Японские специалисты предложили (Б.Ж., 1992, № 6) следующую формулу расчета долговечности железобетонных конструкций
у = y1ABCDEFGH, (6.16)
где y1| = 60 лет - стандартная долговечность; А - коэффициент вида бетона: А =1 - для обычного бетона; А = 0,85 - для легкого бетона; В - вид цемента: В - 1 - для ПЦ; В = 0,85 - для ШПЦ и зольного цемента класса I (5...30% шлака или 5...10% золы); В = 0,8 - для цемента класса II (30...60% шлака или 10...20% золы); С - изменение В/Ц: С = 1 при В/Ц = 0,65; С = 1,5 при В/Ц = 0,55; D - толщина защитного слоя под арматурой: D = 1 при 40 мм; D = 1,56 при 50 мм; D = 0,56 при 30 мм; D = 0,25 при 20 мм; Е - вид отделки поверхности бетона: Е - 0,65 без отделки; Е - 1,5 при отделке раствором толщиной 15 мм; Е = 3 при отделке плитками и камнем; F - методы строительства: F = 1 обычные; F=l,5 качественные; G - условия эксплуатации: G = 0,5 без ремонта; G = 1 при ремонте дефектов и местных разрушений; Н -климатическая зона: Н= 1 обычная; Н= 0,9 холодная; Н= 0,8 прибрежная, морская.
ВНИИжелезобетон предложил другую формулу для расчета долговечности бетонных конструкций D = D1 · К1 · К2 · К3 · К4 · К5 · К6 · К7, где D = 60 лет - эталон долговечности; Ki - коэффициенты, зависящие от различных факторов (табл. 6.1).
Таблица 6.1
| Фактор |
К |
| Применение цементов с различными характеристиками К1 |
1,8…0,5 |
| Качество и однородность сырья |
1,2…0,7 |
| Приготовление бетонной смеси |
1,2..0,7 |
| Транспортирование бетонной смеси К 4 |
1,1…0,8 |
| Твердение бетона К5 |
1,2…0,6 |
| Уход за конструкциями К6 |
1,1...0,9 |
| Однородность характеристик и свойств конструкций К7 |
1,2…0,9 |
В [Б.Ж., 1995, № 2] отмечены три основные причины потери функциональности конструкций, ведущие к снижению прочности, потере внешнего вида, эксплуатационных свойств и т.д.:
- технические, вызванные старением материала;
- внешние (предусмотренные и непредусмотренные), вызванные загрязнением внешней среды, авариями, землетрясениями и т.п.;
171
- человеческие (ошибки и действия) - в проектировании, реализации проекта, в осуществлении эксплуатации и т.п.
Опыт и исследования, показали, что эти группы являются величинами одного порядка. Закон "пяти" Де Ситтера утверждает, что один доллар, потраченный на долговечность на стадии проектирования, эквивалент пяти, затраченных на превентивную эксплуатацию, и двадцати пяти, потраченным на коррективную эксплуатацию, т.е. на ремонтно-восстановительные работы.
Современный подход к эксплуатации сооружений базируется на научной основе. Различают три стратегии эксплуатации (иностранные источники): коррективная, по срокам службы и по срокам достижения уровня неприемлемости. В первом случае эксплуатационные действия принимаются после получения отказа в конструкции; во втором - через определенный период эксплуатации и в третьем - после достижения конструкцией предельного состояния. Целью эксплуатации является минимальная стоимость срока службы. Чем больше выполняет свои функции элемент, тем ниже стоимость единицы времени его эксплуатации, но при этом растет риск отказа конструкции.
В декабре 1994 года на конференции по вопросам стойкости и долговечности зданий и сооружений было принято признать необходимость перехода в расчетах конструкций от коэффициентов условий работ к функциям, отражающим деградацию сооружения в зависимости от структурных, масштабных, технологических и эксплуатационных факторов.
Совместная работа конструкций. При расчете строительных конструкций (плит, ригелей, колонн, фундаментов) обычно не учитывают их совместную работу. Так плиты, ригели рассматривают как свободно опертые элементы, а железобетонные колонны - жестко заделанными в фундаменты. Фактически, одни конструктивные элементы прикрепляют к другим с помощью закладных деталей, соединяемых сваркой или замоноличиванием. Швы между конструкциями замоноличивают бетоном или раствором. Жесткость стыковых сопряжений в процессе строительства и эксплуатации меняется. Жесткость конструкций также переменная величина, зависящая от уровня статических и динамических напряжений, скорости и закона изменения напряжений во времени, влажности и т.п. В результате этого происходит перераспределение усилий и напряжений в конструкциях, в том числе и в фундаментах.
Расчеты и эксперименты показали, что вследствие этого усилия в отдельных конструкциях или отдельных сечениях могут быть существенно выше, чем при работе отдельного элемента и армирование оказывается недостаточным.
Пространственная работа высокого здания сопровождается изгибом в трех плоскостях; кручением с закручиванием; искажением контура с депланацией поперечного сечения; растяжением (сжатием). Каркасные здания повышенной этажности представляют собой комбинации стержневых систем
172
(рам), составленных из пластинок (панелей). В вертикальных (горизонтальных) стыках возникают горизонтальные (вертикальные) связи и связи сдвига. Для расчета определяют изгибную и сдвиговую жесткость, податливость (величина обратная жесткости, измеряется удлинением связи от единичного усилия) растянутой и сжатой связи; погонную жесткость и податливость; крутильную жесткость (равную крутящему моменту, поворачивающему поперечное сечение на угол, равный единице, на единичной длине участка).
Колебания системы основание-фундамент-здание вызываются движением машин, механизмов, ударными воздействиями молотов, копров, порывами ветра, землетрясениями, взрывами, обвалами, волнами и т.п. Интенсификация колебаний может привести к расстройству и отказу системы. Основной целью расчетов конструкций и оснований является определение перемещений или деформаций элементов, скоростей и ускорений изменения этих перемещений и деформаций, устойчивости колебательных режимов, напряжений в опасных сечениях, срока безотказной работы наиболее нагруженных элементов, допустимости параметров колебательных процессов по условиям эксплуатации зданий и сооружений.
Аэродинамические нагрузки на сооружения в потоке воздуха (висячие мосты и переходы, сооружения мачтового и башенного типа) являются нелинейными неконсервативными функциями перемещений и скоростей элементов конструкций. Наиболее опасными видами колебаний висячих мостов и переходов являются крутильный (срывной), изгибно-крутильный флаттеры. Расчет сооружений башенного типа выполняют на вынужденные колебания вдоль потока, вызванные порывистостью и турбулентными пульсациями ветра, и поперек потока на ветровой резонанс и галопирование.
Осложнение инженерно-геологических условий. В результате деятельности человека происходит создание искусственных геологических тел (терриконы, отвалы-карьеры, накопители отходов и т.п.), изменение целого ряда природных геологических тел. Рациональное использование и охрана геологической среды является фактором неуклонного подъема экономики. Геологическая среда имеет большое этико-эстетическое значение. Устойчивость среды определяется происходящими в ее пределах геологическими процессами. Для контроля за состоянием геологической среды разрабатывают 10 моделей среды, технологические и машинно-экспертные схемы управления. Постоянно действующая модель (ПДМ) геологической среды -система упорядочение взаимосвязанных, постепенно уточняющихся условий и факторов, отражающих состояние части геологического пространства. Такие модели разрабатывают для зон влияния водохранилищ, горнорудных предприятий, городских агломераций.
Создаются имитационные натурные модели геологических процессов, например, оползня. Исследуется механизм развития процесса, разрабатываются мероприятия по предотвращению неблагоприятных факторов
173
или защитные методы и мероприятия. Методика управления геологической средой рассматривается как развернутая матрица требований и нормативов, обеспечивающих охрану, защиту и рациональное использование среды. Основная цель управления геологической средой - поддержание природно-технической системы в состоянии, исключающем на современном этапе и будущем, неблагоприятных процессов.
Создана база данных из пяти информационных блоков: 1) геологической изученности территорий; 2) быстроизменяющихся условий и факторов; 3) информация о постоянных и медленно изменяющихся условиях и факторах геологической среды; 4) оценка геологических процессов; 5) оценка техногенной нагрузки.
При исследовании техногенных грунтов как оснований зданий и сооружений, а также при исследовании грунтов вблизи отвалов техногенных грунтов (например, отвалов угольных шахт) с помощью рентгеноструктурного анализа, копирующей электронной микроскопии, микрозондового анализа изучают состав, формы нахождения элементов, морфологические особенности грунтов, химический состав и агрессивность грунтовых вод по отношению к строительным конструкциям, роль микроорганизмов в формовании агрессивной среды. Скорость возрастания минерализации воды, фильтрующей из насыпного грунта, оценивают по данным наблюдения за несколько лет.
Дополнительные источники обводнения возникают под воздействием климатических и технологических факторов - атмосферные осадки, скапливающиеся в траншеях, котлованах и строительных площадках; утечки воды из емкостей и водоводов; влага, собирающаяся под асфальтовыми и бетонными покрытиями.
После строительства здания, сооружения или комплекса сооружений, как правило, начинается постепенное образование водоносных грунтов. Уровень грунтовых вод в первые годы после строительства куполообразно поднимается вверх. Отдельные куполы образуются под зданиями и сооружениями. Со временем верхняя граница водоносных горизонтов выравнивается, и вода близко подходит к поверхности земли. При этом происходит ослабление основания, затопление подвалов.
Уровень грунтовых вод часто находится на глубине 1...1.5 м. Слои грунта имеют переменную мощность по простиранию, залегают наклонно и линзообразно. Фундаменты старых зданий часто делали из камней постелистого известняка на известковом растворе. В ряде случаев под фундаментом укладывали деревянные лежни. При понижении уровня грунтовых вод они гнили. В отдельных случаях фундаменты делали из булыжника без раствора. При реконструкции и новом строительстве встречаются участки строительной площадки, ранее уплотненные давлением от зданий. Вследствие разной деформативности уплотненных и неуплотненных участков могут возникнуть недопустимые неравномерные деформации основания.
174
В крупных городах в естественных понижениях рельефа (карьеры, овраги) образовались свалки. Хозяйственное использование этих территорий требует тщательного геолого-экологического изучения. Отходы производства, беспорядочно складируемые на свалках, содержат тяжелые металлы, токсичные и взрывоопасные вещества. Фильтрат, образующийся при взаимодействии материалов свалки (особенно бытовых отходов) с фильтрующимися атмосферными осадками, загрязняет окружающую территорию. Рекультивированные свалки часто являются средой и основанием жилых зданий.
Необходимо комплексное (геофизическое, геохимическое и буровое изучение территории). При газовой съемке изучают состояние газов приземной атмосферы, порового анализа почв. Инженерно-хозяйственная деятельность приводит к загрязнению геологической среды, вследствие чего повышается коррозионная активность грунтов.
Процесс коррозии подземных конструкций может иметь электрохимическую, химическую или биологическую природу. Наиболее часто происходит электрохимическая коррозия металла. Роль электролита играет грунтовая вода - насыщенная различными ионами.
В электрохимической коррозии химическое взаимодействие металла с активными веществами разделяется на два самостоятельных процесса: анодный и катодный. Анодный процесс - это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов, катодный - ассимиляция избыточных электронов в металле деполяризованном (водородом или кислородом). Наиболее часто возникает процесс кислородной деполяризации. Для протекания электрохимической коррозии необходимо наличие влаги у поверхности металла и доступ кислорода к металлической поверхности. Ход этой коррозии определяется литологическим составом, плотностью и влажностью грунтов, их структурой и т.п. При влажности в несколько процентов коррозионная активность глинистых грунтов выше активности песчаных и скорость коррозии будет контролироваться катодным процессом. С увеличением влажности коррозионная активность глинистых грунтов растет медленнее, чем песчаных из-за разного количества кислорода в них. Скорость коррозии здесь будет контролироваться катодным процессом. Максимум коррозионной активности достигается в глинистых грунтах при меньших значениях влажности, чем в песчаных.
Коррозионная активность грунтов оценивается по потере массы образца металлической трубки и величине удельного электрического сопротивления грунта.
В период отрицательных температур часто происходит морозосолевая коррозия: при удалении снега и наледи с конструкций с помощью химических реагентов; на поверхности бетонных и железобетонных сооружений в зоне переменного уровня высокоминерализованных вод; в районах выпадания кислых дождей и высокой загазованности атмосферы; при фильтрации технологических растворов через конструкции (стены,
175
перекрытия, емкости); в бетонных и железобетонных конструкциях, изготовленных с применением противоморозных добавок и находящихся в неотапливаемых помещениях, открытых площадках.
Отличительными особенностями морозосолевой коррозии являются: внезапное разрушение поверхности с различной глубиной и с образованием периодической льдистости; четко выраженная слоистость при толщине слоев от долей миллиметра до нескольких сантиметров; интенсивная деструкция материала с полной потерей механической прочности; наличие скрытого периода предразрушения, характеризуемого наличием мелких незаметных и малозаметных трещин.
176
