7.2. Повышение эффективности, надежности и долговечности
конструкций, зданий и сооружений

Проверочные расчеты конструкций. Они выполняются с целью выявления: возможности дальнейшей эксплуатации без ограничения, возможности эксплуатации с ограничениями, необходимости усиления, прекращения эксплуатации из-за аварийной ситуации. Расчет производится с учетом ослабления, несовершенств геометрической формы и практических характеристик материала. Значительные осложнения вызывает определение геометрических характеристик сечения. Следовало бы хотя бы приближенно оценивать остаточную долговечность конструкций.

Усиление конструкций зданий и сооружений. Его осуществляют следующими способами: повышение прочности материала, увеличение площади сечения, замена части усиливаемой конструкции, изменение статической схемы конструкции или здания, а также путем комбинации вышеперечисленных способов. Важное значение имеет обеспечение совместной работы элемента усиления с усиливаемыми конструкциями.

Повышение прочности бетона усиливаемой конструкции достигается,

205

например, полимерными композициями.

Разнообразны способы изменения статической схемы конструкций. Это - устройство дополнительных опор и систем (например, шпренгельных), увеличение статической неопределимости (например, создание неразрезности изгибаемых элементов), резкого изменения статической схемы (например, переход от рамной к рамно-связевой). Подробнее см. в [13, 32-34, 51, 65, 95, 98, 102-106, 135].

Так, в [63] перечислены приемы регулирования напряжений (усилий) в балках:

• перемещение нагрузки и изменение условий закрепления опор;
• превращение однопролетных статически определимых балок в неопределимые многопролетные, в шпренгельные конструкции, в балки фермы;
• пригрузка имеющихся консолей или искусственно созданных;
• применение натяжных систем балка-тяж;
• введение предварительно напряженной затяжки;
• предварительный упругий выгиб с последующей сваркой;
• смещение (по вертикали или горизонтали) опор;
• превращение в жестковантовые системы;
• применение комплексных (объединенных) стальных балок, работающих совместно с железобетонной плитой;
• шарнирное прикрепление второстепенных балок к главным для снижения крутящего момента;
• создание ригельно-подкосной системы;
• деконцентрация напряжений с целью увеличения хладостойкости элементов конструкций.

Оптимальный вариант регулирования определяется из сравнения конкурентоспособных по затратам материалов, трудоемкости и технологичности выполнения, сложности монтажа, стоимости реконструкции, сравнению затрат, связанных с возможной остановкой производственного процесса.

Широкое распространение получил способ усиления зданий напряженными стальными тяжами. Тяжи изготавливают из стержней диаметром 28 ... 36 мм, устанавливают в борозды на уровне перекрытий. На углах здания под пояса ставят вертикальные утолки. Натяжения (до 50 кН) поясов производят с помощью стяжных муфт одновременно по всему контуру здания.

Классификация способов усиления оснований, фундаментов, гидроизоляции фундаментов эксплуатируемых зданий приведены (147) соответственно в табл. 7.1 и 7.2.

206

Таблица 7.1

Классификация основных методов усиления оснований
фундаментов эксплуатируемых зданий

Метод усиления		Область применения		Примерная прочность усиления, МПа
Метод	Конструктивно-технологическое решение	Группы оснований	Коэффициент фильтрации, м/сут
1	2	3	4	5
Цементация	Нагнетание цементно-гораствора	Крупнозернистые пески	2 - 80	1 - 4
Однорастворная силикатизация	Нагнетание раствора силиката натрия	Лессы	0,1 - 2	0,6 - 0,8*
	Нагнетание раствора силиката натрия с отвердителем	Мелкие пылеватые пески	0,5 - 5	0,4 - 0,5*
Двухраствориая силикатизация	Последовательное нагнетание растворов силиката и хлористого кальция	Пески средней крупности и мелкие	2 - 80	1,5 - 2,0
Электросиликатизация	Последовательное нагнетание растворов силиката натрия и хлористого кальция при создании электрического поля постоянного тока между забитыми электродами	Глины, суглинки, супеси	0,01 - 0,1	0,4 - 0,8
Смолизация	Нагнетание раствора карбамидной смолы с отвердителями	Пески средней крупности, мелкие	0,5 - 5	1,5 - 2,0
Термический способ.	Обжиг, сжигание топлива в скважинах.	Лессы	0,1 - 1	1,0 - 1,5
Механическое уплотнение	Устройство буронабивных наклонных свай.	Для любых грунтов	0,1 - 5	0,6 - 0,8
	Устройство "стены" в грунте	Тоже	0,1 - 5	1 - 2

Наибольшее распространение получили следующие методы упрочнения просадочных грунтов I и II типов:

• поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками [9, 124]
• замачивание со взрывами глубинных снарядов (гидровзрывы);
• закрепление буросмесительным способом (размельчение грунта и смешивание его с цементным и химическим растворами в грунтовом массиве);
• устройство набивных бетонных и железобетонных свай; [48, 125]
• силикатизация [146]

207

Таблица 7.2.

Классификация основных методов восстановления и усиления
фундаментов эксплуатируемых зданий

Метод усиления		Условия и область применения
Метод	Конструктивно-технологическое решение
1	2	3
Укрепление кладки фундаментов без расширения подошвы (восстановление)	Инъекцирование цементного раствора	Ослабление до 20% прочности кладки по всей толщине стены, расслоение кладки
	Штукатурка или торкретирование	Ослабление до 10% прочности кладки, главным образом снаружи, эрозия фундамента, незначительные трещины
Обоймы	Устройство железобетонных или металлических обойм в том числе и напрягаемых (колонн и простенков)	Недостаточная несущая способность (до 40%), увеличение нагрузок
Разгрузочные конструкции	Устройство жестких поясов из прокатного металла, вштраблен-ных в стены для перераспределения нагрузок Передача нагрузки па выносные опоры в виде банкетов, отдельных или групп свай, кессонов через систему балок и прогонов	Наличие отдельных участков ослабленных фундаментов (особенно, стен)
Изменение несущей схемы фундаментов	Устройство дополнительных новых промежуточных опор	Значительные осадочные деформации зданий, значительное увеличение нагрузок

Таблица 7.3.

Классификация основных методов гидроизоляции
фундаментов эксплуатируемых зданий

Метод изоляции		Область применения	Технический результат
Метод	Конструктивно-технологическое решение
1	2	3	4
Механический	Устройство горизонтальной рулонной гидроизоляции в сквозной штрабе, выполненной соединением отдельных специально просверленных отверстий	Сырость кирпичных стен (толщиной до 3-х кирпичей)	Прекращение капиллярного подъема влаги Осушение стен и подвалов
	Наклейка или нанесение на вертикальные поверхности стен гидроизоляционных материалов и смазок	Сырость стен подвала или 1 -го этажа, затопление подвалов с напором до 0,2 м
	Устройство пристенных каналов и дренажей	Сырость стен, затопление подвалов с напором до 1 м	То же

208

Продолжение таблицы 7.3

1	2	3	4
Электромеханический	Прорезки электроплазменными нагревателями сквозной щели в стене с образованием литого шва	Сырость кирпичных стен (толщиной до 2,5 кирпича)	Прекращение капиллярного подъема влаги
Электрофизический	Электроосмотическая сушка стен за счет активизации миграции влаги под действием разности потенциалов между электродами, забитыми в стену и грунт	Сырость стен подвала и первого этажа	Частичное осушение
Физико-химический	Инъекцирование в кладку стен цементных растворов	Эрозия поверхностного слоя фундамента и стен в агрессивной среде грунтов оснований	То же

Для защиты деревянных конструкций от гниения применяют антисептирование, консервирование, покрытие лакокрасочными материалами или поверхностную пропитку составами комплексного действия [147]. Ан-тисептирование древесины на месте производства ремонтных работ выполняют с использованием суперобмазок (табл. 7.4.) и бандажей, обжига с пропиткой и осмолкой. Виды огнезащитных составов приведены в табл. 7.5.

Защита деревянных конструкций от разрушения. При развитии дереворазрушающих грибов (их известно более 60 видов), питающихся клетчаткой древесины, она высыхает, растрескивается и гниет. Интенсивное гниение происходит при влажности выше 25%, температуре от -3 до +35°С и застойном воздухе (скорость движения воздуха менее 0,0008 м/с). Изменение этих условий замедляет жизнедеятельность грибов. Для защиты древесины от загнивания применяют обработку ядохимикатами - антисеп-тирование. Ряд конструкций (сваи, ростверки, элементы, находящиеся на открытом воздухе) находятся в тяжелых условиях работы. Их пропитывают каменноугольными пли сланцевыми маслами под вакуумом. Периодически или случайно увлажняемые конструкции (перекрытия первого этажа, наружные стены, балки и др.) антисептируют в целях профилактики водными химическими растворами, путем пропитки в ваннах, окраски или обмазки. Концы деревянных балок, закладываемые в кирпичные стены, антисептируют, защищают от увлажнения гидроизоляцией (кроме торцов). Гнезда для концов балок должны вентилироваться.

При наличии дереворазрушающих насекомых (древоточцев, жуков-точилыциков, термитов) древесину обрабатывают инсектицидами.

Защита деревянных конструкций от огня. Используют пропитку огнезащитными составами - антипиренами (диаммонийфосфатом, сульфатом аммония, бурой и борной кислотой) (табл. 7.5). Целесообразна и комбинированная защита древесины от возгорания и гниения. Для этого в огнезащитные составы добавляют антисептики.

209

Таблица 7.4.

Составы суперобмазки н нормы их расхода на 1 м² площади поверхности

Суперобмазка	Составные части супер-обмазки	Количество на 1 м2 площади поверхности,		Всего, г
		% •	г
1	2	3	4	5
Битумная № 1	Фтористый натрий	44	308
	Динитрофенол	5	42
	Нефтебитум марки БН 50/50	18	126	700
	Торфяная пыль	4	28
	Зеленое масло	28	196
Битумная №2	Фтористый натрий	40	280
	Битум	15	105	700
	Торфяная пыль	4	28
	Креозотовое масло	41	187
Экстрактовая	Фтористый натрий	40	280
	Динитрофенол	5	35
	Экстракт сульфитного щелока	27	141	700
	Торфяная пыль	4	28
	Вода	30	210
Силикатная	Жидкое стекло	78	780
	Кремнефтористый натрий	20	200	1000
	Креозотовое масло	2	20

Таблица 7.5

Огнезащитные составы, область их пременения и нормы расхода на 1 м² обрабатываемой поверхности

Огнезащитный слой	Расход раствора, краски на 1 м2 площади обрабатываемой поверхности, кг	Область применения
Огнезащитный раствор для поверхностной пропитки: фосфорнокислый аммоний (100%-ный) 20%, сернокислый аммоний (98%-ный) 5%, керосиновый контакт кг 3%, вода 72%	1,1	Для обработки древесины, защищенной от атмосферных осадков и от смачивания водой
Огезащитная краска ПВХО (доставляется готовой)	0,6	Для незащищенных конструкций и сооружений
Силикатная краска Ск-ХЭМ	0,6	Для элементов конструкций в закрытых помещениях
Огнезащитное покрытие ХД	0,7	Для покрытия деревянных кровель
То же, БХЛ	0,75	Для огнезащиты древесноволокнистых плит
Огнезащитный состав ТХЭФ: трихлорэтилфосфат 40% четырехлористый углерод 60%	0,6	Для поверхностной пропитки древесины

210

Защита металла от коррозии. Металлы защищают легированием и защитными покрытиями. Незначительная добавка в сталь меди и хрома (менее 1%) значительно повышает сопротивление коррозии, а введением до 20% различных легирующих добавок можно получить нержавеющие стали (табл. 7.6).

Таблица 7.6

Методы защиты металлических конструкций от коррозии

От атмосферной коррозии	От почвенной коррозии
Снижение агрессивного действия среды	Изоляция конструкций от агрессивной среды	Подавление и отвод коррозионных токов
Отвод воды от сооружений (осушение местности, защита от увлажнения)	Битумные и лакокрасочные покрытия с добавкой ингибиторов	Катодная защита
Обработка почвы с целью нейтрализации агрессивности	Металлизация (закладных деталей)	Протекторная защита
Обратная засыпка сооружений материалами, не создающими электролит (мелом, гравием и др.)	Покрытия из рулонных материалов	Дренаж блуждающих токов
Изоляция конструкций от агрессивной среды	Облицовка бетоном и другими материалами	Деление трубопроводов вставками на секции
Лакокрасочные покрытия	Для трубопроводов - прокладка в потернах, каналах, расположение их над землей	Усиление защитных покрытий электрохимической защитой
Покрытия с добавлением ингибиторов

Металлические пленки представляют собой механическую защиту (катодное покрытие) или электрохимическую (анодное покрытие).

Катодное покрытие заключается в нанесении пленки из металла, который более электроположителен, чем основной (например, лужение железа оловом).

Анодное покрытие - покрытие более электроотрицательным металлом, чем основной (например, цинкование или хромирование).

Часто надежным способом защиты металла является оксидирование - естественную защитную пленку на металле делают более прочной путем обработки окислителем, например, водным раствором NaOH + NaNO₃ при t=125...140°C.

Защитную поверхностную пленку также получают в результате обработки металла: фосфатом железа или марганца (фосфатирование), планированием (наложение на основной металл тонкого защитного слоя и закрепление

211

его путем горячей пропитки), металлизацией (покрытие поверхности расплавленным металлом, распылением сжатым воздухом).

При проектировании железобетонных конструкций в качестве вяжущих принимают портландцемент и шлакопортландцемент, а при наличии сульфатостойких соединений - сульфатостойкие цементы. В предварительно-напряженных конструкциях натяжение арматуры необходимо производить на упоры. В слабоагрессивной среде допускается располагать напрягаемую арматуру в пазах. Вяжущие заполнители, стали следует применять наиболее стойкие в данной агрессивной среде. Толщина защитного слоя принимается в зависимости от степени агрессивного воздействия и вида арматуры. Добавки солей не допускается применять для конструкций: с напрягаемой арматурой; с ненапрягаемой класса В-1 диаметром 5 мм и менее; эксплуатируемых при относительной влажности воздуха более 60%; эксплуатируемых вблизи источников постоянного тока.

Защита зданий и сооружений от увлажнения. В практике наблюдается капиллярное поднятие, подтопление и затопление территорий.

Высота поднятия воды по капиллярам в кирпичных стенах находится в пределах 0,5...1 м, фактическое поднятие влаги достигает 5...6 м, что объясняется электроосмотическим воздействием (см. п.7).

Методы защиты стен от увлажнения объединены в четыре группы:

• возведение препятствий на пути влаги к конструкциям;
• устройство гидроизоляции;
• устройство электроосмотической защиты;
• устройство водонепроницаемой преграды путем тампонажа.

Подтопление территорий наблюдается повсеместно. Под жилыми массивами и промышленными предприятиями вода скапливается над водоупорами в виде куполов. Затапливаются подвалы, насыщаются водой конструкции, происходит преждевременное их разрушение, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений, понижается несущая способность грунтов, активизируются геологические процессы (эрозия почв, рост оврагов, происходят оползневые процессы). Накоплению воды способствуют утечки воды из сетей водопровода, канализации, резервуаров, орошение территорий, затенение участков прокладкой асфальта. Основным способом осушения территории является устройство дренажа (открытого, закрытого простейшего типа, закрытого трубчатого, галерейного, пластового).

Затопление может происходить при повышении уровня воды в реках во время половодий и паводков. Для защиты территорий применяют: сплошную подсыпку, обваловывание путем ограждения защитными дамбами, понижение наибольших расходов воды, увеличение пропускной способности реки.

Наиболее распространенным способом защиты конструкций является гидроизоляция - комплекс мер от протекания в материал воды или агрессивных растворов.

212

Гидроизоляцию различают:

• по виду материалов - асфальтовую, минеральную пластмассовую и металлическую;
• по способу устройства - окрасочную, штукатурную, оклеечную, литую, засыпную, пропиточную, инъекционную и монтируемую;
• по назначению - поверхностную, внутреннюю, работающую на прижим и отрыв, покрытия и уплотнения швов и сопряжений, теплоизоляционную и комбинированную.

К гидроизоляционным материалам предъявляют требования по водонепроницаемости, водоустойчивости, водопоглощению, трещиноустойчивости, пределу прочности, химической стойкости, атмосфероустойчивости, долговечности, относительному удлинению и др.

Восстановление или устройство новой гидроизоляции осуществляется путем:

• пробивки в цокольной части паза с закладкой в него слоя гидроизоляции;
• плавления кладки током при перемещении нагретого до 1900°С электрода в стене;
• создания капиллярного прерывателя с использованием растворов кремнийорганических соединений.

Эффективным методом защиты зданий от увлажнения является электроосмотическое осушение. Этот метод основан на движении жидкости через поры, капилляры и пустоты при наложении электрического поля. Подробнее об осушении указанным способом см. в [14].

Для уменьшения интенсивности коррозионных процессов в стальных конструкциях необходимо: выбирать коррозионностойкие материалы, в том числе и сварочные, соблюдать принцип концентрации материала - при прочих равных условиях придавать сечениям меньшую поверхность; выбирать эффективные системы защитных покрытий.

Гидроизоляцию железобетонных конструкций в США выполняют с использованием Пенетрона, в состав которого входят портландцемент, молотый кварцевый песок особой грануляции и ряд химических активирующих добавок. Для заполнения трещин и каверн используют пенекрит. Раствор Пенетрона под действием осмотического давления глубоко проникает в бетон по капиллярам. В результате реакций образуются кристаллы, которые кольматируют капилляры и усадочные трещины с вытеснением воды.

С целью восстановления монолитности железобетонных конструкций применяется глубинное инъекцирование эпоксидных клеев в трещины. Вязкость клея позволяет заполнить трещины раскрытием более 0,1 мм при давлении до 120 атм.

Совершенствование проектных решений. Методы проектирования зданий и сооружений совершенствуются по следующим направлениям:

• учет пространственного характера работы зданий или сооружений;
• максимальное приближение расчетной схемы к действительной;
• расчет конструкций на всех стадиях работы;

213

• учет специфики материала (усадки, набухания, ползучести и т.п.), ее влияние на несущую способность и напряженно-деформационное состояние;
• более полное использование прочностных свойств материала;
• расчет конструкций и сооружений на этапах строительства и эксплуатации;
• учет влияния неблагоприятных факторов, возникающих при эксплуатации;
• использование готовых блок-программ по расчету конструкций, зданий или сооружений;
• учет возможных изменений технологии производства, инженерно-геологических условий, агрессивности среды, температурно-влажностного режима и т.п.;
• доступность узлов конструкций осмотру, ремонту или замене;
• разработка методов расчета конструкций с местными ослаблениями, возникающими при эксплуатации.

По характеру разрушения (тип макротрещин, их расположение, направление и сочетание) можно представить вид предшествующего напряженно-деформированного состояния, основные параметры разрушающего воздействия. Приведем пример.

Проф. С.Б. Смирнов установил [121] несоответствие между характером сейсмических разрушений зданий и "колебательной" концепцией их появления (рис. 7.1). Согласно этой концепции причиной разрушения являются вынужденные колебания дисков перекрытий, вызванные колебаниями грунта. Характер колебаний определяется приборами-сейсмографами, принцип работы которых также основан на "колебательной" доктрине. В каркасных зданиях наблюдаются не изгибные, а сдвиговые разрушения. В стенах с проемами вместо изгибных горизонтальных трещин у концов простенков (по принятой теории) возникают косые и крестовые трещины по диагоналям простенков и перемычек.

214

Взамен общепринятой предлагается ударно-волновая концепция сейсмического разрушения, согласно ей разрушения происходят от ударных сейсмических импульсов и волн. Современные приборы фиксируют не колебания грунта, а лишь свои собственные, вызванные мгновенными ударными импульсами. В соответствии с ударно-волновой теорией разработаны принципы сейсмозащиты от воздействия ударных волн сдвига. Применительно к новой концепции разрушения разработаны меры защиты от ударных сейсмических импульсов:

• отказ от подвальных помещений;
• отказ от массивных фундаментов и от земляных работ нулевого цикла, нарушающих цельность грунтового массива;
• запрет на строительство в зонах, где проходят "волноводы";
• использование только свайных фундаментов с выступающими из земли оголовками, защищенных от среза стальными обоймами;
• введение сейсмоизолирующих толстых надземных фундаментных плит на песчаной подушке или на выступающих концах свай;
• отказ от использования хрупких строительных материалов.

Если гипотеза проф. С.Б. Смирнова будет подтверждена, то следует изменить всю измерительную аппаратуру, разработать новые нормы проектирования и строительства.

С ростом городов и реконструкцией центральной части возникает необходимость возведения зданий повышенной этажности. Из монолитных и сборно-монолитных конструкций возводятся, как правило, здания до 50 этажей. Здания большей этажности возводятся в металлическом каркасе. При высоте более 100 м величина ветровой нагрузки зависит от формы здания. Под руководством П.Ф.Дроздова разработана теория расчета железобетонных многоэтажных зданий. Экспериментально и теоретически доказано, что образование трещин в ригелях и перемычках существенно сказывается на всей несущей системе в целом.

Отмечается [Б.Ж., 1995, №2] необходимость перехода в расчетах конструкций от коэффициентов условий работы к функциям, отражающим деградацию сооружения в зависимости от структурных, масштабных, технологических и эксплуатационных факторов.

Основными требованиями, предъявляемыми к материалам, являются следующие: однородность, стабильность свойств во времени, малая чувствительность к перегрузкам, к концентрации напряжений, к надрезу; хорошие технологические свойства (наименьшие начальные напряжения, напряжения от усадки, легкость получения изделий из металла); хорошие эксплуатационные качества, высокая конструкционная прочность.

При разработке конструктивного решения здания или сооружения в отдельных случаях необходима проверка общей местной устойчивости при возможных отказах (выход из строя несущей конструкции, расстройство стыкового сопряжения, локальное ослабление основания).

Полагают [Б.Ж., 1997, №2], что следующим этапом развития теории и методов расчета железобетона и железобетонных конструкций станет

215

переход на совместное применение деформационного и прочностного критериев разрушения [71].

216

---