Анализ основных природно-климатических и техногенных воздействий на здания и обусловленных ими процессов в конструктивных элементах

Основное назначение зданий – защита людей и оборудования от неблагоприятных природно-климатических и техногенных воздействий (рис.1), поддержание заданных параметров, должно использовать благоприятные воздействия окружающей среды.

Рис.1. Факторы, действующие на здания и вызывающие их износ и разрушение

Воздействие природных факторов. Природные факторы весьма разнообразны. Они действуют на здание на поверхности и под землей, раздельно и в различных сочетаниях в зависимости от климатических, гидрогеологических и других условий. Правильный учет воздействия этих факторов имеет важное значение в обеспечение долговечности.

Воздействие воздушной среды. В атмосфере содержится пыль и газы, способствующие разрушению зданий. Загрязненный воздух, особенно в сочетании с влагой, вызывает преждевременный износ, коррозию или загрязнение, растрескивание и разрушение строительной конструкции. Вместе с тем, в чистой и сухой атмосфере камни, бетоны и даже металлы могут сохраняться сотни и тысячи лет. Основным загрязнителем воздуха являются продукты сгорания различных топлив. Степень агрессивности атмосферы во многом зависит от относительной влажности воздуха, температуры воздуха, скорости обмена и др. При влажности воздуха до 50-60% вероятность коррозии очень мала, а при влажности более 70-80% она возрастает в сотни раз. Помещения с влажностью менее порога увлажнения относятся к сухим и с нормальной влажностью; в них металл не корродирует. Если влажность в помещениях выше порога увлажнения, т.е. в них протекают влажные и мокрые процессы, то это необходимо учитывать при оценке вероятности коррозии.

Воздействие атмосферной влаги. Основную роль в нарушении структуры материала играет влага: она вызывает набухание, гниение, коррозию, механическое разрушение при замерзании воды в порах и пустотах.

В строительных конструкциях самыми уязвимыми местами, наиболее доступными для проникновения влаги и агрессивных веществ, являются стыки, места сопряжения оконных и дверных коробок с конструкциями, различные тепловые мостики.

Влага в конструкциях может находиться в виде воды или льда. Естественное увлажнение конструкций может быть капельно - жидким или конденсационным или конденсационным.

Капельно-жидкое увлажнение происходит вследствие проникновения дождя через поврежденную кровлю или через другие конструкции, под действием косого дождя, падающего на стены, а также растаявшего снега. Дождевая вода сравнительно чистая, однако осадки, проходя через загрязненные слои воздуха, увлекают из него аммонийные соли, углекислоту, серную кислоту и другие вредные вещества и, проникая в конструкции, разрушают их.

При каменном или плотном наружном слое стены вода проникает всего на несколько миллиметров и под воздействием солнечных лучей и ветра легко испаряется. При пористых конструкциях, а также при плохо выполненных швах в однослойных крупноразмерных конструкциях дождевая влага проникает в стену глубоко, попадая даже внутрь помещений.

В разрушении ограждающих конструкций велика роль дождя в сочетании с ветром. На старых постройках можно видеть следы разрушения стены ветром, дождем и песком.

В отличии от капельно –жидкого, конденсационное увлажнение конструкций происходит в результате перемещения водяных паров с воздухом.

Поскольку строительные материалы неоднородны по составу, то под действием воды и содержащихся в ней солей и кислот, а также ветра они разрушаются неравномерно.

Действие солей очень опасно в период кристаллизации. Даже насыщенные растворы не разрушают бетонные и каменные конструкции так, как соли, остающиеся после испарения влаги. Многократное и длительное увлажнение конструкций солевым раствором, сопровождающееся испарением влаги, приводит к разрушению.

Металлические конструкции разрушаются под действием всех кислот.

Воздействие грунтовой воды. Грунтовая вода существует в природе в трех видах:

· Связанной (химически, гигроскопически и осмотически впитанной или пленочной);

· Свободной или жидкой;

· Парообразной, перемещающейся по порам из мест с большей упругостью водяного пара в места с меньшей его упругостью.

Грунтовая вода взаимодействует физически и химически с минеральными и органическими частицами грунта. Все виды грунтовой воды взаимодействуют друг с другом и переходят один в другой. Вода в грунтах представляет собой раствор с изменяющимися концентрацией и химическим составом, что отражается и на степени ее агрессивности. Агрессивность грунтовых вод по отношению к различным материалам зависит от их реакции (кислая, щелочная), концентрации, а также вида материала. Воздействие грунтовых вод на строительные материалы весьма разнообразно.

Испарение воды и увлажнение грунтов осадками приводит к движению в них кислорода, вследствии чего коррозионная активность среды также возрастает. При необратимых процессах коррозии (металлы) для сооружений опасно даже временное повышение агрессивности окружающей среды.

Признаков агрессивности воды очень много. За признаки агрессивности по отношению к бетонным и каменным конструкциям приняты следующие: показатель рН в зависимости от временной жесткости воды, карбонатная жесткость, содержание сульфатов, содержание магнезильных солей, содержание свободного углекислого газа. Степень агрессивности воды и скорость коррозии материала оцениваются количественно; показатели установлены в СН 249-63.

Воздействие отрицательной температуры. Некоторые конструкции находятся в зоне переменного увлажнения и периодического замораживания. Отрицательная температура (если она ниже расчетной или нет средств защиты от увлажнения), приводит к замерзанию влаги в конструкциях и в грунтах оснований, разрушающе действует на здания.

При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается, что создает внутренние напряжения, которые возрастают вследствие сжатия массы самого материала под влиянием охлаждения. Давление льда в порах достигает больших значений (до 200 кгс/см²). Разрушение конструкции происходит только при полном насыщении материала влагой. Вода при замерзании увеличивается лишь на 10%.

Напряжение в конструкциях зависит не только от температуры охлаждения, но и от скорости замерзания и числа переходов через 0; оно тем сильнее, чем быстрее проходит замораживание.

Камни и бетоны, имеющие пористость до 15%, выдерживают до 300 циклов замораживания-оттаивания. Уменьшение пористости, а следовательно и количества влаги повышает морозостойкость конструкций.

Воздействие блуждающих токов. Подземные металлические и железобетонные конструкции, если они ничем не защищены, могут разрушаться под воздействием блуждающих токов.

Блуждающие токи в земле и конструкциях появляются из-за утечки электроэнергии с рельсов электрифицированных ж/д, работающих на постоянном токе, или от других источников (рис.2).

Блуждающие токи, встречая на своем пути металлические конструкции, обладающие большей, чем грунт, проводимостью переходят на них. Вместе входа тока в конструкцию образуется катодная зона и протекает реакция восстановления, т.е. подщелачивание грунта. Там, где грунты обладают высокой электропроводностью, происходит стекание в грунт ионов металла, т.е. происходит его разрушение. Распространение блуждающих токов зависит от электропроводности грунтов, а следовательно от влажности, состава, концентрации растворимых веществ, концентрации водородных ионов и других факторов. Блуждающие токи, стекая с конструкций разрушают их быстрее, чем другие виды коррозии.

Воздействие сейсмических волн. Приемка зданий в районах, подверженных землетрясениям, и их эксплуатация определя­ются сейсмическими явлениями.

Землетрясения — одни из самых грозных сил природы, воз­никающие вследствие процессов внутри Земли, связанных с фор­мированием ее недр и горообразованием. Они представляют со­бой колебания, распространяемые в Земле и передаваемые че­рез основания на сооружения.

При землетрясении в результате перемещения частиц гор­ных пород возникают упругие волны, называемые сейсмиче­скими. Они распространяются в поверхностных слоях Земли с огромной скоростью: продольные — от 5 до 8 км/сек, попереч­ные — от 3 до 5 км/сек.

Сила землетрясения, испытываемая сооружением, зависит от удаления и глубины очага, от геологии местности и гидрогеоло­гии участка застройки.

Последствия землетрясений зависят от пространственной жесткости, размеров, формы и веса зданий, а также от количе­ства и характера толчков. Наиболее опасны для зданий горизон­тальные составляющие колебаний почвы, поскольку при земле­трясении здания работают как вертикальный брус или пластина, консольно заделанные вгрунт. Возникающие в районе эпицентра вертикальные сейсмические нагрузки более опасны для горизонтальных конструкций — перекрытий, карнизов и т. п.

Землетрясения силой в 6 баллов и менее не вызывают опас­ных повреждений, а землетрясения силой в 10 баллов и более настолько разрушительны, что противодействовать им обыч­ными способами повышения сейсмостойкости не представляется возможным, а потому в районах, где вероятны такие землетря­сения, строительство обычно не ведется. Следовательно, здания могут быть защищены от землетрясений силой 7—9 баллов. В районах с сейсмичностью в 9 баллов возведение сооружений первой категории сопровождается дополнительными антисейс­мическими мероприятиями.

Воздействие технологических процессов. Каждое здание и сооружение проектируется и строится с учетом воздействий предусматриваемых в нем процессов. Однако из-за неодинако­вой стойкости и долговечности материалов конструкций и раз­ного влияния на них среды износ их неравномерен. В первую очередь разрушаются защитные покрытия стен и полы, окна, двери, кровли; медленнее — стены, каркас, фундаменты. Сжатые элементы и элементы крупных сечений, работающие при статических нагрузках, изнашиваются медленнее, чем изги­баемые и растянутые тонкостенные, работающие при динамиче­ской нагрузке, в условиях высокой влажности и высокой темпе­ратуры.

Кислотостойкими являются породы с высоким содержанием кремния: кварц, гранит, диабаз, нестойкими — содержащие известь: доломит, известняк, мрамор; последние – щелочестойки.

Основным способом повышения стойкости и долговечности бетонных и ж/б конструкций в условиях агрессивных сред является повышение плотности непроницаемости защитными покрытиями, тампонажными растворами; древесину пропитывают полимерными составами, что придает ей стойкость и долговечность.