Причины повреждений и аварийные ситуации

Строительные конструкции обследуемого сооружения в общем случае могут быть подвержены физическим, химическим, биологическим и специальным воздействиям. Очень часто причиной повреждений и аварийных ситуаций является отсутствие учёта некоторых реальных воздействий на стадии проектирования конструкций или отступление от нормальных условий эксплуатации сооружения. В связи с этим при обследовании обязательным является определение параметров реальных нагрузок и воздействий и сопоставление полученных результатов с данными, указанными в документации.

Перегрузки несущих конструкций зданий могут возникнуть как при строительстве сооружения, так и в процессе его эксплуатации. Дополнительные неучтенные силовые воздействия появляются в результате увеличения полезной нагрузки при подвеске к конструкциям различного вида дополнительного оборудования, накоплении снега, наледи, производственной пыли. Увеличение постоянной нагрузки на перекрытие возможно за счет наложения дополнительных слоев при ремонте пола. Эти отклонения обнаруживаются при детальном осмотре здания.

Очень существенное влияние на состояние несущих конструкций оказывает внешняя среда, она характеризуется целым рядом факторов, важнейшими из которых являются температура, влажность, скорость и направление ветра (воздушных потоков внутри здания), степень агрессивности производства.

Воздействие температуры и влажности вызывает появление напряжений в конструктивных элементах, а также активно способствует коррозии строительных материалов. Температура и влажность измеряются как внутри, так и снаружи здания. При обследовании промышленных сооружений производятся измерения температуры газовых и жидких сред, сыпучих и твердых тел. Температура и влажность окружающей среды измеряются на протяжении всего периода обследования. Результаты измерений температуры и влажности сопоставляются с данными метеостанции за период обследования и результатами многолетних наблюдений, предшествующих периоду обследования.

По степени агрессивности среды подразделяются на неагрессивные, слабоагрессивные и сильноагрессивные. Для установления степени агрессивности среды проводятся наблюдения за атмосферными явлениями и инструментальные измерения состава, свойств и концентрации содержащихся в воздухе и в атмосферных осадках агрессивных для строительных материалов жидких, твердых и газообразных химических веществ. Пробы для определения состава и концентрации агрессивных веществ необходимо отбирать в течение трех дней над кровлей и в приземных слоях. Полученные данные позволяют установить категорию агрессивности среды и определить коэффициенты условий работы строительных материалов, необходимые для последующих перерасчетов обследуемой конструкции.

Определяя ветровую нагрузку при измерении скорости и направления ветра, следует исключить влияние аэродинамических особенностей сооружений и рельефа. Измерения должны производиться на высоте 1,5 м от поверхности земли и на высоте 2 м над наиболее высоким участком кровли.

Детальный осмотр конструкции следует начинать с наиболее ответственных элементов. Цель осмотра — установление повреждений, а также выявление элементов конструкции, изготовление, монтаж и эксплуатация которых проведены с отклонениями от проекта. Несущие элементы с дефектами условно можно разделить на две группы: элементы, в которых имеют место отклонения, не вызывающие видимых разрушений и элементы с локальными разрушениями.

Выявляя в ходе осмотра дефекты первой группы, особое внимание следует обратить на опорные части и соединения. Необходимо проверить правильность опирания и крепления опорных площадок, качество сварки, ослабление болтовых соединений. Проверяя состояние сварных швов, в первую очередь следует осмотреть швы в узлах, к которым примыкают стержни с большими растягивающими и сжимающими усилиями. При осмотре необходимо зафиксировать лишние монтажные швы, которые могут изменить расчетную схему конструкции. С особой тщательностью необходимо осмотреть сжатые элементы металлических конструкций. Погнутость сжатых стержней является одним из наиболее часто встречающихся дефектов металлических ферм. Детальному осмотру подлежат также вертикальные и горизонтальные связи, узлы примыкания связей к фундаментам, обеспечивающие пространственную жесткость сооружения. Одним из грубейших и, к сожалению, часто встречающихся нарушений правил эксплуатации является удаление вертикальных крестовых связей при установке оборудования в промзданиях.

К дефектам второй группы, выявляемым при детальном осмотре, относится ослабление элементов, вызванные местными разрушениями. Это могут быть срезы болтов, надрезы, сколы, обрывы отдельных элементов конструкций и т. д.

С методической точки зрения два вида ослаблений следует выделить в особую группу. Это коррозионные поражения и трещины. При осмотре устанавливается наличие трещин, проводится предварительный анализ причин их возникновения, определяются места с наибольшими поражениями коррозией.

При выявлении элементов конструкций, ослабленных коррозией, следует иметь в виду, что наибольшему поражению подвержены металлические и железобетонные конструкции в цехах и специальных помещениях, в которых по технологическому режиму предполагается наличие агрессивных веществ. При этом самые существенные повреждения бетона и стали происходят из-за кислотной и сульфатной коррозии, при периодическом увлажнении и некачественной химзащите. Для обычных зданий и сооружений в наибольшей степени коррозии подвержены подземные части здания при воздействии агрессивных грунтовых вод и переменном температурно-влажностном режиме эксплуатации и несущие элементы покрытия при разрушении материалов кровли и утеплителей. При этом наибольшей коррозии следует ожидать на участках с максимальными напряжениями, в местах приложения сосредоточенных нагрузок, на вводах вентиляционных систем и в зонах с плохой вентиляцией, на участках с интенсивным пыленакоплением, а также в местах нарушения защитного слоя бетона и антикоррозионного покрытия. По данным осмотра определяются качественные показатели коррозии: область распространения коррозии и ее характер. По характеру и области распространения коррозия подразделяется на сплошную и местную, равномерную, неравномерную и язвенную.

В несущих элементах строительных конструкций к наиболее типичным дефектам относятся трещины, которые являются следствием ошибок при проектировании, изготовлении и эксплуатации сооружений.

В металлических конструкциях появление трещин в большинстве случаев определяется явлениями усталостного характера. Усталостные трещины часто обнаруживаются при обследовании сосудов давления, подкрановых балок, высотных сооружений. Появление и медленное развитие трещин под действием нагрузки наблюдается в условиях коррозии. Температурные напряжения вызывают микротрещины в сварных швах. Образование трещин при постоянных напряжениях возможно при наличии дефектов структуры в зонах концентрации напряжений.

В металлическом элементе конструкции при статическом нагружении трещины появляются при низких температурах или высокоскоростном нагружении. В этих случаях хрупкая трещина быстро развивается, и, обследуя такие конструкции, можно обнаружить уже не дефект-трещину, а полное разрушение элемента. Так как в строительстве используются конструкционные металлы, как правило, с хорошо выраженными пластическими свойствами, то при обследовании металлических конструкций трещины встречаются значительно реже, чем в железобетонных, кирпичных и каменных конструкциях. Во многих случаях для металлических конструкций, работающих на статическую нагрузку, обнаруженная трещина не несет в себе непосредственной опасности. Дальнейшее развитие трещины часто ограничивается перераспределением усилий и зоной остаточных сжимающих напряжений у ее вершины. Распространение такой трещины наблюдается только при больших перегрузках.

При обследовании железобетонных и кирпичных сооружений детальное исследование трещин в конструкциях является наиболее ответственным этапом. Сооружения без трещин встречаются значительно реже, чем с трещинами. Если же рассмотрению подлежат и микротрещины, то в этом случае отсутствие дефектов в бетоне и кирпиче — явление невозможное. Экспериментальные исследования показывают, что технологические трещины существуют в бетоне до нагружения, а образование новых силовых микротрещин происходит при небольших воздействиях нагрузок порядка 10% от расчетных. Полная классификация трещин в железобетонных элементах представляется задачей чрезвычайно сложной. Существуют классификации трещин по их геометрическим (длина, ширина раскрытия, глубина распространения) и статистическим параметрам (среднее количество и дисперсия числа трещин в единице объема), энергетическим показателям (суммарная поверхностная энергия), характерным стадиям процесса трещинообразования при постепенном увеличении нагрузки и др. Однако приведенные варианты классификаций, несмотря на их несомненно положительные стороны в теоретическом аспекте, недостаточно информативны при решении практических задач. Основным критерием оценки трещин в обследуемых сооружениях является степень их опасности для несущих конструкций. Рассматривая трещины по показателю опасности, можно выделить три группы дефектов трещин:

• · неопасные трещины, ухудшающие только качество лицевой поверхности;
• · опасные трещины, вызывающие значительное ослабление сечений, к ним относятся также все нестабилизировавшиеся трещины, развитие которых продолжается с неослабевающей интенсивностью;
• · трещины промежуточной группы, которые ухудшают эксплуатационные свойства, способствуют физическому износу, снижают надежность и долговечность конструкции, однако непосредственной опасности не представляют, так как для разрушения объекта в зоне трещины необходимо дополнительное воздействие неблагоприятных факторов.

Для конструкций с трещинами второй и третьей групп должны быть предусмотрены мероприятия по восстановлению эксплуатационных качеств. В зависимости от индивидуальных особенностей конструкций выбираются различные способы восстановления, которые могут заключаться в простейшем случае — в заделке трещин раствором или усилении дефектного элемента в том случае, когда дальнейшая его эксплуатация может привести к разрушению элемента и конструкции в целом.

Для того чтобы правильно рассчитать степень опасности трещины в железобетонном элементе, необходимо выяснить причины ее возникновения. Сложность решения этой задачи определяется тем, что часто воздействие нагрузок, ставших причиной появления и развития трещин, обнаружить в момент проведения обследования не удается. Трещина могла образоваться в зимний период эксплуатации конструкции из-за перегрузки снегом, промерзания увлажненной области бетона, наледи. Появление трещин возможно также при неправильной эксплуатации конструкций производственных зданий, от временных перегрузок несущих элементов. Образование трещин возможно и на стадии монтажа конструкций. Причиной могут оказаться поставленные неправильно или в недостаточном количестве временные связи, некачественное выполнение строительно-монтажных работ или нарушения порядка монтажа. Часто трещины возникают из-за неравномерной осадки здания, которая имела место в течение непродолжительного периода при монтаже или эксплуатации. Наконец, трещины могут появиться при изготовлении строительного изделия, а также в процессе его транспортировки.

Во всех случаях действие фактора, вызвавшего появление трещины, могло прекратиться к моменту проведения обследования. При недостаточно строгом контроле на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций сведения о появлении трещин своевременно не регистрируются. Таким образом, от инженера-экспериментатора, проводящего обследование, требуется умение при наличии неполной информации дать правильную оценку состояния конструкции и причин деструкции. Чрезвычайно полезной в этом случае могла быть классификация трещин по причинам их возникновения, но, к сожалению, такой всеобъемлющей строгой классификации быть не может. Можно лишь говорить о наиболее вероятном происхождении трещин определенного вида в железобетонных и каменных конструкциях. Такую условную классификацию следует постоянно дополнять на основании результатов обследований, проводимых различными строительными организациями, институтами и лабораториями.

Возникновение трещин в железобетонной или каменной конструкции определяется локальными перенапряжениями и ослаблениями. Причиной появления больших напряжений, образования и развития трещин являются:

• · перегрузки, вызванные статическими и динамическими силовыми воздействиями; концентрация напряжений на структурных неоднородностях и в зонах изменения геометрических параметров несущего элемента, а также при натяжении арматуры; неравномерные перемещения конструкций из-за перегрузок или различия в деформативных характеристиках строительных материалов; неравномерные осадки фундаментов;
• · различные температуры элементов конструкции либо резкий перепад температуры в сечении элемента, неравномерное распределение температуры в объеме бетона массивных конструкций при экзотермической реакции;
• · большая усадка бетона, вызванная нарушениями при изготовлении или же неудачном подборе состава бетонной смеси, неравномерная усадка поверхностных слоев бетона внутренних областей, вызванная интенсивной потерей влаги на его поверхности;
• · расклинивающее действие льда в порах, пустотах, трещинах на увлажненных зонах бетона;
• · расклинивающее действие арматуры при ее коррозии из-за накопления ржавчины.

Местные ослабления в бетоне конструкций, которые приводят к появлению трещин, могут быть также вызваны нарушениями в технологии изготовления сборных и монолитных железобетонных конструкций и, как следствие, большой неоднородностью структуры бетона; коррозией бетона, вызванной фильтрацией воды, повышенным содержанием солей, растворяющей способностью фильтрующих вод; электрохимической и газовой коррозией.

Детальный осмотр дефектных зон железобетонных и каменных конструкций должен завершаться составлением предварительного заключения, в котором дается ориентировочная оценка причин возникновения и степени опасности трещин, приводится план инструментальных измерений, результаты которых должны уточнить причину местных разрушений. Во многих случаях предварительная оценка происхождения и опасности деструкции может быть произведена по аналогии обнаруженной трещины с трещинами, природа появления которых достаточно хорошо изучена. К характерным особенностям трещин, которые могут быть выявлены в ходе детального осмотра, относятся:

• · ориентация трещин (продольная, поперечная, вертикальная, горизонтальная, наклонная);
• · количество трещин и их расположение в дефектной области;
• · ширина раскрытия и зона распространения трещин по длине и толщине элемента.

Информация, полученная при осмотре, дополняется результатами инструментальных измерений, по которым уточняется область распространения трещины, оценивается возможность ее дальнейшего развития. для незастывшей трещины определяются длина и ширина раскрытия как функции времени.

Анализ результатов многочисленных обследований позволяет указать на некоторые закономерности образования и развития трещин в несущих элементах железобетонных и кирпичных сооружений, которые связаны с конкретным видом воздействий и характерны для определенных по конструктивному назначению несущих элементов.

Неравномерные деформации основания при действии собственного веса строительных конструкций и полезной нагрузки определяются потерей устойчивости основания, пучением грунта, вымыванием основания при нарушении системы водоснабжения, замачиванием лёссовидных грунтов, неоднородностью основания в зоне фундаментов. Зоны деструкции, ориентация трещин зависят от расположения ослаблений под фундаментом или наличием уплотнений грунта. Существенное влияние на схему образования трещин от неравномерной осадки основания оказывает конструктивное выполнение узлов и сопряжений, обеспечивающих пространственную жесткость здания. При неравномерных деформациях основания трещины появляются в несущих стеновых панелях (рис. 11.1), на стыках, часто переходят на перегородки и панели перекрытий.

Для анализа возможных вариантов трещинообразования несущий стеновой блок может быть рассмотрен с известной долей приближения как балка-стенка с различными условиями опирания. Ослабления основания у краев фундамента или же прочная опора под средней частью здания (рис. 11.1, а) вызывают напряженное состояние с максимальными растягивающими напряжениями в верхней трети балки-стенки над краем ослабленного участка основания. Наклонные трещины отрыва возникают от действия изгибающего момента и поперечной силы. Эти трещины могут не доходить до верхней кромки стены, так как критические растягивающие напряжения определяются, главным образом, поперечной силой. При значительных различиях податливости грунта (рис. 11.1, б) возникает вертикальная трещина сдвига на границе ослабленного и нормального оснований. В этом случае наибольшее относительное смещение краев трещины отмечается в уровне фундамента. Если ослабленная зона грунта расположена под средней частью фундамента (рис. 11.1, в), трещины отрыва, вызванные неравномерной осадкой, наклонены к центру стены и к зоне ослабленного основания. Образование вертикальных трещин сдвига в этом случае маловероятно.

При перегрузке простенка возникают вертикальные, горизонтальные и наклонные трещины. При неправильном опирании перекрытия появляются трещины смятия в верхней части панели. Сквозная силовая трещина любой ориентации может привести к снижению несущей способности и устойчивости стены. Наибольшую опасность представляют горизонтальные и наклонные трещины. Появление вертикальных силовых трещин в плоскости стены от перегрузок маловероятно, так как столб несущей стены работает в условиях плоской деформации, поэтому при центрально приложенной нагрузке следует ожидать возникновения трещин расслоения по толщине панели.

Выпучивание несущей железобетонной стены, которое сопровождается появлением горизонтальных трещин, может быть следствием недопустимо большого эксцентриситета вертикальной нагрузки при неправильном монтаже; перегрузка стены в результате перераспределения усилий, неодинаковой деформативности различных по толщине слоев панели при неправильной технологии изготовления, горизонтальных перемещениях конструкций от неравномерной осадки.

В ходе инструментальных измерений при обследовании стен с горизонтальными трещинами обязательно следует определять перемещения изгиба стены относительно краев панели, характеризующие степень выпучивания, и реальный эксцентриситет вертикальной нагрузки.

Различия в деформативности и загруженности вертикальных элементов здания вызывают неравномерность осадки несущих стен. Относительные смещения рядом расположенных вертикальных конструкций увеличиваются по высоте здания. Это может явиться причиной появления вертикальных трещин в узлах сопряжения панелей и наклонных трещин в перегородках и панелях. При различной деформативности стеновых панелей трещины развиваются в верхней части здания (рис. 11.2).

Причиной возникновения опасных наклонных трещин с большой длиной и раскрытием является сочетание неравномерной осадки и вертикальных перегрузок или же усадки бетона и перегрузок.

Температурные трещины в стеновых панелях появляются при больших градиентах температуры по толщине элемента или же при ограничении связями температурного расширения и сжатия элемента. Вертикальные несквозные температурные трещины в наружных стеновых панелях развиваются в пределах одного этажа. Часто наблюдаются сквозные температурные вертикальные трещины в перемычках при неудачном выполнении температурных швов. Характерной особенностью температурных трещин является непостоянство ширины их раскрытия. В связи с этим, если есть основания полагать, что трещина температурная, необходимо на стадии проведения инструментальных измерений проконтролировать ширину ее раскрытия в течение суток.

строительный конструкция фундамент трещина.

Усадочные трещины на поверхности стеновых панелей и плоских плит имеют вид беспорядочной сетки (рис. 11.3, а). В ребристых плитах, трехслойных панелях, балках, стеновых панелях с проемами усадочные трещины распространяются на большую глубину, часто оказываясь сквозными (рис. 11.3, б). Эти трещины расположены в зонах изменения геометрии сечения (сопряжение ребра и полки, мостики холода в трехслойных панелях, углы дверных проемов и т. д.). Усадочные трещины во внутренних конструкциях с раскрытием менее 0,3 мм при отсутствии агрессивной среды не представляют опасности. Трещины с большим раскрытием способствуют коррозии арматуры и закладных деталей, вызывают повышенную деформативность поверхностных слоев и могут стать причиной нежелательного перераспределения усилий. Так, при расположении больших усадочных трещин на одной из граней стеновой панели вертикальная нагрузка, распределяясь пропорционально жесткостям слоев, создает эксцентриситет нормальной силы и вызывает выпучивание стены с растяжением на дефектной ослабленной усадочными трещинами поверхности, что может в конечном итоге привести к образованию силовой горизонтальной трещины. Усадочные трещины во внешних железобетонных конструкциях должны быть заделаны. В противном случае они будут развиваться в результате расклинивающего действия льда, образующегося в них в зимний период.

В конструкциях без предварительного напряжения появление трещины, проходящей вдоль арматуры в защитном слое бетона, вызывается коррозией арматуры. Расклинивающее действие продуктов коррозии может оказаться столь значительным, что вызовет отслоение защитного слоя бетона на больших участках.

При обследовании часто обнаруживаются трещины в железобетонных перекрытиях. Обеспечивая пространственную жесткость сооружения и воспринимая вертикальную нагрузку, перекрытия работают в условиях сложно-напряженного состояния. Чердачные и надподвальные перекрытия, кроме того, находятся под воздействием температуры и влажности. Поэтому причины образования трещин устанавливаются в результате инструментальных измерений ширины раскрытия трещин, глубины их распространения, деформаций, прочности бетона, толщины защитного слоя и диаметра арматуры.

Наиболее опасными являются трещины, расположенные поперек рабочего пролета балочных плит. Каковы бы ни были причины, их вызывающие, эти трещины ведут к ослаблению расчетных сечений. Силовые трещины от вертикальной нагрузки с максимальным раскрытием на нижней поверхности плиты обнаруживаются в средней части плиты и направлены поперек рабочего пролета. В защемленных по двум сторонам плитах вертикальная перегрузка вызывает образование поперечных трещин на опорных участках с максимальным раскрытием на верхней поверхности.

Если деструкция плиты вызвана неравномерной осадкой вертикальных несущих элементов сооружения или горизонтальными перегрузками, то опасная поперечная трещина располагается на верхней поверхности одного из приопорных участков плиты. Причиной образования трещин в верхней области одной из опорных зон плит и на нижней поверхности средней части пролета является либо совместное действие неравномерной осадки и вертикальной нагрузки, либо действие только вертикальной нагрузки. Для последующих перерасчетов крайне важно знать, какая из этих двух причин является определяющей. Необходимая для этого информация может быть получена в результате измерения осадок плиты, а также в ходе испытаний пробной нагрузкой малой величины, которые позволяют уточнить расчетную схему работы плиты.

Наклонные силовые трещины в гладких плитах, как правило, не образуются. Такие трещины встречаются при вертикальных перегрузках ребристых плит. Характерная схема их образования в приопорных зонах с максимальным раскрытием на нижней поверхности ребер определяется расположением полезной вертикальной нагрузки вблизи от одной из опор.

В балках рамных конструкций схема образования опасных силовых поперечных трещин такая же, как и в ребристых плитах. При больших вертикальных нагрузках на железобетонные балки, например, для подкрановых балок, возможно также образование веретенообразных наклонных трещин (рис. 11. 4, а) с максимальным раскрытием на полке в зоне центра тяжести сечения.

Возникновение таких трещин определяется неучетом в расчетах дополнительных крутящих моментов, появившихся из-за больших эксцентриситетов вертикальной нагрузки при смещении рельса с оси балки (рис. 11.4, б).

Существование опасных силовых горизонтальных трещин продольного изгиба в железобетонной колонне маловероятно, так как большое значение сжимающей силы при возникновении перегрузок от изгибающего момента вызывает перенапряжение сжатия на одной из граней колонны и образование поперечного излома на противоположной грани колонны, что ведет к окончательному разрушению. Критическая перегрузка сопровождается появлением вертикальных трещин отрыва. Как показывают результаты обследований железобетонных стоек, находящихся в аварийном состоянии, разрушению колонн с образованием вертикальных трещин способствует изгиб стержней продольной рабочей арматуры, поэтому актуальной задачей строительного производства является скорейший массовый переход к железобетонным элементам, работающим на сжатие, с рациональным расположением арматурной стали (бетон в спиральной обойме, трубобетон, мембранобетон).