закрыть
Как к вам обращаться:
Ваш номер телефона:
отправить
г.Вологда,
ул. С.Орлова д.4

Введение

 

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ зданий и cooружений - предельный срок службы зданий и сооружений, в течение которого они не утрачивают необходимых эксплуатационных качеств. Долговечность здания и сооружения определяется сроком службы его основных конструкций (напр., фундаментов, несущих стен или каркаса). Др. конструктивные элементы (заполнение стен, перекрытий, кровля, полы, оконные переплеты, двери и пр.) обычно обладают меньшей долговечностью, изнашиваются быстрее и заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение общего срока его службы. У наружных частей здания наиболее короткие сроки службы характерны для кровель, изоляционных и защитно-отделочных слоев и др. элементов, подверженных интенсивному разрушающему влиянию.

Постепенный износ конструкции происходит неравномерно в течение общего срока службы здания; в первый период после постройки - быстрее (что связано с усушкой материалов, деформациями конструкций, неравномерными осадками грунта), а в последующий, преобладающий по длительности, - медленнее (нормальный износ). По окончании первого периода эксплуатации здания, характеризующегося относительно быстрым износом, отд. конструкции могут нуждаться в спец. послеосадочном ремонте.

В последний период эксплуатации здания, прослужившего много лет, т.е. когда его конструкции существенно износились и материалы, входящие в их состав, частично разрушились, быстрота износа конструкций вновь возрастает, что может приводить к авариям, если здания находятся без постоянного технич. надзора.

Долговечность сокращается при неправильной эксплуатации зданий и сооружений, перегрузках конструкций, а также при резко выраженных разрушающих влияниях окружающей среды (действии влаги, ветра, мороза и т.п.). Сокращение долговечности выражается постепенной потерей прочности, а для нек-рых конструкций (напр., кровель) более быстро наступающей утратой непроницаемости. Большое значение для обеспечения Д. имеет правильный выбор конструктивных решений с учетом особенностей климата и условий эксплуатации. При игнорировании этого разрушение конструкций может произойти очень быстро. Так, долговечность каменных (кирпичных и др.) стен жилых домов составляет сотни лет, а такие же (не защищенные дополнительно от действия влаги) стены бань и т.п. зданий с высокой влажностью разрушаются в течение нескольких десятков лет и даже быстрее. Влияние внешних климатических условий на сокращение

наружной части строительных конструкций наиболее заметно на территориях с влажным климатом (см. Климатология строительная, Климатическое районирование); исключение составляют конструкции, выполненные из нек-рых материалов на основе высокомолекулярных соединений (напр., рулонные материалы, пластмассы и т.п.), к-рые быстрее разрушаются под действием солнечных лучей и резких колебаний темп-ры.

Повышение долговечности конструкций достигается применением строит, и изоляционных материалов с высокой стойкостью (см. Стойкость строительных материалов, Морозостойкость, Влагостойкость, Биостойкость) и защитой конструкции от проникновения внутрь ее разрушающих агентов и прежде всего жидкой влаги.

Практических инженерных расчетов долговечности пока еще не существует; в связи с этим степени долговечности конструкций, указываемые в строит. нормах и правилах, условны и используются гл. обр. для экономич. предположений (1-я степень - срок службы более 100 лет; 2-я - более 50 лет; 3-я - более 20 лет).

железобетонная конструкция сооружение вода


Железобетон, как композиционный строительный материал. История, характеристики

 

Железобето́н - строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру.

[1] Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений. Термин "железобетон" абстрактен и употребляется обычно в выражении "теория железобетона". Если речь идёт о конкретном объекте, будет правильнее говорить "железобетонная конструкция", "ж/б конструкция", "железобетонный элемент".

История

В 1802 г. при строительстве Царскосельского дворца российские зодчие использовали металлические стержни для армирования перекрытия, выполненного из известкового бетона. В 1829 г. английский инженер Фокс реализовал армированное металлом бетонное перекрытие. В 1849 г. во Франции Ламбо построил лодку из армоцемента. В 1854 г. Уилкинсон в Англии получил патент на огнестойкое железобетонное перекрытие. В 1861 г. во Франции Куанье опубликовал книгу о 10 летнем опыте применения железобетона. Он же в 1864 г. построил церковь из железобетона. В 1865 г. Улкинсон построил дом из железобетона. И только в 1867 г. Монье, которого часто считают "автором" железобетона, получил патент на кадки из армоцемента. В 1868 г. Монье построил железобетонный бассейн, а с 1873 по 1885 гг. получил патенты на железобетонный мост, железобетонные шпалы, железобетонные перекрытия, балки, своды и железобетонные трубы. В 1877 г. первая книга по железобетону опубликована Т. Хайэтом в США. С 1884 по 1887 гг. в Москве осуществлялось применение железобетона при устройстве плоских перекрытий, сводов, резервуаров. В это же время проводились испытания конструкций, были реализованы железобетонные перекрытия по металлическим балкам. В 1886 г. в США П. Джексон подал заявку на патент на использование преднапряжения арматуры при строительстве мостов. В 1888 г. патент на преднапряжение получен в Германии В. Дерингом, в 1896 г. в Австрии И. Мандлем, в 1905-07 гг. в Норвегии И. Лундом, в 1906 г. в Германии М. Кененом. В 1886 г. в Германии (фирма Вайс) под руководством проф. Баушингера проведены испытания плит и сводов. В 1886-87 гг.М. Кенен в Германии разрабатывает способ расчета железобетонных конструкций. В 1891 г. в России проф. Н.А. Белелюбский проводит широкомасштабные исследования железобетонных плит, балок, мостов. В этом же году выходит книга инж. Д.Ф. Жаринцева "Слово о бетонных постройках", а в 1893 г. - "Железобетонные сооружения". С 1892 по 1899 г. во Франции Ф. Геннебиком реализовано более 300 проектов с применением железобетона. В 1895 г. на 2 съезде зодчих в России выступает А.Ф. Лолейт, создавший впоследствии основные положения современной теории железобетона. В 1899 г. инженерный совет министерства официально разрешает применять железобетон в России. Первые нормы по проектированию и применению железобетонных конструкций появились в 1904 г. в Германии и Швеции, в 1906 г. во Франции, в 1908 г. в России. Развитие теории железобетона в России в первой половине 20 в. связано с именами А.Ф. Лолейта, А.А. Гвоздева, В.В. Михайлова, М.С. Боришанского, А.П. Васильева, В.И. Мурашева, П.Л. Пастернака, Я.В. Столярова, О.Я. Берга и др. В XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве

Характеристики

К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:

долговечность;

невысокая цена - железобетонные конструкции значительно дешевле стальных;

пожаростойкость - в сравнении со сталью;

технологичность - несложно при бетонировании получать любую форму конструкции;

химическая и биологическая стойкость;

высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам;

можно создавать сложные формы.

К недостаткам железобетонных конструкций относятся:

невысокая прочность при большой массе - прочность бетона при растяжении в среднем в 10 раз меньше прочности стали. В больших конструкциях железобетон "несёт" больше своей массы, чем полезной нагрузки.

Выделяют сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке).

 

Основные принципы проектирования железобетонных конструкций

 

Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип - арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в преднапряжённые сжатые зоны.

В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-ой и 2-ой группе предельных состояний.

по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);

по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны, фундаменты).

Изгибаемые элементы (балки, плиты)

При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:

по нормальным сечениям - сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,

по наклонным сечениям - от действия поперечных сил.

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).

Изгиб и армирование железобетонной балки

 

 

Элементы конструкции:

1. Верхняя (сжатая) арматура

2. Нижняя (растянутая) арматура

3. Поперечная арматура

4. Распределительная арматура

Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположенном направлении.

Основные параметры конструкции:

L - пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров

H - высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально H²

B - ширина сечения

a - защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды

s - шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).

 

 

Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (см. рисунок).

 

 

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

Сжатые элементы (колонны)

При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.

Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например ветер, давление грунта на подпорную стенку).

Типичное армирование колонны представлено на рисунке.

 

 

Работа и армирование сжатой колонны на рисунке:

1 - продольная арматура

2 - поперечная арматура

В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.

Центрально сжатые колонны проектируются квадратного сечения.

Массивными считаются колонны минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, т.е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения - террористические атаки, взрывы и т.д.) - они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т.о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем и кроме этого малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим строительством.

Изготовление железобетонных конструкций.

Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы:

Подготовка арматуры

Опалубочные работы

Армирование

Бетонирование

Уход за твердеющим бетоном

Изготовление сборных железобетонных конструкций.

Сущность сборных железобетонной конструкций, против монолитных, состоит в том, что конструкции изготавливаются на заводах ЖБИ, а затем доставляются на стройплощадку и монтируются в проектное положение. Основное преимущество технологии сборного железобетона в том, что ключевые технологические процессы происходят на заводе. Это позволяет достичь высоких показателей по срокам изготовления и качеству конструкций. Кроме того, изготовление предварительно напряженных ЖБК возможно, как правило, только в заводских условиях.

Недостатком заводского способа изготовления является невозможность выпускать широкий ассортимент конструкций. Особенно это относится к разнообразию форм изготавливаемых конструкций, которые ограничиваются типовыми опалубками. Фактически, на заводах ЖБИ изготавливаются только конструкции, требующие массового применения. В свете этого обстоятельства, широкое внедрение технологии сборного железобетона приводит к появлению большого количества однотипных зданий, что, в свою очередь, приводит к деградации архитектуры региона. Такое явление наблюдалось в СССР в период массового строительства.

Большое внимание на заводе ЖБИ уделяется технологической схеме изготовления. Используется несколько технологических схем:

Конвейерная технология. Элементы изготовляют в формах, которые перемещаются от одного агрегата к другому. Технологические процессы выполняются последовательно, по мере перемещения формы.

Поточно-агрегатная технология Технологические операции производят в соответствующих отделениях завода, а форма с изделием перемещается от одного агрегата к другому кранами.

Стендовая технология. Изделия в процессе изготовления остаются неподвижными, а агрегаты перемещаются вдоль неподвижных форм.

В предварительно напряженных конструкциях применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон, а также два основных способа натяжения арматуры: электротермический и электротермомеханический.

Изготовление монолитных железобетонных конструкций

При изготовлении монолитных железобетонных конструкций следует учитывать, что физико-механические характеристики арматуры относительно стабильны, а вот те же характеристики бетона изменяются во времени. Необходимо всегда находить компромисс между запасами при конструировании и проектировании (выбор форм и сечений - выбор между надежностью, "жизнью", но тяжестью массивных конструкций и между изяществом, ажурностью, легкостью, но "мертвостью" конструкций с большим модулем поверхности), стоимостью и качеством исходных материалов, затратами на изготовление монолитных железобетонных конструкций, усилением оперативного контроля работниками ИТР на всех этапах, назначением мероприятий по уходу за бетоном, защитой его во времени (созданием условий для наращивания во времени его характеристик, что может понадобится к моменту начала эксплуатации для сопротивления прогрессирующему разрушению), контролем динамики набора основных прочностных и деформативных характеристик бетона. [3] [4] То есть, очень много зависит от того, с чьих позиций проектируют конструкции и технологию, исполняют и контролируют работы, и что ставится во главу угла: надежность и долговечность, экономичность, технологичность выполнения, безопасность эксплуатации, возможность дальнейшего применения путем усилений и реконструкций, так называемый рациональный (англ. sustainable) подход, то есть проектирование от обратного (сначала думаем, как следующие поколения будут все это разбирать и заново использовать). [5]

 

О выборе методов контроля прочности бетона построенных сооружений

 

В последние годы популярность и доступность различных методов контроля прочности бетона и реализующих их приборов резко возросла. И несмотря на требования нормативных документов, резко ограничивающие возможность применения большинства методов для использования в ходе обследования конструкций зданий и сооружений, в том или ином объеме они применяются большинством организаций.

Необходимо уточнить, что в данной статье речь идет только о прочности бетона на сжатие и далее под "прочностью" понимается именно этот параметр бетона.

Рассмотрим следующие вопросы.

1. Какие методы определения (оценки) прочности бетона применяются и какие наиболее доступны?

2. Каковы параметры основных применяемых методов с точки зрения стоимости оборудования, производительности и погрешности измерений?

3. Какие методы в реальных условиях объектов обследования, с учетом сложившейся на рынке ситуации, можно применять, соблюдая требования норм.

Исследования прочности бетона должны выполняться по требованиям ГОСТ 28570 [1], 22690 [2],

17624 [3], ГОСТ Р 53231 [4], СТО [5]. Условно все применяемые методы можно разделить на 3 группы, представленные на рис.1.

 

Рисунок 1. Классификация методов контроля прочности бетона

 

Результаты, полученные методами первой группы, являются наиболее соответствующими истинному значению прочности материала по следующим причинам. Во-первых, измеряется именно искомый параметр - усилие, соответствующее разрушению при сжатии. Во-вторых, исследуется образец материала, изъятый из тела конструкции, а не только из поверхностного слоя. В-третьих, влияние на результат измерения внешних факторов: влажность, армирование, дефекты поверхностного слоя и прочих, - можно свести к минимуму.

Однако данный подход для рядовых объектов на практике применяется крайне редко. Это обусловлено тремя основными причинами: высокая стоимость оборудования, большая трудоемкость процесса измерения и, следовательно, его себестоимость и локальное повреждение конструкций, которое в большинстве случаев заказчик не приемлет.

Подсчитаем оценочную стоимость необходимого для первого вида измерений оборудования. Учитывая, что метод выбуривания кернов по сравнению с отбором проб выпиливанием характеризуется меньшей трудоемкостью и повреждением, наносимым конструкции, рассмотрим оборудование именно для него.

Рассмотрим комплект оборудования, доступного на рынке, со средним качеством и минимальными необходимыми параметрами. В минимальный комплект можно включить: перфоратор (Bosch GBH 2-26), установка алмазного сверления для отбора кернов диаметром до 100 мм (Husqvarna DMS 160A), камнерезный станок (Diam SK-600) и пресс гидравлический (ПГМ-1000МГ4). Данные сведены в таблицу 1.

Трудозатраты для выполнения измерений будут состоять из выбуривания трех кернов (согласно п. СП 13-102 [6] для определения прочности одного конструктивного элемента), доставки с объекта в лабораторию (в расчет взят 1 ч), торцовки на камнерезном станке и испытания на прессе с последующей обработкой результатов.

Для всех методов контроля, указанных на рис.1, по требованиям ГОСТов [1,2,3] необходимо до выполнения измерений (отбора проб) определить наличие и расположение арматуры. Данная операция, как правило, выполняется магнитным методом по ГОСТ 22904 [7]. Эта составляющая в затраты на приборное обеспечение и трудоемкость не включена.

Подсчитаем оценочную стоимость необходимого для второго вида измерений оборудования. Расчет выполнен для метода отрыва со скалыванием, так как в отличие от методов отрыва и скалывания ребра, данный метод в отечественной практике обследования нашел наибольшее применение.

В минимальный комплект можно включить перфоратор (Bosch GBH 2-26) и прибор для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием (ПОС-50МГ4). Трудозатраты для выполнения измерения методом отрыва со скалыванием будут состоять из бурения шпура, закладки анкера и проведения измерения. Количество единичных измерений для определения прочности бетона участка конструкции должно быть не менее трех [4,6]. Данные представлены в таблице 1.

Во всех косвенных неразрушающих методах контроля прочности для реализации достаточно наличия самого прибора контроля. Трудоемкость состоит непосредственно из измерений того или иного параметра (отскок, скорость ультразвука, диаметр отпечатка и пр.) после выполнения надлежащего количества измерений.

Измерение прочности методом пластической деформации характеризуется большей трудоемкостью, так как помимо нанесения отпечатков на поверхность бетона конструкции необходимо производить измерение их диаметров и дальнейший расчет их отношения (при использовании молотка Кашкарова).

 

Таблица 1. Сводные данные по методам измерения

№ по

рис.1

Метод измерения

Стоимость

оборудования,

руб.

Трудоемкость*,

чел/ч

Стоимость испытания**,

руб.

2

Испытание кернов на прессе

494000

4

12000

2.2

Отрыв со скалыванием

67000

1

5000

3.1

Ультразвуковой метод

65000

0,1

1500

3.2

Метод упругого отскока

25000

0,2

1500

3.3

Метод ударного импульса

35000

0,2

1500

3.4

Метод пластической деформации

4000

0,5

2000

 

 

Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод о том, что приборы третьей группы характеризуются очевидными преимуществами. Они обладают наименьшей трудоемкостью и, соответственно, стоимостью единичного испытания. Величина инвестиций в приобретение оборудования также минимальна по сравнению с методами 1 и 2 групп. Помимо этого все косвенные методы контроля являются полностью "неразрушающими" и не наносят повреждений бетону конструкций при измерениях.

Именно эти факторы являются основной причиной большой популярности методов группы 3 у различных организаций, занимающихся обследованием и испытаниями бетона. Особенно это относится к фирмам, стремящимся минимизировать расходы на оборудование, либо "молодым" организациям, а также к организациям, основной целью которых является не качество выполненной работы.

Рассмотрим другую сторону проблемы.

Согласно п.3.14 ГОСТ 22690 [2], "для определения прочности бетона в конструкциях предварительно устанавливают градуировочную зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой прочности (в виде графика, таблицы или формулы)". Применение методов упругого отскока, ударного импульса или пластической деформации при обследовании конструкций, бетон которых обладает параметрами, отличающимися от бетона, на котором построена градуировочная зависимость (то есть всегда), возможно только с уточнением данной зависимости. Уточнение зависимости подразумевает испытание бетона методом группы 2 или 1.

Согласно п.3.16. ГОСТ Р 53231 [4], использование всех косвенных методов контроля (группа 3) возможно только с построением градуировочной зависимости.

Согласно п.8.3.1 и Приложению Б СП 13-102 [6], определение прочности бетона выполняется неразрушающими методами в соответствии с ГОСТ 22690 [2], и без построения градуировочной зависимости может быть выполнено только методами отрыва со скалыванием, отрыва, скалывания ребра и по испытанию отобранных образцов.

Иными словами, применять все методы контроля прочности, входящие в группу 3 (рис.1), без построения градуировочной зависимости НЕЛЬЗЯ, а построение зависимости ведет к неизбежному использованию методов группы 1 или 2. По результатам анализа отчетов сторонних организаций, а также общения с коллегами из различных регионов России можно утверждать, что в отечественной практике обследования указанными нормами пренебрегает большинство организаций. Почему так происходит, описано выше.

Рассмотрим, чем вызвано такое категоричное требование норм по отношению к косвенным неразрушающим методам контроля.

Во-первых, это большая неопределенность (погрешность) результатов измерения фиксируемого параметра. Помимо наличия приборной составляющей погрешности (износ пружины, низкий заряд аккумуляторов и т.п.), которая вносит определенный вклад в результирующую погрешность, превалирующую роль играют многочисленные внешние факторы [8]. К ним относятся:

качество обработки поверхности бетона;

наличие дефектов (скрытых и явных) в зоне измерения (микротрещины, поры, каверны,

расслоения и т.п.);

включения крупного заполнителя;

наличие арматуры в зоне измерения;

повреждение поверхностного слоя (размораживание, промасливание, увлажнение, карбонизация и другие виды коррозии);

сила прижатия датчика (для ультразвукового метода);

другие факторы.

Все перечисленные факторы в определенном сочетании имеют место всегда, а минимизация их влияния либо невозможна, либо снижает производительность измерений в разы (например, предварительная шлифовка поверхности бетона).

Во-вторых, даже при сведении к минимуму влияния внешних факторов путем тщательной подготовки и проведения исследований, а также статистической обработки результатов измерений и отбраковки их части, полученный результат не может быть использован без частной градуировочной зависимости для конкретного исследуемого бетона.

Установление градуировочной зависимости, например, для ультразвукового метода, по требованиям п.3.4 ГОСТ 17624 [3] подразумевает испытание не менее 30 образцов кубов (15 серий по 2 куба в каждой). На большинстве объектов среднего масштаба, а также при выборочном обследовании бетонных конструкций выполнение такого количества прямых испытаний сводит к нулю необходимость применения неразрушающих методов вообще.

Необходимо отметить, что на практике, даже при соблюдении минимального количества образцов для построения градуировочной зависимости, найденная зависимость может оказаться не удовлетворяющей требованиям норм по статистическим параметрам оценки (допустимое среднеквадратическое отклонение, коэффициент вариации). Таким образом, выполненная исследовательская работа может оказаться бесполезной.

Тем не менее, применять косвенные методы неразрушающего контроля можно. Это целесообразно в следующих случаях:

когда нет необходимости определять прочность бетона (например, для расчета), а необходимо только оценить ее значение и использовать как один из ряда факторов, характеризующих техническое состояние конструкции (однородность, сплошность и др.);

когда необходимо качественно выявить зоны неоднородности прочности бетона для дальнейшего применения методов групп 1 и 2 в этих зонах;

когда есть возможность и необходимость выполнения комплексных работ и построения частной градуировочной зависимости согласно требованиям ГОСТ.

Учитывая, что методов третьей группы несколько, рассмотрим, какой из них оптимален. Параметры трудоемкости и стоимости имеются в таблице 1. Ниже рассмотрим третий немаловажный фактор - погрешность измерения.

На одном из обследованных в 2011 г объектов автором было проведено исследование, в ходе которого осуществлен контроль прочности бетона тремя косвенными неразрушающими методами с последующим испытанием отобранных образцов. Метод пластической деформации не применялся ввиду его низкой производительности.

Объект представляет собой колодец, выполненный из монолитного железобетона, радиусом 12 м и глубиной 8 м. Бетонирование стен колодца велось захватками, разделяющими колодец по высоте на 8 ярусов. Результаты измерений, выполненных различными методами, представлены в таблице 2. Для измерений использованы следующие приборы: ультразвуковой метод - Пульсар 1.1 (НПП "Интерприбор"); метод упругого отскока - Original Schmidt N (Proseq); метод ударного импульса - ИПС МГ4.03 (СКБ "Стройприбор").

Среднее значение регистрируемых параметров, представленное в таблице, получено по выборке, состоящей из результатов не менее чем 30 единичных измерений. Коэффициент вариации V определен как отношение среднего квадратичного отклонения к среднему значению (математическому ожиданию).

 

Таблица 2. Результаты исследования прочности бетона колодца различными методами.

Ярус

Метод

Ярус

Ультразвуковой, м/с

Упругого отскока, у. ед.

Ударного импульса, МПа

Испытание на прессе

Ярус

Ср. знач.

V,%

Ср. знач.

V,%

Ср. знач.

V,%

R, МПа

1

4058

3.9

46.2

7.8

41.9

23.4

41.6

2

4300

3.9

46.6

8.3

38.1

36.3

40.1

3

4082

4.6

43.7

7.6

24.4

40.2

35.0

4

4094

4.1

48.2

8.5

38.2

28.5

42.1

5

4110

6.2

48.9

8.2

48.1

28.1

36.5

6

3836

4.5

44.6

7.3

42.8

26.5

30.6

7

4453

3.6

47.6

7.6

45.5

41.6

39.3

8

4533

5.2

49.7

9.9

49.6

28.7

36.5

Ср. знач. V

4.5

 

8.1

 

31.6

 

 

По данным представленным в таблице, видно, что наименьшей погрешностью измерения характеризуется ультразвуковой метод. Метод упругого откоса имеет коэффициент вариации приблизительно в два раза выше. Разброс результатов измерений методом ударного импульса максимален и характеризуется коэффициентом вариации, превышающим 40% при среднем значении 31,6%.

Для сопоставления результатов измерений, приведенных в таблице, они представлены в графическом виде на рис.2. Значения приведены в виде отклонений результата измерения по каждому ярусу от среднего по всем ярусам.

По графикам (рис.2) можно сделать вывод, что результаты измерений методами ударного импульса и ультразвуковым характеризуются высокой корреляцией и в целом сопоставимы с результатами испытания на прессе. Результаты измерений методом ударного импульса не характеризуются тесной связью ни с другими методами неразрушающего контроля, ни с результатами испытания на прессе.

 

Рисунок 2. Сравнение результатов измерения прочности бетона различными методами

 

Из всего описанного выше можно сделать следующие выводы и рекомендации

1. Для измерения прочности бетона обследуемых конструкций без нарушения требований современных норм можно применять только методы 1 и 2 групп (испытание отобранных образцов и методы отрыва и скалывания).

2. Оптимальным по точности, трудоемкости, стоимости и доступности оборудования, универсальности использования и масштабу разрушения конструкции является метод отрыва со скалыванием по ГОСТ 22690 [2].

3. В случаях, когда поверхностный слой имеет глубокое повреждение, бетон конструкции заморожен, а также требуются наиболее достоверные результаты, необходимо выполнять отбор проб и испытание в лабораторных условиях.

4. Применение методов 3 группы целесообразно для приблизительной оценки прочности, а также для выявления зон с отклонением прочности от среднего значения.

5. Из всех косвенных методов неразрушающего контроля рекомендуется использование ультразвукового метода или метода ударного импульса, а при возможности их сочетание, что также рекомендуется в литературе [11,12].

 

Специфика обследования состояния железобетонных конструкций в условиях агрессивного воздействия воды

 

Среди различных факторов, негативно влияющих на прочность и долговечность железобетонных конструкций, особенное место занимает, несомненно, вода. Воздействие воды - атмосферной, грунтовой, техногенной - настолько многогранно и всеобъемлюще, что делает настоятельно необходимым обратиться к этой проблеме, тем более что при обследовании специалисты практически всегда сталкиваются с ней.

В качестве примеров, на которых явно видна негативная роль воды в образовании дефектов и повреждений строительных конструкций, следует привести два. Первый из них касается ответственного подземного сооружения - тоннеля - в условиях воздействия грунтовых вод, а второй - конструкции перекрытия промышленного здания под воздействием техногенной воды.

Нефтепроводный тоннель на юге России, сооружён в 1965-1967 гг.

Длина тоннеля 3300м.

Диаметр внутренний 5,3м.

Глубина заложения - более 300м.

Разность отметок порталов - 70м.

Материал обделки:

на участках порталов - чугунные тюбинги производства различных ленинградских заводов;

остальная часть - сборные железобетонные блоки;

камера сбойки - чугунные тюбинги.

Со стороны северного портала проходка велась щитом, со стороны южного портала - буровзрывным методом.

Внутренность тоннеля на высоту более половины заполнена песчано-гравийной смесью, в которой проложены продуктопроводы различного диаметра. По поверхности засыпки проложены два продуктопровода большого диаметра.

В течение всего периода эксплуатации внутри тоннеля поддерживается относительно однородный температурно-влажностный режим. Вентиляция действует постоянно в принудительном режиме.

Среди различных факторов, негативно влияющих на эксплуатационные свойства материала обделки, выявленных за период наблюдения, мы выделим только один, наиболее ярко проявившийся, каковым является грунтовая вода.

Интенсивность действия этого фактора чётко проявляется по участкам тоннеля:

участок, прилегающий к северному порталу, имеющий длину около 1000 метров.

участок, прилегающий к южному порталу, длиной 600…700 метров.

средний участок тоннеля

Первый участок характеризуется относительно сильным проявлением воздействия воды на строительные конструкции.

Второй участок - зона относительно более слабых проявлений воздействия воды.

Третий участок - зона относительно слабых проявлений воздействия воды.

Внешним и наиболее массовым признаком проникновения грунтовой воды сквозь обделку тоннеля служат многочисленные сталактиты. Местами их основной дислокации стали стыки между блоками на доступной визуальному наблюдению поверхности обделки (рис.3, 4).

Наиболее интересным в процессе образования сталактитов следует считать факт необычайно быстрого их роста. От момента зарождения до размеров 50…500 мм проходит немногим более года. Подобный факт можно объяснить уникальными условиями микроклимата в тоннеле.

 

Рисунок 3. Образование сталактитов на внутренней стороне обделки тоннеля

 

Рисунок 6. Размер сталактита достигает 500мм

 

Перечень мероприятий по наблюдению за состоянием обделки тоннеля.

1. Периодический визуальный контроль состояния поверхности обделки тоннеля.

2. Контроль состояния маяков, установленных по всей длине тоннеля.

3. Фотофиксация выявленных дефектов и текущих разрушений.

4. Лабораторный анализ проб грунтовых вод, проникающих сквозь обделку, и проб бетона обделки, отобранных на местах выявленных разрушений.

5. Анализ полученных результатов.

Просачивание воды через стыки между блоками обделки - наиболее частый случай. Оценочно около 90% случаев. В остальных случаях вода проникает через другие "слабые" места. Согласно данным лабораторного анализа, вода пресная. Эта вода, проходя через толщу бетона, растворяет составляющие материала бетона. Таким образом, происходит коррозия бетона по первому виду, описанному теорией, разработанной проф. В.М. Москвиным.

 

Рисунок 5. Свободное проникновение воды сквозь обделку тоннеля

 

Пресные воды, соприкасаясь с цементным камнем, вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента известь Са (ОН) 2, которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продуктами гидратации. Удаляющаяся из цементного камня гидроокись кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются. Особенно быстро эти процессы протекают при фильтрации воды сквозь толщу бетона. В доказательство можно привести факты образования сквозных канальцев (рис.7) с вытекающими из них струями воды.

При просачивании воды выносимые ею из бетона растворённые вещества выпадают из раствора и кристаллизуются в виде многочисленных сталактитов.

Необычно быстрый рост сталактитов объясняется действием специфических условий, создающихся в атмосфере тоннеля. В нём поддерживается относительно постоянная температура и непрерывный ток воздушного потока, создаваемый вентиляционными установками. В такой среде скорость роста сталактитов повышается многократно по сравнению с классической, описанной в научной литературе.

Длина сталактитов за короткий период времени (по экспертным опросам - год и менее) вырастает от 25-30 мм до 100-250 мм, а в отдельных местах - до 500 мм.

Процесс фильтрации воды сквозь обделку происходит непрерывно и сам себя инициирует по следующей схеме:

испарение влаги со свободной поверхности обделки тоннеля способствует капиллярному подсосу

воды, так называемой миграции в сторону свободной поверхности;

при прохождении воды через толщу бетона происходит трение её о внутренние поверхности

капилляров и, как следствие, накопление статического электричества;

испаряющаяся влага оставляет на поверхности бетона свой статический разряд;

разряд накапливается и между слоями бетона возникает электрическое поле малой напряжённости;

под действием поля нарастает процесс миграции воды.

В связи с проникновением грунтовых вод через обделку тоннеля развился и продолжает нарастать процесс коррозии арматуры обделки, зримым результатом которого стало разрушение (откол) защитного слоя бетона.

В процессе фильтрации сквозь толщу обделки тоннеля вода, вступая в химическую реакцию с арматурой в присутствии кислорода, образует соединение

 

4Fe+2H2O+3O2=4FeO (OH),

 

т.е. ржавчину. Кроме того, железо вступает в химические реакции с иными соединениями, растворёнными в воде. Все эти вещества обладают объёмом, превышающим объём исходных материалов. Это приводит к нарастанию внутреннего давления в теле бетона и, как результат, к разрушению (отколу) защитного слоя бетона (рис.6, 7).

 

Рисунок 6. Откол защитного слоя бетона обделки в результате коррозии арматуры

 

Рисунок 7. Откол защитного слоя бетона обделки в результате коррозии арматуры

 

Обнажившаяся масса коррозировавшего металла имеет достаточно рыхлую структуру. Через неё к поверхности арматуры поступает кислород воздуха, являющийся сильнейшим окислителем, и влага, содержащаяся в воздухе и мигрирующая по порам и трещинам бетона обделки. В результате процесс коррозии металла ускоряется. Судя по нашим наблюдениям, процесс разрушения защитного слоя бетона обделки набирает скорость.

Здание постройки конца XIX века на Старопетергофском проспекте, Санкт-Петербург

Воздействие воды на строительные конструкции может иметь и несколько необычные формы. Так, обследование здания постройки конца XIX века на Старопетергофском проспекте выявило картину разрушения покрытия пола, связанную с многолетним воздействием медленно проникающей воды на материал засыпки основания пола, состоящего из "извести и гари" (терминология исходного архивного документа). Перекрытие пролётом около 6м в виде бетонных сводов по стальным балкам. Покрытие пола - мозаичное, монолитное. Некоторое время назад сотрудники предприятия обратили внимание на сильное вздутие полов в нескольких местах цеха. Выяснилось, что вода, вследствие длительного протекания технологических трубопроводов, проникла в массу засыпки, вступила с ней в вялотекущую реакцию гашения извести. В результате помола исходного сырья получается негашеная молотая известь, содержащая значительное количество медленно гасящихся частиц (пережог). Такая известь в смеси с гарью (зола, остатки недогоревшего твёрдого топлива и пр.) и была применена в засыпке под полы.

При взаимодействии с водой происходит гашение извести по реакции

 

СаО+Н2О=Са (ОН2) =15,5 ккал.

 

Содержащийся в смеси пережог гасится очень медленно. При этом его объём в общей массе увеличивается, происходит его вспучивание, растрескивание. Выделение значительного количества тепла при гашении извести приводит к образованию водяного пара. Находясь в замкнутом пространстве, ограниченном сверху плотной плитой покрытия пола, снизу - конструкцией бетонного свода, а с боков - металлическими балками, увеличившаяся в объёме масса выравнивающей засыпки выдавливается к самому слабому месту - замку свода перекрытия и разрушает его, что проявляется в видимом "вспучивании" поверхности пола (50…60мм) и образовании трещин, расположенных вдоль балок. Кроме того, горизонтальная составляющего усилий приводит к разрушению самого свода с образованием выраженных трещин в верхней части и со смещением сторон образовавшейся трещины относительно друг друга (рис.10).

 

Рисунок 10. Механизм разрушения конструкции пола и бетонных сводов

 

Недооценка воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции может привести к тяжёлым последствиям, тем более, что часто проявления такого воздействия могут маскироваться иными влияниями и не всегда распознаются при обследовании.

 

Применение ультразвукового метода для оценки зоны повреждения железобетона после пожара

 

Пожары относятся к наиболее часто встречающимся стихийным бедствиям, приводящим к значительным повреждениям, а иногда и полному уничтожению строительных конструкций. В зависимости от интенсивности и продолжительности огневого воздействия конструкции из разных строительных материалов получают повреждения разной степени, вплоть до полного разрушения.

Железобетон состоит из двух разнородных материалов: бетона и стальной арматуры, имеющих разные физико-механические характеристики. Температура нагрева бетонных элементов по их толщине не является постоянной. Это создает сложности при определении характеристик бетона в различных его слоях.

При нагреве бетона свыше 600С происходит необратимое снижение его механических характеристик При огневом воздействии пожара происходит также снижение сцепления бетона с арматурой, что снижает несущую способность железобетонного элемента и повышает его деформативность. Так, абсолютная деформация удлинения арматурного стержня, не имеющего сцепления с бетоном, в 1,5 раза больше деформации удлинения стержня, имеющего сцепление с бетоном по всей его длине. (предела прочности, модуля деформации)

При значительном уменьшении сцепления бетона с арматурой может произойти проскальзывание последней и разрушение изгибаемого элемента по наклонному сечению.

При нагреве арматуры из сталей классов А-I, А-II, А-III, до температуры 700 0С и последующем её охлаждении сохраняется её первоначальный предел текучести [1].

Можно сделать вывод, что при нагреве до температуры 500 0С и охлаждении обычных железобетонных элементов, в которых использована арматура из сталей классов А-I, А-II, А-III, предел текучести арматуры, а следовательно, и её расчетное сопротивление, остается первоначальным.

Согласно имеющимся нормативам [2], прочность бетона, температура нагрева которого превысила 500 0С, принимается равной нулю. Однако в действительности иметь в виду, что из-за неравномерности распределения температур по глубине сечения конструкций, максимальный нагрев имеет только наружный (подверженный огневому воздействию) слой. На рис.11 приведены изотермы распределения температур по сечению ж/б балки, полученные по результатам расчета. Как видно по рисунку, при нагреве поверхности до 6000С (при длительности огневого воздействия 20 мин.) на глубине, равной толщине защитного слоя, температура бетона конструкции уменьшится в два раза.

 

Рисунок 11. Распределение температур нагрева бетона по поперечному сечению балки при времени огневого воздействия 10 и 20 мин

 

В ходе обследования конструкций в здании, расположенном по адресу: г. Санкт-Петербург, Невский пр., д.55, выполненного специалистами ГОУ СПбГПУ и ПНИПКУ "Венчур" в январе-феврале 2009 года, вышеуказанная задача была одной из основных

По информации, указанной в "Акте о пожаре", а также свидетельству очевидцев, установлено, что возгорание началось 25 декабря около 2000 (согласно времени сообщения о пожаре). Пожар был ликвидирован заливкой воды к 2242 25 декабря. Причина возгорания, его длительность и максимальная температура в Акте указаны не были.

По визуальным признакам в результате огневого воздействия были повреждены следующие конструкции, выполненные из монолитного железобетона:

колонны 2 этажа;

балки перекрытия над 2 этажом;

плита перекрытия над 2 этажом.

Предположительная максимальная температура нагрева бетона конструкции около 800-900 0С была установлена по следующим косвенным признакам:

цвет бетона - серый;

части колонн и большая часть перекрытия покрыты сажей;

имеются отслаивания защитного слоя бетона и его обрушение;

бетон колонн откалывается молотком по углам сечения на глубину до 20 мм;

поверхность бетона покрыта сеткой неглубоких температурно-усадочных трещин.

Наиболее существенными повреждениями, снижающими несущую способность конструкций, являлись:

1.) образование поперечных трещин, а также сетки трещин в защитном слое бетона балок раскрытием до 0,3 мм;

2.) образование сетки трещин в защитном слое бетона колонн и перекрытия раскрытием до 0,3 мм;

3.) обрушение защитного слоя бетона перекрытия с обнажением рабочей арматуры нижней сетки на площади = 310 м2;

4) деформация и отслоение арматуры плиты перекрытия с последующим прогибом до 5 см.

Для решения задачи по выяснению фактической площади повреждения плиты перекрытия были выполнены измерения скорости прохождения ультразвуковых волн (УЗВ) сквозь плиту. Измерения производились как в зоне с наличием визуально определимых дефектов (скол защитного слоя, сажа и т.п.), так и за ее пределами. В ходе исследований измерения были проведены в 60 точках, расположенных с шагом 3,0 м на поверхности плиты перекрытия.

Работы выполнялись с помощью ультразвукового прибора Пульсар 1.1 производства НПП "Интерприбор". Сквозное прозвучивание осуществлялось соосным приложением датчиков прибора с нижней и верхней стороны плиты. Для определения расположения точек с обратной поверхности плиты, а также для обеспечения их соосности в каждом исследуемом участке осуществлялось бурение сквозного вертикального отверстия диаметром 10 мм. В этом же отверстии определялась и фактическая толщина перекрытия для каждой точки измерения. Для определения отсутствия арматуры в точке измерения (бурения отверстия) применялся магнитный метод по ГОСТ 22904-93. Отношение определенной толщины перекрытия в каждой точке к времени распространения УЗВ, которое измеряется прибором, дало значение скорости УЗВ.

Известно, что прочность бетона находится в тесной связи со скоростью распространения УЗВ в нем, что и используется в ходе неразрушающего контроля прочности по ГОСТ 17624-87. Наличие дефектов в толще бетона, таких как трещины, расслоения, не провибрированные зоны также существенно сказывается на величине скорости УЗВ, которая при наличии дефектов резко снижается.

 

Рисунок 8. План расположения точек измерения на плите перекрытия с указанием скорости УЗВ и определенной зоны повреждения

 

Два данных обстоятельства и легли в основу применимости данного метода в исследовании.

По результатам измерений было выявлено, что в поврежденной зоне вокруг очага возгорания скорость УЗВ в бетоне имела величины от 2700 до 4300 м/с. Вне зоны повреждения скорость УЗВ имела среднее значение 4500 м/с. По результатам измерений была выделена поврежденная зона перекрытия (рис. 8).

Для решения второй поставленной задачи, а именно определения глубины повреждения бетона конструкций, и произведено выбуривание кернов диаметром 75-100 мм из плиты перекрытия, колонн и балок. Отбор кернов произведен в 10 участках из плиты, в 7 из балок и в 12 из колонн. Точки отбора кернов располагались как на конструкциях, имеющих визуальные признаки повреждения, так и на неповрежденные.

Для каждого керна произведено измерение скорости УЗВ поперек сечения (по диаметру) в нескольких точках, расположенных по его высоте от зоны огневого воздействия к противоположной стороне. Оценка глубины повреждения произведена по аномальному снижению скорости. Графики, построенные по результатам исследования некоторых образцов, представлены на рис. 9, 10.

 

Рисунок 9. График зависимости скорости УЗВ (по оси ординат в м/с) по длине керна (по оси абсцисс в мм), отобранного из поврежденного участка конструкции

 

Рисунок 10. График зависимости скорости УЗВ (по оси ординат в м/с) по длине керна (по оси абсцисс в мм), отобранного из неповрежденного участка конструкции

 

По результатам измерений установлено, что на большинстве кернов скорость УЗВ у поврежденной поверхности имеет минимальные значения (около 3500-4000 м/с). При удалении исследуемого сечения от зоны повреждения скорость возрастает, и в неповрежденной зоне для большинства образцов составляет 4500 м/с (см. рис.2). В кернах, отобранных из неповрежденных конструкций, скорость УЗВ по сечению менялась несущественно и составляла в среднем также 4500 м/с (см. рис.3).

По результатам исследований установлено, что максимальная глубина повреждения бетона конструкций (колонн, плиты и балок) составляет 50 мм от поверхности

Выводы:

1. Применение ультразвукового метода для оценки зоны повреждения бетона позволяет количественно оценить зоны повреждения конструкций и глубину поврежденного бетона.

2. При использовании ультразвукового метода можно проводить измерения в кратчайшие сроки с большой достоверностью.

3. Трудоемкость метода в сочетании со стоимостью применяемого оборудования гораздо ниже, чем у альтернативных методов, таких как дефектоскопия или петрографическое исследование шлифов.


Огнестойкость железобетонных конструкций: модели и методы расчета

 

Пожар - одно из самых страшных бедствий, обрушивающихся на человека. Неконтролируемое распространение огня в здании опасно большим материальным и невосполнимым социальным ущербом [1]. Это происходит из-за того, что несущая способность конструкции при воздействии высокой температуры утрачивается в течение буквально нескольких десятков минут. При этом в нормальных условиях эксплуатации долговечность тех же элементов зданий сохраняется на протяжении десятков лет.

Тушение огня и эвакуация людей не дадут ожидаемого результата, если в течение необходимого промежутка времени не будет сохраняться целостность основных несущих конструкций здания - их огнестойкость. Следовательно, оценка огнестойкости строительных конструкций является важнейшим элементом в процессе проектирования. Этот вопрос становится еще более актуальным с увеличением этажности жилых и общественных зданий, расширением масштаба строительства многофункциональных объектов и возросшей в последнее время опасности пожаров, вызванных террористическими актами

В данной статье рассмотрим существующие подходы к решению задачи огнестойкости железобетонных конструкций и предложим направления их развития. В соответствии с ГОСТ [2] различают следующие основные виды предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости:

потеря несущей способности (обрушение конструкции или возникновение недопустимых деформаций

потеря целостности в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);

потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I).

Для стержневых несущих железобетонных конструкций (колонн, балок, ферм и т.д.) характерно наступление предела огнестойкости только по признаку потери несущей способности. У плоскостных несущих железобетонных конструкций (плит перекрытий, внутренних и наружных стен) предел огнестойкости наступает, в основном, по признаку потери несущей способности и только в некоторых случаях - по теплоизолирующей способности.

Для оценки огнестойкости строительных конструкций используют экспериментальные и расчетные методы. Экспериментальные методы позволяют дать прямую оценку огнестойкости строительной конструкции, но при этом требуют весьма значительных материальных, финансовых и трудовых затрат, занимают много времени. Кроме того, в рамках физического эксперимента затруднительно или невозможно в необходимой степени варьировать различные параметры конструкций, нагрузок и других важных факторов. Более предпочтительными с этой точки зрения являются расчетные методики оценки огнестойкости строительных конструкций. В общем случае расчетные методы являются двухкомпонентными:

теплотехническая часть, в рамках которой устанавливается распределение температуры по сечениям конструкции в процессе огневого воздействия;

статическая часть (определяется несущая способность конструкции с учетом изменения свойств бетона и арматуры при нагреве).

Решение задачи нестационарной теплопроводности сводится к определению температуры бетона в любой точке исследуемой области элемента в заданный момент времени. Функция зависимости температуры от времени описывается дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье при нелинейных граничных условиях и сложном процессе тепло - и массопереноса. Для теплопередачи в железобетонных конструкциях характерны внутренняя нелинейность (температура в рассматриваемой точке элемента зависит от характеристик его материала - теплопроводности и теплоемкости, а сами эти характеристики зависят от температуры (λt, ct)) и внешняя нелинейность (обусловлена зависимостью коэффициента теплоотдачи αt от температуры поверхности tw). Для двухмерного температурного поля (в плоскости XоY) уравнение Фурье имеет вид:

 

 

 

где t - температура,°С; τ - время, сек.; ρ - плотность бетона, кг·м-3; qr - теплопотери на испарение воды в порах бетона, Дж·м-3·с-1; λt - коэффициент теплопроводности бетона в зависимости от его температуры, Дж·м-1·°С-1 ·с-1 (Вт ·м-1 · 0С-1); ct - удельная теплоемкость бетона в зависимости от его температуры, Дж·кг-1·°С-1.

Данная постановка задачи чрезмерно сложна для повседневной инженерной практики, поэтому в настоящее время чаще используют рекомендации норм [3; 4]. Так, для основных типов сечений конструкций регламентированы изотермы при одно-, двух-, трех - и четырехстороннем огневом воздействии стандартного пожара [2] различной длительности (30 мин., 60 мин., 90 мин., 120 мин., 180 мин. и 240 мин.). Однако проблема состоит в том, что данная номенклатура решений не является исчерпывающей. Целый ряд практических задач не рассматривается, что ограничивает область применения имеющихся нормативных документов.

К наиболее распространенным в Российской Федерации методам решения статической части задачи относят: метод критических температур, разработанный в 1966 году (см., например, [5]), метод приведенного сечения (1975), метод критических деформаций (1987) (см., например, [6]). Данные методы внесли весомый вклад в развитие теории огнестойкости строительных конструкций. На их основе разрабатывались рекомендации по определению огнестойкости железобетонных конструкций, применяемые и по сегодняшний день. Они в достаточной степени отвечали требованиям своего времени, но наука XXI века обладает значительно более широким кругом возможностей, чем в 60е-70егг прошлого столетия. Широкое распространение компьютерных технологий позволяет проектировщикам решать сложные инженерные задачи, избегая многих допущений. Поэтому сегодня актуальна проблема совершенствования расчетных методов, освобождения их от таких характерных недостатков как:

априорное задание схемы предельного состояния конструкции ввиду невозможности отслеживания истории ее температурно-силового деформирования

отождествление предельного состояния отдельных сечений с отказом конструкции в целом;

чрезмерная насыщенность расчетных методик эмпирическими коэффициентами и функциями, а следовательно, ограниченность области их применения, ориентация на решение частных инженерных задач;

неполный учет комплекса нелинейных эффектов деформирования железобетона под нагрузкой при быстроизменяющихся высоких температурах (до 10000С…11000С);

игнорирование локальных нарушений сцепления арматуры с бетоном

Главным образом, перечисленные недостатки обусловлены тем, что вполне апробированные решения для задач силового сопротивления железобетона при нормальной температуре достаточно формально "перенесены" на решение задач огнестойкости железобетонных конструкций без должного учета особенностей их деформирования при воздействии высоких температур.

В рамках проблемы оценки огнестойкости железобетонных конструкций можно выделить следующие актуальные направления их развития:

построение методов оперативного и доступного решения теплотехнической части задачи огнестойкости железобетонных конструкций для более широкого диапазона сечений строительных конструкций (в том числе для элементов в целом);

совершенствование моделей деформирования и методов расчетного анализа силового сопротивления железобетона при высокотемпературных воздействиях;

полновесный расчетный мониторинг свойств бетона и арматуры при совместных силовом и огневом воздействиях;

прямой учет изменения параметров сцепления бетона и арматуры при быстром неоднородном прогреве и последующем остывании железобетонных конструкций, находящихся под действием эксплуатационных нагрузок

Для решения двухмерной задачи нестационарной теплопроводности авторами разработана программа, реализующая метод конечных элементов и позволяющая вычислять распределение температур по сечению железобетонного элемента для различных моментов времени при заданном температурном режиме на обогреваемой поверхности. При этом номенклатура рассматриваемых сечений не ограничивается. В программе "TERM-FIRE" учитываются все необходимые теплофизические характеристики материала сечения, конвективная теплопередача от высокотемпературной среды к поверхности. Возможность получения нестационарных полей температур не только в поперечном, но и в продольном сечении железобетонного элемента (рис.11), позволяет применять в дальнейшем перспективные блочные модели деформирования железобетона с макротрещинами и швами.

 

Рисунок 11. Поле температур в продольном сечении железобетонного элемента с нормальными трещинами (элемент с одиночным армированием, защитный слой арматуры условно не показан). Время огневого воздействия по стандартному тепловому режиму пожара - 30 мин.,°С

 

Тестовые расчеты показывают удовлетворительную сходимость с данными существующих нормативных документов [3, 4]. Разработанный алгоритм решения теплотехнической части задачи огнестойкости позволяет значительно расширить круг и сделать инженерно доступным решение практических задач огнестойкости железобетонных конструкций.

Характерная для железобетона работа под нагрузкой с трещинами в растянутых зонах бетона, наличие технологических и деформационных швов дает возможность предложить в качестве расчетной модели силового сопротивления железобетона при высокотемпературном воздействии так называемую блочную модель силового сопротивления железобетона (рис.2).

Идея расчёта железобетонных элементов с трещинами в виде системы упругих блоков, взаимодействующих между собой по сжатой зоне и растянутой арматуре, получила развитие в работах П.И. Васильева, А.А. Гвоздева, Е.Н. Пересыпкина и др.

Задача определения напряжений и деформаций рассматривается как контактная для смежных блоков с удовлетворением граничных условий по границе контакта, а также по линии взаимодействия растянутой арматуры и окружающего ее бетона. Трещины рассматриваются здесь как локальные нарушения сплошности материала, что даёт возможность в необходимой мере детализировать расчёт и учитывать, например, ветвление нормальных трещин при ухудшении условий сцепления арматуры с бетоном.

Блочная модель деформирования позволяет взаимосвязано определять на различных стадиях работы стержневых, пластинчатых и оболочечных элементов следующие параметры: глубину и ширину раскрытия строительных и деформационных швов нормальной ориентации; глубину проникновения, ширину раскрытия и шаг нормальных трещин, в том числе при пересекающихся схемах трещинообразования в плитах (оболочках); локальную кривизну элемента в сечении с трещиной; напряжения непосредственно в сечении с трещиной: в сжатом и надтреснутом бетоне, сжатой и растянутой арматуре, в том числе при многорядном ее размещении; наибольшие касательные напряжения сцепления на контакте "бетон - арматура"; нормальные напряжения откола сжатой зоны бетона в вершине трещины (шва).

Для более полного учета реальных условий работы конструкций, подвергающихся при пожаре быстрому нагреву в нагруженном состоянии, предлагается использовать в расчете огнестойкости нелинейные диаграммы деформирования бетона и арматуры, например, предложенные в работах В.С. Федорова (рис.12). Здесь уравнение связи напряжений и деформаций бетона с учетом температуры нагрева предлагается представлять в форме закона Гука, а зависимость коэффициента упругости от уровня деформаций получать на основе решения кинетического уравнения накопления повреждений в структуре бетон. Данное выражение отвечает требованиям непрерывности и дифференцируемости, благодаря чему не создает трудностей при трансформации диаграмм с изменением температуры в пределах сечения железобетонного элемента.

 

Рисунок 12. Диаграмма термомеханического состояния тяжелого бетона В20 на гранитном заполнителе

 

Описание диаграммы термомеханического состояния арматуры также основывается на кинетическом уравнении нелинейного накопления повреждений. Это позволяет в достаточно компактном виде выполнять нормирование основных температурных параметров диаграмм деформирования арматуры при достаточно полном учете нелинейности деформирования и реальных условий работы арматуры в конструкции в условиях кратковременного нагрева под нагрузкой (рис.13). диаграммы термомеханического состояния бетона и арматуры, полученные на основе аналитических зависимостей, достаточно хорошо согласуются с результатами испытаний опытных образцов при кратковременном нестационарном нагреве под нагрузкой.

 

Рисунок 13. Диаграмма термомеханического состояния арматуры класса А400 (А III)

 

В заключение необходимо отметить, что выполненные обзор и анализ библиографических источников выявили необходимость совершенствования метода расчетной оценки огнестойкости железобетонных конструкций для более точного и детального описания напряженно-деформированного состояния конструкции на всех стадиях кратковременного температурного воздействия, в т. ч. и на стадии затухания пожара. Такой метод может быть разработан на основе блочной модели деформирования, в которой изменения физико-механических характеристик бетона и арматуры при высокотемпературном воздействии будут учитываться путем трансформации их диаграмм деформирования [8, 9]. Учет изменения параметров сцепления бетона и арматуры при быстром неоднородном прогреве предлагается проводить с помощью трансформации закона локального сцепления при пожаре. При этом вычисление распределения температуры по сечению железобетонного элемента для различных моментов времени от начала огневого воздействия на его обогреваемую поверхность целесообразно выполнять при помощи программы "TERM-FIRE".

Результатом такой комплексной методики станет повышение точности решения задач огнестойкости железобетонных конструкций, увеличение номенклатуры предельных состояний и расширение диапазона решаемых инженерных задач огнестойкости железобетонных конструкций.

Список использованных источников

 

1. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.

2. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.

Технические требования.

3. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

4. ГОСТ Р 53231-2008. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности.

5. СТО 36554501-009-2007. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.

7. ГОСТ 22904-93. Конструкции железобетонные. Магнитный метод определения толщины защитного слоя бетона

и расположения арматуры.

8. Штенгель В.Г. О корректном применении НК в обследованиях железобетонных конструкций длительно

эксплуатирующихся сооружений // В мире НК. 2009. №3. С.56-62.

9. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге.

10. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.

11. Штенгель В.Г. Общие проблемы технического обследования неметаллических строительных конструкций

эксплуатируемых зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2010. №7 (17). С.4-9

12. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.

13. Гроздов В.Т. Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений / ООФ "Центр

качества строительства". - СПб., 2007. - 42 с.

14. Воробъёв В.А. Строительные материалы. Изд.5-е, переработ. - М.: "Высшая школа", 1973. - 475 с

15. Гроздов В.Т. Определение остаточной несущей способности строительных конструкций, подвергшихся огневому воздействию при пожарах, и рекомендации по их использованию. СПб.: ООФ "ЦКС"-2008. - 78с.

16. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.: ГОССТРОЙ России. - 2004. - 26 с

17. Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. М.: Стройиздат. - 1998. - 300с.

18. ГОСТ 30247-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. - Взамен СТ СЭВ 1000-78; Введ.01.01.96.

19. СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций / НИИЖБ им.А. А. Гвоздева. - М., 2006.

20. ENV 1992-1. Eurocode 2: Design of concrete structures. - Part 1-2: General rules - Structural fire design. - Brussels: CEN 1992.

21. Яковлев А.И. Основы расчета огнестойкости железобетонных конструкций: Дис. докт. техн. Наук / МИСИ. - М., 1966. - 515 с.

22. Яковлев А.И. Расчет пределов огнестойкости сжатых железобетонных конструкций по критическим деформациям // Поведение строительных конструкций в условиях пожара. - М.: ВНИИПО, 1987. - С.5-16.

23. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 472 с.