 мм. Трещины в панелях наружных стен по характеру расположения, как правило, были типичными (рис.1, 2). Ширина их раскрытия в среднем составила 0,35-1,08 мм. Наибольшее количество значительных трещин (до 2,5-3,0 мм) наблюдалось для здания №7, грунтовое основание которого было, предположительно, проморожено. За исключением указанного здания выборка составляет относительно однородную совокупность объектов, продолжительность эксплуатации которых равна 6-7 годам.

 


а)

б)
Рис. 2. Типичное расположение трещин в двухмодульных (а)
и одномодульных (б) панелях

Корреляционный анализ представленных в табл.1 данных выявил наличие значимой на уровне 0,05 корреляции (рис.3) между уровнем бездефектности СМР, количеством и шириной раскрытия трещин в вертикальных швах панелей наружных стен (r = 0,72…0,92), долей выкрошенных и отремонтированных швов (r = 0,80), а также между комплексным показателем качества KСМР [4] и количеством и шириной раскрытия трещин в стеновых панелях (r = 0,80…0,82).

 


Рис. 3. Зависимость ширины трещин от качества работ

Корреляционные взаимодействия исследованных параметров доказывают, что существует прямая связь между уровнем качества монтажа крупнопанельных зданий и степенью их поврежденности. Так как признаков деформаций оснований в выборке зданий обнаружено не было (кроме здания №7), выявленные повреждения связаны с дефектами силового сопротивления несущей системы зданий и внешними воздействиями. При достаточной однородности последних гипотезу о неблагоприятном влиянии дефектов СМР на интенсивность износа крупнопанельных зданий можно принять.

Для описания износа используют экспоненциальную зависимость [1, 5] сохранности конструкции

ν(t) = 1 — ξ(t) = e-λ·t,                                       (1)

где   v – сохранность (величина, обратная износу ξ);

λ – интенсивность износа.

Свойство сохранности соотносят с запасом несущей способности, вероятностью отказа, резервом по надежности и т.д. Если сохранность интерпретировать через потерю несущей способностиR(t)/R0, то при учете начальной дефектности, снижающей R0 и влияющей на интенсивность износа, модель (1) преобразуется к виду

R(t) = KRR0e— aλ·t,                                         (2)

где   R(t), R0 – текущее и начальное значения несущей способности;

KR– показатель снижения несущей способности в результате допущенных дефектов;

а – коэффициент увеличения интенсивности износа λ дефектных конструкций (а≥1).

Интенсивность износа для различных инженерных сооружений и условий эксплуатации изменяется в довольно широких пределах. Например, в зависимости от степени агрессивности среды скорость коррозии бетона варьируется в пределах от 0,4 до 4-6 мм в год, арматуры – от 0,04 до 1,8 мм в год [5]. Кроме того, интенсивность износа изменяется и с течением времени: по данным [6] увеличивается в конце срока эксплуатации примерно в три раза, при этом λ возрастает с 0,003 до 0,01. Вместе с тем, в период нормальной эксплуатации можно принять приближенную модель (2) и постоянную величину λ. По оценкам [6, 7] для каменных зданий λ=0,0037, по данным [7] постоянная износа для железобетонных конструкций λ≈0,003–0,005.

Оценив влияние начальных дефектов показателем KR и принимая физический износ ξ в момент времени t равным 100(1–Rt/R0), можем найти коэффициент а из формулы (2). При этом износ определим по правилам ВСН 53–86(р) «Правила оценки физического износа жилых зданий» как среднюю величину износа наружных панелей ξn и их стыков ξcm. Износ стыков примем равным доле ремонтных швов. Несущая способность в момент времени t с учетом начальной дефектности выразится

Rtd = KRξ/100.                                           (3)

Результаты вычислений по исходным данным обследования зданий сведены в табл.2.

 

Таблица 2

Результаты вычисления коэффициента а

t, лет ξCT, % ξП, % ξ, % RT =
=1–ξ/100
RTD KR λ =
=–LNRT/T
Aλ=
=–LNRTD/t
A
4 5 6 5,5 0,945 0,905 0,96 0,0141 0,0250 1,77
5 6 8 7,0 0,930 0,870 0,94 0,0145 0,0279 1,92
6 9 10 9,5 0,905 0,835 0,93 0,0166 0,0301 1,81
7 12 12 12 0,880 0,790 0,91 0,0183 0,0337 1,84

 

Таким образом, для крупнопанельных зданий получено среднее значение коэффициента увеличения интенсивности износа с учетом начальных дефектов а =1,84, и формула (2) приобретает вид:

Rt = KRR0e— 1,84λ·t                                      (4)

По выражению (4) можно найти срок эксплуатации дефектной конструкции до заданного технического состояния и проведения соответствующих восстановительных мероприятий. Например, при λ = 0,005 и KR = 0,95 срок эксплуатации конструкции до проведения среднего ремонта, соответствующего потере несущей способности до Rt /R0 = 0,85, будет равен 12 годам.

Для оценки снижения надежности используем выражение индекса надежности (характеристики безопасности):

,                                       (5)
где  k – коэффициент запаса по несущей способности;

VR, VF – коэффициенты вариации сопротивления и нагрузки.

Снижение надежности дефектной конструкции в процессе эксплуатации можно оценить, если ввести в (5) показатель снижения несущей способности в результате дефектов KR и деградационную функцию (4):

.                             (6)
Результаты сравнительных расчетов при λ=0,005, VF=0,07 и VR=0,135 и характеристических значениях снижения несущей способности в результате дефектов представлены на рис.4.

 


Рис. 4. Снижение надежности в процессе эксплуатации

Таким образом, уже через 10-30 лет эксплуатации надежность дефектных конструкций может снизиться до критических значений, что потребует преждевременных затрат на их восстановление.

Заключение. На основе экспериментально-теоретических положений проведен анализ влияния качества строительства на эксплуатационную надежность крупнопанельных зданий. Исследованы внешние повреждения зданий и доказана их взаимосвязь с уровнем бездефектности строительно-монтажных работ. Уточнена модель физического износа крупнопанельных зданий с учетом начальных дефектов и эксплуатационных повреждений, позволяющая определить срок их безопасной эксплуатации.

Рейтинг: 0

Автор публикации

0
не в сети 3 года

Kacenelenbaum

Комментарии: 0Публикации: 10Регистрация: 11-02-2016

Оставьте комментарий