Свидетельство:
О регистрации средства массовой информации: "Предотвращение аварий зданий и сооружений".
Номер: №ФС77-35253
Выдано: Федеральная служба по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций
Дата: от 16.02.2009 г.
Форма распространения: электронное периодическое издание
Язык: русский
Учредитель: ООО "ВЕЛД"
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 |
Бездефектность Р | 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 способности R(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 = KR - ξ/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.
Библиографический список