Глава 7
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ НАДЕЖНОСТИ И
ДОЛГОВЕЧНОСТИ

7.1. Основные принципы проектирования

При проектировании, изготовлении и эксплуатации конструкций необходимо добиться соответствия следующим требованиям:

а) все конструкции должны воспринимать и передавать нагрузки;

б) ни одна конструкция не должна разрушиться раньше заданного срока эксплуатации;

в) каждая конструкция должна выполнять предназначенную ей функцию;

г) должна быть обеспечена возможность ремонта в течение срока эксплуатации.

Обеспечение надежности строительных конструкций за расчетный период эксплуатации является актуальнейшей задачей. Практически во всех зданиях и сооружениях имеются недопустимые дефекты и (или) деформации, причины которых не всегда ясны. В определенных случаях повреждения столь существенны, что возникает опасность жизни людей, экологических бедствий, нарушения технологических процессов. Пока трудно оценить надежность конструкций, здания или сооружения. Часто не учитывают реальные условия эксплуатации.

В международном стандарте "Общие принципы проверки надежности конструкций", подготовленном международной организацией по стандартизации (ИСО), отмечается [100]:

• строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью при возведении и эксплуатации с учетом, при необходимости, особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва); основным свойством, определяющим надежность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом является безотказность их работы - способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного срока службы;
• рассчитывать строительные конструкции, основания следует по методу предельных состояний, основные положения которого должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учетом изменчивости свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности (и народнохозяйственной значимости проектируемых объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности). Предельные состояния как состояния, при которых конструкция, основание (здание или сооружение в целом) перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям при производстве работ (возведении).

200

По степени ответственности здания и сооружения разделены на три класса.

К I классу отнесены здания и сооружения объектов, имеющие особо важное народнохозяйственное и (или) социальное значение, приносящее значительный доход, или имеющие значительную стоимость, а также здания и сооружения, при достижении конструкциями которых предельных состояний одновременно подвергается опасности большое число людей.

Ко II классу отнесены здания и сооружения объектов, имеющие важное народнохозяйственное и (или) социальное значение.

К III классу отнесены здания и сооружения объектов, имеющих ограниченное народнохозяйственное и (или) социальное значение, от надежности которых зависит безопасность эпизодически появляющихся людей.

Для предотвращения возможности разрушения необходимо: исключить вероятность внезапного хрупкого разрушения несущих строительных конструкций (с этой целью часто используют материалы и конструкции, обладающие способностью к большим деформациям);

• обеспечить возможность усиления при появлении предвестников разрушения;
• предотвратить возможность прогрессирующего разрушения;
• обезопасить жизнь людей;
• исключить конструктивные решения, которые могут привести к аварии;
• учитывать отечественный и зарубежный опыт эксплуатации подобных зданий или сооружений в аналогичных инженерно-геологических и климатических условиях;
• предусматривать необходимые средства для наблюдения за деформациями и перемещениями наиболее ответственных зданий или сооружений;
• вводить разные способы расчета и конструирования для зданий или сооружений различной значимости.

Для повышения надежности конструкций необходимо в расчетах использовать дополнительные характеристики: марку по диффузионной и капиллярной проницаемости (при работе конструкций в условиях агрессивной среды), по термической стойкости (при работе в условиях высоких температур), по радиационной проницаемости (при работе конструкций в условиях радиационных излучений), по истираемости и др.

При проектировании зданий разного класса по значимости рекомендуется допускать различные уровни деформирования в момент разрушения.

201

Важное значение придается проектированию и устройству деформационных швов.

Температурно-усадочные швы. Устраиваются для уменьшения усилий в конструкциях и ограничения раскрытия трещин, например, [130] в панелях и стыках, возникающих вследствие температурных и усадочных деформаций и осадок основания. Расстояние между температурно-усадочными швами определяют с учетом климатических условий строительства, материала стен и перекрытий, типа стыковых соединений, конструктивной схемы здания. В панельных зданиях температурно-усадочные швы устраивают в виде спаренных утепленных поперечных стен в местах сопряжения планировочных секций дома.

Температурно-усадочные швы могут быть также решены одной сквозной поперечной стеной. Швы располагают со стороны лестничной клетки и нежилых помещений квартир.

При выполнении температурно-усадочных швов с помощью одной сквозной поперечной стены должны быть соблюдены следующие условия [30].

1. Плиты перекрытий в зоне шва с одной стороны от оси поперечной стены должны иметь свободные продольные деформации (горизонтальный шов скольжения между поперечной стеной и перекрытием). Горизонтальные швы скольжения могут быть получены свободным опиранием панели перекрытия или лестничных площадок на консольные выступы поперечных стен.

2. Вертикальные швы в продольных стенах должны выполняться без связей в местах их примыкания к поперечной стене, выполняющей функцию температурного шва. В зоне температурно-усадочного шва он должен заполняться легко сжимаемыми материалами (за исключением устья для устройства герметизации). Непосредственный контакт наружных стен в вертикальном шве не допускается.

3. Швы горизонтальные скольжения и вертикальные с упругой прокладкой должны находиться по одну сторону стены, выполняющей функцию температурно-усадочного шва. Это требование необходимо соблюдать при изломе поперечной стены в плане.

4. Обеспечить устойчивость продольных стен, примыкающих к шву.

Осадочные швы. Они необходимы для предотвращения образования неорганизованных трещин па границах участков здания, имеющих разные осадки. Осадочные швы разделяют здание на всю высоту, включая фундаменты. Их устраивают при возведении зданий на грунтах с различной по длине здания сжимаемостью, при разнотипных фундаментах и значительной разнице в нагрузках. При строительстве крупнопанельных зданий в обычных инженерно-геологических условиях осадочные швы выполняют в случае перепада высот здания более, чем на 30%.

Деформационные швы. Применяют их для уменьшения усилий в конструкциях и ограничения ширины раскрытия трещин вследствие неравномерных деформаций основания. Деформационные швы, как и

202

осадочные, должны разделять здание на всю высоту, включая фундаменты. В панельных зданиях такие швы выполняют на границах планировочных секций [130]. Величина деформационных швов рассчитывается и должна быть не менее 20 мм. Стены у деформационных швов должны быть теплыми.

Антисейсмические швы. Предназначены для уменьшения усилий в конструкциях при сейсмических воздействиях. Конструкция швов должна обеспечивать взаимные смещения отсеков здания. Их устраивают в местах изменения этажности здания; при расчленении зданий сложной формы на отсеки простой прямоугольной формы длиной до 60 м. Антисейсмические швы целесообразно совмещать с осадочными и деформационными.

Заданные свойства материалов, например бетона, можно достичь, применяя различные добавки.

Добавки-модификаторы. Перспективным направлением технического прогресса в технологии бетона является формирование структуры бетона, позволяющей существенно повысить стойкость бетона и улучшить физико-технические свойства [Б.Ж., 1987, №7]. Наиболее эффективно модифицирование бетонов олигомерами гидрофобно газовыделяющего типа. Они позволяют получить мелкопористую структуру бетона и мозаично гидрофобизировать внутреннюю поверхность пор и капилляров цементного камня. Модифицирование с помощью крепких органических соединений (КОС) способствует получению бетонов высокой морозо- и коррозионной стойкости.

В практике получили распространение суперпластификаторы - продукты конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида олигомерного состава (С-3 и его аналогии). Эффективны суперпластификаторы на основе сульфированных меламинформальдегидных смол (МФ-АР, 10-03 и др.). Суперпластификаторы снижают В/Ц бетона и диффузионную проницаемость на отношение к углекислому газу. Целесообразно применение модификаторов полуфункционального действия (ПМФ). Они усиливают комплекс основных свойств и сводят к минимуму нежелательные эффекты в смесях.

Приведем описание видов добавок из [311:

• пластификаторы (BV) - снижают потребность свежего бетона в воде и улучшают удобоукладываемость бетонной смеси, что также повышает прочность бетона. К пластификаторам относятся и средства, увеличивающие текучесть бетона;
• порообразующие добавки (LP) - образуют маленькие, равномерно распределенные по объему бетона воздушные поры, которые нарушают систему капиллярных пор, улучшая тем самым морозостойкость бетона и его устойчивость к агрессивному воздействию размораживающих солей, а также повышает удобоукладываемость бетона;
• добавки для придания бетону водонепроницаемости (DM) -предназначены для снижения степени проникания воды в бетон; эффективность таких средств усиливается при правильно подобранном гранулометрическом составе бетона и тщательном уплотнении бетонной смеси;
• замедлители схватывания (VZ) и ускорители схватывания (BE) - соответственно замедляют или ускоряют процесс твердения бетона; их воздействие в значительной степени зависит от количества добавок, температуры бетонирования, вида цемента, что требует предварительных испытаний добавок в условиях конкретной стройплощадки;

203

• добавки, улучшающие качество нагнетаемых растворов (ЕН) -улучшают текучесть раствора для запрессовки в каналы и уменьшают потребность раствора в воде; эти вещества, уменьшая усадку смеси, нагнетаемой в каналы для арматурных элементов в предварительно напряженном железобетоне, обеспечивают надежное заполнение каналов;
• стабилизирующие добавки (ST) - предназначены для уменьшения выделения влаги из свежей бетонной смеси (так называемое выполнение); введение стабилизаторов увеличивает взаимосвязь между исходными материалами, составляющими собственно бетон, уменьшает вероятность расстояния бетонной смеси, при этом степень вязкости воды повышается, причем подвижность ее ограничивается, а обволакивание его частиц твердых составляющих материалов бетона увеличивается, что и способствует стабилизации бетона.

Кроме перечисленных применяется еще два вида добавок для бетона:

• пенообразующие добавки используются для изготовления легкого бетона (пористого бетона);
• добавки синтетических смол в виде водных дисперсий, которые после испарения избыточной влаги соединяются с цементом; эти добавки улучшают прочность сцепления и упругость бетона, поэтому их использование особенно целесообразно при ремонтных работах по ликвидации наружных дефектов бетонных конструкций.

В последние годы учеными Российской Академии архитектуры и строительных наук (РААСН) разработаны: обобщенные критерии прочности бетонов, комбинированный критерий прочности грунтов, критерий прочности строительных сталей при низкой температуре, критерии длительной прочности анизотропных материалов. Эти данные рекомендованы для учета в нормативных документах. Предложена новая формулировка критерия прочности грунтов, основанная на концепции мощности диссипации внутренней энергии при разрушении. Сформулированы виды механизма разрушения анизотропных строительных материалов от отрыва, смятия и сдвига (Соломанов В.И., Римшин В.И. Строительная наука на новых рубежах // Жилищное строительство, 1996. - №8. - С.2-4).

Разработаны физико-механические модели линейных и нелинейных процессов деформирования, модели объектов сложной геометрии.

Мировое развитие арматуры для обычных железобетонных конструкций имеет следующие основные тенденции:

• повышение прочностных свойств до уровня класса А500С, т.е. до σ_T > 500 Н/мм ²;

204

• обеспечение гарантированной свариваемости за счет ограничения содержания углерода до 0,24% и углеродного эквивалента С_э до 0,52%:

Cэ =	C +	Mn	+	Cr + M0 + V	+	Cu + Ni
		6		5		6

где С, М_n, С_г, М₀, V, N_i, С_u - содержание соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля и меди в процентах;

• полная унификация, т.е. переход на единый класс арматуры: В500 по EN 10080 (ЕС) или А500С по российскому стандарту Ассоциации стандартизации в черной металлургии СТО АСЧМ 7-93 независимо от способа производства и диаметра (от 5 до 40 мм);
• повышение надежности, долговечности и улучшение совместимости в работе арматуры с бетоном за счет качества самой стали и перехода на единый (серповидный) профиль. (Мадатян С.А. Общие тенденции производства и применения обычной и напрягаемой арматуры // Бетон и железобетон. - 1997. - №1. - С.2-5).

205