книги / Обследование и реконструкция железобетонных и каменных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений

Глава 4

РАСЧЕТ И ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СДЕФЕКТАМИ И ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

4.1.ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Работа конструкций в составе зданий и сооружений выявляет все их положительные и. отрицательные свойства применительно к данным условиям эксплуатации, а поэтому может рассматривать­ ся как испытание конструкций данными эксплуатационными воз­ действиями. Причем, если испытание конструкций нагружением производится несколько в идеализированных условиях, то при оцен­ ке конструкций в эксплуатации получаются данные об их действи­ тельной работе. В то же время методика оценки состояния конст­ рукций в эксплуатации значительно сложней, чем. при испытании нагружением.

Оценка несущей способности железобетонных конструкций про­ изводится на основании расчета по «фактическим» прочностям бе­ тона и арматуры с учетом их совместной работы, которую характе­ ризует состояние конструкций: величина прогибов, ширина раскры­ тия'и характер трещин, место расположения и характер тех или иных дефектов, часто незначительных, но весьма важных для це­ лей экспертизы.

Оценку несущей способности конструкции производят по зонам, участкам, элементам с однотипным напряженным состоянием (по­ яса, раскосы ферм, приопорные и пролетные участки балок и т. д.). На каждом участке выявляют наиболее поврежденное по принятым статистическим критериям сечение, которое принимают совмещен­ ным с наиболее напряженным сечением.

При оценке деформативности конструкций допускается прини­ мать средние значения параметров жесткости сечений в пределах каждого участка.

Визуальными наблюдениями обнаруживаются уже видимые де­ фекты, трещины, особо значительные прогибы, разрушения в раз­ личных стадиях работы конструкции; при этих наблюдениях коли­ чественные оценки даются на основании замеров фактического сос­

112

тояния конструкций (поскольку начальное их состояние обычно не­ известно) с учетом, сопоставления наблюдаемых деформаций. Про­ гибы должны сопоставляться с наличием и раскрытием трещин в растянутой зоне (если трещины отсутствуют, то имеет место не прогиб, а начальное искривление), раскрытие-и направление тре­ щин следует сопоставлять по высоте и ширине здания, что выявля­ ет наличие и характер осадок здания или просадок отдельных его частей. При этом употребление деформометров, прогибомеров, тен­ зометров и прочих приборов, регистрирующих нарастание дефор­ маций, обычно невозможно, поскольку не известна их начальная величина, а при длительном наблюдении трудно обеспечить сох­ ранность реперов, точек измерения и самих приборов. Поэтому ме­ тоды и приспособления для замеров деформаций при обследовании могут быть менее точными, чем при проведении испытаний, но дол­ жны давать величины деформаций в характерных для работы соо­ ружения местах с достаточной инженерной достоверностью. На ос­ новании этих измерений, в совокупности с проектной документа­ цией, со сведениями об эксплуатации и об имевших место воздей­ ствиях за время строительства и эксплуатации должно стать воз­ можным проведение поверочных расчетов конструкций по факти­ ческому состоянию, определение их несущей, способности, установ­ ление причин повреждений и выбор способов усилений.

Результаты расчета по фактической прочности бетона и армату­ ры, размерам сечений и фактической расчетной схеме обследован­ ных конструкций зависят, однако, от того, по каким нормам проек­ тирования производится расчёт. В частности, оценка несущей спо­ собности изгибаемых железобетонных элементов, запроектирован­ ных по нормам 1962 г. или 1966 г., по поперечной силе по нормам 1984 г. зачастую дает недостаточную ее величину при бетонах вы­ соких классов, поскольку несущая способность изгибаемых эле­ ментов по поперечной силе вычисляется по прочности бетона на растяжение, относительные значения которой с повышением клас­ сов бетона убывают быстрее значений сопротивления сжатию. На­ пример,. стропильные балки серии ПК-01-06, разработанные в 1961 г. по проекту предназначались под нагрузку, создающую по­ перечную силу 4, 6 кН [24]. Проверка по действующим нормам при классе бетона В40 показывает, что поперечная сила не должна пре­ вышать 4,1 кН. В то же время балки проверены в эксплуатации з различных зданиях, и зарекомендовали себя как надежная конст­ рукция.

Расчетные величины раскрытия трещин по нормам 1984 г. так­ же оказываются несколько большими, чем по нормам прежних лет, в особенности для наклонных трещин в балках со стенкой неболь­ шой толщины. Расчетные величины нагрузок, в частности, от снега и пыли, во многих случаях превосходят соответствующие величины нагрузок по нормам прежних лет.

Вопросы о решении таких коллизий постоянно встречаются в практике обследований зданий, сооружений и их конструкций, вы­ полненных'п'о проектам, разработанным по старым нормам (таких

конструкций и проектов еще много), причем в общем случае рабо­ тающих в эксплуатации вполне удовлетворительно.

В случаях появления в конструкциях дефектов или поврежде­ ний вопрос решается легче: не удовлетворяет новым нормам конст­ рукция и ясно — старые нормы не годятся. Но эта легкость кажу­ щаяся, она позволяет попросту не докапываться до истинных при­ чин появления разрушений и повреждений. Поэтому такой подход может привести к неверным выводам о причинах повреждений и, как следствие, к необходимости необоснованных усилений.

Следует отметить, что для оценки результатов обследования, основным фактором является уверенность в качестве полученных результатов, включая детали, характеризующие действовавшие на конструкции процессы, необходимые для экспертизы состояния, геометрической и статической схем конструкций, качества и коли­ чества материалов и причин повреждений и разрушений.

В некоторых случаях поверочный расчет не помогает выяснить практически ничего, в других случаях расчет решает все, и поэтому этот расчет должен выявлять причины наблюдаемого состояния конструкции и ее практическую прочность (предельные состояния по фактическим характеристикам), а затем соответствие действи­ тельного состояния требованиям норм.

Необходимо учитывать, что к построенным конструкциям нель­ зя во всех случаях предъявлять требования о соответствии новым нормам проектирования, исключая случаи появления дефектов или повреждений. Хотя эти случаи в большинстве происходят по при­ чинам, не предусмотренным проектом или требованиями норм, ни старых, ни новых. В то же время нет сомнений, что формулы новых норм в большей мерс отражают работу конструкций, чем ранее действовавшие нормы проектирования. Полное благополучие с конструкциями, запроектированными по старым нормам и в чем-то не отвечающими требованиям новых норм, объясняется наличием факторов, неучтенных при проектировании.

При проведении поверочных расчетов эксплуатируемых конст­ рукций имеется «более полная информация о работе конструкций, чем при проектировании. Поэтому при проведении поверочных рас­ четов следует пользоваться формулами действующих норм проек­ тирования, однако корректируя вводимые в эти формулы исходные данные с учетом фактически имеющейся информации.

, Надежность' определения прочности бетона в расчетных сечени­ ях, к сожалению, понятие несколько условное.- Испытание кубиков или кернов, вырезанных из бетона конструкций, дает, конечно, на­ дежную величину его прочности в данном месте, но. в остальных местах конструкции фактическая прочность может отличаться ог нее весьма значительно. Испытание бетона неразрушающими мето­ дами дает возможность определить фактическую прочность бетона непосредственно в конкретных местах конструкции, но ввиду тру­ доемкости сплошная проверка всех конструкций бывает затрудни­ тельной или даже невозможной по срокам. В этом случае полезно произвести определения прочности бетона в некоторых характер­

114

ных местах на поверхности конструкции, а остальную ее поверх­ ность простучать шариковым молотком. Физделя или даже обыч­ ным слесарным молотком, сравнивая результаты (вмятины и звук) с таковыми в местах с достоверно определенной прочностью бето­ на. Это испытание дает представление о состоянии и прочности бе­ тона в любом месте конструкции и уверенность в том, что все проч­ ности не меньше некоторой достоверной величины, определенной одним из неразрушающих методов.

4.2. ВЫПОЛНЕНИЕ ПОВЕРОЧНЫХ РАСЧЕТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Фактическое состояние железобетонной конструкции должно' учитываться в поверочных расчетах на трех периодах ее работы [36]:

период от начала обследований до начала строительных работ; период, соответствующий времени проведения реконструкции (работа конструкций по временной схеме с учетом монтажных ра­

бот и т. п .); период, соответствующий эксплуатации конструкций после ре­

конструкции.

Поверочные расчеты железобетонных конструкций с учетом ре­ зультатов обследований для указанных выше периодов выполняют­ ся в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01—84*.

На всех периодах обеспеченность-конструкций по первому пре­ дельному состоянию Р\ должна быть по параметрам сечений (ма­

териалы, геометрия, дефекты, повреждения) не ниже 0,9986 без учета коэффициента надежности по материалу у/г > 1 и не ниже 0,95 с учетом коэффициента уя .

Обеспеченность конструкций по второму предельному состоя­ нию Рц должна быть по параметрам сечения не ниже 0,95 (уя = 1 ).

Расчет по предельным состояниям второй группы не производится, если перемещения и ширина раскрытия трещин обследуемой кон­ струкции меньше предельно допустимых, а усилия в сечениях о г новых нагрузок не превышают усилий от фактически действовав­ ших нагрузок.

При выполнении расчетов должны быть проверены сечения кон­ струкций, имеющие дефекты и повреждения, а также сечения, в ко­ торых при натурных обследованиях выявлены зоны бетона, проч­ ность которых меньше средней на 20% и более.

Расчетные характеристики бетона для рассчитываемых конст­ рукций определяются согласно разд. 2 [50] в зависимости от услов­ ного класса бетона по прочности на сжатие (см. разд. 3.5). При вы полнении поверочных расчетов по проектным материалам, в том случае, если в проекте существующей конструкции нормируемой характеристикой бетона является его марка, значение условного класса бетона по прочности на сжатие принимают равным 80%-ной кубиковой прочности бетона, соответствующей марке по прочности для тяжелого, мелкозернистого и легкого бетонов и 70%-ной для

ячеистого бетона. Для промежуточных значений условного класса бетона по прочности на сжатие, отличающихся от значений пара­ метрического ряда, расчетные сопротивления бетона определяются линейной интерполяцией.

Расчетные характеристики арматуры определяются в зависи­ мости от класса арматурной стали рассчитываемой конструкции (см. разд. 3.4) согласно разд. '2 [50]. При выполнении поверочных расчетов по проектным данным существующих конструкций, запро­ ектированных по ранее действующим нормативным документам, нормативные сопротивления арматуры определяются в соответст­ вии с разд. 2 [50]. При этом нормативное сопротивление арматур­

где у s — коэффициент надежности по арматуре, принимаемый по п. 6.18 [50].

Расчетные сопротивления арматуры сжатию R sc (кроме арма­

туры класса А-Шв) принимаются равными полученным расчетным

необходимо учитывать дополнительные коэффициенты условий ра­ боты арматуры согласно п. 2.28 [50].

При выполнении поверочных расчетов по данным испытаний образцов арматуры, отобранных из обследованных конструкций, нормативные сопротивления арматуры принимаются по методике, приведенной в разд. 3.4.

При отсутствий данных испытаний арматуры и невозможности отбора образцов допускается назначать расчетные сопротивления арматуры растяжению R s в зависимости от профиля арматуры:

для гладкой арматуры R s =155 МПа (1600 кгс/см2);

для арматуры периодического профиля: с одинаковым заходом на обеих сторонах профиля («винт») R s =245 МПа (2500 кгс/см2);

с одной стороны правый заход, а с Другой — левый («елочка») Rs =295 МПа (3000. кгс/см2) .

При этом значение расчетных сопротивлений сжатой арматуры принимается равным R s , а расчетных сопротивлений поперечной арматуры R sw— равным 0,8R s .

Арматурные стержни, диаметр которых в результате коррозии уменьшился более чем на 50% в расчетах не учитываются.

Расчетное значение диаметра с доверительной вероятностью 0,95 определяют по выборочным значениям сохранившихся диа-

116

4.3. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РЕБРИСТЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОГО

ПЕРИОДА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Исследования, проведенные по оценке несущей способности мо­ нолитных железобетонных ребристых перекрытий после их длитель­ ного периода эксплуатации, дают основание считать о повышении несущей способности рассматриваемых перекрытий против первог начальных проектных величин.

Расчет элементов монолитных перекрытии необходимо выпол­ нять в соответствии с требованиями разд. 6 [50].

Несущую способность элементов перекрытий по нормальным се­ чениям определяют по современной методике с учетом перераспре­ деления усилий. При этом расчетные сопротивления бетона прини­ маются по действующим нормам в зависимости от установленного испытаниями класса бетона, а расчетные сопротивления армату­ ры — по рекомендациям разделов 3.4 и 4.2; коэффицйеиты надеж­ ности по нагрузке — для постоянной нагрузки 1,1-М,2, для времен­ ной — в зависимести от возможной ее измеичивостк — по данным предприятия, но не менее 1,2-ь 1,3.

В ряде случаев при определении несущей способности железо­ бетонных элементов можно ввести некоторые дополнительные ко­ эффициенты условий работы. Величины этих коэффициентов, как правило, обусловлены опытом и интуицией авторов. Так, например, для стержневой арматуры квадратного сечения, особенно при боль­ ших размерах сечения и небольших расстояниях между стержнями, сниженную величину сцепления можно учесть, уменьшив расчетное сопротивление R s путем введения дополнительного коэффициента

условий работы ys =0,8-f-0,9.

Испытания вырезанных образцов арматуры по ряду объектов дают по диаграмме «а—?» характеристики, близкие к стали Ст. 3,

железобетонных перекрытий занимает прочность по наклонным се­ чениям. Это связано с тем, что при отсутствии чертежей элементов вскрытиями молено установить только шаг и сечение хомутов; со­ поставлениями данных по нескольким смежным вскрытиям молено оценить принципиальное наличие отогнутых стержней; однако ко­ личество плоскостей отгибов и площадь их сечения практически не­ известны. Мелсду тем, отогнутые стержни в элементах .рассматри­ ваемых перекрытий являются основной поперечной арм'атурой, обеспечивающей прочность по наклонным сечениям. ^

Расчеты показывают, что есди балка имеет отгибы, поставлен­ ные по методике НиТУ 1931— 1934 гг., то прочность наклонных се­ чений, определяемая по СНиП 2.03.01-84*, заведомо обеспечена.

При оценке несущей способности железобетонных перекрытий обычно указывают равномерно распределенную нормативную по-

118

Таким образом, при оценке несущей способности железобетон­ ных ребристых перекрытий, возведенных в 30-е годы и ранее, сле­ дует учитывать возможность полного использования сопротивления пролетной и опорной арматуры элементов вследствие перераспре­ деления усилий, а также действительный характер напряженногосостояния сечений, принятый в современных нормах для расчета прочности (III стадия напряженно-деформированного состояния).

В совокупности эти факторы могут дать увеличение норматив­ ных моментов, а соответственно и нагрузок, по сравнению с'про­ ектной величиной. В крайних пролетах плит, второстепенных и главных балок

М,«(1,М ,2)М «1,З М ,

всредних пролетах M i» (1,3- 1,2)М « 1,55М.

Поскольку постоянная нагрузка по сравнению с проектной прак­ тически не изменилась, указанное увеличение несущей способности приводит к значительному увеличению допускаемых полезных наг­ рузок на перекрытие.

При увеличении допускаемой полезной нагрузки на перекрытия обычно не нарушается прочность колонн (за счет повышения клас­ са бетона по прочности на сжатие), а повышение величины давле­ ния под подошвами фундаментов компенсируется увеличением нор­ мативного сопротивления грунта за счет многолетней его опрессов­ ки. Однако все это следует проверить расчетом. При назначении

120