ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ ЗДАНИЙ

Байбурин Альберт Халитович – Профессор кафедры «Технология
строительного производства», ГОУ ВПО «Южно-Уральский
государственный университет», г. Челябинск,
кандидат технических наук

 

---

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).

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).

Как видим, средняя ширина раскрытия трещин a_crc 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 значение a_crc=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.

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 K_СМР [4] и количеством и шириной раскрытия трещин в стеновых панелях (r = 0,80…0,82).

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

где   v – сохранность (величина, обратная износу x);
l – 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

где   R(t), R₀ – текущее и начальное значения несущей способности;
K_R – показатель снижения несущей способности в результате допущенных дефектов;
а – коэффициент увеличения интенсивности износа l дефектных конструкций (а³1).

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 l возрастает с 0,003 до 0,01. Вместе с тем, в период нормальной эксплуатации можно принять приближенную модель (2) и постоянную величину l. По оценкам [6, 7] для каменных зданий l=0,0037, по данным [7] постоянная износа для железобетонных конструкций l»0,003–0,005.

Оценив влияние начальных дефектов показателем K_R и принимая физический износ x в момент времени t равным 100(1–R_t/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 x_п и их стыков x_cт. Износ стыков примем равным доле ремонтных швов. Несущая способность в момент времени t с учетом начальной дефектности выразится

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

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

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

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

где   `k – коэффициент запаса по несущей способности;
V_R, V_F – 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 K_R и деградационную функцию (4):

Результаты сравнительных расчетов при l=0,005, V_F=0,07 и V_R=0,135 и характеристических значениях снижения несущей способности в результате дефектов представлены на рис.4.

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

 

1. Ройтман А.Г. Деформации и повреждения зданий. – М.: Стройиздат, 1987. – 160 с.
2. Шапиро Г.А., Сендеров Б.В., Фрайнт М.Я. Оценка качества изделий и монтажа крупнопанельных зданий по результатам прочностных натурных испытаний. – М.: Стройиздат, 1976. – 97 с.
3. Ройтман А.Г. Надежность конструкций эксплуатируемых зданий. – М.: Стройиздат, 1985. – 175 с.
4. Байбурин А.Х., Головнев С.Г. Качество и безопасность строительных технологий: Монография. – Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2006. – 453с.
5. Пухонто Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений (силосов, бункеров, резервуаров, водонапорных башен, подпорных стен). – М.: Изд-во АСВ, 2004. – 424 с.
6. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. – М.: Стройиздат, 1975. – 334 с.
7. Авиром Л.С. Надежность конструкций сборных зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1971. – 216 с.