Исследование остаточного ресурса железобетонных плит сборных каркасов производственных зданий
ВВЕДЕНИЕ
Железобетонные конструкции для строительства зданий и сооружений стали широко применяться в начале XX в. Тогда считалось, что они имеют неограниченную долговечность, более того, прочность бетона конструкции, следовательно, долговечность со временем нарастает. Однако опыт дальнейшей длительной эксплуатации железобетонных конструкций показал, что они имеют конечный срок службы. Это в том числе обусловлено постепенным накоплением дефектов и повреждений в конструкционных материалах в результате совместного негативного воздействия силовых и средовых факторов. Уменьшение рабочей площади поперечных сечений, ухудшение деформативно-прочностных характеристик и нарушение сцепления бетона и арматуры приводят к снижению несущей способности железобетонных конструкций вплоть до их разрушения.
Актуальность темы. Опережающими темпами растет число зданий и сооружений, выполненных из железобетона, срок службы которых либо приближается к нормативному значению, либо превышает его. При этом насчитывается много случаев преждевременного прекращения эксплуатации строительных объектов, главным образом по причине их аварийного состояния. Несоответствие нормативных (проектных) и фактических сроков службы свидетельствует, с одной стороны, о нерациональном использовании ресурсных возможностей железобетонных конструкций, что экономически не оправданно из-за чрезмерности затрат по их обслуживанию в сверхнормативный период, с другой стороны, о неуправляемых рисках, что чревато гуманитарным и экологическим ущербом.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЯ 10
1.1 Общие положения. 10
1.2 Предварительное обследование производственных зданий и их строительных конструкций 17
1.3 Оценка технического состояния несущих строительных конструкций 20
1.3.1 Оценка прочностных свойств бетона 23
1.3.2 Выявление фактического армирования железобетонных элементов конструкций 24
1.3.3 Особенности обследования конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред 27
Выводы по первой главе 30
2. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 31
2.1 Основные предпосылки необходимости расчета остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов 31
2.2 Коррозионные повреждения изгибаемых железобетонных элементов 33
2.2.1 Потеря площади поперечного сечения арматуры как критерий предельного состояния по долговечности 33
2.2.2 Критическая ширина раскрытия трещины как критерий предельного состояния по долговечности 36
2.2.3 Снижение прочности и жесткости как критерий предельного состояния по долговечности 38
2.3 Обзор существующих методик 40
2.3.1 Определение остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов по нормативным срокам службы и срокам службы «аналогов» 42
2.3.2 Определение остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов по внешним признакам 43
2.3.3 Определение остаточного ресурса изгибаемых железобетонных элементов по физическому износу 47
2.3.4 Определение остаточного ресурса на основе экстраполяции значений коррозионных повреждений 48
2.3.5 Определение остаточного ресурса на основе изменения коэффициентов запаса 48
2.3.6 Определение остаточного ресурса на основе показателей сеханики разрушения 49
Вывод по второй главе 49
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЯ И ПОКРЫТИЯ СБОРНЫХ КАРКАСОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ 51
3.1 Обзор возможных дефектов железобетонных плит 51
3.2 Подбор по действующим нормативным документам конструкций для исследования 53
3.3 Исследование критериев технического состояния железобетонных плит сборных каркасов производственных зданий 55
3.3.1 Смещение в плане относительно разбивочных осей на опорных поверхностях. 55
3.3.2 Предельный прогиб 56
3.3.3 Ослабление сечений продольной арматуры, вызванное коррозией 60
3.3.4 Раскрытие нормальных трещин 64
3.3.5 Раскрытие трещин, наклонных к продольной оси плиты 68
3.3.6 Раскрытие наклонных трещин вследствие нарушения анкеровки и сдвига арматуры 70
3.3.7 Разрушение защитного слоя бетона полки ребристой плиты 71
3.3.8 Разрушение защитного слоя бетона на продольном ребре 72
3.3.9 Относительное уменьшение высоты сечения в сжатой зоне 73
3.3.10 Снижение прочности бетона 76
3.4 Предложения по совершенствованию методики и примеры расчета остаточного ресурса 78
Вывод по третьей главе 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России) от 3 декабря 2016 г. N 891/пр и введен в действие с 4 июня 2017 г.
2. СП 28.13330.2017 Защита строительных конструкций от коррозии. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России) от 27 февраля 2017 г. N 127/пр и введен в действие с 28 августа 2017 г.
3. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Утвержден Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 19 декабря 2018 г. N 832/пр и введен в действие с 20 июня 2019г.
4. СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 мая 2018 г. N 309/пр и введен в действие с 25 ноября 2018 г.
5. СП 329.1325800 Здания и сооружения. Правила обследования после пожара. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 30 октября 2017 г. N 1490/пр и введен в действие с 01 мая 2018г.
6. ГОСТ 31937 Правила обследования и мониторинга технического состояния. Введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2012 г. N 1984-ст в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 января 2014 г.
7. ГОСТ 5781 Сталь горячекатанная для армирования железобетонных конструкций. Введен Постановлением Государственного Комитета СССР по стандартам от 17.12.82 N 4800
8. ГОСТ 380 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 28 от 9 декабря 2005 г.)
9.Методика расчетного прогнозирования службы железобетонных пролетных автодорожных мостов. Утвержден 18.04.2001г. распоряжением № 79-р Министерства транспорта РФ
10. Минасян Н.Т. Характеристика дефектов и повреждений несущих железобетонных конструкций промышленных зданий. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
11. Кардангушев Аскер Назирови «Прогнозирование сроков службы железобетонных конструкций производственных зданий железобетонного транспорта».
12. Министерство строительства и жилщно-комунлаьного хозяйства РФ. Методические рекомендации. Методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций зданий и сооружений. Москва 2018.
13. Шмелев Г.Д., Ишков А.Н. Прогнозирование остаточного ресурса изгибаемых железобетонных конструкций эксплуатируемых в неагрессивных средах. Ростов-наДону : Рос. гос. строит. ун-т, 2007. 219 с.
14.Моисеенко Р.П. Новый вариант расчета долговечности конструкций // Строительная ме- ханика и расчет сооружений. 2015. № 3 (260). С. 1
15. Селяев В.П., Бондаренко В.М., Селяев П.В. Прогнозирование ресурса железобетонных изгибаемых элементов, работающих в агрессивной среде, по первой стадии предельных состояний // Региональная архитектура и строительство. 2017. № 2 (31). С. 14–24.
16. Селяев В.П., Селяев П.В., Сорокин Е.В., Кечуткина Е.Л. Прогнозирование долговечно- сти железобетонных изгибаемых элементов методом деградационных функций // Жи- лищное строительство. 2014. № 12. С. 8–18.
17. СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетонные конструкции
18. Леонович С.Н. Теоретические основы расчета, долговечности железобетона при карбонизации// Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров в Республике Беларусь. Материалы VI Международного научно-технического семинара. - Мн.: УП«Технопринт», 2000, С. 225-237
19. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М., 1962.
20. Острейковский В.А. Теория надежности. Москва : Высш. шк., 2003. С. 225–236.
21. Байбурин А.Х., Байбурин Д.А. Некоторые аспекты оценки остаточного ресурса строи- тельных конструкций // Наука и безопасность. 2011. № 1 (9). С. 16–22.
22. Белов В.В., Никитин С.Е. Диахронная модель деформирования коррозионно-поврежден- ных железобетонных элементов с трещинами // Вестник гражданских инженеров. 2011.
23. Беляев С.М. Расчет остаточного ресурса зданий с учетом запаса несущей способности конструкций // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 3 (11). С. 22–25.
24. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Концепция и направления развития теории конструк- тивной безопасности зданий и сооружений при силовых и средовых воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 2. С. 28–31.
25. Васкевич В.М., Андреев Н.В., Старчуков Д.С. Прогнозирование долговечности изгибае- мых железобетонных элементов с трещинами и коррозионными повреждениями // Тру- ды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2010. № 629. С. 29–35.
26. Дегтярь А.Н., Серых И.Р., Панченко Л.А., Чернышева Е.В. Остаточный ресурс кон- струкций зданий и сооружений // Вестник Белгородского государственного технологи- ческого университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 94–97.
27. Пшеничкина В.А., Сухина К.Н., Бабалич В.С., Сухин К.А. Оценка остаточного ресурса несущих железобетонных конструкций эксплуатируемых промышленных зданий. Москва : Изд-во АСВ, 2017. 176 с.
28. Скоробогатов С.М., Куршпель А.В. К расчету остаточного ресурса железобетонных кон- струкций существующих зданий и сооружений // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2016. № 3 (31). С. 148–155
29. Шматков С.Б. Расчет остаточного ресурса строительных конструкций зданий и соору- жений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строитель- ство и архитектура. 2007. № 22 (94). С. 56–57.
30. Казачек В.Г. Проблемы нормирования сроков службы зданий и сооружений // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F: Строительство. Прикладные науки. 2010. № 6. С. 56–71.
31. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93–102.
32. Andrade C., Alonso С. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel rein- forcement in concrete by means of the polarization resistance method // Materials and Struc- tures. 2004. V. 37. P. 623–643.
33. Fatima T., Arab N., Zemskov E.P., Muntean A. Homogenization of a reaction – diffusion sys- tem modeling sulfate corrosion of concrete in locally periodic perforated domains // Journal of Engineering Mathematics, 2011. V. 69. I. 2–3. P. 261–276.
34. Nygaard P., Geiker M., Elsener B. Corrosion rate of steel in concrete: evaluation of confine- ment techniques for on -site corrosion rate measurements // Materials and Structures 2009. V. 420. Pp. 1059–1076
35. Frangopol, D.M., Lin, K.Y., and Estes, A. (1997). «Reliability of reinforced concrete girders under corrosion attack». J. Stauct. Eng. 123(3). 286-297.
36. Frey, R. (1993). «Untersuchung der zwanzigiдhring Carbonatisierung von Betonen». Beton 43, 1993, Helt 3, p. 116-120.
37. Jones, D.A. (1992). «Principles of and prevention of corrosion». Macmillan, New York.
38. Leeming, M.B. (1998). «Durability of concrete in and near the sea». Concrete in coastal structures, R.T.L. Allen, ed., Thomas Telford, London, 73-98.
39. Schiessl, P.(1988). «Corrosion of steel in concrete». Rep. of the TC 60 - CSC RILEM, Chapman and Hall. London
40. Andrade, C., Alonco, M.C., Feliu, S., and Gonzalez, J.A. (1996). «Advances in the on-site electrochemical measurement of reinforcement corrosion and their use for predicting residual life». Proc. of 13th Intern. Conf. on Corrosion, Melbourne, Australia, 3.1-3.7.
41. Thoft-Christensen, P. (1992). «Reliability Based Expert System for Bridge Maintanance». Tekho Vision Conference, Denmark, 1992
42. Tonini, D.E., and Dean, S.W. (1976). «Chloride corrosion of steel in concrete». ASTM STP 629, Philadelphia.
43. Stewart M.G. Reliability Safety Assessment of Corroding Reinforced Concrete Structures Based on Visual Inspection Information // ACI Structural Journal. 2010. V. 107. P. 671–679.
44. ГОСТ 27215-2013 Плиты перекрытий железобетонные ребристые высотой 400мм для промышленных зданий и сооружений. Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 ноября 2013 г. N 44-П)
45. ГОСТ 28042-2013 Плиты покрытий железобетонные для зданий и сооружений. Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 ноября 2013 г. N 44-П)
46. СТО 70238424.27.010.011-2008 Здания и сооружения объектов энергетики. Методика оценки технического состояния. Утвержден Приказом НП "ИНВЭЛ" от 01.07.2008 N 12/12
47. СП 454.1325800.2019 Зданий жилые многоквартирные. Правила оценки аварийного и ограниченно-работоспособного технического состояния. Утвержден приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 декабря 2019 г. N 853/пр и введен в действие с 25 июня 2020 г.
48. Методические рекомендации. Методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций зданий и сооружений
49. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Чаганов А.Б., Терехов И.А., Шмаков Д.С. Определение остаточного срока эксплуатации общественных зданий // «Лолейтовские чтеная – 150». Современные методы расчета железобетонных и каменных конструкций по предельным состояниям : сборник докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения профессора, автора расчета железобетонных конструкций по стадии разрушения, основоположника советской научной школы теории железобетона, основателя и первого заведующего кафедрой железобетонных конструкций Московского инженерно-строительного института (МИСИ) А.Ф. Лолейта (г. Москва, 30 ноября 2018 г.) / под ред. проф. А.Г. Тамразяна ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — Москва : Издательство МИСИ–МГСУ, 2018. С. 150-155.
50. Гранев В.В., Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Терехов И.А., Еремин К.И., Шмаков Д.С. Проектирование сборных железобетонных конструкций каркасных зданий: новый свод правил// Промышленное и гражданское строительство. 2019. №4. С.4-9.
51. Гранев В.В., Келасьев Н.Г., Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Терехов И.А. Проектирование производственных зданий из сборного железобетона// Промышленное и гражданское строительствво. 2019. №1. С.31-36. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.04.10-15.
Результаты обследования технического состояния строительных железобетонных плит, степень их износа, период, в течение которого они эксплуатируется ложатся в основу расчёта остаточного ресурса. Конечной целью расчёта остаточного ресурса является определение временного периода, на протяжении которого плиту возможно безопасно эксплуатировать. По истечении этого остаточного периода, для дальнейшей безопасной эксплуатации необходимо принятие решения: проведение капитального ремонта конструкции либо ее замена. Определение остаточного ресурса целесообразно производить на основе результатов натурных обследований изгибаемых железобетонных элементов, когда в различных характерных расчетных сечениях установлены максимальные значения коррозионных повреждений бетона и арматуры. В источниках [21-23] представлена довольно распространенная методика расчета остаточного ресурса по физическому износу (поврежденности) железобетонных конструкций, в которой изменение несущей способности описывается экспоненциальным законом. Однако ширококе применение получала методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций зданий и сооружений [48].