Причины характерных дефектов и повреждений конструкций жилых зданий
В возведенных за последние годы монолитных и кирпичных зданиях повышенной этажности выявлено значительное количество повреждений несущих конструкций. В строящихся жилых домах дефекты критического и предаварийного уровня практически не снижаются.
Проведенный научно-экспертно-обследовательским и проектно-производственным предприятием "Стройнаука" анализ причин систематических повреждений, выявленных за последние 5 лет на строящихся и эксплуатируемых объектах, показывает, что дефекты имеют системный характер и около 40-50% их обусловлено недоработками конструктивных решений, традиционно "тиражируемых" в проектной документации.
В частности, по причине проектных ошибок в начале 1998 г. возникла предаварийная ситуация на находящемся в стадии строительства 13-этажном кирпичном жилом доме в г. Минске.
Почти в каждом из обследованных НЭОППП "Стройнаука" зданий выявлены трещины в стеновых конструкциях, в том числе в сжатых элементах, в которых нормами образование трещин не допускается. Установлено, что в большинстве случаев раскрытие трещин имеет циклический характер и связано с годовыми сезонными изменениями температуры. В домах с небольшими размерами в плане указанные дефекты образуются преимущественно на верхних этажах. В протяженных стеновых конструкциях (порядка 60 м и более) трещины можно наблюдать преимущественно в цокольной части зданий и по торцам длиномерных железобетонных конструкций. Предложенные ранее рекомендации для "лечения" жилых домов оказались неэффективными: стягивание остовов зданий стальными тяжами в ряде случаев не обосновывалось расчетами и не достигало цели, рекомендации зачеканивать трещины цементным раствором не учитывали механизм их образования и сезонность раскрытия, а утепление помещений изнутри резко ухудшало ситуацию.
В качестве примеров повреждения жилых зданий трещинами можно привести практически все 16-22-этажные дома башенного типа из керамзитобетона и ряд 12-15-этажных домов из эффективного кирпича. Трещины в кирпичной кладке часто образуются в зонах опирания железобетонных или металлических пролетных элементов. Например, под 12-метровыми железобетонными балками перекрытия арочного проезда в кирпичном доме по ул. Богдановича-Некрасова произошел опасный разрыв армированной кладки.
При обследовании строящегося 13-этажного кирпичного жилого дома по ул. Воронянского обнаружено, что после воздействия морозов в наиболее напряженных простенках 1-го и 2-го этажей появились трещины вертикальной ориентации и отколы, характерные для стадии разрушения кладки. Указанные простенки оказались в предаварийном состоянии.
Результаты многочисленных натурных обследований, инженерных расчетов и теоретических исследований с использованием новых компьютерных технологий убедительно свидетельствуют, что многие кирпичные здания повышенной этажности имеют заниженный по отношению к нормируемому уровень прочностной надежности. Построенные монолитные дома, как правило, имели дефекты, которые недопустимо снижали эксплуатационные качества жилья. В зону риска указанные объекты вошли в результате наслоения многих причин.
В большинстве случаев наиболее негативные последствия вызывает несовершенство применяемых конструктивных схем зданий.
Кроме того, снижают требуемый уровень надежности многочисленные факторы. Например, для каменных зданий характерны следующие: в кирпичных зданиях повышенной этажности средний уровень вертикальных сжимающих напряжений увеличился в 2-3 раза по сравнению со зданиями высотой до 5 этажей. При этом стали более ощутимо проявляться касательные и растягивающие напряжения, вызванные разной нагруженностью стен и температурными воздействиями; резко сократились резервы прочности стеновых материалов из-за назначения толщин стен не по конструктивным или теплотехническим требованиям, а на основании прочностных расчетов; с применением для несущих элементов керамического щелевого кирпича и растворов высоких марок увеличилась "хрупкость" кладки; из-за многочисленных пустот уменьшился эффект, связанный с возникновением двух- и трехосного сжатия в больших стеновых массивах. Увеличилось количество концентраторов напряжений в материале. Относительная прочность кладки из щелевого кирпича при растяжении снизилась по отношению к кладке из полнотелого кирпича; с ростом количества этажей увеличиваются силы трения и защемления опор железобетонных элементов в стенах здания, что исключает "проскальзывание" пролетных элементов на опорах при изменении температурных деформаций и приводит к образованию дополнительных трещин в кладке под торцами железобетонных плит, прогонов, перемычек, то есть уже на стадии возведения накапливаются начальные повреждения в наиболее нагруженных элементах зданий; действующие нормативные документы не содержат прямых указаний по учету перечисленных выше факторов или предлагают их учитывать с погрешностью порядка 100 % (например, при определении вертикальных деформаций стен вообще не учитываются температурные воздействия).
Анализ проектных решений и натурные обследования зданий, возведенных в 1990-1997 годах, показали, что подавляющее большинство конструктивных решений жилых домов принято без должного расчетного обоснования. В процессе обследований объектов в связи с возникшими повреждениями выяснилось, например, что проектные расчеты стен ряда 9-15 этажных кирпичных домов сводились к проверке прочности кладки условно вычлененных из остова простенков и сбору нагрузок на фундаменты. Во всех проанализированных случаях проектные решения не обосновывались расчетами стеновых конструкций в пространственной постановке задачи с учетом температурных воздействий, с оценкой критериев прочностных характеристик материалов при двух- и трехкомпонентном напряженном состоянии. Здания повышенной этажности из монолитного бетона и кирпича, особенно в случаях устройства эффективной теплоизоляции стен, требуют новых подходов к проектированию и к качеству строительных работ. Получен ряд подтверждений необходимости изменения принципов расчета и конструирования таких объектов, в первую очередь связанных с правильным учетом при проектировании температурных воздействий.
Современные технологии исследований - путь к решению проблемы
Учитывая многолетнее запаздывание научных исследований в указанной области, НЭОППП "Стройнаука" сочла приоритетным решение названных проблем и с 1993 г. проводит комплексные натурные и теоретические исследования по данному направлению. За это время освоена технология компьютерных исследований монолитных и каменных домов повышенной этажности, оболочек, других конструкций, позволяющая рассчитывать сложные статически неопределимые системы зданий в целом, осуществлять более корректный учет совместного проявления основных нагрузок и температурных воздействий, получать все компоненты напряженного состояния материалов в любой точке, наглядные картины деформирования конструкций, требуемое армирование строительных элементов. При необходимости проводится более глубокий расчетный анализ влияния пластических деформаций, трещин, неравномерной осадки фундаментов и т.д. Результаты расчетов обобщаются в цветной графике в виде картин деформирования остова и деформаций отдельных элементов и узлов, полей и изолинии напряжений с выявлением зон максимальных напряжений и прогнозируемых трещин, полей требуемого армирования стен, поясов жесткости и других элементов. Методика исследований адаптирована к требованиям строительных нормативных документов, действующих в Республике Беларусь.
Особое внимание уделено многофакторному тестированию применяемых расчетных технологий на простых примерах и известных классических задачах, сопоставлению разных расчетных программ, сравнению полученных при компьютерных исследованиях экстремальных значений напряжений с качественной картиной образования трещин на реальных строительных объектах, а также с опубликованными результатами испытания конструкций.
Указанное направление исследований совпадает с мировыми тенденциями в области строительного проектирования. По техническим возможностям и глубине проведения расчетов освоенные компьютерные технологии опережают имеющиеся в проектных институтах и научных организациях РБ. Решенные задачи по основным параметрам соразмерны с уровнем публикаций в ведущих зарубежных изданиях по данной области за 1996-1997 гг.
Известно, что методика расчета по СНиП II-22-81 ориентирует на ручные методы расчета, на раздельный учет ряда нагрузок и воздействий, допускает условное "расчленение" конструкций на простые элементы. При таком упрощении прочностные расчеты осуществляются не по внутренним усилиям, а по условно собранным нагрузкам без учета их перераспределения, температурных и других составляющих.
Достигнутый уровень компьютерных технологий позволяет устранить эти недостатки. Одним из важнейших достоинств технологии компьютерных исследований, которой располагает НЭОППП "Стройнаука", является возможность выполнения пространственных расчетов остова здания в целом при одновременном учете сочетаний нагрузок, природных и техногенных воздействий или возможность анализировать влияние отдельных воздействий.
Использование современных технологий при расчетах кирпичных и монолитных зданий позволяет выявлять зоны наибольших растягивающих напряжений в строительных конструкциях, предсказывать места возможного образования трещин в стенах и определять требуемое армирование в таких зонах. Наличие всех компонентов напряжений дает возможность более правильно назначать прочностные параметры материалов в сжатых элементах и в зонах передачи больших сосредоточенных нагрузок.
Учет перераспределения усилий между вертикальными несущими элементами при пространственных расчетах позволяет более обоснованно назначать нагрузки на фундаменты зданий, не допускать перенапряжения в фундаментных плитах вследствие перераспределения нагрузок между отдельными стенами, что встречалось на практике, так как проектирование фундаментов традиционно выполнялось по условным грузовым площадям.
С освоением компьютерных технологий появилась возможность моделировать испытания работы остовов зданий, выявлять наглядную картину поведения их конструкций, анализировать особенности деформирования как отдельных участков стен, так и остова в целом, оценивать и дополнять данные натурных обследований, решать широкий круг оптимизационных задач.
Опираясь на результаты натурных обследований зданий и численные исследования, Стройнаука выявила серьезные недостатки в области проектирования каменных и монолитных зданий, а также в соответствующих нормативных документах.
Характерные недоработки проектных решений
К наиболее значимым последствиям в анализируемых случаях приводили следующие проектные несовершенства.
Необоснованные усложнения архитектурных форм, вызывающие ущербность конструктивных схем, несопоставимость поэтажных планировок, при которых стены ослабляются из-за неблагоприятного расположения проемов, отверстий, ниш и штраб, врезкой вентблоков. Нерегулярная система проемов и ослаблений по высоте зданий вызывает нежелательные в кладочных материалах срез, изгиб и растяжение. Не отвечают правилам конструирования принципы анкеровки многопустотных плит перекрытий.
Обычно ситуация усугубляется некорректным выбором расчетных моделей и методов расчета основных несущих элементов зданий (неверной оценкой реальных жесткостей строительных конструкций и узлов их сопряжения, недостаточно полным учетом физических и геометрических эксцентриситетов приложения нагрузок, неучетом стадийности загружения и др.). Многократно встречались случаи неудачного решения зон передачи на кладку больших сосредоточенных нагрузок, сопряжения с остовом незащищенных элементов типа стенок-балок, пилонов большой жесткости и др. В практике проектирования остовов с такими элементами недопустимо использовать упрощенные приемы, при которых расчет сводится к проверке одного из прочностных компонентов для условно вырезанных элементов. Сложное напряженное состояние возникает в кирпичных и монолитных зданиях при размещении за пределами наружных стен отдельно стоящих железобетонных или металлических стоек с передачей на них нагрузок от консольно-нависающих этажей, эркеров, лоджий и т.п. Из-за разных температурных деформаций в таких случаях обычно возникают трещины в опирающихся на стойки стеновых конструкциях. На 15-этажном жилом доме в г. Минске по этой причине образовались трещины в эркерах, опирающихся на внешние стойки.
При проектировании утеплённых стен допускаются многочисленные переходы от защищенных конструкций к открытым, наличие "мостиков холода", применение открытых для резкого охлаждения (укорочения) конструкций, совместно работающих с утепленным остовом, а также применение трехслойных стен с жесткими связями. Трещины температурного происхождения, например, характерны для парапетов.
Неблагоприятное напряженно-деформированное состояние возникает в зоне контакта холодных бетонных стен цоколя с утепленными снаружи вышележащими стенами, даже при малой длине температурных блоков.
Часто дефекты зданий связанны с недостаточной проработкой в проектах вопросов стадийности возведения секций. Это связано с некорректным учетом взаимного влияния смежных зданий или их частей, возводимых со значительной разбежкой по времени и поэтапным нагружением, применением ударных и вибрационных технологий при устройстве свайных фундаментов, а также закладке котлованов вблизи построенных объектов без должных защитных мероприятий.
К основным причинам систематических дефектов необходимо отнести и использование некачественных материалов ( например, кирпича и бетона недостаточной морозостойкости) либо использование материалов не по назначению, например применение прокладочного рубероида на картонной основе в качестве покровного слоя без дополнительной защиты. Недоработки такого типа являются следствием фрагментальных познаний нормативных требований и отсутствия доступной информационной базы на современных носителях.
Важнейшим отрицательным фактором, многократно увеличивающим расходы на эксплуатацию конструкций и зданий в целом, является традиционное игнорирование приемов конструктивной защиты. Дефекты карнизов, отмосток, неорганизованный сброс воды со скатных кровель (в том числе и на плоские козырьки над входами). Отвод воды с кровли через лотки в парапетах. Некачественная гидроизоляция подвалов, отсутствие пароизоляции по внутренним поверхностям сантехнических помещений и, наоборот, паронепроницаемая отделка наружных поверхностей стен, систематические дефекты устройства эксплуатируемых крыш (под проездами, террасами и др.). Традиционно низко качество защиты деревянных конструкций, устройства деформационных швов, примыканий кровель, заделки швов между панелями, антикоррозийной защиты закладных и соединительных деталей, маслозащиты перекрытий и др.
Несовершенства нормативных документов
Значительную часть проектных дефектов порождают недоработки нормативных документов. Основные недостатки норм проектирования каменных и армокаменных конструкций (СНиП II-22-81) обусловлены применением упрощенных расчетов кладки без обязательного совместного учета основных факторов. (Так, при фактическом двухосном или трехосном напряженном состоянии расчет производится всего лишь на одноосное сжатие.) При этом допускается некорректное определение деформированного (и соответственно напряженного) состояния разнонагруженных сопряженных стен, а также недостаточно корректный учет температурных воздействий. Схожие просчеты присущи и "Пособию по проектированию жилых зданий" (к СНиП 2.08.01-85).
Приведем несколько примеров внутренних противоречий и несовершенств СНиП II-22-81 и пособия к нему.
Нормы проектирования каменных конструкций, с одной стороны, не допускают раскрытия трещин в наиболее ответственных неармированных сжатых элементах, с другой стороны, содержат расчетные рекомендации, приводящие к большой вероятности образования таких трещин. В нормах четко не отражено, к предельным состояниям какой группы следует относить расчеты кладки на температурные воздействия. Не учитывается влияние температуры в рекомендациях по расчету жестких связей многослойных стен и т.д.
Нормы разрешают не учитывать влияние температуры на стадии возведения объектов и при вводе их в эксплуатацию. В то же время температурные повреждения конструкций чаще происходят именно на стадии возведения объектов, а их влияние сказывается в основном на стадии эксплуатации.
Например, выявлена закономерность образования и раскрытия трещин в местах опирания на кирпичную кладку длинномерных железобетонных элементов из-за их укорочения при резком похолодании.
Такие трещины можно наблюдать в кирпичной кладке под плитами лоджий.
Отмеченный факт подтверждает недорабоки проектов и нормативной документации и свидетельствует о пониженной надежности кирпичных зданий в результате массовых температурных повреждений кирпичной кладки в зонах опирания длинномерных элементов.
В примерах по проектированию каменных и монолитных зданий не содержится указаний по проведению расчетов конструкций на температурные воздействия в вертикальном направлении. Однако именно вертикальные температурные деформации являются основной причиной характерных повреждений монолитных домов из керамзитобетона.
В нормах содержатся расчетные и конструктивные рекомендации, направленные на обеспечение совместной работы элементов в зонах сопряжения разнонагруженных стен многоэтажных зданий. Однако нормативная методика базируется на условном разделении смежных стен и сопоставлении свободных деформаций каждого участка при действии только вертикальных нагрузок. Точность такой методики невелика. Значительно более высокую точность дает пространственный конечноэлементный расчет с одновременным учетом температурных воздействий. Оценка уровней касательных и растягивающих напряжений в стенах позволяет адресно назначать кладочное армирование и параметры поясов жесткости.
В нормативных документах недостаточно корректно изложены конструктивные требования к учету шага поперечного армирования кладки. Максимальный шаг арматурных сеток не увязан с толщиной стен. Не содержатся указания по размещению верхней и нижней сеток в армируемых элементах. Для обеспечения требуемых значений расчетных сопротивлений армированной кладки следует шаг поперечных арматурных сеток назначать не более минимального поперечного размера армируемого элемента и предусматривать обязательную укладку арматурных сеток как под, так и над опорами плит перекрытий, прогонов, перемычек других железобетонных пролетных конструкций.
С учетом вышеизложенного разработаны и апробированы уточнения нормативной методики расчетов, которые могут быть предложены для внесения в качестве дополнений к нормативной документации.
Недостатки ведения строительных работ и эксплуатации
Значительное снижение нормируемого уровня надежности строительных объектов вплоть до создания аварийных ситуаций обусловлено дефектами изготовления, транспортировки и монтажа конструкций.
Чаще нарушаются геометрические допуски изготовления и монтажа строительных элементов, происходят несвоевременная установка связей и сварка арматурных выпусков железобетонных изделий, нарушение проектного армирования, завышается водоцементное соотношение бетона, вследствие чего занижаются его прочностные характеристики, допускается укладка раствора после схватывания. Характерными являются нарушения выполнения антикоррозионной защиты конструкций, их консервации на период технологических перерывов и т.д.
Среди причин неудовлетворительного качества строительства следует выделить проблему низкой морозостойкости материалов. Бетоны практически не заказываются и не контролируются по морозостойкости. Кирпич выпускается с морозостойкостью, примерно в 2 раза ниже среднеевропейского уровня. В основном из-за этого требуют повышенных эксплуатационных расходов практически все ранее облицованные фасадные поверхности.
Много проблем возникает при выполнении зимней кладки методом замораживания. Велика вероятность чрезмерных поворотов консольно защемленных в кладке элементов в момент ее оттаивания, поэтому консольные элементы до полного набора прочности кладки требуют страховки. Имеют место факты игнорирования тепловой защиты монолитного бетона при его электропрогреве в зимних условиях.
В последние годы заметна заинтересованность строителей в повышении качества возводимых объектов. Ряд научно исследовательских работ выполнено по заказам КПП "Минск-
промстрой", Минскпроекта, Минскстроя. Существенную организационную роль в исследованиях по выявлению и устранению строительных де-фектов внесло Управление Гос-стройнадзора и Комитет по надзору за ведением стро-ительных работ.
С усложнением строительных обьектов повышается вероятность существенных повреждений вследствие нарушений нормальных условий их эксплуатации. В последнее время участились случаи перепланировки квартир многоэтажных зданий с удалением части несущих конструкций, порой без предшествующего обследования и квалифицированной расчетной оценки возможности таких реконструкций. Такие действия могут привести к самым серьезным последствиям.
Наибольшую опасность представляет неблагоприятное сочетание проектных ошибок с дефектами выполнения строительно-монтажных работ и нарушениями условий эксплуатации зданий.
Выводы
Практически все обследованные кирпичные и монолитные дома выше 9 этажей имели пониженную эксплуатационную надежность. На ряде объектов выявлены повреждения и недопустимые дефекты стеновых конструкций, как правило, вызванные чрезмерными деформациями (как вертикальными, так и горизонтальными) преимущественно температурной природы. Неудачные решения применяются порой многие годы. Сложившаяся ситуация указывает на необходимость значительно повысить качество проектирования, экспертизы проектов и выполнения строительно-монтажных работ. В связи с изложенным на данном этапе рекомендуется следующее.
Расчет зданий с кирпичными и монолитными стенами необходимо выполнять в пространственной постановке задачи с учетом температурных воздействий. При проектировании зданий свыше 5 этажей не следует применять упрощенные способы расчета, как это предлагается, например, в пособиях к СНиП II-22-81 и к СНиП 2.08.01-85.
Для определения деформаций, усилий и напряжений в элементах зданий рекомендуется применять метод конечных элементов с использованием апробированных предложений по оценке жесткостных характеристик основных элементов.
При прочностных расчетах элементов монолитных и кирпичных зданий рекомендуется использовать критерии прочности материалов, соответствующие сложнонапряженному состоянию (двухосному).
Целесообразно ввести в практику проектирования ответственных объектов анализ напряженно-деформированного состояния их конструктивных систем в целом, с использованием современных компьютерных технологий для "испытаний "уже на стадии проектирования работы остова, что позволит оптимизировать принимаемые конструктивные решения и повысить их надежность.
Для зданий повышенной этажности не следует применять конструктивные решения трехслойных стен с "жесткими связями", а также наружных стен с расположением эффективного утеплителя на их внутренней поверхности.
Необходимо пересмотреть принципы проектирования кирпичных остовов с целью уменьшения эффекта разнонагруженности стен или повышения сдвиговой жесткости зон сопряжения таких стен за счет увеличения кладочного армирования на верхних этажах и др., назначать расположение и армирование железобетонных поясов жесткости не из конструктивных соображений, а по расчету.
Остро назрела необходимость доработать рекомендации по защите строительных конструкций от размораживания и коррозии с учетом достигнутых технологий в этой области.
До внесения изменений в нормативные документы оправданной мерой представляется ограничение этажности и размеров температурных блоков кирпичных и монолитных зданий.
Александр ЛАПЧИНСКИЙ
Проведенный научно-экспертно-обследовательским и проектно-производственным предприятием "Стройнаука" анализ причин систематических повреждений, выявленных за последние 5 лет на строящихся и эксплуатируемых объектах, показывает, что дефекты имеют системный характер и около 40-50% их обусловлено недоработками конструктивных решений, традиционно "тиражируемых" в проектной документации.
В частности, по причине проектных ошибок в начале 1998 г. возникла предаварийная ситуация на находящемся в стадии строительства 13-этажном кирпичном жилом доме в г. Минске.
Почти в каждом из обследованных НЭОППП "Стройнаука" зданий выявлены трещины в стеновых конструкциях, в том числе в сжатых элементах, в которых нормами образование трещин не допускается. Установлено, что в большинстве случаев раскрытие трещин имеет циклический характер и связано с годовыми сезонными изменениями температуры. В домах с небольшими размерами в плане указанные дефекты образуются преимущественно на верхних этажах. В протяженных стеновых конструкциях (порядка 60 м и более) трещины можно наблюдать преимущественно в цокольной части зданий и по торцам длиномерных железобетонных конструкций. Предложенные ранее рекомендации для "лечения" жилых домов оказались неэффективными: стягивание остовов зданий стальными тяжами в ряде случаев не обосновывалось расчетами и не достигало цели, рекомендации зачеканивать трещины цементным раствором не учитывали механизм их образования и сезонность раскрытия, а утепление помещений изнутри резко ухудшало ситуацию.
В качестве примеров повреждения жилых зданий трещинами можно привести практически все 16-22-этажные дома башенного типа из керамзитобетона и ряд 12-15-этажных домов из эффективного кирпича. Трещины в кирпичной кладке часто образуются в зонах опирания железобетонных или металлических пролетных элементов. Например, под 12-метровыми железобетонными балками перекрытия арочного проезда в кирпичном доме по ул. Богдановича-Некрасова произошел опасный разрыв армированной кладки.
При обследовании строящегося 13-этажного кирпичного жилого дома по ул. Воронянского обнаружено, что после воздействия морозов в наиболее напряженных простенках 1-го и 2-го этажей появились трещины вертикальной ориентации и отколы, характерные для стадии разрушения кладки. Указанные простенки оказались в предаварийном состоянии.
Результаты многочисленных натурных обследований, инженерных расчетов и теоретических исследований с использованием новых компьютерных технологий убедительно свидетельствуют, что многие кирпичные здания повышенной этажности имеют заниженный по отношению к нормируемому уровень прочностной надежности. Построенные монолитные дома, как правило, имели дефекты, которые недопустимо снижали эксплуатационные качества жилья. В зону риска указанные объекты вошли в результате наслоения многих причин.
В большинстве случаев наиболее негативные последствия вызывает несовершенство применяемых конструктивных схем зданий.
Кроме того, снижают требуемый уровень надежности многочисленные факторы. Например, для каменных зданий характерны следующие: в кирпичных зданиях повышенной этажности средний уровень вертикальных сжимающих напряжений увеличился в 2-3 раза по сравнению со зданиями высотой до 5 этажей. При этом стали более ощутимо проявляться касательные и растягивающие напряжения, вызванные разной нагруженностью стен и температурными воздействиями; резко сократились резервы прочности стеновых материалов из-за назначения толщин стен не по конструктивным или теплотехническим требованиям, а на основании прочностных расчетов; с применением для несущих элементов керамического щелевого кирпича и растворов высоких марок увеличилась "хрупкость" кладки; из-за многочисленных пустот уменьшился эффект, связанный с возникновением двух- и трехосного сжатия в больших стеновых массивах. Увеличилось количество концентраторов напряжений в материале. Относительная прочность кладки из щелевого кирпича при растяжении снизилась по отношению к кладке из полнотелого кирпича; с ростом количества этажей увеличиваются силы трения и защемления опор железобетонных элементов в стенах здания, что исключает "проскальзывание" пролетных элементов на опорах при изменении температурных деформаций и приводит к образованию дополнительных трещин в кладке под торцами железобетонных плит, прогонов, перемычек, то есть уже на стадии возведения накапливаются начальные повреждения в наиболее нагруженных элементах зданий; действующие нормативные документы не содержат прямых указаний по учету перечисленных выше факторов или предлагают их учитывать с погрешностью порядка 100 % (например, при определении вертикальных деформаций стен вообще не учитываются температурные воздействия).
Анализ проектных решений и натурные обследования зданий, возведенных в 1990-1997 годах, показали, что подавляющее большинство конструктивных решений жилых домов принято без должного расчетного обоснования. В процессе обследований объектов в связи с возникшими повреждениями выяснилось, например, что проектные расчеты стен ряда 9-15 этажных кирпичных домов сводились к проверке прочности кладки условно вычлененных из остова простенков и сбору нагрузок на фундаменты. Во всех проанализированных случаях проектные решения не обосновывались расчетами стеновых конструкций в пространственной постановке задачи с учетом температурных воздействий, с оценкой критериев прочностных характеристик материалов при двух- и трехкомпонентном напряженном состоянии. Здания повышенной этажности из монолитного бетона и кирпича, особенно в случаях устройства эффективной теплоизоляции стен, требуют новых подходов к проектированию и к качеству строительных работ. Получен ряд подтверждений необходимости изменения принципов расчета и конструирования таких объектов, в первую очередь связанных с правильным учетом при проектировании температурных воздействий.
Современные технологии исследований - путь к решению проблемы
Учитывая многолетнее запаздывание научных исследований в указанной области, НЭОППП "Стройнаука" сочла приоритетным решение названных проблем и с 1993 г. проводит комплексные натурные и теоретические исследования по данному направлению. За это время освоена технология компьютерных исследований монолитных и каменных домов повышенной этажности, оболочек, других конструкций, позволяющая рассчитывать сложные статически неопределимые системы зданий в целом, осуществлять более корректный учет совместного проявления основных нагрузок и температурных воздействий, получать все компоненты напряженного состояния материалов в любой точке, наглядные картины деформирования конструкций, требуемое армирование строительных элементов. При необходимости проводится более глубокий расчетный анализ влияния пластических деформаций, трещин, неравномерной осадки фундаментов и т.д. Результаты расчетов обобщаются в цветной графике в виде картин деформирования остова и деформаций отдельных элементов и узлов, полей и изолинии напряжений с выявлением зон максимальных напряжений и прогнозируемых трещин, полей требуемого армирования стен, поясов жесткости и других элементов. Методика исследований адаптирована к требованиям строительных нормативных документов, действующих в Республике Беларусь.
Особое внимание уделено многофакторному тестированию применяемых расчетных технологий на простых примерах и известных классических задачах, сопоставлению разных расчетных программ, сравнению полученных при компьютерных исследованиях экстремальных значений напряжений с качественной картиной образования трещин на реальных строительных объектах, а также с опубликованными результатами испытания конструкций.
Указанное направление исследований совпадает с мировыми тенденциями в области строительного проектирования. По техническим возможностям и глубине проведения расчетов освоенные компьютерные технологии опережают имеющиеся в проектных институтах и научных организациях РБ. Решенные задачи по основным параметрам соразмерны с уровнем публикаций в ведущих зарубежных изданиях по данной области за 1996-1997 гг.
Известно, что методика расчета по СНиП II-22-81 ориентирует на ручные методы расчета, на раздельный учет ряда нагрузок и воздействий, допускает условное "расчленение" конструкций на простые элементы. При таком упрощении прочностные расчеты осуществляются не по внутренним усилиям, а по условно собранным нагрузкам без учета их перераспределения, температурных и других составляющих.
Достигнутый уровень компьютерных технологий позволяет устранить эти недостатки. Одним из важнейших достоинств технологии компьютерных исследований, которой располагает НЭОППП "Стройнаука", является возможность выполнения пространственных расчетов остова здания в целом при одновременном учете сочетаний нагрузок, природных и техногенных воздействий или возможность анализировать влияние отдельных воздействий.
Использование современных технологий при расчетах кирпичных и монолитных зданий позволяет выявлять зоны наибольших растягивающих напряжений в строительных конструкциях, предсказывать места возможного образования трещин в стенах и определять требуемое армирование в таких зонах. Наличие всех компонентов напряжений дает возможность более правильно назначать прочностные параметры материалов в сжатых элементах и в зонах передачи больших сосредоточенных нагрузок.
Учет перераспределения усилий между вертикальными несущими элементами при пространственных расчетах позволяет более обоснованно назначать нагрузки на фундаменты зданий, не допускать перенапряжения в фундаментных плитах вследствие перераспределения нагрузок между отдельными стенами, что встречалось на практике, так как проектирование фундаментов традиционно выполнялось по условным грузовым площадям.
С освоением компьютерных технологий появилась возможность моделировать испытания работы остовов зданий, выявлять наглядную картину поведения их конструкций, анализировать особенности деформирования как отдельных участков стен, так и остова в целом, оценивать и дополнять данные натурных обследований, решать широкий круг оптимизационных задач.
Опираясь на результаты натурных обследований зданий и численные исследования, Стройнаука выявила серьезные недостатки в области проектирования каменных и монолитных зданий, а также в соответствующих нормативных документах.
Характерные недоработки проектных решений
К наиболее значимым последствиям в анализируемых случаях приводили следующие проектные несовершенства.
Необоснованные усложнения архитектурных форм, вызывающие ущербность конструктивных схем, несопоставимость поэтажных планировок, при которых стены ослабляются из-за неблагоприятного расположения проемов, отверстий, ниш и штраб, врезкой вентблоков. Нерегулярная система проемов и ослаблений по высоте зданий вызывает нежелательные в кладочных материалах срез, изгиб и растяжение. Не отвечают правилам конструирования принципы анкеровки многопустотных плит перекрытий.
Обычно ситуация усугубляется некорректным выбором расчетных моделей и методов расчета основных несущих элементов зданий (неверной оценкой реальных жесткостей строительных конструкций и узлов их сопряжения, недостаточно полным учетом физических и геометрических эксцентриситетов приложения нагрузок, неучетом стадийности загружения и др.). Многократно встречались случаи неудачного решения зон передачи на кладку больших сосредоточенных нагрузок, сопряжения с остовом незащищенных элементов типа стенок-балок, пилонов большой жесткости и др. В практике проектирования остовов с такими элементами недопустимо использовать упрощенные приемы, при которых расчет сводится к проверке одного из прочностных компонентов для условно вырезанных элементов. Сложное напряженное состояние возникает в кирпичных и монолитных зданиях при размещении за пределами наружных стен отдельно стоящих железобетонных или металлических стоек с передачей на них нагрузок от консольно-нависающих этажей, эркеров, лоджий и т.п. Из-за разных температурных деформаций в таких случаях обычно возникают трещины в опирающихся на стойки стеновых конструкциях. На 15-этажном жилом доме в г. Минске по этой причине образовались трещины в эркерах, опирающихся на внешние стойки.
При проектировании утеплённых стен допускаются многочисленные переходы от защищенных конструкций к открытым, наличие "мостиков холода", применение открытых для резкого охлаждения (укорочения) конструкций, совместно работающих с утепленным остовом, а также применение трехслойных стен с жесткими связями. Трещины температурного происхождения, например, характерны для парапетов.
Неблагоприятное напряженно-деформированное состояние возникает в зоне контакта холодных бетонных стен цоколя с утепленными снаружи вышележащими стенами, даже при малой длине температурных блоков.
Часто дефекты зданий связанны с недостаточной проработкой в проектах вопросов стадийности возведения секций. Это связано с некорректным учетом взаимного влияния смежных зданий или их частей, возводимых со значительной разбежкой по времени и поэтапным нагружением, применением ударных и вибрационных технологий при устройстве свайных фундаментов, а также закладке котлованов вблизи построенных объектов без должных защитных мероприятий.
К основным причинам систематических дефектов необходимо отнести и использование некачественных материалов ( например, кирпича и бетона недостаточной морозостойкости) либо использование материалов не по назначению, например применение прокладочного рубероида на картонной основе в качестве покровного слоя без дополнительной защиты. Недоработки такого типа являются следствием фрагментальных познаний нормативных требований и отсутствия доступной информационной базы на современных носителях.
Важнейшим отрицательным фактором, многократно увеличивающим расходы на эксплуатацию конструкций и зданий в целом, является традиционное игнорирование приемов конструктивной защиты. Дефекты карнизов, отмосток, неорганизованный сброс воды со скатных кровель (в том числе и на плоские козырьки над входами). Отвод воды с кровли через лотки в парапетах. Некачественная гидроизоляция подвалов, отсутствие пароизоляции по внутренним поверхностям сантехнических помещений и, наоборот, паронепроницаемая отделка наружных поверхностей стен, систематические дефекты устройства эксплуатируемых крыш (под проездами, террасами и др.). Традиционно низко качество защиты деревянных конструкций, устройства деформационных швов, примыканий кровель, заделки швов между панелями, антикоррозийной защиты закладных и соединительных деталей, маслозащиты перекрытий и др.
Несовершенства нормативных документов
Значительную часть проектных дефектов порождают недоработки нормативных документов. Основные недостатки норм проектирования каменных и армокаменных конструкций (СНиП II-22-81) обусловлены применением упрощенных расчетов кладки без обязательного совместного учета основных факторов. (Так, при фактическом двухосном или трехосном напряженном состоянии расчет производится всего лишь на одноосное сжатие.) При этом допускается некорректное определение деформированного (и соответственно напряженного) состояния разнонагруженных сопряженных стен, а также недостаточно корректный учет температурных воздействий. Схожие просчеты присущи и "Пособию по проектированию жилых зданий" (к СНиП 2.08.01-85).
Приведем несколько примеров внутренних противоречий и несовершенств СНиП II-22-81 и пособия к нему.
Нормы проектирования каменных конструкций, с одной стороны, не допускают раскрытия трещин в наиболее ответственных неармированных сжатых элементах, с другой стороны, содержат расчетные рекомендации, приводящие к большой вероятности образования таких трещин. В нормах четко не отражено, к предельным состояниям какой группы следует относить расчеты кладки на температурные воздействия. Не учитывается влияние температуры в рекомендациях по расчету жестких связей многослойных стен и т.д.
Нормы разрешают не учитывать влияние температуры на стадии возведения объектов и при вводе их в эксплуатацию. В то же время температурные повреждения конструкций чаще происходят именно на стадии возведения объектов, а их влияние сказывается в основном на стадии эксплуатации.
Например, выявлена закономерность образования и раскрытия трещин в местах опирания на кирпичную кладку длинномерных железобетонных элементов из-за их укорочения при резком похолодании.
Такие трещины можно наблюдать в кирпичной кладке под плитами лоджий.
Отмеченный факт подтверждает недорабоки проектов и нормативной документации и свидетельствует о пониженной надежности кирпичных зданий в результате массовых температурных повреждений кирпичной кладки в зонах опирания длинномерных элементов.
В примерах по проектированию каменных и монолитных зданий не содержится указаний по проведению расчетов конструкций на температурные воздействия в вертикальном направлении. Однако именно вертикальные температурные деформации являются основной причиной характерных повреждений монолитных домов из керамзитобетона.
В нормах содержатся расчетные и конструктивные рекомендации, направленные на обеспечение совместной работы элементов в зонах сопряжения разнонагруженных стен многоэтажных зданий. Однако нормативная методика базируется на условном разделении смежных стен и сопоставлении свободных деформаций каждого участка при действии только вертикальных нагрузок. Точность такой методики невелика. Значительно более высокую точность дает пространственный конечноэлементный расчет с одновременным учетом температурных воздействий. Оценка уровней касательных и растягивающих напряжений в стенах позволяет адресно назначать кладочное армирование и параметры поясов жесткости.
В нормативных документах недостаточно корректно изложены конструктивные требования к учету шага поперечного армирования кладки. Максимальный шаг арматурных сеток не увязан с толщиной стен. Не содержатся указания по размещению верхней и нижней сеток в армируемых элементах. Для обеспечения требуемых значений расчетных сопротивлений армированной кладки следует шаг поперечных арматурных сеток назначать не более минимального поперечного размера армируемого элемента и предусматривать обязательную укладку арматурных сеток как под, так и над опорами плит перекрытий, прогонов, перемычек других железобетонных пролетных конструкций.
С учетом вышеизложенного разработаны и апробированы уточнения нормативной методики расчетов, которые могут быть предложены для внесения в качестве дополнений к нормативной документации.
Недостатки ведения строительных работ и эксплуатации
Значительное снижение нормируемого уровня надежности строительных объектов вплоть до создания аварийных ситуаций обусловлено дефектами изготовления, транспортировки и монтажа конструкций.
Чаще нарушаются геометрические допуски изготовления и монтажа строительных элементов, происходят несвоевременная установка связей и сварка арматурных выпусков железобетонных изделий, нарушение проектного армирования, завышается водоцементное соотношение бетона, вследствие чего занижаются его прочностные характеристики, допускается укладка раствора после схватывания. Характерными являются нарушения выполнения антикоррозионной защиты конструкций, их консервации на период технологических перерывов и т.д.
Среди причин неудовлетворительного качества строительства следует выделить проблему низкой морозостойкости материалов. Бетоны практически не заказываются и не контролируются по морозостойкости. Кирпич выпускается с морозостойкостью, примерно в 2 раза ниже среднеевропейского уровня. В основном из-за этого требуют повышенных эксплуатационных расходов практически все ранее облицованные фасадные поверхности.
Много проблем возникает при выполнении зимней кладки методом замораживания. Велика вероятность чрезмерных поворотов консольно защемленных в кладке элементов в момент ее оттаивания, поэтому консольные элементы до полного набора прочности кладки требуют страховки. Имеют место факты игнорирования тепловой защиты монолитного бетона при его электропрогреве в зимних условиях.
В последние годы заметна заинтересованность строителей в повышении качества возводимых объектов. Ряд научно исследовательских работ выполнено по заказам КПП "Минск-
промстрой", Минскпроекта, Минскстроя. Существенную организационную роль в исследованиях по выявлению и устранению строительных де-фектов внесло Управление Гос-стройнадзора и Комитет по надзору за ведением стро-ительных работ.
С усложнением строительных обьектов повышается вероятность существенных повреждений вследствие нарушений нормальных условий их эксплуатации. В последнее время участились случаи перепланировки квартир многоэтажных зданий с удалением части несущих конструкций, порой без предшествующего обследования и квалифицированной расчетной оценки возможности таких реконструкций. Такие действия могут привести к самым серьезным последствиям.
Наибольшую опасность представляет неблагоприятное сочетание проектных ошибок с дефектами выполнения строительно-монтажных работ и нарушениями условий эксплуатации зданий.
Выводы
Практически все обследованные кирпичные и монолитные дома выше 9 этажей имели пониженную эксплуатационную надежность. На ряде объектов выявлены повреждения и недопустимые дефекты стеновых конструкций, как правило, вызванные чрезмерными деформациями (как вертикальными, так и горизонтальными) преимущественно температурной природы. Неудачные решения применяются порой многие годы. Сложившаяся ситуация указывает на необходимость значительно повысить качество проектирования, экспертизы проектов и выполнения строительно-монтажных работ. В связи с изложенным на данном этапе рекомендуется следующее.
Расчет зданий с кирпичными и монолитными стенами необходимо выполнять в пространственной постановке задачи с учетом температурных воздействий. При проектировании зданий свыше 5 этажей не следует применять упрощенные способы расчета, как это предлагается, например, в пособиях к СНиП II-22-81 и к СНиП 2.08.01-85.
Для определения деформаций, усилий и напряжений в элементах зданий рекомендуется применять метод конечных элементов с использованием апробированных предложений по оценке жесткостных характеристик основных элементов.
При прочностных расчетах элементов монолитных и кирпичных зданий рекомендуется использовать критерии прочности материалов, соответствующие сложнонапряженному состоянию (двухосному).
Целесообразно ввести в практику проектирования ответственных объектов анализ напряженно-деформированного состояния их конструктивных систем в целом, с использованием современных компьютерных технологий для "испытаний "уже на стадии проектирования работы остова, что позволит оптимизировать принимаемые конструктивные решения и повысить их надежность.
Для зданий повышенной этажности не следует применять конструктивные решения трехслойных стен с "жесткими связями", а также наружных стен с расположением эффективного утеплителя на их внутренней поверхности.
Необходимо пересмотреть принципы проектирования кирпичных остовов с целью уменьшения эффекта разнонагруженности стен или повышения сдвиговой жесткости зон сопряжения таких стен за счет увеличения кладочного армирования на верхних этажах и др., назначать расположение и армирование железобетонных поясов жесткости не из конструктивных соображений, а по расчету.
Остро назрела необходимость доработать рекомендации по защите строительных конструкций от размораживания и коррозии с учетом достигнутых технологий в этой области.
До внесения изменений в нормативные документы оправданной мерой представляется ограничение этажности и размеров температурных блоков кирпичных и монолитных зданий.
Александр ЛАПЧИНСКИЙ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 17 за 1998 год в рубрике проектирование
