1.1.3. Отказы несущих и ограждающих конструкций

Понятие безотказности жилого здания в целом как сложное технической системы шире, чем для его элементов и простых сис­тем, способных находиться лишь в двух состояниях — работо­способном или неработоспособном. Отказы отдельных ограждаю­щих конструкций и технических устройств (кровли, межпанельны> швов, полов и др.) обычно являются частичными отказами. Не приводя к прекращению функционирования объекта в целом, они снижают качество (уровень) функционирования и выходной эф­фект объекта. Такая адаптация жилого здания к комплексу внеш­них условий возникает благодаря наличию определенной избыточ­ности — некоторому запасу технических характеристик, свер> минимально необходимых для выполнения заданных функций. Это связано с тем, что обеспечение локальных требований прочнос­ти и жесткости звуко- и теплозащиты, пожарной безопасности и т. д. сопровождается возникновением обратных связей, опреде­ленным «перекрытием» отдельных функций конструкций и систем, В результате объективно возникают различные виды резервирова­ния — нагрузочное, структурное, функциональное и временное.

Согласно действующим нормам событие, заключающееся в на­рушении работоспособности, называется отказом; таким образом, под отказом понимают прекращение выполнения конструкциями заданных функций, а эти функции определяются с соответствую­щими допусками. При назначении нормативной надежности несу­щих и ограждающих конструкций под отказом понимают техниче­ское состояние элемента, предшествующее исчерпанию несущей способности или полной потери ограждающих функций.

^{Отказы можно классифицировать:}

1) в зависимости от причин возникновения: внутренние, вы­званные недостатком конструкций; из-за внешних причин (пере-■ рузки, изменение схем работы и нагрузки и т.п.); 2) в зависи­мости от скорости их проявления: последовательные постепенные; внезапные; 3) в зависимости от диапазона отказов: частичные, связанные с отклонением характеристик от допускаемых преде­лов и не вызывающие полной утраты работоспособности; полные; 4) по сочетанию предыдущих концепций: каталептические — внезапные и полные; с постепенным ухудшением параметров и ха­рактеристик; 5) в зависимости от последствий: незначительные, не приводящие к ухудшению эксплуатационных характеристик, шачительные, критические, приводящие к полному прекращанию ныполнения функций и появлению большого риска; 6) в зависи­мости от срока эксплуатации: преждевременные (часто до монта­жа); случайные; износовые.

108

Последовательные постепенные отказы являются функцией времени, обусловленные главным образом старением материалов, накоплением внутренних напряжений и т. д. Внезапные отказы вызываются такими изменениями параметров элемента, при ко­торых его следует считать неработоспособным. Такие отказы по­являются при перераспределении и суммировании в узлах нагру­зок, действия дополнительных внешних нагрузок, их неучтенных сочетаний. При расчете систем с учетом этих двух видов отказов ориентируются на следующие положения: 1) постепенные отказы можно исключить, если учесть все возможные изменения харак­теристик и параметров во времени; 2) внезапные отказы случай­ны, их нельзя полностью исключить или предсказать; 3) посте­пенные и внезапные отказы взаимосвязаны и не являются независимыми. Из последнего вытекает принцип возможного ре­зервирования, широко применяемый в точном приборостроении.

В практике обследования и экспертизы жилых зданий ис­пользуются следующие основные понятия и термины.

Авария — обрушение, повреждение здания, сооружения в це­лом, его части или отдельного конструктивного элемента, а так­же превышение ими предельно допустимых деформаций, угрожа­ющих безопасному ведению работ и повлекших приостановку строительства (эксплуатации) объекта или его части.

В понятие аварии входят также обрушения и повреждения зданий и сооружений, произошедшие в результате природно-кли­матических воздействий (землетрясения, ветрового напора, снего­вой нагрузки и т. д.), интенсивность которых не превышала рас­четные значения.

Ветхость — установленная оценка технического состояния зда­ния (элемента), соответствующая его физическому износу 60—80%. Общие признаки ветхости определяются как возможность ограни­ченного выполнения элементами и системами своих функций лишь при проведении охранных мероприятий или после полной замены элементов и систем.

Дефект — каждое отдельное несоответствие строительной кон­струкции, инженерного оборудования или их элементов и дета­лей требованиям, установленным нормативно-технической доку­ментацией. Термин «дефект» применяется при контроле качества строительной продукции на стадии ее изготовления, монтажа, а также при ремонте строительных конструкций и систем инже­нерного оборудования (например, при составлении ведомостей дефектов и при контроле качества отремонтированных зданий).

Если рассматриваемая единица строительной продукции име­ет дефект, то это означает, что, по меньшей мере, один из пока­зателей ее качества или параметров вышел за пределы допускае­

113

мых нормативно-технической документацией отклонений или н« выполняется одно из требований этой документации.

Деформация — изменения формы и размеров конструкции, из­менение устойчивости (осадка, сдвиг, крен и др.); трещины; дест­рукция материала конструкции (гниль, коррозия); повышенна* проницаемость среды (жидкостей и газов).

Неисправность — состояние строительной конструкции, инже­нерного оборудования или их элементов, при котором они не соответствуют хотя бы одному из требований, установленные нормами. Находясь в неисправном состоянии, строительные кон­струкции могут иметь один или несколько дефектов.

Повреждение — состояние, заключающееся в нарушении исп­равности строительной конструкции или ее части вследствие влия­ния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на конструкцию.

Техническое состояние — совокупность свойств здания или егс элемента, подверженная изменению в процессе строительства, ре­монта или эксплуатации, характеризуемая в определенный момен! времени признаками, установленными технической документа­цией на это здание или его элемент. Признаками технического со­стояния могут быть качественные и (или) количественные харак­теристики его свойств: значения показателя надежности ил* диагностического параметра. Основными параметрами для конт­роля технического состояния здания являются: общая и местная прочность конструкций; пространственная жесткость здания, об­щая и местные деформации; влагонасыщение элементов конструк­ций; теплотехнические характеристики ограждающих конструк­ций; тепловой режим; коррозия металлических конструкций; воздухо- и влагопроницаемость строительных конструкций у сопряжений; режимы работы санитарно-технических, электротех­нических и других систем инженерного оборудования; загазован­ность и освещенность помещений и др. Фактические значение качественных и количественных характеристик определяют техни­ческое состояние здания.

В отличие от простых систем, где имеются только два воз­можных состояния — нормальное эксплуатационное и отказ, i зданиях большая часть конструкций и элементов может иметь несколько состояний, соответствующих частичным отказам и не­исправностям. В связи с этим иногда отказы классифицируют: частичный отказ узла или элемента, восстановление или усиление которого приводит к полному восстановлению надежности соору­жений; отказы наиболее ответственных элементов сооружении (оснований, фундаментов, колонн, ригелей и т. п.), приводящие к полному отказу всего сооружения. Отказы второй группы могу]

_2:

быть внезапными. Усиление этих элементов нередко связано с большими объемами выполняемых работ.

Таким образом, характеристики отказов должны отражать раз­личные формы (категории) несущей способности здания или его частей. Допустимую вероятность отказа следует определять в за­висимости от тяжести последствий. Обычно легче сконструиро­вать изделие для мягких (благополучных) условий работы, чем для жестких (предельных).

Специфика зданий как изделия состоит в невозможности со­здания облегченных условий для работы дома в целом, хотя для отдельных узлов и элементов такая возможность имеется; в труд­ности (или невозможности для некоторых элементов) использо­вания резервирования. В составных конструкциях отказ отдель­ного элемента может привести к отказу всей конструкции, хотя остальные элементы продолжают нормально функционировать. Например, увлажнение утеплителя трехслойных стеновых пане­лей приводит к отсыреванию стен, нарушению температурного режима помещения, тогда как железобетонные элементы продол­жают выполнять функции несущей части конструкции.

В связи с этим необходимо отметить, что современные мето­ды расчетов (в частности, метод предельных состояний) сосредо­точивают внимание на границах качества, хотя для многих ха­рактеристик (тепло-, звукоизоляция и др.) важно не только предельное состояние, но и распределение качества.

Анализ показывает, что большая часть отказов и аварий про­исходит из-за так называемых «мелочей»: невыполнения при проектировании всех поверочных расчетов конструкций, особен­но узлов, неаккуратности исполнителя при изготовлении изделий (элементов) и монтаже, небрежности и неподготовленности об­служивающего эксплуатационного персонала. С учетом этого це­лесообразно принимать в расчетах следующие значения вероят­ности «отказов» 10~⁵—10~⁷ — при «отказе» без предварительных сигналов (крупное разрушение, потеря устойчивости, разрушение оснований); Ю^-4 — при достижении предельной несущей способ­ности с предварительными сигналами (текучесть растянутой зоны при изгибе, осадки оснований); Ю^-2— 10~³ — при наступлении со­стояния непригодности к эксплуатации без потери несущей спо­собности.

В процессе эксплуатации зданий дефекты накапливаются, из­меняясь количественно и качественно. Оставленные без внима­ния незначительные дефекты могут привести к серьезным нару­шениям целостности конструкций и даже к авариям. Надежная работа строительных конструкций обеспечивается в случае, когда

124

во время эксплуатации принимаются эффективные меры пс устранению дефектов или локализации их вредного влияния.

Основой расчетов конструкций жилых и общественных зда­ний в настоящее время является метод предельных состояний СНиП 2.08.01—89* (прилож. 1, п. 15) установлены две группы пре­дельных состояний: по потере несущей способности (или не­пригодности к эксплуатации); по непригодности к нормально* жсплуатации, а также требований, учитывающих нелинейно ре-жимно-наследственную составляющую. Предельные состояние разделены по степени ответственности и степени потери эксплу­атационной способности. Цель расчетов по предельным состоя­ниям — обеспечить надежность и комфортность при возведения сооружения и его эксплуатации.

Согласно действующим нормативным документам (прилож. 1), расчеты конструкций зданий и сооружений в соответствии с ука­занными предельными состояниями выполняются: по несущей способности (обеспечивающей прочность, общую и местнук устойчивость зданий как в процессе монтажа, так и во время всегс срока эксплуатации), по деформациям, появлению или раскрытию трещин (обеспечивающих пространственную жесткость зданий, недопустимость появления или чрезмерного развития трещин, на­рушающих нормальную эксплуатацию, ухудшающих герметич­ность стыков, эстетических качеств помещений, элементов и уз­лов).

По первому предельному состоянию должны быть проверены: а) все конструкции зданий и их стыковые соединения — для предотвращения разрушения при действии силовых воздействий и процессе строительства и эксплуатации и расчетного срока экс­плуатации зданий; сборные конструкции, кроме того, при их из­готовлении и перевозке; б) здание в целом — для предотвраще­ния его опрокидывания при действии горизонтальных нагрузок: в) основание здания — для предотвращения потери его несущей способности при совместном действии вертикальных и горизон­тальных нагрузок.

По второму предельному состоянию проверяют: а) здание е целом для ограничения прогибов верха здания, неравномерные осадок и ускорения колебаний от пульсации ветра; б) стены зда­ния—для ограничения трещинообразования и взаимных смеще­ний при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок, не­равномерных осадок и температурно-влажностных воздействий; в) перекрытия, покрытия, лестницы — для ограничения прогибов и трещин от вертикальных нагрузок.

Методы установления надежности конструкции сводятся к то­му, чтобы приложенные нагрузки не превосходили ее несущую способность.

₂₅

На рис. 1.5 кривая N показывает распределение нагрузок, а кривая К — изменение величины прочности. Разрушение конст­рукции следует ожидать в точке пересечения кривых. При опре­деленных условиях всегда существуют такие нагрузки и такая прочность сооружения, когда возможно наступление разрушения. Отношение К\/И\ характеризует запас прочности (здесь N1 — мак­симальная расчетная эксплуатационная нагрузка; К_{ — сопротив­ление конструкций, фактически достигнутое при выполнении конструкции).

В современных нормах проектирования предусмотрено ис­пользование коэффициента надежности, учитывающего степень ответственности здания, а также опасность и значимость послед­ствий наступления тех или иных предельных состояний.

Сложившаяся практика выполнения расчетов конструкций, включающая определение действующих усилий и расчетных со­противлений в отдельных элементах зданий, приводит к созда­нию запасов прочности в конструкциях. Фактически достижению предельного состояния в том или ином элементе предшествует перераспределение усилий во всей системе. Для более достовер­ного определения предельного состояния по прочности каждый элемент должен рассматриваться в системе целого здания с уче­том распределения сил при нелинейных процессах силового де­формирования.

Высокая степень надежности конструкций и зданий в целом может быть обеспечена только при комплексном методе расчета с рассмотрением всех возникающих параметров. При этом сте­пень надежности конструкций определяется как функция комп­лекса случайных величин. Учет этих положений приводит к бо­лее экономичному проектированию новых зданий и к выявлению

_р

_{#1 *1 *макс Я, МПа}

^{Рис. 1.5. Распределение нагрузки и прочности конструкций}

134

резервов прочности в эксплуатируемых зданиях, законструиро-нанных по традиционным схемам.

Метод предельных состояний, заложенный в основу расчета конструкций и учитывающий статистический характер показате­лей, вводимых в расчет, предполагает учет воздействия различных жсплуатационных факторов за счет использования соответствую­щих коэффициентов запаса. Основная формула метода расчета по предельному состоянию имеет вид

<тФ(к₁К_ик₂К_2}...), (1.6)

|де О, — нормативные нагрузки, действующие на конструкции; //, — коэффициенты надежности; т — коэффициенты условий ра­боты сооружений; к_{ — коэффициент однородности материала; К — нормативные пределы прочности или пределы текучести ма-юриалов конструкций.

Статистическую изменчивость нагрузок и механических свойств материалов конструкций учитывают в расчетах соответствующими коэффициентами запаса. При рассмотрении изменчивости этих коэффициентов во времени их подразделяют на две группы: коэф­фициенты, для которых на основе экспериментальных исследова­ний можно получить явные временные зависимости с вполне определенной надежностью, и коэффициенты, для которых полу­чение таких зависимостей невозможно.

Коэффициенты надежности устанавливают при статистиче­ском анализе наблюдений аналогично построенных зданий или конструкций. Эти коэффициенты относятся ко второй группе, I ак как не могут быть получены в виде явной функции от вре­мени. Здесь имеется в виду коэффициент случайной, а не плано-ной надежности. Наиболее сложным является определение коэф­фициента условий работы в связи с большим разнообразием особенностей, которые этим коэффициентом учитываются. Пред­лагалось, например, этот показатель определять как произведение четырех коэффициентов, учитывающих соответственно связь ра­бочего и точного расчетов, связь расчета с условиями эксплуата­ции, учет побочных операций расчета, а также особенности ра-I юты конструкции и материала. Существующие нормативы рекомендуют коэффициентом условий работы учитывать, кроме юго, перераспределение силовых факторов и деформаций в про­цессе эксплуатации.

Принимая во внимание многообразие особенностей, определя­емых коэффициентами условий работы, целесообразно разделить ич на два вида: коэффициенты, определяющие соответствие и точ­ность расчетов (их устанавливают на основе сравнения статистиче­

139

ских исследований работы конструкций и сооружений с расчетны­ми данными), и коэффициенты условий работы, определяющие изменчивость свойств материала конструкции (их так же, как и коэффициенты однородности, определяют на основе результатов экспериментальных исследований), изменений свойств материала в зависимости от партии образцов, их размеров и условий эксплу­атации. При наличии указанных данных возможно методами стро­ительной механики и сопротивления материалов спрогнозировать долговечность конструкций и сооружений с величиной надежно­сти, близкой к надежности, вычисленной с учетом коэффициентов условий работы. При этом конструкции, рассчитанные с учетом этих коэффициентов при всевозможных сочетаниях внешних на­грузок и условий, не должны превосходить предельно допустимых деформаций, характеризующих нормальное эксплуатационное их состояние.

Эксплуатационная надежность строительных конструкций на­рушается вследствие развития дефектов, причинами которых явля­ются накопления повреждений в элементах и узлах конструкций, определяемые износом и старением материалов, несоответствием фактических и расчетных схем, несоблюдением правил эксплуата­ции и т. д.

Установлено два предельно эксплуатационных состояния кон­струкций зданий: 1) наступление полной утраты конструкцией несущей способности, сопровождающееся аварийными ситуация­ми. Такое состояние называют аварийным (первое предельное состояние); 2) достижение конструкцией таких статических или динамических перемещений, при которых невозможна эксплуата­ция сооружений. Это состояние предельно эксплуатационное (второе предельное состояние).

При проектировании здания по методу предельных состояний задаются предельно допустимыми значениями таких характери­стик конструкций, как прочностные, деформативные и комфорт­ные. Нормативные значения прочностных и деформативных ха­рактеристик часто не совпадают с фактически разрушаемыми значениями и не характеризуют техническую прочность конст­рукций.