6
Дефекты и повреждения строительных конструкций.
Одним из наиболее часто встречающихся видов дефектов и повреждений каменных, бетонных и железобетонных элементов зданий и сооружений являются трещины. Различают трещины, проявившиеся в железобетонных элементах в процессе изготовления, транспортировки и монтажа, и трещины от эксплуатационных нагрузок и воздействия окружающей среды.
К появившимся в доэксплуатационный период относятся трещины.
усадочные, вызванные быстрым высыханием поверхностного слоя бетона и сокращением объема, а также трещины от набухания бетона.
возникшие из-за неравномерного охлаждения бетона.
вызванные большим гидратационным нагревом при твердении бетона в массивных конструкциях.
технологического происхождения, возникшие в сборных железобетонных элементах в процессе изготовления, доля которых в общем количестве дефектов в сборных железобетонных конструкциях достигает 60.
в сборных железобетонных элементах силового происхождения, вызванные нарушением правил складирования, транспортировки и монтажа, при которых конструкции подвергались силовым воздействиям от собственного веса по схемам, не предусмотренными проектом.
Трещины, появившиеся в эксплуатационный период, можно разделить на следующие виды.
возникшие в результате температурных деформаций из-за нарушений требований устройства температурных швов или ошибок расчета статически неопределимой системы на температурные воздействия.
вызванные неравномерностью осадок грунтового основания, что может быть связано с нарушением требований устройства осадочных деформационных швов, аварийным замачиванием грунтов, проведением земляных работ, в непосредственной близости от фундаментов без обеспечения специальных мер.
силовыми воздействиями, превышающими способность железобетонных элементов воспринимать растягивающие напряжения.
С точки зрения напряженно-деформированного состояния конструкции по влиянию на несущую способность различают трещины.
указывающие на аварийное состояние конструкции.
увеличивающие водопроницаемость бетона (в резервуарах, трубах, стенах подвала.
снижающие долговечность конструкции из-за интенсивной коррозии арматуры (бетона.
не вызывающие опасений в надежности конструкции.
Механизмы разрушения структуры бетона.
Разрушение бетона начинается с разрушения отдельных элементов его структуры, приводя впоследствии к разрушению более крупных структурных объемов.
Можно выделить два исходных механизма разрушения.
Отрыв и сдвиг могут происходить с разрывом зерен заполнителя. Внутризерновые и межзерновые механизмы являются основными в современной статистической теории прочности бетона. Однако под зернами в этом механизме понимают не зерна крупного заполнителя, а некоторые ячейки в структуре бетона, окруженные дефектами, которые могут и не содержать зерен крупного заполнителя. В чистом виде отрывной механизм разрушения реализуется при растяжении, при этом отдельные трещины отрыва, объединяясь в одну, образуют магистральную трещину разрушения.
Чисто сдвиговой механизм разрушения встречается редко, в основном при высоких уровнях трехосного сжатия. В остальных случаях преобладают различные смешанные отрывно-сдвиговые механизмы разрушения.
зигзаг трещины.
ветвления зигзага трещины с включениями клиновидных элементов.
в виде часто расположенных трещин отрыва пересекаемых трещиной сдвига.
тонкие части бетона между трещинами, которые могут разрушаться от потери устойчивости.
Возможны и другие механизмы разрушений.
Магистральная трещина может включать на своем пути различные локальные механизмы разрушения. Обычно чем сложнее и разнообразнее механизм разрушения, тем большими деформациями это разрушение сопровождается. Такие механизмы свойственны сжатию. Процесс разрушения бетона, таким образом, представляется как процесс прогрессирующего разрушения сплошности.
Основные причины появления трещин.
Наиболее характерными причинами, вызывающими появление трещин в железобетонных конструкциях, являются.
перегрузка конструкции, вызывающая перенапряжение сечений элементов или большие деформации.
местная перегрузка участков или сечений конструкций от сосредоточенных сил, передающихся на небольшую зону конструкции.
усадка материалов при высокой температуре и малой влажности, особенно в период изготовления.
нарушение сцепления арматуры с бетоном.
коррозия арматуры.
резкие перепады температуры, в том числе полив раскаленных конструкций водой.
низкая прочность материалов.
нарушения при армировании конструкций: большой шаг стержней, недостаточная анкеровка и т. д.
многократные намокания и промерзания конструкций. Попадание воды в каналы конструкций с последующим ее замерзанием, например, в многопустотные плиты перекрытий.
коррозионное растрескивание в агрессивной среде.
динамические воздействия, вибрация, колебания, удары, взрывы и т. д.
резкие перепады сечений в конструкциях, вырезы, отверстия.
механические повреждения.
биологические повреждения.
Основные характерные трещины в железобетонных элементах.
Исследуя характер распространения и раскрытия видимых трещин, в большинстве случаев можно определить причину их образования, а также оценить техническое состояние конструкции.
Необходимо отметить, что в зависимости от категории трещиностойкости, связанной с условиями эксплуатации, видом (классом) арматуры, напряженным состоянием сечений (растяжение, сжатие) и продолжительностью раскрытия, предельно допустимая ширина раскрытия трещин в условиях неагрессивной среды колеблется от acrc 0,1 до acrc 0,4 мм. Для некоторых типов конструкций образование трещин вообще не допускается.
Различают трещины, проявившиеся в железобетонных конструкциях в процессе изготовления, транспортировки и монтажа, и трещины от эксплуатационных нагрузок и воздействия окружающей среды.
Трещины от силового воздействия обычно располагаются перпендикулярно действию главных растягивающих напряжений.
Усадочные трещины в плоских конструкциях распределяются хаотично по объему, а в конструкциях сложной конфигурации концентрируются в местах элементов (узлы ферм, сопряжения полки и ребер в плитах, двутавровых балках и т. д.
Трещины от коррозии проходят вдоль коррозирующих арматурных стержней.
Характерными трещинами, возникающими в изгибаемых элементах балках, являются.
трещины, перпендикулярные (нормальные) к продольной оси.
трещины вследствие появления растягивающих напряжений в зоне действия максимальных изгибающих моментов.
наклонные к продольной оси, которые вызваны главными растягивающими напряжениями в зоне действия существенных перерезывающих сил и изгибающих моментов.
Нормальные трещины имеют максимальную ширину раскрытия в крайних растянутых волокнах сечения элемента.
Наклонные трещины начинают раскрываться в средней части боковых граней элемента в зоне действия максимальных касательных напряжений, а затем развиваются в сторону растянутой грани.
Раздробление бетона сжатой зоны сечений изгибаемых элементов указывает на исчерпание несущей способности конструкции.
Трещины в балках с обычным армированием.
Характерным для балок является образование нормальных (вертикальных) и наклонных (косых) трещин на боковой поверхности. Причем нормальные трещины возникают в зоне действия наибольших изгибающих моментов, а наклонные наибольших касательных напряжений, вблизи опор.
Картина трещинообразования балок в основном зависит от расчетной схемы, вида поперечного сечения и напряженного состояния.
Нормальные трещины с шириной раскрытия более 0,5 мм обычно свидетельствуют о перегрузке балки или недостаточном ее армировании продольной рабочей арматурой.
Наклонные трещины, особенно в зоне анкеровки рабочей продольной арматуры, считаются наиболее опасными, т. к. могут привести к внезапному обрушению балки.
Трещины в сжатых элементах.
Появление продольных трещин вдоль арматуры в сжатых элементах свидетельствует о разрушениях, связанных с потерей устойчивости (выпучиванием) продольной сжатой арматуры из-за недостаточного количества поперечной (косвенной) арматуры.
Наиболее часто трещины и отслаивание бетона вдоль арматуры железобетонных элементов являются результатом коррозионного разрушения арматуры. В этих случаях происходит нарушение сцепления продольной и поперечной арматуры с бетоном.
Продольные трещины вдоль арматуры с нарушением сцепления ее с бетоном могут быть вызваны и температурными напряжениями при эксплуатации конструкций с систематическим нагревом свыше 300 C или после действия пожара.
Характер трещинообразования ствола железобетонной колонны главным образом зависит от эксцентриситета приложения нагрузки и ее характера. Кроме того, заметное влияние на картину трещинообразования в колоннах оказывают технологические параметры: прочность бетона на сжатие, качество армирования, условия твердения и др.
При больших эксцентриситетах в растянутой зоне сечения могут образовываться широко раскрытые трещины, свидетельствующие о перегрузке колонны или ее недостаточном армировании. При малых эксцентриситетах появляются вертикальные трещины, являющиеся следствием перегрузки колонны или низкого класса бетона. Появление вертикальных силовых трещин часто провоцируется усадочными трещинами, совпадающими с ними по направлению.
Трещины в стропильных фермах.
Трещинообразование в стропильных фермах обусловлено особенностью их статической работы как плоских стержневых конструкций. Соединение элементов фермы в узлах создает предпосылки для концентрации в них разнородных по знаку и характеру напряжений: сжимающих, растягивающих, касательных. В результате концентрации напряжений узлы подвержены наиболее интенсивному трещино.
образованию и требуют значительного расхода арматуры. Большие растягивающие усилия в нижнем поясе приводят к появлению сквозных вертикальных трещин, а сжимающие усилия в верхнем поясе к появлению несквозных горизонтальных трещин.
Причинами появления наклонных трещин опорного узла являются.
низкий класс бетона по прочности, недостаточное количество поперечной арматуры; большой шаг стержней, малый диаметр арматуры.
недостаточное преднапряжение продольной арматуры, проскальзывание ее в зоне заанкеривания, недостаточное количество поперечной арматуры.
нарушение анкеровки преднапряженной арматуры, низкий класс бетона по прочности, недостаточная прочность бетона на момент обжатия.
Лучеобразные вертикальные трещины образуются при недостаточном косвенном армировании от усилий обжатия преднапряженной арматуры.
Горизонтальные трещины свидетельствуют об отсутствии косвенного армирования (сетки, замкнутые хомуты) в зоне заанкеривания преднапряженной арматуры.
Продольные трещины являются следствием недостаточного косвенного армирования узла поперечными стержнями (сетками.
Причинами появления трещин, перпендикулярных оси элементов фермы, являются.
недостаточное заанкеривание рабочей арматуры растянутого элемента в узле фермы, слабое косвенное армирование узла.
недостаточное преднапряжение арматуры нижнего пояса, перегрузка фермы.
Продольные трещины в сжатых элементах образуются из-за низкого класса бетона по прочности, перегрузки фермы.
Монтажные трещины свидетельствуют об изгибе из плоскости фермы при монтаже, перевозке, складировании.
Нормальные трещины в растянутых элементах образуются от перегрузки фермы, смещения арматурного каркаса относительно продольной оси элемента; трещины свидетельствуют об отколе лещадок бетона.
Трещины опорного узла ферм по своей природе близки к трещинам на опорах балок. Появление горизонтальных трещин в нижнем напряженном поясе свидетельствует об отсутствии или недостаточности поперечного армирования в обжатом бетоне. Нормальные (перпендикулярные к продольной оси) трещины появляются в растянутых стержнях при необеспеченности трещиностойкости элементов. Причем следует обратить внимание на то обстоятельство, что снижение внешней нагрузки на ферму уменьшает растягивающие усилия в нижнем поясе и приводит к закрытию трещин, но при этом может вызвать увеличение раскрытия трещин. Появление повреждений в виде лещадок свидетельствуют об исчерпании прочности бетона на отдельных участках сжатого пояса или на опорах.
Трещины в плитах перекрытия и сборных панелях перекрытий.
Перекрытия промышленных предприятий работают в сложных условиях, испытывая технологические перегрузки, ударные и вибрационные воздействия, разрушающее влияние технических жидкостей и других агрессивных сред, что приводит к их быстрому износу, а следовательно, и появлению трещин. Для плит перекрытий с различным соотношением сторон характерно развитие трещин силового происхождения на нижней растянутой поверхности плит. При этом бетон сжатой зоны может быть не нарушен. Смятие бетона сжатой зоны указывает на опасность полного разрушения плиты.
Характер трещин, обусловленных силовым воздействием, зависит от статической схемы плиты перекрытия: характера действующей нагрузки, способа армирования и соотношения пролетов. При этом трещины располагаются перпендикулярно главным растягивающим напряжениям. Причинами широкого раскрытия силовых трещин обычно являются перегрузка плиты, недостаточное количество рабочей арматуры или неправильное ее размещение (смещение к нейтральной оси.
Одним из наиболее часто используемых железобетонных элементов являются плиты пустотного настила типа ПК.
Силовые трещины в многопустотных панелях свидетельствуют о недостаточной прочности по нормальному сечению.
Сборные ребристые плиты перекрытий (покрытий) типов П, 2 Т представляют собой пространственную конструкцию, объединяющую балки (ребра) и плиту. Для плит серий 1.865, 1.465 характерно наличие вутов на участках перехода продольных ребер в поперечные. Характер образования трещин в них практически не отличается от ранее рассмотренных балок и плит.
Однако следует заметить, что из-за сложности конструктивной формы плит, насыщенности арматуры в них при изготовлении часто встречаются и технологические дефекты в виде щеле-образных раковин и усадочных трещин. К ним относятся.
трещины, идущие вдоль арматурных стержней и возникающие от разрыва бетонной смеси при вибрировании.
продольные щелеобразные раковины под арматурными стержнями от зависания бетонной смеси.
трещины от температурной деформации формы при пропаривании.
усадочные трещины при жестком режиме тепловлажностной обработки, высоком расходе вяжущего, большом водоцементном отношении.
Трещины в железобетонных элементах, вызванные огневым воздействием.
Нагрев железобетонных конструкций при пожаре приводит к различным повреждениям. Трещины в стыке ребер плиты с полкой возникают от разности температурных напряжений в сечениях элементов. Широко раскрытые трещины, расположенные в пролете изгибаемых элементов, свидетельствуют о снижении прочности рабочей арматуры или потере предварительных напряжений в ней. Беспорядочные температурно-усадочные трещины возникают на поверхности бетона, поврежденного огнем.
Влияние неглубоких трещин на прочность элементов менее значительно, чем на их долговечность.
Глубокие трещины в сжатой зоне указывают на снижение прочности железобетонных элементов. Продольные сквозные трещины вблизи углов элементов являются признаком отслоения защитного слоя бетона, наиболее поврежденного двухмерным потоком тепла. При простукивании защитный слой бетона не имеет хорошего сцепления с ядром сечения, глухо звучит и отслаивается. Продольные несквозные трещины в середине стороны сечения пронизывают защитный слой и являются следствием поперечного температурного расширения арматурного стержня. Глубокие, иногда сквозные трещины на стыке двух частей колонн свидетельствуют о значительных температурных перемещениях элементов покрытия и об аварийном состоянии надкрановых частей колонн после пожара.
Наиболее чувствительны к силовому и огневому воздействию консоли колонн.
В коротких консолях железобетонных колонн причиной образования трещин является срез бетона. В некоторых случаях трещины образуются вследствие неправильного конструирования или непроектного приложения нагрузки. В процессе огневого воздействия рабочее сечение колонны уменьшается, из-за чего вылет консоли (плечо приложения нагрузки) увеличивается.
Короткие консоли жестких узлов каркаса после огневого воздействия крупного пожара характеризуются образованием сквозных трещин, отколом защитного слоя бетона, оголением рабочей арматуры и (реже) образованием трещин, вызванных срезом бетона.
По материалам книги Дефекты и повреждения строительных конструкций Александра Васильева, к.т.н, доцента (Белорусский государственный университет транспорта, Гомель), члена технического комитета по стандартизации в области архитектуры и строительства.
*