Козачек - Обследование и испытание зданий и сооружений (2004)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с качественно новыми тенденциями в реконструкции городской застройки возникает необходимость обеспечить  наравне с надежностью, долговечностью, экономичностью и  комфортность среды жизнедеятельности человека.

В учебном пособии систематизированы и отражены основные материалы программы курса «Экспертиза жилых зданий» по  специальностям «Городское строительство и хозяйство»,  «Промышленное и гражданское строительство» и «Проектирование зданий» для высших учебных заведений. Впервые комплексно рассмотрены вопросы обучения  студентов теоретическим основам и практическим навыкам по  технологии обследования (диагностики) конструкций, в том числе  определение объемов диагностики, последовательности выполнения работ, технологические операции при обследовании конструкций в зависимости от цели, составление фактических расчетных схем, замеров конструкций, учет факторов, снижающих несущую  способность конструкций и их материалов, вызывающих  сверхнормативные деформации.

Учебное пособие знакомит с приемами подготовки выходных документов по результатам натурных обследований конструкций зданий и сооружений и их проверочным расчетам.

Авторы стремились представить материалы доходчиво и  четко, ставя задачу удовлетворить требованиям всех форм обучения: дневной, вечерней, заочной. В целях облегчения восприятия и усвоения курса разработан графический материал (рисунки и схемы), а также даны примеры заполнения актов и расчетов, выполненных в соответствии с  требованиями действующих нормативов. Приводимые примеры охватывают наиболее распространенные цели обследования и испытания зданий и сооружений от их общего контроля до специальных видов (в том числе при аварийных ситуациях).

Авторы приносят глубокую благодарность и признательность рецензентам: академику-секретарю Отделения строительных наук РААСН, академику РААСН, д-ру техн. наук, проф. Н.И. Карпенко, зав. кафедрой «Техническая эксплуатация зданий» Московского государственного строительного университета, д-ру техн. наук, проф. В.Ф. Касьянову, а также академику РААСН, д-ру техн. наук, проф. В.М. Бондаренко и д-ру техн. наук, проф. А.М. Стражникову за ценные рекомендации по улучшению содержания книги.

Глава 1

ОСНОВЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. НАДЕЖНОСТЬ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

1.1.1. Основные положения

Надежность — свойство изделия выполнять заданные  функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или  требуемой наработки. Надежность в зависимости от значения изделия и условий его эксплуатации включает безотказность,  долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность изделия в целом и его составных частей. Надежность обеспечивает техническую  возможность использования изделия по назначению в нужное время и с требуемой эффективностью.

Применительно к ограждающим и несущим конструкциям  зданий надежность — это свойство, обеспечивающее нормативный температурно-влажностный и комфортный режим помещений, сохраняющее при этом эксплуатационные показатели (тепло-, влаго-, воздухо-, звукозащиту) в заданных нормативных пределах, а для архитектурно-конструктивного элемента здания еще и прочность, и декоративные функции в течение заданного срока эксплуатации. При этом предполагается обеспечение для здания в целом (точнее, для всех его помещений) безотказности и  долговечности. Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять  работоспособность в течение определенного времени. К этому  показателю относят вероятность безотказной работы, среднюю  наработку до первого отказа, наработку на отказ, интенсивность отказов, параметр потока отказов, гарантийную наработку. Долговечность — свойство объекта сохранять  работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов, т. е. с возможными перерывами в работе. Показателями долговечности  являются средний срок службы, срок службы до первого капитального ремонта, межремонтный срок службы. Таким образом, безотказность и долговечность — это свойства объекта сохранять работоспособность, при этом безотказность предусматривает непрерывную работоспособность в течение  определенного времени, а долговечность — с возможными перерывами на ремонт.

Применительно к жилым домам сохраняемость рассматривается:

а) сохраняемость изделий (конструкций) как свойство  непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение (и после) хранения и транспортировки, способность  изделий противостоять отрицательному влиянию  неудовлетворительного хранения и транспортировки, старению материалов  изделий до их монтажа;

б) сохраняемость объектов в целом до ввода в эксплуатацию и во время ремонтов (консервации).

Надежность жилого дома, его работоспособность  обеспечиваются своевременным ремонтом. Свойство объекта,  заключающееся в доступности и удобстве в проведении мероприятий по  предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, а также устранению их путем ремонта и  обслуживания, называется ремонтопригодностью. К показателям  ремонтопригодности относятся: вероятность восстановления в заданное время, среднее время восстановления, удельная трудоемкость  обслуживания и ремонтов, средняя и относительная стоимость  ремонтов.

Основное назначение ограждающих конструкций зданий —  разделение двух воздушных сред: наружной, где температура,  влажность и радиоактивность переменны, и внутренней, где все  параметры должны быть в пределах нормативно-допустимых. При этом наружные стены, кровли, перекрытия выполняют прочностные, ограждающие и декоративные функции. Нередко применительно к зданиям под надежностью понимают только прочностные  свойства, что не вполне корректно. Наружные ограждающие конструкции являются  многоэлементными и многофункциональными системами. Надежность системы в комплексе зависит от надежности составляющих ее элементов. Однако для проживающих важна надежность здания в целом, т. е. совокупность элементов, включая стыки и сопряжения, и  надежность не только прочностная, но и эксплуатационная (включая и надежность функционирования инженерных систем). Вместе с тем в практике проектирования, строительства и эксплуатации часто надежность по прочности рассматривается как главное, а надежность в обеспечении эксплуатационных характеристик ограждающих функций — как второстепенное. При проектировании новы домов эксплуатационные характеристики не являются исходным (расчетными). Например, элементы и их стыки рассчитывают по прочности и деформациям. Однако допускаемые деформации и всегда обеспечивают нормативное комфортное состояние помещений. Поэтому эксплуатационные показатели стыков в проектах выбирают преимущественно конструктивно, а не расчетным путем. В процессе проектирования и конструирования здания закладывают его расчетную надежность. При изготовлении обеспечивается фактическая надежность конкретного элемента, зависящая от качества применяемых материалов, отдельных деталей, сбору и монтажа конструкций. После изготовления надежность следует поддерживать на необходимом уровне правильной организации эксплуатации.

При проектировании необходимо учитывать следующие факторы, влияющие на надежность конструкций: качество и количество применяемых элементов; режим работы элементов и дета лей, стандартизацию и унификацию изготовления; доступность деталей, узлов и блоков для осмотра и ремонта. Из-за нарушения правил монтажа здания; отсутствия соответствующего контроля материалов и комплектующих изделий; нарушения сортности и некачественной замены материалов; установка элементов, подвергающихся длительному хранению в неблагоприятных условиях; недостаточного контроля на отдельных операциях и при выпуске готовой продукции, а также нарушения самой технологии монтажа могут возникнуть условия, отрицатель», влияющие на надежность конструкции здания в целом. В процессе эксплуатации на надежность здания оказываю' влияние следующие факторы: внутренние напряжения в конструкциях, не соответствующие их проектным значениям; внешние воз действия (в заданных или иных режимах); система технической обслуживания (предупредительного и систематического); техническая квалификация обслуживающего и ремонтного персонала. Принято считать, что эксплуатационная надежность равна произведению надежности собственно устройства (здания, машины) на надежность применения (человеческие факторы). Послед нее понятие учитывает все факторы применения и проявляется в более или менее значительном уменьшении надежности изделия

Для снижения отрицательного влияния этой составляющей определенную роль играют организационные мероприятия: подготовка и обучение обслуживающего персонала; организация на объектах сбора статистических данных об отказах конструкций разработка специальных инструкций и методик по эксплуатации систем, их профилактике и ремонту.

Сейчас жилые и общественные здания, как и городские  инженерные сооружения, переживают значительные изменения  масштабов сложности. Современное здание можно отнести к  большим техническим системам. Такие системы — это соединение значительного числа разнообразных компонентов, имеющих сложную переплетающуюся связь и переменные изменяющиеся нагрузки. В противоположность отдельным, малым  детерминированным системам и устройствам большие системы ведут себя случайно, стохастически. Естественно, что скачок в сложности зданий как системы должен повлечь за собой перемены в  технике проектирования. Разработка и изучение отдельных (малых  систем) опираются на детальный анализ работы конструкций  элементов и узлов, специализацию задач и методов расчетов и конструирования. Разработка больших систем, напротив,  предполагает синтез и интеграцию малых систем. Системы принадлежат к наиболее широким понятиям,  предполагающим наличие в них многообразия и взаимосвязанности, рассмотрение конструкции в динамике (за период эксплуатации), подчинение частного общему (дедуктивный метод анализа). Основной чертой сложных систем, в том числе и зданий,  является многообразие форм (полиформизм), контроль за  которыми осуществляется в расчетах и конструировании отдельных  элементов. Отдельные принципы построения реальных систем достаточно сложны. В сложной системе, как правило, значимость частей для целого неодинакова. Почти всегда ее можно привести к модели, состоящей из ряда более простых составных частей, которые делятся на уровни высшие и низшие. Надежность зданий и отдельных конструкций обусловливается изменчивостью во времени, внутренних свойств (материалов) и внешних условий (нагрузки и воздействия). Характеристики и показатели этих факторов к моменту окончания монтажа здания определяют начальную его надежность, которая с первого дня эксплуатации постепенно снижается (рис. 1.1).

Для общего представления об изменениях за период  эксплуатации целесообразно рассмотреть схему работы изделия во  времени. Полное время эксплуатации системы или элемента можно разделить на три периода: приработки, нормальной эксплуатации и интенсивного износа.

На рис. 1.2 приведена кривая интенсивности отказов элемента как функция времени эксплуатации, где выделены эти периоды. В период приработки интенсивность отказов велика, так как совокупность элементов может содержать большое количестве дефектных элементов которые отказывают один за другим; в  короткий срок интенсивность отказов быстро уменьшается и  становится приблизительно постоянной величиной, когда все  дефектные элементы уже отказали и их отремонтировали или заменили. В этот период в здании возникают отказы, связанные с  естественными процессами (например, осадкой), и выявляются  дефекты технологического характера — изготовления,  транспортирования и производства работ. После периода приработки уровень интенсивности отказов становится постоянным — наступает период нормальной  эксплуатации, отказы этого периода называются внезапными. Когда время использования элементов достигает значения Т, начинает сказываться износ — период интенсивного износа, и интенсивность отказов возрастает до момента, который является  средним значением долговечности элемента. Указанные периоды  характерны как для здания в целом, так и для его элементов в отдельности.

Период нормальной эксплуатации характеризуется появлением внезапных отказов. Причиной тому могут быть концентрации нагрузок, которые представляют собой случайные явления. Так, отказы стыков в виде протечек и промерзаний в период  нормальной эксплуатации могут возникать внезапно, например, при концентрации температурных напряжений на каком-либо участке герметика и появлении вследствие этого трещин в самом  герметике или в местах контакта его с бетоном. Период интенсивного износа герметизирующего заполнения  стыка, например, характеризуется увеличением количества отказов, связанных с явлениями старения материала, снижения его упругих свойств, появления вследствие этого трещины и нарушения  адгезии к бетону.

Период приработки нередко затягивается, так как устранение протечек и промерзаний производится спустя значительное время после их возникновения. Изменение технического состояния здания. Интенсивность  изменения технического состояния эксплуатируемых жилых зданий, а, следовательно, и значение характеристик работоспособности на отдельные моменты их использования в значительной мере определяются конструктивными особенностями зданий. Влияние  конструктивных особенностей проявляется в их реакции,  «отзывчивости» на воздействующие при эксплуатации факторы. Влияние факторов производственного характера (качества изготовления) сказывается в рассеивании начальных значении характеристики работоспособности и интенсивности изменения значений эти; характеристик за период службы здания.

При эксплуатации зданий их техническое состояние  изменяется, что выражается в ухудшении количественных значений  характеристик работоспособности, в частности, характеристик  надежности. Ухудшение технического состояния зданий в первую очередь происходит вследствие изменения физических свойств материалов, из которых изготовлены конструктивные элементы характера сопряжений между ними, а также их размеров и форм Указанный процесс носит в основном закономерный, но иногда и случайный характер. Другой важной причиной изменения технического состояния зданий являются разрушения и другие аналогичные виды утрат работоспособности конструктивными элементами. Возникновение таких состояний во времени также носит случайный характер однако процесс его протекания значительно отличается от  первого. Если первый процесс утраты работоспособности  конструктивными элементами и их сопряжениями в целом протекает, как правило, с малой интенсивностью, постепенно, то второй  характеризуется скачкообразным, внезапным изменением технического состояния. Очевидно, помимо этих двух резко отличающихся друг от друга процессов утраты работоспособности, в здания могут наблюдаться и другие, занимающие промежуточное  положение между указанными. Процессы утраты работоспособности конструктивными элементами и их сопряжениями протекают не независимо, они определенным образом взаимно влияют друг на друга. Это обстоятельство значительно затрудняет математическое описание отмеченных процессов.

Техническое состояние и работоспособность зданий в целом являются функцией работоспособности отдельных  конструктивных элементов и связей между ними. Математическое описание процесса изменения технического состояния объектов, состоящих из значительного числа конструктивных элементов, представляет большие трудности. В первую очередь, это обусловлено тем, что процесс изменения работоспособности характеризуется  неопределенностью и случайностью. В связи с этим здания с точки  зрения математического описания процесса изменения их  технического состояния относят к диффузным системам. Основными признаками диффузных систем являются  неопределенность и случайность их поведения при воздействии на них некоторой совокупности переменных (случайных и неслучайных) факторов. Последнее обстоятельство обусловливает применение для описания их состояния статистических моделей, с той или иной степенью приближения соответствующих характеру  рассматриваемого процесса. Следовательно, задача выбора модели, описывающей процесс изменения состояния здания, не является однозначной, и для одного и того же объекта может быть использовано большое число моделей. При этом каждая из них может быть адекватной реальному процессу изменения состояния здания. Вся совокупность причин (факторов), вызывающих изменение работоспособности здания в целом и отдельных элементов с  точки зрения механизма их воздействия, может быть условно  разделена на две группы причин: 1) внутреннего характера; 2)  внешнего характера. К первой группе причин относят: физико-химические процессы, протекающие в материалах, из которых изготовлены конструктивные элементы; нагрузки и процессы, возникающие при эксплуатации; конструктивные факторы; качество  изготовления (дефекты производства). Ко второй группе причин относят климатические факторы (температура, влажность, солнечная радиация); факторы  окружающей среды (ветер, пыль, песок, наличие в атмосфере  агрессивных соединений, биологические факторы), а также качество  эксплуатации. К причинам внешнего характера, очевидно, следует отнести и воздействия, предусмотренные системой технического обслуживания и ремонта.

Рассмотрим некоторые из указанных факторов, являющихся причиной изменения технического состояния зданий в процессе их эксплуатации. Наиболее существенными являются факторы конструктивного характера. Рациональные конструктивные  решения обеспечивают требуемую работоспособность всех элементов зданий за установленную длительность их эксплуатации при  минимальных затратах труда и средств на поддержание их  работоспособности. В то же время нерациональные и ошибочные  решения могут являться причиной быстрой утраты работоспособности или разрушения отдельных конструктивных элементов. Влияние факторов окружающей среды и климата на  работоспособность элементов и конструкций зданий проявляется или  непосредственно, или в виде воздействия на интенсивность протекания процессов, являющихся причиной изменения работоспособности отдельных элементов. При принятии рациональных  конструктивных решений отрицательное воздействие этих факторов может быть значительно снижено или полностью исключено.

Производственные факторы вносят значительные коррективы в значения характеристик работоспособности конструктивных  элементов.

Условия эксплуатации зданий и конструкций (режимы использования и нагружения, квалификация эксплуатационного персонала, качество обслуживания) оказывают большое влияние на интенсивность изменения характеристик их работоспособности

При проектировании технических устройств и планировании для них профилактических мероприятий необходимо знать характеристики работоспособности конструктивных элементов, определяющие работоспособность здания в целом, в определенных режимах и условиях их использования. Недостаточное знаний физической природы протекающих процессов, являющихся при чиной утраты конструктивными элементами работоспособности, а также случайный и неопределенный характер воздействующие эксплуатационных, климатических и других факторов, как правило, не позволяют аналитическими методами получить для большинства конструктивных элементов зависимости, описывающий их работоспособность.

В связи с этим основным методом получения информации с значениях характеристик работоспособности конструктивных элементов является статистический. При этом необходимо отдавать предпочтение активному многофакторному статистическому эксперименту, когда требуемая информация может быть получен; при значительно меньшем объеме наблюдений, чем в случае однофакторного эксперимента. Данные пассивных экспериментов  (результаты эксплуатационных наблюдений и некоторых видов испытаний) должны использоваться как априорная информацию при планировании активных экспериментов.

Сложность исследования надежности всех конструкций и  систем жилых домов состоит в многочисленности факторов,  определяющих надежность. Главные из них: вид материалов,  характеристика конструкций, качество изготовления изделий и монтажа допуски и т. д. Причем зачастую требования взаимопротивоположны, например стыки тяжелых железобетонных и легких  панелей. Массивные элементы в меньшей степени подвержены  объемным деформациям под влиянием изменения температурно-влажностного режима, однако допуски при их изготовлении (особенно монтажные) довольно значительны. В легких панелям из металла, дерева, пластмасс, наоборот, в процессе эксплуатации возникают большие деформации, однако допуски при их  изготовлении значительно меньше. Еще большие трудности при  исследовании надежности жилых зданий связаны с использование в них материалов, различных по физическим и структурных свойствам.

Таким образом, под надежностью жилого здания в целом как ложной системы следует понимать стабильность показателей качества и эффективности его функционирования, которая зависит от надежности конструкций и систем устройств. Задача оценки надежности жилого здания и сводится, в конечном счете, к  установлению влияния частичных и полных отказов на качество и выходной эффект функционирования объекта. Надежность  должна характеризоваться таким показателем, который будет  определяющим и является составной частью оценки объекта в целом. Функционирование жилого дома оправдано в той мере, в  какой он удовлетворяет не только техническим, но и  изменяющимся социальным и экономическим требованиям. Поэтому  определяющим показателем надежности жилого здания в целом как конечной продукции является его оптимальный срок службы.

Надежность можно понимать как сохранение качества во  времени. При низком качестве построенных зданий и сооружений  неизбежно возникают дополнительные расходы материалов, труда и финансовых средств, затрачиваемых на переделки и ликвидацию брака, допущенного в процессе строительства. Дополнительные затраты времени на устранение различных дефектов и усилений конструкций увеличивают сроки строительства и задерживают сдачу объектов в эксплуатацию. При массовом индустриальном строительстве неизмеримо возрастают требования к качеству строительных материалов, сборных конструкций и деталей. Главное требование —  повышение класса точности, приближающегося к точности  машиностроительного производства, и полная заводская готовность изделий. Обеспечение надежности является важнейшей проблемой при разработке, изготовлении любого изделия и устройства. Отказ технических систем влечет за собой трудности и неудобства,  нарушающие привычный ритм работы, деятельности и жизни. Иногда отказ приводит к разрушениям и авариям, создается  угроза целостности сооружения, выполнению работ или  безопасности людей. Вся продукция (от сырья до здания в целом) в процессе  изготовления наделяется соответствующими характеристиками —  массой, размерами, свойствами. Совокупность этих характеристик  создает комплексы функциональных качеств продукции. Обычно эти комплексы делятся на эксплуатационные и эстетические. При этом оценка качества есть сравнение действительных характеристик с требуемыми (заданными). Понятие «требуемая (или заданная)  характеристика» условно. Так же как само изделие стареет, стареют и характеристики качества. Если расположить эти характеристики по степени важности, можно для каждой конструкции выделить главные составляющие надежности. Например, для плит  перекрытий характерны нагрузка, качество материалов, величина рабочей зоны (Ао), при этом для тонких плит важнейшей характеристике является точность соблюдения величины Ао, с увеличением толщины плит критериальным станет величина нагрузки.

Важнейшими вопросами анализа надежности конструкций зданий и сооружений являются регламентация и нормирование все характеристик. Задача заключается в создании условий, при которых действительная надежность возведенных зданий соответствовала бы заложенной в проекте расчетной надежности, характеризуемой точными математическими количественными показателям.

Решение этой задачи осложняется многообразием факторов, влияющих на надежность на разных стадиях строительства. Прежде всего, на надежность конструкций сборных зданий  влияет степень соответствия выбранной расчетной схемы работ действительной работе конструкции. Наряду с совершенствованием методов расчета необходимы обширные теоретико-экспериментальные исследования, направленные на установление четко взаимосвязи между расчетными положениями и производственны ми условиями. Распределение и величины расчетных усилий в узлах могут существенно изменяться в зависимости от степени защемления, которая, в свою очередь, зависит от условий опирания величины зазора, от материала сопрягаемых элементов и способов их соединения. Степень защемления зависит от точности изготовления и монтажа, определяемого соответствующими допускам. При современном многообразии применяемых материалов, конструктивных решений и методов производства работ степень защемления изменяется в довольно широких пределах. Очевидно, что традиционного разделения сопряжений на два основных типа — «шарнир» и «заделка» — совершенно недостаточно. Проектировщик должен учитывать действительную степень заземления  элементов в узлах при расчете конструкций. Это особенно важно при анализе работы конструкций в эксплуатируемых зданиях. Так, например, работа конструкций крупнопанельных зданий зависит от точности изготовления элементов и точности монтажа. Допущенные погрешности преимущественно сказываются на  работе узлов сопряжения. Неправильное изготовление и неточный монтаж вызывают случайные дополнительные момент: действующие на вертикальные конструкции; горизонтальные составляющие усилий (сдвиг в пределах одной горизонтально плоскости подобно ветровой нагрузке или сжимающее усилие, действующее в пролете между вертикальными несущими элементами). Возникающие усилия и их величины определяются точностью сопряжений сборных элементов, зависят от типа стыка (лобового, платформенного или сферического), качества монтажного раствора и др.

Установлено, что прочность узлов опирания стеновых панелей существенно снижается при погрешностях монтажа: смещения осей колонн, наклона панелей и колонн, утолщения монтажных швов и др. Для обеспечения, например, надежности,  центрально-сжатых конструкций наиболее важно обеспечение  однородности бетона при изготовлении, а для изгибаемых элементов —  однородности арматуры.