http://www.ozis-venture.ru

1

Гроздов В. Т.

Признаки аварийного состояния несущихконструкций зданий и сооружений.

Предисловие ...................................................................................... 31. Общие положения по оценке аварийности строительныхконструкций ....................................................................................... 42. Признаки аварийного состояния грунтового основания .............. 73. Признаки аварийного состояния фундаментов........................... 104. Признаки аварийного состояния железобетонных конструкций 115. Признаки аварийного состояния каменных конструкций .......... 256. Признаки аварийного состояния конструкций крупнопанельныхзданий............................................................................................... 297. Признаки аварийного состояния стальных конструкций ........... 328. Признаки аварийного состояния деревянных конструкций ....... 36Заключение ...................................................................................... 39

2

УДК 69.059.2

Гроздов В. Т. Признаки аварийного состояния несущихконструкций зданий и сооружений. — СПб, ИздательскийДом KN+, 2000. — 48 с, 17 рис., 1 табл.

Редакционная коллегияД. В. Берников, А. Н. Летчфорд, И. П. ЯковенкоРассмотрены признаки, по которым можно определить,

что состояние конструкций является аварийным.Сформулированы термин «авария» и связанные с ним

понятия «аварийное состояние» и «предаварийное состоя-ние». Отмечена важность знания инженерно-техническимперсоналом строительных и эксплуатационных органов при-знаков аварийного состояния конструкций при ре-конструкции и капитальном ремонте зданий и сооружений.

Книга может быть полезна для лиц, производящих тех-ническое обследование строительных конструкций и надзорза строительством и эксплуатацией зданий и сооружений.

РецензентыВ. М. Хомичкандидат технических наук, профессор(БИТУ), С. А. Платоновчлен-корреспондент МАНЭБ,кандидат технических наук, доцент(Управление ГАСН Санкт-Петербурга)ISBN 5-88756-013-4 © В. Т. Гроздов, 2000

3

Предисловие

Аварии строительных конструкций зданий и сооруже-ний наносят значительный экономический ущерб и часто со-провождаются ранением и гибелью людей.

Происходят аварии строительных конструкций обычноиз-за совокупности причин: ошибок при проектировании,низкого качества материалов, используемых для несущихконструкций, нарушения технологии изготовления и монтажастроительных конструкций, несоблюдения правил эксплуата-ции зданий и сооружений.

Аварии строительных конструкций редко происходятвнезапно. Обычно можно наблюдать ряд предвестников ава-рии. Если своевременно заметить признаки приближающейсяаварии, то можно вовремя принять профилактические меры:вывести людей из опасной зоны, произвести разгрузку ава-рийной конструкции, установить временные крепления и т. п.Поэтому так важно инженерно-техническому персоналустроительных и эксплуатационных организаций знать при-знаки аварийного состояния конструкций. Этому вопросу по-священа настоящая работа.

4

1. Общие положения по оценке аварийностистроительных конструкций

Термин «авария» и связанные с ним понятия «аварий-ное состояние», «предаварийное состояние» не имеюттвердых общепринятых толкований. В данной работе подаварией строительных конструкций здания или сооруженияподразумевается обрушение строительной конструкции иливсего здания или сооружения в целом, а также получение имитаких деформаций, которые делают невозможной их эксплуа-тацию.

Под аварийным состоянием подразумевается такое со-стояние конструкции здания или сооружения, при котором сбольшой степенью вероятности в ближайшее время можноожидать его аварию.

Предаварийным состоянием будем называть такое со-стояние конструкции, когда в случае продолжения неблаго-приятных воздействий (неравномерная осадка фундамента,перепады температуры, агрессивность среды и т. п.) можетпроизойти авария конструкции.

Авария строительных конструкций возможна из-за на-личия в них скрытых дефектов, в результате хрупкой работыконструкции, когда разрушение происходит без предвари-тельных сильных деформаций. В этом случае установитьфакт наличия аварийного состояния конструкции очень труд-но.

Однако в большинстве случаев аварии конструкциипредшествуют развитие больших деформаций, появление ираскрытие трещин и другие видимые признаки аварийногосостояния.

Целью настоящей работы является описание признаков,по которым можно определить, что состояние конструкцииявляется аварийным

Наряду с визуальным и визуально-инструментальнымобследованием для установления аварийности конструкцииобычно производят поверочные расчеты конструкции. Приповерочных расчетах об аварийном состоянии конструкции

5

судят по степени превышения фактической несущей способ-ности конструкции с учетом выявленных в ней дефектов надрасчетной.

В существующих нормах проектирования принято сле-дующее положение: если какое-либо сечение конструкциидостигло первой группы предельных состояний, то это пре-дельное состояние наступает и во всей конструкции. В отно-шении аварийного состояния это справедливо для статическиопределяемых систем. В статически неопределяемых систе-мах достижение в каком-либо одном сечении предельногосостояния обычно не связано с обрушением конструкции. Этотакже должно быть учтено при решении вопроса о признаниисостояния конструкции аварийным. Анализ результатов об-следования и поверочных расчетов позволяет дать достовер-ный ответ на вопрос, является ли состояние конструкции ава-рийным.

При этом можно встретить следующие случаи:1. обследование конструкций выявляет признаки, по ко-

торым можно судить, что конструкция находится в ава-рийном состоянии; то же подтверждают и поверочные расче-ты;

2. обследование выявляет признаки аварийного состоя-ния конструкции, но поверочные расчеты это не подтвер-ждают;

3. результаты поверочных расчетов говорят о наличииаварийного состояния конструкции, а обследование призна-ков такого состояния не обнаруживает.

В первом случае, бесспорно, следует считать, что имеетместо аварийное состояние конструкции.

Во втором случае следует проанализировать повероч-ные расчеты, а именно: учтено ли при их выполнении влия-ние выявленных дефектов строительных конструкций, пра-вильно ли принята расчетная схема.

Если при поверочных расчетах ошибок не сделано, тоне имеется достаточных оснований считать состояние конст-рукций аварийным. В зависимости от вида конструкции и вы-

6

явленных дефектов в ряде случаев можно признать такое со-стояние конструкций предаварийным.

В третьем случае нужно еще раз обследовать конструк-цию, и если при этом не будет выявлено признаков аварийно-сти, то не появится и оснований для утверждения об аварий-ном состоянии конструкции. Очень часто встречаются слу-чаи, когда разрушающая нагрузка значительно превосходитнесущую способность конструкции, подсчитанную по дейст-вующим нормам.

Следует отметить, что правильность вывода об аварий-ном состоянии конструкции в значительной степени зависитот квалификации лица, делающего такое заключение.

В ряде пособий, инструкций по обследованию строи-тельных конструкций рекомендуется при снижении несущейспособности конструкции более чем на 50% считать такоесостояние конструкций аварийным или даже говорить об ихполном разрушении. По этому поводу следует заметить, чтоаварийное состояние зависит не только от несущей способно-сти конструкции (степени снижения предусмотренной проек-том несущей способности), но и от усилий, вызванных внеш-ним воздействием. Что касается обрушения конструкции, тооно может произойти и при меньшем снижении ее несущейспособности. Если конструкция обрушилась, значит она пол-ностью исчерпала свою фактическую несущую способность.

7

2. Признаки аварийного состояния грунто-вого основания

Аварийным состоянием грунтового основания являетсятакое его состояние, когда конструкции здания или сооруже-ния, опирающиеся на это основание, находятся в аварийномсостоянии по причине неудовлетворительной работы основа-ния.

Следовательно, об аварийности грунтового основаниясудят по состоянию конструкций, опирающихся на него.

Нормы проектирования оснований зданий и сооруже-ний [32] ограничивают относительную разность осадок, сред-нюю и максимальную осадку фундаментов. При превышениипредельных значений этих деформаций в конструкциях, опи-рающихся на основание, следует ожидать появления трещин.Однако не всегда при этом наступает аварийное состояниеконструкций зданий и сооружений. Во многих случаях про-исходит лишь нарушение нормальных условий эксплуатации.

Естественное основание, если исключить стихийныебедствия (землетрясение, оползни), может прийти в аварий-ное состояние в случаях, когда:

- при проектировании здания или сооружения не-правильно оценены прочностные и деформатив-ные свойства грунтов основания;

- нарушена технология котлованных работ;- допущено замораживание пучинистых грунтов;- нарушены правила эксплуатации зданий и со-

оружений.В качестве примера, когда нарушение естественной

структуры грунтового основания привело к аварийному со-стоянию части надземных конструкций, можно привести воз-ведение жилого пятиэтажного крупнопанельного дома в Ле-нинградской области. При отрывке котлована была повреж-дена водопроводная магистральная труба, и часть котлована,отрытого в суглинке, долгое время была залита водой, чтопривело к сильному переувлажнению грунтов. После возве-

8

дения здания произошло выпирание грунтов из-под подошвыфундаментов с разрушением пола подвала. Три секции дома,построенные на разжиженном грунте, просели и оторвалисьот двух ранее возведенных секций. Ширина трещин вверхуздания достигла 4 см (рис. 1). Армированный пояс, преду-смотренный проектом в связи с неоднородностью основания,при этом разорвался. В целом это здание нельзя было при-знать аварийным, так как деформации основания стабилизи-ровались и обрушения здания не произошло.

Аварийным в этом случае можно считать состояниестеновых панелей в зоне трещин, так как были нарушены свя-зи панелей друг с другом и появились трещины в простенках.

Рис.1. Схема деформации крупнопанельного жилого домапри сильной неравномерной деформации грунтового основания врезультате его замачивания:

1 — скальный грунт; 2 — суглинок; 3 — поврежденная во-допроводная труба; 4 — трещина.

Примером достижения аварийного состояния надзем-ных конструкций в результате промораживания пучинистыхгрунтов могут служить деформации надземной части двух-этажного кирпичного жилого дома в период строительства вПушкине. Строительство дома велось в зимний период. Окнаподвала не были остеклены. Засыпанный в подвал керамзито-вый гравий прикрыл основания фундаментов у наружныхстен Внутренние продольные стены имели фундамент, за-глубленный относительно пола подвала всего на 50 см. Грунт

9

под этими стенами промерз, произошло его пучение. В ре-зультате дом раскололся вдоль на две части. Ширина трещи-ны вверху торцевых стен достигла 8—10 см. В данном случаедом в целом не находился в аварийном состоянии. Только со-стояние продольных внутренних стен под перемычками мож-но было считать аварийным, так как при дальнейшем разви-тии деформаций пучения появлялась возможность обрушенияперемычек и перекрытий, опертых на них. После восстанов-ления в летнее время жесткости стен путем установки тяжейи заделки трещин, а также утепления подвала к следующейзиме следов последствий морозного пучения основания неосталось. Если бы здание осталось с не утепленным к сле-дующей зиме подвалом, возникла бы реальная опасность об-рушения участков стен.

При реконструкции здания часто устраивают эксплуа-тируемые технические подвалы вместо существующих ранееполупроходных подполий. При этом обычно углубляют под-вал так, что расстояние между подошвой фундамента и по-верхностью пола подвала составляет менее 50 см, а иногдаподошва оказывается даже выше пола подвала.

В последнем случае всегда наступает аварийное состоя-ние грунтового основания. Если отметка пола подвала при-ближается к отметке подошвы фундамента на расстояние ме-нее 50 см, то необходимо сделать расчет основания по несу-щей способности (по первой группе предельных состояний),т. е. проверить основание на возможность выпирания грунтовиз-под подошвы фундаментов.

10

3. Признаки аварийного состояния фунда-ментов

Аварийное состояние фундаментов наступает из-за не-удовлетворительной работы грунтового основания или из-занедостаточной прочности тела фундамента.

При неудовлетворительной работе грунтового основа-ния в фундаменте образуются сквозные трещины, они обыч-но сильно раскрыты, редко расположены, пересекают фунда-мент по всей высоте и заходят в стены.

Эти трещины не всегда приводят к аварийному состоя-нию надземных конструкций. Трещины вызывают перерас-пределение усилий по длине фундаментов, что может привес-ти к перегрузке отдельных участков фундаментов и их раз-рушению. Это обычно сопровождается и местными разруше-ниями тела фундамента у перемычек над проемами. В местахперегрузки образуются слабо раскрытые часто расположен-ные вертикальные трещины и наблюдается вертикальное рас-слоение тела фундамента Последнее определяется при про-стукивании вертикальных поверхностей фундаментов. В мес-тах расслоения звук при простукивании глухой. Такое со-стояние участков фундаментов следует считать аварийным.

При недостаточной прочности тела фундаментов в нихтакже появляются часто расположенные слабо раскрытыетрещины и наблюдается вертикальное расслоение. Это ава-рийное состояние.

Появление трещин в стенках фундаментов стаканноготипа под отдельные колонны, отсутствие должного омо-ноличивания стыка колонны с фундаментом следует признатьаварийным состоянием фундамента, так как в этом случае необеспечивается предусмотренная проектом заделка колонныв фундаменте, что приводит к увеличению усилий в отдель-ных элементах каркаса. В практике обследования у авторавстретился случай, когда в полностью смонтированном двух-этажном каркасном здании заделка колонн в фундамент осу-ществлялась только с помощью временных деревянных

11

клиньев, без бетона омоноличивания.При реконструкции здания, когда производят углубле-

ние подвалов, не всегда обращают внимание на конструкциюфундаментов. В домах постройки прошлых веков часто ниж-няя часть фундамента выполнялась из камней округлой фор-мы в распор со стенками траншеи без применения связующе-го раствора. Углублять пол при этом ниже верха такой кладкинедопустимо.

При реконструкции двухэтажного дома в Ленинград-ской области, имевшего подобный фундамент, вместо полу-проходного подполья решили сделать эксплуатируемый под-вал. При этом на большую высоту обнажили кладку из кам-ней округлой формы. Камни начали выпадать из кладки фун-дамента. Стены, опирающиеся на этот фундамент, получилибольшие деформации, перекрытия просели, перегородки упа-ли. Вовремя не были приняты меры для укрепления стен ифундаментов, участки стен начали обрушаться, и зданиепришлось разобрать полностью. В данном случае первый жевывалившийся из фундамента камень был достаточно досто-верным признаком аварийного состояния фундамента. Отмомента вывала первых камней до обрушения стен прошлонесколько лет.4. Признаки аварийного состояния железо-бетонных конструкций

В соответствии с положением норм проектирования же-лезобетонных конструкций [35] предельное состояние попрочности наступает в сечении сжатых, сжатоизогнутых иизгибаемых железобетонных элементов тогда, когда дефор-мации в наиболее сжатых волокнах достигают предельныхзначений. Это считается разрушением сечения элемента. Вполностью растянутых сечениях предельное состояние на-ступает тогда, когда напряжение в арматуре достигает рас-четных сопротивлений арматуры растяжению.

В статически определяемых изгибаемых, внецентренносжатых и внецентренно растянутых элементах при больших

12

эксцентриситетах достижение напряжений в растянутой ар-матуре значений расчетных сопротивлений (физического илиусловного предела текучести) неминуемо приведет к разру-шению сечения элемента при небольшом увеличении нагруз-ки.

В статически неопределяемых элементах в этом случаепроизойдет образование пластического шарнира, что вызоветперераспределение усилий между опорными и пролетнымисечениями элемента.

Отсюда можно сделать вывод, что появление текучестив растянутой арматуре статически определяемых элементовявляется аварийным состоянием (рис. 2). В статически неоп-ределяемых конструкциях предельное состояние наступаеттогда, когда начнет разрушаться сжатая зона бетона (рис. 3).О достижении растянутой арматурой предела текучести мож-но судить по ширине раскрытия трещин на уровне арматуры.

13

Рис. 2. Схема трещин в статически определяемом изгибаемом же-лезобетонном элементе:

1 — нормальная трещина, в которой арматура достигла пределатекучести; 2 — наклонная трещина; 3 — продольная трещина в

сжатой зоне элемента.

Рис. 3. Схема трещин в растянутой и сжатой зонах в статическинеопределяемом изгибаемом железобетонном элементе:1 — нормальные трещины; 2 — наклонные трещины;

3 — продольные трещины в сжатой зоне элемента.

Если пренебречь растяжимостью бетона, то раскрытиетрещин будет равно абсолютному удлинению арматуры научастке между трещинами:

(1)где esm — среднее значение относительной деформа-

ции арматуры на участке между трещинами(2)

Здесь Ψs — отношение средних относительных дефор-маций на участке между трещинами к относительным дефор-мациям арматуры в сечении с трещиной es. Ориентировочноможно принять Ψs = 0,9.

Относительные деформации арматуры при достижениипредела текучести можно принять для арматуры, имеющейфизический предел текучести: из стали класса A-I = 0,0011;

14

из стали класса А-П = 0,0019; из стали класса А-Ш = 0,0028.Для арматуры, не имеющей физического предела те-

кучести, относительные деформации при достижении услов-ного предела текучести можно вычислить по формуле

(3)

где σsp2 — напряжение в предварительно напряженнойарматуре при напряжении в бетоне, равном нулю с учетомвсех потерь.

Для ориентировочных расчетов можно принять:σsp2 = 0,6*Rs.ser.Тогда для арматуры из стали:

класса A-IV es.pt = 0,0032;класса A-V es.pt = 0,0037;класса В-II es.pt = 0,0048;класса К-7 es.pt = 0,0037.

При таком подходе к решению поставленной задачираскрытие трещин, соответствующее достижению пределатекучести в арматуре, можно представить в виде следующейтаблицы.

Таблица 1 Раскрытие трещин acrс при достижениив арматуре предела текучести, мм

Таким образом, чтобы судить о том, достигла ли арма-

15

тура предела текучести, нужно знать не только раскрытиетрещин, но и расстояние между ними. Следует обратить вни-мание на то, что при малых расстояниях между трещинамитекучесть в арматуре будет, наблюдаться при раскрытии тре-щин значительно меньшем, чем предусмотрено Нормами [35]из условия сохранности арматуры от коррозии.

При выяснении вопроса о достижении предела текуче-сти в поперечной арматуре (поперечных стержнях, хомутах),учитывая, что наклонные трещины обычно располагаютсяпод углом 45° к оси элемента, значение раскрытия трещин втаблице 1 следует умножить на коэффициент 0,7. За расстоя-ние между трещинами в этом случае следует принимать рас-стояние по перпендикуляру к оси элемента между двумя со-седними трещинами или (если трещина одна) длину попереч-ного стержня.

О достижении предельных деформаций в сжатой зонебетона судят по появлению трещин, параллельных оси эле-мента (рис. 2 и 3), и отслоению в этой зоне лещадок.

Если наклонная трещина у свободной опоры элементавыходит на растянутую грань и раскрытие трещины превы-сило 0,5 мм, то это свидетельствует о том, что произошлопродергивание продольной арматуры на опоре. Если одно-временно появились продольные трещины в бетоне над кон-цом наклонной трещины, то наступило аварийное состояниеконструкции в связи с ее разрушением по наклонному сече-нию (рис. 4).

Рис. 4. Схема разрушения железобетонного элемента по наклонно-му сечению из-за продергивания арматуры на свободной опоре:

1 — продольные трещины в сжатой зоне элемента; 2 — на-клонная трещина; 3 — продольная растянутая арматура; 4 — попе-

речная арматура.

16

Трещины в бетоне вдоль продольной растянутой арма-туры могут образоваться по следующим причинам:

- коррозия арматуры, сопровождающаяся увеличениемее диаметра;

- выпрямление арматурных стержней, первоначальноимеющих изгиб;

- продергивание арматуры на свободной опоре.Во всех трех случаях нарушается сцепление арматуры с

бетоном, что увеличивает деформативность элемента и сни-жает его несущую способность. Об аварийном состоянииэлемента можно говорить в том случае, если при этом рас-крытие нормальных и наклонных трещин превышает указан-ные в таблице 1 и имеются продольные трещины с образова-нием лещадок в сжатой зоне бетона.

При коррозии высокопрочной арматуры в предвари-тельно напряженных железобетонных конструкциях появля-ется опасность внезапного хрупкого разрушения конструкциииз-за обрыва арматуры. Поэтому наличие коррозии высоко-прочной арматуры является признаком аварийного состоянияконструкции.

Продольные трещины вдоль сжатой арматуры свиде-тельствуют о том, что либо произошла коррозия арматуры,либо ее стержни начали терять устойчивость из-за чрезмернобольшого расстояния между поперечной арматурой (рис. 5).В обоих случаях происходит снижение несущей способностиэлемента не только за счет изменения усилий, воспринимае-мых сжатой арматурой, но и за счет уменьшения сжатой зоныбетона. Такое состояние является аварийным.

Рис. 5. Схема разрушения в сжатой зоне бетонапри потере устойчивости стержнями сжатой ар-матуры:1 — продольная сжатая арматура; 2 — попереч-ная арматура.

17

Наличие трещин в консоли колонны обычно являетсяпризнаком большой перегрузки консоли и грозит обрушени-ем конструкции, опирающейся на нее. Поэтому колонна стрещинами в консолях является аварийной. Отклонение ко-лонны от вертикали, допущенное в процессе монтажа, не все-гда служит показателем ее неудовлетворительной работы.При надежной связи отклонившейся колонны с перекрытия-ми и хорошим омоноличиванием последних ее деформация вгоризонтальном направлении возможна только при деформа-ции всего температурно-усадочного блока, т. е. дополнитель-ное усилие от наклона колонны будет распределяться междувсеми колоннами температурно-усадочного блока [6, 7, 12,14].

Если же отклонение колонны от вертикали произошло впроцессе эксплуатации здания и сопровождается неравно-мерной осадкой фундаментов, то это может свидетельство-вать о приближении аварии здания и требует немедленнойоценки состояния всех примыкающих к отклоненной колоннеконструкций. Нарушение целостности стыков сопряженныхэлементов является признаком аварийного состояния откло-нившейся конструкции и элементов, опирающихся на нее.

В процессе эксплуатации здания или сооружения желе-зобетонные конструкции могут получить различные повреж-дения. Чаще всего повреждения бывают механического илифизико-химического характера.

В результате механических ударов по поверхности кон-струкции могут произойти местные повреждения бетона иарматуры. Сколы бетона наиболее опасны в сжатой зоне эле-мента. При ударе возможны повреждения арматуры в виде еедеформации или уменьшения размеров поперечного сечения.

Если при ударе образовалось искривление арматурногостержня с отслоением защитного слоя, то происходит сниже-ние предельного усилия, которое может воспринять деформа-тивный стержень.

В растянутом стержне предельное усилие можно вы-числить [6, 17, 19, 20] по формуле:

18

(4)где δl — относительное значение предельного усилия в

стержне с учетом наличия искривления, которое можно опре-делить по графику на рис. 6 в зависимости от относительногозначения стрелки искривления lo/d; r — радиус поперечногосечения искривленного стержня.

Рис. 6. Зависимость относительного усилия δ1 = 4N/Rsnd2 в стерж-не от относительного эксцентриситета lo/d

В сжатом стержне при потере его связи с бетоном пре-дельное усилие можно вычислить как в стальном вне-центренно сжатом элементе по формуле:

(5)где φе — коэффициент, определяемый по таблице 74

[37] в зависимости от приведенного относительного эксцен-триситета mef и условной гибкости λ.

Значение mef вычисляется по формуле:(6)

где h — коэффициент формы сечения, который можнопринять равным 1; m — относительный эксцентриситет, оп-

19

ределяемый по формуле:(7)

Условная гибкость l вычисляется по формуле:(8)

где s — шаг поперечной арматуры.

Рис. 7. Зависимость степени снижения прочности арматурногостержня δ2 от относительной глубины повреждения h1/d.

Если при ударе образовалось повреждение арматурногостержня, приведшее к снижению размера его поперечногосечения без потери связи арматуры с бетоном, то предельноезначение в поврежденном растянутом или сжатом стержнеможно вычислить по формуле:

(9)где δ2 — коэффициент, характеризующий степень сни-

жения прочности поврежденного арматурного стержня, зна-чение которого можно определить по графику на рис. 7, в за-висимости от относительной глубины повреждения стержня

20

hl/d; gs — коэффициент, учитывающий концентрацию напря-жений у места повреждения стержня

(10)

Если арматурный стержень при ударе получил одно-временно и искривление с потерей связи с бетоном, и дефектв виде уменьшения размера поперечного сечения в плоско-сти, перпендикулярной плоскости изгиба, то в растянутомстержне предельное усилие можно определить из выражения

(11)

В сжатом стержне в этом случае происходит снижениеусилия Nsu в зависимости от стрелки искривления и глубиныповреждения стержня. Ориентировочно значение Nsu длясжатого стержня можно получить из выражения

(12)

Вычислив несущую способность элемента с учетомпредельного расчетного усилия в поврежденном арматурномстержне, сравнив ее с расчетным усилием в элементе и учтяналичие и характер трещин в бетоне, принимают решение овозможности признания конструкции аварийной.

Эксперименты, проведенные в ВИТУ О. Б. Керженце-вым, показали, что при наличии одностороннего повреждениярастянутой арматуры разрушение железобетонных элементовпроисходит с разрывом поврежденной арматуры при относи-тельно небольших деформациях элементов. Отсюда следуетвывод: односторонние повреждения растянутой арматурысвидетельствуют об аварийном состоянии железобетоннойконструкции.

При воздействии агрессивной среды происходит изме-нение прочности бетона, местное его разрушение, коррозияарматуры.

21

Если при повреждении железобетонных конструкцийпоявляются рассмотренные выше признаки, свидетельст-вующие о большой их перегрузке (трещины, отслоение леща-док в сжатой зоне элементов и др.), то поврежденные конст-рукции следует считать аварийными

В некоторой технической литературе предлагается от-носительный прогиб обычных изгибаемых железобетонныхэлементов, превышающий 1/150 пролета, считать признакомаварийного состояния конструкции.

В других источниках, например, в Рекомендациях [29],аварийное состояние конструкции предлагается считать приотносительном прогибе, большем или равном 1/50.

Однако сам по себе большой прогиб железобетонныхэлементов свидетельствует лишь о их малой изгибной жест-кости.

О близости к аварийному состоянию изгибаемых желе-зобетонных элементов можно судить по значениям относи-тельного прогиба, соответствующим достижению предельно-го состояния по прочности, который определяется по форму-ле

(13)

где δ — коэффициент, зависящий от расчетной схемыизгибаемого элемента; Ми — предельный изгибающий мо-мент, который может воспринять нормальное сечение эле-мента при достижении предельного состояния первой груп-пы; В — изгибная жесткость элемента.

Для прямоугольного сечения с одинарной арматурой

(14)

где μ — коэффициент армирования

(15)

22

При кратковременном нагружении значение В можновычислить по формуле

(16)

а при длительном воздействии нагрузки и относитель-ной влажности воздуха W ≤ 40%

(17)

После подстановки (14) и (16) в уравнение (13) получа-ем

(18)

а после подстановки (14) и (17) в уравнение (13) имеем(19)

Так как прогиб изгибаемых элементов отсчитывается отпрямолинейной оси элемента, то в предварительно напря-женных балках из значения относительного прогиба, подсчи-танного по формуле (18), следует вычесть относительный вы-гиб от кратковременного действия усилия предварительногообжатия Р, подсчитанный по формуле

(20)

а из значения относительного прогиба, подсчитанногопо формуле (19), вычесть еще и дополнительный относитель-ный выгиб от усадки и ползучести бетона, определяемый извыражения

(21)

где εb и εb’ — относительные деформации бетона отусадки и ползучести на уровне соответственно растянутой

23

арматуры и наиболее сжатой грани сечения, вычисляемые поНормам [35].

Если относительный прогиб элемента превышает значе-ния, вычисленные по формулам (18) и (19), но трещины врастянутой зоне раскрыты не более, чем приведенные в таб-лице 1, и отсутствуют признаки разрушения сжатой зоны, тоследует считать состояние конструкции предаварийным.

При раскрытии трещин в растянутой зоне больше при-веденных в таблице 1 и наличии признаков начала разруше-ния сжатой зоны бетона состояние конструкции следует счи-тать аварийным.

На рис. 8 представлена зависимость относительногопрогиба f/l железобетонных изгибаемых элементов от отно-шения пролета l к рабочей высоте сечения h0 при достижениив нормальных сечениях первой группы предельных состоя-ний для балок прямоугольного сечения из бетона класса В20при арматуре из стали класса A-III и μ= 0,015.

Рис. 8. Зависимость относительногоизгиба f/l железобетонного изгибае-мого элемента от отношения пролетаl к рабочей высоте сечения hо приклассе бетона В20, классе арматурыА-Ш и р. = 0,015:1 — для однопролетной свободноопертой балки и кратковременногодействия нагрузки; 2 — то же длядлительного действия нагрузки; 3 —для консольной балки и кратковре-менного действия нагрузки.

Из рис. 8 видно, что достижение предельного состоянияпервой группы в нормальном сечении может происходитьпри значениях относительных прогибов, заметно отличаю-

24

щихся от 1/150 как в одну, так и в другую сторону. Таким об-разом, для использования критерия относительного прогибажелезобетонных конструкций при установлении их аварий-ного состояния следует производить каждый раз расчет зна-чения относительного прогиба исходя из конкретных условий(пролета и схемы изгибаемого элемента, классов бетона и ар-матуры, коэффициента армирования).

В ряде случаев, когда нет видимых признаков перегруз-ки железобетонных конструкций, они могут находиться впредаварийном состоянии. Это бывает тогда, когда не обес-печивается устойчивость конструкции.

Сюда можно отнести пропуски или некачественное вы-полнение вертикальных связей, отсутствие или непроектноевыполнение сварки закладных деталей. В этих случаях дажепри незначительном увеличении нагрузок может произойтиобрушение конструкций.

В последнее время участились случаи обрушения бал-конов и козырьков.

Если балконная плита или козырек железобетонные, топризнаки их аварийного состояния связаны с дефектами какрастянутой арматуры, так и сжатой зоны бетона.

При неудовлетворительном состоянии или отсутствиигидроизоляции балконных плит и козырьков в результатемногократного воздействия атмосферных осадков и перепа-дов температуры происходит разрушение верхней и нижнейзон плит, что вызывает коррозию арматуры и бетона.

При повреждении коррозией арматурных стержней бо-лее чем на 30% следует считать состояние плит балконов икозырьков аварийным.

При недостаточной плотности бетона, увлажнении егоиз-за плохой гидроизоляции плиты и попеременном замора-живании и оттаивании происходит быстрое разрушение ниж-ней поверхности плиты. При этом уменьшается рабочая вы-сота сечения плиты. Разрушение более чем на 30% по глуби-не бетона плиты является признаком ее аварийного состоя-ния.

25

5. Признаки аварийного состояния камен-ных конструкций

О большой перегрузке элементов каменной кладкиможно судить по наличию в них трещин. Трещины могутбыть видимые, выходящие на поверхность кладки, и невиди-мые — внутреннее расслоение. Однако не все трещины вкладке свидетельствуют о ее перегрузке. Трещины в камен-ной кладке могут появляться также в результате неравномер-ной осадки фундаментов и температурного воздействия [9,18, 19, 20].

При неравномерной осадке фундаментов и температур-ном воздействии в результате перераспределения усилий ме-жду элементами кладки может произойти перегрузка отдель-ных элементов с образованием в них трещин силового проис-хождения.

Наступление аварийного состояния каменной кладки всвязи с ее перегрузкой соответствует третьей стадии напря-женно деформированного состояния кладки. Эта стадия ха-рактеризуется появлением часто расположенных вертикаль-ных трещин, имеющих небольшое раскрытие и проходящихчерез вертикальные швы кладки и несколько рядов камня(рис. 9).

Рис. 9 Схема третьей стадиинапряженно деформированногосостояния каменной кладки.

26

Трещины, выходящие на наружную поверхность камен-ного элемента, обычно сопровождаются внутренним расслое-нием кладки. Это можно установить при простукивании ка-менного элемента. Если есть его внутреннее расслоение, топри ударе по поверхности кладки слышен глухой звук. Какговорят строители, кладка при этом «бухтит».

Внутреннее расслоение кладки часто приводит к выпу-чиванию наружной версты кладки.

Рекомендации [30] предлагают считать недопустимымотклонение от вертикали элемента каменной кладки болеечем на 1/3 высоты сечения элемента. При учете этих реко-мендаций следует иметь в виду, что если отклонение от вер-тикали допущено при выполнении кладки, то горизонтальнаясоставляющая усилия, возникающая от этого отклонения, бу-дет гаситься связью отклонившегося элемента с другими уча-стками кладки и перекрытиями. При таком отклонении отвертикали каменного элемента следует произвести его расчетс учетом связи с примыкающими элементами кладки и пере-крытиями [9, 19, 20]. Если расчет покажет удовлетворитель-ное состояние кладки, то не появится оснований считать та-кой элемент аварийным.

При отклонении участков стены или столба от вертика-ли с отрывом их от соседних элементов стен, вызванным не-равномерной осадкой фундаментов, в случае когда стабили-зации осадки не произошло, появляется опасность обрушенияотколовшихся элементов каменной кладки. Это следует счи-тать аварийным состоянием кладки.

Опасным является появление трещин в кладке под кон-цами балок, прогонов, перемычек больших пролетов или подопорными подушками (рис. 10). При этом возникает возмож-ность обрушения элемента, опирающегося на кладку. Этоаварийное состояние элемента.

При недостаточном опирании плит перекрытий на сте-ны может произойти скол кладки под концом плиты, а такжепродергивание арматуры плиты на опоре. При отсутствии ви-димых признаков разрушения кладки под концом плиты и

27

наклонных трещин в плите состояние плиты следует считатьпредаварийным. В случае увеличения нагрузки на плиту онаможет обрушиться.

Рис. 10. Схема разрушения ка-менной кладки под опорной по-душкой. 1 — балка; 2 — опор-ная подушка; 3 — наклоннаятрещина.

Трещины в кладке, вызванные неравномерной осадкойфундаментов, температурным воздействием, а также отсутст-вие перевязок продольных и поперечных стен приводят кснижению пространственной жесткости здания. Это предава-рийное состояние здания. В случае появления значительныхгоризонтальных усилий может произойти обрушение конст-рукций. Поэтому пространственную жесткость здания всегданужно восстанавливать [1, 9, 18].

Известны случаи обрушения отдельно стоящих кирпич-ных стен, не раскрепленных перекрытиями и стенами пер-пендикулярного направления, от действия ветровой нагрузки.Это может произойти при нарушении технологии возведенияновых стен или разборки старых.

Отдельно стоящую стену можно считать аварийной, ес-ли ее высота оказывается больше определенной по формуле

(22)где h — толщина стены; γf— коэффициент надежности

по нагрузке, равный 0,9; ρ — плотность кладки; g — ускоре-ние силы тяжести; с — аэродинамический коэффициент, при-нимаемый по Нормам [39]; w — скоростной напор, прини-

28

маемый по Нормам [39]; у — коэффициент надежности поветровой нагрузке.

29

6. Признаки аварийного состояния конст-рукций крупнопанельных зданий

Фундаменты, перекрытия, лестницы крупнопанельныхзданий имеют те же признаки аварийного состояния, что ианалогичные конструкции других зданий.

Специфические признаки аварийного состояния имеютстеновые панели и узлы соединения стеновых панелей друг сдругом и с плитами перекрытий.

Обрушение крупнопанельного здания может произойтив результате большой неравномерной осадки фундаментов,приведшей к нарушению целостности отдельных панелей иузлов их сопряжения. Также возможна авария крупнопанель-ного здания из-за разрушения отдельных несущих панелейпри недостаточной их несущей способности или из-за низко-го качества горизонтальных швов.

При качественном выполнении узлов сопряжения сте-новых панелей друг с другом и с плитами перекрытий разру-шение одной стеновой панели не должно приводить к про-грессирующему обрушению всего здания или всех конструк-ций, расположенных выше. Это обеспечивается специальнойконструкцией узлов сопряжения элементов крупнопанельныхзданий, допускающих большие пластические деформации.Проконтролировать качество выполнения узлов соединенияможно только в процессе производства строительно-монтажных работ или при вскрытии узлов возведенного зда-ния. Однако в последнем случае наносится значительныйущерб целостности конструкций, их внешнему виду и навремя вскрытия узлов и их последующего ремонта затрудня-ется эксплуатация помещений. Следует иметь в виду, что свя-зи в узлах соединения элементов крупнопанельных зданийдруг с другом должны выполняться строго по проекту. Какуменьшение, так и увеличение поперечного сечения связейбудут иметь отрицательные последствия. При уменьшениипоперечного сечения связи будет недостаточная прочностьсоединения, а при увеличении поперечного сечения произой-

30

дет уменьшение пластической деформации связи [8, 19, 20].Отдельные навесные стеновые панели могут выпасть из

стены из-за разрушения связей. Предвестником этого являет-ся выход панели из плоскости стены, появление ржавых пя-тен в местах расположения стальных связей и трещин в гори-зонтальных и вертикальных швах по периметру панели.

Если навесные панели прикреплены к каркасу, то зазо-ры, даже значительные, между панелью и каркасом не могутслужить основанием для признания панели аварийной.

В большинстве случаев наличие большого зазора междунекоторыми стеновыми панелями и колоннами каркаса сви-детельствует о небрежном монтаже каркаса, то есть о том,что колонны смонтированы не в одной плоскости. В этомслучае следует проверить положение сомнительной панелиотносительно наружной поверхности стены. Если панель невыходит наружу относительно внешней стороны стены, то еесостояние следует признать удовлетворительным.

Вертикальные и горизонтальные трещины в стеновыхпанелях увеличивают их проницаемость. Горизонтальныетрещины, кроме того, снижают жесткость панели из ее плос-кости.

Рис. 11. Схема наклонных трещин в стеновой панели:а — в панели без проема; б — в панели с проемом; 1 — трещины.

Опасным является наличие наклонных трещин (рис. 11),так как вдоль трещины может произойти сдвиг частей панелис последующим их разрушением [32]. Признаком возможногоразрушения является и появление трещин и отслоенных ле-щадок у горизонтальных швов между панелями, что свиде-

31

тельствует о большой неоднородности растворной постели вэтом шве

Отслоение и выпадение наружного защитного слоя неможет являться признаком аварийного состояния стеновойпанели. При разрушении наружного защитного слоя появля-ется опасность увлажнения стены дождем и снижения ее теп-лотехнических свойств.

32

7. Признаки аварийного состояния сталь-ных конструкций

При обнаружении таких дефектов стальных конструк-ций, как общий и местный изгиб стального элемента, местноеослабление сечения, коррозия стали, для определения состоя-ния стального элемента нужно выполнить расчеты прочностис учетом выявленных дефектов. Методика этих расчетов из-ложена в Справочнике [31].

Однако в ряде случаев и без выполнения поверочныхрасчетов можно сделать вывод о наличии аварийного состоя-ния стальных конструкций. Наличие трещин в сварных швах,в околошовной зоне, поперечных трещин в растянутых эле-ментах, а также трещин, идущих от заклепочных отверстий,является бесспорным признаком аварийного состояния кон-струкций.

Часто причиной аварий стальных конструкций являетсяпотеря местной устойчивости в узлах сопряжения.

На рис. 12, а изображены схемы образования местноговыпучивания стенки сварного двутавра в сопряжении стойкирамы с ригелем. В местах перелома пояса сварного двутавраиз-за концентрации напряжений в тонкой стенке произошламестная потеря устойчивости стенки, которая привела к об-рушению рам спортивного сооружения. Аналогичное явлениепроизошло и в стальных рамах складского здания (рис. 12, б).

Этой аварии не произошло бы, если бы в местах пере-лома пояса были установлены ребра жесткости [20].

В Ленинграде произошла авария структурного покры-тия спортивного сооружения из стальных труб и фасонногопроката [20]. Причиной аварии была потеря устойчивости фа-сонки у верхнего пояса структуры из-за большого расстояниямежду элементом решетки и верхним поясом (рис. 12, в). Примонтаже структуры был допущен изгиб фасонки, что усугу-било ее сложное напряженное состояние.

33

Рис. 12. Схема узлов примыкания элементов стальных конструк-ций, приведших к авариям:

а — ригеля и колонны спортивного здания; б — ригеля и колонныскладского здания; в — раскоса к горизонтальным верхним эле-

ментам структурного покрытия; 1 — сосредоточение усилия, дей-ствующее на стенку элементов двутаврового сечения, 2 — проект-ные ребра жесткости; 3—ребра жесткости, обеспечивающие мест-ную устойчивость стенок элементов; 4 — трубчатые раскосы; 5 —

верхние горизонтальны элементы структурного покрытия; 6 —нижняя грань фасонки по проекту КМ; l— большая свободная дли-

на фасонки.Отсюда можно сделать вывод, что любая местная де-

формация в узлах сопряжения стальных элементов являетсяпризнаком аварийного состояния конструкции.

Иногда при устройстве внутренних стен и перегородокони пересекают конструкции перекрытий и покрытий без ос-тавления необходимых зазоров в местах их пересечений (рис.13).

34

Рис. 13. Схема пересечения стропильной фермы с перегородкойа — правильное решение пересечения, в — неправильное решениепересечения, 1 — плита перекрытия, 2 — пояса фермы, 3 — пере-городка, 4 — отверстия в перегородке в местах пересечения ее с

поясами фермы, заполненные эластичным материалом, 5 — зазормежду перегородкой и плитой покрытия

Если стены или перегородки опираются на фундаменты,не связанные с фундаментами несущих конструкций, на ко-торые оперты конструкции перекрытий и покрытий, то приразности осадок фундаментов происходит либо зависаниестен (перегородок) на конструкции перекрытий (покрытий),либо последние опираются на эти стены и работают в нерас-четном режиме. Это может привести к аварии конструкцийперекрытия и покрытия.

Так же как и в отношении железобетонных изгибаемыхэлементов, нельзя судить об аварийном состоянии стальныхбалок только по какому-либо фиксированному значению от-носительного прогиба. Необходимо принимать во вниманиетакже пролет и высоту сечения балки.

При закреплении верхнего пояса от смещения в гори-зонтальной плоскости предельное усилие, которое можетвоспринять нормальное сечение балки, выражается [37] фор-мулой

35

Mu=RygсW, (23)где gс — коэффициент условной работы балки.

Рис. 14. Зависимость относительного прогиба стальной балки ототношения пролета l к высоте сечения h при достижении нормаль-

ным сечением предельного состояния по прочности:1 — для однопролетной свободно опертой балки; 2 — для консоль-

ной балки.Значение относительного прогиба при этом с учетом

формулы (13) определяется по формуле(24)

На рис. 14 показана зависимость относительного проги-ба стальной балки при достижении предельного состояниянормального сечения по прочности от значения отношенияпролета l к высоте сечения балки h при исходных данных Rуγc= 200 МПа и Е = 2*105 МПа. Так же как и для железобетонно-го изгибаемого элемента, имеются большие колебания в зна-чениях предельного из условия прочности прогиба стальнойбалки при изменении ее пролета и высоты сечения.

36

8. Признаки аварийного состояния дере-вянных конструкций

Обрушение деревянных конструкций чаще всего проис-ходит из-за низкого качества стыков их элементов. Бесспор-ным признаком аварийного состояния растянутых стыков яв-ляется наличие продольных трещин у нагелей и гвоздей (рис.15). При этом происходит выключение из работы нагелей илигвоздей, рядом с которыми возникли трещины.

Опасным для конструкции является скалывание пло-щадки в лобовой врубке (рис. 16). В этом случае все усилие впримыкающем элементе будет передаваться на стяжной болт,это усилие вызовет изгиб болта и смятие древесины в обоихсопряженных элементах.

Рис. 15. Схема трещин у нагелей в растянутом стыке деревянныхэлементов, свидетельствующих об опасности разрушения стыка:

1— трещины.

Рис. 16. Скалывание площадки в лобовой врубке, могущее привес-ти к обрушению всей конструкции:

1 — линия скола; 2 — стяжной болт.

37

При отсутствии стяжного болта в лобовой врубке со-стояние деревянной конструкции следует считать предава-рийным, так как в случае скалывания по какой-либо причинеплощадки врубки произойдет обрушение конструкции.

Так же как и для конструкций из других материалов, онапряженном состоянии деревянных элементов .можно су-дить по их прогибам. Относительные прогибы деревянныхбалок при достижении в нормальных сечениях предельногосостояния первой группы выражаются уравнением

(25)

На рис. 17 представлена зависимость относительногопрогиба изгибаемого деревянного элемента при достижениипредельного состояния по прочности нормального сечения ототношения пролета l к высоте сечения h для условий Rи= 14МПа и E=10*103 МПа.

Рис. 17. Зависимость относительного прогиба деревянной балки ототклонения пролета / к высоте сечения h при достижении нормаль-

ным сечением предельного состояния по прочности:1 — для однопролетной свободно опертой балки; 2 — для кон-

сольной балки.

38

Если относительный прогиб обследуемой конструкциипревышает относительный прогиб, подсчитанный по формуле(25), то конструкция испытывает перенапряжение. В этомслучае можно говорить об аварийном состоянии деревянногоизгибаемого элемента.

Древесина на сжатие работает упругопластически, а нарастяжение упруго [24]. Перед разрушением изгибаемого де-ревянного элемента в его сжатой зоне древесина работаетпластически, а в растянутой зоне деформации в основном уп-ругие. Разрушение нормального сечения изгибаемого элемен-та происходит при разрыве его растянутых волокон. Призна-ком приближающегося разрушения может служить началопотери устойчивости сжатых волокон, сопровождающеесявыпучиванием древесины в сжатой зоне (на сжатой грани об-разуются складки). Если несущая способность подвергшегосягниению деревянного элемента, подсчитанного за вычетомпораженной древесины, оказалась недостаточной, то такойэлемент следует считать аварийным.

39

Заключение

Описанию аварий строительных конструкций посвяще-на обширная литература. При этом главное внимание уделя-ется причинам аварий и их последствиям. Признаки аварий-ного состояния, как правило, рассматриваются недостаточноподробно. Не изучаются признаки аварийного состояния кон-струкций и в технических учебных заведениях. В связи сэтим инженерно-технические работники, даже встретившисьс явными признаками аварийности конструкций зданий и со-оружений, не всегда адекватно реагируют на них.

Это может привести к аварии здания или сооружения,которую можно было бы легко предотвратить.

Вопросы предаварийного и аварийного состояниястроительных конструкций зданий и сооружений недостаточ-но разработаны и теоретически, и практически. Представля-ется очень важным углубленная проработка этих вопросов,обобщение и публикация всех известных материалов по дан-ному направлению строительной науки.

40

ЛИТЕРАТУРА1. Алексеев В. К. Гроздов В. Т., Тарасов В. А. Дефекты не-

сущих конструкций зданий и сооружений, способы их у-странения.— М.: Минобороны, 1982. — 178 с.

2. Анализ причин аварий строительных конструкций. Выпуск1. — М.: Изд-во по строительству, 1968. — 224 с.

3. Андреев С. А. Предупреждение аварий и поврежденийзданий. — М.: Изд-во Министерства коммунального хо-зяйства РСФСР, 1947. — 96 с.

4. Бедов А. И., Сапрыкин В. Ф. Обследование и реконструк-ция железобетонных и каменных конструкций эксплуати-руемых зданий и соору�