Глава 4 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 4.1. ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ НЕСУЩИХ И ОГРАЖДАЮЩИХ конструкций

4.1.1.    Общие сведения о технической диагностике

В решении задач технической эксплуатации строительного фонда инженерная оценка технического состояния конструктивных элемен­тов, оборудования и здания в целом - диагностика - занимает цен­тральное место. Задача диагностики — изучение и определение при­знаков и причин повреждений, а также разработка способов и средств их анализа и оценки.

Диагностика базируется на учении о физическом износе и кор­розии строительных конструкций и основывается на следующих ме­тодиках:

•      визуального определения износа по внешним признакам;

•     инструментальной оценки состояния конструкций и зданий с помощью приборов;

•      инженерного анализа диагностических данных с целью оценки технического состояния и разработки мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту зданий и сооружений (см. рис. 3.2).

Для решения этих задач имеется значительный набор инстру­ментальных средств, способствующих объективной оценке состояния отдельных элементов или здания в целом работниками эксплу­атационных служб. Наличие инструментальных средств диагнос­тики не снижает значимости визуальных методов оценки состоя­ния строительных конструкции по характерным признакам износа, но предъявляет повышенные требования к подготовке работников экс­плуатационных служб. Имеющаяся нормативная база, рег­ламентирующая параметры предельно допустимого износа конст­руктивных элементов, обеспечивает эффективность диагностической системы оценки технического состояния зданий и сооружений же­лезнодорожного транспорта. В табл. 4.1 представлены некоторые ви­ды инструментов для определения свойств материала конструкций, параметров эксплуатационной среды, теплофизических свойств ог­раждающих конструкций и др.

 

 

При оценке состояния оснований и фундаментов, в местах об­наружения повреждений производят вскрытие конструкций, уст­раивая контрольные шурфы. Открытые участки фундаментов и грунт осматривают и отбирают пробы грунта для лабораторных исследова­ний. Образцы грунта извлекают тонкостенным кольцом диаметром 80 мм и высотой 40-—80 мм. герметизируют и доставляют в лаборато­рию для исследования физико-механических свойств — влажности, плотности, угла внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформации.

Прочность, устойчивость, долговечность конструкций и здания, сооружения в целом определяются его техническим состоянием. Сте­пень физического износа строительных конструкций зданий и соору­жений, характеризующих техническое состояние, зависят, в основ­ном, от условий и продолжительности эксплуатации и определяются прежде всего величиной, характером и интенсивностью нагрузок и воздействий.

Диагнозируемые в процессе эксплуатации фактические нагрузки могут существенно отличаться от предусмотренных проектом как по величине, так и по месту приложения. В связи с этим устанавливают систематический контроль за эксплуатационными нагрузками, кото­рые не должны превышать нормируемых величин. При этом, кроме действительной величины нагрузки от собственной массы конструк­ций, контролируется:

—        место приложения статических и динамических нагрузок от технологического оборудования и их величина;

—        места складирования материалов, полуфабрикатов, готовой продукции и величины предельных нагрузок от них;

—     грузоподъемность и режим работы мостовых, консольных, коз­ловых и других грузоподъемных кранов и устройств, различного подъемно-транспортного оборудования (тельферы, автопогрузчики и т.п.);

—       места повышенных снеговых и пылевых отложений на по­крытии.

К эксплуатационным воздействиям относятся:

—      температурный режим эксплуатации конструкций, зависящий от технологических и природно-климатических условий;

—        деформации фундаментов, вызываемые общими и локаль­ными изменениями гидрогеологических свойств основания (появ­ление техногенных вод, повышение уровня грунтовых вод, протечки в грунт химически активных жидкостей, строительные работы в не­посредственной близости от фундаментов и т.п.);

—    увеличение, по сравнению с проектной, степени агрессивности среды (повышение содержания в воздухе агрессивных газов, жидко­стей, пыли, абразивное воздействие сыпучих сред и т.п.).

Здания и сооружения железнодорожного транспорта, располо­женные вблизи железнодорожных путей, испытывают виброди- намические воздействия (микросейсмику) от проходящих поездов и нуждаются в усиленной защите от внешнего шума и электро­магнитных полей. В свою очередь, в самих железнодорожных зда­ниях нередко размещают оборудование для производств, являю­щихся источниками шума и вибрации, ультразвуковых и элект­ромагнитных полей, выделяющих вредные вещества в окружаю­щую среду и т.д. Все перечисленные факторы оказывают небла­гоприятное воздействие на людей, находящихся внутри помеще­ний и даже вне зданий. Если уровни таких воздействий превыша­ют допустимые [40, 38], необходимо предусматривать мероприя­тия по их снижению.

Сильно действующим фактором износа строительных конструк­ций является их увлажнение. Воздействие влаги усиливается при ко­лебаниях температуры и влажности, а также при загрязнении окру­жающей среды агрессивными примесями. Повышение влагосодержа- ния характерно для многих конструкций, контактирующих с водой в процессе изготовления и эксплуатации. При этом различают пять ви­дов увлажнения:

—    при изготовлении конструкций (строительная влага);

—     атмосферными осадками;

—    утечками из водопроводно-канализационной сети;

—     конденсатом водяных паров воздуха;

—     капиллярным и электроосмотическим подсосом;

—     грунтовой водой.

Практика показывает, что повышенное влагосодержание отри­цательно сказывается на эксплуатационных показателях несущих и ограждающих конструкций. С увеличением влажности возраста­ет теплопроводность материалов, ухудшаются теплозащитные свой­ства. Кроме того, при изменении влажности возрастает объемный вес материалов, а при многократном увлажнении нарушается их структура и снижается долговечность. Неблагоприятно сказывается переувлажнение и на состояние воздушной среды помещений, ухуд­шая ее гигиенические показатели.

4.1.2.   Оценка свойств материалов несущих и ограждающих конструкций

Металлические конструкции

Исходными данными для оценки свойств материала могут слу­жить следующие: год производства стали и технические условия на поставку металла, действующие в то время; указания на исполни­тельных чертежах; выписки из заводских сертификатов, а также кон­трольные испытания специально отобранных образцов.

При этом необходимо установить марку стали или ее аналог в со­временных технических условиях и государственных стандартах Ос­новными контролируемыми показателями физико-механических свойств металла являются: временное сопротивление о_в, предел те­кучести От, относительное удлинение при разрыве &, ударная вязкость а_н. Помимо физико-механических свойств определяют химический состав и степень раскисления.

При оценке свойств материала необходимо иметь в виду, что в зданиях и сооружениях железнодорожного транспорта (и на других объектах) дореволюционной постройки для металлических кон­струкций применялось сварочное и листовое железо с содержанием углерода до 0,3 %. Качество металла определялось техническими ус­ловиями на поставку металла для железных дорог. Сварочное железо отличается значительной неоднородностью, имеет волокнистую структуру с ярко выраженными шлаковыми включениями. Времен­ное сопротивление при нормированном значении —- 320 МПа, по данным испытаний изменяется от 230 до 490 МПа, относительное уд­линение — 10...30 %. Литое железо отличается большей однородно­стью структуры, отличающейся мелкозернистостью. Временное со­противление изменяется в пределах 350...450 МПа при относитель­ном удлинении не менее 20 %. По химическому составу и физиче­ским свойствам железо близко к современной стали СтЗкп с несколь­ко большим диапазоном разброса содержания отдельных элементов. Средние значения предела текучести и временного сопротивления соответственно 274 и 387 МПа при коэффициенте вариации 13 %.

В 1920-е гг. в связи с острой нехваткой металла строительные кон­струкции нередко выполнялись из случайных материалов, ме­ханические свойства которых были чрезвычайно неоднородны. Кон­диционная сталь того времени имела достаточно высокие значения временного сопротивления — 220...470 МПа, что соответствует зна­чениям о_в для литого железа.

Длительная эксплуатация сооружений в условиях циклического нагружения, старение металла могли привести к существенному из­менению свойств, поэтому для конструкций, построенных до 1930-х гг., необходимо выявить не только средние значения характеристик, но и степень разброса показаний. Следует провести испытания на ударную вязкость для определения интенсивности старения. Способ изготовления стали (литое или сварное железо) определяется метал­лографическим анализом В большинстве случаев металл конструк­ций тех лет можно классифицировать как СтО с расчетным сопротив­лением R = 170 МПа.

В 1930-е гг. основной строительной сталью стала СтЗ с более вы­сокой однородностью свойств, коэффициентом вариации 6...9 %. Од­нако содержание фосфора и серы в ней несколько превышало совре­менные требования, достигало 0,06...0,08 %, но ударная вязкость (да­же при температуре -20 °С) составляла в среднем 0,56 МДж/м². С 1937 г. начали применять углеродистую прокатную сталь по ОСТ 2897, имеющую более высокое качество и однородность, по химиче­скому составу близким к стали СтЗ. Применение томасовских сталей, получаемых из чугуна в результате передела, было ограничено из-за содержания нерасчетных элементов.

В 1940-е гг. в условиях военного времени требования к сталям бы­ли понижены: допускалось применение бессемеровских и то­масовских сталей; металл (марка СтО) испытывался упрощенными способами. В 1943—1946 гг. широко использовался легированный металлолом, из которого получали сталь с повышенным пределом те­кучести до 300...310 МПа, временным сопротивлением до 440 МПа, коэффициентом вариации до 9...10 %.

В 1950-е гг. снизились среднее значение предела текучести до 270...280 МПа, временное сопротивление 430...440 МПа, среднее квадратичное отклонение 20...23 МПа Получил применение фа­сонный прокат с более высокими (на 10... 15 %) значениями проч­ностных характеристик.

Начиная с 1960-х гг. в строительных конструкциях используются стали повышенной прочности — стали марок 09Г2С, 10Г2С1, 15ХСНД. Средние значения предела текучести и временного сопро­тивления этих сталей значительно выше нормируемых, что позволяет выявить при дополнительных испытаниях определенные резервы не­сущей способности конструкций, выполненных из них. Стали разного времени производства не имеют значительных различий в свойствах. Статистические характеристики распределения предела текучести стали марки СтЗ, произведенной в разные годы, показаны на рис. 4.1.

В случае появления в конструкциях повреждений, особенно тре­щин, а также при необходимости усиления конструкций, обя­зательным является испытание образцов, отобранных из мало­напряженных зон конструктивных элементов (рис. 4.2).

Учитывая возможность поставки металла с разных заводов, различия в свойствах стали, все конструкции каркаса разделяют на партии. К партии металла относятся элементы проката од­ного вида (по номерам профилей, толщинам и маркам сталей), входящие в состав однотипных конструкций одной очереди строительства (пояса ферм, решетка ферм, пояса балок и т.п.),

 

 

и объемом не более 60 т. Число проб и образцов от каждой партии металла должно быть не меньше, чем указано в табл. 58 СНиП 11-23- 81* [44].

За нормативное значение предела текучести R_yn и временного со­противления R_un принимаются минимальные значения, полученные при испытании. Расчетные сопротивления проката R_v (/?„) принима­ются равными R_v =R_yn / у_т (R_u = R_un / у). Коэффициент надежности материала также следует принимать в соответствии со СНиП II-23- 81* [44]: для конструкций, изготовленных до 1932 г., и для сталей, у которых полученные при испытании значения предела текучести ни­же 215 МПа, у_т = 1,2; для конструкций, изготовленных в период с 1932 по 1982 г., для сталей с пределом текучести ниже 380 МПа у_т =1,1 и для сталей с пределом текучести выше 380 МПа у_т =1,15; для конструкций, изготовленных после 1982 г., — по табл. 2 [44].

Допускается назначать расчетные сопротивления по значениям R_yn и R_um определенным по результатам статистической обработки дан­ных испытаний не менее чем 10-ти образцов [44].

 

Из-за недостаточной точности этого метода, его рекомендуется использовать только при предварительной оценке прочности стали, с целью выбора наиболее слабых элементов для последующих испыта­ний более точными методами.

Другая методика получения параметров механических свойств стали [4] основана на определении усилия, необходимого для среза резьбы, с записью диаграммы деформирования. Так как диаметр от­верстий не превышает 5 мм и глубина составляет небольшую

 

тических деформаций и метод упругого отскока. Наряду с механи­ческими испытаниями значительное распространение получил аку­стический метод неразрушающего контроля, основанный на опре­делении параметров упругих колебаний с помощью ультразвуковой нагрузки с регистрацией эффектов акустоэмиссии.

Определение прочности тяжелого бетона производится в соот­ветствии с Руководством по определению и оценке прочности бетона в конструкциях зданий и сооружений [37] и указаниями ГОСТ 18105- 86 [10].

Методы, в которых производят местное разрушение бетона кон­струкции, дают наиболее достоверную информацию о его прочности, но более трудоемки и требуют заделки места испытаний. Методы, основанные на определении пластических или упругих характеристик бетона, отличаются меньшей трудоемкостью, но их точность не­сколько ниже.

В методе отрыва со скалыванием (ГОСТ 22690-88) используется наличие зависимости между прочностью бетона и усилием, необ­ходимым для вырывания заделанного в теле конструкции анкерного устройства вместе с окружающим его бетоном.

Метод скалывания ребра конструкции основан на зависимости между прочностью бетона и усилием, необходимым для скалывания ребра конструкции при определенных параметрах нагружения (ГОСТ 22690-88).

При применении ультразвукового способа измеряют время рас­пространения упругих колебаний в теле бетона (ГОСТ 17624-87) при сквозном прозвучивании конструкций толщиной до 5 м. Используют приборы типа УКБ-1₇ «Кварц-6» и др. Существуют также методы контроля прочности бетона акустический, радиометрический, вибра­ционный, которые малопригодны для обследования зданий.

Наибольшее распространение получил метод пластических де­формаций, основанный на наличии связи между прочностью бетона и величиной косвенного показателя, характеризующего внедрение сфе­рического индиктора в бетон при определенной энергии удара (ГОСТ 22690-88). При испытании с помощью молотка Кашкарова в качестве косвенного показателя используют отношение диаметра отпечатков, оставленных при ударе на бетоне d§ и эталонном стержне d₃. Проч­ность бетона R определяется по тарировочному графику в зависимо­сти от величины D = d§!d₃ (рис. 4.3).

 

В процессе освидетельствования сооружения для определения прочности бетона все элементы группируются по конструктивному признаку. Места участков испытаний должны, как правило, рас­полагаться в сжатой зоне конструкций. Испытания следует произ­водить в местах, отстоящих от арматуры и от края конструкции не менее чем на 50 мм. На участке должно быть выполнено не менее пя­ти определений D, при расстоянии между отпечатками на бетоне не менее 30 мм и на эталонном стержне не менее 10 мм.

Значение косвенного показателя па участке испытаний опреде­ляют по формуле

(4.4)

Единичное значение Я, прочности (класса) бетона на участке оп­ределяют по графику (см. рис. 4.3) по значению D,.

Для получения достоверной выборки прочности бетона группы однотипных конструктивных элементов необходимо определить не менее п единичных значений:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На изгиб и на сжатие испытывается не менее 5 образцов. Образцы для испытания на сжатие изготавливаются из половинок на цемент­но-песчаном растворе состава 1:1, толщина слоя раствора не должна превышать 5 мм. Опорные поверхности выравнивают тем же раство­ром или армированным картоном.

Для некоторых конструкций необходимо определять сцепление между кирпичом и раствором и прочность раствора в соответствии с ГОСТ 24992-81 и ГОСТ 5802-86. Для определения прочности отби­раются куски раствора, из которых изготавливаются кубики 30*30 мм. Разрешается склейка пластинок раствора гипсовым раствором толщиной 1...2 мм. Величина прочности определяется как среднее значение результатов испытаний не менее 5 образцов.