Общество железобетонщиков Сибири и Урала, Новосибирск

В. В. Габрусенко,

Общество железобетонщиков Сибири и Урала, Новосибирск

АВАРИИ, ДЕФЕКТЫ И УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ*

Предисловие

Статистика советского времени показывала, что более трети аварий в строительстве происходило по вине строителей и монтажников. С большим отрывом от них вторыми шли эксплуатационники, затем работники стройиндустрии (поставщики материалов и изделий), затем проектировщики. Хотя подобная статистика "демократической" эпохи отсутствует (во всяком случае, не опубликована), можно с уверенностью сказать, что проектировщики сегодня вошли в "призовую тройку", оттеснив на 4-е место работников стройиндустрии. Впрочем, "заслуга" здесь не только самих проектировщиков (хотя и проектировщиков тоже), но и обстоятельств: в последнее время, по существу, прекратился выпуск сложнейших сборных железобетонных конструкций — большепролетных балок и ферм, тонкостенных оболочек, конструкций «на пролет» и тому подобных изделий, которые наиболее чутко реагируют на нарушение технологической дисциплины.

Предлагаемый читателю цикл небольших статей, изложенных в форме вопросов и ответов, затрагивает только ошибки строителей и проектировщиков, обходя вниманием эксплуатационников. Сделано это потому, что и первые, и вторые неустанны в своем "творческом поиске", в то время как третьи допускают, обычно, всего две, ставшие уже рутинными ошибки: перегрузку и увлажнение строительных конструкций. Причем эти ошибки зачастую спровоцированы их предшественниками — либо порочной конструкцией кровли, либо отсутствием водоотвода при обратном уклоне дневной поверхности, либо недостаточной прочностью конструкционных материалов, либо скрытым браком строителей и т. д.

Хотелось бы еще отметить следующее. Аварии и катастрофы в строительстве редко возникают в силу какой-то одной причины. Как правило, в одном месте и в одно время собирается сразу несколько роковых обстоятельств. Не будь хотя бы одного из них — здание, возможно бы, устояло, и люди остались бы живы. Это показывает и печальный отечественный опыт, и в намного большей степени — опыт зарубежья, особенно "цивилизованного" Запада, где аварии в строительстве с тяжелыми последствиями происходят куда чаще, чем у нас.

Весь публикуемый материал состоит из нескольких глав: две первых посвящены каркасным и бескаркасным зданиям, еще две — непосредственно железобетонным и каменным конструктивным элементам, а завершают цикл статьи, посвященные диагностике повреждений и принципам усиления конструкций и зданий.

Глава 1.

Каркасные здания

Что произойдет, если опорные закладные детали стропильных балок (ферм) некачественно приварить к закладным деталям колонн?

Сварные швы нужны не просто для фиксации положения балок и ферм (как ошибочно полагают де которые строители), а для восприятия весьма больших усилий скалывания и отрыва.

В частности, швы обеспечивают шарнирно-неподвижное опирание стропильных конструкций (ригелей на колонны, благодаря которым горизонтальные нагрузки (ветровая или крановые) передаются от одной колонны к другой и распределяются между ними пропорционно жесткостям (рис. 3, а). При некачественной сварке может произойти разрушение швов, тогда опора становится шарнирно-подвижной и вся горизонтальная нагрузка воспринимается только одной колонной, на которую последняя не рассчитана (рис. 3, б). В совокупности с другими дефектами это может привести к разрушению перегруженной колонны и, как минимум, - к образованию в ней больших поперечных трещин, к постоянному выходу из строя крановых путей, образованию трещин в стенах и т.п. В значительной степени приведенные рассуждения относятся и к ригелям многоэтажных каркасных зданий.

Кроме того, в тех случаях, когда не предусмотрены вертикальные связи по торцам стропильных конструкций, сварные швы удерживают последние от опрокидывания при воздействии горизонтальных усилий продольного направления (рис. 3,в, вид с торца балки).

 

Бескаркасные здания

Железобетонные конструкции

Каменные конструкции

Глава 5.

Глава 6.

Как работает шпренгель?

Шпренгель — это стержневая конструкция, в которой за счет совместных деформаций с усиливаемой железобетонной конструкцией возникает растягивающее усилие Р. Его горизонтальная проекция — распор N'=N—Т (где T — сила трения при перегибе стержней) создает положительный (загружающий) изгибающий момент М_о=N'·е, а вертикальные проекции D — отрицательный (разгружающий) момент М_p. Кроме того, в опорных участках возникают и разгружающие поперечные силы Q_p, в результате чего суммарные усилия ΣM и ΣQ оказываются меньшими, чем усилия М_q и Q_q от внешней нагрузки (рис. 55).

Целесообразно, казалось бы, концы шпренгеля опустить до уровня нейтральной оси усиливаемой балки, исключить образование в ней М₀ и повысить, тем самым, эффективность усиления. Однако ожидаемого результата это не даст, поскольку одновременно уменьшатся значения D. Можно передвинуть весь шпренгель книзу, тогда и значения D сохранятся и M₀ поменяет знак с положительного на отрицательный. Но в этом случае существенно усложняется конструкция шпренгеля, а сам он уменьшает полезный объем здания, поэтому такое решение широкого применения не нашло (а в зданиях с кранами вообще исключено).

В качестве шпренгельной затяжки используют стержневую арматурную сталь больших диаметров, а при необходимости — и прокатные профили из уголков или швеллеров. Как и в случае со стальными балками (см. вопрос 6.6), эффективность работы шпренгелей без предварительного напряжения весьма невелика. Опыт проектирования показывает, что если шпренгели включить в работу даже с самого начала (т. е. установить их при полностью снятой полезной нагрузке), то разгрузить железобетонные балки они в состоянии всего на 5...20%.

Как рассчитывают шпренгели?

Требуемую величину распора N определяют из величины требуемого уменьшения изгибающих моментов и поперечных сил на величину соответственно М_p и Q_p (рис. 55). Далее необходимо найти, какая часть этого распора приходится на совместные деформации шпренгеля с балкой, а какая часть — на его преднапряжение. Точный расчет здесь довольно сложен, поскольку связан с поворотом торцов и линией прогибов балки, зависящих от схемы нагрузки, изгибной жесткости балки, осевой жесткости шпренгеля и др. факторов. Поэтому с достаточной для практики точностью пользуются приближенным расчетом: N = [(M_tot-M)/h+σ_spA_ss]γ ≤ 0,8 R_sA_ss, где М_tot (на рис. 55 обозначен как М_q и М₁ — изгибающие моменты после и до усиления, h — стрела провеса шпренгеля (плечо между N и N'), σ_sp — величина преднапряжения шпренгеля, A_ss — площадь сечения стержней шпренгеля,

γ_ss = 0,8 — коэффициент, учитывающий потери напряжений от обмятия контактных поверхностей, 0,8 — коэффициент условий работы стали. Приравняв выше найденную величину распора к этому выражению, можно определить величину усилия предварительного натяжения, а из нее и площадь сечения стержней шпренгеля. Если усиление проводится при действии полной нагрузки на балку, то первое слагаемое в квадратных скобках становится равным нулю и все усилие N создается только за счет преднапряжения шпренгеля. Саму балку после усиления рассчитывают по прочности как внецентренно сжатый элемент на действие сжимающей силы N' (распора за вычетом потерь от трения при перегибе) и изгибающего момента ΣМ.

 

Как усиливают фермы?

Схемы усиления зависят от поставленной задачи и конструкции ферм. Если в неблагополучном состоянии находятся отдельные элементы, то и усиливать их можно по отдельности. Растянутые стойки и раскосы чаще всего усиливают преднапряженными затяжками (см. вопрос 6.11), сжатые элементы — стальными обоймами-распорками (см. вопрос 6.22), опорные и промежуточные узлы — внешними хомутами (см. вопрос 6.13). Для ферм с параллельными поясами весьма эффективной усиливающей конструкцией является шпренгель, располагаемый по линиям нисходящих (растянутых) опорных раскосов и средних панелей нижнего пояса. В тех случаях, когда требуется значительное увеличение несущей способности ферм (например, при аварийном состоянии или необходимости подвески тяжелого оборудования), их усиливают с помощью дополнительных металлических ферм, устанавливаемых с боков. В усиливающих фермах целесообразно создать преднапряжение, подобное преднапряжению стальных балок (см. вопрос 6.7).

В. В. Габрусенко,

Общество железобетонщиков Сибири и Урала, Новосибирск

АВАРИИ, ДЕФЕКТЫ И УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ*

Предисловие

Статистика советского времени показывала, что более трети аварий в строительстве происходило по вине строителей и монтажников. С большим отрывом от них вторыми шли эксплуатационники, затем работники стройиндустрии (поставщики материалов и изделий), затем проектировщики. Хотя подобная статистика "демократической" эпохи отсутствует (во всяком случае, не опубликована), можно с уверенностью сказать, что проектировщики сегодня вошли в "призовую тройку", оттеснив на 4-е место работников стройиндустрии. Впрочем, "заслуга" здесь не только самих проектировщиков (хотя и проектировщиков тоже), но и обстоятельств: в последнее время, по существу, прекратился выпуск сложнейших сборных железобетонных конструкций — большепролетных балок и ферм, тонкостенных оболочек, конструкций «на пролет» и тому подобных изделий, которые наиболее чутко реагируют на нарушение технологической дисциплины.

Предлагаемый читателю цикл небольших статей, изложенных в форме вопросов и ответов, затрагивает только ошибки строителей и проектировщиков, обходя вниманием эксплуатационников. Сделано это потому, что и первые, и вторые неустанны в своем "творческом поиске", в то время как третьи допускают, обычно, всего две, ставшие уже рутинными ошибки: перегрузку и увлажнение строительных конструкций. Причем эти ошибки зачастую спровоцированы их предшественниками — либо порочной конструкцией кровли, либо отсутствием водоотвода при обратном уклоне дневной поверхности, либо недостаточной прочностью конструкционных материалов, либо скрытым браком строителей и т. д.

Хотелось бы еще отметить следующее. Аварии и катастрофы в строительстве редко возникают в силу какой-то одной причины. Как правило, в одном месте и в одно время собирается сразу несколько роковых обстоятельств. Не будь хотя бы одного из них — здание, возможно бы, устояло, и люди остались бы живы. Это показывает и печальный отечественный опыт, и в намного большей степени — опыт зарубежья, особенно "цивилизованного" Запада, где аварии в строительстве с тяжелыми последствиями происходят куда чаще, чем у нас.

Весь публикуемый материал состоит из нескольких глав: две первых посвящены каркасным и бескаркасным зданиям, еще две — непосредственно железобетонным и каменным конструктивным элементам, а завершают цикл статьи, посвященные диагностике повреждений и принципам усиления конструкций и зданий.

Глава 1.

Каркасные здания