Гроздов - Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений

Гроздов В. Т. Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений. 2000.

Рассмотрены признаки, по которым можно определить, что состояние конструкций является аварийным. Сформулированы термин «авария» и связанные с ним понятия «аварийное состояние» и «предаварийное состояние». Отмечена важность знания инженерно-техническим персоналом строительных и  эксплуатационных органов признаков аварийного состояния конструкций при  реконструкции и капитальном ремонте зданий и сооружений. Книга может быть полезна для лиц, производящих техническое обследование строительных конструкций и надзор за строительством и эксплуатацией зданий и сооружений.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Аварии строительных конструкций зданий и  сооружений наносят значительный экономический ущерб и часто сопровождаются ранением и гибелью людей. Происходят аварии строительных конструкций обычно из-за совокупности причин: ошибок при проектировании, низкого качества материалов, используемых для несущих конструкций, нарушения технологии изготовления и  монтажа строительных конструкций, несоблюдения правил эксплуатации зданий и сооружений.

Аварии, строительных конструкций редко происходят внезапно. Обычно можно наблюдать ряд предвестников аварии. Если своевременно заметить признаки  приближающейся аварии, то можно вовремя принять  профилактические меры: вывести людей из опасной зоны,  произвести разгрузку аварийной конструкции, установить временные крепления и т. п. Поэтому так важно  инженерно-техническому персоналу строительных и  эксплуатационных организаций знать признаки аварийного  состояния конструкций. Этому вопросу посвящена  настоящая работа.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПО ОЦЕНКЕ АВАРИЙНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Термин «авария» и связанные с ним понятия  «аварийное состояние», «предаварийное состояние» не имеют твердых общепринятых толкований. В данной работе под аварией строительных конструкций здания или  сооружения подразумевается обрушение строительной  конструкции или всего здания или сооружения в целом, а также получение ими таких деформаций, которые делают  невозможной их эксплуатацию.

Под аварийным состоянием подразумевается такое состояние конструкции здания или сооружения, при  котором с большой степенью вероятности в ближайшее время можно ожидать его аварию. Предаварийным состоянием будем называть такое состояние конструкции, когда в случае продолжения  неблагоприятных воздействий (неравномерная осадка  фундамента, перепады температуры, агрессивность среды и т. п.) может произойти авария конструкции. Авария строительных конструкций возможна из-за наличия в них скрытых дефектов, в результате хрупкой работы конструкции, когда разрушение происходит без предварительных сильных деформаций. В этом случае установить факт наличия аварийного состояния  конструкции очень трудно. Однако в большинстве случаев аварии конструкции предшествуют развитие больших деформаций, появление и раскрытие трещин и другие видимые признаки  аварийного состояния.

Целью настоящей работы является описание  признаков, по которым можно определить, что состояние  конструкции является аварийным. Наряду с визуальным и визуально-инструментальным обследованием для установления аварийности  конструкции обычно производят поверочные расчеты конструкции. При поверочных расчетах об аварийном состоянии  конструкции судят по степени превышения фактической несущей способности конструкции с учетом выявленных в ней дефектов над расчетной.

В существующих нормах проектирования принято  следующее положение: если какое-либо сечение конструкции достигло первой группы предельных состояний, то это предельное состояние наступает и во всей конструкции. В отношении аварийного состояния это справедливо для статически определяемых систем. В статически  неопределяемых системах достижение в каком-либо одном  сечении предельного состояния обычно не связано с  обрушением конструкции. Это также должно быть учтено при решении вопроса о признании состояния конструкции аварийным. Анализ результатов обследования и  поверочных расчетов позволяет дать достоверный ответ на вопрос, является ли состояние конструкции аварийным. При этом можно встретить следующие случаи:

1) обследование конструкций выявляет признаки, по которым можно судить, что конструкция находится в аварийном состоянии; то же подтверждают и поверочные расчеты;

2) обследование выявляет признаки аварийного  состояния конструкции, но поверочные расчеты это не  подтверждают;

3) результаты поверочных расчетов говорят о наличии аварийного состояния конструкции, а обследование  признаков такого состояния не обнаруживает.

В первом случае, бесспорно, следует считать, что имеет место аварийное состояние конструкции. Во втором случае следует проанализировать  поверочные расчеты, а именно: учтено ли при их выполнении влияние выявленных дефектов строительных конструкций, правильно ли принята расчетная схема. Если при поверочных расчетах ошибок не сделано, то не имеется достаточных оснований считать состояние конструкций аварийным. В зависимости от вида  конструкции и выявленных дефектов в ряде случаев можно признать такое состояние конструкций предаварийным.

В третьем случае нужно еще раз обследовать  конструкцию, и если при этом не будет выявлено признаков аварийности, то не появится и оснований для утверждения об аварийном состоянии конструкции. Очень часто  встречаются случаи, когда разрушающая нагрузка значительно превосходит несущую способность конструкции,  подсчитанную по действующим нормам. Следует отметить, что правильность вывода об  аварийном состоянии конструкции в значительной степени зависит от квалификации лица, делающего такое  заключение.

В ряде пособий, инструкций по обследованию  строительных конструкций рекомендуется при снижении  несущей способности конструкции более чем на 50% считать такое состояние конструкций аварийным или даже  говорить о их полном разрушении. По этому поводу следует заметить, что аварийное состояние зависит не только от несущей способности конструкции (степени снижения предусмотренной проектом несущей способности), но и от усилий, вызванных внешним воздействием. Что  касается обрушения конструкции, то оно может произойти и при меньшем снижении ее несущей способности. Если конструкция обрушилась, значит она полностью  исчерпала свою фактическую несущую способность.

2. ПРИЗНАКИ АВАРИЙНОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ

Аварийным состоянием грунтового основания является такое его состояние, когда конструкции здания или  сооружения, опирающиеся на это основание, находятся в аварийном состоянии по причине неудовлетворительной работы основания.

Следовательно, об аварийности грунтового основания судят по состоянию конструкций, опирающихся на него. Нормы проектирования оснований зданий и  сооружений [32] ограничивают относительную разность осадок, среднюю и максимальную осадку фундаментов. При  превышении предельных значений этих деформаций в  конструкциях, опирающихся на основание, следует ожидать появления трещин. Однако не всегда при этом наступает аварийное состояние конструкций зданий и сооружений.

Во многих случаях происходит лишь нарушение  нормальных условий эксплуатации. Естественное основание, если исключить стихийные бедствия (землетрясение, оползни), может прийти в  аварийное состояние в случаях, когда:

— при проектировании здания, или сооружения  неправильно оценены прочностные и деформативные  свойства грунтов основания;

— нарушена технология котлованных работ;

— допущено замораживание пучинистых грунтов;

— нарушены правила эксплуатации зданий и  сооружений.

В качестве примера, когда нарушение естественной структуры грунтового основания привело к аварийному состоянию части надземных конструкций, можно привести в Ленинградской области. При отрывке котлована была повреждена водопроводная магистральная труба, и часть котлована, отрытого в суглинке, долгое время была залита водой, что привело к сильному переувлажнению грунтов. После возведения здания произошло выпирание грунтов из-под подошвы фундаментов с разрушением пола  подвала. Три секции дома, построенные на разжиженном грунте, просели и оторвались от двух ранее возведенных секций. Ширина трещин вверху здания достигла 4 см (рис. 1). Армированный пояс, предусмотренный проектом в связи с неоднородностью основания, при этом  разорвался. В целом это здание нельзя было признать  аварийным, так как деформации основания  стабилизировались, и обрушения здания не произошло. Аварийным в этом случае можно считать состояние стеновых панелей в зоне трещин, так как были нарушены связи панелей друг с другом и появились трещины в простенках.

Примером достижения аварийного состояния  надземных конструкций в результате промораживания пучинистых грунтов могут служить деформации надземной части двухэтажного кирпичного жилого дома в период строительства в Пушкине. Строительство дома велось в  зимний период. Окна подвала не были остеклены.  Засыпанный в подвал керамзитовый гравий прикрыл основания фундаментов у наружных стен. Внутренние продольные стены имели фундамент, заглубленный относительно пола подвала всего на 50 см. Грунт под этими стенами промерз, произошло его пучение. В результате дом раскололся вдоль на две части. Ширина трещины вверху торцевых стен достигла 8—10 см. В данном случае дом в целом не находился в аварийном состоянии. Только состояние продольных внутренних стен под перемычками можно было считать аварийным, так как при дальнейшем  развитии деформаций пучения появлялась возможность  обрушения перемычек и перекрытий, опертых на них. После восстановления в летнее время жесткости стен путем установки тяжей и заделки трещин, а также утепления подвала к следующей зиме следов последствий морозного пучения основания не осталось. Если бы здание осталось с не утепленным к следующей зиме подвалом, возникла бы реальная опасность обрушения участков стен.

При реконструкции здания часто устраивают  эксплуатируемые технические подвалы вместо существующих ранее полупроходных подполий. При этом обычно  углубляют подвал так, что расстояние между подошвой  фундамента и поверхностью пола подвала составляет менее 50 см, а иногда подошва оказывается даже выше пола подвала.

В последнем случае всегда наступает аварийное  состояние грунтового основания. Если отметка пола подвала приближается к отметке подошвы фундамента на  расстояние менее 50 см, то необходимо сделать расчет  основания по несущей способности (по первой группе  предельных состояний), т. е. проверить основание на  возможность выпирания грунтов из-под подошвы фундаментов.

3. ПРИЗНАКИ АВАРИЙНОГО СОСТОЯНИЯ ФУНДАМЕНТОВ

Аварийное состояние фундаментов наступает из-за неудовлетворительной работы грунтового основания или из-за недостаточной прочности тела фундамента. При неудовлетворительной работе грунтового  основания в фундаменте образуются сквозные трещины, они обычно сильно раскрыты, редко расположены, пересекают фундамент по всей высоте и заходят в стены. Эти трещины не всегда приводят к аварийному  состоянию надземных конструкций. Трещины вызывают перераспределение усилий по длине фундаментов, что может привести к перегрузке отдельных участков  фундаментов и их разрушению. Это обычно сопровождается и местными разрушениями тела фундамента у перемычек над проемами. В местах перегрузки образуются слабо раскрытые часто расположенные вертикальные трещины, и наблюдается вертикальное расслоение тела  фундамента. Последнее определяется при простукивании,  вертикальных поверхностей фундаментов. В местах расслоения звук при простукивании глухой. Такое состояние участков фундаментов следует считать аварийным. При недостаточной прочности тела фундаментов в них также появляются часто расположенные слабо  раскрытые трещины и наблюдается вертикальное расслоение. Это аварийное состояние.

Появление трещин в стенках фундаментов стаканного типа под отдельные колонны, отсутствие должного омоноличивания стыка колонны с фундаментом следует  признать аварийным состоянием фундамента, так как в этом случае не обеспечивается предусмотренная проектом  заделка колонны в фундаменте, что приводит к увеличению усилий в отдельных элементах каркаса. В практике  обследования у автора встретился случай, когда в полностью смонтированном двухэтажном каркасном здании заделка колонн в фундамент осуществлялась только с помощью временных деревянных клиньев, без бетона омоноличивания.

При реконструкции здания, когда производят  углубление подвалов, не всегда обращают внимание на  конструкцию фундаментов. В домах постройки прошлых  веков часто нижняя часть фундамента выполнялась из камней округлой формы в распор со стенками траншеи без применения связующего раствора. Углублять пол при этом ниже верха такой кладки недопустимо. При реконструкции двухэтажного дома в  Ленинградской области, имевшего подобный фундамент, вместо полупроходного подполья решили сделать  эксплуатируемый подвал. При этом на большую высоту обнажили кладку из камней округлой формы. Камни начали  выпадать из кладки фундамента. Стены, опирающиеся на этот фундамент, получили большие деформации,  перекрытия просели, перегородки упали. Вовремя не были приняты меры для укрепления стен и фундаментов,  участки стен начали обрушаться, и здание пришлось разобрать полностью. В данном случае первый же вывалившийся из фундамента камень был достаточно достоверным  признаком аварийного состояния фундамента. От момента вывала первых камней до обрушения стен прошло несколько лет.

4. ПРИЗНАКИ АВАРИЙНОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В соответствии с положением норм проектирования железобетонных конструкций [35] предельное состояние по прочности наступает в сечении сжатых, сжатоизогнутых и изгибаемых железобетонных элементов тогда, когда деформации в наиболее сжатых волокнах достигают  предельных значений. Это считается разрушением сечения элемента. В полностью растянутых сечениях предельное состояние наступает тогда, когда напряжение в арматуре достигает расчетных сопротивлений арматуры  растяжению.

В статически определяемых изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах при  больших эксцентриситетах достижение напряжений в  растянутой арматуре значений расчетных сопротивлений  (физического или условного предела текучести) неминуемо приведет к разрушению сечения элемента при небольшом увеличении нагрузки.

В статически неопределяемых элементах в этом случае произойдет образование пластического шарнира, что  вызовет перераспределение усилий между опорными и  пролетными сечениями элемента. Отсюда можно сделать вывод, что появление текучести в растянутой арматуре статически определяемых  элементов является аварийным состоянием (рис. 2). В статически неопределяемых конструкциях предельное состояние  наступает тогда, когда начнет разрушаться сжатая зона бетона (рис. 3). О достижении растянутой арматурой  предела текучести можно судить по ширине раскрытия  трещин на уровне арматуры.