Габрусенко - Аварии, дефекты и усиление железобетонных и каменных конструкций

Предисловие

Статистика советского времени показывала, что более тре­ти аварий в строительстве происходило по вине строителей и монтажников. С большим отрывом от них вторыми шли эксп­луатационники, затем работники стройиндустрии (поставщики материалов и изделий), затем проектировщики. Хотя подоб­ная статистика "демократической" эпохи отсутствует (во вся­ком случае, не опубликована), можно с уверенностью сказать, что проектировщики сегодня вошли в "призовую тройку", оттеснив на 4-е место работников стройиндустрии. Впрочем, "заслуга" здесь не только самих проектировщиков (хотя и про­ектировщиков тоже), но и обстоятельств: в последнее время, по существу, прекратился выпуск сложнейших сборных желе­зобетонных конструкций — большепролетных балок и ферм, тонкостенных оболочек, конструкций «на пролет» и тому по­добных изделий, которые наиболее чутко реагируют на нару­шение технологической дисциплины.

Предлагаемый читателю цикл небольших статей, изложен­ных в форме вопросов и ответов, затрагивает только ошибки строителей и проектировщиков, обходя вниманием эксплуата­ционников. Сделано это потому, что и первые, и вторые неус­танны в своем "творческом поиске", в то время как третьи допускают, обычно, всего две, ставшие уже рутинными ошиб­ки: перегрузку и увлажнение строительных конструкций. При­чем эти ошибки зачастую спровоцированы их предшественни­ками — либо порочной конструкцией кровли, либо отсутствием водоотвода при обратном уклоне дневной поверхности, либо недостаточной прочностью конструкционных материалов, либо скрытым браком строителей и т. д.

Хотелось бы еще отметить следующее. Аварии и катастро­фы в строительстве редко возникают в силу какой-то одной причины. Как правило, в одном месте и в одно время собира­ется сразу несколько роковых обстоятельств. Не будь хотя бы одного из них — здание, возможно бы, устояло, и люди оста­лись бы живы. Это показывает и печальный отечественный опыт, и в намного большей степени — опыт зарубежья, особенно "цивилизованного" Запада, где аварии в строительстве с тяже­лыми последствиями происходят куда чаще, чем у нас.

Весь публикуемый материал состоит из нескольких глав: две первых посвящены каркасным и бескаркасным зданиям, еще две — непосредственно железобетонным и каменным кон­структивным элементам, а завершают цикл статьи, посвящен­ные диагностике повреждений и принципам усиления конст­рукций и зданий.

Глава 1.

Каркасные здания

1.1. Как обеспечивается про­странственная жёсткость каркас­ных зданий?

Пространственная жесткость — это, прежде всего, геометрическая неизменяемость в трех плоскостях: горизонтальной и двух вертикальных. Обеспечивается она формировани­ем геометрически неизменяемых фигур в каждой плоскости (рис. 1) — преимущественно треугольниками при шарнирном соединении стерж­ней (а) и прямоугольниками при жестком (б) или смешанном (в) со­единении. Хотя под воздействием нагрузки эти фигуры несколько и меняют свою форму, но меняют, во-первых, только на время действия нагрузки и, во-вторых, только за счет деформаций составляющих стерж­ней.

В одноэтажных зданиях верти­кальная жесткость обеспечивается, как правило, плоскими рамами с жесткой заделкой колонн в фунда­ментах (и с дополнительной уста­новкой, при необходимости, сталь­ных вертикальных связей, образую­щих треугольники), а горизонталь­ная — жестким диском покрытия.

В многоэтажных зданиях горизон­тальная жесткость обеспечивается жесткими дисками перекрытий и покрытия, а вертикальная — жест­костью плоских рам (рамные карка­сы), жесткостью вертикальных свя­зей или диафрагм (связевые карка­сы) или комбинацией того и другого (рамно-связевые каркасы).

Большинство обрушений зданий (если не считать катастроф, вызван­ных стихийными бедствиями и тех­ногенными причинами) происходило и происходит из-за необеспеченно­сти их пространственной жесткос­ти. В частности, в одних зданиях не было создано достаточно жесткое защемление колонн в фундаментах, в других не была предусмотрена установка дополнительных верти­кальных связей, в-третьих были не­качественно приварены плиты по­крытия, в четвертых "на потом" была отложена приварка верхних заклад­ных деталей ригелей и т. д.

1.2. Что произойдет, если за­зоры между сборной колонной и стаканным фундаментом некаче­ственно заделать бетоном?

Расчетными схемами большин­ства типов каркасных зданий пре­дусматривается жесткое защемле­ние колонн в фундаментах (рис. 2, а). При использовании сборных желе­зобетонных элементов такое защем­ление обеспечивается за счет тща­тельной заделки бетоном зазоров между колонной и стаканом фунда­мента, причем класс монолитного бетона должен быть не ниже клас­са бетона фундамента.

В практике строительства, увы, нередки случаи, когда после рих­товки и временного закрепления колонн бетонирование зазоров осу­ществляется не сразу. За это время в зазоры попадает мусор и грязь, которые сверху лишь замазывают бетоном. При этом проверить каче­ство работ по одному внешнему виду не представляется возможным. Такое соединение становится подат­ливым, т. е. занимает промежуточ­ное положение между жестким и шарнирным соединениями (его ус­ловная схема показана на рис. 2, б). Оно приводит к большим измене­ниям в работе каркаса по сравне­нию с тем, что предусмотрено в проекте: резкому увеличению гори­зонтальных перемещений А и уси­лий в колоннах, снижению устойчи­вости колонн, а в худшем случае — к обрушению здания. Этот дефект является одной из причин появле­ния трещин в стенах и колоннах, разрушения узлов сопряжения сте­новых панелей с колоннами и одной из главных причин систематического выхода из строя ("разбалтывания") путей мостовых и подвесных кранов. Поэтому качество и своевременность заделки зазоров должны подвергаться особо тщательному контролю.

1.3. Что произойдет, если опорные закладные детали стропильных балок (ферм) некачественно приварить к закладным деталям колонн?

Сварные швы нужны не просто для фиксации положения балок и ферм (как ошибочно полагают де которые строители), а для восприятия весьма больших усилий скалывания и отрыва.

В частности, швы обеспечивают шарнирно-неподвижное опирание стропильных конструкций (ригелей на колонны, благодаря которым горизонтальные нагрузки (ветровая или крановые) передаются от одной колонны к другой и распределяются между ними пропорционно жесткостям (рис. 3, а). При некачественной сварке может произойти разрушение швов, тогда опора становится шарнирно-подвижной и вся горизонтальная нагрузка воспри­нимается только одной колонной, на которую последняя не рассчитана (рис. 3, б). В совокупности с другими дефектами это может привести к разрушению перегруженной колон­ны и, как минимум, - к образова­нию в ней больших поперечных тре­щин, к постоянному выходу из строя крановых путей, образованию тре­щин в стенах и т.п. В значительной степени приведенные рассуждения относятся и к ригелям многоэтаж­ных каркасных зданий.

Кроме того, в тех случаях, когда не предусмотрены вертикальные свя­зи по торцам стропильных конструк­ций, сварные швы удерживают пос­ледние от опрокидывания при воз­действии горизонтальных усилий продольного направления (рис. 3,в, вид с торца балки).

1.4. Что произойдет, если при монтаже ребристых плит покрытия (перекрытия) приварить не три, а две опорные закладные дета­ли?

Приварка каждой плиты в трех точках образует геометрически не­изменяемую фигуру - треугольник, а в совокупности - жесткий диск покрытия (перекрытия), который вов­лекает в совместную  работу при действии горизонтальных сил Т все колонны (рис. 4, а, вид в плане). Ра­бота каждой плиты в горизонталь­ной плоскости напоминает работу консоли,  воспринимающей  часть  силы Т (рис. 4, б). Если приваривать только две закладные детали, то каждая плита в горизонтальной плоскости может свободно поворачиваться (рис. 4, в), жесткого диска не бу­дет и сила Т станет восприниматься колоннами только одной плоской рамы (рис. 4, г). В результате, усилия в этих колоннах резко возрастут по сравнению с расчетными (если в расчете учитывалась пространственная работа каркаса), что может привести не только к появлению больших трещин, но и к разрушению колонн. Даже если этого не произойдет, отсутствие жесткого дис­ка, пусть и на отдельных участках, приведет к преждевременному из­носу колонн, разрушению кровли, а в многоэтажных зданиях также к разрушению полов.

В многоэтажных каркасных зда­ниях связевого или рамно-связевого типов жесткие диски перекрытий играют похожую, но несколько иную роль (см. вопрос 1.6).

1.5. Что произойдет, если швы между ребристыми плитами по­крытия некачественно заделать раствором?

При некачественной заделке в швах образуются щели, через ко­торые теплый воздух из помещения проникает в утеплитель и, если кров­ля совмещенная (невентилируемая), конденсируется под цементной стяж­кой или под водоизоляционным ков­ром. В результате этого происходит систематическое замачивание утеп­лителя, он теряет свои теплозащит­ные свойства, кровля промерзает, а бетон плит покрытия подвергает­ся морозному разрушению. Кроме того, швы способствуют повышению жесткости диска покрытия за счет сил сцепления между раствором замоноличивания и боковыми повер­хностями плит. Поэтому качествен­ная заделка швов — вовсе не при­хоть проектировщиков.

1.6. Что произойдет, если швы между пустотными плитами пере­крытий некачественно заделать раствором?

На боковых поверхностях пустот­ных плит имеются круглые углубле­ния, которые при заделке швов за­полняются раствором и образуют шпонки, препятствующие взаимно­му смещению плит не только в вер­тикальной, но и в горизонтальной плоскости (рис. 5, а, вид в плане). Благодаря шпонкам, перекрытие представляет собой горизонтальный жёсткий диск, т. е. как бы непре­рывную монолитную плиту. Напри­мер, в связевых каркасах ветровая нагрузка через жесткие диски пе­редается с колонн на вертикальные связи или диафрагмы жесткости (рис. 5, б). Это позволяет резко уменьшить горизонтальные переме­щения колонн Δ₁ и освободить их от восприятия горизонтальных нагру­зок, а значит — и больших изгиба­ющих моментов.К сожалению, некачественная заделка встречается нередко: швы заполняют раствором не на всю глубину, а только в верхней части — по существу, не заделывают швы, а замазывают. При такой "заделке" шпонки отсутствуют, сдвигу плит препятствий нет (если не считать сил трения) и жесткий диск не форми­руется (рис. 5, в). В результате, в колоннах тех рам, где нет верти­кальных связей (диафрагм жесткос­ти), возникают недопустимые дефор­мации (горизонтальные перемеще­ния Δ₂) и усилия, чреватые аварий­ными последствиями.