/
Автор: Калинин В.М. Сокова С.Д.
Теги: строительство строительные материалы строительно-монтажные работы отдельные виды строительства строительное проектирование строительство зданий
ISBN: 5-16-002149-3
Год: 2006
Текст
ОЦЕНКА
ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ
В.М. Калинин
С.Д. Сокова
УЧЕБНИК
УДК 69(075.8)
ББК 38.7-09я73
К17
Рецензенты:
зав. кафедрой сельскохозяйственного строительства н архи-
тектуры Московского государственного университета природо-
обустройства проф., канд. техн, наук В.И. Грозав\
главный научный сотрудник ЦНИИЭП жилища
канд. техн, наук Э.И. Киреева
Калинин В.М., Сокова С.Д.
К 17 Оценка технического состояния зданий: Учебник. — М.:
ИНФРА-М, 2006. —268 с. — (Среднее профессиональное об-
разование).
ISBN 5-16-002149-3
Описаны основные физико-химические процессы, вызываю-
щие старение и износ элементов зданий н сооружений. Приведе-
ны данные о современных методах и средствах обследования и
оценки технического состояния зданий. Рассмотрены основные
понятия теории надежности систем к конструкций зданий, а так-
же методы оценки надежности.
Для студентов учебных заведений среднего профессионально-
го образования, обучающихся по специальности 2902 «Строитель-
ство и эксплуатация зданий и сооружений».
УДК 69(075.8)
ББК38.7-09я73
ISBN 5-16-002149-3
© Калинин В.М., Сокова С.Д., 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учет законов износа и старения материалов конструкций, вли-
яния окружающей и технологической среды на эти процессы, при-
менение эффективных методов и средств оценки технического
состояния конструкций и оборудования зданий, прогнозирова-
ние изменения эксплуатационных свойств во времени дают воз-
можность решать задачи повышения эффективности и качества
при строительстве и эксплуатации зданий.
В учебнике приведены основные эксплуатационные требова-
ния, предъявляемые к зданиям, сооружениям, конструктивным
элементам и инженерному оборудованию, определяющие без-
опасность и комфорт людей, пользующихся зданием. Для обес-
печения надлежащего качества функционирования здания не-
обходимо прогнозировать закономерности износа и старения кон-
структивных элементов и инженерного оборудования. Изменение
свойств конструкций изначально определяется микростроением
материала, из которого они изготовлены, обусловлено техноло-
гией производства и монтажа зданий; при этом первые наруше-
ния проявляются уже в начальный период эксплуатации здания.
В течение времени под воздействием окружающей и технологи-
ческой среды и нагрузок происходит развитие дефектов, корро-
зия, что в конечном счете может привести к разрушению кон-
струкций. Знание природы образования и развития дефектов по-
зволяет предусмотреть меры зашиты элементов здания,
предотвратить аварийные ситуации. Поэтому особое внимание
уделено освещению механизмов износа материала конструкций
в различных условиях эксплуатации.
Для своевременного выявления нарушений в конструкциях и
инженерном оборудовании здания необходимо владеть знания-
ми о том, как состояние материала конструкций проявляет себя
внешними и внутренними признаками. Для этого рассмотрены
основные положения и методики определения физико-механи-
ческих свойств основных конструктивных элементов зданий и
сооружений. Приведены методы и правила оценки эксплуатаци-
онных свойств помещений строительных объектов.
Здания и сооружения могут находиться в эксплуатации мио-
гие десятки лет. Поэтому важно нс только знать техническое со-
3
стояние их элементов на момент обследования, но и уметь про-
гнозировать изменение эксплуатационных свойств во времени.
Задачи перспективного исследования эксплуатационных свойств
объектов наиболее успешно решаются с применением теории
надежности. При изложении материала использованы только те
теоретические положения и математический аппарат, которые
необходимы для понимания освещаемых вопросов. В частности,
основы теории надежности зданий, а также вопросы влияния на
надежность зданий уровня организации их эксплуатации рассмот-
рены только в том объеме, который необходим для объяснения
этого важного свойства. При этом имелось в виду рассмотрение
перечисленных вопросов с позиции обеспечения требуемого
уровня качества зданий и сооружений и эффективности исполь-
зования материальных ресурсов.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам —
заведующему кафедрой сельскохозяйственного строительства и
архитектуры Московского государственного университета при-
родообустройства кандидату технических наук, профессору
В.И. Грозав и главному научному сотруднику ЦНИИЭП жили-
ща кандидату технических наук Э.И. Киреевой за полезные со-
веты и рекомендации по улучшению структуры и содержания
учебника, а также Б.И. Штейману за большую научно-техничес-
кую помощь при редактировании рукописи.
1
ВВЕДЕНИЕ===
1.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Оценка технического состояния зданий и сооружений пред-
назначена для качественного и количественного представления
показателей, характеризующих свойства и состояние объектов,
изучения процессов, протекающих в конструкциях, основаниях
и оборудовании, а также выявления фактических эксплуатаци-
онных свойств материалов, элементов конструкций и установ-
ления их соответствия техническим требованиям.
Обследование строительных конструкций и инженерного обо-
рудования зданий и сооружений включает в себя методы конт-
роля качества изготовления и монтажа элементов строительных
конструкций и оборудования, обеспечивающие соответствие
объекта проектным параметрам и действительной работе в про-
цессе эксплуатации.
Изучение состояния эксплуатируемых конструкций выполня-
ется теми же методами, которые используются при контроле
качества их изготовления. Однако часто возникают ситуации,
когда для эксплуатируемых объектов необходимо изучение ре-
альных условий работы при воздействии внещних факторов.
К подобной ситуации можно отнести, например, случай, когда
необходимо оценить работоспособность конструктивной или
инженерной системы с учетом отклонения ее параметров от рас-
четных значений.
Повышенные требования предъявляются к методам обследо-
вания при анализе причин аварий вследствие повреждения кон-
струкций при монтаже или эксплуатации, а также катастроф —
аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые
оценки технического состояния зданий и сооружений позволя-
ют выявить наиболее характерные дефекты и разработать реко-
5
мендации по уточнению методов расчета конструкций, повыше-
нию их надежности, совершенствованию конструктивных схем,
технологии изготовления, монтажа и эксплуатации.
Здания и сооружения представляют собой системы, состоя-
щие из большого числа элементов, работающих в условиях слож-
ных напряженно-деформируемых состояний. Поведение строи-
тельных конструкций и инженерного оборудования характери-
зуется рядом факторов, носящих случайный характер. Это
относится к прочностным характеристикам материалов, нагруз-
кам, действующим на элементы здания, воздействиям факторов
окружающей среды. В процессе изготовления отдельных элемен-
тов. их транспортировки и монтажа возможны отклонения па-
раметров конструкций от заданных значений. Поэтому для оценки
технического состояния здания, сооружения или инженерных
систем необходимо уметь прогнозировать возможность их даль-
нейшей эксплуатации с учетом взаимосвязей и случайного ха-
рактера формирования свойств. Для этого требуется, кроме тех-
нической диагностики, умение выполнять оценку надежности
объектов.
1.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОБСЛЕДОВАНИЯ
И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
КОНСТРУКЦИЙ
Одним из самых первых ученых в области строительства счи-
тается Гермоген, живший в Греции в II—III вв. до нашей эры
(н.э.). В Ш в. до н.э. Архимед заложил основы статики.
Первые упоминания, связанные с изучением свойств матери-
алов, содержатся в работах Леонардо да Винчи (1452—1519). В за-
метке «Испытания сопротивления железных проволок разных
длин» приведен эскиз установки, содержащей элемент обратной
связи. К растянутой проволоке была присоединена емкость, за-
полняемая песком. При обрыве проволоки отключалось питаю-
щее устройство. Им было предложено неоднократно проводить
испытания на разрыв. Одновременно были проведены исследова-
ния на разных длинах проволок. Леонардо да Винчи впервые ис-
следовал влияние величины пролета изгибаемых балок на их не-
сущую способность.
6
Большой вклад в науку о прочности конструкций внес Гали-
лео Галилей (1564—1642). В изданной в 1638 г. книге «Беседы и
математические доказательства, касающиеся двух новых отрас-
лей науки, относящихся к механике и местному движению» ав-
тор указал, что при возведении геометрически подобных соору-
жений по мере увеличения их абсолютных размеров они будут
становиться все более слабыми. Ои установил, что прочность бруса
пропорциональна площади его поперечного сечения и не зави-
сит от длины. Г. Галилей впервые подошел к оценке несущей
способности конструкций с позиции предельных состояний- Было
установлено, что изгибающий момент от собственного веса балки
возрастает пропорционально квадрату ее длины, эксперименталь-
но подтверждено влияние геометрических размеров бруса на его
несущую способность.
Через 46 лет в 1684 г. Г.В. Лейбниц (1646—1716), развивая
теорию Г. Галилея, доказал, что напряжение в балке распреде-
ляется по треугольному закону.
Существенный вклад в науку о сопротивлении материалов внес
Р. Гук (1653—1703), установивший линейную зависимость меж-
ду упругой деформацией твердого тела и приложенным механи-
ческим напряжением. Им сформулирован закон связи силы и
перемещения при работе материала, теоретически установлен тот
факт, что в консольной балке при приложении на ее конце со-
средоточенной силы, направленной вниз, верхние волокна рас-
тягиваются, а нижние сжимаются. Впервые установлено, что уп-
ругие тела возвращаются в первоначальное состояние после снятия
нагрузки.
Э. Мариотт (1620—1684) экспериментально исследовал послед-
ствия удара, поведение балок при изгибе, изобрел баллистичес-
кий маятник, создал первые установки для испытания материа-
лов на растяжение.
В 1713 г. Паран пришел к теоретическому выводу, что в бал-
ке возникают растягивающие и сжимающие усилия.
Д. Бернулли (1700—1782) впервые описал результаты опытов,
связанных с экспериментальным установлением частот и форм
колебаний стержней.
Одну из первых лабораторий для испытаний металлов создал
Реамюр. Она была оснащена испытательной машиной, специально
разработанной для этой цели. В 1722 г. ои описал методику вы-
полнения механических испытаний металлов. Этот год считается
началом проведения механических испытаний металлов.
В 1767 г. Дюгамель выполнял опыты с деревянными балоч-
ками. В одних образцах в верхней части до середины их высоты
он сделал прорези и заложил их деревянными прокладками.
Другие образцы были без прорези. В таком виде он нагружал те
и другие образцы, доводя их до разрушения. Несущая способ-
ность балочек оказалась одииаковой. Из этого был сделан вы-
вод, что в балках имеются растянутая и сжатая зоны. Если бы
возникали только растягивающие напряжения, то прокладки
выпали, а несущая способность образцов была бы разной.
Ш.О. Кулон (1736—1806) проводил опыты, связанные с изу-
чением прочности песчаника, исследовал сжатие призм, изучая
крутильные колебания.
П. Ван-Мусшенбрук (1784—1761) предложил ряд машин для
проведения испытаний на растяжение, сжатие и изгиб.
Многочисленные опыты по изучению изгиба деревянных балок
были проведены Ф. Дюпеном (1784—1873).
А. Дюло в начале XIX в. провел обширные испытания желез-
ных конструкций, в том числе на продольный изгиб. Он начал
работу по изучению составных и двутавровых балок.
Т. Юнг (1773—1829) опытным путем установил изменение
поперечных размеров образцов при сжатии материала, уточ-
нил область применения закона Гука, ставил эксперименты по
удару.
Г. Ламе (1795—1870) сконструировал испытательную маши-
ну для создания нагрузки с использованием гидравлического
пресса.
Опыты по выявлению характера колебания пластин впервые
были проведены Е. Хладии (1756—1827).
В первой половине XIX в. У. Фейрбсйрном была сконструи-
рована испытательная машина, позволившая ему совместно с
И. Ходкинсоиом проводить испытания чугунных образцов на сжа-
тие, растяжение и изгиб, а также изучать прочность пластин из
кованого железа и заклепочные соединения из таких пластин.
Ю. Вейсбах (1806—1871) во Фрсйбургской горной академии
организовал механическую лабораторию для испытаний матери-
алов иа статические и динамические воздействия.
В 1821 г., через 163 года после работ Галилея, А. Навье (1785—
1836) доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось про-
ходит через центр тяжести поперечного сечения.
в
Проблему усталости материалов впервые поставил Ж В. Пон-
селс (1788—1867). Г. Джемсом и Д. Гальтоном была предложена
машина для испытаний на выносливость.
А. Веллер (1819—1914) исследовал усталость материалов, пред-
ложил прибор для статических испытаний на изгиб.
Круг научных интересов В. Вертгейма (1815—1861) был нео-
бычайно широк. Он изучал влияние температурных условий на
значение модуля упругости стали, проводил испытания стекла,
дерева для определения значения коэффициента Пуассона, за-
ложил основы для создания методов фотоупругости. В дальней-
шем в этом направлении работали Ф. Нейман, Д. Брьюстер,
О.Ж Френель, Д. К. Максвелл (1831—1879). В работах Максвелла
впервые была разработана техника оптического анализа напря-
жений в поляризованном свете.
В последней трети XIX в организуется сеть специализирован-
ных лабораторий для испытания материалов и конструкций, раз-
рабатываются новые типы испытательных машин и измерительной
аппаратуры. Л. Вердер в 1875 г. создает машину, развивающую
усилие 1000 кН; начинают использоваться гидравлические прессы
Амслера-Лаффоие. Изучением устойчивости упругих систем за-
нимались И. Баушингер, Л. Тстмайер н др.
Г.Р. Герц (1857—1894) изучал сжатие упругих тел, проводил
опыты по взаимодействию соударяющихся тел.
В начале XX в. получают развитие теории разрушения хруп-
ких материалов (А А. Гриффитс, В. Вайбулл и др.), пластичес-
кого деформирования материалов (Л. Прандтль, А. Надаи и др.),
ползучести материалов при высоких температурах.
Значительный вклад в развитие экспериментального модели-
рования конструкций внес И.П. Кулибин (1735—1818). Для обо-
снования одного из своих проектов арочного моста пролетом
298,6 м он построил его физическую модель в масштабе 1:10
натуральной величины. После испытаний модель многие годы
перекрывала один из каналов в Таврическом саду Петербурга.
В 1808 г. в Петербурге создается Институт инженеров путей
сообщения, в стенах которого трудились Г. Ламе и Ю.П. Кла-
пейрон. Г. Ламе сконструировал испытательную машину для
изучения механических свойств железа.
В 1823 г. на механическом заводе была изготовлена самая
мощная в Европе цепепробиая машина для испытания цепей
висячих мостов с разрывным усилием до 60 т.
9
Д.И. Журавский (1821—1891) изучал распределение касатель-
ных напряжений в сплошных и составных деревянных балках,
исследовал работу балок коробчатого типа. В 1855 г. он предло-
жил знаменитую формулу для вычисления касательных напря-
жений в балках.
В 1847 г. при Лондонском университете Годкинсоном (1789—
1861) была создана первая механическая лаборатория, которая
занималась испытанием строительных материалов.
В России в 1853 г. П.И. Собко при Петербургском институте
путей сообшения организовал механическую лабораторию.
В области изучения упругости А.Т. Купфер (1799—1865) —
первый директор Центральной лаборатории весов и мер России —
исследовал значение модуля сдвига, изучал крутильные колеба-
ния, влияние температуры на модуль упругости, провел много-
численные работы по изучению изгиба и колебаний балок.
М.Ф. Окатов (1829—1901) провел обстоятельные исследова-
ния коэффициента Пуассона.
Н.А. Белелюбский (1845—1922) предложил ввести в практи-
ку испытания материалов единые международные технические
условия.
На основании анализа разрушения пролетных строений мос-
тов с ездой понизу, не имеющих ветровых горизонтальных свя-
зей по верхнему поясу, Ф.С. Ясинский (1856—1899) разработал
расчетную схему.
Первые испытания железобетонных конструкций (плит и арок)
были проведены в 1886 г. немецкой строительной фирмой
«ВАЙС». В тот же год в России первые испытания железобетонных
конструкций проводились при строительстве Московской бой-
ни. В 1891 г. Н.А. Белелюбский в значительном объеме провел
испытания железобетонных плит, арок, труб, цилиндрических
резервуаров.
В_Л. Каприевич (1845—1913) исследовал усталостную прочность
материалов. В его работах рассматривались актуальные пробле-
мы: теория подобия, оптическое изучение деформаций.
Опыты по изучению скольжения грунта при передаче нагрузки
через жесткий штамп выполнялись В.И. Курдюмовым (1853—
1904).
В 1918 г. был организован Научно-экспериментальный ин-
ститут путей сообшения, возглавляемый Н.С. Стрелецким. В сте-
нах института работали многие известные ученые, определившие
ю
развитие теории и практики обследования сооружений. А Г. Га-
гарин сконструировал пресс для испытания материалов.
Н.Н. Максимов создал прогибомер, позволяющий измерять пе-
ремещение точек сооружений, расположенных на большой вы-
соте. И.М. Рабинович развивал методы изучения воздействия
динамических нагрузок на пролетные строения мостов. Г А Ни-
колаев основал школу сварки. Исследования прочности матери-
алов и воздействий кратковременных импульсных нагрузок на
сооружения проводил М.М. Филоненко-Бородач. Ю А. Нилен-
дер разработал методику испытания плотины ДнепроГЭС- Сво-
ими трудами он оказал существенное влияние на развитие тео-
рии неразрушаюших методов.
Значительный вклад в развитие методов и средств обследо-
вания строительных конструкций внесли И.Л. Корчинский,
К.И. Безухов, Н.Н. Аистов, Н.А. Крылова, К.А. Гтуховский,
М.А. Новгородский, Р.И. Аронов, Д.Е. Долидзе, В.М. Сердюкова,
А.Г. Григоренко, Л.И. Кривилева, Г.Я. Почтовик. А.И. Яков-
лев, Ю.Д. Золотухин, Г.Л. Хесин и др.
Оригинальные измерительные приборы созданы Н.Н. Аисто-
вым, И.А. Физделем, К.П. Кашкаровым, И.С. Вайнштоком,
И.В. Вольфом, А.М. Емельяновым, В.Ф. Смотровым, В.А. Во-
робьевым, О.Ю. Саммалом, В.З. Хейфицем.
Неразрушаюший контроль производства и качества железо-
бетонных изделий получил развитие в работах А.И. Буркаса,
Д.А. Коршунова, З.М. Брейтмана, В.П. Глуховского, А.М. По-
лищука, Л.Г. Родэ, И.Э. Школьника, В. В. Судакова, Б.Б. Уж-
полявичюса.
Анализ последствий аварий и катастроф до настоящего вре-
мени не имеет строгой классификации. Тем ие менее в работах
В.З. Власова, Ф.Д. Дмитриева, Б.И. Беляева, В.С. Корниенко,
М.Н. Лащенко, К.М. Сахиовского, А.М. Титова, А.Н. Шкинева.
Ф.С. Ясинского, Б.В. Остроумова, Б.В. Сендерова, В.И. Кара-
козовой, В.Г. Золотухина выполнены обобщение, анализ аварий,
теоретические исследования, моделирование, и разрабатывались
практические рекомендации по их предотвращению.
Развитию методов теории надежности в строительстве способ-
ствовали труды ученых В.В. Болотина, А.Р. Ржаницына, С А. Ти-
машева, Б.М. Колотилкина, А.Г. Ройтмана, В Д. Райзера и др.
Практика показывает, что при оценке состояния и работы
зданий и сооружений необходимо учитывать:
• условность статических расчетных схем и возможные от-
клонения вычисленных по ним усилий от действительного
распределения их в конструкциях сооружений;
• условность применяемых расчетных характеристик мате-
риалов;
• возможные отклонения нагрузок от расчетных значений;
• случайный характер фактического влияния внешней среды.
Оценить влияние всего комплекса перечисленных факторов
теоретическим путем часто бывает невозможно. В связи с этим
особую значимость приобретают экспериментальные исследования
материалов и конструкций зданий и сооружений.
Таким образом, вопросы развития методов определения тех-
нического состояния конструкций не теряют своей актуальнос-
ти, оставаясь достоверным способом оценки допущений, при-
нимаемых в расчетах, влияющих на надежность зданий и соору-
жений.
2
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ЗДАНИЯМ И ИХ ЭЛЕМЕНТАМ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ БЕЗОПАСНОСТЬ
И КОМФОРТНЫЕ УСЛОВИЯ СРЕДЫ
ОБИТАНИЯ
Безопасность обитания обеспечивается в первую очередь на-
дежностью конструкций здания, принятым для конкретных ус-
ловий эксплуатации конструктивным решением, а также надеж-
ностью инженерного оборудования (электроснабжения, тепло-
вых сетей, котельных лифтов, молниезашиты, кранового
оборудования и т.п.). В строительных нормах строго регламен-
тированы основные параметры работы конструкций, элементов
и оборудования здания, обеспечивающих его безопасность, при-
ведены правила выполнения профилактических действий, обес-
печивающих безопасность при эксплуатации объектов (осмотры,
наладка, контрольные испытания и т.п.). В них содержатся со-
став мероприятий, периодичность проведения и необходимый
объем. Предусмотрен многоступенчатый контроль за выполне-
нием нормативных требований безопасности, включающий:
• непрерывный, возлагаемый на службы, занимающиеся
эксплуатацией объектов;
• периодический, осуществляемый специальными государ-
ственными службами надзора.
Комфортные условия в здании определяются комплексом
факторов, основные из которых приведены на рис. 2.1. Норма-
тивными документами определены требования к конструкциям
и инженерным системам, обеспечивающие необходимое качество
среды обитания.
Современное здание представляет собой сложную систему
взаимосвязанных в работе конструкций и инженерных систем.
Например, тепловой режим помещений зависит от теплотехни-
13
Рис. 2.1. Схема формирования комфортных условий среды обитания
комфортная. Снижение температуры помещении до 17,5°С вос-
принимается людьми как «немного прохладно» н требует утеп-
ленности домашней одежды. При температуре 15°С 30% людей
выражают недовольство тепловыми условиями. Однвко если
снижение температуры в указанном диапазоне краткосрочно или
происходит редко, то число людей, неудовлетворенных тепло-
выми условиями, сокращается.
Различие в восприятии людей комфортных условий и времен-
ные факторы возможных отклонений условий требуют совершен-
ствования нормативной базы. Наряду с усредненными показа-
телями необходимо нормировать ннжний уровень качества сре-
ды обитания. Последний должен определять максимально
возможные значения, за которые параметры среды не должны
выходить в течение заданного времени, и учитывать величину
и продолжительность отклонения этих параметров.
2.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КОНСТРУКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
К любым зданиям и сооружениям предъявляются следующие
требования:
• все здания и сооружения, а также их отдельные элементы
должны быть прочны и устойчивы;
• перемещения элементов нс должны выходить за пределы,
обусловленные возможностью и удобством их эксплуата-
ции;
• не должны возникать трещины и повреждения, нарушающие
возможность нормальной эксплуатации или снижающие
долговечность сооружений.
В то же время не должны допускаться излишние запасы как
по классам и маркам применяемых материалов, так и в отношении
сечений отдельных элементов, а также в конструктивной системе
здания и сооружения в целом.
В обеспечении надежности строительных конструкций су-
щественную роль играют методы расчета, заложенные в строи-
тельных нормах и правилах. Они определяют ожидаемый уро-
вень надежности, который связан с расходом материалов и сто-
16
имостью конструкций. Требуемый уровень надежности не только
обеспечивается расчетными требованиями норм проектирования,
но и зависит также от метода расчета, принятой конструктив-
ной схемы, вида соединений отдельных элементов, правил кон-
струирования, контрольных испытаний и условий приемки при
изготовлении и монтаже.
Расчет строительных конструкций проводится по методу пре-
дельных состояний.
Основные положения метода предельных состояний сформу-
лированы в стандарте СЭВ 384-87. Определенное усовершенство-
вание этот метод получил в международном стандарте «Обшие
принципы проверки надежности конструкций». Метод устанав-
ливает следующие положения по расчету конструкций на сило-
вые воздействия:
• строительные конструкции должны быть запроектированы
таким образом, чтобы они обладали достаточной надежно-
стью при возведении и эксплуатации с учетом, при необ-
ходимости, особых воздействий (например, вследствие зем-
летрясения, наводнения, пожара, взрыва). Основным свой-
ством, определяющим надежность строительных конструк-
ций, зданий и сооружений в целом, является безотказность
их работы — способность сохранять заданные эксплуата-
ционные качества в течение определенного срока службы;
• рассчитывать строительные конструкции и основания сле-
дует по методу предельных состояний, основные положе-
ния которого направлены на обеспечение безотказной ра-
боты конструкций и оснований с учетом изменчивости
свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, гео-
метрических характеристик конструкций, условий их рабо-
ты, а также степени ответственности и экономической зна-
чимости проектируемых объектов, определяемой материаль-
ным и социальным ущербом при нарушении их работоспо-
собности. Предельные состояния определяют как состояния,
при которых конструкция (здание или сооружение в целом)
перестает удовлетворять заданным эксплуатационным тре-
бованиям или требованиям при производстве работ.
Предельные состояния подразделяются на две группы:
к первой относятся состояния, приводящие к полной непри-
годности эксплуатации конструкций, оснований (здания или
сооружения в целом) или к полной (частичной) потере их несу-
17
щей способности. Это можно определить как абсолютные пре-
дельные состояния;
вторая включает состояния, затрудняющие нормальную экс-
плуатацию конструкций или оснований или уменьшающие дол-
говечность здания (сооружения) по сравнению с предусматри-
ваемым сроком службы. Их можно определить как функциональ-
ные предельные состояния.
Предельные состояния первой группы определяются: разру-
шением любого характера (например, пластическим, хрупким,
усталостным); потерей устойчивости формы, приводящей к пол-
ной непригодности к эксплуатации; потерей устойчивости по-
ложения; переходом в изменяемую систему; качественным из-
менением конфигурации; другими явлениями, при которых на-
ступает необходимость прекращения эксплуатации (например,
чрезмерные деформации в результате ползучести, пластичнос-
ти, сдвига в соединениях, раскрытия трещин, а также образова-
ние трещин).
Предельные состояния второй группы характеризуются: дос-
тижением предельных деформаций конструкций (например,
предельных прогибов, поворотов) или предельных состояний
основания; предельным уровнем колебаний конструкции или
оснований; образованием трещин; достижением предельных рас-
крытий или длин трещин; потерей устойчивости формы, при-
водящей к затруднению нормальной эксплуатации, а также к
другим явлениям, при которых возникает необходимость времен-
ного ограничения эксплуатации здания или сооружения из-за
неприемлемого снижения их срока службы (например, корро-
зионные повреждения).
Расчет по предельным состояниям имеет целью обеспечить
надежность здания или сооружения в течение всего срока службы,
а также при производстве работ. Условия обеспечения надежности
заключаются в том, чтобы расчетные значения нагрузок или ими
вызванных усилий, напряжений, деформаций, перемещений,
раскрытия трешин не превышали соответствующих им предельных
значений, устанавливаемых нормами проектирования конструк-
ций или оснований.
Общее условие непревышения предельного состояния может
быть представлено в виде области допустимых состояний кон-
струкции
С) £ 0, (2.1)
rs
где Fp — расчетное эиачеиис нагрузки; aiFp — нагрузочный эффект
(усилия, напряжения, деформации и т.п.); а{— функция геомет-
рических и физических параметров конструкции; Fp - F„ —
нормативное значение нагрузки; у,— коэффициент надежности
по нагрузке; b( Rp — иссушая способность конструкции; Ь, — фун-
кция параметров поперечного сечения и т.п.; Rp — расчетное зна-
чение сопротивления материала, Rp = RJ-(m', R„ — нормативное
значение сопротивления материала; у„ — коэффициент надежно-
сти по материалу; уп — коэффициент надежности по назначению
конструкции (коэффициентответственности); уа — коэффициент
точности; yd — коэффициент условий работы; С — постоянные,
включающие предварительно выбранные расчетные ограничения,
задаваемые для некоторых видов предельных состояний (по про-
гибам, раскрытию трещин и т.п.).
Содержащиеся в нормах проектирования значения нагрузок,
сопротивления материалов, величины коэффициентов надежности
определяют уровень надежности и назначаются на основе прак-
тического опыта. Сейчас наметилась тенденция к постепенно-
му снижению расчетных значений нагрузок и повышению рас-
четных сопротивлений материалов.
Входящие в неравенство (2.1) факторы, от которых зависит
состояние конструкции, условно можно разделить на две груп-
пы. Первая группа факторов определяется свойствами самой
конструкции; вторая — зависит главным образом от внешних
воздействий. Такое разделение на группы возможно потому, что
в большинстве случаев между ними отсутствуют функциональ-
ные связи. Нередко бывают ситуации, когда факторы одной груп-
пы оказывают влияние на факторы другой.
Отсюда для первой группы предельных состояний условие (2.1)
можно сформулировать следующим образом — усилия в конст-
рукции не должны превышать несущей способности:
Для второй группы предельных состояний неравенство может
быть представлено так:
Здесь левая часть неравенства представляет собой прогиб, угол
поворота, раскрытие трещин и т.д., а правая — предельно допу-
стимые значения этих величин.
19
Предельно допустимые значения деформаций устанавливаются
обычно из необходимости соблюдения архитектурных или техно-
логических требований к деформациям сооружений — изменение
проектных уровней в положении здания и сооружения в целом,
отдельных их элементов и оборудования, включая требования к
нормальной работе лифтов, кранового оборудования и т.п.
При расчете конструкций должны рассматриваться случаи,
представляющие собой комплекс условий, определяющих требо-
вания к конструкциям. Могут быть учтены ситуации следующих
типов:
• установившиеся, имеющие продолжительность того же по-
рядка, что и срок службы строительного объекта (напри-
мер, эксплуатация между двумя капитальными ремонтами
или изменениями технологического процесса);
• переходные, имеющие небольшую по сравнению со сроком
службы строительного объекта продолжительность (напри-
мер, возведение здания, капитальный ремонт, реконструк-
ция);
• аварийные, имеющие малую вероятность появления и не-
большую продолжительность, но являющиеся весьма важ-
ными сточки зрения последствий достижения предельных
состояний, возможных при них (например, ситуация, воз-
никающая в связи со взрывом, столкновением, аварией
оборудования, пожаром, а также непосредственно после
отказа отдельного элемента конструкции);
• расчетные, характеризуемые расчетной схемой конструк-
ции, видами нагрузок, значениями коэффициентов усло-
вий работы и коэффициентов надежности.
Возможные отклонения сопротивлений и других характери-
стик материалов и грунтов в неблагоприятную сторону от рас-
четных значений учитываются коэффициентами надежности по
материалу и грунту уи. Они устанавливаются нормами проекти-
рования конструкций и оснований в зависимости от свойств
материалов и грунтов, их статистической изменчивости, а так-
же с учетом факторов, которые не могут быть определены ста-
тистическим путем (в частности, характер разрушения матери-
ала, допуски на толщину проката, практический опыт и т.п.).
Нормативные значения нагрузок и воздействий классифици-
рованы в иормах нагрузок. Коэффициент надежности по нагрузке
20
включает возможные неблагоприятные отклонения воздействия
от нормативного значения вследствие изменчивости нагрузок или
отступлений от условий нормальной эксплуатации.
Коэффициент точности учитывает возможные неблагоприят-
ные отклонения геометрических размеров (размеры элементов
конструкции, их взаимное расположение, начальные прогибы
и т.п.) от нормативных значений.
Коэффициент условий работы отражает те факторы, которые
в целях упрощения расчетной модели не учитываются прямым
путем. Он может вводиться в расчеты для упрощения прибли-
женного учета ползучести, пластических свойств материалов,
влияния податливости опор и в других случаях упрощения стати-
ческих и динамических расчетов. Кроме того, указанный коэф-
фициент включает факторы, которые не имеют аналитического
описания, такие как влияние коррозии, агрессивность окружа-
ющей среды и т.д. Таким образом, этот коэффициент отражает
степень идеализации расчетной модели.
Коэффициент надежности по назначению (коэффициент от-
ветственности) учитывает ответственность сооружения и ее вли-
яние на требуемый уровень надежности. Конструкции должны
иметь различную надежность в зависимости от ответствеииости
проектируемого объекта, определяемой размером материально-
го и социального ущерба при достижении конструкцией предель-
ного состояния. Установлены четыре класса ответственности
объектов:
к «и» отнесены имеющие уникальное экономическое и (или)
социальное значение;
к первому — объекты, имеющие особо важное экономическое
и (или) социальное значение, приносящие высокий доход или
имеющие значительную стоимость, а также здания и сооруже-
ния, при достижении конструкциями которых предельных со-
стояний одновременно подвергается опасности большое число
людей;
ко второму — здания и сооружения, имеющие важное эконо-
мическое и (или) социальное значение.
к третьему — здания и сооружения, имеющие ограниченное
экономическое и (или) социальное значение, т.е. от надежнос-
ти которых зависит безопасность эпизодически появляющихся
людей.
21
2.3. ПРИЕМКА ЗДАНИЙ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ
Для своевременного выявления дефектов принимаемых в
эксплуатацию зданий необходим тщательный н всесторонний
приемочный контроль с использованием инструментальных ме-
тодов. Материалы обследования здания перед приемкой исполь-
зуют следующим образом:
• заключение о качестве знания, его конструктивных элементов
и инженерных систем служит основой для выработки ре-
шения Государстве иной приемочиой комиссии, оценки
работы строителей, а также для предъявления строитель-
ной организации перечня дефектов, подлежащих устране-
нию;
• объективная оценка качества монтажных работ при строи-
тельстве полносборных зданий позволяет своевременно ин-
формировать заводы-изготовители о допусках и дефектах
монтажа конструкций;
• инструментальное обследование здания перед вводом в экс-
плуатацию дает объективные исходные данные для его даль-
нейшей правильной эксплуатации.
Перед началом обследования объекта выполняется ознакомление
с проектом. При этом обращается внимание на конструктивную
схему здания, шаг несущих конструкций, типы применяемых
конструкций, размеры панелей, колонн, плит перекрытий, уст-
ройство кровли, гидроизоляцию подземной части здания.
Затем в зависимости от назначения здания (сооружения) и его
основных характеристик определяется объем контрольных испы-
таний. Например, для жилых полносборных зданий определя-
ется количество квартир, подлежащих выборочному инструмен-
тальному приемочному контролю, а также месторасположение
контролируемых квартир. &го количество зависит от общего числа
квартир в здании, а их месторасположение определяется тем, в
каких секциях квартира расположена (рядовых или торцевых) и
на каком этаже (первом, среднем или последнем).
Далее выполняются следующие регламентированные конт-
рольные действия:
а) определение с помощью нивелира неравномерных осадок
здания (разность осадок) для каркасных зданий или прогиба для
бескаркасных зданий. Одна из точек нивелирования должна быть
привязана к существующему реперу для возможности провсде-
22
ния повторных измерений. По результатам нивелирования де-
лается заключение о допустимости деформаций по известным зна-
чениям предельно допустимых деформаций основания. Вопрос
о наличии и развитии неравномерных осадок доджей решаться
в каждом конкретном случае с учетом грунтовых условий, кон-
структивного решения здания, глубины заложения фундаментов
и внешних воздействий.
При обнаружении неравномерной осадки здания для закреп-
ления опорных точек повторного нивелирования устанавлива-
ют осадочные марки. Они представляют собой металлические
штыри, скобы или костыли, жестко заделанные в цокольную часть
стены. Марки устанавливают в местах наибольшей ожидаемой
осадки, прогиба или крена фундаментов;
б) определение уклонов отмостки и оцеика качества выпол-
ненных работ. Уклоны отмосток определяют не менее чем в пяти
сечениях по каждой стороне здания. Отмостка должна иметь
ширину, предусмотренную проектом, равномерно примыкать к
цоколю здания и иметь уклон не менее 35е;
в) выявление и измерение ширины трешии в стенах техни-
ческого подполья или подвала. Трешины выявляются путем ви-
зуального осмотра здаиия по всему периметру и стен техничес-
кого подполья (подвала). Обнаруженные трещины фиксируют в
журнале, устанавливают их характер (усадочные, осадочные,
температурные и т.п.) и определяют ширину раскрытия;
г) выявление и измерение ширины треш ин в стенах (наруж-
ных и внутренних). Расположение обнаруженных визуальным ос-
мотром трешин фиксируют на схематическом чертеже, указывая
их характер. Особо обращают внимание на наличие трещин в пе-
ремычках и простеночных участках стен. При приемке крупно-
панельного здания, например, допускается ширина раскрытия
трешин в железобетонных панелях наружных стен до 0,3 мм и
1 мм для стыковых соединений:
д) определение точности монтажа стен: ширины шва между
наружными стеновыми панелями, относительного смешения
вертикальных и горизонтальных торцов панелей в крестообраз-
ном шве, относительного смешения лицевых граней панелей,
сопрягаемых в одной плоскости, отклонения верхних углов стеи
по вертикали. Все измерения выполняют снаружи и внутри по-
мещений;
23
е) качество закрытых стыков наружных стеновых панелей
выявляют путем оценки их герметичности. Для этого определя-
ют коэффициент воздухопроницаемости стыков, относительное
удлинение и адгезию герметиков к граням панелей;
ж) выявление и измерение трешин в перекрытиях выполня-
ется визуально. У обнаруженных трешин определяется их направ-
ление (вдоль или поперек пролета, по ребрам или вблизи них),
а также характер (усадочные, от нагрузки и т.п.). При выявле-
нии трещин поперек рабочего пролета указывают их ширину
раскрытия через каждые 30—50 см по длине трещины.
При обнаружении на поверхности панелей сетки усадочных
трещин, а также трещин в средней части рабочего пролета пли-
ты шириной более 0,3 мм выполняется оценка степени опасно-
сти для дальнейшей эксплуатации здания;
з) определение прогибов перекрытия. Для оценки деформа-
тивности плит перекрытий определяется их прогиб относитель-
но участков опирания на несущие стены. С помощью геодези-
ческих приборов устанавливают отклонение поверхности плиты
от горизонтальной плоскости, проведенной через ось трубы ни-
велира;
и) определение точности монтажа перекрытия (разность от-
меток потолка в углах комнаты) определяют с помощью ниве-
лира с оптической насадкой и рейки со светящейся шкалой. Раз-
ность отметок не должна превышать расстояния между уг-
лами;
к) оценка температурно-влажностного режима включает в себя
измерение температуры и относительной влажности в помеще-
ниях, температуры поверхностей ограждающих конструкций и
оценку работы вентиляции;
л) проверка звукоизоляции стен и перекрытий. Звукоизоля-
цию проверяют по требованию заказчика или органов государ-
ственного надзора в случае повышенной звукопроводности, явив-
шейся результатом нарушения правил производства работ (не-
правильная заделка мест сопряжений стен и перекрытий,
монтажных отверстий, наличие трещин и т.п.);
м) при проверке уклонов, гидроизоляции кровли и работы
внутренних водостоков измеряются уклоны в трех местах по
каждому скату Кровли. Качество приклейки рулонного ковра оце-
нивают путем пробного отрыва. Водонепроницаемость кровли и
сопряжении внутренних водостоков проверяют путем заливки
24
водой. Внутренние водостоки наполняют водой и выдерживают
при закрытых выпусках. После заливки кровли и водостоков
примерно через 1 ч выполняют осмотр помещений с целью вы-
явления протечек;
н) проверка уклонов балконных плит, которые должны быть
не менее 2%;
о) проверка гидроизоляции полов в санитарных узлах и ван-
ных комнатах производится в зданиях, где не используются са-
нитарно-технические кабины заводского изготовления. Проверка
осуществляется заливом пола водой слоем 1—2 см. Через 6 ч
проводится осмотр потолков в нижележащих помещениях с це-
лью выявления протечек;
п) при приемке здания в эксплуатацию выполнятся провер-
ка качества внутренних отделочных работ, полов и столярных
изделий в объеме, указанием в проекте;
р) по результатам измерений, проведенных при приемочном
контроле, составляется техническое заключение, в котором да-
ется оценка качества каждого элемента здания. При наличии
большого числа отклонений параметров от нормативных значе-
ний проводят дополнительные выборочные обследования, пос-
ле чего делается окончательный вывод об объемах работ по уст-
ранению выявленных дефектов.
3
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ЗДАНИЙ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
3.1. СТАРЕНИЕ И ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ
КОНСТРУКЦИЙ
Здания и сооружения в процессе эксплуатации подвергаются
воздействию агрессивных сред природного и техногенного ха-
рактера В результате указанных воздействий происходит изме-
нение первоначальных свойств материалов конструкций и ин-
женерного оборудования. В зависимости от того, какие именно
параметры материалов изменяются под воздействием внешних
факторов, различают две формы изменений — старение и износ.
Старение — это процесс изменения физико-химических свойств
материала конструктивного элемента при длительной естествен-
ной выдержке, т.е. в результате воздействия на конструкцию
окружающей среды, механических нагрузок, связанных с техно-
логическими процессами в здании. Старение материала предше-
ствует его разрушению. Оно носит необратимый характер. Раз-
рушение конструкции под воздействием нагрузок происходит в
месте наиболее опасного дефекта. В отличие от нагрузок фак-
торы окружающей среды действуют равномерно или избирательно
в одном или нескольких местах конструкции и сопровождаются
интенсивным физическим износом.
Износ — это изменение размеров, формы, массы техничес-
кого объекта или состояния его поверхности вследствие остаточ-
ной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-
за разрушений поверхностного слоя.
Вследствие старения и износа наступает разрушение матери-
вла конструкции. Различают три случая разрушения: 1) боль-
шие статические или динамические нагрузки вызывают значи-
тельные, превышающие допустимые напряжения в материале;
2) совместное воздействие механических нагрузок и факторов
26
окружающей среды, каждый из которых активизирует общее
воздействие; 3) значительная агрессивность окружающей среды
при малых напряжениях от статических или динамических на-
грузок приводит к разрушению. Наиболее значимы в разруше-
нии материала факторы окружающей среды. Механические на-
грузки приводят к активизации процессов, связанных с воздей-
ствием окружающей среды.
В условиях эксплуатации сооружений обычно наблюдаются
второй и третий случаи разрушения конструкций.
Значительное влияние на износ конструкции оказывает мик-
роструктура материала.
Вещества в природе, как известно, находятся в четырех агре-
гатных состояниях: жидком, твердом, газообразном и плазмен-
ном. Материалы, применяемые для конструкций зданий, твер-
дые, поэтому в отличие от газов и жидкостей оии обладают уп-
ругостью. При изменении формы тела под действием внешних
сил возникают силы упругости, стремящиеся возвратить его в
первоначальное состояние.
Существуют две разновидности агрегатного состояния твер-
дого тела — аморфная и кристаллическая. Аморфные тела мож-
но рассматривать как жидкости с высоким коэффициентом вяз-
кости. Аморфные тела не имеют четко выраженной температу-
ры плавления. Молекулы расположены беспорядочно, и вещество
изотропно, т.е. имеет одинаковые физические свойства по всем
направлениям, по отношению к которым оии определены. Кри-
сталлами называют твердые тела, обладающие упорядоченной
трехмерной периодической пространственной атомной структурой
и имеющие вследствие этого при определенных условиях обра-
зования форму миогогранников. Кристаллическое состояние —
это термодинамическое равновесное состояние твердого тела.
Каждой твердой фазе фикси роваиного химического состава со-
ответствует одна определенная кристаллическая структура. Кри-
сталл может и не иметь форму многогранника, но он обладает
рядом физических свойств, которые отличают его от аморфно-
го тела. Характерные свойства кристаллических веществ:
1) однородность (в любых участках тела свойства тождествен-
ны). Некоторые свойства (скалярные) не зависят от направле-
ния в материале: теплоемкость, плотность; ряд свойств зависит
от направления, по отношению к которому онн определены: теп-
лопроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость,
27
преломление света. Такая зависимость называется анизотропной.
Анизотропия свойственна поликристаллитам, жидким кристал-
лам, природным и синтетическим полимерным веществам;
2) симметричность, т.с. они обладают свойством совмещать-
ся в разных положениях с исходным.
Наименьшее число атомов кристалла, сохраняющее при умень-
шении его размеров свойственную данному кристаллу симмет-
рию, называется элементарной ячейкой. Из таких ячеек слага-
ется кристаллизационная решетка твердого тела, состоящая из
огромного числа атомов. Атомы (ионы) образуют узлы кристал-
лической решетки. Промежутки между узлами называют меж-
доузлиями. Кристаллическую решетку можно рассматривать как
совокупность миллиардов приложенных друг к другу элементар-
ных ячеек. Большинство природных и синтетических твердых
тел — поликристаллическис, т.е. представляют собой агрегаты ха-
отически ориентированных мелких кристалликов разного размера
и неправильной формы, которые называют кристаллитами или
кристаллическими зернами. Свойства поликристаллитов опре-
деляются свойствами кристалликов, из которых они образова-
ны, величиной, взаимным расположением и силами их взаимо-
действия. Чтобы выявить отличие от поликристаллов, крупные
кристаллы обычно называют монокристаллами.
Классификация кристаллов по типам кристаллических решеток
дает представление о геометрической характеристике кристал-
ла. Физические характеристики материала зависят от природы
сил, удерживающих атомы (молекулы, ионы) в узлах решетки.
В зависимости от физической природы этих сил различают че-
тыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, метал-
лические и молекулярные. В узлах ионных решеток чередуются
положительные и отрицательные ионы, электростатические силы
притяжения, между которыми больше сил отталкивания. Поэтому
такие решетки стабильны, что характерно для материалов неор-
ганического происхождения. Преобладание сил притяжения
между разноименными ионами над силами отталкивания наблю-
дается только в том случае, если расстояние между центрами ионов
больше суммы ионных радиусов. Малейшее уменьшение этого
расстояния вызывает значительное преобладание сил отталкива-
ния электронных сфер, что дает основание рассматривать модель
ионов как твердые шары. Число ионов противоположного зна-
ка, составляющих ближайшее окружение данного иона в крис-
28
талле, называется координационным числом (отношение ради-
усов разноименных ионов). С повышением температуры радиу-
сы разноименных ионов меняются неодинаково (радиус аниона
увеличивается быстрее, чем катиона), что вызывает изменение
координационного числа и перестройку кристаллической решетки.
При этих изменениях возникают дополнительные напряжения
в материале, часто сопровождающиеся деформациями в виде
микротрещин, особенно на границе кристаллических зерен, со-
ставляющих блочную структуру материала.
Структурные единицы атомных решеток — нейтральные атомы,
ковалентно связанные друге другом при образовании обшей пары
валентных электронов (по одному от каждого атома). Такие элек-
троны называются общественными, так как при малык рассто-
яниях между атомами вероятность нахождения электрона на ор-
бите «чужого» атома очень велика. При ковалентной связи ярко
выражено направление взаимодействия между элементарными
частицами. Такую связь имеют углерод и кремний. Сила связи
между атомами значительно снижается с увеличением рассто-
яния между ними. Все элементы при кристаллизации могут иметь
разные модификации, существующие в определенных диапазо-
нах температуры и давления. Способность одного и того же ве-
щества кристаллизоваться в различных кристаллических струк-
турах называется полиморфизмом. Например, олово может быть
в двух модификациях д-Sn (серое) и 6-Sn (белое). Полиморф-
ное превращение одной модификации в другую происходит при
определенных условиях давления и температуры. Процесс пере-
кристаллизации в этих условиях неизбежен, так как он обусловлен
стремлением вещества находиться в устойчивом термодинами-
ческом состоянии. Перекристаллизация связана с возникнове-
нием внутренних напряжений в материале конструкции или на
границе вновь образовавшихся кристаллических блоков и раз-
дела в композиционных материалах.
Узлы металлических решеток заняты положительно заряжен-
ными ионами, в междоузлиях находятся подвижные электроны.
Радиус иона значительно больше в металле, чем в другом соеди-
нении. Особенность металлических связей объясняется тем, что
узлы решетки расположены очень близко друг к другу и вален-
тные электроны переходят от одного атома к другому, образуя в
обшей массе так называемый электронным гзз. Под влиянием
стягивающих сил bj шмодсйствия электронов с ионами и оттал-
29
кивающих сил между ионами последние располагаются на фик-
сированном равном расстоянии друг от друга. Большинство
металлов обладают полиморфизмом. Характер металлических
связей обусловливает многие физические характеристики ме-
таллов: пластичность, электропроводность, коррозионную СТОЙ-
КОСТЬ и др.
В узлах молекулярных решеток находятся молекулы, связан-
ные ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Различают три
типа взаимодействия: ориентационный, индукционный, дисперс-
ный. В кристаллах могут одновременно проявляться все три типа
взаимодействия. Молекулярные силы значительно слабее куло-
новских, поэтому молекулярная связь легко разрушается при
повышении температуры. Молекулярная связь имеется во мно-
гих органических веществах.
Дефекты кристаллов — это несовершенство кристаллическо-
го строения, нарушение периодического расположения частиц
в узлах кристаллической решетки. Дефекты подразделяются на
нуль-мерные (точечные), одномерные и двумерные. К нуль-мер-
ным относятся энергетические, электронные и атомные. Энер-
гетические дефекты появляются вследствие искажения кристал-
лической решетки, вызванного тепловым движением элементар-
ных частиц в ее узлах. При повышении температуры частицы,
обладая кинетической энергией, отклоняются от среднего поло-
жения, т.е. расстояние между узлами кристаллической решетки
увеличивается. Линейная зависимость теплового расширения
справедлива для реального материала, представляющего блочную
структуру — поликристаллическое тело. Отдельные блоки —
монокристаллы обладают анизотропностью теплового расшире-
ния, что вызывает на границах зерен неодинаковые линейные рас-
ширения, сопровождающиеся деформациями с образованием мик-
ротрещин. Так, у кристаллов кальцита при нагревании по одной
оси происходит расширение, по двум другим — сжатие. К энер-
гетическим дефектам кристаллов относятся также временные не-
совершенства решетки, вызываемые взаимодействием радиации
(света, рентгеновского излучения и др.). Атомные дефекты про-
являются в виде вакантных узлов, внедрения атома в междоуз-
лие, замещения атома материала чужеродным атомом или ионом.
К линейным дефектам относятся краевая и винтовая дислокация.
К двумерным дефектам относятся границы между зернами кри-
сталлов, ряды линейных дислокаций и др. Энергия раздела на
30
границе кристаллических блоков или зерен зависит от силы вза-
имодействия между ними, а также угла разор квитирования си-
стем. Поверхность раздела между зернами получает равновесную
форму в процессе производства изделий. Дефекты такого типа
образуются обычно в бетонных и керамических изделиях при тер-
мической обработке. Если граница раздела происходит внутри
материала, то силы взаимодействия могут вызвать образование
микропор или микротрешин. Точечные дефекты имеются в лю-
бом кристалле, они могут появляться и исчезать под действием
тепловых флуктуаций. Даже небольшая концентрация точечных
дефектов вызывает значительные изменения физических харак-
теристик материала. Дислокации, являющиеся протяженными
дефектами кристалла, охватывают большое число узлов решет-
ки. Они могут взаимодействовать с точечными дефектами, при
этом их рост тормозится или усиливается. Число дислокаций не
зависит от температуры материала.
Причиной низкой прочности строительных материалов явля-
ется наличие трешин, возникающих либо до приложения меха-
нических нагрузок, либо в процессе нагружения и эксплуатации.
Наибольшее распространение в строительстве получили хрупкие
материалы, обладающие малой вязкостью.
Рассмотрим влияние агрессивности окружающей среды на
разрушение материала. Факторы окружающей среды действуют
равномерно или избирательно в одном или нескольких местах
конструкции. Чаше всего такие процессы не вызывают немед-
ленного разрушения, но сопровождаются интенсивным физичес-
ким износом материала конструкции. Интенсивность действия
среды на процессы износа и разрушения материалов конструк-
ций в значительной степени зависит от состояния окружающей
среды. В одних случаях конструкции из одинаковых материалов
служат надежно много лет, а в других случаях быстро выходят
из строя. Чтобы понять причины износа, нужно проанализиро-
вать воздействия, которым подвергаются сооружения в процес-
се службы.
Факторы, вызывающие износ конструкций, указаны на рис. 3.1.
К наиболее активным средам, вызывающих ускоренный из-
нос конструкций, относятся:
• солнечная радиация. Радиация, падающая на конструкцию,
частично поглощается материалом, повышая его температуру,
частично отражается. Бетонные, каменные, силикатные конст-
31
r[
(tMwdgnw -HdttM) iMAdjw ц»ж»ьжга>МТ |
(Mixwot>Ado90 -ии»9ан 'мЫТоыэч) «млажн mxo^^uBip [
_ -| t»«i>iiAuuaxc wOTdu »w<mAd»H j
j n/»i.>«rtd»o*g |
,- Ч1эо«ж»иа
-I irnmrtodxMyHj - —
Рис. 3.1. Факторы, вызывающие износ и старение конструкций здания:
в — виды воздействий:
А — со стороны подземной части здания; Б — атмосферные явления;
ю»<»9*ио»
и trru*dau *rdAi«d*uin*x
рукции состоят из веществ, имеющих неодинаковую кристалли-
ческую структуру и обладающих анизотропностью физических
свойств в разных направлениях при наложении энергетическо-
го поля. Поэтому действие солнечной радиации вызывает зна-
чительные напряжения в теле конструкций, связанные с радиа-
ционной амплитудой;
• атмосферная среда — наличие в воздухе различных приме-
сей, смена положительных и отрицательных температур, ветер,
осадки в виде дождя и снега, ультрафиолетовые лучи, озон. К при-
родным загрязнителям атмосферы относятся: пыль от эрозии
почвы и горных пород; пыль растительного, вулканического и
космического происхождения; капельно-жидкая вода (туман) и
частицы морской соли; вулканические газы; газы от пожаров;
продукты растительного, животного и микробиологического
происхождения. Естественные процессы гниения, брожения и
разложения органических веществ сопровождаются образованием
угольной кислоты, сернистых соединений, метана, органичес-
ких кислот, аммиака, сероводорода, взаимодействующих со стро-
ительными конструкциями;
• капиллярная влага. Чистая вода влияет на износ конструк-
ций как поверхностно-активное вещество или как растворитель.
В капиллярах твердого тела жидкость имеет различную плотность
из-за растворения материала конструкции. В этом случае наблю-
дается явление осмоса: переход жидкости из области меньшей
плотности в область большей плотности через перегородки ка-
пилляров. В теле материала возникает давление, которое тем
больше, чем выше температура жидкости в порах и чем меньше
объем раствора, создающего давление. Возникновение осмоти-
ческого давления приводит к напряжениям, которые, в свою оче-
редь, ведут к разрушению материала.
При всем многообразии гидроизоляционных материалов их
можно разделить на две группы: традиционные (приклеиваемые
рулоны; обмазочные, окрасочные, сварные) и проникающего
действия (на основе минерального сырья). Недостатком тради-
ционных групп является то, что, создавая плотную защитную
пленку, они работают отдельио от самой защищаемой конструк-
ции из-за несовместимости реологических деформативно-проч-
ностных свойств. Болес перспективными являются материалы
проникающего действия. Разработанные на основе минерального
сырья сухие смеси представляют собой композиционный мате-
2- 10510 Калинин
33
риал из цемента, песка с химически активными компонентами.
При затворении водой и нанесении на поверхность бетона про-
исходят сложные физико-химические процессы, в результате ко-
торых формируются малорастворимые и нерастворимые нитевид-
ные кристаллические новообразования, заполняющие (кальма-
тируюшие) микротрещины, поры и капилляры, уплотняющие
структуру бетона. Глубина проникновения таких составов может
достигать 100 мм и более в зависимости от плотности бетона. Бла-
годаря предотвращению поступления влаги извне в тело бето-
на, покрытого защитным составом, повышается его морозостой-
кость;
• грунтовая среда. Как известно, горные породы и почвы име-
ют пористую структуру, заполненную газами и водой. Наиболь-
шее влияние на износ подземных строительных конструкций
оказывают находящиеся в грунте метан, тяжелые углеводороды,
радон.
Воздействие на строительные материалы пористой структу-
ры воды и растворимых соединений снижает долговечность со-
оружений, что является проявлением солевой коррозии. Суще-
ствуют три вида скопления избыточной влаги: вода затворения
из кладочного раствора; атмосферные осадки при косом дожде
или нарушении кровельной изоляции; капиллярный подсос грун-
товых вод вследствие неправильной гидроизоляции. Капилляр-
ный подсос растворов солей и минеральных грунтовых вод яв-
ляется одной из основных причин накопления солей в порах
материалов зданий, что при определенных температурных усло-
виях приводит к образованию трешин и отслоений. Мигрирую-
щая вода растворяет содержащиеся в материале соли и выносит
их к поверхности. Испаряясь в атмосферу и оставляя соли в верх-
них слоях штукатурки, вода постепенно насыщает штукатурку
большим количеством солей. При увлажнении штукатурки в ее
порах из насыщенного раствора солей происходит рост кристаллов.
Высолы представляют собой смесь многих химических соедине-
ний — карбонатных, кальциевых, хлоридов, оксидов металлов
и др. Реже встречаются высолы солей ванадия, часть их водора-
створима, часть растворяется кислотами или щелочами. Интен-
сивное солевое воздействие на ограждающие конструкции наблю-
дается в зданиях химической промышленности, воздушная сре-
да которых характеризуется высоким содержанием солевого
34
аэрозоля. Гигроскопический аэрозоль солей оседает на поверх-
ности стен, смешает точку росы, вызывает образование конден-
сата. Образующиеся растворы легко проникают в толшу стен При
присоединении безводными солями воды объем твердой фазы
увеличивается, что является причиной возникновения больших
давлений в материале. Возникновение трешин в защитном слое
железобетонных конструкций вызывает коррозию стальной ар-
матуры. Одиим из способов зашиты строительных материалов от
накопления солей вследствие капиллярного всасывания грунтовых
вод является объемная гидрофоб изация порового пространства
материала кремнийорганичсскими составами.
Перед началом работ по защите материалов конструкции сле-
дует выявить природу явления, вызвавшего сырость, так как от
этого зависит выбор технического решения;
• биологическая среда. Материалы разрушаются под действием
среды, создаваемой грибками. Биоповреждения следует рассмат-
ривать как эколого-технологическую проблему, так как биопо-
вреждающие агенты являются биокомпонентами среды (эколо-
гический фактор). В то же время объектами повреждений могут
быть материалы, конструкции, технические устройства, транс-
портные средства, технологический фактор. Важнейшим компо-
нентом биоповреждаюшей ситуации являются живые организ-
мы. Круг биоповреждающих агентов довольно широк — от
бактерий, грибов, лишайников, мхов, высших растений, кишеч-
нополостных до рыб, птиц н млекопитающих. Более 40% обще-
го объема биоповреждений связано с деятельностью почти всех
групп микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водо-
росли). Характер вызываемых повреждений определяется экс-
плуатационными условиями, в которых оказываются тот или иной
материал или конструкция. Интенсивность взаимодействия ма-
териалов и экологических факторов зависит не только от их при-
роды, но и от условий контакта, скорости движения и напора
жидких и газообразных сред, температуры, силовых нагрузок и др.
Например, на предприятиях кожевенной, пищевой, мясомолочной
промышленности и в животноводческих помещениях из-за вы-
сокой температуры, влажности, повышенного содержания солей,
соединений серы и азота, наличия органических веществ на по-
верхности строительных конструкций активно развиваются бак-
терии и грибы. На поверхностях морских и речных гидротсхни-
35
ческих сооружений возникают биологические обрастания — во-
доросли и животные-обрастатели, преимущественно в виде мол-
люсков. Физический, химический и биологический факторы
коррозии строительных растворов и бетонов находятся в тесной
взаимосвязи. Так как бетон является капиллярно-пористым те-
лом, на его поверхности имеются микротрещины. Колонии мик-
роорганизмов поселяются на поверхности и затем распростра-
няются вглубь, вызывая коррозионные процессы. Основные про-
цессы разрушения обусловлены действием кислот, выделяемых
в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. В благоприят-
ных условиях (высокой относительной влажности воздуха q> = 85%,
температуре 20—30°С и застое воздуха) споры прорастают. На-
ружная оболочка споры разрывается, и из нес начинает расти гифа,
невидимая невооруженным глазом. Надежным доказательством
начала поражения древесины грибами является присутствие в ней
гифов гриба — тонких простых или ветвящихся нитей, из кото-
рых формируется тело гриба. В процессе роста гифы сильно раз-
ветвляются и образуют первичную грибницу, состоящую из тон-
костенных многоклеточных гиф.
Домовый грнб является самым опасным врагом деревянных
конструкций. Процесс полного разрушения древесины этими
видами грибов может произойти в течение 1—1,5 лет, если кон-
струкция эксплуатируется в благоприятных для развития грибов
условиях. Такими условиями являются: влажность не ниже 25%,
температура воздуха 18—30°С, слабое проветривание места уста-
новки деревянной конструкции, отсутствие освещения.
Понижение и повышение температуры, также как и умень-
шение влажности, замедляют рост большинства видов грибков.
При температуре ниже 7 и выше 40°С грибки практически пе-
рестают развиваться, но нс погибают.
Для многих строительных конструкций опасен особый вид
грибков плесень, которая в процессе жизнедеятельности ис-
пользует для питания наиболее доступные вещества: лакокрасоч-
ные материалы, скопление органической пыли на поверхности
конструкции и др. Несмотря на то что плесень состоит на 90%
из воды, она очень гигроскопична и способна поглощать влагу
из атмосферного воздуха;
. искусственные технологические процессы. Техногенные заг-
рязнители атмосферы (сжигание жидкого и твердого топлива в
ТЭЦ, выбросы от автотранспорта и промышленных предприя-
36
тий) и значительной степени влияют на износ строительных кон-
струкций.
3.2. РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
И КОНСТРУКЦИЙ
Разрушение материала — макроскопическое нарушение сплош-
ности материала в результате тех или иных воздействий на него.
Разрушение часто развивается одновременно с упругой или пла-
стической деформацией. Строительные материалы подразделя-
ются на хрупкие и пластичные. Абсолютно хрупких и пластич-
ных материалов в природе не существует.
Большинство бетонных, каменных, силикатных и керамичес-
ких изделий вплоть до разрушения испытывают только незна-
чительные пластические деформации. Некристаллические твердые
тела, например стекло, разрушаются также без видимых пласти-
ческих деформаций. Разрушение некоторых металлических кон-
струкций происходит вследствие пластического течения без зна-
чительного увеличения нагрузки. Пластичные материалы могут
разрушаться как хрупкие. В частности, при усталостном разру-
шении стальных конструкций, когда под действием периодически
меняющихся напряжений накапливаются дислокации, металл
упрочняется, а затем происходит зарождение микротрещины, что
может вызвать внезапное разрушение материала. Усталостное
разрушение происходит и в хрупких материалах, при этом на
скорость разрушения влияет окружающая среда.
Значение напряжения в момент разрушения зависит от сво-
бодной поверхностной энергии а и модуля упругости £, а так-
же от длины трещины 27. Сила, приложенная к материалу, вы-
зывает увеличение напряжения от нуля до стмакс. Поэтому изме-
нение упругой энергии материала, сопровождающееся этим
напряжением, отнесенное к единице объема деформируемого .ма-
териала, выражается зависимостью
<7,=с2/2£; (3.1)
где о — среднее напряжение в материале, вызванное приложенной си-
лой, Па; Е — модуль упругости материала, Па.
При образовании в объеме материала трещины, рюпростра-
няющейся перпендикулярно действующей силе, уменьшение
37
упругой энергии материала происходит в дискообразной облас-
ти с диаметром окружности, равным длине трещины 21. Общий
объем К приходящийся на единицу толщины образна, в кото-
ром происходит уменьшение упругой энергии, 2л/2. Используя
соотношение (3.1), определим уменьшение упругой энергии в
результате образования трешины:
t/y= U^= (а2/(2£)]2л/2 = (ло2/Е)/2. (3.2)
Наряду с уменьшением упругой энергии материала по мере
развития трещины образуются две поверхности площадью (на
единицу образца) 2/каждая со свободной поверхностной энер-
гией. Общее увеличение поверхностной энергии деформируемого
материала составит 2 - 2fa — 4а/.
Суммарная энергия, сопровождающая развитие трещины до
размера 21,
U=-(m2/E)12 + 4cJ. (3.3)
Из уравнения (3.3) видно, что общее изменение энергии имеет
две составляющие, из которых одна соответствует уменьшению
упругой энергии в области трешины (рис. 3.2, кривая 3), вторая —
увеличению поверхностной энергии в зависимости от длины
трещины (рис. 3.2, кривая 1). Первая составляющая преоблада-
ет при больших значениях 21, при достижении критических зна-
чений вызывает самопроизвольное развитие трещины.
Для нахождения критического значения первую производную
уравнения (3.3) приравнивают к нулю:
Если разрушению предшествует пластическая деформация,
к изменению поверхностной энергии а добавляют работу плас-
тической деформации ар. Тогда выражение (3.4) будет иметь вид:
Я?
(3.5)
Выражения (3.4) и (3.5) дают приближенные значения сред-
него напряжения в материале конструкции, при котором напря-
38
б
Рис. 3.2.
а — возникновение и развитие трещин, изменение эн.ргии материала при
развитии трещины: б — изолинии напряжений, вызывающих раскрытие трещи-
ны; в — то же, в области роста микротрещины; г — то же. в области раз «ития
трещины; д — механизм торможения роста трещины в слоистых материалах
1 — увеличение поверхностной энергии; 2 — изменение суммарной энергии;
3 — энергия упругой деформации; 4 — микротрещина; 5 — иэолин. и напряже-
ний; 6 — изолинии напряжений сдвига; 7 — вновь образовавшаяся трещина
жение у края трещины длиной 21 достигает значения теорети-
ческого напряжения разрушения. Отсюда вытекает, что твердые
тела, в которых имеются трещины, могут разрушаться даже при
незначительных напряжениях.
39
На рис. 3.2, б показаны изолинии, в точках которых коэффи-
циенты концентраций растягивающих напряжений, действующих
перпендикулярно главной оси трещины, имеют одинаковые зна-
чения (для трешин длиной 2 мкм с радиусом закругления в конце
Ю-10 м). У вершины коэффициент концентрации растягивающих
напряжений равен 20/.
Следовательно, напряжения, вызывающие усилия, которые
стремятся раскрыть трещину, очень велики, особенно в облас-
ти, вплотную примыкающей к вершине трещины. Самые опас-
ные напряжения приходятся на область, примерно равную
площади, ограниченной расстоянием от конца трещины одной
атомной связью. На следующей атомной связи напряжение умень-
шается примерно вдвое.
Таким образом, нагрузки в материале, имеющем микротре-
щины, концентрируются на единственной цепочке атомных свя-
зей. Как только перегруженная связь нарушится, максимум кон-
центраций переместится на следующую. Описанный механизм
разрушения объясняет линейную зависимость между деформа-
цией и напряжением вплоть до момента разрушения.
Несколько по-иному разрушаются пластичные материалы,
например металлы. Дислокации в таких материалах являются
основной причиной пластического поведения. Упругая дефор-
мация в металлах составляет менее 1%. Пластическое течение
металлов происходит без увеличения нагрузки до удлинения,
достигающего иногда 50% и более общей деформации. Как вид-
но из рис. 3.2, в, по обе стороны от вершины трещины есть ма-
лые области значительных концентраций напряжений сдаига.
Ранее отмечалось, что движение дислокаций происходит при
малых напряжениях а материале (порядка 0,98 • 106 Па). Поэто-
му указанные выше напряжения сдвига достаточны для движе-
ния существующих дислокаций, а также зарождения и движения
новых.
В плоскостях, расположенных под углом 45“ к главной оси
трещины, возникает сдвиг и уменьшаются растягивающие напря-
жения. Пластичность - это течение дислокаций. При комнат-
ной температуре в большинстве кристаллических твердых тел
дислокации недостаточно подвижны. В этих случаях происхо-
дит хрупкое разрушение, так как в материале не хватает дисло-
каций, расположенных в непосредственной близости от конца
трещины, для сдвиговых деформаций, которые привели бы к
40
увеличению радиуса вершины трещины и снижению опасных
концентраций растягивающих напряжений.
Поведение хрупких и пластичных материалов объясняется
физической природой элементарных связей в материале. Спо-
собность к разрушению и восстановлению связей а разных ма-
териалах неодинакова. Для зарождения дислокаций и для их
перемещения необходимы разрыв старых и появление новых
связей. Такой способностью должны обладать материалы, в ко-
торых связи элементарных частиц одинаковы во всех направле-
ниях. Указанным свойстаом обладают металлические ионные
связи. Ковалентные связи с их выраженной направленностью и
достаточной прочностью не могут быстро нарушаться, так же как
не могут восстанавливаться новые. Поэтому большинство камен-
ных, бетонных, силикатных и керамических материалов и неко-
торые металлы не обладают пластичностью при нормальных тем-
пературах. Разрушению стальных конструкций предшествуют
интенсивное зарождение и передвижение дислокаций, которые,
встретив препятствие в виде зерен, границ раздела разнородных
фаз или различные дефекты кристалла, могут накапливаться,
упрочняя материал. Эти же скопления дислокаций могут при-
вести к образованию микротрещин, которые вызывают ускоре-
ние разрушения материала конструкции. Так разрушается, на-
пример, стальной прут, предварительно согнутый несколько раз
а разные стороны. В результате деформаций а нем быстро на-
капливаются дислокации, происходит уплотнение и упрочнение
материала, приводящие к хрупкому разрушению.
При наличии трещин на поверхности многие материалы, об-
ладающие большой пластичностью, становятся хрупкими. Только
при полном отсутствии трещин разрушение материала сопровож-
дается пластическими деформациями.
Для роста микротрещин, образовавшихся в хрупких матери-
алах (бетоне, каменных конструкциях, большинстве керамических
изделий, стекле и др.), требуется меньше энергии, чем для пла-
стической деформации, так как развитие трещин происходит до
полного разрушения материала.
В отличие от рассмотренных ранее видов разрушения в сло-
истых твердых телах у вершины трещины наблюдается концен-
трация растягивающих напряжений, разрыаающих трещину и
вызывающих рост напряжений (см. рис. 3.2, в). В области, при-
легающей непосредственно к вершине трещины, имеются и другие
41
растягивающие напряжения, направленные параллельно ее глав-
ной оси (см. рис. 3.2, г). Ранее установлено, что растягивающие
напряжения, действующие перпендикулярно направлению раз-
вития трещины, достигают максимального значения у вершины
трещины. В этой точке растягивающие напряжения, направленные
параллельно главной оси трещины, равны нулю. Максимально-
го значения такие напряжения достигают на расстоянии от вер-
шины, равном размеру одного-двух атомов. Независимо от формы
трещины и способа ее нагружения отношение максимального
растягивающего напряжения, действующего параллельно трещи-
не, к максимальному растягивающему напряжению, направлен-
ному перпендикулярно ее главной оси, всегда постоянно и раа-
НО ‘/5.
Следоаательно, если в области, где действуют напряжения,
направленные параллельно трещины, прочность материала со-
ответствует */5 главных напряжений, то может образоваться тре-
щина, направленная перпендикулярно движущейся, что явит-
ся своего рода тормозом, способным приостановить ее распро-
странение (см. рис. 3.2, д). В этом случае конец движущейся
трещины при слиянии с вновь образовавшейся сильно притупится
и напряжений, способствующих дальнейшему распространению
трещины, окажется недостаточно.
Таким образом, конструкции, материал которых состоит из
слоев, имеющих различную прочность связи в продольном и
поперечном направлениях в соотношении 5:1, должны обладать
достаточно высокой прочностью. Для разрушения таких конст-
рукций трещины должны образовываться каждый раз заново во
всех слоях материала, поэтому подобные конструкции можно
рассматривать как системы, имеющие постоянный резерв.
Рассмотренная теория дает приближенную оценку физичес-
кого механизма разрушения материалов, так как в ней не при-
нимается ао внимание, что любой процесс разрушения твердых
тел сопровождается тепловыми потерями. Баланс энергии раз-
рушения может быть записан а виде
dU= da + dQ,
где dU - уменьшение упругой энергии нагруженной конструкции в
процессе ее разгрузки при росте трещины; da - увеличение сво-
бодной поверхностной энергии; dQ-механические потери энер-
гия в процессе разрушения за малый промежуток времени А.
42
При dQ = Q справедлива рассмотренная выше теория разру-
шения. В реальных условиях это условие не соблюдается, хотя
во многих случаях dQ может быть очень малой величиной. В связи
с этим приведенные выше основные положения дают аполне
удовлетворительную оценку механизма разрушения конструкций.
В процессе эксплуатации большинство конструкций работа-
ет под нагрузками, вызывающими напряжения сжатия. В резуль-
тате перераспределения напряжений из-за разной ориентации
блоков и зерен кристаллов, а также вследствие наличия в мате-
риалах разнородных композитов, имеющих неодинаковые кри-
сталлические структуры, а различных сечениях конструкций не-
зависимо от направления действия приложенных сил всегда бу-
дут растягивающие напряжения, приводящие к образоаанию
микротрешин. Подобного рода дефекты в материалах конструкций
являются причиной ускоренного износа и разрушения элемен-
тов зданий.
Различают начальное разрушение (образование и развитие пор,
трещин и других нарушений сплошности) и полное разрушение
(разделение тела на две и более частей); хрупкое (без значительной
пластической деформации) и пластическое (или аязкое); уста-
лостное, длительное и др. Теория разрушения базируется на
физических, механико-математических, структурных и физико-
химических объяснениях закономерностей механического раз-
рушения.
Повреждения — это начальная стадия разрушения отдельных
конструктивных элементоа или отдельных мест этого элемента,
т.е. потеря первоначальных саойств конструкции или элемента
(рис. 3.3).
При эксплуатации зданий и сооружений важно оценить ха-
рактер и опасность повреждений. Причины, вызывающие повреж-
дения, а затем и разрушения зданий, следующие: 1) воздействия
внешних природных и искусственных факторов; 2) воздейстаия
внутренних фактороа, обусловленных технологическим процес-
сом; 3) проявление дефектов, допущенных при изысканиях, про-
ектировании, возведении здания; 4) недостатки н нарушения
правил эксплуатации зданий, сооружений и сантехоборудования.
В зависимости от характера процессов, приводящих к разруше-
нию, последние бывают: механические (приложение сверхрасчет-
ной нагрузки — оборудование, деформации грунтов оснований;
сейсмическое воздействие; механическое повреждение) и физико-
43
Повреждения ад»н.
Причины. «ЬОЫМЮЩЦ* П0<реж30Н1?Я
Воздействие 1 Проявление дефектов [- технологических прооктиромн я факторов J 1 и строительства
Агрвссиеааых выдагвтмй. парогазовых, сткаыл. 1 маслянист хмугысий Потеря прочности и устойчивости - дефекты первой группы
Поврвадстатя схраждаюиатх кон- струшгй - дефекты
Твхмопогическях -|эагря1ие1мй- 1 водных, масляных
Мех нических _ еодпействий- нагруюк. ямб ац«* Поврвкдвыя торостепетеянх □гвмвгтсв - дефекты второй груткы
--------1
Нарушениеправил
эксплуатации
зданий
Нарушение правил
использования
и нас вот ремень*
ремонт
Характер процессов разрушай!»
Рис 3 3. Классифи ация повреждений здан й в процессе эксплуатации
химические (окисление, коррозия, вызванные растворами солей,
кислот, щелочей, грунтовой влаги; воздействие электрического
тока, биологических процессов). Чаше всего здания и конструк-
тивные элементы преждевременно аыходят из строя от суммар-
ного воздействия вышеперечисленных факторов. По степени раз-
рушения можно выделить три категории повреждений:
• аварийного характера, вызванные дефектами проектирова-
ния, строительства, стихийными явлениями—ливнями, сне-
гопадами, затоплением, а также нарушениями правил экс-
плуатации зданий и сооружений;
• разрушения несуших конструкций, обусловленные внешни-
ми и технологическими факторами, нарушением правил экс-
плуатации. Такие нарушения не являются аварийными и
устраняются при капитальном ремонте усилением или за-
меной;
44
• разрушения второстепенных элементов (выпадение штука-
турки, отдельных плиток облицовки), устраняемые при те-
кущем ремонте.
3.3. ДЕФЕКТЫ ЗДАНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
Износ зданий ускоряется при проявлении дефектов, допущен-
ных в ходе изыскания и выбора участков для строительства, при
проектировании и возведении зданий, а также из-за нарушения
правил эксплуатации.
Дефекты зданий в нормальных условиях являются следстви-
ем либо недостаточной квалификации изыскателей, проектиров-
щиков, строителей и работников, принимающих здания в экс-
плуатацию, либо небрежности этих лиц. Дефекты могут возник-
нуть также в процессе проектирования и строительства зданий
при осуществлении а них производства работ по новой техно-
логии, возведении в малоизученных в строительном отношении
районах и а других сложных условиях.
Скрытые и явные дефекты встречаются а основаниях, фун-
даментах, стенах, покрытиях, отделке. Они бывают опасными и
могут привести к разрушению отдельного элемента или асего
сооружения; некоторые из них можно устранить во время ремонта.
Встречаются также дефекты, которые весь срок службы соору-
жения приходится компенсировать эксплуатационными затра-
тами, например усиленное отопление здания при завышенной
плотности (объемной массе) материала наружных стен.
Чтобы обеспечить высокое качество и надежность зданий, не-
обходимо стремиться к предотвращению дефектов. Это тем более
важно, поскольку устранение дефектов часто сопряжено со зна-
чительными потерями экономического характера; весьма велик и
моральный ущерб — например, при промерзании и промокании
стыков или отсутствии надлежащей звукоизоляции в жилом доме.
Дефект — это несоответствие конструкции определенным па-
раметрам, нормативным требованиям или проекту. Так, если
завышена толщина швов кладки — это дефект, а обрушение ее —
это повреждение вследствие дефекта швов. Или другой пример:
провалы отмостки считают дефектом, в то время как это типич-
ное повреждение, вызванное дефектами при ее устройстве.
45
Наиболее опасны дефекты в основаниях и фундаментах, в сте-
нах, т.е. в основных конструкциях, так как их проявление ведет
к деформациям и разрушению всего здания. Менее опасны де-
фекты в перегородках и других ненесущих конструкциях, одна-
ко они существенно снижают эксплуатационные качества поме-
щений или зданий в целом.
Итак, дефект — это вероятная первопричина повреждения. Его
можно и необходимо избежать, но многие дефекты сложно или
совсем невозможно устранить. Такие дефекты ускоряют износ
сооружения.
Классификация дефектов зданий. Дефекты зданий можно клас-
сифицировать по следующим признакам: по месту, причине и
аремени, характеру и значимости (рис. 3.4).
Примерами дефектов по месту могут служить: неправильная
ориентация здания на местности, неудачная «посадка» здания на
участке, в застройке и т.п., вследствие чего здание плохо инсо-
лируется, подтопляется водой и т.п.
Дефектами изысканий и проектирования являются такие, ко-
торые допущены при выборе участка строительства и оценке
грунтов, а также при аыборе материалов, конструкций, опреде-
лении нагрузок, сечений и т.п. Некоторые дефекты обнаружи-
Рис 3.4. Классификация дафак,ов
46
ваются уже во время строительства из-за неточности или непол-
ноты чертежей, отсутствия в проектах необходимых указаний,
в связи с чем строителям приходится самим решать тот или иной
вопрос, исходя лишь из имеющихся материалов и собственных
возможностей
Дефектами строительства являются нарушения технических
условий производства работ, небрежность в отборе материалов,
неоправданная замена их в ходе строительства.
По характеру дефекты подразделяются на скрытые, невиди-
мые при анешнем осмотре, и явные. По значимости (опаснос-
ти) они делятся на три группы:
• дефекты, которые могут привести к аварии. При обнару-
жении таких дефектов их надо немедленно устранять;
• дефекты, не угрожающие целостности зданий, но ослабля-
ющие конструкции или снижающие эксплуатационные ка-
чества зданий; поэтому они также должны быть устране-
ны. К этой группе относятся дефекты стыков деревянных
щитовых и крупнопанельных зданий, промерзание стен
и т.п.;
• дефекты, которые ие приводят к разрушению зданий, но
снижают их эксплуатационные качества и требуют допол-
нительных затрат на эксплуатацию.
Изучение и классификация дефектов зданий дают возможность
обоснованно прогнозировать их возможную опасность, своевре-
менно принимать меры по локализации или устранению, а так-
же способствуют предотвращению повторных ошибок при про-
ектировании и строительстве.
Основные (возможные) дефекты строительных материалов.
Долговечность и надежность зданий в значительной мере зави-
сят оттого, из каких материалов оии построены. Качество стро-
ительных материалов регламентировано стандартами, однако при
их изготовлении и недостаточном контроле могут быть допущены
нарушения в их составе, размерах и т.п.
Дефекты железобетонных и каменных конструкций часто
связаны с плохим качеством исходных материалоа: бетона, кир-
пича, раствора, с недостатками конструктивного решения или с
нарушением технологии производства работ.
Причинами многих дефектов зданий являются использование
при их возведении некачественных строительных материалов или
нарушение технологии их изготовления. Под этим понимается.
47
например, неправильно приготовленный раствор или бетон,
использование малопрочного щебня и т.п.
Обычно дефекты возникают в труднодоступных для работы
и контроля местах: в стыках, в местах большого насыщения ар-
матурой, а также при производстве работ в зимнее время.
Нередки случаи, когда при перерывах в производстве работ
для ускорения таяния льда на бетонных конструкциях их посы-
пают поваренной солью, что вызывает так называемую морозно-
солевую коррозию. Соль впитывает влагу из воздуха, которая про-
никает в бетон и при замерзании разрушает его. Хлористая соль
а материалах и конструкциях обнаруживается по выходу ее на
поверхность — по высолам. а поваренная соль (при повышен-
ной влажности аоздуха) — по мокрым пятнам.
Плохое качество бетона может объясняться недостатками его
прогрева, нарушением режима тепловлажной обработки, ранним
замораживанием, неудовлетворительным уходом за свежеприго-
товленным бетоном как в жаркое, так и в холодное арсмя.
В бетоне нередко образуются пучеиия и выколи, а в штука-
турке — «дутики» и «взрывы» — следствие замерзания намокших
комьев глины либо ила, а также попадания в бетон или раствор
негашеной извести. «Взрывы» в штукатурке происходят даже через
два-три года после сдачи сооружения в эксплуатацию, например
после ее замачивания при побелке.
Существенным недостатком кирпича зачастую является низ-
кая его морозостойкость, обусловленная неудовлетворительным
составом и некачественным приготовлением глиняной массы,
неправильным обжигом. Такой кирпич, уложенный в конструк-
цию и даже защищенный штукатуркой, под воздействием отри-
цательных температур расслаивается и разрушается.
Дефекты железобетонных конструкций. В таких монолитных
конструкциях при недостаточном контроле за качеством работ
встречаются дефекты, которые могут вызвать потерю устойчи-
вости и нарушение герметичности.
Наиболее опасными дефектами для монолитных и сборных
конструкций являются: недостаточное или неправильное арми-
рование, заниженная прочность бетона, загрязненные заполни-
тели, нарушения технологии укладки бетонной смеси и т.п.
К распространенным дефектам железобетонных конструкций
следует отнести мелкие (до 2-3 сМ) раковины и сквозные пус-
тоты. Они возникают в труднодоступных для тшательного виб-
48
рирования местах, при использовании изношенной опалубки
и т.п.
Глубокие раковины опасны для несущих конструкций, осо-
бенно если они нс устраняются сразу, а только прикрыты защит-
ным слоем раствора. Важно оценить также опасность сквозных
пустот; при необходимости следует устраивать железобетонные
обоймы с нагнетанием а них раствора.
Дефекты изготовления сборных конструкций. На практике не-
редко встречаются отклонения и нарушения а технологии изго-
товления сборных элементов, что отражается на надежности и
долговечности зданий из сборных конструкций.
Дефекты изготовления железобетонных элементов сооруже-
ний весьма разнообразны. Для удобства анализа они объедине-
ны в четыре группы (табл. 3.1):
I — отклонения размеров и формы элементов;
U — дефекты поверхности элементов;
III — трещины в защитном слое, околы углов и ребер;
/К— смещение арматуры и закладных частей.
В табл. 3.1 приведены характерные дефекты изготовления
железобетонных конструкций.
Дефекты изготовления отдельных элементов оказывают суще-
ственное влияние на качество и трудоемкость строительства,
а впоследствии — и на эксплуатацию зданий.
Так, значительные отклонения натурных габаритных разме-
ров от проектных (/ группа) усложняют и удорожают монтаж,
снижают надежность стыков, ухудшают внешний аид сооруже-
ний. Уменьшение толщины элементов, в частности защитного
слоя, сильно отражается на эксплуатационных качествах соору-
жений и их долговечности. Дефекты II группы глааным образом
ухудшают внешний вид (загрязнение панелей) сооружений, а при
наличии больших раковин ослабляют их прочность. Дефекты
III группы приводят к коррозии арматуры и разрушению зданий.
Дефекты IVгруппы снижают несущую способность конструкций,
точность и надежность монтажа.
Дефекты монтажа сборных конструкций. Монолитность сборных
зданий зависит от надежности крепления закладных частей в
бетоне и от прочности их соединения а смежных элементах.
Поэтому дефекты IV группы нс только усложняют монтаж, но
и снижают надежность крепления конструкций и жесткость всего
здания. Например, допуск на толщину защитного слоя зависит
49
Таблица 3.1
ХАРАКТЕРНЫЕ ДЕФЕКТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
и их последствия
Наименование и вид дефектов Причины и последствия дефектов Допуски
1 2 3
/. Дефекты размеров и форм конструкций
Отклон и по вь гние размеров в плане соте р«м»р Неправильные размеры и недоста- точная жесткость опалубки Отклонения в длине или пролете конструкций 10-20 мм
Клиноеидность И ВОЛНИСТОСТЬ Трудность монтажа Отклонения в размерах попереч- ного сечения конструкций 4-8 мм
Овельность Неточная толщина защитного слоя Отклонения вертикальных плоскостей и ребер по в 1ртикали: на 1 м высоты 3-5 мм; для фундаментов 10-20 мм
Перекос \г . Снижение несущей способности конструк- ции Отклонения горизонтальных плоскостей в любом направлении: от горизонтали 5-10 мм; на 1 м плоскости 5-10 мм; на всю длину конструкции в зданиях 5-10 мм
Коробление
50
Продолжение табл. 3.1
51
Окончание табл. 3.1
IV. Смешение арматуры и закладных частей
Отсутствие фиксато-
ров при устеновке
арматуры или наруше-
ние ее положения при
бетонировании
Смещение заклад-
ных частей от
проектного положе-
ния не должно
превышать:
в колоннах и
фермах — 5 мм,
в остальных
изделиях — 10 мм
Отклонения а размерах
защитного олоя
Трудность монтажа,
снижение прочности
конструкций-
Ослабление защиты
арматуры от коррозии
Нарушение толщи-
ны защитного слоя
для изделий
сечением:
мен е 40 см
при толщине
защитного слоя, до
15 мм: ± 3 мм
то же, до 20 мм:
± 5 мм
более 40 см
при толщине
защитного слоя до
15 мм: от + 5 до
-3 мм;
то же, до 20 мм: от
+10 до -5 мм
от ее величины: при толщине 10 мм он может быть ±3 мм; при
толщине 20 мм и более - от +10 до -5 мм. Допуски в располо-
жении закладных частей и анкерных болтов также нормируют-
ся: допуски размеров длины и ширины закладных частей долж-
ны быть не более 2 + 3 мм; допуски размеров между анкерны-
ми болтами ±5 мм, а допуски расстояния между закладными
частями ±3 мм.
Характерные дефекты монтажа сборных железобетонных кон-
струкций можно объединить в три группы (табл. 3.2):
1 — дефекты стыков;
11 — дефекты положения элементов (отклонения от вертика-
ли, перекосы в плоскости и т.п.);
111 — дефекты опирания конструкций.
52
ДЕФЕКТЫ МОНТАЖА СБОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
Продолжение табл. 3.2
1 2 3 4
Несовпадение каналов в панелях Неточность изготовле- ния или монтажа Ухудшение условий эксплуатации
Щели между конструкциями й Чрезмерное отклоне- ние в размерах Ухудшение эксплуатаци- онных качеств — герме- тичности и звукоизоляции
II. Перекос и смещение конструкций
Перекос в плоскости иг плоскости стены и И Неточность монтажа. Отклонение в размерах и форме изделия Ухудшение внешнего вида. Возникновение касатель- ных напряжений, сниже- ние прочности ЭЛ' ментов Отклонение верхних углов от вертикали А < 10 мм. Смещение осей стеновых панелей от разбивочных: в нижи* м сечении Ar - т 4 мм, в верхнем сечении А, - ± 5 мм
Окончание табл. 3.2
2 3 4
ill, Дефекты опирания ко струхции
Несовпадение опорных стей плоско- Неточность изготовле- ния и монтажа конст- рукции Снижение прочности элементов Смещение отметок опорных поверхи стеи от проектных h 5 10 мм
Уменьшен*в площадки опирания. Приложение нагрузки с э сц нтри- ситетом Несогласованность в разм рах опорных площадок и опираемых конструкций Возникновение эксцент- риситета. Снижение несущей способности конструкций Отклонение отметок двух смежных панелей A s 4 мм Толщина раствора выравниваю- щего слоя должна быть в пределах А = 15 * 20 мм
Наиболее опасны дефекты стыков несущих конструкций —
прогонов, балок, колонн, так как они могут привести к разру-
шению зданий. При оценке дефектов монтажа руководствуются
нормативными допусками.
Особое внимание надо уделять контролю состояния заклад-
ных частей. При вскрытии в местах, вызывающих подозрения,
закладные детали необходимо защитить покраской или оцинко-
ванием, а если они разрулены более чем на одну треть сечения —
замен ить.
Дефекты /группы встречаются наиболее часто. Они ухудша-
ют внешний вид здания, надежность стыков, герметичность со-
оружений. Эти дефекты обычно не представляют опасности для
прочности и устойчивости зданий.
Дефекты Я группы сказываются гтааным образом на анешнем
облике зданий. Однако значительные перекосы могут вызвать
дополнительные напряжения и даже разрушение конструкций.
Дефекты Я/ группы весьма опасны для прочности зданий:
неправильное опирание или малая его площадь приводят к не-
расчетной работе конструкции, что может, в свою очередь, при-
вести к аварии. Главная причина появления таких дефектов —
неточность изготовления и монтажа конструкций — иногда
исходит из проекта. Так. на рис. 3.5 показано неправильное
проектное решение опорной подушки. которое могло быть осу-
ществлено строителями. По техническим условиям на проекти-
рование каменных и армокаменных конструкций такая опорная
подушка должна быть заведена в стену. Нс заведен также в пи-
лястру и устраиваемый железобетонный пояс.
Запроектированный в кирпичной пилястре анкер монтажники
могли заделать только в колодец, залиа его раствором. Образо-
вавшийся при этом клин из раствора вызвал разрушение пиля-
стры.
Особенно опасно, когда недостатки монтажа железобетонных
конструкций приводят к эксцентричному приложению нагруз-
ки, что может быть выявлено по внешнему виду. Это вызывает
пере распределение напряжений и может снизить прочность и
устойчивость конструкций.
Дефекты кирпичной кладки. К явным дефектам кирпичной
кладки относятся негоризонтальные и толстые швы, отсутствие
перевязки швов, армирования колонн, простенков, а также от-
56
3
клонение стен от вертикали. Такие дефекты являются следствием
недостаточного контроля за качеством материалов и ведением
работ.
К скрытым дефектам кирпичной кладки относятся такие, как
применение кирпичей с плотностью выше расчетной, более низ-
кой марки и т.п. Такне дефекты возникают из-за небрежной
приемки материалов, без надлежащего контроля по паспортам,
лабораторных испытаний и т.п.
Дефекты кладки приводят в одних случаях к осадкам и обру-
шениям, в других — к продуванию, промерзанию и увлажнению
стен.
Средняя толщина горизонтальных швоа кладки составляет
12 мм (от 8 до 15 мм), вертикальных — 10 мм. Для повышения
несущей способности кладки ее армируют. Диаметр проволоки
арматурных сеток допускается не менее 3 мм и не более 8 мм
минимальной толщины шва; сетка должна быть сварена, связа-
на или изогнута в зигзаг. Для проверки наличия арматурных сеток
в столбах и простенках отдельные их концы должны аыступать
из горизонтальных швов на 2—3 мм.
57
Нарушения правил эксплуатации здании
и их последствия
Возможные нарушения правил эксплуатации зданий весьма
многообразны по характеру и последствиям, но их можно объ-
единить в две группы:
1) нарушение правил использования и содержания зданий;
2) несвоевременный и неудовлетворительный ремонт.
Нарушения перво»! группы. Наиболее опасным нарушением пра-
вил эксплуатации зданий является неправильное содержание ос-
нований и фундаментов. Подтопление оснований, особенно лёс-
совых грунтов, приводит к большим неравномерным осадкам
фундаментов. Оно может быть связано с нарушением планировки
территории вблизи зданий, земляными работами (рнс. 3.6), не-
исправными подземными коммуникациями и т.п. Замачивание
грунтов изнутри (при повреждении санитарно-технических си-
стем) или вблизи зданий приводит к промерзанию, пучению и
снижению несущей способности.
Пучение оснований может быть вызвано и другими наруше-
ниями правил эксплуатации, в частности перерывом а отопле-
нии зданий, раскрытием их в зимнее время для ремонта, отсут-
ствием зашиты внутренних фундаментов от промерзания и т.п.
ifu u Hii и
н 11 н n и п и
и и н н и м н
м и и II и II и
и и
II
II
II
II
II
IIII
п
II
II
II
II
II
Рис 3 е. Овоазмахиа иаружхой тр.щи « » стене „„„ ив1р„я<1|,п(>„ у(влв„„и
грунта-плывуна
58
Строгое выполнение правил эксплуатации зданий является
необходимым условием поддержания их в технически исправ-
ном состоянии. Большое анимание при этом должно уделяться
исправной работе санитарно-технических систем и технологи-
ческого оборудования.
Многочисленные нарушения допускаются при уходе за мяг-
кой кровлей, в частности при очистке ее от снега. В совмещен-
ных крышах прн уплотнении н увлажнении утеплителя на по-
толке появляется иней, а на кровле подтаивает снег и образуются
наледи (рис. 3.7).
К повреждениям конструкций часто приводят дефекты самих
конструкций (рис. 3.8). Например, проникающее на чердак тепло
при недостаточном утеплении чердачного перекрытая и перегреве
Рис. 3.7. Условия ж нормальной (е) и нормальной |б) эксплуатации совме-
щенной крыши и помеще ий верхнего этажа*
1 — поток теплого воздуха в месте повреждения кровли, уплоти^ия или
увлажнения утеплителя; 2 — непранление движения конденсата: 3 — с -«г и
наледь
Рис. 3 8. Подтаивание снега на кровле и прон канне воды в помещение при
недостаточн м утеплении чердачного перекрытия, перегреве чердачного
помчце-ия и отсутствии естественной вентиляции fa); нормальные условия
эксплуатации чердачного помещения и кровли |б)
59
помещений верхнего этажа вызывает подтаивание снега на крыше
и образование вдоль карниза наледей.
При больших размерах наледей на крыше собирается значи-
тельное количество воды, которая проникает на чердак и через
перекрытие в помещения верхнего этажа. При удалении нале-
дей вдоль карниза он зачастую повреждается.
Тщательный уход за крышей, надлежащая вентиляция чердач-
ных помещений, поддержание в них расчетного температурно-
влажностного режима являются важными требованиями, обес-
печивающими се удовлетворительное техническое состояние.
Нарушения второй группы. Наиболее опасно нарушение пра-
вил ремонта оснований и фундаментов, отмосток, стен, а также
кровли, поскольку от состояния этих конструкций во многом за-
висят устойчивость и эксплуатационные качества зданий. Несвое-
временный ремонт приводит к ускоренному разрушению кон-
струкций и значительным затратам на их восстановление.
Несоблюдение технологических требований ремонта полов и
облицовки стен помещений с мокрыми процессами ведет к опас-
ным повреждениям нижележащих конструкций и оснований
зданий.
Вторая группа нарушений зависит от эксплуатационных ра-
ботников, их квалификации и добросовестности, организации
контроля за качеством ремонта и сроками его проведения.
3.4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
3.4.1. Наблюдения за трещинами
Трешины в конструкциях являются внешним признаком их
перегрузки и деформации. Трещины могут быть вызваны рядом
причин, иметь разные последствия; поэтому они подразделяются
на опасные и неопасные (табл. 3.3). При обнаружении трещин важ-
но выяснить их причину и характер, установить, продолжается
ли их развитие или произошла стабилизация.
60
КЛАССИФИКАЦИЯ ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИЯХ
Виды трещин
i
&
Низкая прочность материала. Транспортные, складские и монтажные перегрузки. Ошиб и армирования, недостаточная пространственная жесткость, завышенные эксплуатационные нагрузки. Увели «кие в объеме продуктов коррозии. Действие динами еских нагрузок идиноч 1ые, параллальные (в виде сетки), пвркжжж щиеся Большие — до 1 мм, значит альные — более 1 мм On- сные
Деформации опор и нижележащих конструк- ций £ продольные, горизон- тальные. поперечные, вертикал, ныв меры Развитые — 0,3-0,5 мм
Температурные везде ствия: при изготовлении, вызванные кратко- временностью тепловой обработки (в з-м-ий период); при монтажно- свароч-ых работах; во время эксплуатации — темпе- ратурные воздействия при сезонном колебании температур; расклинивающее действие замерз- шей воды; действие высоких технологических темп, ратур и т.п. Харл । ** > > > > I а> -> э cej Мвлкие — до 0,3 мм Неопасные
Мелкозернистая бетонная смесь (цемента более 600-700 кг/м’) итаоилизированные. нестабилизировакные Волосные — до 0,1 мм
Мелкие трещины в виде сетки неправильного очертания и
одинаковой ширины возникают вследствие некачественное™
цемента или неправильной температурно-влажностной обработки
бетона при его твердении; они опасны с точки зрения раскры-
тия арматуры и доступа к ией агрессивной среды. Трещины об-
разуются также в панелях из-за температурных воздействий.
Трещины в растянутой зоне армокаменных и железобетонных
изгибаемых конструкций, направленные перпендикулярно к
ребру, обычно возникают вследствие перегрузки конструкции.
Наклонные трещины на вертикальных гранях изгибаемых эле-
ментов у опор, затухающие к нейтральной оси, связаны с непра-
вильным армироваием хомутами и отгибами.
При осмотре трешин необходимо выявить их причину, опре-
делить характер (например, односторонняя или сквозная), вре-
мя возникновения и т.п. При осадке фундаментов и других кон-
струкций трещины расширяются книзу, а при пучении основа-
ний — кверху. При обследовании каменных конструкций особое
внимание надо обращать на места опирания балок и прогонов,
на состояние кладки в простенках, перемычках, у водостоков,
вдоль цоколей.
Важным средством в оценке состояния конструкций являются
устанавливаемые маяки, позволяющие выявить качественную
картину деформаций.
3.4.2. Деформации зданий и их конструкций
Представление о напряженном состоянии конструкций можно
получить путем изучения и измерения деформаций.
Деформации бывают различного характера — в виде параллель-
ного смешения сечений конструкций, растяжения или сжатия.
Они подразделяются на местные, когда происходят смещения или
повороты в узлах и конструкциях, удлинение или сжатие эле-
ментов. и общие, когда перемешаются и деформируются отдельные
конструкции и сооружения в целом.
Деформации могут быть остаточные, или исчезающие после
снятия нагрузки. Поэтому для оценки состояния конструкций
необходимо знать их геометрическую характеристику до нагру-
жения, под нагрузкой и после ее снятия
Для измерения местных деформаций - прогибов использу-
ются прогибомсры, а местных линейных (растяжение или сжа-
тие) — тензометры.
62
Прогибомеры в зависимости от характера конструкций и тре-
буемой точности измерений могут быть разиых типов — от про-
стейшего, в виде двух взаимно перемешаемых планок, одна из
которых закреплена на конструкции, а другая на неподвижной
опоре, до приборов, основанных на схеме редуктора. Прогибо-
меры измеряют деформации с точностью до 0,001 мм.
Тензометры позволяют замерить линейные деформации на
одной конструкции или взаимное перемещение двух смежных
конструкций. Расстояние между двумя опорами тензометра на-
зывается его базой. В среднем база тензометров составляет 2—5
до 200 мм. Чтобы замерить малые деформации, применяют тен-
зометры различных типов: механические (рычажные), оптичес-
кие, электрические (по изменению сопротивления), акустичес-
кие (по звучанию натянутой струны) и др.
Основной характеристикой рычажных тензометров является
передаточное число, обеспечивающее увеличение масштаба из-
мерения деформации.
Широко распространены проволочные тензометры, основан-
ные на способности проводников менять электрическое сопро-
тивление при растяжении или сжатии. благодаря чему по изме-
нению сопротивления проводника можно судить об относитель-
ной деформации конструкций. Относительная деформация
проводника тензометра прямо пропорциональна изменению элек-
трического сопротивления и деформации конструкции:
Д/? H-Д/
/ Л
где Я и / — сопротивление и длина проводника до деформации; а Я и
Д/—изменение сопротивления и длины, вызванное деформацией;
h — постоянная, характеризующая относительную чувствительность
матери та тензометра; для проволоки нз константа Л = 2.0 + 2.1;
из нихрома Л = 3,5; с — относительная деформация проводника
тензометра.
База проволочных датчиков составляет от 5 до 30 мм. а со-
противление изменяется в среднем от 50 до 400 Ом. При этом
для увеличения номинального сопротивления датчики выпускают
изогнутыми или в виде решетки; в одном месте может быть
установлено несколько датчиков.
Методика и средства замера деформаций. Деформации и пе-
ремещения конструкций и сооружений в целом иазыв потея об-
63
щими; обычно они замеряются геодезическими инструментами.
Сущность геодезического контроля деформаций заключается в
периодической проверке положения отдельных точек сооруже-
ний, обозначенных закрепленными марками, по отношению к
неподвижным знакам — реперам или центрам и в определении
взаимных перемещений по вертикали и горизонтали.
Горизонтальные перемещения конструкций (марок) опреде-
ляют с помощью теодолита методом створов, т.е. относитель-
но створных линий, закрепленных иа месте неподвижными зна-
ками.
Вертикальные перемещения — осадки конструкций — опре-
деляют методом геометрического нивелирования по отношению к
неподвижно закрепленным знакам.
В местах, неудобных для геометрического нивелирования,
производят гидростатическое нивелирование, основанное на прин-
ципе сообщающихся сосудов.
Обычный нивелир имеет пределы визирования от 3 м, поэтому
его трудно использовать внутри помещений. Для изменения
пределов визирования от 0,5 до 3 м используется специальная
оптическая насадка, укрепляемая иа объективе нивелира и пе-
ремещающаяся относительно исследуемого объекта. В комплект
насадки входит измерительная рейка, состоящая из штока, по
которому перемещается подсвечиваемая шкала.
3.4.3. Оценка технического состояния конструкций
Для оценки фактического состояния конструкций необходи-
мо определить их прочность, наличие и расположение армату-
ры, скрытые дефекты и т.п.
Нормами допускаются механические склерометрические ис-
пытания прочности поверхностного слоя бетона методами уп-
ругого отскока или пластических деформаций при помощи спе-
циальных молотков и маятниковых приборов различных систем.
В случаях когда надо проверить прочность внутренней части
бетона, а также оценить однородность, плотность и другие свой-
ства бетона и арматуры в конструкции, применяют неразруша-
юшис методы контроля.
Механические испытания конструкций молотками и пистоле'
тами основаны на методе пластических, упругопластических
64
деформаций и упругого отскока: о прочности бетона судят или
по величине отпечатка от удара иа бетоне, или по соотношению
размеров отпечатков на бетоне и на эталонном стержне, встав-
ленном в молоток, или же по величине упругого отскока бойка.
Механические склерометрические испытания каждой конструк-
ции проводятся не менее чем на 10—12 участках, при этом две
трети из иих должны находиться в наиболее нагруженной зоне.
Расстояние между луиками от ударов должно быть менее 30 мм,
или для десяти измерений плошадь участка конструкции долж-
на составлять не менее 100 см2.
Зависимость между прочностью бетона и твердостью его по-
верхности устанавливают опытным путем — построением тари-
ровочных графиков для каждого состава бетона.
Приборы для механических испытаний можно разделить иа
две группы: молотки и пистолеты. При использовании молот-
ков замеряется отпечаток на бетоне (эталонный молоток Каш-
карова, молотки Польди, Физделя, Шмидта, Ухтомстроя и др.);
при использовании пистолетов фиксируется на шкале упругий
отскок (пистолет ЦНИИСК, прибор ХПС).
Методы определения прочности материала конструкции: аку-
стический, радиометрический, магнитометрический и вибрацион-
ный. Они основаны на зависимости скорости прохождения уль-
тразвука, радиоволн, радиоактивных и других сигналов от уп-
ругих, у пру го пластических и структурных свойств материалов
конструкций и их геометрических размеров.
Акустические и электронно-акустические методы контроля.
к которым относятся ультразвуковой и ударный, позволяют с вы-
сокой точностью оценить однородность, прочность и ряд дру-
гих свойств бетона в конструкциях без их разрушения. Элект-
ронно-акустические методы испытания материалов конструкций
основаны на зависимости скорости распространения упругих воли
от плотности твердого тела. Предельные упругие волны (в которых
частицы среды движутся в направлении движения волны) рас-
пространяются с наибольшей скоростью. Прибор «ИПС-МГ 4+»
методом ударного импульса определяет прочность и однородность
бетона. Методом отрыва со скалыванием определяет прочность
бетона прибор «ПОС-МГ4 Отрыв». Для этих целей используют
также прибор «ПОС-МГ 4 Скол».
Ультразвуковой метод контроля бетона применяется при про-
верке конструкций толшиной от 5 до 15 м, а ударный — конст-
1 -10510 Калинин
65
рукиий значительной толщины и протяженностью до 100 м.
Принцип их действия основан на пропорциональной зависимости
плотности материала конструкции и скорости распространения
в ней ультразвуковых волн. Ультразвуковой прибор «Пульсар»
служит для определения прочности бетона, кирпича, осуществ-
ляет поиск дефектов (трещин, пустот), позволяет оценить пори-
стость, трещиноватость, степень анизотропии и текстуру ком-
позитных материалов. Ударно-импульсные приборы «Оиикс-2.4»
и «Оникс-ОС» служат для определения прочности и однородности
бетона.
Приборы для контроля качества бетона ультразвуковым ме-
тодом позволяют наблюдать процесс и измерять время распрос-
транения упругих колебаний в теле бетона. Обычно измерения
производят в поперечном сечении конструкции, для чего
излучатель и приемник импульсов устанавливают соосно с двух
ее сторон. К ультразвуковым относятся приборы AM, ЛИМ-Б,
УКБ-1 и др.
Радиометрический метод контроля основан на законах взаи-
модействия ядериых излучений с материалом конструкций. Ои
заключается в замере интенсивности прохождения гамма-лучей
в исследуемом материале и в сравнении ее с интенсивностью в
эталонных образцах. Гамма-лучи, обладающие значительной
проникающей способностью, наиболее эффективно используются
при обследовании, поскольку их энергия достигает десятков
миллионов электрон-вольт. В состав аппаратуры для радиомет-
рического контроля входят радиометр и счетчики радиоактив-
ного излучения, используемые в качестве выносных элементов.
С помощью этого метода оценивается плотность материала кон-
струкции и обнаруживаются в иих дефекты.
Для определения расположения и сечения арматуры, а также
толщины защитного слоя служат приборы, основанные иа вза-
имодействии металла с электромагнитным полем, т.е. на изме-
рении магнитной проницаемости или магнитного сопротивле-
ния.
«Поиск-2.3/2.4» и «ИПА-МГ4» — приборы для определения
толщины защитного слоя, диаметра и расположения арматуры.
Прибор ИСМ (измеритель сечеиия металла) состоит из двух
генераторов высокой частоты, усилителя-ограничителя, второ-
го ограничительного каскада, дифференцированного контура и
индикатора. Принцип работы прибора основан на изменении
66
частот генератора под действием металла на колебательный кон-
тур: при наличии под тупом металла стрелка прибора покажет
наибольшее значение. К прибору приложены тарировочиые таб-
лицы, с помощью которых по показаниям прибора определяют
сечения металлических элементов.
Толщину защитного слоя и диаметр арматуры определяют
аналогично прибором ИЗС-2. Для измерения напряжений и
колебаний в элементах стержневой, проволочной и прядевой
(канатной) арматуры применяют приборы «ИНК-2.3/2.3к»,
«ДО-МГ4» и «ЗИН-МГ4», основанные на том же принципе.
Вибрационный метод, в основе которого лежит явление меха-
нических колебаний твердых тел, позволяет определить главные
характеристики, обусловливающие несущую способность и де-
формативность изгибаемых элементов: марку бетона, предель-
ную разрушающую нагрузку, прогиб от нормативной нагрузки.
Эти параметры определяются по частоте, амплитуде собствен-
ных колебаний конструкций и характеристике их затухания,
поскольку известно, что колебания с частотой, присущей дан-
ной системе, зависят от ее массы, размеров конструкции и ха-
рактера опирания. Этот метод применяется главным образом на
ДСК при контроле изготовления отдельных конструкций. При-
бором (виброметром) «Вист-2.3» определяют среднеквадратич-
ное значение виброскорости, амплитуды и частоты колебаний
вцброустановок, используемых для изготовления железобетон-
ных изделий, а также для измерения параметров вибрации.
Герметичность сборных, сборно-монолитных и монолитных
зданий и сооружений определяется степенью воздухопроница-
емости стыков, мест пропуска инженерных коммуникаций, а так-
же самих конструкций. Воздухопроницаемость зависит от тол-
щины строительных элементоа, плотности материалов и каче-
ства работ по изготовлению конструкций, замоиоличиванию или
герметизации стыков.
Герметичность конструкций проверяется простейшими спо-
собами — на слух, на вид, на ощупь, а также инструментально с
помощью приборов ИВС-2М, ДСКЗ-1.
Коэффициентом воздухопроницаемости i называется количество
воздуха в единицах массы или объемных единицах (килограм-
ммах, метрах, кубических метрах), протекающее в 1 ч через
I пог. м стыка (I м2 плошади ограждения) при разности давле-
ний по обе стороны ограждения I мм вод. ст.
67
Наиболее уязвимыми местами в отношении герметичности
ограждающих конструкции являются стыки между сборными
элементами. Поэтому контроль и оценка их производятся в первую
очередь в стыках панелей, оконных и дверных заполнений (оп-
ределяется коэффициент воздухопроницаемости этих элементов).
Полученное при измерениях значение i сравнивается с нор-
мативным или вычисленным по формулам СниП, если оно боль-
ше нормативного, то герметичность стыка должна быть улуч-
шена.
Коэффициент i связан с толщиной конструкции 8 и факти-
ческим сопротивлением воздухопроницанию зависимостью
0=8/<.
при этом /2*. должно быть больше определяемого по фор-
муле
/^c>0,13v2/^,
где V—расчетная скорость ветра (м/с), которая прими мается по СНиП,
ио нс менее 5 м/с; /?% — требуемое сопротивление теплопередаче
ограждения, м2 - “С/Вт, вычисляемое по формуле
дгр > Ы(/в -?н)к-b-
* ~ д/норм
где — расчетная температура внутреннего воздуха, ’С; t„ — расчет-
ная зимняя температура наружного воздуха, *С; п — коэффиии-
сит, зависящий от положения наружной поверхности ограждения
по отношению к наружному воздуху, b - коэффициент качества
теплоизоляции ограждения; Яв - сопротивление тспловосприЛ'
тию. м - C/Вт, _ нормируемый температурный перепад
между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверх-
ности ограждения, С; 1,1 —коэффициент учета теплопроводных
включений в наружные стены и покрытия.
Фактическое значение показателя сопротивления конструк-
ции или стыка воздухопроницанию определяется расходом воз-
духа в килограммах (литрах) при разности давлений по обе сто-
роны ограждения 1 мм вол. ст поформулс
17,316-0
H yl
68
где 17,316 — коэффициент прибора ИВС-2М или ДСКЗ-1; Q —рас-
ход воздуха, измеряемый прибором; у/ — плотность воздуха при
температуре испытаний, кг/м3; II — разрежение внутри камеры
прибора, мм вод, ст.
Для повышения степени достоверности число измерений дол-
жно быть возможно большим.
Кроме проверки герметичности отдельных стыков или кон-
струкций может производиться проверка герметичности поме-
щений в целом, например подвалов, убежищ и т.п.
Это осуществляется одним из двух методов:
• замером падения давления в помещении от первоначаль-
ного подпора до определенной величины, сравниваемой с
проектной за установленное время;
• замером расхода воздуха при поддержании постоянным за-
данного подпора.
При восстановлении герметичности стыков тиоколовыми гер-
метиками, широко применяемыми на практике, производится
проверка прочности сцепления (адгезии) герметика к бетону,
толщины слоя герметика и относительного удлинения при раз-
рыве, Для измерения прочности сцепления применяется прибор
«ПСО-МГ4».
3.4.4. Контроль теплозащитных качеств ограждений
В процессе эксплуатации зданий и сооружений нередко тре-
буется проверить теплозащитные качества ограждений, особен-
но а местах увлажнения и промерзания, чтобы решить вопрос
об их утеплении.
Наиболее важной физической величиной, характеризующей
теплозащитные качества конструкций, является их сопротивле-
ние теплопередаче. Основное уравнение теплопередачи имеет вид:
с-(/в-и/Л>.
При неизменных условиях теплопередачи удельный тепловой
поток, проходящий через любое сечение, перпендикулярное
потоку, является постоянным, т.е,
9 =(ти-тн)/Л =
69
где
0 - удельный тепловой поток, Вг/м’; /„иг,- температура соответ-
ственно наружного и внутреннего воздуха; т„ и т. -температура
соответственно наружной и внутренней поверхностей стеньь
сопротивление теплопередаче для однослонной стены (м v/вт).
К = рД.
Термическое сопротивление многослойной конструкции on-
редслястся по формуле
К = Км + £5/Х + Кв,
гдс сопротивлениетспловосприятиюпа границе «внутренний воз-
дух — внутренняя поверхность*; Яи — сопротивление теплоотдаче
на границе «наружная поверхность — наружный воздух»; Л—тер-
мическое сопротивление слоя материала; р — толщина стены; X —
коэффициент теплопроводности всей стены и соответствующего
СЛОЯ МНОГОСЛОЙНОЙ конструкции. Сопротивления Лв и /?н зависят
от коэффициентов тсплоперехода на Гранине стены:
Коэффициенты ави ан принимаются по СНиП.
В связи с конкретными условиями изготовления и эксплуа-
тации конструкций фактическое значение сопротивления теп-
лопередаче Ro отличается от расчетного. Истинная величина
сопротивления теплопередаче определяется путем натурных ис-
пытаний. Из приведенных выше формул видно, что тепловой
поток q может быть вычислен по замеренным температурам и
термическому сопротивлению, а также измерен специальными
приборами тепломером, многоканальными регистраторами
тепловых процессов «Терем-3/3.1», измерителем плотности теп-
ловых потоков «ИТП-МГ4 Поток».
Действие тепломера, основанное на принципе дополнитель-
ной стенки, заключается в следующем. На исследуемом огра*'
дении с термическим сопротивлением Я. приклеен дополнитель-
ный слой (стенка) с известным малым термическим сопротив-
лением Я2 и температурами и /2. Установка такой стенки не
влияет на величину теплового потока через ограждение.
Величина теплового потока через дополнительное огражден*’6
определяется по формуле
70
Q (^1 I ^2*
Поскольку величины, входящие в правую часть формулы, из-
вестны, то по ней можно определить удельный тепловой поток
Дисковый тепломер Ленинградского технологического инсти-
тута холодильной промышленности диаметром 300 мм, толщи-
ной 12 мм состоит из трех слоев резины, между которыми зало-
жено около 600 термопар, последовательно соединенных в тер-
мобатарею. Средний слой резины имеет постоянное термическое
сопротивление и разность температур Д/ = /j - /2, пропорцио-
нальную тепловому потоку q, который, в свою очередь, пропор-
ционален термоэлектродвижущей силе (термо-ЭД С) £ термоба-
тареи. Поэтому считают, что
я = со£.
где Со — коэффициент тепломера.
Таким образом, для определения удельного теплового пото-
ка, проходящего через стену, надо замерить потенциометром ЭДС
термобатареи тепломера в милливольтах и умножить ее на ко-
эффициент тепломера Со. Получим величину удельного тепло-
вого потока. Зная эту величину, а также температуры стены и
воздуха снаружи и внутри помещения, вычисляем Ro, R*t R, R*.
По величине общего фактического термического сопротивления
Ro путем сопоставления ее с нормативным для района по СНиП
или расчетным (по проекту) оцениваются теплозащитные каче-
ства стеиьт и решается вопрос о необходимости ее утепления или
сушки.
Вместо тепломера для оперативного обследования огражда-
ющих конструкций и, в частности, для замера температур внут-
ренней и наружной поверхностей стены можно воспользовать-
ся термошупом.
Термощупы предназначены для определения температуры
поверхности строительных конструкций и нагревательных при-
боров. На практике применяются термощупы ТМ, ЦЛЭМ,
измерители температуры и влажности «Влагомер-МГ-4В*, «Вла-
гомер-МГ-4У», «Вимс-1.У» (Д)и др. Обычно это малогабарит-
ные приборы. Так, термошуп ТМ собран в металлическом кор-
пусе. имеет жесткий шток, у термощупа ЦЛЭМ щуп соединен с
измерительным прибором проводом, что удобно при замерах в
труднодоступных местах.
71
Тсрмощуп состоит из измерительного прибора и щупа, на
коние которого находится полупроводниковое сопротивление типа
ТШ-1 (датчик). При измерении температуры поверхности (се
можно измерять от 0 до 90*С с точностью до ГС) требуется, чтобы
датчик плотно соприкасался с поверхностью.
Замеры температуры в каждой точке следует производить три
раза. Оператор, проводящий замеры, должен находиться возможно
дальше от исследуемой поверхности, держа щуп на вытянутой
руке, чтобы ис нарушать установившегося теплообмена между
поверхностью и окружающим воздухом.
При оценке теплозащитных качеств ограждения, кроме тер-
мического сопротивления, определяющим является перепад тем-
ператур Д/иорм — /|(, допустимое значение которого заложено
в нормы из условий нсвыпадсния конденсата (СНиП). Этот по-
казатель зависит от конструкции ограждения, влажности мате-
риала, наличия местных теплопроводных включений и т.п. По-
скольку в различных точках стены можно ожидать разные значе-
ния фактического перепада температур Д/ Ф, то при исследовании
внутренняя поверхность стены разбивается на квадраты со сто-
роной примерно 50 см с таким расчетом, чтобы в точки для за-
мера температур попадали ребра панелей и другие теплопроводные
включения. Определив фактический перепад температур, его
сравнивают с расчетным, который вычисляется пересчетом нор-
мативных значений для данного района и условий конкретного
помещения на расчетные при фактических величинах, полученных
во время замеров. Поскольку замер фактических температур
проводится нс в самое холодное расчетное время, то для их со-
поставления (в том числе и с температурой точки росы) необ-
ходимо внести поправки в расчетное значение коэффициента
тспловосприятия ав, определяемого по СНиП или по формуле.
Коэффициент тспловосприятия aD при фактических значениях
температур корректируется также по формуле.
Значения а„ и а„ определяются по графикам. Чтобы восполь-
зоваться этой методикой, необходимо знать:
• нормативные температурно-влажиостиые условия для дан-
ного помещения по СНиП для данного вила зданий (жи-
лыс, общественные и др.);
расчетные значения температур и $ для района распо-
ложения здания также по СНиП;
72
• фактические значения температур и влажности
фФ;
• расчетные значения точки росы для данных значений и
Ф”.
Если полученный фактический перепад А/* меньше расчет-
ного Д/Р, то теплозащитные качества ограждающей конструкции
удовлетворяют норме, В противном случае необходимо осушить
и утеплить конструкцию, т.е. улучшить ее теплозащитные каче-
ства.
3.4.5. Определение параметров микроклимата
Совокупность физических параметров воздушной среды в
помещении (температуры, влажности, движения воздуха и тем-
пературы ограждающих поверхностей) называют микроклиматом.
Человек чувствует себя в помещении хорошо, если его организм
находится в состоянии нормального теплообмена с окружающей
средой.
Сопротивление теплопередаче /^для термически однородной
зоны ограждающей конструкции вычисляют по формуле
- Я„ + Я, + Я„ - (/„ - т„ )/ «ф + (г, - т„ )/ + (т„ /„)/ «ф.
где R*, Л11 — сопротивление теплопередаче соответственно внутренней
и наружной поверхностей ограждающей конструкции, (м2- ’С)/Вт;
Як — термическое сопротивление однородной зоны ограждающей
конструкции, (м2- *С)/Вт; /„ — средние за расчетный период
измерен nil значения температур соответственно внутреннего и
наружного воздуха, *С; т„, ти — средние за расчетный период из-
мерений значения температур соответственно внутренней и на-
ружной поверхностей ограждающей конструкции, *С; — сред-
няя за расчетный период измерения фактическая плотность теп-
лового потока (Вт/м2), определяемая для сплошных ограждающих
конструкций по формуле
Qa> =^-т„)
Для ограждающих конструкций с замкнутой воздушной про-
слойкой, прилегающей к внутреннему тонкому слою, на кото-
ром установлен преобразователь теплового потока,
73
„ .,Л. )
* Л, + Л,+ 0,5/?,./’
гдс q _ средняя за расчетный период измеренная плотность теплово-
го потока, Вт/м2; Л,,—термическое сопротивление слоя, прикреп-
ляющего преобразователь теплового потока (м2- С)/Вт, опреде-
ляется расчетом; 7^ — определяется расчетом по средним значе-
ниям тв. Допускается в первом приближении принимать его рав-
ным нормируемым значениям 0,115 (м2 - *С)/Вт; Rx —термичес-
кое сопротивление слоя ограждающей конструкции между внут-
ренней поверхностью и воздушной прослойкой, (м2-*С)/Вт,
определяется расчетом; ттв — температура поверхности преобра-
зователя теплового потока, обращенная внутрь помещения, *С.
измеренная при испытаниях, термичскос сопротивление зам-
кнутой воздушной прослойки, (м2 • *С)/Вт, определяемое по спра-
вочному приложению к ГОСТ 26254-84,
Для вентилируемой прослойки
р °,36
где a = 5,5+5,7v,
к— скорость движения воздуха в прослойке, определяется по опыт-
ным данным или расчетом, м/с; ит— коэффициент лучистого теп-
лообмена, определяемый расчетом, Вт/(м2- *С).
Термическое сопротивление отдельных слоев ограждающей
конструкции определяют по формуле
где Ат — разность температур на границах слоя, *С,
Теплопроводность материала слоя проверяют по формуле
Х = -₽-,
V
где р — толщина слоя.
На тепловой режим помещений влияют размеры оконных
проемов и способы уплотнения их примыканий к стенам. В зда-
ниях повышенной этажности разность давлений внутри по-
мещения и наружного воздуха достигает значительных величин,
поэтому оконные устройства должны иметь более надежные
уплотнения. Допустимая воздухопроницаемость окон регламен-
тируется нормами. Например, при температуре воздуха от -21
74
до -30 *С воздухопроницаемость через окна должна быть примерно
13 кг/(м2- ч).
Для исключения отрицательного эффекта повышенной теп-
лоотдачи человеческим организмом вследствие радиации соблю-
дают определенные соотношения между температурой тела че-
ловека /ч и внутренней поверхностью остекления. Температура
остекления в свою очередь зависит от разности температур воз-
духа в помещении /в и наружного /|(, а также от сопротивления
теплопередаче заполнения светового проема:
ток Zb“ " 'М /Лж»
где — сопротивление теплопередаче заполнения светового про-
ема, м2 K/Вт (для окон с двойным остеклением и спаренными
переплетами R^- 0,46 м2- K/Вт, с раздельными переплетами
А?ок = 0,51 м2 • K/Вт); /?в — сопротивление тепловосприятию (от
воздуха помещения к внутренней поверхности остекления),
Яв = 0,129 м2-К/Вт.
Строительные нормы ограничивают температуру поверхнос-
ти остекления т £ 5°С, для этого при расчетной температуре на-
ружного воздуха до -7"С окна устраивают с одинарным остек-
лением; до -8°С — с двойным остеклением в спаренных пере-
плетах; до -35°С с двойным остеклением в раздельных переплетах;
ниже -35’С — с тройным остеклением.
Теплопередача через оконные проемы очень велика: через 1 м2
окна тепла передается в 2,5—3 раза больше, чем через 1 м2 сте-
ны. В связи с этим следует избегать увеличения световых про-
емов против установленных нормативами. Более объективная
оценка влияния наружных ограждающих поверхностей на теп-
ловой режим помещений может быть дана путем расчета услов-
ной температуры помещения
7» = 0.5
гас /л - £(ти пГп), тв п — радиационная температура помещения. *С;
ZFn — сумма площадей всех поверхностей, ограждающих поме-
щение конструкций, м2, с температурой
Установлено, что при увеличении сопротивления теплопере-
даче ограждающих конструкций в 1,5 раза снижаются пример-
но в 1,5 раза теплопотсри, расход топлива на отопление, а так-
75
же затраты иа содержание отопительных систем. Поэтому при
определении оценки эксплуатационных характеристик зданий
следует обращать внимание иа теплотехнические свойства
ограждающих конструкций, соответствие систем отопления па-
раметрам теплового режима помещений, надежность уплотне-
ния окон и их размеры.
Температуру воздуха определяют ртутными термометрами (или
микропроцессорными приборами типа «Влагомер-МГ4В»), уста-
новленными в центре помещения на расстоянии 20 см от угла
наружных ограждающих конструкций иа высоте 1,5 м от пола.
Если необходимо более точно измерить температуру воздушной
среды, термометры вывешивают на специальных штативах в трех
местах: во внутреннем и наружном углах (на расстоянии 30 см
от стены) и в центре помещения (в каждом месте в трех точках:
на высоте 10 и 150 см от пола и 15 см от потолка).
Динамику изменения температуры воздуха внутри помеще-
ния в течение суток определяют термографом. Термограф — полая
пластинка, наполненная толуолом, воспринимая температурные
колебания, выпрямляется или изгибается. Такие измсиеиия длины
пластинки через рычаги передаются на стрелку. При вращении
диска с укрепленной на нем масштабной бумагой с суточным или
недельным вращением перестрелки вычерчивает график изме-
нения температуры за соответствующий период. Получили рас-
пространение микропроцессорные термографы «РТВ-2», кото-
рые программируются и считываются посредством компьютера и
сераисиой программы либо специального прибора «Термоскоп-1»,
обслуживающего от 15 до 400 термографов.
Температуру поверхностей стеи определяют также термопара-
ми и термощупами. Термопара представляет собой два провод-
ника из разнородных металлов, концы которых спаяны. Прин-
цип измерения температуры заключается в том, что если одни
из спаев нагревать, а другой держать при постоянной темпера-
туре, то в цепи термопары возникает ЭДС, пропорциональная
измеряемой температуре.
Термощуп — датчик температуры. Измерительные приборы в
термошупах — потенциометры или гальванометры (при исполь-
зовании термопар), равновесные или неравновесные мосты со-
противления (при использовании термометров сопротивления).
Для измерения распределения температуры в стеновой ограж-
дающей конструкции датчики термопар помещают в конструк-
76
цию. Для этого устраивают отверстия диаметром 12—16 мм, ко-
торые после установки термопар заделывают измельченным ма-
териалом, аналогичным по составу материалу конструкции, на
быстросхватываюшемся связующем (гипсе, полимерах). Поми-
мо перечисленных приборов температуру поверхностей ограж-
дающих конструкций измеряют также ртутными термометрами
с плоскими резервуарами. Относительную влажность воздуха
определяют психрометром или по таблицам. Наиболее часто для
этих целей применяют психрометры Августа и Ассмана. Псих-
рометр Августа состоит из термометров сухого и влажного, ша-
рик которого обернут тонкой тканью, постоянно контактирующей
с водой в стаканчике. Поскольку испарение влаги связано с рас-
ходом тепла, то мокрый термометр показывает более низкую
температуру, чем сухой. Чем суше воздух, тем интенсивнее ис-
парение и больше разность температур. Показания термометров
записывают через 15 мни после установки прибора.
В усовершенствованном психрометре Ассмана оба термометра
помешены в металлические трубки, что предохраняет их от слу-
чайных ударов.
Для регистрации непрерывных изменений относительной
влажности воздуха применяют гигрограф, который состоит из
пучка волос длиной 20 см, натянутых на рамке. В середине пу-
чок оттянут крючком, соединенным с коленчатым рычагом и
противовесом, создающим постоянное натяжение. С изменением
влажности происходит удлинение пучка, которое через рычаги
передается стрелке с пером. При вращении барабана перо вы-
черчивает график изменения влажности за соответствующий
период времени. Относительную влажность определяют в двух-
трех местах: в центре помещения и на расстоянии 20 см от на-
ружной стеиы.
Скорость движения воздуха в помещении определяют анемо-
метрами — чашечным н крыльчатым.
Влажность материала конструкции измеряют электрически-
ми приборами, в которых использован принцип изменения
электросопротивления материала или его теплопроводности от
влажности. Наиболее точные методы определения влажности
материала конструкции термоэлектрические и диэлектрические.
Термоэлектрический метод основан на зависимости теплопро-
водности материала от влажности, диэлектрический — на изме-
нении электроемкости конденсатора, между пластинками которо-
го помещена испытуемая конструкция.
77
Прочность сцепления герметика с материалом конструкции
измеряют адгезиометром АГ-1 и на машинах разрывного действия
РМИ-250. При обследовании следует учитывать, что механические
испытания тиоколовых герметиков можно проводить не ранее
семи дней после герметизации, а полизобутилеиовых — не ра-
нее двух дней после герметизации. Адгезия герметика в конст-
рукции проверяется через сутки после наклейки штампов на гер-
метик. Штампы наклеивают по периметру в верхних, средних
этажах, в торцевых стыках, вблизи мест пересечения вертикальных
и горизонтальных стыков.
3.4.6. Проверка освещенности помещений
и рабочих мест
Освещенность помещений и рабочих мест оказывает суще-
ственное влияние на органы зрения и производительность тру-
да; благодаря улучшению освещенности производительность
может быть повышена на 25—30%. Достаточная освещенность
необходима также для сохранения зрения работающих.
Освещенность обеспечивается путем устройства окон и уста-
новки светильников. В одних случаях требуется равномерная ос-
вещенность помещения, в других — нормативной должна быть
освещенность рабочих мест, а освещенность всего помещения
может быть в два-три раза меньше. Это зависит от назначения
помещений и достигается использованием определенных типоа
светильников и их размещением, что предусматривается проек-
том.
Световые волны как один из видов электромагнитных воли
различают подлине и частоте колебаний, которые связаны между
собой следующей математической зависимостью:
х = c/g,
ГДС оп7пппИИаг ВОЛНы; м; с ~ скорость распространения света,
300 000 KM/4;g— частота колебаний. Гц(1 Гц равен одному коле-
банию в 1 с).
Параметры, которые используют для оценки освещенности -
сила света, световой поток, яркость, освещенность, а также не-
которые другие производные от перечисленных величин. Силу
света измеряют в канделах (кд). 1 кд соответствует1 /№ силы света,
78
излучаемого в перпендикулярном направлении поверхностью
абсолютного черного тела площадью 1 см2 при температуре зат-
вердевания платины 1760‘С.
Освещенность измеряется в люксах. Люкс (лк) есть освещен-
ность поверхности, на каждый квадратный метр которой падает
световой поток, равный одному люмену (лм):
1 лк = 1 лм/1 м2.
Люмен — это световой поток, излучаемый в пределах телесного
угла в 1 стер источником, сила света которого равна 1 св; нахо-
дится как отношение площади освещенности к квадрату рассто-
яния до источника света. Если поверхность освещается несколь-
кими источниками, создающими иа ней освещенности Е{, Е2и т. д.,
то полная освещенность поверхности £будет равна их сумме.
Изменение условий освещения помещений вызывает адапта-
цию органов зрения, в основе которой лежат физиологические н
фотохимические процессы, приводящие к изменению чувствитель-
ности зрения. Частые и резкие изменения условий освещения
отражаются на физическом состоянии человеческого организма.
Скорость различения и устойчивость ясного видения предметов
зависят также от уровня освещенности. Скорость различения
особенно велика при уровне освещенности 400—500 лк, устой-
чивость ясного видения соответствует уровню освещенности 130—
150 лк.
Важными факторами, которые необходимо принимать во
внимание при определении освещенности помещений, являют-
ся цветовые решения интерьеров и различие яркости наблюда-
емого предмета и фона, на котором рассматривается предмет.
Таким образом, яркостной контраст зависит от уровня осве-
щенности: чем меньше освещенность, тем должна быть больше
контрастность. Яркость фона определяется количеством отражен-
ного света, воспринимаемого человеческим глазом.
Естественное освещение помещений зависит от светового
климата местности, где расположено здание. Световым клима-
том называется характер изменения освещенности на открытом
воздухе в течение суток, месяца, года. Эти изменения обуслов-
лены географической широтой местности и высотой стояния
солнца. Освещенность помещений определяется ориентацией
здания, а также расположением световых проемов и их разме-
рами, расстоянием здания от затемияюших объектов.
79
Для лучшего освещения самых удаленных от световых про-
емов точек помещений необходимо, чтобы верхняя отметка
светового проема была поднята как можно выше над уровнем
пола, а наиболее удаленная от окна точка помещения находи-
лась на расстоянии, не превышающем двойной высоты верхне-
го края проема над полом.
В жилых помещениях размер световых проемов принимает-
ся по отношению к площади освещаемого пола как 1:8, в слу-
жебных и административных зданиях — не менее 1:10. Размер
светового проема равен плошали проема за вычетом 15% пло-
щади, приходящейся на оконные устройства.
Размер светового проема неполностью характеризует условия
освещенности в помещениях. Более объективную оценку осве-
щенности дает коэффициент естественной освещенности (к. е. о.),
представляющий собой отношение освещенности внутри поме-
щения к одномоментной освещенности снаружи, %:
к. е. о.= (Ев/Ен)100,
где Ег, Ен — внутренняя и наружная освещенность, лк.
Коэффициент естественной освещенности для жилых и об-
щественных зданий и производственных помещений с боковым
освещением зависит от точности выполняемых работ и колеб-
лется от 1,5 до 2, а для помещений с грубыми работами к. е. о. =
— 0,5. При верхнем и комбинированном освещении в соответ-
ствии со СНиП этот коэффициент колеблется от 2 до 7.
При определении эксплуатационных характеристик искусст-
венного освещения необходимо обращать внимание на мощность
света, равномерность освещения, отсутствие резких теней и блес-
кости.
Нормы освещенности установлены СНиП в зависимости от
назначения помещений. Так, в помещениях, где работают с де-
талями размером менее 0,2 мм, норма общей освещенности 125—
200 лк, при люминесцентном освещении — 300-500 лк. В жи-
лых комнатах норма освещения лампами накаливания установ-
лена 25—30 лк, люминесцентными лампами — 75 лк. Освещение
в помещениях считается достаточно равномерным, если отно-
шение наименьшей освещенности к наибольшей освещенности
на расстоянии 0,75 м нс превышает 1:2, а на расстоянии 5м-
80
Освсшснность замеряется в горизонтальной плоскости на
высоте 0,8 м от пола. Количество контрольных точек должно быть
не менее 10. Освсшснность измеряют люксметрами — субъектив-
ными и объективными.
Субъективный люксметр основан на уравнивании яркости двух
полей освешсния (освещенность одного поля известна). Он со-
стоит из вентильного фотоэлемента и измерительного устройства
Электрический ток, который дает фотоэлемент при освещении
его поверхности, пропорционален ее освещенности Поэтому
измерительное устройство, проградуированное в люксах, пока-
зывает сразу значение освещенности. Более точными являются
объективные люксметры, в которых роль анализатора выполня-
ет селеновый фотоэлемент, а показания регистрирует гальвано-
метр. При попадании световых лучей на приемную часть фото-
элемента в схеме прибора возникает ЭД С, пропорциональная
уровню освещенности. Шкала прибора имеет 50 делений с обо-
значением трех пределов измерений освещенности: 0—25, 0—100,
0—500 лк. Если освещенность превышает 50 лк, то на фотоэле-
менте устанавливают поглотитель, который расширяет основные
пределы измерения в 100 раз, что позволяет измерять освещен-
ность 0-50 000 лк.
В процессе эксплуатации системы освещения уровень осве-
щенности снижается, что может быть вызвано запылением ог-
раждающих поверхностей (в лабораториях — на 10% за год, в де-
ревообрабатывающих цехах на 30% за полгода и т.п.), загрязне-
нием светильников, старением и выходом их из строя и другими
факторами.
3.4.7. Анализ химического состава воздуха в помещениях
Наличие воздуха и его чистота имеет для человека исключи-
тельно важное значение. Поэтому для сохранения здоровья и
работоспособности людей в жилых и производственных поме-
щениях следует обеспечивать нормативный воздухообмен и чи-
стоту воздуха. При эксплуатации зданий и сооружений необхо-
димо знать предельно допустимые концентрации вредных веществ
в воздухе и уметь определить их содержание.
Санитарные нормы проектирования промышленных предпри-
ятий все вредные вещества по степени их действия на организм
человека делят на четыре класса опасности:
В1
• чрезвычайно опасные — гексахлоран, серная кислота, су-
лема, свинец, металлическая ртуть и др.;
• высокоопасные — окислы азота, хлористый ангидрид, сер-
ная кислота, серный ангидрид и др.;
• умеренно опасные — ацетофен, сероводород с углеводоро-
дами и др.;
• малоопасные — уайт-спирит, бензин и др.
В санитарных нормах указано: если содержание в воздухе азота
превышает 90%, то это приводит к смерти людей в течение
нескольких минут; предельно допустимая концентрация в воз-
духе углекислого газа составляет 1,5—2%, кислорода — 18—17%;
4%-я смесь водорода с воздухом воспламеняется, а их 6—8%-я
смесь — взрывается.
По своему агрегатному состоянию вредные вещества в воз-
духе могут находиться в виде паров (П), аэрозолей (А) или сме-
си паров с аэрозолями (П+А). Сушествует несколько методов
определения наличия и концентрации в воздухе вредных веществ:
• линейно-колористический за счет окрашивания специаль-
ных порошков в индикаторных трубках, через которые про-
сасывается исследуемый воздух;
• термомагнитной конвекции кислорода в магнитном поле:
• замера смещения интерференционной картины при про-
хождении луча света через камеры, содержашие чистый и
загрязненный воздух.
Химический анализ воздуха с помощью приборов, основан-
ных на линейно-колористическом методе, состоит в следующем:
при просасы вании воздуха через индикаторные трубки окраска
находящегося в них порошка изменяется, при этом длина окра-
шенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого
вещества и измеряется по шкале в мили граммах на литр.
На этом принципе основан универсальный газоанализатор
У Г-2, позволяющий определять посредством набора трубок при-
сутствие в воздухе сернистого ангидрида, ацетилена, окиси уг-
лерода, сероводорода, хлора, аммиака, окислов азота, этилово-
го эфира, бензина, бензола, толуола, ксилола, ацетона, углево-
дородов нефти. Срок годности индикаторных порошков с момента
изготовления ампул составляет от 8 до 24 месяцев.
Состав воздуха в кухнях определяют универсальным перенос-
ным газоанализатором, состоящим из корпуса, в котором нахо-
дится комплект ампул, и коробки с воздухозаборным устройством.
В2
3.4.8. Определение звукоизоляции помещений
Нормами установлены следующие параметры звукоизоляции
ограждающих конструкций гражданских здании; индекс изоля-
ции воздушного шума /в (дБ) и индекс приведенного уровня
ударного шума под перекрытием / (дБ). Нормативная кривая
характеризует значение звукоизоляции воздушного шума в тре-
тьоктавных полосах частот в диапазоне 100—5000 Гц.
Индекс изоляции воздушного шума /в конструкцией с рассчи-
танной или измеренной частотной характеристикой звукоизоля-
ции определяют по формуле
/в ~ 50 + Дв.
где Дв — поправка, определяемая сравнением частотной характерис-
тики изоляции воздушного шума конструкцией (измеренной или
рассчитанной) с нормативной частотной характеристикой.
Для вычисления поправки Дв (дБ) необходимо на график нор-
мативной кривой (рис. 3.9) нанести частотную характеристику
изоляции воздушного шума, рассчитанную или измеренную, и
определить среднее неблагоприятное отклонение от норматив-
ной частотной характеристики. Неблагоприятными считаются
отклонения вниз. Среднее неблагоприятное отклонение прини-
мается равным ’/is суммы неблагоприятных отклонений. Если
Рис 3 9. Нормативные частотные характеристики изоляции воздушного шума
ограждающей конструкции
83
среднее неблагоприятное отклонение близко, но нс превышает
2 дБ, а максимальное не превышает 8 дБ, то поправка Дп = 0.
Если среднее неблагоприятное отклонение превышает 2 дБ или
максимальное неблагоприятное отклонение больше 8 дБ, то нор-
мативная кривая смешается вниз на целое число децибел так,
чтобы среднее и максимальное неблагоприятные отклонения от
смещенной нормативной кривой нс превышали указанных ве-
личин. При этом поправка Двотрицательна и равна числу деци-
бел, на которое смещена нормативная кривая.
Если среднее неблагоприятное отклонение значительно меньше
2 дБ или неблагоприятных отклонений нет, нормативная кри-
вая смещается вверх на целое число децибел так, чтобы среднее
неблагоприятное отклонение измеренной или рассчитанной
частотной характеристики от нормативной приближалось, но не
превышало 2 дБ, а максимальное неблагоприятное отклонение
не превышало 8 дБ. В этом случае поправка Др положительна и
равна числу децибел, на которое смешена нормативная кривая.
Индекс приведенного ударного шума /у (дБ) под перекры-
тием с рассчитанной или измеренной частотной характеристи-
кой определяют по формуле
/,= 70-^,
где Ду— поправка, определенная сравнением частотной характерис-
тики измеренного или рассчитанного приведенного ударного шума
с нормативной.
Поправку Ду определяют так же, как поправку дв, за исклю-
чением того, что среднее неблагоприятное значение принима-
ют не ’/18, а '/1б суммы неблагоприятных отклонений, при этом
неблагоприятными считаются отклонения вверх от нормативной.
Нормативные значения индексов изоляции воздушного шума
/в, дБ:
• для межквартирных стен, перегородок и перекрытий — 50;
• то же, для межкомнатных — 41;
• для перегородок между комнатами и санузлами одной
квартиры — 45;
• для перекрытий и стен между помещениями квартиры и
магазина — 55;
• для перекрытий и стен между помещениями квартиры и
кафе, ресторанами, спортивными залами и другими шум-
ными помещениями — 60.
84
Измеренные или рассчитанные значения индексов изоляции
от воздушного шума должны быть равны или больше приведен-
ных.
Нормативные значения индексов приведенного уровня удар-
ного шума /у, дБ:
• для перекрытий между квартирами и другими помещения-
ми, а также между смежными квартирами — 67;
• для перекрытий между комнатами вдвухэтажной кварти-
ре — 75;
• для перекрытий между квартирами и расположенными выше
ресторанами, кафе, спортивными залами и другими шум-
ными помещениями — 50.
Измеренные или рассчитанные значения индексов приведен-
ного уровня ударного шума должны быть равны или меньше
нормативных. Для определения звукоизолирующей способнос-
ти конструкции в помещении устанавливают генератор белого
шума, который, имея набор полосовых фильтров, через усили-
тель подает на громкоговоритель генерированный шум, уровень
которого фиксируется индикатором.
Благодаря изолирующим свойствам конструкции звук, гене-
рируемый в помещении, поступает в другое помещение значи-
тельно меньшего уровня и воспринимается микрофоном шумо-
мера. Звук с помощью полосовых фильтров анализатора фикси-
руется индикатором.
При измерении звукоизолирующей способности от ударного
шума вместо генератора шума применяют ударную машину.
Звукоизолирующую способность от воздушного шума опре-
деляют по формуле
/?=£,- Л2 + lOlgfF/Л),
где £2— средний уровень звукового давления в помещении шум-
ном и обследуемом, дБ; F— площадь ограждения, м2; А — общее
звукопоглощение в обследуемом помещении, м2
Уровень звукового давления от воздушного шума в каждой
частотной полосе измеряют нс менее чем в шести точках. При
этом микрофон не следует располагать ближе 1 м от громкого-
ворителя или 0,7 м от ограждения. При измерении звукоизоли-
рующей способности перекрытий ударные шумы необходимо
воспроизводить нс менее чем в трех местах с измерением про-
никающих шумов не менее трех раз от каждой установки. Зна-
85
ченис звукового давления в октавных полосах в некоторой сте-
пени зависит от звукопоглощения в обследуемом помещении.
В связи с этим пользуются так называемым приведенным уров-
нем звукового давления
1^= L- IOlg(VA
где L — средний уровень звукового давления в полосе частот, л Б; —
стандартное звукопоглощение, равное 10 м2; А — измеренное зву-
копоглощение. м2.
3.5. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МАТЕРИАЛА КОНСТРУКЦИЙ
3.5.1. Определение свойств оснований под фундаменты
Для определения допустимых давлений на основание, возмож-
ные сдвиги, просадки краны применяют полевые методы испы-
тания грунтов.
Штамп представляет собой жесткую недеформированную плиту
размером 50 х 50, 71 х71 итн 100 х 100 см. Давление создается
гидравлическим домкратом, расположенным на штампе. Давление
на штамп передается от домкрата противогрузом, установленным
на специальные стеллажи. При испытании изменяют нагрузку
ступенями по (0,25-1) -105 Па с выдержкой между очередными
нагрузками 15-30 мин. Поданным испытаний строят графики
приращений осадок грунта как функцию времени и как функ-
цию нагрузок. Модуль деформации определяют по графику за-
висимости деформации грунта от нагрузок Начальный участок
в расчет не принимают, так как осадка штампа на нем обычно
преувеличена из-за недостаточно плотного контакта плоскости
штампа и поверхности грунта в начальный момент. Для расче-
тов принимают только данные, полученные на основании ана-
лиза участка, где увеличение давления на грунт вызывает про-
порциональные изменения осадки грунта. Поскольку модуль
сжимаемости грунта Еп зависит от давления для соответствую-
щего интервала, его можно определить по формуле
85
Еп-т- - PJ/UbH, - bHJd],
где Р„. Рт — полное давление соответственно в момент п, т, Па. ДНЛ
ДНт—осадка штампа в соответствующие моменты, см, d— диа-
метр круга, равновеликого плошали штампа, см; т — коэффици-
ент Пуассона — для песка т — 0,25—0,3; для суглинка т = 0 33—
0,37; для глииы т — 0,38-0,45.
При испытании грунтов на сдвиг на дно шурфа вдавливают
кольцо диаметром около 400 мм Грунт с внешней стороны кольца
убирают и устанавливают домкраты, один из которых создает
вертикальную нагрузку, а другой — сдвигающие усилия. Нагрузку
от домкратов увеличивают ступенями по (0,2-0,5) 105 Па с вы-
держкой каждой не менее 15—30 мин в зависимости от характе-
ристики вида грунта, пока не доведут до значения, соответству-
ющего фактическому давлению на подошву фундамента от су-
ществующего здания. Сдвигающее усилие также увеличивают
ступенями с меньшей выдержкой. Момент, когда сдвигающее
усилие преодолеет силы трения и сцепления в грунте, фикси-
руется резким падением давления в манометре домкрата. Испы-
тания заканчивают, если кольцо сместилось от первоначально-
го положения на 2—3 см. По результатам испытания 3—4 шур-
фов однородного грунта при разных нагрузках строят графики
зависимости сдвигающих усилий $ в грунте от нормальной на-
грузки Р, по которым находят угол внутреннего трения <р и удель-
ное сцепление С грунта.
В скважинах грунт обследуют лопастными приборами — крыль-
чатками. Двух- или четырехлопастную крыльчатку, закреплен-
ную на штанге, вдавливают в скважину ниже обсадных труб. По
измеренному предельному моменту, при котором начинает вра-
щаться крыльчатка, вычисляют сопротивление сдвигу, угол внут-
реннего трения и удельное сцепление грунта.
Наряду с физико-механическими характеристиками грунтов
важное значение имеют гидрогеологические исследования: глубина
залегания и мощность водоносных пластов, коэффициент филь-
трации грунтов, химический состав грунтовых вод. Наблюдение
за колебаниями уровня грунтовых вод ведут в скважинах, рас-
положенных в определенном порядке вокруг обследуемых
зданий. Для определения скорости потока грунтовых подземных
вод устраивают не менее двух скважин, расположенных по на-
правлению движения потока. В одну скважину* (верхнюю по от-
меткам уровня подземных вод) в определенный момент вводят
87
индикатор (краску или др.), а из нижней скважины берут про-
бы воды и фиксируют момент, когда в скважине обнаружится
максимальная концентрация индикатора. По времени появления
этого максимума и расстоянию между скважинами определяют
скорость потока.
Сравнительно простой метод нахождения коэффициента филь-
трации разработан А. К. Болдыревым. В шурф размером 1 х 1,5 м
шлангом наливают воду, регистрируя ее расход по водомерной
трубке бака. Регулируя краном расход воды из бака, добивают-
ся значения, которое соответствует фильтрационному расходу
воды в шурфе. Если в течение продолжительного времени ко-
лебание уровня воды в шурфе не будет превышать 1 см, а откло-
нение измеренного несколько раз расхода ?ф от среднего — не
более 10%, то коэффициент фильтрации рассчитывается по ко-
личеству израсходованной воды в единицу времени.
3.5.2. Физико-механические параметры, определяемые
магнитными и электромагнитными испытаниями
Наиболее простым и надежным способом обнаружения тре-
щин на поверхности металлов является магнитная порошковая
дефектоскопия. Поверхность металлической конструкции очи-
щают от окалины и коррозии пескоструйным аппаратом. Затем
металл в месте испытания намагничивают (например, солено-
идом). После нанесения порошка из металлов, обладающих вы-
сокой магнитной проницаемостью, в зоне дефекта возникают два
магнитных полюса, которые обозначают дефект удерживания
магнитного порошка строго по контуру дефекта. Дефект, распо-
ложенный на большой глубине, очерчен менее контрастно, но
достаточно четко для определения его местоположения.
Для контроля напряжений в материале конструкций исполь-
зуют зависимость между его магнитной проницаемостью и из-
менением напряжения.
Принцип работы трассоискателя ТПК-1 основан на обнару-
жении электромагнитного поля, создаваемого вокруг обследуемой
конструкции. Трассу силового кабеля, находящегося под напря-
жением, определяют без подключения генератора с использова-
нием только приемного устройства. В остальных случаях подклю-
чают генератор переменного тока частотой 1000 ± 50 Гц. По из-
88
мснению громкости звука в телефонах приемного устройства в
зависимости от ориентации системы устанавливают направление
и глубину залегания коммуникации. Положение щупа, при ко-
тором уровень звука в наушниках имеет наибольшую громкость,
соответствует месту расположения оси подземного трубопрово-
да, а при уровне звука, имеющего наименьшую громкость, —
расстоянию, равному глубине заложения трубопровода.
3.6. ФИЗИЧЕСКИЙ И МОРАЛЬНЫЙ износ
3.6.1. Определение физического и морального износа
Под физическим износом (иногда его называют материальным
или техническим) подразумевается постепенная частичная или
полная потеря зданием или его элементом с течением времени
первоначальных качеств в результате воздействия природно-кли-
матических факторов и жизнедеятельности человека, т.е. ухуд-
шение эксплуатационных свойств и снижение стоимости. Фи-
зический износ зависит от срока службы основных фондов; ка-
чества материала; сырья, из которого изготовлено изделие
(конструкция); интенсивности использования и технологичес-
ких процессов; качества и своевременности проведения осмот-
ров и ремонтов; квалификации рабочих; климатических условий
и др. Интенсивность физического износа конструкции зависит
от вида производства: нагрузок и условий содержания: воздей-
ствия на них сил природы (температура, влажность и др.).
Моральный износ — это снижение восстановительной стоимо-
сти вследствие уменьшения затрат на воспроизводство или раз-
ница в стоимости здания в период возведения и в текущий мо-
мент (первая форма, или первый рол морального износа). Мо-
ральный износ зависит от научно-технического прогресса.
Технологическое старение вызывает потребность в улучшении бла-
гоустройства и модернизации инженерного оснащения зданий
(вторая форма, или второй род морального износа). О мораль-
ном износе можно говорить в том случае, когда появляются бо-
лее современные материалы, элементы благоустройства здания
(или квартиры) или техническое оборудование, которые повы-
89
шают культурно-бытовой уровень проживающих и снижают зат-
раты труда при эксплуатации здания. Появление эффективных
строительных материалов, конструкций или более совершенных
архитектурных и инженерных решений не приводит к «устаре-
ванию дома» и нецелесообразности его дальнейшего использо-
вания. Технический прогресс в области основных конструкций
здания (фундаменты, стены, перекрытия, лестницы и др.) име-
ет значение при их сооружении, но не обусловливает их мораль-
ного износа. В жилых домах, находящихся в эксплуатации, эти
конструкции не влияют непосредственно на уровень обслужи-
вания жителей и на уровень труда, затрачиваемого на эксплуа-
тацию зданий. Можно говорить о моральном износе тех элементов
благоустройства, технического оборудования и частей здания, ко-
торые создают более благоприятные условия проживающим или
облегчают труд персонала эксплуатационных служб: появление
более современного оснащения санитарных узлов в квартирах,
газовой и электроаппаратуры, горячего водоснабжения, термо-
регулирования отопления, внедрение труб и сантехоборудования
из металлопластиковых материалов, использование более совер-
шенных лакокрасочных покрытий, тепло- и звукоизолирующих
отделочных материалов для перегородок, автоматического управ-
ления лифтами и т.д. Такое техническое оборудование, усовер-
шенствование, конструктивные элементы здания внедряются при
проведении капитального ремонта, заменяя собой технически
устаревшее, но вместе с тем и изношенное оборудование.
Таким образом, модернизация дома и преодоление его мораль-
ного износа будут происходить не за счет его капитальных кон-
струкций, что потребовало бы специальных ассигнований, а за
счет конструктивных элементов с более короткими сроками служ-
бы, которые при очередном капитальном ремонте будут восста-
навливаться (заменяться) новыми, прогрессивными материалами
и оборудованием.
Для первой формы морального износа обесценивание зданий
рассчитывают по формуле
Си“Л/.С„<р. (3.6)
где См — стоимость морального износа первого рода, руб.; М. — ко-
эффициент, учитывающий отношение новой стоимости конструк-
ций и инженерных систем к стоимости аналогичных старых зда-
90
ний и инженерных систем; Сп„ — первоначальная стоимость зда-
ния и инженерных систем, руб.
Для второй формы морального износа расходы на модерни-
зацию здания Смол (улучшение планировки, конструктивных
решений и инженерного оборудования) подсчитываются по фор-
муле (3.6) или (3.7)
где К — показатель второй формы морального износа, определяется
расчетом (по стоимости затрат на приведение здания к требова-
ниям действующих нормативов);
Смм= (ЕдИм2- 100)/(100- 0,5ЕдИм2)Спер/100,
где ДИм2 — показатели морального износа, зависящие от качества кон-
структивных частей здания и планировки квартир, отсутствия элементов
инженерного оборудования и изношенности инженерных сетей.
Обшая величина морального износа Сиор определяется сум-
мированием двух форм морального износа:
^мор = См + Смод = М1 Спер +
+ (ЕдИм2 - 100)/( 100 - 0,5ЕдИм2)Спер /100 -
= Сгср(ИМ1 + Им2)/100, (3-8)
где Им, и Им2 — моральные износы соответственно первого и второ-
го рода, %.
При капитальном ремонте зданий и сооружений устраняют
и моральный, и физический износ. Нередко строительные кон-
структивные элементы и инженерные системы с малым износом
требуют замены из-за их морального износа. Если моральный износ
и физический износ совпадают, то это идеально, т.е. отношение
физического износа к моральному износу равно единице.
Основные причины физического износа можно классифици-
ровать следующим образом:
• долгосрочная эксплуатация строительных конструкций, при-
водящая к постепенной утрате их первоначальных харак-
теристик и прочности;
• истираемость материалов, примененных в конструкциях и
отделочных элементах здания;
91
• агрессивное воздействие внешней среды (эрозия и корро-
зия строительных материалов; размыв фундамента; нерав-
номерная осадка и промерзание оснований; механические
и динамические воздействия; боковое давление ветра на
стены и крыши; воздействие биологических факторов (гриб-
ки, бактерии, насекомые):
• воздействие стихийных бедствий (пожары, наводнения, ура-
ганы, землетрясения и т д.);
• ошибки в проекте (неправильно выбран материал наруж-
ных стен, герметиков и др.);
• дефекты возведения здания (неправильный уход за бето-
ном, качество кладки и др.);
• неудовлетворительная эксплуатация здания.
3.6.2. Оценка износа. Методы определения признаков
износа отдельных конструктивных элементов
Существуют четыре способа оценки физического износа:
визуальный (органолептический), инструментальный, эксперт-
ный и расчетный.
Признаки износа чаше всего определяются органолептичес-
ким способом, в частности визуальным: трешины, прогибы, де-
формации, отслоения и др.
Повреждения фундаментов н подвальных стен можно свести
к трем основным видам:
• нарушение до полного разрушения структуры материала,
из которого выполнен фундамент или подвальные стены.
Эти повреждения могут вызываться грунтовыми или по-
верхностными водами, поражением грибком, механичес-
кими повреждениями из-за аварии или неправильной экс-
плуатации здания;
• трешины фундаментов и стен из-за местной перегрузки или
ослабления основания, а также вследствие нарушения струк-
туры материала;
• боковой прогиб подвальных стен, вызванный односторон-
ним давлением грунта или распором.
Повреждения стен и колонн:
• нарушение до полного разрушения структуры материала,
из которого возведены стены. Эти повреждения возникают
92
из-за стихийных бедствий, а также эрозии и коррозии, по-
ражения грибком;
• отклонение стен от вертикали;
• трешины в стенах и колоннах. Причины их возникнове-
ния разнообразны: нахождение стен на грунтах разной не-
сущей способности; неравномерная осадка стен из-за за-
ложения фундаментов на разной глубине; трешины в меж-
оконных простенках, возникающие из-за их перегрузки,
• боковой прогиб несущих стен надземной части, встреча-
емый значительно чаше, чем прогиб подвальных стен, осо-
бенно в зданиях с распорными конструкциями перекры-
тий или крыши.
Повреждения перекрытий и сводов:
• прогиб вследствие перегрузки или частичной потери несу-
щей способности. При ограниченных прогибах трешины
на перекрытии нс появляются, однако при дальнейшем
прогибе может произойти обвал всего перекрытия. В же-
лезобетонных балках трещины могут возникнуть вследствие
неправильного армирования на опорах.
Повреждения элементов отделки зданий являются наименее
опасными. К ним относятся: боковой прогиб перегородки (вы-
пучивание); повреждения внутренней и наружной штукатурки,
слоя окраски стен и потолков (в виде трешин, отслоений и т.п.);
повреждения столярных изделий, электросети, сантехническо-
го оборудования, фактуры наружных стен и теплоизоляции внут-
реннего слоя в сборных конструкциях.
3.6.3. Факторы, вызывающие коррозию материалов
Коррозия — самопроизвольное разрушение твердых тел, вы-
званное химическими, электрохимическими процессами, разви-
вающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внеш-
ней средой. Нередко коррозия идентифицируется (отождествля-
ется) с износом.
Действие коррозии на строительные конструкции зависит от
материала самой конструкции и от агрессивности окружающей
среды. По агрегатному состоянию агрессивная среда может быть
газообразной, жидкой, твердой или многофазной. Примером
многофазной агрессивной среды могут быть фундаменты здании.
93
которые контактируют с минерализованными грунтовыми водами,
часто загрязненными промышленными стоками, заполняющи-
ми поры твердого вещества скелета грунта, растворяют газы,
находящиеся в этих порах.
Коррозионные проиессы более интенсивно протекают в жид-
кой агрессивной среде. По отношению к сухим материалам кон-
струкций газообразная среда, содержащая пылевидные твердые
частицы, неагрессивна. Однако поверхность элементов зданий
всегда содержит адсорбированную из атмосферного воздуха влагу,
в результате чего на ней образуется тончайший слой насыщен-
ного раствора минеральных веществ, агрессивного по отноше-
нию к материалу строительных конструкций и инженерных си-
стем.
Степень агрессивного воздействия среды на строительные
конструкции (табл. 3.4) характеризуется среднегодовой потерей
прочности в зоне коррозии, а также скоростью разрушения ма-
териала.
Таблица 3.4
СТЕПЕНЬ АГРЕССИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СРЕДЫ
НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Среда Средняя скорость разрушения поверхностного слоя, мм/год Снижение прочности о зона корроэ-и аа год,% Внеш ие признаки корроз-и н« металли- ческого материале
нетепла неметалли- ческого материала металла hi i 1
Неагрес- сивная 0 0.2 0 0
Слабоагрес- сивная <0.1 0 2-0,4 <5 <5 Слабое поверхностней разрушение
Среднеагрес- сивная 0.1-0.5 0.4-1 2 3-15 5-29 Повреждение углов ИЛИ волосные трещины
Очень агрес- сивная >05 >1.2 >15 >20 Ярко выраженное разрушение (сильное растрески- вание)
94
Среднегодовую скорость разрушения поверхностного слоя
материала и снижение его прочности в зоне коррозии опреде-
ляют по данным натурных обследований в течение нескольких
лет (не менее трех).
3.6.4. Коррозия каменных, бетонных и железобетонных
конструкций
По механизму протекания различают физическую, химичес-
кую и биологическую коррозию материала каменных конструк-
ций. Вид коррозийных процессов зависит от местоположения
конструктивного элемента и характера среды. Так, подземные
конструкции могут подвергаться всем видам коррозии, надзем-
ные конструкции — преимущественно физической, реже — хи-
мической.
Наибольшее влияние на износ конструкций оказывает водная
среда. Поскольку большинство конструкций зданий (фундаменты,
стены, перегородки, перекрытия и элементы крыш) выполнены
из искусственных каменных материалов с пористо-капиллярной
структурой, при контакте с водой они интенсивно увлажняются.
В зависимости от вида связи с материалом различают хими-
чески связанную, адсорбционно связанную, капиллярную и сво-
бодную влагу. Свободная влага заполняет крупные пустоты и поры
материала и удерживается в них гидростатическими ситами. Эта
влага легко удаляется из материала конструкции при высуши-
вании.
В крупных порах и пустотах вода превращается в лед при тем-
пературе ниже О’С, так как в ней растворены вещества, понижа-
ющие температуру замерзания. В капиллярах диаметром 10-5см
и менее вода замерзает при температуре ниже -25’С.
Влияние влаги на процесс разрушения конструкций неоди-
наково. В одних случаях она как поверхностно-активное веще-
ство ускоряет разрушение, в других, являясь хорошим раство-
рителем, действует в качестве химически активной агрессивной
среды.
Наличие на поверхности и в теле каменных материалов пор,
пустот, капилляров и микротрешин приводит к увеличению пло-
шали их удельной поверхности, что повышает возможность кон-
такта конструкции со всеми видами влаги.
95
Молекулы воды обладают дипольными моментами. Они ори-
ентируются в зоне действия силовых полей, образование которых
связано с развитием микротрещин или дефектов кристаллических
структур. Дипольная ориентация воды в адсорбционном слое по-
вышает ее плотность и вязкость. В результате этого вода приоб-
ретает упругость, близкую к упругости материала конструкции. По
мере сужения микротрещин упругость воды повышается, вслед-
ствие чего усиливается ее расклинивающее действие. Возрастание
внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действи-
ем влаги, приводит к значительному снижению прочности мате-
риала. Толщина слоя адсорбционно-связанной воды примерно 1,5
• 10-5 см; расклинивающее действие влаги возникает при толщи-
не полимолекулярных пленок около 3 • 10-5 см.
Силы капиллярного давления воды при заполнении пор и
капилляров вызывают сложные напряжения в материале каменной
конструкции. Растягивающие напряжения зависят от поверхно-
стного натяжения
— (2а/г) cose,
где а — поверхностное натяжение воды. Па; г— радиус капилляра, м;
®— угол смачивания, град.
Эти напряжения вызывают снижение давления жидкости в
капиллярах и возникновение напряжений сжатия и изгиба в
материале стенок капилляра. В условиях эксплуатации указан-
ное взаимодействие имеет более сложный характер, так как ка-
пилляры связаны между собой, однако принятое упрощение дает
вполне удовлетворительное представление о влиянии капилляр-
ных сил на напряжения в материале, возникающие при его
увлажнении. Например, пользуясь приведенной формулой, можно
определить капиллярное давление при полном смачивании ма-
териала, имеющего капилляры со средним радиусом r~ 10"5 см,
Ра = 4,9 106 Па.
Разрушение каменных материалов связано с одновременным
воздействием отрицательных температур и влаги. Замерзающая
в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая
значительные напряжения в материале конструкции. При есте-
ственном увлажнении в условиях эксплуатации вода в крупных
порах и капиллярах поднимается на меньшую высоту, чем в
мелких. Кроме того, вода из крупных пор перемещается в смежные
мелкие, так как сила капиллярного отсоса в ннх ббльшая. При
96
замерзании влаги свободные крупные поры служат резервным
объемом для компенсации расширения влаги в мелких порах и
капиллярах. В связи с этим крупнопористые материалы более
морозостойки. При замораживании материала, поры которого
полностью заполнены водой, могут возникнуть значительные
напряжения, во много раз превосходящие прочность наиболее
стойких материалов. Давление в порах при замерзании
(QdT)/T= VBdPa- VJP^
где Q — скрытая теплота шавлення льда. 3,35 • 105 Дж/кг; Г— абсо-
лютная температура замерзания воды, 273"С; К, — удельный
объем соответственно воды и льда, м3; dPa, dP1 — давление соот-
ветственно воды и льда, Па.
Когда изменение давления воды и льда одинаковое, т.е.
dPa= dP4, приведенная выше формула может быть записана в сле-
дующем виде
У = (К-^)^-
Если задать определенные значения температуры, можно
вычислить то давление, которое оказывает замершая вода на
материал конструкции. Подставив численные значения в фор-
мулу, получим
(3,35 • 105) /273 = (1 - 0,091)10“W,
где 1 • 10~s и 1,091 1О*3 — объем I кг воды и тъда соответственно, м3.
По приведенной формуле можно определить, что при пони-
жении температуры на ГС давление в порах материала камен-
ной конструкции увеличится на dP — 1.347 • 107 Па (135 кг/см2).
Следовательно, при понижении температуры до -20’С в мате-
риале, поры которого полностью заполнены водой, напряжения,
вызванные давлением льда, достигнут 2,7 10s Па (2700 кг/см2).
Когда вода свободно вытекает из пор, в которых образуется лед.
ее давление равно нулю. Давление льда увеличивается с пони-
жением температуры. Для этого случая расчетная формула при-
мет вид
(QdT)/T—-VndP.
При изменении температуры на dT = ГС давление увели-
чивается на dPfdT — 1,13 • 10* Па (11,3 кг/см2).
4 - 10510 Калинин
97
Таким образом, при понижении температуры до -20*С дав-
ление достигнет 2,26 • 107 Па (226 кг/см2). По-видимому, в ре-
альных условиях механизм разрушения увлажненных материа-
лов каменных конструкций при знакопеременных температурах
отличен от описанного выше, однако усилия, возникающие при
протекании этих процессов, соизмеримы с приведенными в рас-
четах.
На долговечность каменных конструкций, кроме упомянутых
факторов, влияет также попеременное увлажнение и высыхание
материала даже при отсутствии отрицательных температур. При
высыхании влага из конструкции испаряется сначала из круп-
ных пор, а затем из более мелких пор капилляров. В абсолютно
сухом воздухе свободная, капиллярная и адсорбиционно связанная
вода в течение некоторого времени может полностью испарить-
ся из тела конструкции. При этом на конструкцию перестают
действовать расклинивающие силы и как следствие в материале
возниквют значительные напряжения усадки.
При увеличении относительной влажности окружающей воз-
душной среды материал вновь увлажняется, трещины раскры-
ваются. Скорость разрушения каменных конструкций под дей-
ствием напряжений, усадки и набухания зависит от интенсив-
ности увлажнения и высыхания.
Одной из причин разрушения увлажненного каменного ма-
териала является осмотическое давление в порах конструкций.
В порах и капиллярах вода образует растворы неодинаковой кон-
центрации. В материалах каменных конструкций всегда имеют-
ся расположенные рядом поры с растворами разной концентра-
ции, разделенные проницаемыми для воды стенками н непро-
ницаемыми для растворенного в ней вещества. Стремясь
выровнять концентрацию, влага проходит через материал, раз-
деляющий поры, из раствора меньшей концентрации в раствор
большей концентрации. Если раствор, имеющий большую
концентрацию, находится в замкнутом объеме, то в нем может
возникнуть осмотическое давление, достигающее 1,5 • 107 Па
(150 кг/см2).
Причиной физической коррозии каменных, бетонных и же-
лезобетонных конструкции может быть отложение продуктов
коррозии закладных металлических деталей, а также арматуры.
В воде, находящейся в порах и капиллярах каменных конст-
рукций, находятся в растворенном состоянии вещества, составля-
98
ющие материал конструкции. Наличие в воде гидроксидов каль-
ция, натрия, калия и других металлов обусловливает ее высокую
щелочность (pH = 12—13). Стальная арматура и металлические
детали подвергаются коррозии при pH < 10, особенно интенсивно
она протекает при pH < 5, а при pH = 14 практически прекра-
щается, что связано с образованием на поверхности стали за-
щитной пленки из нерастворимого гидроксида железа Fe(OH)3
и других соединений.
Щелочность среды может уменьшиться вследствие карбони-
зации бетона. В карбонизованном бетоне pH = 9, что приводит
к разрушению защитных пленок на металлических деталях же-
лезобетона и активизирует коррозию. Поэтому обязательным ус-
ловием защиты закладных стальных деталей н арматуры желе-
зобетона является плотность защитного слоя бетона.
Таким образом, интенсивность коррозии каменных конструк-
ций зависит от структуры материала, степени и вида его увлаж-
нения, а также от химического состава водной среды. Так, дож-
девая вода смывает со стен адсорбированные частицы и различ-
ные агрессивные вещества; влага-конденсат вступает с такими
веществами во взаимодействие, образуя растворы кислот и ще-
лочей, которые вызывают разрушение материале каменных кон-
струкций. Повышенный конденсат возникает весной или осенью,
когда температура наружного воздуха имеет знакопеременные
значения. В этот период температура каменных наружных кон-
струкций изменяется с некоторым отставанием от суточной тем-
пературы наружного воздуха (температурный гистерезис). Кон-
такт воздушной среды с участками конструкций, имеющих бо-
лее низкую температуру по сравнению с температурой наружного
воздуха, приводит к выпадению конденсата на этих участках,
особенно в углах зданий.
Скорость и характер разрушений каменных конструкций, ктк
уже отмечалось, зависят от структуры пор материала. Долговеч-
ность кирпичных стен в значительной степени определяется тех-
нологией изготовления кирпича. Например, кирпич сухого прес-
сования имеет сеть капилляров и пор, сообщающихся между собой
и открытых на поверхности. Такой материал быстро насыщает-
ся влагой, ускоряющей его физическую коррозию. Кирпич пла-
стического прессования имеет закрытые поры, поэтому медленнее
насыщается влагой. Насыщение влагой каменных материалов в
естественных условиях происходит значительно быстрее, чем
высыхание.
99
При эксплуатации зданий следует обращать внимание на со-
стояние тех конструктивных элементов, которые выполнены из
материалов, имеющих разную плотность. Так, в конструкциях из
песчаника и известняка в месте их контакта наблюдается уско-
ренное разрушение песчаника. Объясняется это тем, что извест-
няк, как материал с более крупными порами, быстрее впитыва-
ет и отдает влагу плотному песчанику, имеющему мелкие поры.
При этом количества влаги на границе контакта этих двух ма-
териалов достаточно для того, чтобы все поры песчаника были
полностью заполнены водой. Влага, поступающая из пор извес-
тняка, содержит растворенные соли, которые при испарении влаги
кристаллизуются и создают большие поровые напряжения. Зна-
чительно большие напряжения возникают в мелкопористых ма-
териалах, контактирующих с крупнопористыми при замерзании
в них влаги.
Аналогичные явления происходят в швах каменной кладки,
если использован раствор более плотного состава, чем материал
кладки. В этом случае раствор в швах кладки быстро разруша-
ется и выветривается. Одновременно разрушается и кирпич по
кромкам в месте примыкания к раствору, так как на нем скап-
ливается влага, не успевающая мигрировать в раствор.
Причиной разрушения каменных конструкций является так-
же устройство на наружных стенах фасадов плотных штукатурок.
Кирпичные стены, например, при нормальном режиме эксплу-
атации содержат 0,055-0,53% влаги (по массе). Миграция про-
исходит тем интенсивнее, чем больше перепад температур, при
этом влага перемещается в сторону низких температур. Наличие
плотной штукатурки приводит к скоплению влаги между шту-
катурным слоем и наружной гранью кирпичной кладки. При
отрицательных температурах влага замерзает, возникают напря-
жения, разрушающие штукатурку и поверхностный слой каменной
кладки. Кроме того, плотная цементная штукатурка создает зна-
чительные напряжения из-за разности линейных температурных
расширений: линейные расширения кирпичной кладки примерно
в два раза меньше линейных расширений цементного раствора;
для кладки из шлакобетонных камней эта разница еще больше.
При этом надо иметь в виду, что температура штукатурного слоя
фасада всегда выше температуры слоя кладки, находящейся под
штукатуркой.
Одним из видов физической коррозии каменных, бетонных
и железобетонных конструкций является также растворение вла-
100
гой и унос некоторых веществ из тела конструкций. К этому виду
относится коррозия выщелачивания. Фильтрующиеся через кон-
струкцию воды могут растворять и уносить находящийся в ее
материале гидрооксид кальиия. снижая прочность материала.
Следует отмстить, что если наружные стеньг покрыты плот-
ной штукатуркой из цементного раствора, то их воздухопрони-
цаемость снижается в 20 раз. Коэффициент линейной усадки
(набухания) материала штукатурки в 35 раз больше, чем кирпи-
ча. Кроме того, в этом случае создаются условия для интенсив-
ного накопления влаги на границе кирпичная кладка — цементная
штукатурка. Эти явления сопровождаются разрушением камен-
ных и кирпичных кладок, при этом термическое сопротивление
стен снижается.
Лучшими эксплуатационными параметрами обладают извест-
ково-песчаные растворы, штукатурки из которых имеют коэф-
фициент воздухопроницаемости, почти совпадающий с коэффи-
циентом воздухопроницаемости каменных кладок, а в некото-
рых случаях даже больше. Это создает благоприятные условия для
беспрепятственного удаления мигрирующей влаги из материала
кладки. Известковый раствор устойчив при знакопеременных
температурах, так как коэффициенты его линейного температур-
ного расширения и кирпичной кладки почти совпадают. Физи-
ческие характеристики материалов наиболее распространенных
конструкций каменных стен приведены в табл. 3.5.
Химическая коррозия. Рассмотренные выше явления, вызыва-
ющие износ каменных конструкций, представляют опасность при
воздействии на конструкции знакопеременных температур и
интенсивной фильтрации пресной влаги через тело материала
конструктивных элементов. Если скорость фильтрации соизме-
рима со скоростью испарения влаги, на поверхности конструк-
ции может образоваться карбонатный слой в виде плотной обо-
лочки. Накопление малорастворимых веществ у наружной по-
верхности происходит в результате растворения и уменьшения
их во внутренних слоях. Первые два наружных слоя образуются
вследствие адсорбции солей и их диффузии.
На начало разрушения каменных конструкций указывают
появляющиеся на поверхности конструктивного элемента белые
высолы, которые свидетельствуют о том, что в материале про-
текают растворение солей материала и вынос их нармжу в сто-
рону более низких температур.
101
Таблица 3.5
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ СТЕН
Материал Коэффициент Нормальная влажность материала (по массе), %
воздухо- проницае- мости, кг/(м ч Па) линейной усадки (набуха- ния), ру • 10е паро- проница- емости, г/(м ч Па) линейного темпера- турного расши- рения, а, - 10е
Кирпич красный (обожжен- ный) в кладке 0,049 14-16 40 3.9 0.055-0.53
Известняк (е кладке) 10.3-95 8,6-17,5 40 7,5-8,1 0.06-0,37
Штукатурка известковая - 16-16 8,65 2,4 -
Штукатурка цементная 0,0025 12 97,0 7,6 1-3.3
Сложный раствор: известь - цемент - песок .. 140 7.6
Во многих случаях при отсутствии постоянного увлажнения
карбонатная оболочка СаСО3 является своего рода самозашнтой
каменных конструкций. В связи с этим не следует применять
механическую очистку каменных конструкций без изучения их
состояния и мер зашиты. Такая очистка может ускорить процесс
разрушения, так как вновь образовавшиеся (обнаженные после
чистки) участки обладают значительной свободной поверхнос-
тной энергией, которая способствует активной сорбции веществ
окружающей среды сначала наружным слоем, а затем и объемом
материала. Если в окружающей среде находятся агрессивно-ак-
тивные компоненты, они вступают в химическое взаимодействие
с веществами материала конструктивного элемента.
102
Опасны для каменных и бетонных конструкций воды, содер
жашие химически активные вещества. Наиболее распространен-
ной коррозией бетонных и железобетонных конструкций явля-
ется кислотная коррозия. На бетон разрушительно действует
угольная кислота. Она в начальный период, взаимодействуя с гид-
роксидом кальция, образует нерастворимую соль СаСО3 и воду,
в которой ионы Н+, НСОз“, СО3" находятся в равновесии. При
увеличении диоксида углерода сверх равновесного происходит
реакция
СаСО3 + СО2 + Н2О -> Са(НСО3)2.
Карбонатная оболочка СаСО3 растворяется, а образующийся
дикарбонат кальция легко вымывается водой.
Бетонные конструкции активно взаимодействуют с органи-
ческими кислотами: уксусной, олеиновой, молочной и др. Дей-
ствие олеиновой кислоты, например, сопровождается разруше-
нием бетона вследствие интенсивного взаимодействия кислоты
с гидроксидом кальция. Аналогично разрушают бетонные и же-
лезобетонные конструкции стеариновая, пальмитиновая и дру-
гие кислоты жирного ряда, а также растворы глицерина.
Бетонные конструкции интенсивно разрушаются под действи-
ем некоторых солей, например A12(SO)4, NH2SO4, FeCl3, кото-
рые, взаимодействуя с водой, образуют сильные кислоты, раз-
лагающие материал на кальциевую соль и аморфные массы:
2СаО • 2SiO2 • ЗН2О + znHCl -» ЗСаС12 + 2SiO2 aq.
Сулъфоалюминатная коррозия бетона и железобетона опасна
при наличии в водном растворе, контактирующем с материалом
конструкций, 250—1000 мг/л сульфатных нонов S04. При боль-
шем их содержании коррозия переходит в сульфатно-гипсовую.
Сульфоалюминатная коррозия протекает при наличии в воде
сульфатов кальция, натрия, магния, которые вступают во взаи-
модействие с составляющими цементного камня. Полученное в
результате этой реакции вещество увеличивает объем твердой фазы
в 2,5 раза, что вызывает разрушение материала. Если в воде со-
держатся сульфаты натрия, то сначала они взаимодействуют
с гидроксидом кальция по схеме
Са(ОН)2 + Na2SO4 -> CaSO4 + 2NaOH,
103
а затем реакция протекает по механизму сульфоалюминатной
коррозии.
Чисто магнезиальная коррозия бетонных и железобетонных
конструкций происходит при действии на материал конструк-
ций растворимых солей магния
Са(ОН)2 + MgCl2 СаС12 + Mg(OH)2.
Гидроксид магния малорастворим в воде, поэтому такая ре-
акция идет, пока полностью не израсходуется гидроксид каль-
ция. Под действием солей магния возможно также разложение
гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
Сульфат магния MgSO4 вызывает сульфатно-магнезиальную
коррозию
Са(ОН)2 + MgSO4 + Н2О -» CaSO4 - 2Н2О + Mg(OH)2.
Образование рыхлого гидроксида магния и кристаллов гипса
приводит к разрушению материала поддсйствием значительных
пороговых напряжений, вызванных вновь образованными веще-
ствами, объем которых больше размера пор.
На бетон агрессивно действуют растворы хлорида кальция. Все
хлориды, накапливающиеся в железобетонных конструкциях,
ускоряют коррозию арматуры и закладных деталей.
При применении шебня из горных пород, содержащих аморф-
ный кремнезем, в качестве заполнителя для бетонов они могут
разрушаться, если в материале бетона имеются повышенные
концентрации соединений щелочных металлов — натрия и ка-
лия.
При гидратации цемента щелочные соединения подвергают-
ся гидролизу, образуя в водном растворе гидроксиды натрия и
калия. При контакте этих растворов с аморфным кремнеземом
образуются гидросиликаты натрия типа nNa/) • mSi02o?. В даль-
нейшем из-за процессов осмоса в микрообъемах цементного камня
бетона возникают внутренние давления, разрушающие скелет
бетона. Интенсивность коррозионного процесса зависит от ко-
личества аморфного кремнезема и размера зерен заполнителя,
в котором он содержится.
104
3.6.5. Коррозия конструкций из силикатных материалов
Силикатные материалы представляют собой соли кремневых
и поликремневых кислот, алюмосиликаты, кальциевые силика-
ты или чистый кремнезем с примесями других соединений.
Скорость коррозии конструкций из силикатных материалов,
как и других каменных конструкций, зависит от ряда факторов:
химического и минералогического составов, характера их пори-
стости (открытые или закрытые), типа структуры материала
(аморфная или кристаллическая), характера агрессивной среды
и концентрации химически активных веществ и др.
Разрушение пористых силикатных конструкций при наличии
сообщающихся пор происходит не только на поверхности, ио и
в толще материала. В замкнутых, нс сообщавшихся друг с дру-
гом порах (например, в красном кирпиче мокрого прессования)
разрушительное влияние агрессивных сред проявляется в более
ограниченном объеме, чем в открытых порах.
При кристаллической структуре материала силикатных кон-
струкций коррозия протекает медленнее, чем при аморфной.
Интенсивное разрушение силикатных материалов происходит во
всех случаях, когда для изготовления конструкций применяет-
ся аморфный кремнезем. Механизм разрушения силикатных
конструкций при действии на аморфный кремнезем щелочей
аналогичен рассмотренному ранее.
Коррозионная стойкость конструкций из силикатного кирпича
определяется в основном свойствами входящих в состав материала
конструкций веществ, главным образом извести, обладающей
невысокой стойкостью к кислым агрессивным средам. Только в
разбавленных растворах щелочей силикатным кирпич достаточ-
но устойчив.
Механизм коррозии силикатного кирпича в солевых раство-
рах объясняется осаждением в порах материала кристаллов, ко-
торые, увеличиваясь в объеме, создают растягивающие усилия,
приводящие к его разрушению.
Коррозия силикатного кирпича и силикатных изделий. Сили-
катный кирпич и изделия из силиката представляют собой гид-
росиликат кальция, который является продуктом автоклавной об-
работки материала, получаемого в результате взаимодействия
извести и кремнезема:
Са(ОН)2 + S»O2 -> СаО • SiO2 - Н2О.
105
При дальнейшем твердении на воздухе изделия из гидроси-
ликата кальция под воздействием диоксида углерода карбони-
зируются. Присутствие в силикатных изделиях извести и угле-
кислого кальция делает конструкции, изготовленные из силикат-
ного кирпича и блоков, нестойкими даже против слабых водных
растворов минеральных и органических кислот. Силикатные
конструкции стойки по отношению к щелочным агрессивным
средам. Вследствие наличия в воздухе и грунтовой воде веществ
(оксидов, газов), образующих растворы кислот, во влажной среде
силикатные изделия быстро разрушаются.
3.6.6. Коррозия строительных конструкций
из минеральных строительных материалов
Минеральные материалы отличаются от металлов строением
составляющих их веществ. Они имеют молекулярную структуру
преимущественно с ионными связями. Это обусловливает их
относительно легкую реакцию с водой, вследствие чего образу-
ются ионные растворы. Химические свойства материалов харак-
теризуются их способностью к химическим превращениям под
влиянием вещества, с которым данный материал находится в
контакте. Стойкость неорганических материалов в кислых и
щелочных средах характеризуется модулем основности Мо, ко-
торый определяется из выражения
Мо - [СаО + MgO + Na,O(K2O)]/(SiO2 + А1,О3),
где СаО, MgO, Na2O, К2О, SiO2, А12О3 — содержание оксидов метал-
лов в составе данного материала, %.
Если преобладает диоксид кремния (кремнезем), то матери-
ал стоек по отношению к кислотам, но взаимодействует с основ-
ными оксидами" если преобладают основные оксиды, то конст-
рукция из данного вида материала нестойка к действию кислых
агрессивных сред, но в щелочных средах не разрушается.
Важной особенностью большинства минеральных материалов
является их незначительная пористость, которая увеличивает
капиллярный подсос и фильтрацию влаги, приводит к увлажне-
нию материала конструкции вследствие конденсации водяных
паров, а также интенсивному взаимодействию с жидкой агрес-
сивной средой.
106
Глиняный кирпич разрушается под действием щелочей, водных
растворов органических и минеральных кислот, а также многих
солей. Конструкции из глиняного кирпича устойчивы в слабых
кислотах и кислых газах. Из всех сортов глиняного кирпича наи-
более устойчив к агрессивным средам плотный клинкерный
кирпич.
Конструкции из шлакобетонных камней и материалов неустой-
чивы к действию кислых агрессивных сред и мало устойчивы к
действию влажной среды и растворов щелочей (за исключени-
ем слабоконцентрированных). Слабо устойчивы эти конструк-
ции к попеременному увлажнению и замораживанию.
Минеральные материалы можно условно подразделить на три
группы в зависимости от поведения в агрессивных средах.
К первой группе относятся бетон и железобетон на портланд-
цементе и его производных, растворы для кладки и штукатур-
ки, асбестоцементные изделия, силикатный кирпич и блоки,
а также природный известняк н доломит. Эти материалы содер-
жат гидраты или карбонаты кальция и магния, имеют модуль
основности больше единицы, а поэтому обладают высокой ще-
лочестойкостью н низкой кислотостойкостью.
Ко второй группе относятся бетоны на жидком стекле с крем-
нефтористым натрием, а также кислые природные каменные
материалы, состоящие преимущественно нз кремнезема, различ-
ных солей кремниевых и поликремневых кислот, алюмосиликатов
и др. Модуль основности этих материалов меньше единицы, и
они имеют высокую кислотостойкость и низкую щелочестойкость.
Плотные и прочные кислые изверженные породы (кварц, гра-
нит, диабаз, базальт и др.) отличаются высокой стойкостью не
только к кислотам, но и к щелочным агрессивным средам при
нормальной температуре.
К третьей группе относятся изделия из обожженной глины
(кирпич, керамические плитки, трубы и т.п.), которые имеют
очень высокую кислотостойкость.
3.6.8. Коррозия природных каменных материалов
Ранее отмечалось, что устойчивость природных и искусствен-
ных каменных материалов главным образом определяется модулем
основности. Вместе с тем коррозийная стойкость природных
107
каменных материалов зависит от свойств горных пород, из ко-
торых они получены. Изверженные породы отличаются высо-
кой кислотостойкостью и шелочсстой костью. Важнейшие из них
используют в строительных конструкциях: гранит, сиенит, ди-
орит, габбро, порфиры, диабаз, базальт, андезит. Эти материа-
лы применяют в основном в виде блоков д ля отделки ответствен-
ных сооружений и уникальных зданий, а также в качестве щеб-
ня для бетона, при устройстве фундаментов, стен, перекрытий
и др.
Осадочные породы отличаются высокой коррозионной стой-
костью. Среди осадочных пород можно назвать: песчаники, со-
стоящие из зерен кварцевого песка, сцементированного карбо-
натом кальция, кремнеземом, гипсом, оксидами железа, гли-
нистыми материалами; известняки, состоящие из кальцита.
Песчаники и плотные известняки используют в виде плит и фа-
сонных деталей для облицовки стен, изготовления лестничных
проступей, подоконников. Пористые известняки и известняк-ра-
кушечник с плотностью 1500-2000 кг/м3 и прочностью на сжа-
тие 2,5 • 106—13,5- i06 Па применяют для наружных облицовок,
а также для получения щебня.
К осадочным породам относятся также мраморовидные из-
вестняки, доломиты, гипс и травертин. Травертин применяют в
основном для облицовки внутренних стен и потолков. Конст-
рукции из известняков менее кислотостойки, если в качестве
материала в них применен обычный известняк СаСО3 или маг-
незит MgCO3. Несколько более кислотостойки конструкции из
доломитов и плотных кремнистых известняков. Гипсовый камень
CaSO4- 2Н2О и ангидрид CaSO4 легко поддаются коррозионно-
му разрушению под действием кислот; эти материалы растворимы
в воде, поэтому их используют в элементах, эксплуатирующихся
только внутри помещений.
Из метаморфических горных пород наиболее распрострчне-
ны в строительных конструкциях известняковые песчаники,
гнейс, кварциты и мрамор. Известняковые песчаники, сцемен-
тированные оксидом кремния, SiO2 или SiO2- лН2О, весьма кис-
лотостойки и достаточно щелочестойки. Железистые песча-
ники, скрепленные гидратированными оксидами железа, нскор-
розионностойки.
Мрамор применяют в качестве облицовочного материала. Он
корродирует с сернистыми газами и влагой. Вначале на поверх-
106
ности мрамора образуется сернистая, а затем серная кислота,
превращающая мрамор (карбонат кальция) в растворимый гип-
совый камень:
СаСО3 + H2SO4 + Н2О -> СаО4 - 2Н2О + СО2.
Особенность химической коррозии конструкций из природ-
ных каменных материалов заключается в том, что она зависит
от химической стойкости по отношению к агрессивной среде.
Агрессивная среда характеризуется модулем основности Мо.
определяемым из выражения
Мо - {(%СаО + % Mg + %Na2O(K2O))/(%SiO2 +%Al2O3).
Преобладание в материале конструкции диоксида кремния
повышает стойкость к действию кислот, но делает его недоста-
точно стойким к основным оксидам. И наоборот, если в соста-
ве материала преобладают основные оксиды, он устойчив к дей-
ствию щелочей и недостаточно стоек к действию кислот (табл. 3.6).
Естественные каменные материалы, подвергаясь длительно-
му воздействию климатических и других природных факторов
среды, в которой находится конструкция, испытывают много-
кратное увлажнение и высыхание, замерзание и оттаивание.
Величина и характер напряжений, возникающих в результате этих
воздействий, аналогичны рассмотренным выше. При этом сте-
Таблица 3.6
СТОЙКОСТЬ НЕКОТОРЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
К АГРЕССИВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Материал Модуль основности Стойкость в среде
Природный кам нь, содержащий 95-98% SIO2 Устойчив в кислой среде, кроме плавико- вой кислоты, неустой- чив к основ ым оксидам
Природный квмень, содержащий СаО и СаСО3 7, Неустойчив в кислой среде, устойч»в в щелочной
Жидкое стекло 4-’/а С кварц*«ым леском образует кислотоупор- ную массу, неустойчи- вую в щелочной среде
/09
пень воздействия зависит от размера поверхности, контактиру-
ющей с материалом. Чем больше внешняя и внутренняя (поры,
микротрешины, каверны) плошадь поверхности и чем менее
устойчив материал конструкции в данной среде, тем интенсив-
нее процесс коррозии.
Конструкции из карбонатных пород — известняков, доломи-
тов, мрамора — относительно быстрее коррозируют, чем сили-
катные материалы, так как в атмосферной среде преимущественно
содержатся кислые примеси.
3.6.8. Коррозия конструкции из глиняного кирпича
и керамических изделий
Как уже отмечалось, керамические изделия и глиняный кирпич
устойчивы к кислотам, вместе с тем обыкновенный глиняный
кирпич нестоек против действия водных растворов щелочей. Кир-
пичные стены часто разрушаются под действием кристаллогид-
ратов, образующихся в материале стен из раствора солей, осо-
бенно сульфатов натрия и магния.
Разрушение кирпичных стен может происходить при перио-
дическом увлажнении и высыхании, поэтому конструкции из
кирпича наиболее интенсивно подвергаются химической и фи-
зической коррозии в систематически увлажняемых местах (фун-
даменты, стены подвалов, стены и кирпичные перегородки влаж-
ных помещений, карнизы, сандрики и другие элементы зданий,
незащищенные от попадания влаги из атмосферных осадков).
Керамическая плитка, содержащая алюмосиликаты, стойка
против действия органических и минеральных кислот (кроме пла-
виковой). Хорошей шелочестойкостъю отличаются плитки с плот-
ным, хорошо обожженным черепком. Для придания керамическим
изделиям устойчивости по отношению к агрессивным средам их
изготовляют с добавкой соответствующих материалов. Например,
кислотоупорные изделия готовят из тугоплавких и огнеупорных
основных и полукислых глин высокой и средней пластичности.
3.6.9. Коррозия металлических конструкций
Металлические конструкции и арматура в бетоне подверга-
ются значительной коррозии вследствие химического или элек-
трохимического взаимодействия с окружающей средой.
110
Коррозия металлов — это разрушение их вследствие химичес-
кого или электрохимического взаимодействия с окружающей
средой. По характеру разрушения различают общую и местную
коррозию металла (рис. 3.10). Если на поверхности конструкции
образуется равномерная коррозионная пленка, то поверхность
становится микроскопически шероховатой, но макроскопичес-
ки ровной с небольшими углублениями. Более опасна коррозия,
поражающая отдельные участки поверхности, в результате ко-
торой образуются язвенные углубления, а также коррозия неболь-
ших по размеру участков, проникающая в глубь материала Та-
кой тип коррозии наблюдается на металлических элементах,
эксплуатирующихся в сильно загрязненной примесями воздуш-
ной среде города (стальная кровля, открытые металлоконструк-
ции зданий, балконные балки и др.). Образующаяся при непол-
ном сгорании углерода копоть и частицы пыли адсорбируются
на поверхности конструкции и вызывают усиленную конденса-
цию водяных паров, которые формируются в виде капель элек-
тролита. Возникающий процесс электрохимической коррозии со-
провождается образованием местных очагов — язв. То же самое
происходит на поверхности конструкции, соприкасающейся с
электролитом, в котором растворено разное количество кисло-
рода.
Значительную опасность вызывает коррозия на границах бло-
ков кристаллов, так как конструкция может разрушиться без
видимых изменений.
Химическая коррозия. Примерами такого типа коррозии яв-
ляются реакции, протекающие при соприкосновении металло-
конструкций с кислородом или другими окисляющими газами
при высокой температуре (свыше lOO’C):
2Fe + О2 = FeO; 4FeO + ЗО2 = 2Fe2O3.
Рис 3.10. Виды хорроэион ых разрушнний металлических конструкций-
а — сплошное равномерное; б — сплошное неравномерное- а — язмнноа;
г — межхристаллическое
Металлы менее активны по отношению к кислороду при вы-
соких температурах, чем при низких При нагревании оксида
металла до определенной температуры происходит его диссоци-
ация (разложение). Оксид образуется на поверхности металло-
конструкций, если давление диссоциации меньше, чем давление
кислорода в окружающей среде. У оксида железа FeO давление
диссоциации очень мало даже при температуре 2000*С, поэтому
окисление стальных конструкций происходит и при более вы-
соких температурах. Аналогично ведут себя алюминиевые, мед-
ные, никелевые конструкции.
Если в результате химической коррозии образуется сплошная
оксидная пленка, имеющая достаточно прочную адгезию с по-
верхностью металлоконструкции, то доступ кислорода к метал-
лу затрудняется, коррозия замедляется, а затем и совсем прекра-
щается. Пористая, плохо связанная с поверхностью конструкции
оксидная пленка нс защищает металл от коррозии. Когда объем
оксида больше объема вступившего в реакцию окисления металла
и оксид имеет достаточную адгезию с поверхностью металлокон-
струкции, такая пленка хорошо зашишает металл от дальнейшего
разрушения. Толщина защитной пленки оксида колеблется от
нескольких молекулярных слоев (5-10) • 10-5 м до нескольких
микронов
Толщина оксидной пленки увеличивается только в том слу-
чае, если через нее диффундирует кислород. Если ионы метал-
ла и принадлежащие им электроны диффундируют из металла
через оксидную пленку намного быстрее, чем кислород, то тол-
Рис 3.11. Схема роста оксидной плаики при газовой коррозии*
а - рост пл. нки со стороны газовой среды; б - то же. со стороны поверхности
металла; в - то же, между п верхмостыо металла и средой
112
Обычно в условиях эксплуатации наблюдается именно такой
механизм роста оксидной пленки металла, так как размер иоиов
самого металла меньше молекул кислорода. Окисление матери-
ала металлоконструкций, соприкасающихся с газовой средой,
происходит в котлах, дымовых трубах котельных, водонагрева-
телях, работающих на газовом топливе, теплообменниках, рабо-
тающих на жидком и твердом топливе. Если бы газообразная
среда не содержала диоксида серы или других агрессивных при-
месей, а взаимодействие металлоконструкций со средой проис-
ходило при постоянной температуре по всей плоскости конст-
рукции, то относительно толстая оксидная пленка служила бы
достаточно надежной защитой от дальнейшей коррозии. В дей-
ствительности распределение температуры по поверхности и
объему металла неодинаково, особенно в чугунных котлах, ра-
ботающих на газовом топливе. В связи с тем что тепловое рас-
ширение металла и оксида различно, оксидная пленка отсла-
ивается местами, что создает условия для дальнейшей коррозии.
При взаимодействии со стальной конструкцией диоксида серы,
содержащегося в продуктах горения топлива, образуется суль-
фид железа, который при высокой температуре разлагается и
окисляет металл. Вторичный оксид железа, который сопровож-
дает этот процесс, более пористый и не защищает металл от даль-
нейшей коррозии. Коррозия металла ускоряется диоксидом уг-
лерода.
Интенсивность газовой коррозии зависит от свойств н ско-
рости движения газов или воздушной среды, их температуры,
равномерности нагрева материала конструкции и др. Для спла-
вов значительное влияние на скорость коррозии оказывает раз-
ница в интенсивности окисления различных компонентов. При
нагревании стальных конструкций в результате контакта их с
газообразной средой, содержащей кислород, диоксид углерода или
водяные пары, окисление происходит по одной из нижеприве-
денных реакций:
2Fe3C + О2 - 6Fe + 2СО;
Fe3C + СО2 - 3Fe + 2СО;
Fe3C + Н2О = 3Fe + СО + Н2.
113
Содержание углерода в поверхностном слое конструкции умень-
шается, и сталь превращается в мягкое железо — обезуглерожи-
вается. Так как углерод в стали диффундирует быстрее, чем ионы
металла, из сплава на поверхность выходят все новые и новые
атомы углерода, которые окисляются до оксида углерода. Вслед-
ствие этого сталь приобретает свойство текучести и конструкция
сильно деформируется, а затем разрушается.
Газовая коррозия стальных конструкций может протекать
вследствие не только окислительных, но и восстановительных
процессов. При сильном нагреве стальных конструкций под вы-
соким давлением вереде, содержащей водород, водород диффун-
дирует в объем стали и разрушает материал по двойному меха-
низму — обезуглероживания стали из-за взаимодействия водо-
рода с углеродом
Fe3C + 2Н2 - 3Fe + СН4
и придания стали свойств хрупкости вследствие растворения в
ней водорода — «водородная хрупкость».
Электрохимическая коррозия. При контакте с воздухом на
поверхности конструкции появляется тонкая пленка влаги, в ко-
торой растворяются примеси, находящиеся в воздухе, например
диоксид углерода. При этом образуются растворы, вызывающие
электрохимическую коррозию.
Электрохимическая коррозия — явление сложное, состоящее
нз нескольких процессов. На анодных участках протекает анод-
ный процесс — в раствор переходят ионы металла (Me), а избыточ-
ные электроны (е), оставаясь в металле, движутся к катодному
участку. Схема этого процесса следующая:
е <- [Ме+е]яН2°-» Ме+иН2О.
На катодных участках поверхности металла избыточные элек-
троны поглощаются ионами, атомами или молекулами электро-
лита (деполяризаторами), которые восстанавливаются:
е+Д->[Де],
где Д — Деполяризатор; с — электрон.
Интенсивность коррозионного электрохимического процес-
са зависит от скорости анодной реакции, при которой ион ме-
114
талла переходит из кристаллической решетки в раствор элек-
тролита, и катодной, заключающейся в ассимиляции освобож-
дающихся при анодной реакции электронов. Возможность пе-
рехода иона металла в электролит определяется силой связи с элек-
тронами в междоузлиях кристаллической решетки. Чем сильнее
связь между электронами и атомами, тем труднее вызвать пере-
ход иона металла в электролит.
В электролитах имеются положительно заряженные частицы —
катионы и отрицательно заряженные — анионы. Анионы и ка-
тионы присоединяют к себе молекулы воды. Структура молекул
воды обусловливает ее полярность (рис. 3.12). Между заряжен-
ными ионами и полярными молекулами воды возникает элек-
тростатическое взаимодействие, вследствие которого полярные
молекулы воды определенным образом ориентируются вокруг
анионов и катионов (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Гидратация ионов-
А~ — анод; К* — катод; п - полярные молекулы воды
Г15
При переходе ионов металлов из кристаллической решетки в
раствор электролита освобождается эквивалентное число элект-
ронов.
Таким образом, на границе металл — электролит образуется
двойной электрический слой, в котором металл заряжен отри-
цательно, электролит — положительно; возникает скачок потен-
циала.
Способность ионов металла переходить в раствор электроли-
та характеризуется электродным потенциалом, который представ-
ляет собой энергетическую характеристику двойного электричес-
кого слоя. Когда этот слой достигает разности потенциалов, пе-
реход ионов в раствор прекращается и наступает равновесное
состояние.
Для количественного определения потенциала часто исполь-
зуют стандартный (нормальный) водородный электрод, состоя-
щий из платиновой пластинки, покрытой рыхлым слоем из чер-
ненной платины и погруженной в раствор серной кислоты с
активностью ионов Н+, равной 1 г-ион/л. Через раствор про-
пускают под давлением 1,013 105 Па ток; водород, приходя в
соприкосновение с платиной, в довольно большом количестве
поглощается ею.
Насыщенная водородом платиновая пластинка ведет себя так,
как если бы она была выполнена из водорода. При соприкосно-
вении се с раствором серной кислоты возникает определенная
разность потенциалов (потенциал водородного электрода), услов-
но принимаемая при измерениях относительных потенциалов за
нуль.
Потенциалы металлов, находящиеся в растворе в равновесии
с собственными ионами, называются равновесными. Величина
равновесного электродного потенциала зависит от природы ме-
талла и раствора, температуры н активности ионов металла в
электролите. Когда активность ионов металла в растворе равна
единице, а температура электролита 25”С, значение потенциала
данного металла соответствует стандартному.
Ниже приведены стандартные электродные потенциалы не-
которых металлов, В:
Ai/Al3+
Zn/Zn2+ -0,762
Fe/Fe2+ -0,440
-1,66
Fe/Fc3+
72(H2) h+
Cu/Cu2+
-0,037
0,000
+0,337
116
По значениям этих величин можно определить электродви-
жущую силу элемента, составленного из двух разноименных ме-
таллов. Например, для элемента из медного и цинкового элект-
родов, погруженных в растворы собственных ионов с активнос-
тью 1 г • ион/л, электродвижущая сила U~ ЕСи- EZn ~ + 0,337 -
-(-0,762)= 1,099 В.
При электрохимической коррозии на одних участках метал-
локонструкции протекают анодные, иа других — катодные про-
цессы. При этом на катодных участках вода и растворенный в
ней кислород присоединяют свободные электроны, образуя гид-
роксильную группу:
2Н2О + О2 + 4е ё*4ОН2.
Если в электролите много гидроксильных групп или раство-
ра кислот, возможен также катодный процесс нейтрализации
ионов водорода:
2Н+ + 2е- -> Н2.
Эта реакция вследствие накопления молекул водорода силь-
но замедляется в случае прекращения окисления водорода Про-
цессы окисления водорода протекают в присутствии кислорода
воздуха, который под влиянием металлического катализатора всту-
пает в реакцию с водородом, образуя воду:
2Н2 + О2 -> 2Н2О.
По-особому протекает коррозия металлических конструкций,
изготовленных из разных металлов. При эксплуатации систем
отопления и водоснабжения встречаются случаи, когда с водой
(электролитом) соприкасаются одновременно сталь н сплавы меди.
Два металла и раствор (в отопительной и питьевой воле всегда
имеется незначительное количество растворенных веществ) соз-
дают гальванический элемент, один электрод которого — желе-
зо, другой медь:
2Fe -> 2Fe2+ + 4е; 2Н2О + О2 + 4е -> 4ОН .
При образовании локального элемента атомы железа, стано-
вясь ионами Fc2+, переходят в раствор под действием притяже-
ния молекул воды — диполей, при этом образовавшийся на по-
117
верхности медных элементов гидроксил отбирает свободные элек-
троны.
3.6.10. Коррозия арматуры в бетоне
Под коррозией металлов понимается процесс их разрушения,
вызванный химическим или электрохимическим воздействием
среды.
Защитный слой бетона затрудняет доступ к арматуре влаги,
кислорода, воздуха или кислотообразующих газов, однако с уве-
личением пористости бетона и разрушений в нем, происходя-
щих под действием агрессивных сред, его защитные свойства резко
снижаются.
Коррозия арматуры в бетоне является электрохимическим
процессом. Для понимания сущности электрохимического про-
цесса разрушения арматуры ниже кратко изложена электрохи-
мическая теория коррозии металлов, разработанная С.Н. Алек-
сеевым.
Коррозия металлов в воде, водных растворах электролитов
сейчас рассматривается как совокупность многих микрогальва-
нических элементов, возникающих на поверхности металла вслед-
ствие его неоднородности или окружающей среды.
Известно, что при погружении в электролит двух электродов
из разнородных металлов они приобретают различные по вели-
чине электрические потенциалы. При замыкании электродов
между ними возникает ток. Прохождение тока сопровождается
растворением электрода с более электроотрицательным потен-
циалом — анода.
Важными разновидностями катодного процесса являются
реакции восстановления иона водорода в газообразный водород
и кислорода в ион гидроксила (кислородная деполяризация).
Большое число коррозионных процессов связано с поглоще-
нием кислорода. В растворе происходит направленное переме-
щение ионов, возникает электрохимический ток, называемый
током коррозии. При этом разрушаются только анодные участ-
ки металла. Продукты коррозии образуются в результате вторич-
ных реакций в электролите:
Fe2+ + 20И" -> Fe(OH)2;
4Fe(OH)2 + 2Н2О + О2 -> 4Fe(OH)3.
118
Описанные процессы взаимосвязаны и протекают в несколь-
ко стадий. Скорость коррозии зависит от скорости того процес-
са, который в данных условиях протекает более медленно
Скорость процесса коррозии выражается в весовых потерях
металла на единицу поверхности в единицу времени. Она зави-
сит от величины тока коррозии, т.е. от разности потенциалов
анодных и катодных участков и омического сопротивления внут-
ренней цепи коррозийного элемента.
Наличие ряда веществ в среде, окружающей металл, влияет
на скорость коррозии. Вещества, повышающие скорость корро-
зии, называют стимуляторами, а снижающие ее скорость — ин-
гибиторами.
Кислород является одновременно стимулятором и ингибито-
ром. С одной стороны, он способствует образованию защитной
окисной пленки, т.е. уменьшает коррозию, с другой — повыша-
ет скорость коррозии в начавших корродировать точках — кор-
розионных центрах. Ионы хлора действуют разрушающе на за-
щитные окисные пленки. Соли щелочных и щелочноземельных
металлов в нейтральных и щелочных средах тормозят коррози-
онный процесс, но они опасны в случае недостаточной концен-
трации.
Поскольку арматурная сталь неоднородна по структуре, как
и контактирующая с ней среда, создаются необходимые условия
для протекания электрохимической коррозии.
Коррозия арматуры в бетоне может возникнуть; а) прн умень-
шении щелочности окружающего арматуры электролита до pH.
равного или меньше 12 при карбонизации или коррозии бето-
на; б) при активирующем действии хлорид- и сульфат-ионов,
которые могут проникнуть к арматуре через трещины в бетоне.
Для большинства конструкций, соприкасающихся с воздухом,
карбонизация является характерным процессом, который ослаб-
ляет защитные свойства бетона.
Карбонизацию бетона может вызвать не только углекислый
газ, имеющийся в воздухе, но и другие кислые газы, содержа-
щиеся в промышленной атмосфере. При карбонизации углекис-
лый газ воздуха проникает в поры и капилляры бетона, раство-
ряется в поровой жидкости и реагирует с гидроалюминатом окиси
кальция, образуя слаборастворимый карбонат кальция:
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н,О.
119
Этот процесс может продолжаться до полного связывания
Са(ОН)2 в карбонизированном слое и разложения гидросиликатов
и гидроалюминатов кальция.
Связывание СО2 происходит в основном в тонком слое бето-
на (толщиной в несколько миллиметров) с постепенным пере-
мещением в глубь бетона. Утолщающийся со временем карбо-
низированный слой продолжает связывать углекислоту, но уже
в значительно меньшем количестве; по мере утолщения такого
слоя растет сопротивление прониканию СО2 и его продвижение
в бетон замедляется.
Способ зашиты стальной арматуры в бетоне основан на так
называемом пассивирующем (защитном) действии щелочных сред.
В щелочных растворах коррозия уменьшается вследствие обра-
зования защитной пленки из гидрата окиси железа. При гидра-
тации портландцемента образуется в значительном количестве
гидрат окиси кальция, растворенный во влаге, содержащейся в
порах цементного камня, что обеспечивает полную пассивацию
поверхности стали.
В плотном бетоне арматура может находиться в полной со-
хранности на протяжении длительного срока эксплуатации кон-
струкций.
Карбонизация снижает щелочность содержащейся в бетоне
влаги. Скорость распространения процесса карбонизации в глубь
бетона зависит от его проницаемости и концентрации углекис-
лоты в воздухе.
Содержащиеся в атмосфере цехов целого ряда производств газы
(сернистый и хлористый водород, хлор) также поглощаются бе-
тоном и, реагируя с гидратом окиси кальция, резко понижают
щелочность бетона. Бетон, лишенный естественной щелочнос-
ти, перестает оказывать защитное воздействие на стальную ар-
матуру. При определенном влажностном состоянии бетона ар-
матура начинает корродировать, причем скорость коррозии бу-
дет зависеть от воздухопроницаемости бетона.
Следовательно, процесс коррозии арматуры зависит от состо-
яния бетона и активизируется с увеличением пористости бето-
на и степени его разрушения.
Технологические мероприятия по защите арматуры и желе-
зобетона от коррозии заключаются в обеспечении высокой плот-
ности, однородности и, как следствие, непроницаемости бето-
120
на. Эти же цели преследуют при создании защитного слоя у ар-
матуры бетона достаточной толщины. Увеличить непроницаемость
бетона можно введением поверхностно-активных добавок, по-
зволяющих снизить водоцементное отношение. Снижение же
водоцементного отношения дает возможность повысить проч-
ность, долговечность, морозостойкость и водонепроницаемость
бетонных н железобетонных изделий и конструкций.
3.6.11. Виды разрушении арматуры в бетоие
Разрушение арматуры в бетоне может иметь характер язвен-
ного поражения ее отдельных участков либо равномерного умень-
шения сечения по всей поверхности. Последнее более характерно
и возникает вследствие перехода слоев металла в продукты кор-
розии в результате образования микропар, имеющих катодные
участки меньшей площади, чем анодные. Такое явление наблю-
дается в карбонизированном или другом непасснвируюшем бе-
тоне. В тех случаях, когда площадь катодных участков превы-
шает площадь анодных, на арматуре появляются отдельные пят-
на — язвы. Язвенная коррозия арматуры образуется при
неравномерном проникновении в бетон хлоридов, разрушающих
пассивирующую пленку на поверхности арматуры. Более опас-
на язвенная коррозия арматуры, так как при ней местное умень-
шение сечения арматуры происходит значительно быстрее.
Особенно опасна язвенная коррозия в предварительно напря-
женных конструкциях, где для армирования бетона используют
высокопрочную проволоку- Вследствие малого поперечного се-
чения и высокой степени напряжения проволоки от язвенных
поражений могут происходить се обрывы.
Аварийное состояние конструкций от язвенной коррозии осо-
бенно часто возникает при введении в бетонную смесь большо-
го количества добавок хлористых солей, особенно при малой
толщине защитного слоя. Поэтому введение хлористых солей в
бетон при использовании в качестве арматуры высокопрочной
проволоки строго ограничено.
В предварительно напряженных железобетонных конструкциях
был выявлен особый вид коррозии арматуры — «коррозия под
напряжением». Она проявляется в виде трешин, развивающих-
ся перпендикулярно направлению главных растягивающих на-
12Г
пряжений, т е. поперек элемента. Возникает эта коррозия при не-
значительных поверхностных поражениях бетона.
Вид коррозии стали под напряжением наблюдается не толь-
ко в бетоне, ио и до бетонирования при воздействии на напря-
женную сталь агрессивной атмосферной коррозии. Более харак-
терен этот вид коррозии для термически упроченной арматуры.
Напряжения в арматуре ускоряют процесс коррозии. Выяв-
лена линейная зависимость скорости коррозии от величины на-
пряжения арматуры, когда в кислых средах происходит элект-
рохимическая коррозия с выделением водорода. В щелочных и
нейтральных средах напряжения влияют на скорость коррозии
весьма незначительно.
Коррозийное растрескивание представляет собой процесс,
происходящий в условиях одновременного воздействия на ме-
талл статических растягивающих напряжений и электрохимичес-
кого коррозийного процесса. В этом случае коррозионная среда
н механические напряжения действуют одновременно, вызывая
при этом значительно большую потерю прочности металла, чем
при раздельном действии.
Отмечаются случаи обрушения конструкций, вызванные вне-
запным обрывом напряженной арматурной стали. Детальное
расследование свидетельствует о том, что коррозионное разру-
шение начинается обычно в виде надрывов и трешин вследствие
механических дефектов стали. В результате ослабления сечения в
вершинах трешии возникают значительные концентрации напря-
жений, которые приводят к хрупкому разрушению проволоки.
Известен случай коррозии напряженной проволочной арма-
туры в каналах балок пролетного строения моста в Югославии.
Зафиксировано 40 случаев самопроизвольного обрыва прово-
лок вследствие того, что предваритетьио напряженные пучки
арматуры не были заинъецированы. Разрушение произошло че-
рез 5-6 месяцев после натяжения арматуры.
Помимо этого арматурные стали разрушаются вследствие так
называемого водородного охрупчивания. Внешние признаки
разрушения у рассмотренных двух видов коррозии идентичны,
но природа их возникиовения различна При водородном охруп-
чиванни образуются поперечные трешины и происходят хруп-
кие обрывы напряженных элементов.
Охрупчивание стали объясняется образованием при коррози-
онных процессах атомарного водорода, который, диффундируя
122
в сталь и объединяясь в молекулы, теряет способность раство-
ряться в стали. Вследствие этого в ней создается большое внут-
реннее давление. Водородное охрупчивание металлов возможно
также вследствие выделения водорода на катоде при работе галь-
ванических пар и при катодной защите. Возникающие при этом
значительные местные напряжения вызывают быстрое развитие
трешин, заканчивающееся хрупким обрывом.
Опасность снижения прочности высокопрочной арматуры
велика в конструкциях тех промышленных зданий, где в процессе
производства выделяется сероводород или используются растворы
роданистого аммония. Поскольку эффективных мер зашиты ар-
матуры в бетоне от охрупчивания пока не разработано, в усло-
виях этих агрессивных сред применение железобетона с пред-
варительно напряженной арматурой недопустимо.
Если в электролите присутствуют ионы хлорида кальция, то,
взаимодействуя с ионами железа, они не образуют нераствори-
мых соединений и не создают на поверхности трубопровода или
другой конструкции защитного слоя. Ионы двухвалентного же-
леза диффундируют в гтубь раствора электролита и, соединяясь
с гидроксильными группами, образуют гидроксид железа, выпа-
дающий в виде пористого осадка на катоде:
Fe2+ + 2ОН- -> Fe(OH)r
Обычно в отопительной и питьевой воде содержится раство-
ренный кистород, поэтому двухвалентное железо, окисляясь,
переходит в трехвалентное, образуя в основном гидрат оксида
железа:
4Fe(OH)2 + О2 + Н2О -> 4Fe(OH)3.
Гидроксид трехвалентного железа нестабилен и разлагается,
образуя гидратированный оксид Fe2O3H2O красно-коричневого
цвета.
В растворах, имеющих недостаточное количество растворен-
ного кислорода для полного окисления гидроксила двухвалент-
ного железа Fe(OH)2, образуется магнетит Fe3O4:
6Fe(OH)2 + О2-> 2Fe3O4 + 6Н,О.
При длительной эксплуатации конструкции во влажной или
водной среде на ее поверхности образуется несколько слоев ржав-
123
чины. Самый глубокий — оксид типа FeO, затем магнетит Fc3O4,
гидратированный магнетит Fe3O4 • Н2О и обычная красно-ко-
рнчневая ржавчина Fe2O3 Н2О, расположенная непосредственно
на границе с электролитом. Так как доступ кислорода к более
глубоким слоям оболочки из продуктов коррозии затруднен, в них
образуются оксиды железа высшей валентности.
При образовании оксидов железа с валентностью ниже трех
также соединения осаждаются на расстоянии нескольких моле-
кулярных диаметров от анода и представляют собой рыхлый оса-
док, плохо сцепленный с поверхностью металла. Образовавшийся
слой ржавчины приводит к дальнейшей коррозии.
Электрохимическая коррозия возникает также при поврежде-
нии на отдельных участках оксидной илн другой защитной плен-
ки, в этом случае оксидная пленка служит катодом, на котором
под действием кислорода образуются ионы гидроксида, а ого-
ленная поверхность металла становится анодом.
Локальными коррозионными элементами могут быть микро-
скопические или субмикроскопические примеси на микроско-
пически однородной поверхности. Любое загрязнение, например
чужеродный металл, осаждающийся на поверхности металличес-
кой конструкции, вызывает появление электродного потенциа-
ла и служит причиной начала коррозионного процесса.
Наиболее опасными, вызывающими точечную коррозию, яв-
ляются процессы неравномерной аэрапнн, сопровождающие не-
одинаковую скорость доставки кислорода к различным участкам
конструкции. Участки, плохо снабжающиеся кислородом, ста-
новятся анодами и разрушаются.
Процессы точечной коррозии характерны для неравномерной
аэрации в объеме электролита, представленного каплей. Это яв-
ление, например, для стальной неоцинкованной кровли объяс-
няется следующим. Сталь при окислении быстро поглощает ра-
створенный в капле кислород. Соприкасающаяся с воздухом
кромка капли снабжается кислородом более интенсивно по срав-
нению с центральной частью, куда доступ кислорода затруднен.
В середине капли железо под действием сил гидратации будет
переходить в раствор капли в виде двухвалентного иона:
Fe -> FeM + 2е.
На кромках капли в это время протекает процесс
Н2О + О2 + 4е 4ОН".
124
Образующиеся гидроксил-ионы диффундируют внутрь кап-
ли, где вступают во взаимодействие с ионами двухвалентного
железа. В результате реакции образуется гидроксид железа, ко-
торый в дальнейшем при взаимодействии с кислородом перехо-
дит в ржавчину.
Точечная коррозия образуется также там, где анолами стано-
вятся относительно небольшие участки поверхности конструк-
ции, покрытые адсорбированными пузырьками газа или труто-
го инертного по отношению к материалу конструкции вещества.
Под такими частичками кислород быстро иссякает, дальнейшее
его поступление по сравнению с другими участками затрудне-
но, вследствие чего образовавшиеся аноды быстро разрушают-
ся, вызывая точечные поражения поверхности конструкций
Все это подтверждает важность содержания поверхностей
эксплуатируемых металлических конструкций в чистом состоя-
нии, При очистке поверхностей необходимо тщательно удалять
не только загрязнители, но и незначительные или весьма раз-
витые точки ржавчины с одновременным восстановлением за-
щитного покрытия. Если с поверхности своевременно не удалить
появившуюся ржавчину, она будет влиять на ускорение процесса
точечной коррозии.
Интенсивность коррозионных процессов в большинстве слу-
чаев является функцией активности ионов водорода в растворе.
Увеличение активности ионов водорода равносильно снижению
pH раствора н сопровождается возрастанием скорости коррозии
(рис. 3.14). Растворы с высоким значением pH (щелочные сре-
ды) растворяют металлы, гидраты окислов которых амфотерны
(алюминий, цинк, свинец, олово н др.). Железо относится к
металлам, которые растворяются в щелочах только при высоких
концентрациях гидроксил-иона.
Как отмечалось ранее, коррозия большинства металлов в ра-
створах солей протекает с кислородной деполяризацией. В этих
случаях от количества кислорода в электролите зависит скорость
коррозии (рис. 3,15).
Значительное увеличение концентрации кислорода в воде
приводит к образованию труднорастворимых оксидов на поверх-
ности металлоконструкций и замедлению коррозии. С повыше-
нием температуры электролита скорость коррозии возрастает
(рис. 3.16). Для открытых систем (вследствие понижения кон-
центрации кислорода с повышением температуры) скорость кор-
125
Рис. 3.14. Зависимость скорости коррозии металлов от водородного
показателя pH:
а - Pt. Ajj. Au; б - Zn. Al. Pb; в - Mg, Мп. Fe, Си, Nl. Cr
Концентрация кислорода, см3/л
Рис. 3.15. Зависимость скорости коррозии от концентрации кислорода
розин падает. Необходимо иметь в виду, что при температуре свы-
ше 70°С электродный потенциал цинка повышается, а потенциал
железа почти не меняется. Поэтому в гальванической паре цинк—
железо в горячей воде цинк становится по отношению к железу
катодом и ускоряет его разрушение.
126
С увеличением скорости движения электролита интенсивность
коррозии увеличивается в связи с усилением доставки кислоро-
да (рис. 3.17). Затем процесс коррозии начинает замедляться в
связи с образованием защитных пленок на поверхности конст-
рукции. При дальнейшем увеличении скорости электролита может
произойти механическое повреждение защитных пленок, что
вызовет усиление коррозионного разрушения.
Температура воды, ’С
Рис. 3.16. Зависимость скорости коррозии металла труб системы стоплен я от
температуры воды:
1 - в открытых системах: 2 - в закрытых системах
Рис. 3.17. Зависимость скорости коррозии металла трубопроводов от скорости
движения воды в них
127
3.6.12. Подземная коррозия металлических конструкций
Подземная коррозия вызывается неоднородностью окружа-
ющей среды н неравномерным доступом кислорода к различным
участкам подземных конструкций. В большинстве случаев такая
коррозия приводит к разрушению отдельных участков конструк-
ции в виде глубоких язв. Причинами, обусловливающими не-
равномерный доступ кислорода к сравнительно малым участкам,
могут быть разная плотность грунтов, нарушение на небольших
участках сплошности изоляционного покрытия, неодинаковая
влажность грунтов.
Во влажных грунтах коррозия может возникнуть из-за различ-
ных условий аэрации. Поверхность конструкций, находящихся
в сильноувлажненных грунтах, значительно хуже омывается
кислородом, диффундирующим через грунтовый скелет, и этот
участок становится анодом.
Вследствие неоднородности грунтовой среды создается раз-
ность потенциалов (0,3-0,9 В) между различными участками
подземных металлоконструкций. На развитие коррозии подземных
конструкций также оказывает влияние образование на их поверх-
ности окалины или продуктов коррозии. В этих случаях разность
потенциалов между участками, имеющими окалину или покры-
тыми продуктами коррозии, и без дефектов, может достигать 0.5В.
Характер н количество водорастворимой части грунта определяют
его коррозионную активность. Чем больше растворимых солей,
тем выше электропроводность грунта и интенсивнее протекают
коррозионные процессы.
Большое значение для определения коррозионной активнос-
ти грунта имеет его кислотность. Кислые грунты (pH < 3) вы-
зывают сильную коррозию подземных металлоконструкций.
Электрохимический коррозионный процесс возможен только в
том случае, если грунт имеет определенную влажность. При влаж-
ности грунтов 15—25% отмечается максимальная скорость кор-
розионных процессов. При дальнейшем повышении влажности
скорость коррозии замедляется. Наступает такое насыщение грун-
та водой, при котором она образуетсплошной слой, затрудняю-
щий доступ кислорода к металлу (рис. 3.18).
Процессы подземной коррозии металлов активизируются
жизнедеятельностью микроорганизмов. Коррозия, вызываемая
микроорганизмами, может проникать в аэробных и анаэробных
128
Рис. 3.18. Завсь скорости подземной коррозии м таллоконструкций
от влажности грунта'
1 - песчаный грунт, 2 - глинистый грунт
условиях. Микроорганизмы влияют на катодные илн анодные
процессы, изменяют фнзико-химическнс свойства грунта, уси-
ливая его агрессивность. При восстановлении сульфатов в суль-
фиды, связанном с жизнедеятельностью судьфатовосстанавли ва-
юших бактерий, выделяется свободный кислород, который яв-
ляется катодным деполяризатором коррозии стальных подземных
конструкций. В анаэробных условиях бактерии могут образовы-
вать метан.
Меньшую роль в биокоррозии металлов играют аэробные бак-
терии. Например, серобактерии развиваются только в присут-
ствии в грунте сероводорода. В процессе жизнедеятельности они
окисляют сероводород сначала в серу, а затем в серную кисло-
ту. Трубопроводы, уплотненные в местах соединений вяжущи-
ми материалами, в состав которых входит сера (серные цемен-
ты), подвергаются коррозии вследствие микробиологического
окисления. Кроме того, возникновение макрокоррозионных пар
на подземных конструкциях .может происходить из-за разруше-
ния оберточных материалов, применяемых для гидроизоляци-
онных покрытий конструкций. Некоторые гидроизоляционные
материалы на текстильной или полимерной основе разруша-
ются вследствие жизнедеятельности гнилостных и других бак-
терий.
5 -10510 Ka.tiiiu и
129
3.6.13, Коррозия трубопроводов систем ототеиия
и горячего водоснабжения
Выше рассматривалась коррозия трубопроводов, вызванная
наличием в конструкции элементов из разных металлов. Кроме
того, коррозионные процессы трубопроводов могут быть вызваны
неравномерной скоростью воды, транспортируемой по трубам,
на различных участках системы. Участки трубопровода, по ко-
торым вода течет с меньшей скоростью, становятся анодами и
разрушаются. В большинстве случаев определяющим фактором
в процессах коррозии трубопроводов является жесткость воды.
Временную жесткость воды вызывают гидрокарбонаты кальция
и магния, которые под действием диоксида углерода образуют-
ся из нерастворимых карбонатов кальция и магния, а при умень-
шении содержания диоксида углерода иа стенках трубопровода
выпадает накипь вследствие протекания обратной реакции. По-
скольку карбонаты кальция и магния не проводят электричес-
кий ток, образовавшаяся накипь будет защищать трубопровод от
дальнейшей коррозии.
Защитная пленка магнезита Fe3O4 сильно замедляет коррозию.
При правильной водоподготовке такую птенку можно сохранять
длительное время.
При наличии достаточного количества кислорода вместо за-
щитного оксида трехвалентного железа Fe3O4 образуется оксид
двухвалентного железа, представляющий собой рыхлую пленку,
которая разрушается и вызывает местную коррозию трубопро-
вода. При наличии в трубопроводах остаточных напряжений,
возникающих при заготовке элементов систем отопления или
водоснабжения в процессе гнутья, сварки, нарезки резьбы и др.,
на участках металла, подверженных небольшим напряжениям,
появляются коррозионные поражения, наиболее часто — в виде
трещин (рис. 3.19). Образование застойных зон или зон с пони-
женной скоростью движения воды увеличивает возможность
возникновения коррозии вследствие создания макропор нерав-
номерной аэрации. Такие зоны могут возникнуть вследствие
неправильной сварки трубопровода. При содержании в воде до-
статочного количества гидроксида натрия целостность защитной
пленки магнезита также нарушится вследствие образования ра-
створимого соединения Na,FeO2. Состав отопительной и водо-
130
Рис. 3.19 Полотенцесушитель из гнутой трубы’
А - наиболее вероятные участки коррозионного повреждения
проподной воды может .меняться от умягченной до обычной во-
допроводной, имеющей как кислотную, так и щелочную реак-
цию. Избыточное количество диоксида углерода в воде может
привести к разрушению карбонатных защитных пленок вслед-
ствие образования растворимых дикарбонатов кальция или маг-
ния, что вызовет местное оголение поверхности трубопровода и
усиление коррозии металла.
3.6.14. Коррозия, вызываемая блуждающими токами
Утечка электрического тока происходит, если в электричес-
кой цепи имеются участки, на которых электросопротивление
значительно превышает сопротивление протекания тока в грунте
В .месте, где ток попадает из грунта на подземную конструкцию,
образуется катодный участок; зона конструкции (трубопровода),
с которой ток стекает обратно в грунт, является анодом. С ано-
да металл в виде ионов уносится в грунт, и начинается процесс
коррозии. Примером может служить коррозия, вызываемая то-
ками, стекающими с трамвайных путей в грунт. Коррозия блуж-
131
дающими токами сосредоточена на небольших участках, н по-
этому конструкции разрушаются очень быстро. Ускоренное про-
текание процесса обусловлено еще и тем, что катод и анод на-
ходятся друг от друга на большом расстоянии, а продукты элек-
тродных процессов не могут создать защитной оксидной пленки.
Блуждающие токи разрушают не только металлоконструкции, но
и арматуру железобетонных конструкций, контактирующих с
грунтовой средой. Опасность разрушения металлоконструкций
от действия блуждающих токов в процессе эксплуатации опре-
деляют измерением потенциалов металлоконструкция — земля
н удельного электрического сопротивления грунта. В связи с этим
запрещается принимать в эксплуатацию конструкции в зоне блуж-
дающих токов, если нс разработаны мероприятия по их защите
от коррозии.
3.6.15. Атмосферная коррозия
Значительная часть коррозионных повреждений конструкции
зданий вызвана конденсацией паров влаги из воздуха и атмо-
сферными осадками. Конструкции зданий подвергаются увлаж-
нению даже в тех случаях, когда оии находятся в относительно
сухой атмосфере. Выпадение конденсата на поверхности конст-
рукций обусловлено прежде всего суточными колебаниями тем-
пературы окружающего воздуха. Содержание водяных паров в
воздухе прн понижении температуры достигает полного насы-
щения, что соответствует точке росы. При незначительном ох-
лаждении воздуха ниже точки росы пары начинают конденси-
роваться на поверхности конструкции. Расчеты показывают, что
при относительной влажности воздуха, равной 7Q°ct для выпа-
дения конденсата температура конструкции должна быть ниже
температуры воздуха на 6ФС В пленках электролита, образовав-
шихся из конденсата, много минеральных веществ. Туманы и роса,
вызывающие увлажнение металлических конструкций зданий,
обычно имеют кислую реакцию (pH = 3-4) в результате раство-
рения в них хлористых, сернистых и других химически актив-
ных примесей. В определенных условиях влага на поверхность
конструкции может конденсироваться из относительно сухой
атмосферы. Это обусловлено явлениями капиллярной конленса-
132
шш. когда поверхность загрязнена продуктами коррозии или дру-
гими веществами. Чистые и гладкие поверхности увлажняются
только прн адсорбции водяного пара влагой из нескольких мо-
лекулярных слоев. При заданном температурном перепаде и
относительной влажности в зависимости от времени конденса-
ции на поверхности конструкции может выпадать неодинаковое
количество конденсата. При непродолжительной конденсации иа
поверхности появляются капельки влаги. Аналогичная картина
наблюдается прн длительной конденсации из относительно су-
хой воздушной среды.
На процесс коррозии металлических конструкций влияет не
только количество сконденсированной влаги, но и характер ее
распределения по поверхности. Отличительной чертой коррози-
онных повреждений, вызванных конденсационной влагой, по
сравнению с другими видами коррозии являются неравномер-
ное распределение мест повреждений и язвенный характер. Зна-
чительно влияет на скорость коррозии толшнна пленки влаги.
Наибольшие .местные разрушения конструкций из металла от-
мечены при конденсация влаги 2-3 г/дм2. При больших или мень-
ших количествах влаги интенсивность коррозионного разруше-
ния снижается. В толстых слоях электролита скорость коррозии
обусловлена торможением катодных процессов из-за недостаточ-
ного доступа кислорода, в тонких слоях — вследствие затрудне-
ния анодного растворен и я металла. Следует иметь в виду, что
высокие скорости конденсации пли длительная ежесуточная
конденсация влаги вызывают слияние отдельных мелких капель
в более крупные, з затем — образование сплошной пленки. Од-
нако нс всегда интенсивность коррозии однозначно зависит от
толщины пленки. Растворение в электролите сернистых газов,
присутствующих в атмосфере, или хлоридов значительно увели-
чивает скорость коррозии. Установлено, что наличие в атмосфере
0.1% диоксида серы SO, ускоряет процесс конденсшионной
коррозии в шесть раз по сравнению с коррозией в чистой атмо-
сфере. При периодическом увлажнении конструкций атмосфер-
ным конденсатом, насыщенным парами раствора хлорида иттрия,
скорость коррозии больше в девять раз по сравнению с интен-
сивностью коррозионного разрушения в чистой атмосфере- Прн
этом коррозионный процесс активизируется попеременным вы-
сушиванием и увлажнением конструкций во время эксплхатщии.
133
3.6.16. Коррозия полимерных конструкций
Конструктивные элементы нз полимерных материалов под
воздействием агрессивной среды могут подвергаться ускоренному
износу в зависимости от характера и интенсивности факторов,
вызывающих этот износ. Коррозия полимерных материалов яв-
ляется результатом преодоления сил взаимодействия между ато-
мами или молекулами, которое происходит под влиянием окис-
лительных агентов, термического, радиационного, механического
воздействия и других энергетических факторов. Результатом
указанных воздействий являются деструктивные процессы.
Окислительная деструкция полимеров происходит при дей-
ствии на материал кислорода или озона. В условиях эксплуата-
ции конструктивных элементов кислород воздействует на поли-
меры при одновременном влиянии солнечного излучения, вла-
ги и температурных колебаний Вследствие этого изменяется
структура полимеров, что называется старением.
Скорость окислительной деструкции определяется интенсив-
ностью присоединения кислорода к некоторым звеньям макро-
молекул, в результате которого в полимере образуются различ-
ные функциональные группы — гидроксильные, карбонильные,
карбоксильные н др. Наибольшее влияние на скорость деструк-
ции оказывают образующиеся в процессе окисления пероксид-
ные и гидропероксидные группы, которые вызывают вторичные
реакции, приводящие к разрушению полимера. Скорость
образования пероксидных н гидропсроксидных групп увеличи-
вается с повышением концентрации кислорода в окружающей сре-
де и температуры воздуха. Облучение светом, и особенно ульт-
рафиолетовой частью спектра, значительно ускоряет окислитель-
ную деструкцию.
Термическая деструкция Происходит под действием теплоты.
Вместе с тем этот вид деструкции может протекать одновре-
менно с воздействием на материал кислорода. Тепловое воздей-
ствие на полимерные конструктивные элементы, как правило,
сопровождается изменением химического состава звеньев мак-
ромолекул, кратности связей, перегруппировкой атомов появ-
лением новых функциональных групп, а также деполимсриза-
имей. Термическая деструкция может вызвать полное разложение
полимерного конструктивного элемента - вплоть до образования
мономеров.
13d
Радиационная деструкция полимеров происходит под влиянием
излучений — рентгеновских, протонных, нейтронных и др Дей-
ствие излучений высоких энергий на полимеры проявляется в
возбуждении и ионизации отдельных звеньев макромолекул
Возбуждение, т.е. переход электронов на более высокий уровень,
делает макромолекулы менее устойчивыми, облегчая деструк-
цию под действием других факторов.
В зависимости от типа полимера и интенсивности действия раз-
личных факторов, сопровождающих облучение, деструкция может
протекать с выделением различных низкомолекулярных газов: во-
дорода, хлора, азота, метана, оксида и диоксида углерода
Механическая деструкция протекает под действием статичес-
ких и динамических нагрузок. Под влиянием этих нагрузок мак-
ромолекулы скользят одна относительно другой и их ковалент-
ные связи разрываются в местах наибольшей концентрации на-
пряжений, поэтому процесс сопровождается вязким течением
материала. Механическая деструкция полимерных материалов при
отсутствии кислорода отличается от термической и радиацион-
ной составом продуктов распада: отсутствием газообразных ве-
ществ — осколков цепей макромолекул.
Коррозия полимерных материалов может сопровождаться тер-
мической (отводы, пара или агрессивной среды), химической
(от окислительной среды) или фотохимической деструкцией
(окислительная реакция активизируется под действием света).
Как известно, полимеры получают полимеризацией (после-
довательным соединением) большого числа молекул низкомоле-
кулярного вещества (мономера) к активному центру, находяще-
муся на конце растущей цепи. По числу мономеров различают
гомополимернзацию (один мономер) и сополимеризацию (не
менее двух мономеров). Существуют две конфигурации макро-
молекул — линейная н глобулярная.
Полимеры разрушаются (подвергаются деструкции) под дей-
ствием различных факторов, при этом изменяются их физичес-
кие и химические свойства.
По отношению к химически агрессивным средам полимеры
подразделяются на гетсронспные (в основной цепи молекулы
содержится кислород, азот, сера и др.) и карбоне пные (образо-
ванные только атомами углерода).
Гетероцепные (полиамиды, тиоколы, силоксаны, полиэфиры
и др.) сравнительно легко рзспадаются под действием горячей
воды, кислот и щелочей.
135
Карбоцепные полимеры (в целом более стойкие к агрессивным
средам) по коррозионной стойкости подразделяются натри группы:
• полученные из предельных углеводородов, среднестойкие
по отношению к агрессивным средам (полиэтилен, поли-
пропилен, полиизобутилен и др.);
• синтезированные из предельных углеводородов с замести-
телями и элементами структуры, увеличивающими стой-
кость к агрессивным средам: в качестве заместителей часто
применяют фтор (политетрафторэтилен), хлор (трифтор-
хлор-этилен, хлорсульфированный полиэтилен), бензол
(полистирол), такие полимеры стойки к кислотам, слабым
окислителям, а фторзамешенные — и к сильным окислите-
лям;
• синтезированные нз углеводородов с элементами структу-
ры, уменьшающими их стойкость к агрессивным средам;
такими элементами являются двойные связи между элемен-
тами молекул, которые легко взаимодействуют с кислоро-
дом, галоидами, кислотами (полиизопреновый, полибута-
диеновый, бутадиснстнрольный, бутадиеннитрильный ка-
учуки и др.).
Биологическая деструкция, как правило, вызывается плесне-
выми грибами. Пигменты, выделяющиеся в процессе жизнеде-
ятельности микроорганизмов, окрашивают материал в различ-
ные цвета. Плесень вызывает конденсацию на поверхности кон-
струкции влаги, минерализованной растворенными в ней газами
и частицами пыли, которые содержатся в воздухе.
Микроорганизмы — метаболиты — могут вызвать деструкцию
полимера конструктивного элемента. Начало разрушения мате-
риала проявляется в потере блеска илн в травлении поверхнос-
ти. Некоторые виды бактерий и плесневых грибов используют
для своей жизнедеятельности пластификаторы или наполните-
ли, применяемые при изготовлении полимеров. Поливинилхло-
ридные полы, например, при постоянном увлажнении могут
поражаться плесневыми грибами, после воздействия которых
материал полов становится хрупким значительно быстрее, чем
в условиях нормальной эксплуатации. Большинство природных
высокомолекулярных соединений или их производных являет-
ся продуктами питания для микроорганизмов.
Для придания полимерным материалам большей стабильно-
сти к воздействию агрессивных сред и вызываемых ими различных
видов деструктивных разрушении в материал полимеров вводят
136
небольшие добавки противостарителя или стабилизатора В ка-
честве протнвостарителей применяют вещества, вступающие в
реакцию с диффундирующим внутрь .материала кислородом с
более высокой скоростью, чем интенсивность его взаимодействия
с макромолекулами полимера.
Выбор стабилизатора определяется составом продуктов дест-
рукции. Например, при нагревании поливинилхлорида полимер
деструктируег с отщеплением хлористого водорода, который ус-
коряет распад материала конструкции. Для связывания хлорис-
того водорода в полимер вводят соли слабых кислот, евнниа, кад-
мия, бария, кальция и др. Количество вводимых стабилизаторов
и противостарителей не должно превышать 2%, чтобы они не
изменяли физико-механнческих свойств исходного материала.
Для обеспечения нормативного срока службы конструкций из
полимерных материалов важнейшим является поддержание про-
ектных условий эксплуатации — состава, температуры н влаж-
ности окружающей среды, режима освещения и радиационного
облучения.
Под влиянием вышеперечисленных факторов свойства таких
конструкций стечением времени изменяются: теряется эластич-
ность, повышается жесткость и хрупкость, снижается прочность.
Повышение жесткости и хрупкости может происходить в резуль-
тате не только деструкции, но и сшивания (агрегирования) мак-
ромолекул. Нередко деструкция и агрегирование происходят
одновременно.
Старение и стабилизация полиэтилена. Полиэтилен низкой
плотности при температуре окружающей среды 20—ЗО’С сохра-
няет эксплуатационные характеристики в течение длительного
времени. Он морозостоек при температуре воздуха до-17*С. На
свету и при высоких температурах окружающего воздуха его свой-
ства резко ухудшаются. Так, при эксплуатации конструкций при
80“С в темноте через 4 мес. полиэтилен полностью растрескива-
ется, на свету скорость деструкции увеличивается.
Все виды внешнего самопроизвольного растрескивания кон-
струкций из полиэтилена низкой плотности, в том числе под
действием ПАВ, прекращаются, если в материал добавить 5—10%
поли изобутилена или бутилкаучука.
Изделия из полиэтилена разрушаются обычно не в момент
нагружения, а после длительного действия нагрузок в процессе
эксплуатации. При этом долговечность полиэтилена зависит от
137
величины нагрузки и особенно от состава окружающей среды.
Например, при температуре воздуха 20'С и окислении кислоро-
дом свойства полиэтиленовых конструкций заметно ухудшают-
ся, с повышением температуры скорость окисления полиэтиле-
на увеличивается.
Чтобы уменьшить старение полиэтиленовых конструкций,
эксплуатирующихся на солнечном свету, рекомендуется вводить
около 2% мелкодисперсной газовой сажи. Для стабилизации
конструкций, эксплуатирующихся внутри зданий, где черный цвет
не всегда приемлем, в полиэтилен добавляют оксид цинка, ди-
оксид титана, аэросил и другие подобные вещества
Старение и стабилизация во.типропнлеиовых конструкций. По
стойкости полипропилен несколько уступает полиэтилену. Од-
нако стабилизированный полипропилен вполне пригоден для
эксплуатации. В качестве стабилизаторов в него вводят те же
компоненты, что и в полиэтилен.
Старение и стабилизация поливинилхлоридных конструкций. По
сравнению с другими материалами поливинилхлорид более
устойчив к действию сред, но не морозостоек. В качестве заши-
ты против фотохимической деструкции рекомендуется добавлять
светостойкие красители: лак бирюзовый, лак рубиновый СК и
ЖК, пигменты — фталоцианины голубой и зеленый, а также
диоксид титана, крон желтый и др.
В помещениях поливинилхлоридные материалы применяют
для устройства полов и отделки конструкций. В этом случае на
100 мае. ч. поливинилхлоридной смолы ПФ-4 берут 45 мае. ч.
пластификатора ВСФ, а в качестве стабилизатора — смесь 3 мае. ч.
твердой нетоксичной эпоксидной смолы Э-41 с 3 .мае. ч. свин-
цового глета РЬО. Хорошей стойкостью против старения обла-
дают также сополимер поливинилхлорида с 10% акрилата, пла-
стифицированный 25%-й ВСФ с добавлением 2% диоксида ти-
тана. 4% эпоксидной смолы Э-41 и 3 мае. ч. силиката свинца.
Старение и стабилизация других полимерных материалов. Наи-
более перспективны поливинилфторид, фторированный сополи-
мер этилена с пропиленом, хлорсульфированный полиэтилен,
поли метил метакрилат и полиформальдегид.
Поливинилфторид даже без стабилизаторов обладает высокой
атмосферостойкостью, которая обусловлена прочной химичес-
кой связью углерод фтор. Этот материал практически не ста-
реет под действием ультрафиолетовых лучей. Ограниченное при-
133
менение материала обусловлено его высокой стоимостью Фто-
рированная этилен пропиленовая пленка в атмосферных условиях
также не стареет и обладает достаточно высокой долговечностью.
Примерно такая же долговечность у хлорсутьфированного по-
лиэтилена.
Коррозия битумных и битумно-полимерных материалов. Битум-
ные мастнкн широко используют для кровельных и изоляцион-
ных работ. Механизм разрушения битумных материалов обуслов-
лен их строением. Нефтяные битумы представляют собой дис-
персную с и стс м3', состоящую из жидких и твердых углеводородов
(масел, смол, асфальтенов). Мало различаясь по составу, биту-
мы знач1ггельно отличаются по физико-механическим свойствам
Мицеллы в битумах имеют размеры 2—10 .мм. При достаточно
большом количестве масел н смол мицеллы, состоящие в основ-
ном из частиц асфальтенов, находящихся на большом расстоя-
нии друг от друга, свободно перемешаются. Если в системе ма-
сел и смол мало, мицеллы притягиваются и образуют простран-
ственную сетку. В процессе эксплуатации битумные материалы
подвергаются действию окружающей среды, в результате чего зна-
чительная часть масел улетучивается. Под действием солнечной
радиации и кислорода смолы окисляются, образуя асфальтены
и повышая жесткость битума. Битум в процессе старения ста-
новится хрупким, растрескивается. От прямого воздействия би-
тумную мастику предохраняет устройство защитных слоев Иногда
для этих же целей кровлю окрашивают алюминиевой краской,
что снижает интенсивность разрушения кровли от солнечной
радиации.
Битумы растворяются в органических растворителях — бен-
зине, бензоле, хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуг-
лероде. ацетоне, спиртах, толуоле и др.
Битумы и битумные материалы, в которых применяют кис-
лотостойкие наполнители, устойчивы против действия серной
кислоты (с концентрацией не более 50*?). соляной (с концент-
рацией не более 30%), азотной (с концентрацией не более 25%),
уксусной (с концентрацией не более 70%), фосфорной (с кон-
центрацией не более 80%) кислот.
Длительное воздействие концентрированных водных растворов
(с концентрацией не более 50%) едких щелочей и карбонатов
Щелочных металлов вызывает интенсивное разрушение битум-
ных конструкций.
/39
Предохранение вертикальных гидроизоляционных покрытий
от преждевременного разрушения достигается путем устройства
защитных прижимных стенок из обожженного глиняного кир-
пича. Подземные трубопроводы, покрытые битумной гидроизо-
ляцией, защищаются от преждевременного разрушения покры-
тия путем устройства верхнего слоя из стеклоткани или другого
стойкого материала.
Для предохранения битумных покрытий от разрушения мик-
роорганизмами в их состав необходимо вводить антисептики.
3.6.17. Коррозия деревянных конструкций
Разрушение деревянных конструкций происходит из-за хими-
ческой коррозии: разложение под действием кислот целлюлозы
древесины, а под действием шелочеи — растворение основного
цементирующего вещества древесины — лигнина и частично цел-
люлозы. Помимо химической коррозии деревянные конструкции
в определенном температурно-влажностном режиме подверже-
ны гниению вследствие развития дереворазрушающих грибков
и разрушению со стороны насекомых: домовых жуков-точиль-
щиков, муравьев крыльчатых, древесных ос. Росту грибков бла-
гоприятствуют повышенная влажность, положительная темпера-
тура и неподвижность воздуха (нспроветриваемость помещений).
Питательной средой для грибков служит целлюлоза древесины.
Микроорганизмы выделяют особый фермент — цитазу, который
переводит нерастворимую в воде целлюлозу (С6Н10О5)л в раство-
римое вещество глюкозу — (С6Н 12О6)л по реакции
(С,Н|0О5)и + mH2O = (С6Н12О6)п.
Глюкоза окисляется кислородом воздуха с образованием ди-
оксида углерода и воды
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О.
В результате жизнедеятельности некоторых видов грибков
разрушается клетчатка древесины. Известно около 60 видов дс-
реворазрушаюших грибков. Все грибки подразделяются на группы:
плесневые и дсревоокрашиваюшие; дереворазрушаюшие. По
внешним признакам различают следующие типы гнилей: корро-
140
зионную (нитевидную) и деструктивную (трухлявую). В начальной
сталии коррозионная гниль имеет вид бледно-желтых или бледно-
коричневых полосок и пятен. Во второй стадии развития гнили
пятна увеличиваются, на них появляются белые штрихи, идушие
вдоль волокон. В заключительной стадии в местах белых выц-
ветов образуются углубления, древесина постепенно становит-
ся мягкой, легко расщепляется на отдельные волокна, но не
крошится и сохраняет некоторую вязкость, теряя часть массы,
сокращается в объеме.
Грибки, вызывающие коррозионную гниль, разрушают глав-
ным образом лигнин, почти не затрагивая целлюлозу. Эта гниль
бывает белой (светлее здоровой древесины) илн пестрой (на тем-
ном фоне белые пятна). При деструктивной гнили грибки раз-
рушают целлюлозу и не затрагивают лигнин. Древесина в началь-
ной стадии гниения приобретает желтоватый оттенок; во второй
стадии становится более темной и менее твердой; в конечной
стадии приобретает темно-коричневый цвет, заметно теряет в
массе н объеме, покрывается взаимно перпендикулярными тре-
щинами. Ее структура становится сложенной из отдельных призм
Поэтому деструктивная гниль часто называется призменной.
Древесина теряет прочность, крошится, растирается пальцами в
порошок. Имеется другая группа грибков, которые называются
плесневыми и деревоокрашиваюшими или грибами синевы и
плесени. Они интенсивно развиваются в древесине, имеющей
влажность 50-100% при температуре 20-25°С. При высыхании
древесины развитие окрашивающих и плесневых грибков пре-
кращается. Встречается и третий тип гнили — смешанная, при
которой грибки разрушают и целлюлозу, и лнгнин. В условиях
слабокоррозионных сред древесина устойчива. Хвойные породы
древесины благодаря содержанию смол обладают большей хими-
ческой стойкостью, чем лиственные породы. Хвойные породы
древесины достаточно стойки по отношению к действию разбав-
ленных растворов уксусной, фосфорной, молочной, масляной и
плавиковой кислот. Соляная кислота концентрацией до 10% и
серная кислота концентрацией не более 5% практически не из-
меняют их структуру и физнко-химичсское строение. Концент-
рированные кислоты разрушают деревянные конструкции, осо-
бенно интенсивно кислородсодержащие (азотная, серная, хро-
мовая и др.). Интенсивность разрушительного действия
увеличивается с повышением температуры кислот. Растворы едких
141
щелочей разрушают древесину менее интенсивно, чем кислоты.
Деревянные конструкции стойки к действию растворов аммиа-
ка, гидроксидов кальция, бария и растворов нейтральных солей
любой концентрации. Для повышения коррозионной стойкости
древесину покрывают стойкими лакокрасочными материалами
или пропитывают синтетическими смолами. Чаще всего исполь-
зуют фен ©формальдегидные смолы. Древесина, пропитанная
этими смолами, обладает повышенной стойкостью к действию
почти всех кислот, сернистого ангидрида, хлора, фтористого
водорода и других газов. Насекомые образуют в теле деревянных
конструкций червоточину, которая в зависимости от глубины
повреждения условно подразделяется на поверхностную, неглу-
бокую и глубокую. Поверхностная червоточина проникает в тело
древесины на глубину не более 3 мм, неглубокая — в пиломате-
риалы на глубину до 5 мм, а в круглый лесоматериал — до 15 мм.
Глубокая червоточина в наибольшей степени поражает деревянные
конструкции, она проникает в пиломатериалы на глубину не менее
5 мм, а в круглые — более 15 мм.
3.7. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ
КОНСТРУКЦИЙ
3.7.1. Основные задачи диагностики
Техническая диагностика (для краткости диагностика) — это
научная дисциплина, которая рассматривает технические системы
в целом и отдельные их элементы, изучает и выявляет причины
возникновения отказов и неработоспособности, разрабатывает
методы их поиска и оценки состояния таких систем. Диагнос-
тика занимается техническими системами, которые имеют хотя
бы два различных несовместимых состояния: рабочее и нерабо-
чее. Специфичность диагностики в том, что она рассматривает
и изучает системы в рабочем состоянии, отыскивает отказавшие
элементы, собирает информацию о причинах и характере отка-
зов. Главная задача диагностики как науки состоит в разработ-
ке методов и средств получения информации о состоянии тех-
нических систем. В решении задач технической диагностики
142
можно выделить два направления: изучение конкретных объек-
тов, построение математических моделей и изучение с их помо-
щью объектов диагностики.
Первое направление — эмпирическое, связано с разработкой
методов диагностики конкретных систем, т.е. с изучением ус-
ловий их нормального функционирования; выделением состав-
ных элементов; определением возможных состояний; анализом
признаков, характеризующих данное состояние; контролем па-
раметров, определяющих эксплуатационную пригодность систе-
мы; обобщением опыта эксплуатации данной системы, законо-
мерностей отказов и т.п. Диагностика включает в себя совокуп-
ность операций контроля с установлением последовательности
оценки параметров и сравнение полученных данных с норматив-
ными значениями этих параметров для выявления состояния
системы.
Второе — общее теоретическое, оно связано не с решением
конкретных задач оценки состояния технической системы, а с
разработкой методов и средств их решения. Это направление
занимается построенном общих схем и принципов изучения си-
стем с указанием факторов, которые должны учитываться при
установлении характера повреждения. Оба направления допол-
няют друг друга: теоретическое, обладая определенной самосто-
ятельностью и опережая запросы практики, при построении
математических моделей использует данные эмпирического на-
правления для оценки соответствия моделей тому или иному
классу технических систем.
Существуют два основных вида диагностики повреждений
зданий: визуальный н визуально-инструментальный. Последний
может быть разрушающим и неразрушающим.
При визуальном осмотре выявляются видимые дефекты и по-
вреждения конструкции: трещины, отклонения от проектных
очертаний и геометрических размеров, места изменения цвета,
фактуры и т.п. Особое внимание уделяется обследованию нес. -
щих конструкций: основаниям, фундаментам, стенам, перекры-
тиям. При этом выполняются обмеры, зарисовки, фотографии,
используются простейшие приборы. При использовании разру-
шающих методов контроля, например, защитных покрытий при-
ходится вырезать из них образцы и тем самым ослаблять их. В этом
недостаток разрушающих методов контроля, но они дают более
143
точную картину контролируемого параметра. Неразрушающие
методы контроля менее трудоемки, точность их измерения 10—
15%, что вполне достаточно для практических целей.
Среди параметров, определяющих состояние здания, есть ос-
новные, характеризующие эксплуатационную пригодность зда-
ний, и неосновные, обусловливающие второстепенные нх каче-
ства. После определения параметров, характеризующих техни-
ческое состояние, эксплуатационные качества зданий, важно
установить их фактическое значение и допустимые отклонения
от нормы.
Наиболее уязвимыми местами в конструкциях являются:
• различные сопряжения (стыки панелей, сопряжения стен
зданий разной этажности, сопряжения кровли е трубами,
парапетами, стенами, ендовы и т.п.);
• зоны приложения сосредоточенных нагрузок: опорные ча-
сти колонн, пилястр, простенки, перемычки;
• участки вероятного увлажнения конструкций: стены с цо-
колем, цоколя с фундаментом н отмосткой, пропуска во-
досточных труб через карнизы, возможного скопления ат-
мосферных вол и подтопления фундаментов;
• пропуск ко м му н и каци й ч срез стены;
• излом и сопряжения горизонтальной и вертикальной гид-
роизоляции.
3.7.2. Характерные признаки физического износа
и его идентификация
Изменение среднего значения предельно допустимых нагру-
зок на конструкцию и приближение их к среднему значению
действующих нагрузок сопровождается появлением первичных
признаков неисправностей — деформацией, образованием тре-
щин, протечек и т.п. Для каждого конструктивного элемента
здания (перекрытия, балки, полы, кровли, отделка и др.) име-
ются идентификационные признаки износа, определяемые ор-
ганолептическими методами: разрушение слоев, искривление
поверхности, поражения гнилью, трещины, выбоины, сколы,
перекосы, выпучивание и т.д. (табл. 3.7).
144
ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Отдельные трещины и выбоины Ширина р< скрытия 0-10 Заделка трещин и ыбоим
трещин до 1 мм
Продолжение табл. 3.7
1 Глубокие трещи ы и отпадение штука- турки местами, выветривание швов 2 Ширина трещин до 2 мм, глубина до '/, толщины стены, разрушение швов на глубину до 1 см на площади до 10% 3 11-20 Ремонт штукатурки или расшивка швов; очистка фасадов
Отслоение и отпадение штукатурки стен, карнизов и перемычек; выветривание швов; ослабление кирпичной кладки; выпадение отдельных кирпичей; трещи- ны в карнизах и перемычках; увлажнение поверхности стен Глубина разрушения швов до 2 см на площади до 30%. Ширина трещины более 2 мм 21-30 Ремонт штукатурки и кирпичной кладки, подмазка швов, очистка фасада, ремонт карниза и перемычек
Массовое отпадение штукатурки; выветрива ие швов; ослабление кирпичной кладки стен, карниза, перемычек с выпадением отдельных кирпичей; высолы и следы увлажнения Глубина разруше-ия швов до 4 см ие площади до 50% 31-40 Ремонт поврежденных участков стен, карнизов, перемыч к
Сквоэ ые трещи ы в перемычках и под оконными проемами, выпадение кирпичей, незначительное отклонение от вертикали и выпучивание стен Отклонение стены от в- ртикали в пределах помещения более высоты, прогиб стены до '/т длины деформи- руемого участка 41-50 Крепление стен поясами, рандбалками, тяжами и т п., усиление простенков
Массовые прогрессирующие сквозные трещины, ослабление и частичное Выпучивание с проги- бом более '/т длины 51-60 Перекладка до 50% объема стен, усиление и крепление остальных участков стен
Продолжение табл. 3.7
1 2 3 4
разрушение кладки, заметное искривле- ние стен деформируемого участка
Разрушение кладки местами - 61-70 Полная перекладка стен
Перекрытия из сборного железобетонного настнла
Трещины в швах между плитами Ширина раскрытия трещин до 2 мм 0-10 Расшивка швов
Незначительное смещение плит относи- тельно одна другой по высоте вслед- ствие деформаций, отслоение выравни- вающего слоя в заделке швов Смещение плит до 1,5 см. Повреждения на площади до 10% 11-20 Выравнивание поверхности потолка
Значительное смещение плит перекры- тий относительно друг друга по высоте, следы протечек в местах опирания плит на наружные стены Смещение плит по высоте до 3 см По- вреждения на площади до 20% 21-30 Выравнивание п рхности потолка с установкой арматурных сеток, устрой- ство цемент но песчаных пробок в пустотах настила ие опорной части
Трещины в плитах, следы протечек или промерзай й на плитах и на стенах в местах опирания Ширина трещин до 1 мм 31-40 Укрепление мест опирания плит Заделка пустот в торцах в местах опирания на наружные стены
Поперечные трещи ы в плитах без оголения арматуры, прогиб Шири а трещин до 2 мм, Прогиб до ’/|М пролета 41-50 Усиление плит, заделка трещин
Глубокие попереч ые трещи ы с оголе нем арматуры, прогиб НИма трешиг болте 2 ми ПрстЛ до '/и пролета 51-60 Усиление плит и мест опирания, заделка трещин
Окончание табл. 3.7
3.7.3. Методики проведения осмотров и технической
диагностики зданий и конструкций
Предварительное обследование здания. Основной задачей пред-
варительного обследования здания являются определение обшего
состояния строительных конструкций и производственной сре-
ды, определение состава намечаемых работ и сбора исходных
данных, необходимых для составления технического задания на
детальное инструментальное обследование для подсчета стоимости
намечаемых работ и заключения договора с заказчиком.
Состав работ по предварительному заключению включает,
общий осмотр объекта; сбор информации об особенности реги-
она строительства; климатические и природ ио-гео логические
условия, сейсмичность региона и др.; общие сведения о здании,
время строительства, сроки эксплуатации; общие характеристики
объемно-планировочного и конструктивного решений и инже-
нерного оборудования; особенности технологии производства с
точки зрения их воздействия на строительные конструкции;
фактические параметры микроклимата или производственной
среды, температурно-влажностный режим, наличие агрессивных
к строительным конструкциям технологических выделений, све-
дения об антикоррозионных мероприятиях; гидрогеологические
условия участка и обшис характеристики грунтов оснований;
изучение материалов ранее проводившихся на данном объекте
обследований производственной среды и состояния строитель-
ных конструкций; изучение материалов по ранее проводившимся
работам по ремонту и усилению и восстановлению эксплуатаци-
онных качеств строительных конструкций.
На стадии предварительного визуального обследования дол-
жны быть установлены по внешним признакам категории тех-
нического состояния конструкций в зависимости от имеющих-
ся дефектов и повреждений. В зависимости от имеющихся де-
фектов и повреждений техническое состояние конструкцин может
быть классифицировано по четырем категориям согласно общим
признакам, приведенным в табл. 3.8.
Оценка технического состояния каменных конструкций по внеш-
ним признакам. При оценке технического состояния каменных
конструкций необходимо установить:
• процент уменьшения сечения в месте повреждения;
• стрелу отклонения или выпучивания стен, столбов и колец;
• степень развития трешин и других деформаций в повреж-
денной зоне конструкций;
149
Таблица 3.8
ОБЩАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМ ОБСЛЕДОВАНИИ ЗДАНИЙ
Категория состояния конструкций Общие признаки, характеризующие состояние конструкции
1 — нормальное Отсутствие видимых поврежден.й и трещин, свидетельствующих о снижен -и несущей способнос- ти конструкций. Выполняются условия эксплуатации согласно требованиям норм и проектной документа- ции. Необходимость в рамонтно-восстановительной работах отсутствует
II — удовлетвори- тельное незна ительные повреждт»ия на отдельных участках, имеются раковины, выбоины, волосные трещины Антикоррозионная защита имеет частичные повреж- дения. Обеспеч ваются нормальные условия эксплуатации Требуется текущий ремонт с устране- нием локальных повреждений без усиления конст- рукций
III — неудовлетво- рительное Имеются поврежде -ня, дефекты и трещины, свиде- тельствуют- е об ограничении работоспособности и снижении несущей способности конструкций Нарушены требования действующих норм, но отсутствует опасность обрушения и угроза безопас- ности работающих Требуется усил^ие и восстанов- ление несущей способности конструкций
ГУ — предаварийное или авар 'Иное Существующие по реждения свидетельствуют о непригодности конструкции к эксплуатации и об опасности ее обрушения, опасности пребывания людей в зоне обследуемых конструкций Требуются неотложн .е мероприятия по предотвращен ю аварий (устройство време ной крепи, разгрузка конструкций и т.п.). Требуется капитальней рамонт с усилением или зам ной поврежд ниых конструк- ций в целом или отдельных элементов
• качество кладки, ши р и ну и глубину ш вов;
• влажностное состояние кирпичных наружных стен;
• физике-механические свойства кладки, камня и раствора.
Основными внешними признаками отклонения или выпучи-
вания стены являются: смешение или выход из гнезд в камен-
ных стенах концов балок междуэтажных перекрытий, то же, стро-
пил, обрешетки фонарей, крыши и т.п., а также наличие верти-
кальных трешин, отслоение наружных стен от внутренних
поперечных, в местах взаимного примыкания. Отклонения стеи,
150
паже самые незначительные, можно обнаружить по наличию
трешин в штукатурке потолков около карнизов вдоль обследу-
емых стен. Протяженность таких трешнн в уровне этажа свиде-
тельствует о наличии отклонений стены в пределах того или иного
участка ее длины вдоль здания.
Установление величины отклонения, искривления или вы-
пучивания стены производится путем непосредственного заме-
ра ширины трещин в штукатурке потолков или величины сме-
шения балок в отношении гнезд в стенах, или замером трешин
в примыканиях отклонившихся наружных стен к поперечным,
или путем провешивания таких стен отвесом. В особо ответствен-
ных случаях или при значительной трудности провешивания от-
клонение стен от вертикали может быть установлено теодоли-
том или другими геодезическими инструментами.
При воздействии на каменные конструкции техногенных и
природных факторов (волны, взрыва, землетрясения) обследо-
ванию н замеру подлежат все видимые на глаз трешины, вклю-
чая волосные, как по ширине, глубине, так и по длине и распо-
ложению их на поверхности стен, колонн и столбов. Располо-
жение трешнн наносится на схемах или чертежах конструкций.
Особенно тщательно следует осматривать каменные неошту-
катуренные стены, так как трешины в них малозаметны на глаз.
При наличии штукатурки трешины обнаружить легче, но не-
обходимо иметь в виду, что нс всегда ширина и длина трешины
в штукатурке соответствуют размерам трешины в самой кладке,
Чтобы установить действительные размеры трещин в кладке,
штукатурку следует отбивать.
При определении качества кладки отмечаются внд и сорт
кирпича (красный, силикатный, пустотелые, пористые н т.п.),
а также вид раствора (цементный, сложный, известковый н т.п.).
Фактическая толщина горизонтальных швов кладки устанав-
ливается замером высоты 5—10 рядов кладки и соответствующим
подсчетом средних значений. Если в среднем толщина горизон-
тальных швов превышает 12 мм, то кладка считается понижен-
ной прочности и иеобхолимо вводить к допускаемым напряже-
ниям по нормам коэффициент снижения. Прочность кирпича
определяется по ГОСТ 24332-80. Определение прочности харак-
теристик раствора производится по ГОСТ 5802-86.
При повреждении кирпича под опорными участками перемы-
чек н поворота конца перемычки от изгибающего момента вслед-
151
ствие большого местного сжатия могут возникать сквозные на-
клонные трешины кирпичной кладки простенка, которые обра-
зуются, как правило, параллельно направлению действия сил от
приложенных нагрузок.
При обследовании армокаменных конструкций следует осо-
бое внимание уделить состоянию арматуры и защитного слоя
цементного раствора для конструкций с расположением арма-
туры с наружной стороны кладки.
Оценка пригодности состояния деревянных частей
зданий и сооружений
При расчете элементов деревянных конструкций и соедине-
ний по предельным состояниям первой группы должны выпол-
няться требования действующих норм проектирования — СНиП
11-25 «Деревянные конструкции». Расстановка соединительных
элементов в соединениях деревянных конструкций так же дол-
жна соответствовать указаниям раздела 5 СНиП 11-25.
При расчете элементов деревянных конструкций по предель-
ным состояниям второй группы прогибы конструкций ие дол-
жны превышать допустимых значений, представленных в СНиП
2.01.07. Деформации узловых сопряжений конструкций не дол-
жны превышать величии, указанных в СНиП 11-25.
После этого делается заключение о пригодности деревянных
частей зданий и сооружений к дальнейшей эксплуатации, а также
вырабатываются предложения по усилению конструкций и ме-
роприятия по их защите от биологического и энтомологическо-
го поражения, пожара и коррозии.
3.8. СПОСОБЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ
КОНСТРУКЦИЙ И ИНЖЕНЕРНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
3.8.1. Оценка состояния фундаментов
Краткая характеристика конструкций. В зависимости от гола
постройки, характеристики грунта, его свойств фундаменты могут
Т52
быть ленточные бутовые, ленточные сборные ил и монолитные,
столбчатые, свайные, в виде сплошной монолитной плиты
Повреждения фундаментов могут происходить по разным
причинам: недостаточное заглубление (меньше глубины промер-
зания); передача больших нагрузок, чем предусмотрено в про-
екте; отсутствие или нарушение гидроизоляции: изменение уровня
грунтовых вод; неоднородность и разнопрочность грунтов по
протяженности здания; неравномерность осадки здания; неис-
правность инженерных сетей; неудачное сопряжение основно-
го и пристроенного здания; морозиое пучение грунтов (в основном
глин) прн малых нагрузках на фундамент; изменение гидрогео-
логической обстановки вблизи фундамента здания и др
Повреждениями в эксплуатации являются:
• снижение несущей способности (обшие деформа ции, искри в-
ления, перекосы, вспучивания, прогибы, смешеиие свай в
плане, уменьшение поперечного сечения, обшие деформа-
ции ростверка, разрыв фундамента по высоте, расслоение
материала фундамента и др.). Для выявления причин не-
обходимо выявить дефекты — разломы, трещины, проги-
бы, искривления, нарушения защитного слоя, высолы, про-
мерзание в зоне стыков;
• нарушение защитных свойств (нарушение покрытий на сваях
и ростверках);
• нарушение герметичности (трещины н выпадение раствора
из стыков, увлажнение н разрушение бетона, промерзание
в зоне стыков и сопряжений).
При обследовании выполняют следующие работы: нсстедо-
ванис грунтов бурением: вскрытие контрольных шурфов, про-
верка наличия и состояния гидроизоляции, лабораторные ана-
лизы грунтов и воды, лабораторные исследования материала
фундамента, поверочные расчеты несущей способности оснований
и фундаментов.
Для определения марки материала фундамента берутся про-
бы для испытания на сжатие н изгиб ие менее 10 кирпичей из
разных участков фундамента. Для испытания бутового камня
отбирают не меиее 5 образцов с минимальной длиной образца
20 см. Для испытания бетонных фундаментов образцы бетона
вырубают в виде кериов диаметром 10 см минимальной длиной
12 см — не менее 5 штук.
»53
3.8.2. Опенка состояния наружных стен
Краткая характеристика конструкций. В зависимости от кон-
структивной схемы здания наружные стены могут быть несущими,
самонесущими и навесными. Наружные стены изготавливают из
различных материалов и конструкций: легких бетонов (кирпи-
ча, полистирол бетона), одно-, двух- и трехслойных панелей.
Зачастую наружные стены оштукатуривают и окрашивают.
Повреждения наружных стен могут происходить как от си-
ловых воздействий, так и под влиянием внешней среды. Исхо-
дя из требований к наружным стенам, как к несущим н ограж-
дающим элементам, нх повреждениями в эксплуатации могут
быть:
• потеря несущей способности (из-за перегрузки от постепен-
ного накопления повреждений или аварийных поврежде-
ний — взрыв, просадка грунта, землетрясение, ошибок в
проекте). Для определения причин разрушения необходи-
мо определить характеристики материала, конструкцию
узлов, соответствие проекту, проверить статическую схему
нагрузки до и после разрушения элемента;
• трещины (из-за роста напряжений на отдельных участках
элемента, осадки здания, под воздействием влаги вследствие
замораживания и оттаивания, коррозии арматуры и заклад-
ных частей, несоблюдения технологии штукатурных работ).
Для определения причин проводят визуальный осмотр,
выявляют дефектные участки, фиксируют направление тре-
шин, измеряют ширину их раскрытия, ставят маяки для
наблюдения за динамикой нх развития. Выявляют по ха-
рактеру расположения трешин причину их появления. Раз-
личают трешины осадочные, усадочные, температурные,
коррозионные и др. Кроме характера самих трещин выяв-
ляют признаки, подтверждающие воздействие того или иного
фактора. Усадочные трешины имеют вид беспорядочной
сетки на поверхности стены; при ширине раскрытия уса-
дочных трешин не более 0,3 мм состояние конструкции
считается удовлетворительным. Для выявления причин
силовых трешин необходимо проверить соответствие фак-
тических нагрузок проектным, а также определить проч-
ность материала стены. Температурные трещины возника-
ть
ют прн больших перепадах температуры стены, а связи в
панелях препятствуют перемещению. При отсутствии тем-
пературных швовтрешины возникают в перемычках и про-
стенках. а также в угяах оконных проемов. С помощью при-
боров систематически замеряя температуру и раскрытие
трешины. выявляют изменение ширины раскрытия от тем-
пературы. Коррозионные трешииы образуются в защитном
слое панели вследствие больших растягивающих напряже-
ний в бетоне, развивающихся из-за накопления ржавчины
на поверхности арматуры. Наличие коррозионных трещин
свидетельствует об агрессивности среды и может привести
к полному разрушению защитного слоя. Вследствие повреж-
дений панелей может измениться схема приложения на-
грузок. С уменьшением толщины панели увеличивается ее
гибкость, поэтому следует провести проверку на продоль-
ный изгиб. Прн дефектах .монтажа или вследствие разру-
шения опорных участков стены увеличивается эксцентри-
ситет приложения продольной силы. При таком дефекте
также проводят проверочный расчет;
отклонения от вертикали— выявляются инструментальным
способом;
протечки стен и стыков— свидетельствуют об имеющихся
трещинах в панелях, стыках, сопряжении илн неплотном
примыкании оконных блоков к проемам. Для определения
причин проводятся следующие работы: выявляют участки
с повышенной воздухопроницаемостью; отбирают пробы
материала стены для определения влажности; вскрывают
конструкцию для оценки состояния арматуры и закладных
деталей в местах увлажнения, оценивают состояние герме-
тизирующих материалов;
промерзание стен и стыков — является следствием недоста-
точного утепления, оседания утеплителя, нарушения его
структуры под действием температурно-влажностных де-
формаций; в панельных зданиях за счет устройства ребер
жесткости из материала более плотного, чем это преду-
смотрено проектом, а также наличия теплопроводных вклю-
чений; переувлажнения (повышенная начальная или
эксплуатационная влажность); протечек; нарушения теп-
лоизоляции чердачного перекрытия. Для выявления при-
155
чин необходимо: провести зондирование дефектов на сте-
не или стыке с отбором проб для оценки структуры и влаж-
ности материала и толщины слоев, выполнить вскрытие про-
мерзающих участков для оценки состояния узлов сопряжения
панелей, определить сопротивление теплопередаче повреж-
денного элемента и сравнить его с требуемым по нормам.
3.8.3. Оценка состояния перекрытий
Краткая характеристика конструкций. В зависимости от при-
нятых конструктивных схем перекрытия опираются на продоль-
ные или поперечные стены, а также на железобетонные ригели,
металлические или деревянные прогоны. В массовом полносбор-
ном строительстве применяют многопустотные настилы с обыч-
ной или предварительно напряженной арматурой толщиной 160-
220 мм. Другим видом являются плиты размером на комнату, их
изготавливают сплошными одно- и многослойными, ребристы-
ми, с ребрами, обращенными вверх или вниз. Толщина таких плит
120, 140, 160 мм. Ребристые плиты с ребрами вверх изготавли-
вают с ребрами в двух направлениях и применяют чаще всего в
чердачных перекрытиях. Плиты с ребрами вниз чаше применя-
ют в перекрытиях с раздельными потолком. В ряде конструкций
укладывают две плиты: ребрами вверх и ребрами вниз, образуя
гладкий пол и потолок.
Повреждения междуэтажных перекрытий приводят к сниже-
нию прочности, треши постой кости, развитию деформаций, на-
рушению звукоизоляции, а чердачных и подвальных — к про-
течкам и промерзаниям. К дефектам перекрытий можно отнести:
• потерю несущей способности вследствие перегрузки или ава-
рийных воздействий;
• прогибы, свидетельствующие о снижении жесткости или
проявлении отдельных скрытых дефектов плит. Для выяв-
ления причин измеряют прогибы, выявляют трещины, их
направление, измеряют ширину раскрытия трещин, опре-
деляют положение рабочей арматуры н прочность бетона,
обследуют верхнюю поверхность плиты в целях выявления
дополнительных нагрузок. Для фиксации динамики роста
прогибов проводят повторные замеры через каждые шесть
месяцев;
156
• трещины с шириной раскрытия более 0,3 мм не сопровож-
даются прогибами. Необходимо оценить вскрытием состо-
яние бетона и арматуры, особенно в помещениях с повы-
шенной влажностью (кухни, санузлы). Определить харак-
тер трещин: усадочные, коррозионные или силовые. Си-
ловые трещины могут быть от неравномерной осадки фун-
дамента, связаны с деформациями здания. Особо опасны
трещины поперек рабочего пролета балочных плит;
• понижение звукоизоляции из-за образования трещин или раз-
рушения звукоизоляционных прокладок. При обследова-
нии следует определить показатель звукоизоляции дефектных
конструкций от ударного звука;
• протечки и промерзания крыш. Выя вляются визуальн ым ос-
мотром, измерением уклона, взятием пробы утеплителя с
проверкой его толщины, плотности и влажности.
3.8.4. Оценка состояния железобетонных элементов
балконов, лоджий, козырьков н лестниц
Краткая характеристика конструкций. Наибольшее распро-
странение получили сборные железобетонные конструкции бал-
конов и лоджий. Консольные плиты балконов жестко заделывают
в стену путем сварки закладных деталей и защемления стеновыми
панелями верхних этажей. Длина плит 3-3,5 м. вынос 80-110 см.
толщина 8-14 см. Плита лоджии опирается на боковые стенки,
а в некоторых типах домов защемлена в наружную стену. Раз-
меры плит 3-6,5 м, ширина 120 см, толщина 14—22 см. Козырь-
ки над входами представляют собой железобетонную сплошную
или ребристую плиту, заделываемую консольно в стену или
опирающуюся на боковые стенкн. Лестницы выполняются из ук-
рупненных железобетонных элементов маршей и площадок. В ста-
рых домах они выполнены из наборных ступеней по металли-
ческим косоурам. Ширина маршей 1—1,2 м. Ступени устраива-
ют сплошными или с накладными проступями. Лестничные
плошадки в полносборных зданиях выполняют шириной 1,2— 1.4 м
С ребрами по контуру и толщиной 15—20 см с высотой ребра до
30 см, с облицовкой керамической плиткой.
При обследовании балконов н других выступающих частей
необходимо выявить и измерить деформации, ширину раскры-
157
тия трещин, протечки и промерзания в местах примыкания к
стенам. При необходимости провести вскрытия для оценки со-
стояния арматуры и бетона, определить несущую способность
плиты. Для оценки состояния лестниц осмотреть заделку лес-
тничных площадок в стены, опор лестничных маршей, задел-
ку ограждения, выявить трешины на поверхности площадок и
маршей, определить их характер и измерить ширину раскры-
тия. Для лестничных маршей, имеющих трещины, измерить
прогиб. Характер трешин балконных плит аналогичен характеру
трешин перекрытий. Особое внимание следует обращать на
трещины, расположенные поперек рабочего пролета плиты, а
для консольных балконных плит — на трешины в местах заделки
плиты в стену.
3.9. РАСЧЕТ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
3.9.1. Оценка физического износа отдельных участков
конструктивного элемента
Для определения физического износа конструкций обследу-
ют отдельные участки, имеющие разную степень износа. Физи-
ческий износ отдельных конструкций, элементов, систем нли их
участков следует оценивать путем сравнения признаков физи-
ческого износа, выявленных в результате визуального и инстру-
ментального обследования, с их значениями, приведенными в
ВСН 53-8б(р) «Правила оценки физического износа жилых зда-
ний».
Физический износ конструкции, элемента или системы, име-
ющих различную степень износа отдельных участков, следует
определять по формуле
м
тае -физический износ конструкции, элемента или системы, %\
Ф, — физический износ участка конструкции, элемента или сис-
J5S
темы, определяемый по ВСН,%; Р, — размеры (плошадь или дли-
на) поврежденного участка, м или м2; Рк — размеры всей конст-
рукции, м или м2; л — число поврежденных участков.
Если конструкция, элемент, система или их участок имеют
признаки износа, соответствующие определенному интервалу его
значений, то физический износ следует принимать равным верх-
ней границе интервала. Если в конструкции, элементе, системе
или их участке выделен только один из иескольких признаков
износа, то физический износ следует принимать равным ниж-
ней границе интервала. Если в таблице интервалу значений фи-
зического износа соответствует только один признак, физичес-
кий износ конструкции, элемента, системы или их участков, его
следует принимать по интерполяции в зависимости от размеров
или характера имеющихся повреждений. Численные значения
физического износа округляются до 10%.
Пример. Требуется оценить физический нзнос отдельного
участка каркасных стен.
При обследовании деревянных сборно-шитовых стен выяв-
лены следующие признаки износа: первый участок — искривле-
ние линии цоколя, щели между щитами, гниль в отдельных ме-
стах, перекос щитов, повреждения на плошали около 30%. Вто-
рой участок — заметное искривление цоколя, гнили и других
повреждений нет; третий участок — щели между щитами, повреж-
дение древесины гнилью на площади до 30%.
Решение. Прн оценке физического износа в соответствии с ВСН
принимаем: первый участок — 40% (наличие всех признаков для
интервала 31—40%); второй участок — 31% (наличие одного из
приведенных признаков для того же интервала), округляем до
30%; третий участок — 35%.
3.9.2. Оценка физического износа конструкций
нз различных материалов
Для слоистых конструкций — стен и покрытий — следует при-
менять системы двойной оценки физического износа: по техни-
ческому состоянию и сроку службы.
Физический износ слоистой конструкции по сроку службы
следует определять по формуле
159
ФС=ХФЛ.
£l
где Фс — физический износ слоистой конструкции, %; Ф, — физи-
ческий износ материала слоя, определяемый в зависимости от срока
эксплуатации данной слоистой конструкции, %; Kf— коэффици-
ент удельных весов отдельных слоев.
Физическим износ внутренних систем инженерного оборудо-
вания здания в целом определяется по таблицам иа основании
оценки технического состояния элементов, составляющих эти
системы. Если в процессе эксплуатации некоторые элементы
системы были заменены новыми, физический износ системы
уточняется расчетным путем на основании сроков эксплуатации
отдельных элементов по специальным графикам. За окончатель-
ную оценку принимается большее из значений.
Физический износ системы определяется как сумма средне-
взвешенного износа. Физический износ газового и лифтового
оборудования определяется в соответствии со специальными
нормативными документами. При оценке физического износа
конструкций, элементов и систем, не указанных в ВСН, следу-
ет пользоваться данными наиболее близких аналогов.
Пример. Требуется определить физический износ трсхслой-
ных панельных стен толщиной 35 см с утеплителем из цемент-
ного фибролита в доме со сроком эксплуатации 18 лет. В соот-
ветствии с указанием ВСН определяем физический износ пане-
ли по техническому состоянию и по сроку службы.
Решение. 1. Получены результаты: 40% панелей имеет износ
35% и 70% — 20%. Физический износ всех панелей определяет-
ся по формуле
Фк= 35 - 30/100 + 20 • 70/100 - 24,5% - 25%.
2. Оценка по сроку службы
Срок службы железобетонных слоев принимаем 100 лет, тог-
да при сроке эксплуатации 18 лет получим физический износ
железобетонных слоев 23%.
Срок службы цементного фибролита в трехслойной панели
принимаем 40 лет. Физический износ составит 35%.
160
Определяем коэффициент удельных весов слоев по восстано-
вительной стоимости: “ 0,38 (оба слоя); 0,62
По вышеприведенной формуле определяем физический износ
Фс - 23 0,38 + 35 0,62 = 30,44% = 30%.
В соответствии с рекомендациями принимаем физический
износ по большему значению, т.е. 30%.
3.9.3. Физический износ здания в целом
Физический износ здания следует определять по формуле
/-г
где Ф, — физический износ здания, %; Фк — физический изиос от-
дельной конструкции, элемента или системы, %; £, — коэффици-
ент, соответствующий доле восстановительной стоимости отдельной
конструкции, элемента или системы в обшей восстановительной
стоимости здания: л — число отдельных конструкций, элементов
или систем в здании.
Доли восстановительной стоимости отдельных конструкций,
элементов и систем в обшей восстановительной стоимости зда-
ния (%) принимают по укрупненным показателям восстанови-
тельной стоимости жилых зданий, утвержденным в установленном
порядке, а для конструкций, элементов и систем, не имеющих
утвержденных показателей, — по их сметной стоимости. Усред-
ненные доли восстановительной стоимости укрупненных кон-
структивных элементов здания приведены в приложении ВСН.
Численные значения физического износа следует округлять до
1% для здания в целом.
Пример. При обслсдовчнии крупнопанельного 5-этажного
жилого дома проведена оценка физического износа всех конст-
руктивных элементов н получены данные по оценке физического
износа газового оборудования.
Решение. Определяем удельные веса по восстановительной
стоимости укрупненных конструктивных элементов. Результа-
ты оценки физического износа элементов и систем, а также оп-
ределения их удельного веса по восстановительной стоимости
сводятся в табличную форму.
161
Н именование элементов здания Удельные веса укрупнен- ных конструк- тивных элемен- тов,% Удельные веса каждого элемента по твбл, вен, % Расчетный удельный вес элемента, % L, 100 Физический износ элементов здания, %
по резуль- татам оценки Ф, средне- взвешенное значение физическо- го износе
Фундаменты 4 4 10 0.4
Стены 43 86 37 15 5.55
Перегородки 14 6 20 1.2
Перекрытия 11 - 11 10 1.1
Крыша 7 75 5,25 35 1.8
Кровля 25 1,75 40 0.7
Полы 11 - 11 30 3.3
Окне 6 48 2.88 15 0.43
Двери 52 3.12 20 0.62
Отделочные покрытия 5 - 5 50 2.5
Внутренн-е сантехни- ческие и злектротех- нич.сиие устройства 10
В том ч-*сле
Отопление 1.7 1.7 40 0.68
Холодное водоснабжение 0.4 0.4 25 0.1
Горячее водоснабжение 0,5 0.5 40 0.2
Канелизаиня 3.6 3.6 30 1.08
Газоснабже ие 1.1 1.1 15 0,17
Электроснабжение 2.7 2.7 15 0.4
Прочив 3
Дестн цы - 31 0,93 20 1,86
Балконы 24 0,72 20 0.14
Остальное - 45 1,35 - -
100 100 Ф,=22.27
Физический износ здания составляет 22%
Полученный результат округляем до 1.
162
ЗЛО. АМОРТИЗАЦИЯ и износ основных
ФОНДОВ
Амортизация — постепенное перенесение (или восполнение
потерь) стоимости основных фондов по мере их физического и
морального износа на стоимость здания. Восполнение потерь
происходит путем создания амортизационного фонда за счет
периодических отчислений в определенном процентном отно-
шении к стоимости объекта. По истечении определенного вре-
мени здание теряет значительную часть своей стоимости и ста-
новится непригодным к дальнейшей эксплувтаиии.
Физический износ определяют в процентах и рублях. Физи-
ческий износ — среднее арифметическое значение износа отдель-
ных элементов здания (фундамент, стены, перекрытия, крыша,
кровля, пол, окна, двери, отделочные работы, внутренние сан-
технические и электротехнические устройства и прочие элементы,
лестницы, балконы). Если здание отслужило свой нормативный
срок, то физический износ определяется так:
Иф„,= 1„ори/100(Гня,и+ДГ),
где А/определяется инструментальным или экспертным путем
Иф„ = 1/100.
Для приблизительной оценки износа пользуются сопоставле-
нием фактического срока службы здания с расчетным сроком
службы:
Иг,„ = ('ф,.,/'„„pj- 100.
Этот способ неточен, так как не всегда сохраняется линей-
ная зависимость износа от срока службы здания. Поэтому необ-
ходимы инженерные обследования.
Износ зданий определяется несколькими способами:
• прямолинейным или равномерным, применяемым ко всем
основным фондам;
• среднеарифметическим взвешенным.
При прямолинейном способе начисляется размер амортиза-
ционных отчислений в течение всего срока службы здания рав-
ными долями. Ежегодная сумма амортизационных отчислений
определяется при помощи годовых амортизационных норм на
реновацию.
/63
Реновация — полное восстановление изношенного здания или
сооружения за счет нового строительства. Существует показатель
«балансовая стоимость», который включает понятия: первоначаль-
ная стоимость, остаточная стоимость н восстановительная сто-
имость.
Первоначальная стоимость — сумма всех денежных затрат,
связанных с созданием или приобретением основных фондов,
включая расходы на транспортирование, монтаж н установку
оборудования в условно-постоянных ценах года приобретения или
строительства. Первоначальная стоимость понимается как сум-
ма цены приобретения и стоимости собственных затрат. Сто-
имость строения непрерывно возрастает во времени По перво-
начальной стоимости основные фонды принимаются нв баланс
организацией, которая их приобретает или которой они переда-
ются безвозмездно, и числятся там вплоть до их ликвидации или
переоценки.
Остаточная стоимость понимается как разница между пер-
воначальной стоимостью и суммой начисленных амортизацион-
ных отчислений на полное восстановление. Раньше амортизация
на полное восстановление начислялась прямолинейно в процентах
от первоначальной стоимости. Сейчас наряду с этим методом
рекомендуются еще три метода, и все они непрямолинейные.
Прямолинейные и нспрямолинейные методы основаны на общем
принципе: к окончанию эксплуатации объекта сумма начисленной
амортизации должна равняться первоначальной стоимости, т.е.
сумме, достаточной для приобретения точно такого же нового
объекта. Другими словами, на момент завершения эксплуатации
объекта его остаточная стоимость должна быть равна нулю, а на
любую дату начисления амортизации сумма амортизации и
оствточной стоимости равна первоначальной стоимости.
Восстановительная стоимость — это сумма затрат в денеж-
ном выражении, которую требуется израсходовать на приобре-
тение или сооружение тех же основных фондов в современных
условиях с учетом новых прогрессивных условий производства
по современным ценам. Прн такой трактовке первоначальная
стоимость, по существу, совпадаете восстановительной. Поня-
тие «современные условия» теряют смысл без привязки к конк-
ретной дате. По решению правительства производят переоцен-
ку основных фондов и определяют стоимость по действующим
в момент переоценки ставкам, ценам, тарифам. Такая стоимость
164
называется восстановительной, и по результатам переоценки
основных фондов вносят изменения в баланс; соответственно
балансовая стоимость может быть и восстановительной стоимо-
стью. Переоценки основных фондов проводились в 1972—1973 гг.
Тогда же были разработаны сборники укрупненных показателей
восстановительной стоимости (УПВС). С 1972 по 1992 г. пере-
оценка нс проводилась. Затем в связи с инфляцией переоценка
стала ежегодной. Принцип переоценок строений, проводимых
в период с 1992 по 1997 г., оставался прежним: определением
поправочных коэффициентов к первоначальной стоимости. Пре-
образование первоначальной стоимости в восстановительную по
любым правилам и на любые даты графически можно предста-
вить в виде лестницы со ступеньками как вверх, так и вниз.
Лестница, ведущая вверх, указывает на инфляцию денег илн
деноминацию труда. Лестница, ведущая вниз, указывает на ин-
фляцию трудв или на деноминацию денег.
Восстановительная стоимость позволяет внести единообразие
в оценку однотипных основных фондов, созданных в разное время,
и правильно отразить состав фондов в денежном выражении.
Действительная стоимость отражает состояние основных фон-
дов в момент опенки, учитывая, насколько они износились за
срок, истекший с момента их создания или приобретения. Дей-
ствительная стоимость является разностью балансовой (восста-
новительной) стоимости и стоимости износа или разностью между
первоначальной стоимостью н суммой затрат, вызванных изно-
сом и восстановлением конструктивных элементов и инженер-
ных систем. Действительная стоимость — это цена объекта за
минусом затрат на его ремонт. Цена — денежное выражение те-
кущих и будущих выгод. Поэтому действительную стоимость
лучше называть ценой, так как она отражает нс сумму затрат,
а сумму «оставшихся» выгод от эксплуатации объекта.
Физический износ объекта имеет абсолютное (руб.) и отно-
сительное (%) выражения, являющиеся функцией двух перемен-
ных. С одной стороны, износ определяется степенью износа, т.е.
тем или иным набором признаков износа, а с другой — тем со-
стоянием объекта, равным единице, до уровня которого следу-
ет «подтянуть» оцениваемый объект. Стоимость объекта по ве-
личине соответствует нижней границе цены для ликвидного и
верхней границе цены для неликвидного объектов.
165
Следовательно, повышение качества путем ремонта объекте
следует рассматривать как повышение его натуральной ценнос-
ти и ее денежного выражения (цены).
Си-СН^/100,Руб„
где Си — стоимость износа здания, руб.; Св — восстановительная сто-
имость здания, руб.; Нр^д — годовая норма амортизационных от-
числений на реновацию, %; —Фактическое число лет службы,
не считая года постройки или приобретения.
Здесь не нашло отражения то обстоятельство, что дом пред-
ставляет собой комплекс многих неравнопрочных конструктивных
элементов, износ которых происходит неравномерно. Не учте-
но также, что полная замена разновременно выбывших конст-
рукций замедляет процесс разрушения, так как периодически
происходит частичное обновление элементов здания.
Среднеарифметический взвешенный способ определения из-
носа здания применяется в инвентаризационной практике. Этот
метод предполагает, что известна сумма затрат на устранение
признаков износа какого-либо одного элемента (фундамента, стен
и др.) и известна доля этих затрат в общей сумме затрат на уст-
ранение износа объекта. Определяя по доле затрат всю сумму,
процент износа выводится из ее отношения к восстановитель-
ной стоимости объекта. Точность расчета износа с помошью
«Правил оценки физического износа жилых зданий* 1987 г. к кон-
кретному единичному зданию невелика. Правила разрабатыва-
лись для определения износа всего жилищного фондв путем
ежегодной инвентаризации 20% всех жилых строений.
В любой момент срока службы здания необходимо определять
степень износа здания, выраженную либо в процентах, либо в
денежной форме. Износ необходимо определять для:
• учета изменения структуры и действительной стоимости зда-
ния;
• нахождения целесообразного срока проведения капиталь-
ных ремонтов или реконструкции здания;
• установления времени сноса здания;
• определения размера амортизационных отчислений, ном и-
нально накопленных к данному моменту, так как степень
износа зданий в денежном выражении определяет размер
амортизационных отчислений. Эта сумма лимитирует за-
траты на производство капитальных ремонтов и модерни-
зацию зданий.
166
4
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
КОНСТРУКЦИЙ
4.1. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Старение и износ конструкций и инженерного оборудования
приводят к изменению их функциональных параметров. В отдель-
ных конструкциях и элементах инженерного оборудования мо-
гут насчитываться десятки параметров, определяющих их техни-
ческое состояние. В целом в здании или сооружении количество
параметров так велико, что сложно сделать какое-либо заклю-
чение об их техническом состоянии. Поэтому на практике стре-
мятся использовать укрупненные показатели, с помощью кото-
рых можно было бы судить о техническом состоянии объекта.
Наиболее широко используемым обобщенным показателем тех-
нического состояния здания и его элементов является физичес-
кий износ. Он определяется путем сравнения признаков, выяв-
ленных при визуальном нли инструментальном обследовании,
с характерными признаками, приведенными в специальных
таблицах. Однако оценка состояния здания на основании физи-
ческого износа во многих случаях бывает недостаточной. Во-пер-
вых, прн такой оценке сложно спрогнозироввть дальнейшее из-
менение состояния здания. Во-вторых, проводимые планово-
предупредительные ремонты во многих случаях ликвидируют
внешние признаки развития дефектов и неисправностей, особенно
в начальной стадии.
Любое здание или сооружение должно отвечать определенным
требованиям (техническим, экономическим, экологическим
и т.п.). Поэтому о состоянии объекта можно судить по тому, со-
ответствует ли он предъявляемым к нему требованиям или нет,
а также насколько реализуется такое соответствие (в процентах,
в долях единиц и т.п.). В последнее время такая оценка находит
167
все более широкое применение. В основе ее лежит теория на-
дежности.
Здание или сооружение предназначено для выполнения сво-
их функций в течение длительного времени. Отсюда возникает
проблема, состоящая в прогнозе отказов и управления режимом
эксплуатации для получения экономического, социального и
экологического эффекта на протяжении всего периода эксплуа-
тации объекта.
Заменяя и восстанавливая конструктивные элементы и ин-
женерное оборудование, с одной стороны, можно обеспечить
сколь угодно долгий срок их эксплуатации. С другой стороны,
чем большее время элементы здания подвергаются воздействию
внешних факторов, тем больше вероятность того, что они дос-
тигнут предельного состояния и произойдет отказ в их функ-
ционировании. Поэтому важно уметь прогнозировать измене-
ние свойств конструкций и инженерного оборудования во вре-
мени, по текущему состоянию, условиям эксплуатации и момент
наступления предельного состояния. С помощью теории надеж-
ности возможно’
• разработать рациональную систему контроля за состояни-
ем элементов здания и системы поиска неисправностей. Для
достижения заданного уровня надежности параметров объек-
та определить полноту и глубину контроля, последователь-
ность проверки элементов при отказе какой-либо части
объекта, выработать рекомендаций по целесообразности при-
менения контроля:
• разработать стратегию восстановления (проведения плановых
капитальных ремонтов) конструктивных элементов и ин-
женерного оборудования, учитывающую социальные, эко-
номические факторы;
• определить периодичность и объем профилактических ме-
роприятий и регламентированных обслуживаний (в первую
очередь это относится к инженерному оборудованию);
• обосновать требуемую комплектацию запасными частями,
элементами и материалами;
• оценить целесообразность различных режимов функцио-
нирования объектов и их инженерных систем (допустимо-
сти и параметров перерывов функционирования при ава-
риях и выполнении плановых работ и т д.);
168
• определить техническое состояние конструкций на любой
момент времени и сделать прогноз об его изменении в даль-
нейшей эксплуатации.
При оценке технического состояния эксплуатирующихся кон-
струкций часто возникает необходимость выполнить расчетную
проверку их параметров в реальных условиях. Здесь могут быть
учтены расчетные ситуации следующих типов:
• установившиеся, имеюшие продолжтггельность того же по-
рядка, что и срок службы строительного объекта (напри-
мер, эксплуатация между двумя последовательными капи-
тальными ремонтами или изменениями технологического
процесса);
• переходные, имеюшие небольшую по сравнению со сроком
службы строительного объекта продолжительность (напри-
мер, возведение здания, капитальный ремонт, реконструк-
ция);
• аварийные, имеюшие малую вероятность появления и не-
большую продолжительность, но являющиеся весьма важ-
ными с точки зрения последствий достижения предельных
состояний возможных при них (например, ситуация, воз-
никающая в связи со взрывом, аварией оборудования, по-
жаром, а также непосредственно после отказа какого-ни-
будь элемента конструкции).
На этапе от разработки и изготовления опытных образцов
новых конструкций и материалов до массового их применения
теория надежности позволяет планировать испытания, оценивать
надежность сложного комплекса по результатам его испытаний,
разрабатывать экономические планы контроля надежности.
4.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ
Понятие •надежность* и методы расчета ее показателей мо-
гут применяться как ко всему зданию или сооружению в целом,
так и к его отдельным частям, конструкциям, инженерным си-
стемам и элементам. Если требуется определить потребность в
запасных элементах или материалах при эксплуатации здания,
то выполняется оценка надежности отдельных элементов, напри-
мер кровли, водоразборной арматуры и т.п. Когда необходимо
169
определить какие-либо эксплчатацпонные свойства здания, на-
пример тепловой режим, выполняется опенка надежности це-
лого комплекса объектов — системы теплоснабжения, ограж-
дающих конструкций н эксплуатируемых помещений. При ка-
чественном сравнении различных вариантов проекта здания
можно выполнить оценку их надежности как по принципиаль-
ным вопросам (прочность, ограждающие свойства и т.п.), так
и здания в целом.
Таким образом, выбор объекта исследования надежности за-
висит от решаемой задачи. При этом следует иметь в виду, что
при рассмотрении системы конструкций, оборудования или эле-
ментов каждый из них является восстанавливаемым, т.е. даже
полная непригодность отдельного или нескольких элементов для
дальнейшей эксплуатации не означает, что все здание или со-
оружение прекращает свое существование. Элемент выводится
из системы, заменяется новым, и процесс функционирования
объекта продолжается.
Надежность — это свойство объекта выполнять свои функ-
ции в течение заданного промежутка времени, сохраняя расчетные
эксплуатационные показатели.
В процессе эксплуатации объект по каким-либо причинам (из-
за отказа, во время ремонта и т.п.) может временно не выпол-
нять свои функции. Поняше «надежность» определяет, насколько
объект способен в полном объеме выполнять свои функции.
Поскольку объект функционирует во времени, то понятие «на-
дежность» определяет величину (долю времени) исправного фун-
кционирования объекта за весь период его эксплуатации.
Надежность здания или сооружения формируется с момента
проектирования до завершения эксплуатации. На каждом этапе
в формировании надежности объекта участвует множество фак-
торов. основные из которых приведены на рис. 4.1.
Надежность объекта можно оценивать в конкретный момент
времени или на произвольном временном интервале. Единовре-
менная оценка надежности необходима в тех случаях, когда нужно
сделать заключение о текущем состоянии объекта или сравнить
между собой характеристики аналогичных объектов. Во всех
других случаях надежность объекта рассматривается на заданном
промежутке времени, в качестве которого часто принимают рас-
четный или нормативный (средний) срок службы объекта.
170
Рис. 4.1. Структурная схема фа» торса, влияющих на надежность здан А и сооружи «й
При проектировании объекта обязательно определяются и
нормируются его эксплуатационные характеристики — потреб-
ление энергии, эксплуатационные затраты и т.п. Однако из-за
ошибок при возведении и монтаже объектов и прн неправиль-
ной их эксплуатации фактические эксплуатационные характери-
стики могут отличаться от проектных. Например, нерегулярная
промывка систем отопления приводит к «зарастанию» системы —
уменьшению проходного сечения трубопроводов, уменьшению
объемов отопительных приборов. Для того чтобы обеспечить
проживающих необходимым тепловым комфортом, эксплуата-
ционные службы компенсируют увеличение гидравлического
режима и уменьшенные поверхности обогрева увеличением рас-
хода теплоносителя, завышением мощности циркуляционных на-
сосов или повышением температуры теплоносителя. Это приводит
к повышенному по сравнению с расчетным расходом теплоты и
электроэнергии. С одной стороны, жители обеспечены требуе-
мыми тепловыми условиями, т.е. система отопления выполняет
свою основную функцию. Но прн этом происходит перерасход
энергетических ресурсов. С другой стороны, объект выполняет
свои функции, не сохраняя заданные эксплуатационные пока-
затели. В таких случаях можно говорить, что система отопления
ненадежна.
Процесс эксплуатации объекта можно представить в виде
последовательных временных интервалов (рис. 4.2), где функ-
ционирование объекта в полном объеме сменяется временным
прекращением выполнения своих функций. За весь рассматри-
ваемый период эксплуатации участь времени 22 4 объект пол-
м
л-1 л
ностъю выполняет свои функции, а часть времени 22г’< “ fc “ 224
м j-i
функционирование объекта в полном объеме не происходит.
Из определения надежности можно получить формулу для ком-
плексной количественной оценки надежности объекта:
Z4
--
(4.2)
172
Рис. 4.2. Процесс эксплуатации объекта
В приведенной формуле Кт называется коэффициентом готов-
ности объекта, который показывает долю времени выполнения
объектом своих функций в полном объеме за весь расчетный
период эксплуатации.
При оценке надежности сложных объектов, выполняющих свои
функции для многих потребителей, применение коэффициента
готовности в том виде, в котором он представлен в формуле (4.2),
может оказаться затруднительным. В таких случаях используют
преобразованный вариант коэффициента готовности, учитыва-
ющий количество потребителей, для которых объект в полном
объеме выполняет свои функции, а также продолжительность
невыполнения функций у отдельных потребителей:
к- '< -Ея/»
К, -----. 0.3)
где /V—общее число потребителей, обслуживаемых объектом; te— рас-
четный период; и, — число потребителей, для которых объект ие
выполнял в полном объеме своих функций; /,{ — продолжитель-
ность каждого невыполнения объектом своих функций; m — ко-
личество случаев за расчетный период, кода объект ис выполнял
своих функций для каких-либо потребителей.
173
Пример. Система водоснабжения обслуживает 6000 потреби-
телей. В течение года 480 раз выполнялся ремонт водоразборной
арматуры, продолжительностью 45 мин, 1 раз водоснабжение было
остановлено из-за необходимости замены повысительного насоса
на 6 ч, 12 раз отключались по 220 потребителей из-за необходи-
мости замены участков трубопроводов на 1,5 ч. Требуется опре-
делить коэффициент готовности системы водоснабжения за рас-
четный период.
Решение. Сумма в числителе уравнения (4.2) с учетом пере-
вода времени в одни единицы (год) будет
ffl 480 дг I г 12 1 г
s^^^’Tra^6000 ^?220 ^^-61-
Тогда коэффициент готовности системы водоснабжения по
формуле (4.2)
6000 1-4,61
к' ------ЛЧ----------ёоооТ~ ’
т.е. из 10 000 случаев система водоснабжения не выполняет свои
функции 8 рвз.
Понятие «надежность» основывается на понятиях «работо-
способность», «исправность», «отказ» и «предельное состояние
объекта».
Работоспособность — это такое состояние объекта, при котором
он способен выполнять свои функции, сохраняя во времени зна-
чения основных параметров в пределах, установленных норма-
тивно-технической документацией.
Исправность — это такое состояние объекта, прн котором он
полностью соответствует всем требованиям, установленным нор-
мативно-технической документацией, включая требования под-
готовки объекта к эксплуатации.
Ключевое понятие в теории надежности — «о/икоз», событие,
заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Отказы
возникают в случайные моменты времени, т.е. являются случай-
ными величинами, но причины их возникновения связаны с
определенными физическими и физико-хнмическнми процесса-
ми, происходящими в материале конструкций н зависящими от
их свойств и воздействия внешних условий.
174
Отказы бывают постепенными и внезапными. Постепенный
отказ характеризуется постепенным изменением параметров
объекта, вызванным их старением и износом. Внезапные отказы
характеризуются скачкообразным изменением параметров объекта
Как правило, они связаны с непредвиденными внешними воз-
действиями — взрывами, пожарами, наводнениями и т.п.
Во многих случаях для правильного определения и исследо-
вания надежности объекта следует как можно полнее рассмот-
реть все характеристики отказа. Для этого существует их клас-
сификация: по возможности использования объекта после отказа
(полный или частичный отказ); по связи между отказами отдель-
ных частей и элементов объекта (зависимый — независимый);
по природе происхождения (естественный — искусственный);
по наличию внешних признаков (очевидный — скрытый); по воз-
можности устранения (устранимый — неустранимый); по влия-
нию на работоспособность (устойчивый — самоустраняющийся);
по причине возникновения (конструктивный, производственный,
эксплуатационный); по времени возникновения (при испытаниях,
в период приработки, в период нормальной эксплуатации, в по-
следний период эксплуатации) и т.д.
Предельное состояние — это такое состояние объекта, соответ-
ствующее технической невозможности или нецелесообразности
его дальнейшей эксплуатации, обусловленное требованиями без-
опасности или неустранимым снижением эффективности. Пре-
дельное состояние конструкций и инженерного оборудования
наступает, когда их дальнейшая эксплуатация невозможнв или
нецелесообразна вследствие следующих причин:
• становится невозможным поддержание безопасности объекта
или эффективности на минимально допустимом уровне;
• в результате износа и старения объект пришел в такое со-
стояние, при котором его ремонт требует недопустимо боль-
ших затрат или не обеспечивает необходимой степени ис-
правности или восстановления ресурса.
Понятие «предельное состояние» относится к конструкциям
и оборудованию здания. Предельное состояние здания или со-
оружения в целом исключается ремонтами и постепенной заме-
ной отдельных элементов. Система ремонтов осуществляется
таким образом, что ресурс здания или сооружения восстанавли-
вается частями, по мере достижения отдельными конструкция-
ми и оборудованием заданной наработки или предельного состоя-
ния.
175
Предельное состояние может наступить до потери объектом
работоспособности, например, когда дальнейшая эксплуатация
объекта не может продолжаться по соображениям безопасности
его функционирования или по истечении нормативного межре-
монтного периода. Вместе с тем потеря работоспособности мо-
жет произойти до наступления предельного состояния. Такая
ситуация может возникнуть при устранимом повреждении
объекта.
Комплексный показатель надежности — коэффициент готов-
ности позволяет выполнять общую оценку объекта и сравнивать
объекты между собой, но не вскрывает причины, почему объект
имеет такой, а не другой уровень надежности. Из формул (4.1)
и (4.2) видно, что на уровень надежности объекта оказывают глав-
ное влияние три фактора — расчетный период, на котором вы-
полняется оценка надежности, продолжительность неработоспо-
собного состояния и число раз за расчетный период, когда объект
был в неработоспособном состоянии. Чем меньшее число отка-
зов будет в расчетном периоде и чем быстрее они будут ликви-
дированы, тем выше будет надежность объекта. Эти свойства
надежности называются безотказностью, ремонтопригодностью
и долговечностью.
Основное свойство надежности объекта — безотказность. Это
свойство объекта выполнять свои функции в течение какого-либо
заданного промежутка времени без перерывов иа восстановле-
ние. Количественное значение безотказности определяется веро-
ятностью безотказной работы Р(0- Вероятность безотказной ра-
боты объекта в интервале времени от 0 до г означает вероятность
того, что на этом временном интервале не наступит отказ:
т.с. время наработки объекта Л будет больше заданного времени
1. Вероятность безотказной работы вычисляется в долях едини-
цы и может принимать значения от 0 до 1. Чем больше значение
вероятности безотказной работы, тем выше надежность объекта.
Вероятность безотказной работы является обратной функци-
ей от основополагающего понятия теории надежности — функ-
ции распределения неотрицательной случайной наработки X.
Л(г) = 1-/-(г)-Р(Х^/)1
176
которая определяет вероятность того, что отказ объекта произой-
дет до момента времени 1.
Значение вероятности безотказной работы (или выбор функ-
ции распределения наработки) позволяет прогнозировать коли-
чество отказов в любой момент времени. Например, если веро-
ятность безотказной работы 100 конструктивных элементов под-
чиняется закону, показанному на рис. 4.3, то через время г= 10 тет
можно ожидать отказ 10 конструкций, а в следующий десятилет-
ний период — еше 30.
При исследовании безотказности объекта наряду с функци-
ей распределения времени безотказной работы необходимо знать,
как распределяются вероятности того, что время работы объек-
та до отказа окажется меньшим гили распределение вероятнос-
тей того, что отказ произойдет в момент времени 1. Для этого
используется понятие •плотность распределения отказов объекта»
(рис. 4.4):
Л')=^ (4.4)
Плотность распределения на каждом участке времени пред-
ставляет собой среднее число отказов за единицу времени, при-
ходящееся на один объект.
Рис 4 3. Функция распределения вероятности безотказной работы
конструктивных элементов жилых здэм-й
7- Ю51 и Ki ниш ।
177
В реальных условиях безотказность объекта изменяется в те-
чение времени его эксплуатации. Количество отказов конструкций
и инженерного оборудования в единицу времени, называемое
интенсивностью отказов, уменьшается вскоре после ввода объекта
в эксплуатацию. Это явление происходит из-за приработочных
отказов, которые вызваны, например, дефектами конструкций,
недостатками монтажа и т.п. С увеличением продолжительнос-
ти работы интенсивность приработочных отказов уменьшается,
и интенсивность отказов на время остается почти постоянной
(рис. 4.5). В период нормальной работы наступление отказов
объясняется случайными причинами, в первую очередь внешними
механическими воздействиями. Вследствие процессов старения
и износа наблюдается нарастание интенсивности отказов. Опи-
санная картина известна как (/-образная кривая изменения ин-
тенсивности отказов.
Ремонтопригодность — это свойство объекта, заключающее-
ся в приспособленности к выполнению его ремонтов и техни-
ческого обслуживания. В простейших случаях ремонтопригод-
ность количественно определяется временем восстановления
объекта /в. Чем меньше время восстановления, тем выше ремон-
топригодность и соответственно выше уровень надежности объек-
та. Это является причиной повышенного внимания к ремонто-
пригодности при разработке новых конструкций или инженер-
ного оборудования. Для иих выполняются специальные расчеты
178
Рис 4 5. График изменения интенсивности отказов объекта во времени
ремонтопригодности, позволяющие определить суммарные зат-
раты труда на восстановление конструкции, относительную сто-
имость ремонтных работ (отношение стоимости вспомогатель-
ных работ к основным), суммарные прямые затраты на восста-
новление работоспособного состояния.
Восстановление работоспособности конструкций и оборудо-
вания характеризуется рядом факторов, обеспечивающих ремон-
топригодность, н определяется системой коэффициентов: дос-
тупности, легкосъемности, контролепригодности и ремонтоза-
висимости.
Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспо-
собность до наступления предельного состояния с необходимыми
перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Сред-
нее значение наработки объекта является функцией закона рас-
пределения времени безотказной работы объекта и определя-
ется по формуле
О о
Если объект безотказно прослужил некоторое время можно
определить его остаточную наработку 7^, т.е. ожидаемое вре-
мя дальнейшей безотказной работы:
179
J p(',«,+')
(4.6)
Предельное состояние здания или сооружения в целом при
правильной организации его эксплуатации и при отсутствии
стихийных внешних воздействий в реальных условиях практи-
чески недостижимо. Его могут достигать отдельные конструк-
ции и инженерные системы. Поэтому термин «долговечность»
имеет значение только по отношению к отдельным конструкциям
и оборудованию здания.
Понятие безотказности здания или сооружения в целом как
сложной технической системы шире, чем для отдельных конст-
рукций и простых систем, способных находиться лишь в двух
состояниях: работоспособном или неработоспособном. Отказы
отдельных ограждающих конструкций и технических устройств
(кровли, межпанельных стыков, полов и др.) обычно не приво-
дят к отказу здания. В целом не вызывая прекращение функци-
онирования, они снижают уровень функционирования и выход-
ной эффект объекта. Такая адаптация здания к комплексу вне-
шних условий возникает благодаря наличию определенной
избыточности — запасу технических характеристик сверх мини-
мально необходимых для выполнения заданных функций. Это
связано с тем, что обеспечение локальных требований прочнос-
ти, жесткости, звуке- и теплозашиты, пожарной безопасности и
т.п. сопровождается возникновением обратных связей, опреде-
ленным «перекрытием» отдельных функций конструкций и ин-
женерных систем. В результате возникают различные виды ре-
зервирования — нагрузочное, структурное, функциональное и
временное. Другое проявление системных свойств объекта зак-
лючается в возможном изменении каких-либо его свойств, ко-
торые не учитываются в отдельных элементах. Например, согласно
нормам проектирования конструкции, выполняющие несущие и
ограждающие функции, рассчитываются независимо на силовые
и тепловые воздействия. Это означает, что влияние теплового
режима не учитывается в показателях прочности и дсформатив-
ности конструкций, а влияние силовых воздействий не учиты-
вается в их теплофизических характеристиках.
Таким образом, оценку надежности сложных объектов следует
проводить с помощью показателей, определяющих меру сохра-
180
нения выходных параметров объекта в определенном диапазоне
в течение заданного промежутка времени, или, наоборот, пока-
зателей невыполнения объектом своих функций.
Пусть объект имеет некоторый расчетный параметр R и до-
пустимые отклонения от него Л/? (рис. 4.6). В процессе эксплу-
атации под воздействием внешних факторов, старения и износа
происходит отклонение значения параметра от расчетного зна-
чения. Причем такое отклонение может быть как в допустимом
диапазоне, так и вне него. При изменении внешних условий,
а также при выполнении ремонтных или наладочных работ па-
раметр объекта «возвращается» в расчетный диапазон. Каждый
выход параметра за регламентированные границы характеризу-
ется некоторой величиной rt и продолжительностью Л/. В тече-
ние какого-либо интервала времени возможно повторение вы-
ходов параметра объекта за допустимые границы. Количество
таких повторений в единицу времени называется частотой на-
рушения работоспособности объекта. В соответствии с назначе-
нием здания или сооружения отклонение параметров у любого
из потребителей за установленные пределы недопустимо и по зна-
чимости приравнивается нарушению работоспособности всего
объекта. Допустимые границы отклонения параметров объекта
должны определяться требованиями нормативно-технических до-
Зона допусти ых
значений
Рис. 4.6. Оценка уровня надежности сложного объекта показателями:
величина, продолжительность и частота нарушения работоспособности
181
кумснтов. Эти границы характеризуются: рабочим диапазоном
изменения параметров; допустимой глубиной выхода парамет-
ра за пределы рабочего диапазона; допустимой частотой выхода
параметров за пределы рабочего диапазона. Объект можно счи-
тать работоспособным, если он выполняет все свои функции по
отношению ко всем потребителям с допустимыми частотой, глу-
биной и продолжительностью нарушения границ рабочего диа-
пазона выходных параметров.
Знание принципов расчета показателей надежности объекта
позволяет:
• произвести правильный выбор конструктивного решения,
материалов, коэффициентов запаса;
• предусмотреть и обосновать технические и организацион-
ные мероприятия, снижающие изменение рабочих парамет-
ров объекта, т.е. мероприятия по предупреждению износа
и старения конструкций;
• учесть влияние режимов и условий работы элементов в от-
ношении отказов при катастрофах.
4.3. СБОР И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
О НАДЕЖНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
4.3.1. Определение безотказности объекта
Безотказность конструкции определяется тем, чтобы прило-
женные нагрузки не превосходили ее несущую способность.
На рис. 4.7 кривая Q показывает плотность распределения
нагрузок, а кривая R — плотность распределения прочности.
Разрушения конструкции следует ожидать в области пересече-
ния кривых (на рисунке заштрихованная область). При данных
условиях всегда существуют такие нагрузки и такая прочность
сооружения, когда возможно наступление разрушения.
Вероятность безотказной работы конструкции Р(г) за задан-
ный срок службы / лет определяется как вероятность реализа-
ции неравенства
R- 0,>0,
182
Рис. 4.7. Плотности распределения нагрузок и прочности конструкции
где Qt — нагрузка, которая может возникнуть в течение расчетного
срока службы; Л — характеристика прочности конструкции.
Разность 5 = R- Qt определяет резерв прочности конструк-
ции. Тогда вероятность безотказной работы конструкции в рас-
четном периоде
о
Если выразить Ps через плотности вероятностей нагрузки Ptl(i)
и прочности РД/), то
P(/)=J[P„(') (1-РЛ01Л.
о
Вероятность безотказной работы в интервале времени от О
до /0 и плотность распределения вероятности безотказной ра-
боты приближенно могут быть определены по опытным дан-
ным. Для этого проводится наблюдение за большим числом
однотипных объектов; каждый из них работает до момента от-
каза. Время, в течение которого элемент работал, регистриру-
ется. Полученные результаты обрабатываются методами мате-
матической статистики.
Безотказность примерно равна отношению числа объектов,
оставшихся исправными к моменту времени /0, к общему коли-
честву объектов в начальный момент времени / = 0. Такое от-
ношение называется •частость* события, состоящего в том, что
183
реализация времени работы объекта до отказа окажется больше
заданного времени работы г0 (рис. 4.8):
tf(0)
। я(41)
МО)’
где AVq) — число исправных объектов к моменту времени /0; МО) —
число исправных объектов в начальный мыомент времени / — 0;
л(/0) — число отказавших объектов за время /0.
В пределе при числе объектов, стремящемся к бесконечнос-
ти, частость реализации времени работы объекта равна вероят-
ности его безотказной работы
Пт_Ас) = И')
Вероятность безотказной работы объекта Я(/о) стечение за-
данного времени работы г0, начиная с момента {к- 1)-го вос-
становления, определяется как отношение числа объектов, у ко-
торых время работы от момента окончания {к- 1)-го восстанов-
Рис 4.8. Диаграмма, поясняющая статистическое определение понятия
«вероятность безотказной работы-:
реализации Ne 1-7 составляют N(Oj объектов-
реализации Ne 1. 2. 5,7 составляет n{t f
реализации Ne 3.4.6 составляют объектов
184
лепим до момента наступления А-го отказа больше заданного вре-
мени работы t0, к общему числу объектов (рис. 4.9):
р \ _ 1 fyOb)
p‘(w-W|_W
где //*(0) — число исправных объектов в момент t* = 0; Л^(/о) — число
объектов, ие отказавших и и разу к моменту /' = г0; лД/0) — число
объектов, отказавших хотя бы один раз к моменту Г “ /0
Здесь для удобства введен новый отсчет времени. Для каж-
дого объекта он начинается с момента окончания (А- 1 )-го вос-
становления, т.е. для каждого объекта / ' - 0 в момент времени
к-\
'-Е(в.+5).
Л
Для статистического определения плотности распределения
по опытным данным строится гистограмма — графическое изоб-
ражение результатов наблюдений (рис. 4.10). По оси абсцисс
откладываются разряды, и на каждом из них как на основании
Рис. 4.9. Диаграмма, поясняющая статистическое определение понятия
•вероятность безотказной работы объекта в теч -ие заданного времени работы
/с, начиная с момента (Л - 1 )-го восстановления- для случая к » 3-
реализации № 1-7 составляют N,(0) объектов;
реализации N» 1.2, 5. 6 составляют %(/„);
реализации № 3,4. 7 составляют л,(гЛ) объектов
1в5
строится прямоугольник, площадь которого равна частоте реа-
лизации данного разряда. Для построения гистограммы нужно
частоту каждого разряда разделить на его длину и полученное
число принять в качестве высоты прямоугольника. В случае рав-
ных по длине разрядов высоты прямоугольников пропорциональ-
ны соответствующим частотам. Из способа построения гисто-
граммы следует, что полная ее площадь равиа единице.
Очевидно, что при увеличении числа наблюдаемых объектов
можно выбирать все более мелкие разряды. При этом гистограмма
будет приближвться к некоторой кривой. Нетрудно убедиться,
что в пределе эта кривая представляет собой график плотности
распределения.
Ордината гистограммы на каждом элементарном участке Д/
представляет собой ие что иное, как среднее число отказов за
единицу времени, приходящееся на один испытанный объект.
Приближенно плотность Д/) определяется по формуле
где m(t, f+ttf) — число объектов, отказавших на участке времени от /
до / + ДГ (время отсчитывается от момента начала работы объек-
та); N—общее число объектов; ДГ—длина элементарного участка
времени.
Таблица 4 1
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЕЗОТКАЗНОСТЬЮ ОБЪЕКТОВ
Длительность работы объекта в мес (ОТ - до) 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 80-80 в? 100- 150
1 5 И 1 iihil 151 102 77 в! 79 129 200 ее 91 50
Пример, Было испытано N~ 1000 объектов на длительность
безотказной работы. Результаты испытаний приведены в табл 4.1.
Найти приближенную плотность/(/) для каждого участка вре-
мени и построить гистограмму.
Решение. На первом временном участке (0—10 мес.) плотность
приближенно равна
/(Г) а «0,0151.
1000-10
На втором временном участке
/(/)*^2L^0,0102
1000-10
и т.д. Значения плотности для всех временных участков сводят-
ся в табличную форму:
Длительность работы объекта в мес (от - Д0( 0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-80 80- 100 <00- 150 150- 200
Плотность Г(1) 0,0151 0.0102 0.0077 0,0061 0.0079 0 012 0 01 0.0038 0.0017 0001
На основании полученных результатов строятся гистограмма
и выравнивающая кривая (рис. 4.11).
Здания и сооружения, конструкции и инженерные системы
представляют собой совокупности разных элементов, определен-
ным образом соединенных между собой для выполнения тех или
иных функций. Булем называть совокупности элементов, пред-
fez
Рис 4.11. Гисто рамма и выравнивающая кривая
назначенных для выполнения какой-либо эксплуатационной
функции объекта, системами. Отказ каждого из элементов вле-
чет за собой изменения в функционировании системы вплоть до
прекращения ее работы.
В зависимости от свойств и назначения элемента в составе
конструкции его отказ может сопровождаться либо невыполне-
нием системой своих функций, либо выполнением несвойствен-
ных, чуждых системе функции.
Классической иллюстрацией сказанного являются отказы в
работе обратного клапана, широко используемого в инженерных
системах зданий (рис. 4.12). Основная задача обратного клапа-
на — обеспечить прохождение потока жидкости только в одном
направлении. Однако в силу определенных повреждений обрат-
ный клапан может «заклинить», и он перестает пропускать по-
ток или создает избыточное гидравлическое сопротивление. При
таком положении на выходе системы нс будут обеспечены тре-
буемые гидравлические характеристики. Существуют другие
повреждения, при которых обратный клапан теряет герметичность
и начинает пропускать поток в ненужном направлении. Поэто-
му, хотя расчетная возможность пропуска потока в системе co-
res
Р. ботослособюо состояние
Рис 4.12 Отказы в работе обратного кяалат-
1 — -обрыв»: 2 — -короткое замыкание»
.хранястся, гидравлические характеристики системы оказываются
нарушенными. По аналогии с электрическими схемами такого
типа отказы называются «обрыв» и «короткое замыкание»
Неоднозначность проявления отказов у одних и тех же эле-
ментов системы не позволяет рассматривать надежностные вза-
имосвязи между ее элементами аналогично технологическим
В каждом случае необходима разработка надежностной структур-
ной схемы, в которой элементы объединены между собой таким
образом, чтобы показать взаимосвязь между их возможными
отказами н работоспособностью системы в целом
Пример. Водоподкачка состоит из двух насосов, обвязанных
задвижками и обратными клапанами (рнс. 4.13). Отказ насоса
проявляется в неспособности подавать воду в требуемом коли-
честве и с необходимым напором. В случае отказа одного из
насосов водосиабжеиис не прекращается, так как каждый из
насосов способен обеспечить требуемый гидравлический режим
системы. Отказ в водоснабжении наступит тогда, когда оба на-
соса выйдут из строя. Поэтому в надежностной структурной схеме
насосы соединены параллельно, как и в технологической. Отказ
обратного клапана типа «обрыв» прекратит работу соединеино-
199
Обратный
Насос ил пам
Направление потока
2
Рис 4.13. Пример структурной надежностной схемы для еодоподкачки:
1 - технологическая схема: 2 - надежностная схема
го с ним насоса. Здесь возникает структурная цепочка насос —
обратный клапан (отказ типа «обрыв»). Но в случае такого от-
каза обратного клапана система остается работоспособной, по-
скольку вторая группа продолжает выполнять свои функции.
В случае отказа любого из обратных клапанов типа «короткое за-
мыкание* водоподкачка становится неработоспособной, так как
возможен переток воды из одной насосной ветки в другую.
В структурной надежностной схеме обратный клапан по отказу
«короткое замыкание» ставится последовательно с другими эле-
ментами, а поскольку в водоподкачке обратных клапанов два, то
и в схеме появляются два элемента.
При исследовании надежности сложных систем используют
статические или динамические модели.
В статических моделях показатели безотказности элементов
и систем рассматриваются в конкретный момент времени и яв-
ляются постоянными величинами. Обычно статические модели
используются на стадии проектирования объектов для предва-
рительного анализа возможной структурной схемы системы, а так-
190
же на стадии эксплуатации для сравнительного анализа анало-
гичных объектов.
Динамические модели являются обобщающими, в них безот-
казность конструкций, элементов и систем зависит от времени.
Такие модели труднее строить и анализировать, однвко они по-
зволяют в динамике оценивать изменение уровня безотказнос-
ти объектов и наиболее приближены к решению практических
задач. В динамических моделях, в отличие от статических, воз-
можно учитывать фактор восстановления отдельных элементов
в случайные моменты времени.
Различие в основах статических и динамических моделей тре-
бует обязательной оговорки об их использовании прн анализе
надежности конструктивных систем.
Рассмотрим основные подходы к статическому и динамичес-
кому анализу надежности сложных систем.
Последовательное соединение конструкций системы при рас-
чете надежности — это такое соединение, при котором отказ хотя
бы одного из элементов приводит к отказу всего соединения в
целом. Классическим примером технической системы с после-
довательным соединением является любая статически определи-
мая конструкция, где отказ одного из элементов приводит к от-
казу всей конструкции (рис. 4.14). Разрушение (отказ) такой
системы определяется разрушением наиболее слабого элемента
Рис. 4.14. Примеры схем с последовательным соединением элементов,
а - слоистая конструкция наружных стен; б - еертикальн. е элементы каркаса;
в - система -основание - фундам нт - надземная часть здания-:
1. 2. 3.п - элементы системы
191
Система «основание — здание» состоит из трех основных пос-
ледовательно соединенных элементов (как в физическом, так и
в надежностей смысле): основания, фундамента и надземной
части здания. Отказ любого из этих элементов приводит к отка-
зу всей системы. При этом отказ фундамента как промежуточ-
ного звена системы всегда приводит к отказу надземной части
здания, но не обязательно влечет за собой появления отказов
основания.
Примером последовательного соединения элементов ограж-
дающих конструкций может служить трехслойная панель с эф-
фективным утеплителем. Отказ наружного и внутреннего желе-
зобетонных слоев или утеплителя ведет к отказу всей панели.
Последовательное соединение элементов широко распростра-
нено в инженерных системах зданий и сооружений. Если кон-
струкции (элементы) здания в надежностном смысле соедине-
ны последовательно, то вероятность безотказной работы систе-
мы, состоящей из /Vконструкций, вычисляется по формуле
РСИСТ(/) = ^(ПР2(/)..-РЛ(/). (4.7)
Поскольку вероятность безотказной работы каждой конструк-
ции не превышает единицу, то из формулы (4.7) следует, что чем
больше последовательно включенных конструкций входят в со-
став системы, тем ниже уровень ее безотказности.
Параллельным соединением конструкций в систему при рас-
чете надежности называется такое соединение, для которого ус-
ловием отказа системы является отказ всех составляющих ее эле-
ментов. Примерами таких систем являются системы, работаю-
щие на общую нагрузку: насосы станции водоснабжения;
параллельно включенные водоводы системы водоснабжения;
лифтовой узел в секции жилого здания, состоящий из двух и более
лифтов, и т.п. Если в перечисленных системах откажет один эле-
мент, то система все равно продолжает работать за счет других.
Отказать система с параллельным включением элементов может
только при отказе всех составляющих ее элементов (конструк-
ций) (рис. 4.15).
Если элементы системы воспринимают одинаковую нагруз-
ку и отказ каждого из них не приводит к увеличению вероятно-
сти отказа других элементов, то при параллельной работе сис-
/92
Рис 4.15. Примеры систем с параллельном включ ни-м эл.ментов:
в - из четырех лифтов; б - из л упругопласти пых элем> нтов;
в - из трех насосов
темы из /V конструкций вероятность безотказной работы всей
системы вычисляется по формуле
^нст = 1-1(1 - Л W) (1- P2W) - (I - Pn('))•] (4 8)
Поскольку каждый сомножитель приведенной формулы (1 -Р)
меньше единицы, то с увеличением числа элементов произве-
дение вероятностей их отказов (выражение в квадратных скоб-
ках) будет уменьшаться и в пределе стремиться к нулю, а веро-
ятность безотказной работы системы — соответственно стремиться
к единице.
Таким образом, безотказность системы будет выше безотказ-
ности составляющих се элементов. Это свойство систем с парал-
лельно работающими элементами, называемое структурной из-
быточностью, широко применяется при проектировании и экс-
плуатации систем для гарантированного обеспечения требуемого
Уровня надежности объектов.
Когда система конструкций в надежностном плане выполнена
как комбинация последовательно и параллельно включенных
элементов, то для расчета вероятности ее безотказной работы
поступают следующим образом. Вначале систему расчленяют на
193
последовательно включенные цепочки элементов и для каждой
из них рассчитывают вероятность безотказной работы по фор-
муле (4.7). Затем каждую из рассмотренных цепочек представ-
ляют как один элемент, имеющий рассчитанную вероятность
безотказной работы. Далее выявляют параллельно включенные
элементы, в том числе образованные из последовательных це-
почек, и для них по формуле (4.8) рассчитывается вероятность
безотказной работы. Затем все действия повторяются до тех пор,
пока система не окажется представленной только из последова-
тельно или параллельно включенных элементов.
Пример. Пусть система водоподкачки в надежностном плайе
представляется схемой, приведенной на рис. 4.16. Вероятности
безотказной работы элементов системы иа момент времени г.
насоса P}(f) = 0,998, обратного клапана на отказ типа «обрыв»
P2(t) = 0,9987, на отказ типа «короткое замыкание» P3(f) = 0,991.
Насос и обратный клапан на отказ типа «обрыв» соединены
между собой последовательно. Также последовательно соедине-
ны обратные клапана на отказ типа «короткое замыкание». На-
зовем пару «насос — обратный клапан на отказ типа “обрыв”»
блоком А, а обратные клапана на отказ типа «короткое замыка-
ние» — блоком Б. Вероятность безотказной работы каждой пары
рассчитывается по формуле (4.7):
для блока А
РА (О = Pi (О W)=0.998 0,9987 = 0,9967;
для блока Б
ад - Л(') Л(') = 0,991 - 0,991 = 0,9821.
Расчетную схему водоподкачки можно представить в виде двух
блоков А, соединенных параллельно, и последовательно с ними —
блока Б. Объединим параллельно включенные блоки А в блок В,
для которого вероятность безотказной работы рассчитывается по
формуле (4.8):
/,в-»-[(1-ад)-(1-/,А(/))]=
= 1 -[(1 -0,9967)- (1 -0,9967)]=0,9999.
Схема представляет собой два последовательно включенных
блока В и Б. Вероятность безотказной работы водоподкачки рас-
считывается по формуле (4.7):
Системы (0 - ад W = 0,9999 0,9821 = 0,982.
194
БлжА
Рис 4.16. Пример расчета вероятности безотказной работы комбинации
последовательно и параллельно соединаниых элементов
4.3.2. Определение ремонтопригодности конструкций
Ремонтопригодность определяет надежность конструкции
параметром время восстановления работоспособности, а также
позволяет оценить ожидаемый объем материальных и трудовых
ресурсов, необходимых при ее эксплуатации.
Особенно важно выполнить предварительную оценку ремон-
топригодности для сменяемых в процессе эксплуатации много-
элементных (многослойных) конструкций. Сюда в первую оче-
редь относятся полы, кровли, стыки наружных панелей. Часто-
та проведения ремонтов для таких конструкций определяется
сроком службы наименее долговечного слоя, входящего в их
состав.
Ремонтопригодность рассчитывают, используя ряд показате-
лей:
• коэффициент доступности, показывают и й соотнощен ие зат-
рат труда на выполнение замены отказавшего элемента кон-
струкции и суммарных трудозатрат на ремонт конструкции
из-за отказавшего элемента
195
(4.9)
где Ткп — затраты труда иа выполнен ие вспомогательных технологи-
ческих операций в процессе восстановления работоспособиости
конструкции, (чел.-ч/м2); Госн — затраты труда иа выполнение
основных операций в процессе восстановления работоспособио-
сти конструкции (чел.-ч/м2);
• коэффициент легкосъемности (монтажности), показываю-
щий удельную величину отклонения трудоемкости вспо-
могательных технологических операций при восстановле-
нии работоспособности конструкции от эталонного значе-
ния
(4.10)
где А —отклоисниструдоемкости вспомогательных технологических
операций по рассматриваемому элементу по сравнению с эталон-
ным значением;
коэффициент контролепригодности, определяющий долю
элементов конструкции, состояние которых контролиру-
ется без разборки других элементов
(4.11)
где Nt — число элементов, которые необходимо демонтировать, что-
бы провести контроль работоспособности рассматриваемого эле-
мента конструкции; — число элементов, контролируемых без
демонтажа;
• коэффициент ремонтозависимости, учитывающий необхо-
димость вывода элементов до истечения срока службы из
состава конструкции при необходимости замены других
элементов, т.е. полноту использования ресурса отдельны-
ми элементами конструкции
(4.12)
/96
где г, — срок службы элемента, зависимого от срока службы других
элементов, входящих в комплекс данной конструкции: — срок
службы элемента, не зависимого от срока службы других элемен-
тов, входящих в состав данной конструкции;
• относительная стой ноешь восстановительных работ, опре-
деляемая отношением стоимости вспомогательных работ к
основным при восстановлении работоспособности конст-
рукции
С-^-, (4.13)
где Сосн — стоимость основных затрат на восстановление отказавше-
го элемента; С& — стоимость общих затрат, связанных с восста-
новлением работоспособности конструкции.
Значения показателей и факторов, характеризующих ремон-
топригодность, определяются следующим образом: иа основе
технической и проектной документации устанавливаются состав
рассматриваемой конструкции, рассчитывается срок службы каж-
дого элемента (слоя) конструкции. Для каждого элемента, на-
чиная с верхнего, устанавливают укрупненный перечень вспо-
могательных и основных технологических операции, необходи-
мых для восстановления его работоспособности. Для
вспомогательных и основных технологических операций по нор-
мативным документам определяют затраты труда (в чел.-ч/м2)
и прямые затраты (руб./м2). Если работы проводятся в стеснен-
ных условиях, необходимо вводить повышающий коэффици-
ент 1,15.
При расчете коэффициентов доступности и легкосъемно-
сти Кл под вспомогательными технологическими операциями
подразумевают технологические процессы, которые сопровож-
дают восстановление работоспособного состояния рассматрива-
емого элемента конструкции. Оценку ремонтопригодности кон-
струкции в целом производят по конструктивному элементу,
материал которого имеет наименьший срок службы (долговеч-
ность). Нормы времени по каждому элементу и всей конструк-
ции определяют через трудозатраты.
Анализ ремонтопригодности позволяет оценить оптимальные
значения показателей и факторов, существенных для данной
конструкции. Оптимальные значения коэффициентов доступности
197
Кя и легкосъемности К. при фиксированном оптимальном зна-
чении коэффициента контролепригодности К* устанавливают
исходя из оптимальных затрат труда рабочих при восстановитель-
ных операциях.
В качестве примера иа рис. 4.17 показаны зависимости коэф-
фициентов Кя и Кй от величины трудозатрат для конструкций
полов Область оптимальных значеиий коэффициентов находится
в области пересечения кривых 1 и 2 с границами интервалов
изменения Тпри " 0,5. Оптимальные значения коэффици-
ента доступности находятся в пределах 0,085-0,115, а коэффи-
циента легкосъемности 0,19-0,26. Среднее оптимальное значе-
ние А; - 0,1 и Кя - 0,225. Эти значения можно считать опти-
мальными для традиционных конструкций полов, которые
широко используются в существующих зданиях Среднее опти-
мальное значение затрат труда рабочих составляет 1,6 чел.-ч/м2
конструкции пола.
Требования к значениям показателей и коэффициентов ремон-
топригодности вновь создаваемых современных конструкций
Рис а 17 Зависимость трудозатрат от коэффициентов доступности
и явгюсьвшюсти.
1 - коэффициент доступности, 2 - Коэффициент ЛОГКОСЬЭЫНОСТМ
198
должны устанавливаться с учетом тенденций развития новых
технологий и ожидаемых требований и значений показателей
надежности. Требуемые прогнозируемые значения коэффициентов
ремонтопригодности могут быть найдены по формуле
Лп, = Яоптеа/,
где Я**—оптимальные значения коэффициентов ремонтопригодности;
f — длительность периода прогнозирования, год; а — коэффици-
ент связи (а “ 0.05 - 0,1).
4.3.3. Расчет долговечности конструкций
Для большинства конструкций и оборудования зданий суще-
ствуют нормативные средние сроки службы или рекомендуемые
сроки эксплуатации до выполнения ремонта. В реальных усло-
виях при различной интенсивности эксплуатационных нагрузок
и воздействий факторов окружающей среды сроки службы од-
нотипных элементов могут значительно отличаться от норматив-
ных При проектировании новых конструкций, разработке но-
вых материалов и технологий прогнозирование их долговечно-
сти осуществляется иа основании лабораторных испытаний или
по аналогии с существующими объектами. При этом учитыва-
ется влияние на долговечность объекта только наиболее важных
факторов Одиако по своему совокупному воздействию «второ-
степенные* факторы могут значительно изменить условия экс-
плуатации объекта, поэтому прогнозируемый ресурс полу «ает-
ся примерным, далеко не всегда соответствующим реальным
условиям эксплуатации.
Определение долговечности путем натурного наблюдения для
строительных конструкций и оборудования в большинстве слу-
чаев оказывается неприемлемым, поскольку срок их эксплуата-
ции весьма значительный - десятки и даже сотни лет.
Средний срок службы конструкций и оборудования однотип-
ных объектов, эксплуатирующихся примерно в одинаковых ус-
ловиях, определяют следующим образом. На основании существу-
ющего опыта задаются гипотезой о законе распределения вре-
мени безотказной работы конструкции. При этом наиболее часто
используются нормальный закон распределения и закон Гнеден-
ко— Вейбулла. Из ежегодно составляемых ведомостей «потреб-
199
ности в ремонте» выявляется динамика роста числа отказов —
статистические данные о количестве отказов однотипных элемен-
тов с начала их эксплуатации. Зная закон распределения време-
ни безотказной работы конструкции, а также распределение
отказов с момента ввода конструкции в эксплуатацию, можно сде-
лать прогноз перспективного распределения отказов. Для этого
используется математический аппарат, называемый «метод наи-
меньших квадратов». Он обеспечивает согласование статистичес-
ких данных с теоретической кривой (рис. 4.18) распределения
времени безотказной работы таким образом, чтобы сумма квад-
ратов отклонения экспериментальных (статистических) данных
от сглаживающей кривой обращалась в минимум; таким обра-
зом возможно определить наиболее вероятные параметры функции
распределения.
Если предположительно время безотказной работы конструк-
ции запланировано по нормальному закону распределения, то ее
долговечность определяется следующим образом. Каждое конк-
ретное значение срока службы конструкции зарегистрированное
в процессе эксплуатации, может быть представлено через его
среднее значение 7"ср и среднее квадратичное отклонение а от
среднего значения как
Рис. 4.W. Прим.р -сглаживания» статистических (эксл-ри ментальных)
данных известной функци'й
200
где U— квантиль нормального распределения; о — коэффициент, от-
вечающий определенному уровню безотказной работы
На основании данных об отказах конструкции в .моменты
времени /р /2,.... /я составляется система уравнений
h-Tcp-U3G
Решение системы уравнений позволяет определить средний
срок службы конструкции и среднее квадратичное отклонение
от него
п
Вспомогательные коэффициенты а, Ь, с и dвычисляются по
формулам
о-р,; b-±U-- d = ±U?
*а| »=1 1=1 »"1
Квантили нормального распределения определяются в зави-
симости от вероятности безотказной работы конструкции
(табл. 4.2). Примерное значение вероятности безотказной рабо-
ты на какой-то момент времени / вычисляется в зависимости от
количества отказавших к этому моменту времени конструкций
/1ОТ(/) по формуле
где N31l — общее количество однотипных конструкций, м которыми
ведется наблюдение
Пример опреде тения долговечности мастичной кровли «Вента».
Ведутся наблюдения за 27 520 м3 мастичной кровли «Веита»,
эксплуатирующейся в одном микрорайоне. Отказы по времени
201
Таблица 4.2
ЗНАЧЕНИЕ КВАНТИЛЕЙ НОРМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Ж0 и Ж0 и Ж0 и жп и
0.5 О 0,64 0,358 0.87 1,126 0,98 2,054
0.51 0.025 0,66 0.412 0.86 1,175 0,99 2,326
0.52 0.05 0.88 0.468 0,89 1.227 0,991 2,366
0,53 0,075 0.7 0.524 О.9 1,282 0,992 2,409
0,54 0.1 0,72 0,583 0,91 1,341 0,993 2,457
0,55 0.128 0.74 0,643 0,92 1.405 0,994 2,512
0.58 0.151 0.76 0.706 0,93 1.478 0,995 2,576
0,57 0,176 0,78 0,772 0.94 1,555 0.996 2,652
0,58 0,202 0.8 0.842 0.95 1.645 0,997 2,748
0.59 0,228 0,82 0.915 0,96 1,751 0,998 2,878
0,6 0,253 0,84 0,994 0.97 1,881 0,000 3,09
0,62 0,305 0,86 1,08 0.975 1,96 0,9995 3,291
0,9999 3.719
возникновения и по объему ремонтов регистрируются в жур-
нале:
Период наблюдения, годы 5 8 7 8
Объем ремонта, м’ 12 40 gg п0
Определяем примерные значения вероятности безотказной
работы на каждый год эксплуатации кровли:
Р(5) - 1___!2_
27520
- 0,9996;
^(6)-0,9985;
^(7)-0,9967;
W)-0,996.
Для рассчитанных вероятностей безотказной работы по
табл. 4.2 определяем соответствующие квантили нормального
распределения:
202
7/(5) = 3,329;
7/(6) = 2,977;
U(l) - 2,719;
7/(8) - 2,652.
Рассчитываем значения вспомогательных коэффициентов:
а-26; 6= 11,678; с - 74,763; d 34,376.
Вычисляем средний срок службы и среднеквадратичное от-
клонение от него:
а-b 26-116678
с----- 746 763-------------
. п ----------------4------4,051 года
И^_34.4376
4
£+0^ 26 + 4,051.11.678^., года
р п 4
Таким образом, средний срок службы мастичной кровли •Вен-
та» составляет 18,3 года.
4.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ
НАДЕЖНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Надежность зданий н сооружений непрерывно формируется на
всех этапах их существования. На стадии проектирования опре-
деляются нагрузки и воздействия, осуществляется выбор материалов
и разрабатывается конструктивное решение, учитывающие основ-
ные факторы условий эксплуатации объекта. Тем самым форми-
руется первоначальный уровень долговечности и безотказности
здания и его элементов. Принятые в конструктивном решении
соединения отдельных элементов формируют ремонтопригодность
конструкций и инженерного оборудования. Кроме того, при про-
ектировании закладывается определенный запас в основные па-
раметры объекта (прочность, деформативность и т.п.), который
называется начальным резервированием (рис. 4.19).
При возведении зданий и сооружений качество монтажных
работ, соответствие применяемых материалов проекту и правиль-
ное выполнение технологических процессов вносят опредетен-
203
Рис. 4 19. Формирован -е и изменение надежности здания на стадиях
проектирования и эксплуатации:
1 - изменение безотказности объекта в результате старения и износа;
2 - то же при начальном резервировании;
3 - повышение безотказности при капитальном ремонте;
А - увеличение долговечности объекта
ную корректировку а свойства безотказности и долговечности
элементов объекта.
Выполнение ремонтных работ, замена изношенных элемен-
тов в определенной мере восстанавливает уровень безотказнос-
ти конструкций и оборудования. Использование при ремонтах
новых технологий и материалов, предупреждающих износ, по-
вышает долговечность конструкций и оборудования, и наоборот,
нарушение правил эксплуатации, несвоевременное проведение
предупредительных ремонтов приводят к уменьшению расчет-
ного уровня долговечности.
Применение при плановых ремонтах новых конструктивных
решений может повысить уровень ремонтопригодности объекта.
204
Оперативное устранение возникающих в процессе эксплуата-
ции дефектов не позволяет им перерасти в отказ, и тем самым
обеспечивается требуемый уровень надежности зданий и соору-
жений.
При проектировании (см. рис. 4.19, кривая 2) можно за счет
удорожания объекта достичь высокого уровня начальной безот-
казности (ввести начальное резервирование) таким образом, чтобы
с учетом снижения во времени безотказность достигла минимально
допустимого уровня к концу расчетного срока эксплуатации Мож-
но предположить объект и без начального резер ирования, что эко-
номичнее первого варианта, и предусмотреть такую последователь-
ность капитальных ремонтов (кривая J), которая бы обеспечи-
вала бы уровень безотказности не ниже требуемого иа всем этапе
эксплуатации. Такой подход потребует больших по сравнению с
первым вариантом эксплуатационных затрат
Таким образом, обеспечение требуемого уровня надежности
зданий и сооружений в процессе их существования может вы-
полняться техническими и организационными методами и дол-
жно обосновываться комплексными оценками: социальными,
техническими, экономическими, эко топическими и др.
4.4.1. Технические методы повышения безотказности
объектов
Технические методы повышения безотказности зданий и со-
оружений предполагают введение некоторой избыточности, ко-
торая обеспечивает перераспределение нагрузок при отказе од-
ного из элементов конструкции между другими таким образом,
что конструкция остается работоспособной. Различают три вида
технического повышения уровня надежности — резервирование,
зонирование и локализация отказов.
Резервирование предполагает введение в конструкцию допол-
нительных элементов, дублирующих основные. При отказе лю-
бого из элементов конструкции выполнение его функций пере-
дается оставшимся работоспособным элементам и конструкция
продолжает функционировать.
При зонировании сложная система конструкций или инженер-
ная система разбивается на отдельные зоны, каждую из которых
можно отключить от системы без прекращения функциониро-
2Q5
Рис 4.20. Метод повышения надежности путем зонирования
объекта теплосети:
1 - источник теплоты; 2 - потребители; 3 - секционирующие задвижки
взния других. Примером зонирования являются существующие
способы создания тепловых сетей (рис. 4.20). При отказе любо-
го участка теплосети на время ремонта секционирующими за-
движками отказавший участок блокируется и теплоснабжение
потребителей происходит в обход отказавшего участка
Метод локализации отказов предполагает возможность отклю-
чения отдельного потребителя от системы без прекращения фун-
кционирования после. Примером систем с локализацией отка-
зов являются двухтрубные системы отопления (рис. 4.21). При
отказе одного из отопительных приборов он отключается от си-
стемы с помощью кранов, установленных на подводках к при-
бору. Вся система отопления при этом продолжает функциони-
ровать. В помещении, где выполняется ремонт отопительного
прибора, несколько изменяется температурный режим. Однако
за счет теплоаккумулирующей способности помещения при не-
значительном времени производства работ отклонение темпера-
туры внутреннего воздуха от расчетного значения не должно
превысить границы допустимого диапазона.
Приведенные технические методы обеспечения надежности
объектов различаются между собой только в техническом реше-
нии. Расчеты показателей безотказности для всех технических
методов одинаковы, поэтому зонирование и локализацию отка-
зов можно рассматривать как частные случаи резервирования
объекта.
206
Рис. 4.21. Метод
локализации отказа:
1 - отопительный
прибор; 2 - кран
В зависимости от того, как организо-
вана совместная работа основных и резер-
вных элементов, различают следующие
типы резервирования: нагруженное, не-
нагруженное н частично нагруженное.
Нагруженный резерв предполагает од-
новременную совместную работу основ-
ных и резервных элементов. При отказе
любого из элементов его функции пере-
распределяются между другими, оставши-
мися работоспособными, и объект про-
должает выполнять свои функции.
Рассмотрим простейший случай нагру-
женного резервирования, когда рассмат-
ривается статическая модель системы, со-
стоящая из одного рабочего и п резерв-
ных элементов (рис. 4.22). При отказе
любого из элементов характеристики
безотказности остальных нс изменяются. Здесь мы имеем клас-
сическую схему параллельного соединения элементов, для которой
вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле (4.8).
Такая система остается работоспособной, пока хотя бы один из
се элементов продолжает функционировать.
Рис 4.22 Структурная надежностная схема объекта из одного рабочего
и л резервных элементов
207
Для большинства строительных конструкций работоспособ-
ное состояние обеспечивается безотказным состоянием как ми-
нимум нескольких элементов.
Структурная схема, представляющая конструкцию, должна
состоять из к рабочих и и резервных элементов (рис. 4.23). От-
каз конструкции наступает в тот момент, когда происходит от-
каз (л + 1)-го элемента. Вероятность безотказной работы кон-
струкции вычисляется по формуле
N
(4.14)
где N- к + п — общее число элементов системы; Д(/о) — вероятность
того, что к моменту времени /0 в системе из /^элементов останут-
ся нсотказавшими ровно i элементов.
Пример. Для работоспособного состояния строительной кон-
струкции необходимо, чтобы как минимум два составляющих ее
элемента были работоспособными. В целях повышения уровня
надежности предложено ввести в состав конструкции ешс два
дублирующих элемента (рис. 4.24). Известно, что на момент вре-
мени fK вероятность безотказной работы каждого элемента кон-
струкции составляет I\tx) - 0,99. Требуется определить, насколько
изменится безотказность конструкции прн применении резер-
вирования.
Решение. Если резервирование не предусмотрено, то отказ кон-
струкции произойдет в случае отказа любого из составляющих
Рис 4.23. Структурная надежностная схема системы из к ребочих
и л резервных элем антов
206
б
Резервные
элементы
Рис. 4.24. Иллюстреция примера:
а - конструкция из двух элементов; б - надежностная структурная
схема конструкции; в - конструкция с двумя резервными эл, ментами
ее элементов. В надежностном плане конструкция представляет
собой систему из двух последовательно включенных элементов.
По формуле (4.7) вероятность безотказной работы конструкции
на момент fx равна
Рсист(Гх) = Р> ((к) Л('х) = 0,99 0,99 - 0,9801.
Если в состав конструкции вводятся два резервных элемен-
та, то она останется работоспособной к моменту времени t в од-
ном из следующих случаев:
• все четыре элемента к моменту 1х не откажут. Вероятность
события, что и первый, и второй, и третий, и четвертый
элемент работают безотказно, равна
=0,99 0,99 0,99 0,99 = 0,9606;
• откажет один из элементов, а остальные будут работоспо-
собны. Вероятность такого события равна
ВзМ=И('.) м.) Р1М (। - ед.»]+
+[/’|('х) /,2('х) ^('х) (1-/5('.))]+
+[Ш) Л('х) Л('х) (1-Л2(гх))]+
WWWMW)].
ft - I05IU Кчлинин
209
Поскольку в рассматриваемом примере элементы равно-
надежны, то сумму можно упростить:
4 1 - = 4 0,99s(1 -0,99)=0,0388;
• из четырех элементов работоспособными останутся ровно
два. Вероятность такого события равна
В2('.)=[Л (О РМ (1 - РМ • (1 - ЗД«))]+
+И(9) /5(О (1-А(9) (1-Д(г«))]+
4^(9) №) 0-Л(9) (1-/5W)]+
+[Р2М РМ ('-РМ (1-А(М)]+
+[Р2('«) ВД,)(1-ДО,) (1~Л('х))]+
+[/?('«)
или
[tf (М (I - ИК'.))2]•6 - 0.992 • (1 -0.99)2 6 = 0.0006.
По формуле (4.14) получаем вероятность безотказной рабо-
ты конструкции из двух основных и двух резервных элементов
н
Рс «,('«) - X В, ('«) = 0,9606 + 0,0388 + 0,0006 = 0,999996.
«-*
Таким образом, в результате резервирования вероятность
безотказной работы конструкции увеличилась со значения
Рс, М = °>9801 " 0,999996.
Если до своего включения в работу резервный элемент прак-
тически не может отказывать, то такое резервирование называ-
ется ненагруженным. При этом каждый резервный элемент вклю-
чается в работу в момент, когда откажет последний из преды-
дущих элементов (последний по времени, а не по номеру).
Если отказ резервного элемента до включения а работу вме-
сто отказавшего основного возможен, но с другой, меньшей
плотностью вероятности, чем до включения в работу, то такой
резера называется частично нагруженным.
При рассмотрении задач, связанных с ненагруженным или
частично нагруженным резервированием, недостаточно вводить
210
вероятности безотказной работы для одного заранее фиксирован-
ного момента времени г. Необходимо проанализировать весь
случайный процесс функционирования объекта (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Изменение интенсивности отказов резервного злеманта при
отказе основного:
1 - увеличение интенсивности отказов резервного элемента при отказе
основного; 2 - вид графика в случае, если бы основной элем| нт был
работоспособным
4.4.2. Организационные методы обеспечения требуемого
уровня надежности объектов
При любых даже самых совершенных технических решениях
вероятность отказа конструкций и оборудования всегда остает-
ся. Предотвратить отказы или сделать их последствия минималь-
ными призваны организационные методы обеспечения надеж-
ности.
Организационным обеспечением надежности зданий и соору-
жений занимаются эксплуатационные службы, выполняющие две
основные задачи:
• выявить первые признаки возникновения отказа конструк-
ций или оборудования и предотвратить его дальнейшее раз-
витие;
• снизить предупредительными мероприятиями (плановые
ремонты, техническое обслуживание и т.п.) вероятность воз-
никновения отказов.
211
При возникновении неисправности в конструкции или обо-
рудовании здания значения их эксплуатационных параметров
отклоняются до величины Я,, которая выходит за пределы до-
пустимых значений. Информация о нарушении появится у экс-
плуатационной службы через время г,. Для выявления причин
неисправности, ее оценки и принятия решения по ней требует-
ся время t2. На выполнение действий по устранению неисправ-
ности затрачивается время ty определяемое свойствами ремон-
топригодности объекта. После завершения восстановительных
работ для приведения отклонившегося параметра в исходное
состояние требуется время t4, обусловленное технической инер-
цией объекта. Таким образом, период существования неисправ-
ности определяется по формуле
+ 'з+<4-
Время прохождения информации о неисправности зависит от
субъективных факторов и технического решения объекта. Вре-
мя же выявления причин возникновения неисправности и вы-
работки плана действий по се ликвидации, а также время
устранения неисправности зависит от эксплуатационной служ-
бы. В конкретных условиях у эксплуатационного персонала су-
ществуют определенные возможности по восприятию информации
о неисправности и принятию управляющего решения z2nlin, а также
по выполнению ремонта /5п1)П При этом время существования
неисправности станет минимальным при выполнении следую-
щего условия:
^неиелр min + l2 min + G mm + ^4"
Не всегда, получив информацию о наличии неисправности,
эксплуатационный персонал немедленно начинает заниматься ее
устранением. В этом случае, если неисправность вызывает не
скачкообразное, а постепенное отклонение параметров объекта,
то до наступления отказа объекта через время Т его можно
предотаратить. Для этого в момент времени / эксплуатацион-
ный персонал должен оперативно (за время 7. ) выполнить
ремонтные работы и нс допустить возникновения" отказа. Если
описанная ситуация возможна, то это означает, что имеется не-
который избыток времени (резерв времени) над минимально
необходимым, который определяется по формуле
2J2
7 — Т — Т ~ Т — (t + t + t + t \
реэ от per от ' 1 2 mm J min 4''
Показатель резервного времени учитывает одновременно как
внешние, так и внутренние ограничения эксплуатационного
персонала, т.е. позволяет соотносить предъявляемые требования
с возможностями эксплуатационной службы.
Вероятность безотказной работы является функцией време-
ни. Чем дольше объект находится в эксплуатации, тем больше
вероятность того, что произойдет отказ в его работе. Заблаго-
временное проведение планово-предупредительных замен кон-
струкций или их элементов до момента возникновения отказа
повышает вероятность безотказной работы, но влечет за собой
увеличение эксплуатационных затрат (рис. 4.26). Найтн прием-
лемое соотношение между требуемым уровнем надежности объек-
та и материальными затратами, связанными с ее обеспечением,
можно посредством разработки оптимальной стратегии выпол-
нения ремонтов.
Рис. 4.26. Зависимость между выигрышем в надежности и материальными
ватратами на его достижение при предупредительной замене конструкций
213
Критериями оптимальной стратегии выполнения ремонтов
служат частота возникновения отказов и экономический пока-
затель. Суммарные материальные затраты, связанные с возник-
новением и существованием отказа, с мероприятиями по его
предупреждению и ликвидации, отнесенные к единице време-
ни, называются интенсивностью эксплуатационных затрат.
Для каждой конструкции существует некоторый предельный
уровень частоты отказов /доп, который должны обеспечить экс-
плуатационные службы. Обеспечить допустимый уровень частоты
отказов можно за счет изменения периода проведения плановых
замен конструкции или ее элементов. Ожидаемая частота /ог от-
казов при периодических плановых заменах конструкции рас-
считывается по формуле
где Т„я — назначаемая периодичность проведения плановых замен кон-
струкции (или ес элементов); 7^ — средний срок службы конст-
рукции.
Задача обеспечения требуемого уровня частоты отказов сво-
дится к выполнению неравенства
4т * 4 и-
Отсуда определяется периодичность проведения плановых
замен конструкции
Любой межремонтный период, удовлетворяющий приведен-
ному неравенству, является приемлемым с точки зрения обес-
печения надежности конструкции. Далее решается экономическая
задача: из всех возможных межремонтных периодов, удовлетво-
ряющих условию обеспечения надежности конструкции, выбрать
тот, при котором интенсивность эксплуатационных затрат
наименьшая. Для решения этой задачи строится график зависи-
мости интенсивности эксплуатационных затрат от межремонт-
ного периода конструкции, по которому определяется наимень-
2f4
шее значение функции. Это значение ординаты и будет соответ-
ствовать оптимальному межремонтному периоду.
Пример. Как установлено, мастичная кровля «Вента» имеет
средний срок службы 18,3 года. Допустимая частота отказов кров-
ли 7доп = 0,04 1/год. График изменения интенсивности эксплу-
атационных затрат в зависимости от межремонтного периода
представлен на рис. 4.27.
Требуется выбрать оптимальны0 межремонтный период для
кровли, который обеспечивал бы требуемый уровень ее надеж-
ности и был экономически оправданным.
Решение. Определяем значения межремонтных периодов,
которые обеспечивают требуемый уровень частоты отказов кровли:
S-Wp -- 0,04 18,З2 = 17,01«17 лет.
Jt Jt
По графику интенсивность эксплуатационных затрат в диа-
пазоне от 0 до 17 лет принимает наименьшее значение при
Гр, = 14,5 года. Поскольку плановые ремонты проводятся с пе-
риодичностью, кратной году, принимаем межремонтный пери-
од 14 лет, при котором частота отказов равна /от - 0,034 1/год,
что меньше допустимого значения 1Л0П = 0,04 1/год.
Рис. 4.27. Изменение интенсивности эксплуатацией ых затрат
в зависимости от межремонтного периода
215
5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ
СОСТОЯНИИ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
5.1. СИСТЕМА ПЛАНОВО-
ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ РЕМОНТОВ
Строительство зданий и сооружений, повышение их этаж-
ности, современное инженерное оборудование требуют повы-
шения эффективности затрат на содержание и ремонт, улучше-
ния их к viccTBa, совершенствования организационных и управ-
ленческих систем Hi проектные, эксплуатационные и
строительные организации возложены сложные организаниоино-
техничсскис задачи: длительное сохранение эксплуатационных
качеств объектов; увеличение сроков службы конструкций между
ремонтами; повышение качества выполнения ремонтно-стро-
ительных работ.
Решение этих задач может быть обеспечено правильной тех-
нической эксплуатацией, своевременно проводимыми текущи-
ми и капитальными ремонтами при одновременном снижении
стоимости и трудоемкости содержания объекта Осуществление
в необходимых объемах текущего и капитального планово-пре-
дупрслительного ремонтов позволит достигнуть такого положе-
ния, при котором ремонт объекта будет не следствием наличия
в нем неисправностей, а средством предупреждения износа кон-
струкций и оборудования. Система планово-предупредительных
ремонтов должна составлять комплекс взаимосвязанных органи-
зационных и технических мероприятий по техническому обслу-
живанию и проведению всех видов ремонтов с регламентирован-
ной последовательностью и периодичностью
Качество, которое свойственно зданию или сооружению после
слачи в эксплуатацию, удовлетворяет потребителей только в том
случае, если оно сохраняется в течение всего периода существо-
вания объекта.
216
Техническая эксплуатация здания или сооружения включает
в себя обслуживание, текущий и капитальный ремонт. Обслу-
живание подразделяется на техническое и санитарно-гигиени-
ческое. Техническое обслуживание — это комплекс операций по
поддержанию работоспособности или исправности конструкций
и оборудования, а также экономичности их функционирования.
Санитарно-гигиеническое обслуживание включает мероприятия
по санитарной очистке зданий и территорий, их уборке и т п.
Текущий ремонт обеспечивает постоянную работоспособность
конструкций и инженерного оборудования путем налчлки, ре-
гулировки и устранения метких неисправностей. Основная цель
текущего ремонта — предупреждение преждевременного износа
зданий и сооружений.
Основная задача капитального ремонта — ликвидация физи-
ческого и морального износа зданий и сооружений. При К1Пи-
тальиом ремонте производится поест нювление или замена из-
ношенных конструкций и элементов обзектз, обеспечил поших
их постоянную эксплуатационную надежность.
Объемы и виды работ, выполняемые при текущем и капиталь-
ном ремонте, зависят от конструктивных есоСсн посте й объек-
та. его отдельных элементов, сроков службы, технического со-
стояния, принятой системы про |шл жтмческих pifior, условий
эксплуатации и т.п. Здесь необходимо обрггить внимание на
комплексность проблемы, се взаимозависимость от технических,
экономических, социальных и экологических вопросов В этих
условиях разработка системы планирования ремонтов, стратегии
организации ремонтов является важнейшей задачей.
Как уже отмечалось, за весь срок службы объекта эксплуата-
ционные и ремонтные затраты в 5—6 раз превышают перлона-
1альные етиновременные итраты на его сооружение. При этом
требования к надежности и экономичности находятся в опреде-
ленном противоречии: повышение надежности почти всегда не-
избежно связано с удорожанием конструкций и оборудовании,
и наоборот, удешевление конструкций зачастую влечет за собой
снижение уровня надежности Вместе с тем следует отмстить, что
невыполнение своевременного ремонта объекта приводит к уси-
ленному износу и старению и резкому увеличению его стоимо-
сти. Например, перенос капитального ремонта типового 5-этаж-
ного лома на 3—4 гола после истечения нормативных сроков
увеличивает его стоимость на 18—21%.
217
Обеспечение надежности зданий и сооружений в процессе их
эксплуатации по мере ухудшения состояния отдельных элемен-
тов, узлов или объекта в целом может быть осуществлено путем
профилактических ремонтов. При такой профилактике основная
задача — не восстановление или замена отказавших элементов,
а предупреждение отказов. Таким образом, система планово-
предупредительных ремонтов состоит в проведении периодичес-
ких ремонтов, объемы которых главным образом зависят от сроков
службы и видов материалов и конструкций объекта.
Постепенный переход от субъективного отбора зданий и со-
оружений к объективному назначению иа ремонт в зависимос-
ти от срока эксплуатации и технического состояния представ-
ляет серьезное качественное изменение в подходе к капитальному
ремонту. Если каждому объекту один раз в 9—15 лет выполнять
капитальный ремонт, то за весь свой расчетный срок службы
(ресурс) он будет соответствовать эксплуатационным требованиям.
Налаженная система ремонтов по циклам (аналогично проведе-
нию ТО-1 и ТО-2 в системе обслуживания машин) позволит
нормально содержать помещения объекта, избежать недоремонтов,
удешевить и повысить эффективность ремонтов.
Система профилактики предусматривает проведение в опре-
деленное время эксплуатации такого объема ремонтных работ
(аключая и замену), чтобы обеспечить безотказную работу всех
элементов и системы в целом на следующий межремонтный
период. Таким образом, система планово-предупредительных
ремонтов (ППР) подразумевает проведение плановых регламен-
тированных работ. При этом объемы работ могут уточняться в
зависимости от технического состояния конкретного объекта и
его конструкций и оборудования. Внедрение научно обоснован-
ной системы планово-предупредительных ремонтов обеспечи-
вает безотказное содержание объекта, профилактическую, пре-
дупредительную функцию ремонтных мероприятий, постоян-
ную надежность конструкций, элементов и инженерного
оборудования.
Единство организационных и научно-технических меропри-
ятий, направленных на проведение строго периодически и в
определенной последовательности различных видов ремонтов
зданий и сооружений с целью максимального предупреждения
отказов работы их элементов, является принципиальным подхо-
дом к технической эксплуатации объектов. Система ППР зда-
218
ний и сооружений повышает эффективность и экономичность
эксплуатации.
Внедрение указанной системы связано с решением следую-
щих задач: обеспечение длительного сохранения зданий и соору-
жений, их элементов и конструкций в нормальном техническом
состоянии; увеличение сроков службы элементов и конструкций,
увеличение межремонтных периодов; снижение стоимости и
трудоемкости технической эксплуатации и ремонта; совершен-
ствование форм управления эксплуатацией, структур и мощно-
стей ремонтно-строительных организаций; качественное диаг-
ностирование зданий, постоянное накопление информации о
техническом состоянии их элементов и конструкций в динами-
ке (мониторинг технического состояния зданий и сооружений);
повышение качества ремонтных работ, организация поэтапного
контроля.
На основании имеющегося опыта разработки и внедрения
системы ППРразработана программа мероприятий, рекомендо-
ванная к внедрению во всех регионах страны. Основное содер-
жание мероприятий — это программное, целевое и комплексное
обследование зданий и сооружений, научно обоснованная пери-
одичность ремонта с учетом особенностей региона, создание
специализированных проектных, эксплуатационных и ремонт-
но-строительных организаций.
Отработана методика практической разработки системы ППР,
включающая следующие положения и этапы: О анализ структу-
ры эксплуатируемого фонда района (города, региона), его кон-
структивных особенностей, группировка ремонтных работ, на-
значение и группировка межремонтных сроков (технический
аспект системы ППР); 2) определение объемов необходимых
ремонтных работ, оптимизация и уточнение межремонтных сро-
ков для каждой группы объектов (экономический аспект систе-
мы ППР); 3) анализ архитектурно-градостроительных условий
проведения ремонта зданий и сооружений, их инженерного обес-
печения, уаязка с системой обслуживания жителей, взаимосвязь
с реставрацией и сохранением памятников архитектуры, исто-
рии, культуры, сохранение городской исторической среды (гра-
достроительный аспект системы ППР); 4) анализ мощностей
ремонтно-строительных организаций и разработка планов ремонта
эксплуатируемого фонда (организационный аспект системы
ППР).
219
Переход на систему ППР подразумевает улучшение органи-
зации эксплуатации зданий и сооружений, их элементов и ин-
женерных систем в межремонтные периоды и обеспечение про-
ектных режимов содержания объектов. Поэтому при разработке
проектной документации новых зданий и сооружений необхо-
димо предусматривать специальный раздел проекта «Требования
к эксплуатации объекта», в котором необходимо разрабатывать
рекомендации по следующим вопросам:
• содержание конструкций и инженерного оборудования здания
(сооружения): проектный режим содержания (с указанием
параметров), обеспечивающий надежную и бесперебойную
работу конструкций, частей здания, инженерного оборудо-
вания и систем; методы и способы, при помощи которых
достигается проектный режим эксплуатации; места отклю-
чения узлов без нарушения работы всей системы в целом
при авариях и ремонтах; приборы и оборудование. при по-
мощи которых поддерживается, контролируется и регули-
руется проектный режим эксплуатации; допустимые откло-
нения от проектных условий, режимов, их допустимая час-
тота возникновения; периодичность обслуживания и требу-
емый для этих целей персонал; инструменты, механизмы,
материалы, необходимые для обслуживания: наиболее от-
ветственные и меиее надежные узлы конструкций и систем,
на которые надо обратить особое внимание эксплуатацион-
ного персонала; инструкции по содержанию конструкций,
частей здания, инженерного оборудования и систем;
• техническая эксплуатация конструкций и инженерного обо-
рудования здания (сооружения): основной принцип рабо-
ты конструкций, частей здания, инженерного оборудова-
ния и систем: срок службы каждого элемента объекта;
периодичность текущих и капитальных ремонтов: ремон-
топригодность элементов; надежность элементов, приня-
тых в проекте; способы и методы ремонта элементов, име-
ющих небольшой срок службы; способы и методы капи-
тального ремонта конструкций и инженерных систем, в
которых применены материалы с различных™ сроками служ-
бы; влияние этого ремонта на работу всей конструкции или
оборудования: возможность замены конструкций при ремонте
без нарушения работы других конструкций; способы и ме-
тоды текущего ремонта: механизмы и оборудование, при-
меняемые при выполнении ремонтных работ, организация
220
подачи материалов, конструкций или их элементов при ре-
монте; минимальное число запасных частей, материалов,
которыми должна быть обеспечена эксплуатационная орга-
низация при сдаче здания (сооружения) в эксплуатацию
Необходимо, чтобы уже при проектировании здания или со-
оружения были решены вопросы содержания, обслуживания и
ремонта: способы и механизация уборки, вывоз мусора; диспет-
черизация и автоматизация контроля и управления за работой
инженерного оборудования; закладные детали для механизации
ремонтных работ (например, для подвески тюлек, установки
подъемников и т.п.). Проектировщики должны предусмотреть
способы и механизмы для ремонта часто заменяемых элементов
без выполнения значительных сопутствующих работ.
5.2. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ СИСТЕМЫ
ПЛАНОВО-ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ
РЕМОНТОВ
В течение всего срока службы здания (сооружения) существует
объективная необходимость нести материальные расходы на его
эксплуатацию. Эти затраты можно разделить на три группы:
• связанные с содержанием здания и прилегающей террито-
рии. Сюда выделяются средства на санитарное содержание
(уборка. вывоз мусора), благоустройство помещений и тер-
ритории. дополиител ьные нужды (охрана, устройство тех-
нических средств обеспечения контроля и правопорядка,
например установка систем видеонаблюдения, домофонов,
и т.п.);
• связанные с инженерным жизнеобеспечением здания —
оплата услуг по предоставлению тепла, воды, хлектроэнер-
гии, канализации и кд., включая расходы, связанные с тех-
ническим обслуживанием инженерных систем:
• связанные с обеспечением требуемого уровня надежности
конструкций и инженерного оборудования здания.
Обеспечение надежности здания (сооружения) на стадии экс-
плуатации достигается за счет проведения ремонтов двух типов:
планово-профилактических, направленных на предотвращение
221
возникновения отказов, и аварийных, предназначенных для лик-
видации отказов и восстановления работоспособности объекта
таким образом, чтобы влияние отказа на потребителей было наи-
меньшим.
Количество плановых ремонтов, выполняемых в процессе
эксплуатации, зависит от назначаемой периодичности их про-
ведения. Пусть в течение некоторого времени Тплановые ремонты
проводятся Nm раз. Если затраты, связанные с проведением каж-
дого планового ремонта, составляют величину СЛ1, то в едини-
цу времени (например, в год) на проведение плановых ремон-
тов всегда, на протяжении срока службы объекта, требуется вы-
деление средств в объеме
[ру^ /ед. времени].
Надежность любого объекта не может быть абсолютной. Всегда
существует, в большей или меньшей степени, вероятность отказа,
т.е. всегда имеется потребность в выполнении аварийных ремон-
тов. Эти ремонты заранее нельзя запланировать, но, используя
аппарат теории надежности, можно прогнозировать математи-
ческое ожидание количества аварийных ремонтов на некотором
временном интервале в зависимости от условий эксплуатации
объекта. Пусть это будет некоторое число ЛГ . Зная величину
затрат, связанных с ликвидацией отказа Сав, можно рассчитать
объем средств, требуемых на аварийные ремонты в единицу вре-
мени:
С -N
ая у [руб./ед. времени].
В большинстве случаев возникновение отказа приводит к
прямым или косвенным дополнительным материальным поте-
рям, несвязанным непосредственно с ликвидацией отказа
(рис. 5.1). Прямые материальные потери — это затраты на непро-
изводительные расходы воды, тепла и т.п., вызванные, напри-
мер, утечками в трубопроводах. К косвенным материальным
потерям относятся расходы, связанные с восстановлением
конструкций и оборудования, поврежденных из-за отказа сопря-
женного с ними элемента. Например, отказ кровли приводит к
протечкам в помещениях, порче имущества. Отказавший эле-
мент— кровля, на восстановление которой расходуются средства,
предназначенные для аварийных ремонтов. Дополнительно при-
222
Рис. 5.1. Варианты изменения во времени дополнительных затрат,
связанных с отказами
ходится расходовать средства на ремонт помещений, материаль-
ную компенсацию убытков, нанесенных протечками, и т.п. К кос-
венным материальным потерям относятся дополнительные мате-
риальные затраты, связанные с тем, что при некоторых видах от-
казов увеличивается, по сравнению с требуемым, потребление
электроэнергии, воды и других видов энергии. Например, при от-
казах в системе теплоснабжения или неудовлетворительном горя-
чем водоснабжении потребители для обеспечения теплового ком-
форта и нагрева воды начинают использовать электроэнергию и
газ. Еще одно проявление косвенных материальных потерь — это
снижение (вплоть до полного прекращения) размера платежей за
услуги, предоставляемые с недостаточным уровнем надежности.
Косвенные материальные затраты, связанные с отказами, могут
быть постоянными или возрастать в зависимости от времени
существования отказа. Последнее возникает, например, при от-
казах в трубопроводах систем водоснабжения, приводящих к
непроизводительным расходам воды.
Величина косвенных материальных затрат зависит от многих
факторов и для каждой конструкции и инженерного оборудова-
223
имя определяется индивидуально. Количество случаев, когда
возникает потребность в косвенных материальных затратах, равно
числу аварийных ремонтов. Тогда ожидаемая величина косвен-
ных материальных затрат в единицу времени определяется по фор-
муле
|руЬ/сд времени),
где Сяоп — удельный объем дополнительных прямых и косвенных ма-
териальных затрат, связанных с отказом, в единицу времени; fOTK —
продолжительность существовании отказа.
В тех случаях, когда косвенные материальные затраты, свя-
занные с отказом, нс зависят от времени, в формуле /отк прини-
мается равным единице.
В процессе эксплуатации первоначальная стоимость конструк-
ций и оборудования из-за износа и старения уменьшается
(рис. 5.2). При назначении периодичности выполнения плано-
вых ремонтно-восстановительных работ желательно максимально
использовать ресурс элементов здания. Кроме того, при выпол-
нении планово-предупредительных ремонтов технологических
групп оборудования остаточный ресурс является критерием выб-
раковки элементов. При устранении неисправностей аварийно-
го характера остаточный ресурс является одним из основных фак-
торов для определения степени восстановления — минимальное
восстановление или замена конструкции или оборудования. В лю-
224
бом случае определение остаточного ресурса связано с экономи-
ческим обоснованием проведения эксллуаташюиных меропри-
ятий.
Конструкции и оборудование зданий независимо от времени
эксплуатации обладают остаточной стоимостью С^, которая
изменяется пропорционально наработке и рассчитывается по
формуле
Т
с -С -&*-
''OCT VH14 у- ’
7 ср
где 7^р — средний срок службы конструкции (оборудования); 7^ —
остаточный срок службы, который определяется по формуле 64.6);
С, ач — первоначальная стоимость конструкции.
Для некоторых элементов здания остаточная стоимость мо-
жет быть определена в зависимости от соотношения назначен-
ного периода проведения плановых ремонтов Тм и среднего срока
службы элемента 7^р по формуле
Г -Г
''ост vna4 ''ост,
где kw — коэффициент, значения которого приведены в табл. 5.1.
Пример. Конструкция имеет средний срок службы 18 лет и
первоначальную стоимость 430 руб./м2.
Предполагается три варианта периодов проведения плановых
ремонтов конструкции: 1) через время, равное среднему сроку
Таблица 5.1
КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КОНСТРУКЦИЙ
Показатель Соотношение периода проведения плановых 7~пя ремонтов и средн, го срока службы конструкции т ' ср
0.5 1 1.5 2 2,5 3
Коэффициент 0.646 0,461 0,352 0.282 0.234 0.2
тгп 4 4.5 5 5.5 6 6.5
*,« 0.153 0.137 0.124 0.113 0,104 0.097
225
конструкции, 18 лет; 2) заблаговременно, до ожидаемого интен-
сивного износа, через 9 лет; 3) попытаться максимально исполь-
зовать ресурс конструкции и ремонты проводить через 27 лет.
Требуется определить остаточную стоимость конструкции для
каждого варианта межремонтных сроков.
Решение. Для первого варианта соотношение
Т’ср 18
По табл. 5.1 находим значение коэффициента к^ = 0,461. Тогда
остаточная стоимость конструкции на момент ремонта равна
С«, - С„ ч Ас, -430 0,461 -198,23 руб./м2.
Повторяем расчеты для других вариантов.
Для варианта 2
^ = ^ = 0,5; *«,=0,646; =430-0,646 - 277,78 руб./ы2.
/ср 18
Для варианта 3
*.=1-0.352; С«, =430-0,352=151,36 руб./м2.
Гер 18
Сумма рассмотренных составляющих материальных вложений,
отнесенная к периоду проведения плановых ремонтов Тт, на-
зывается приведенными затратами, связанными с обеспечени-
ем надежности конструкций и оборудования зданий:
('пл *пл + Ов^ав + Споп^стх^ав + СИ1Ч
Сприв ---------------~(5.1)
‘ пл
При изменении периода между плановыми ремонтами про-
исходит нелинейное изменение приведенных затрат (рис. 5.3).
Например, при увеличении межремонтного периода приведен-
ные затраты на плановые ремонты и остаточная стоимость кон-
струкции уменьшаются. При увеличении периодичности плановых
226
Рис. 5 3. Изменение велич ны приведенных затрат, связанных
с обеспечением надежности конструкций, в зависимости
от периодичности проведения плановых ремонтов
ремонтов всегда увеличивается число отказов в единицу време-
ни NaB и возрастают значения приведенных затрат на выполне-
ние аварийных ремонтов, а также дополнительных затрат, свя-
занных с отказами. При варьировании приведенных затрат и
изменении периодичности ремонтов можно получить минималь-
ное значение суммарных приведенных затрат. Межремонтный
период, при котором приведенные затраты имеют наименьшее
значение, называется экономически оптимальным периодом
проведения плановых ремонтов. При перспективном планиро-
вании ремонтов надо стремиться к их назначению с учетом эко-
номически оптимального периода. Поскольку главным услови-
ем планирования ремонтов является обеспечение надежности
конструкций и оборудования, в некоторых случаях экономически
оптимальный межремонтный период может не удовлетворять
требованиям надежности (рис. 5.4).
В этом случае из всех допустимых по требованиям надежно-
сти межремонтных периодов выбирается тот, при котором при-
веденные затраты имеют наименьшее значение.
227
Рис. 5.4. Назначение межремонтного периода по критериям надежности
и экономичности:
измен :ние интенсивности приведенных затрат в зависимости
от продолжительности межремонтного л< риода и
минимальное значение интенсивности приведенных затрат
5.3. РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПЛАНОВ
ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Основное назначение ремонтов заключается в гарантирован-
ном обеспечении требуемого уровня надежности здания (соору-
жения), его конструкций и инженерного оборудования. По воз-
действию на надежность различают три типа ремонтов: ремон-
ты с полным восстановлением эксплуатационных свойств объекта,
с минимальным н частичным восстановлением.
При выполнении ремонтт с полным восстановлением экс-
плуатационных свойств объекта обновляются вес его основные
параметры. Безотказность объекта поднимается до уровня нового
изделия в начальный момент эксплуатации (рис. 5.5, «). Как пра-
вило, полное восстановление объекта достигается при капиталь-
ном плановом ремонте здания или сооружения, когда происхо-
дит замена изношенных конструкций и оборудования или вы-
полняются работы по усилению конструкций.
228
Рио 5.5. Восстановление безотказности объекта при выполнении ремонта-
в - полное, б - минимальное, в — части ное
Ремонты с минимальным восстановлением эксплуатационных
свойств объекта восстанавливают только его работоспособность,
оставляя все остальные параметры на том же уровне, какими они
были до ремонта. Устраняется сам отказ, а безотказность объекта
после завершения ремонта с минимальным восстановлением со-
храняется такой же, как до ремонта (см. рис. 5.5, б). Пример ми-
нимального восстановления — устранение свища в трубопрово-
де. Посредством установки хомута утечка из трубопровода пре-
кращается, все его характеристики — степень коррозии,
шероховатость внутренней поверхности и т.п. сохраняются без
изменений. Обычно минимальное восстановление выполняется
при аварийном ремонте, когда невозможно, или отсутствует тех-
нико-экономическая целесообразность, выполнить замену отка-
завшего элемента.
Ремонты с частичным восстановлением эксплуатационных
свойств объекта занимают промежуточное положение между
ремонт гми с полным и минимальным восстановлением. При них
восстанавливается работоспособность объекта и несколько под-
229
нимается уровень безотказности (см. рис. 5.5, в). Безотказность
становится больше, чем до выполнения ремонта, но меньше, чем
у нового элемента. Частичное восстановление эксплуатационных
свойств происходит при выполнении выборочных капитальных,
а также текущих ремонтов зданий и сооружений.
В зависимости от свойств конструкций, их технического со-
стояния, условий эксплуатации, а также от регламента работы
эксплуатационной службы ремонты могут проводиться по одной
из следующих схем (рис. 5.6):
а) только при отказе объекта выполняется его полное восста-
новление (по факту отказа). Никакие другие мероприятия по
восстановлению работоспособности и безотказности объекта не
выполняются (рис. 5.7). Применение такой схемы возможно
только для тех конструкций и инженерного оборудования, от-
каз в работе которых не нарушает безопасности пользования
объектом, а также комфортные условия в нем. Как правило, ре-
монты по факту отказа проводятся для элементов здания, ремонт
которых по другим схемам экономически нецелесообразен. На-
пример, замена электроламп в местах общего пользования по
Рис. 5.6. Варианты условий проведения ремонтов объектов
230
Работоспособное состояние
Аварийный ремонт
с полным восстановлением
Рис. 5.7. Организация ремонтов по факту отказа обьекта
строго определенному плану вряд ли экономически оправдана,
а отказ одной из ламп н ее замена в приемлемые сроки не нару-
шают условий безопасности и комфортности помещений. При
выполнении ремонтов по факту отказа частота отказов (и соот-
ветственно аварийных ремонтов) обратно пропорциональна сред-
нему сроку службы элемента:
= Ав.рем = у-’
1 ср
б) строго периодическое выполнение плановых ремонтов. При
такой схеме заранее определяется период проведения плановых
ремонтов, и, несмотря на состояние элемента, в назначенный
момент выполняется его полное восстановление. Если отказ воз-
никает в межремонтный период, то его устраняют посредством
аварийного ремонта (рис. 5.8). Недостатком такого метода ре-
монтов является недоиспользование ресурса многих элементов
объекта, поскольку их восстановление не связано с техническим
состоянием на момент ремонта. Кроме того, если аварийные ре-
монты предусматривают полное восстановление элемента, то
может возникнуть такая ситуация, что недавно восстановленный
элемент подлежит замене прн наступлении срока планового ре-
монта, хотя его ресурс выработан незначительно. Поэтому схе-
му строго периодических ремонтов предпочтительно применять
при планировании последовательности комплексных капиталь-
ных ремонтов здания или сооружения. В этом случае техннчес-
231
Рис S B Организация строго периодических ремонтов.
вариант 1 - до назначенного срока планового ремонта отказы не возникал.:
вариант 2 - при возникновении отказов до назначенного срока планового
ремонта
кое состояние отдельных элементов является второстепенным
фактором по сравнению с необходимостью восстановления
эксплуатационных свойств объекта в целом.
При организации ремонтов объекта по строго периодической
схеме количество отказов и аварийных ремонтов с минимальным
восстановлением, возникающих в период между плановыми ре-
монтами, примерно можно рассчитать по формуле
(5-3)
где — средний срок службы конструкции; — назначаемый пе-
риод между плановыми ремонтами.
Частота отказов, частота аварийных ремонтов с минимальным
восстановлением, а также частота проведения плановых ремон-
232
тов вычисляются как отношение их количества в межремонтный
период к его длительности:
0,785|^Щ-Т
= /£" -----^^- = 0.785^1.
ZIM 2 ср
(5.4)
Пример. Эксплуатация мастичной кровли «Кровлелит», име-
ющей средний срок службы 15 лет, связана со следующими зат-
ратами, руб./м2:
Стоимость ьетернала конструкции 50
Стоимость планового ремонта 200
Стоимость аварийного ремонта с минимальным восстановлением
эксплуатационных свойств кровли 160
Стоимость затрат, связанных с ликвидацией последствий
протечек кровли 690
Допустимая частота отказов кровли /доп = 0,04 1/год. Требу-
ется выбрать межремонтный период, обеспечивающий требуе-
мый уровень надежности кровли и наименьшие приведенные
затраты, связанные с ее обеспечением.
Решение. Возможные значения периодичности проведения пла-
новых ремонтов, при которых обеспечивается необходимый уро-
вень надежности кровли, определяется из неравенства
/ ГМИН</
'отк '*в 'зол-
Тогда с учетом формулы (5.4) получаем
^=/S"H=0,785bl-S/„.
2 ср
Откуда возможный диапазон межремонтных периодов для
Кровли составит
т 0»04 152 п 5
0,785 0,785 1,5
Следовательно, проводя плановые ремонты через время, мень-
шее 11 лет, мы обеспечиваем требуемый уровень надежности
кровли.
233
Рассчитаем величину приведенных затрат для межремонтных
периодов от 1 до И лет. Для всех случаев за время будет вы-
полнен один капитальный ремонт кровли с полным восстанов-
лением ее эксплуатационных качеств, т.е. — 1. Число отка-
зов и аварийных ремонтов с минимальным восстановлением
рассчитываем по формуле (5.3). Например, для межремонтного
периода 1 год
} = °-785(^)2 = 0,0035.
Поскольку в условии не оговорено, что дополнительные зат-
раты, связанные с возникновением отказа увеличиваются во
времени, будем считать их постоянными.
Остаточный срок службы кровли при межремонтном перио-
де 1 год определяем по табл. 5.1 при соотношении Т^Т = 1/15:
7^ = 0,937 15 = 14,06 лет.
По формуле (5.1) рассчитываем величину приведенных зат-
рат при межремонтном периоде 1 год:
Спл • + Ов • ^ав + Сдоп (отх' + Сцач
с =_______ — ____________ ______,_________*ср _
vnpHB от
1 пл
200-1+180- 0,0035 + 890 - 0,0035 +50 Hl0?
-------------------! — — 15--205,3 руб./м2-год.
Выполним аналогичные расчеты для других вариантов меж-
ремонтных периодов:
Мвжремонтн йл риод. годы 1 2 3 4 5 в
Привел иные затраты, руб Дм’-год) 205,3 107 9 78,1 65.1 58.8 55,8
Межремонтный период, годы 7 fl 9 10 11
Приведен ые затраты, руб Дм’-год) 54.8 549 55,8 57,4 59 3
234
Увеличение значений приведенных затрат при малых межре-
монтных периодах (1, 2 и 3 года) связано с тем, что предполага-
ется замена кровли, практически не использовавшей свой ресурс.
Удлинение межремонтных периодов приводит к возрастанию
приведенных затрат. Это объясняется тем, что требуется боль-
ше затрат на ликвидацию отказов и их последствий, так как ча-
стота отказов возрастает. Оптимальным экономическим межре-
монтным периодом в нашем примере является Tm ~ 7 лет, при
котором приведенные затраты по условию обеспечения надеж-
ности по эксплуатации кровли имеют наименьшее значение;
в) обеспечить более полное использование ресурса объекта при
периодических плановых ремонтах можно следующим образом.
Вначале создастся перспективный план ремонтов с полным вос-
становлением, предусматривающий замену элементов через время
7^ после начала эксплуатации. Если в межремонтный период
нс возникают отказы, то ремонты проводятся в строгом соответ-
ствии с планом. Однако если в период между назначенными
плановыми ремонтами элемент отказывает, то выполняется пол-
ное восстановление и следующий очередной плановый ремонт
проводится не в назначенный срок, а переносится на время Тт
с момента отказа (рис. 5.9). Такая схема ремонтов называется
строго периодическими ремонтами по назначенной наработке
объекта.
Несмотря на то что в рассматриваемой схеме проведения ре-
монтов ресурс конструкций и оборудования используется более
полно, чем при применении схемы строго периодических ремон-
тов. ее применение ограничено следующими обстоятельствами.
Во-первых, необходимо вести постоянный учет каждого из вы-
полненных ремонтов отдельно для каждой конструкции, элемента
и оборудования здания. Учитывая, что эксплуатационная орга-
низация занимается обслуживанием нескольких объектов, чис-
ло элементов в которых может достигать сотен тысяч единиц,
учет выполненных ремонтных работ может быть весьма громозд-
ким и трудно поддаваться оперативному управлению. Во-вторых,
схема строго периодических ремонтов по назначенной наработ-
ке объекта предназначена для конкретной конструкции или эле-
мента и не связывает между собой периодичность ремонтов даже
однотипных элементов. Это неприемлемо при выполнении ком-
плексного ремонта здания (сооружения) нли его отдельных си-
стем. Например, при выполнении реконструкции системы отоп-
235
I
Вариант 1
Выполнение планового
ремонта
Назначенный срок
проведения планового
ремонта Тм
Перенос срок
провод», ия планового
Вариант 2 ремонта на момент Г +Т„,
Казначеям й срок
проведения планового
ремонта Гм
Рис. 5.9. Схема строго периодических ремонтов по назначенной наработке
объекта:
вариант 1 - до назначенного срока планового ремонта отказы не возникали;
вариант 2 - при возникновении отказов до назначенного срока планового
ремонта
ления здания нецелесообразно оставлять в составе новой систе-
мы участки трубопроводов нли запорно-регулировочную арма-
туру, выработавшую свой ресурс не в полном объеме по при-
чине замены в межремонтный период. Поэтому схема строго
периодических ремонтов по назначенной наработке объекта при-
меняется в основном для единичных, дорогостоящих конст-
рукций и оборудования, восстановление эксплуатационных
свойств которых не связано с комплексным ремонтом. Напри-
мер, восстановление кровли или тепломеханического оборудо-
вания тепловых пунктов нс требует выполнения ремонтных работ,
связанных с другими конструкциями и оборудованием здания.
В этих случаях применение рассматриваемой схемы предпочти-
тельно;
г) существуют более сложные схемы организации периодичес-
ких ремонтов, обеспечивающих наиболее полное использование
ресурса объекта. К ним относятся:
236
• объект восстанавливается после первого отказа, который
произошел спустя заданное время Тпл после предыдущего
полного восстановления эксплуатационных свойств Отказы,
возникшие до назначенного момента, устраняются посред-
ством аварийных ремонтов с минимальным восстановле-
нием.
При равных затратах на выполнение ремонтов эта схема эф-
фективнее схемы Б, поскольку при специально подобран-
ном графике ремонтов в достаточной мере исчерпывается
ресурс объекта и без дополнительных затрат увеличивается
интервал между плановыми ремонтами;
• плановые полные восстановления проводятся как и в пре-
дыдущей схеме, но не позднее чем через время отно-
сительно момента последнего полного восстановления экс-
плуатационных свойств объекта. Очередной плановый ре-
монт выполняется во временном интервале — 7^^“),
отсчитываемом с момента последнего ремонта с полным
восстановлением эксплуатационных свойств объекта. При
такой схеме ресурс объекта используется в несколько мень-
шей мере, но при этом гарантируется заданный уровень
безотказности.
Как и в случае со схемой В, рассмотренные схемы примени-
мы только для единичных дорогостоящих конструкций и обо-
рудования, восстановление эксплуатационных свойств которых
не связано с комплексным ремонтом;
д) скорость и величина старения и износа однотипных кон-
струкций и оборудования, эксплуатирующихся в различных ус-
ловиях, могут значительно различаться. Поэтому для уточнения
межремонтных периодов, а также для предотвращения возник-
новения отказов в межремонтные периоды предусматривается
система осмотров конструкций н оборудования зданий и соору-
жений. По намеченному графику выполняется проверка техни-
ческого состояния основных элементов здания. Все неисправно-
сти, обнаруженные при осмотре, записываются в специальный
журнал проведения осмотров. Затем составляется план меро-
приятий по ликвидации обнаруженных неисправностей, кото-
рые приурочиваются к моменту очередного ремонта, иди при не-
обходимости назначается выполнение внепланового ремонта
В последнем случае схема восстановления элементов выглядит
следующим образом (рнс. 5.10). В соответствии с назначенной
237
Рис. 5.10. Схема восстановления эксплуатационных свойств объекта
по результатам техник ских осмотров
периодичностью Тки выполняется осмотр конструкции (обору-
дования), на который затрачиваются средства в размере С^. Если
при осмотре обнаруживается неисправность или отказ элемен-
та, то выполняется полное восстановление его эксплуатацион-
ных свойств, на которое выделяются средства в объеме С™1'.
Организация ремонтов только по результатам осмотров име-
ет ограниченную область применения, так как до обнаружения
неисправности нлн отказа во время очередного ремонта конст-
рукция или оборудование некоторое время Тотк находятся в не-
работоспособном состоянии. Продолжительность <скрытого*
существования неисправности (отказа) до ее обнаружения во
время очередного осмотра примерно может быть вычислена по
формуле
Т^-0.5^-, (5.5)
где — назначенный период проведения технических осмотров;
Тср — средний срок службы элемента.
Для того чтобы сократить время неработоспособного состоя-
ния элементов здания, одновременно со схемой организации
ремонтов по результатам осмотров дополнительно применяют сше
какую-либо из рассмотренных схем организации ремонтов, по-
зволяющую эксплуатационной службе получать информацию о
неисправности или отказе достаточно быстро после их возник-
новения.
Если удельные материальные затраты, вызванные неисправ-
ным состоянием обьекта (например, утечка воды), составляют
238
С30П,то приведенные затраты, связанные с обеспечением надеж-
ности конструкций и оборудования зданий C„ptn, вычисляются
по формуле
Т
С =сло-1Н +С ср । С Т ' (5.6)
vnpKi v»b tvocm -р т'-лоп1ОТК» '
уос
е) зачастую диагностика технического состояния отдельных
конструкций и оборудования здания сопряжена техническими
сложностями и значительными материальными затратами. На-
пример, контроль состояния трубопроводов небольших диамет-
ров, проложенных в непроходных каналах, требует проведения
раскопки, разборки канала и выполнения соответствующих ди-
агностических процедур. По времени выполнения, трудовым и
материальным затратам диагностическая операция оказывается
соизмеримой с затратами, необходимыми для замены трубопро-
водов. Если отказ таких конструкций не приводит к нарушению
условий безопасности здания или сооружения, а последствия
отказа и выполнения аварийного ремонта существенно не вли-
яют на качество функционирования объекта, то возможна орга-
низация ремонтов по следующей схеме. Первые (л — 1) отказов
объекта устраняются посредством аварийных ремонтов с мини-
мальным восстановлением его эксплуатационных свойств. После
возникновения л-го отказа объект восстанавливается полностью.
Количество допускаемых аварийных восстановлений (л) опре-
деляется из технической целесообразности и экономических
соображений. Подобный подход используется, например, в не-
мецком стандарте 7WS, который предусматривает «заменять
участок водопроводной сети, если случится более одного отказа
на определенной протяженности трубопровода втечение двух лет».
Частота возникновения отказов конструкции в зависимости
от назначенного допустимого числа аварийных ремонтов л при-
близительно может быть рассчитана по формуле
= £-. (5.7)
7 ср
где коэффициент кя определяется по табл. 5.2.
239
Частота ремонтов с минимальным и полным восстановлени-
ем эксплуатационных свойств объекта вычисляются по форму-
лам
/ПОЛИ
ав
(5.8)
где коэффициенты к„ и к„ определяются по табл. 5.2.
Таблица 5.2
КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ОТКАЗОВ И РЕМОНТОВ
Назнач иное число п аварийных ремонтов 1 2 3 4 5 6 7 В 9 10
Коэффициент А. 1 1.333 1.6 1.829 2.032 2 216 2,387 2 546 2,696 2838
Коэффициент к’ 0 0.667 1.067 1,371 1 625 1.847 2.046 2.228 2.396 2.544
Коэффициент 1 0,667 0,533 0.458 0.406 0.369 0.341 0.318 0.3 0.284
Формула (5.1) для расчета приведенных затрат, связанных с
обеспечением надежности конструкций н оборудования зданий
Сприв, в рассматриваемой схеме организации ремонтов преобра-
зуется к виду
' _ гполм /-ПОЛИ /МИН /-МИН г
'при в лав ’-'ав ‘глвв ’’-ав + 'доп "Чип •
(5.9)
Пример. Допустимая частота отказов участка водопроводной
сети, имеющей средний срок службы Тс - 25 лет, сети
4оп — 0/г°л)- Затраты, связанные с минимальными аварий-
ными ремонтами водопроводной сети, составляют 900 руб./м;
с полным восстановлением — 4200 руб./м. Потери из-за каждо-
240
го отказа водопровода составляют 400 руб. Требуется определить
допустимое число аварийных ремонтов с минимальным восста-
новлением эксплуатационных свойств участка водопроводной сети
и найти экономически оптимальное число таких ремонтов.
Решение. Возможные значения количества аварийных ремон-
тов, при которых обеспечивается необходимый уровень надеж-
ности водопроводной сети, определяется (см. п. 4.4.2) из нера-
венства с учетом формулы (5.7)
I >/ ~-п-
лдол — уогх — —, •
7 ср
Отсюда находим значение коэффициента кп:
Гер =0,1-25 = 2,5.
По значению коэффициента кп = 2,5 из табл. 5.2 выбираем
максимальное число п аварийных ремонтов с минимальным вос-
становлением, при котором обеспечивается требуемый уровень
надежности водопроводной сети, п = 7 (ремонтов). Для каждо-
го значения п по формуле (5.9) рассчитываем приведенные за-
траты. При л Г.
Я _ гЛОЯН х-Ч1ОЛН . ГМИН /'’МИН Г
ълрив — 7 в ’-'ав *ав ’'ав лотх ' ’-доп —
- 0,04 4200+0 900+0,04 400 = 184 руб./год.
Выполняем аналогичные расчеты для других значений п:
Число минимальных
восстановлений, п 1 2 3 4 5 6 7
Приведенные затраты,
руб./год 184 157.4 153,6 155.6 159 2 163 9 169.1
Из выполненных расчетов следует, что при допускаемом ко-
личестве ремонтов с минимальным восстановлением п = 3 обес-
печивается требуемый уровень надежности участка водопроводной
сети при минимальных приведенных затратах на обеспечения
надежности.
9 - 10510 Калинин
241
5.4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
О СОСТОЯНИИ ЗДАНИЯ (СООРУЖЕНИЯ)
Общие положения. Система технического обследования состо-
яния жилых зданий включает следующие виды контроля в зави-
симости от целей обследования и периода эксплуатации здания:
• инструментальный приемочный контроль технического со-
стояния капитально отремонтированных (реконструирован-
ных) жилых зданий:
• инструментальный контроль технического состояния жи-
лых зданий в процессе плановых и внеочередных осмотров
(профилактический контроль), а также в ходе сплошного
технического обследования жилищного фонда;
• техническое обследование жилых зданий для проектиро-
вания капитального ремонта и реконструкции:
• техническое обследование (экспертиза) жилых зданий при
повреждениях конструкций и авариях в процессе эксплуа-
тации.
Решение о проведении приемочного контроля капитально
отремонтированного (реконструированного) здания принимается
органами, назначающими рабочие или государственные приемоч-
ные комиссии для проверки готовности предъявленных комис-
сии объектов к эксплуатации.
Проведение инструментального приемочного контроля капи-
тально отремонтированных (реконструированных) зданий выпол-
няется группами изысканий проектно-сметных организаций или
специализированными организациями заказчика.
Группа инструментального приемочного контроля решает
следующие задачи:
• выполняет выборочную проверку соответствия выполнен-
ных строите тьно-монтажных или ремонтно-строительных
работ проекту, строительным нормам и правилам, стандартам
и другим действующим нормативным документам;
• устанавливает соответствие характеристик температурно-
влажностного режима помещений санитарно-гигиеничес-
ким требованиям к жилым здаиням для определения го-
товности жилого дома к заселению;
• составляет техническое заключение по результатам инст-
рументального приемочного контроля в сроки, указанные
в договоре на проведение этих работ.
242
Профилактический контроль выполняется персоналом жилищ-
но-эксплуатационной организации в процессе плановых и вне-
очередных осмотров. Кроме того, профилактический контроль
необходимо осуществлять при подготовке акта технического
состояния жилого дома иа передачу с баланса одной организа-
ции на баланс другой.
Сплошное техническое обследование жилищного фонда вы-
полняется специалистами жилишно-эксплуатациониой органи-
зации под техническим и организационным руководством спе-
циалистов из соответствующих организаций.
5.4.1. Инструментальным приемочный контроль
технического состояния зданий
Инструментальный приемочный контроль проводится путем
технического обследования здания или сооружения с целью вы-
явления дефектов и повреждений элементов, конструкций и
инженерного оборудования, а также недоделок и отступлений от
требований проекта и нормативных документов.
Инструментальный контроль инженерного оборудования дат-
жен осуществляться на подключенных к внешним сетям систе-
мах, работающих в эксплуатационном режиме. Проверка систем
отопления в летнее время производится заполнением систем и
испытанием давлением, а также на прогрев с циркуляцией воды
в системе.
Контрольными нормами, определяющими качество строитель-
но-монтажных и ремонтно-строительных работ, должны служить
максимальные и минимальные значения параметров, нижние и
верхние пределы их отклонений, а также приемочные и брако-
вочные числа, характеризующие количество дефектных единиц
в выборке.
Нарушением допуска считается случай, когда измеренное
значение параметра превышает установленное верхнее или нижнее
предельное отклонение более чем на величину погрешности из-
мерения.
Результаты инструментального приемочного контроля зано-
сятся в рабочий журнал. На основе данных выборочного конт-
роля составляется техническое заключение о состоянии здания,
принимаемого в эксплуатацию. При обнаружении дефектов и
243
повреждений, имеющих тенденцию к развитию (осадки, трещины,
прогибы), следует обеспечить возможность дальнейшего систе-
матического наблюдения путем установки марок и реперов.
5.4.2. Инструментальный контроль технического
состояния зданий при плановых и внеочередных
осмотрах, а также в ходе сплошного технического
обследования
Инструментальный контроль технического состояния конст-
рукций и инженерного оборудования необходимо проводить
систематически в течение всего срока эксплуатации здания во
время плановых и внеочередных осмотров. При осмотрах выяв-
ляются неисправности и причины нх появления, уточняются
объемы работ по текущему ремонту и дастся общая оценка тех-
нического состояния здания.
Плановые общие осмотры проводятся два раза в год — вес-
ной и осенью. При общем осмотре обследуются все конструк-
ции здания, инженерное оборудование, отделка и внешнее бла-
гоустройство.
При внеочередном осмотре обследуются элементы инженер-
ного оборудования или отдельные конструктивные элементы
здания.
Внеочередные осмотры следует проводить при возникнове-
нии повреждений или нарушении работы строительных конст-
рукций и инженерного оборудования.
При обнаружении во время осмотров повреждений конструк-
ций, которые могут привести к снижению несущей способнос-
ти и устойчивости, обрушению отдельных конструкций или се-
рьезному нарушению нормальной работы оборудования, жилиш-
но-эксплуатационная организация должиа принять меры по
обеспечению безопасности людей и приостановлению дальней-
шего развития повреждений. Об аварийном состоянии здания или
его элементов следует немедленно сообщить в вышестоящую орга-
низацию.
244
5.4.3. Техническое обследование зданий для
проектирования их капитального ремонта
и реконструкции
Техническое обследование здания выполняется после изуче-
ния проектной или специализированной организацией задания
на проектирование капитального ремонта или реконструкции.
Цель технического обследования заключается в определении
действительного технического состояния здания и его элемен-
тов, получении количественной оценки фактических показате-
лей качества конструкций с учетом изменений, происходящих
во времени, для установления состава и объема работ капиталь-
ного ремонта или реконструкции.
Техническое обследование здания состоит из следующих эта-
пов: подготовительного, общего и детального обследования зда-
ния. составления технического заключения с последующим уточ-
нением основных его положений после освобождения помеще-
ний или здания жильцами или арендаторами.
На подготовительном этапе проводится изучение архивных
материалов, норм, по которым велось проектирование, сбор ис-
ходных И иллюстративных материалов.
Исходными данными для выполнения работ по техническо-
му обследованию здания являются:
• техническое задание;
• инвентаризационные поэтажные планы и технический пас-
порт на здание;
• акт последнего общего осмотра здания;
• сведения об участке строительства (сейсмичность, наличие
карстов и др.);
• справка отдела по делам строительства и архитектуры или
районного архитектора о целесообразности проведения ком-
плексного капитального ремонта, надстройки, реконструк-
ции здания с градостроительной точки зрения н указани-
ем, находится ли здание на учете Государственной инспекции
по охране памятников истории и архитектуры;
• геоподоснова, выполненная специализированной органи-
зацией.
Примерная форма технического задания на обследование зда-
ния (сооружения) приведена в табл. 5.3.
245
Таблица 5.3
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на производство изыскений для установления прич н появления деформаций
(установления технического состояния и условий р«конструкции) здания по
адресу:___________________________(указывается адрес здания)
1. Габарит предполагаемой к обследованию части здания_______
2. В указанном габарите обследованию подлежат (да, нет):
а) фундаменты и основание_____________________________
б) стены_________________________________________
в) внутренние отдельно стоящие опоры__________________
г) перекрытия____________________________________
временные нормативные нагрузки по этажам существующие___
будущие_________________________________________
д) прочие строительные конструкции (перечислить)______
е) системы инженерного оборудования___________________
3- Конечные цели обследования здания или его части:____
Об шее обследование следует проводить для предварительно-
го ознакомления со зданием и составления программы деталь-
ного обследования конструкций.
При обшем обследовании здания выполняются следующие
работы;
• определяют конструктивную схему здания, выявляют не-
сущие конструкции по этажам и их расположение;
• анализируют планировочные решения в сочетании с кон-
структивной схемой;
• осматривают и фотографируют несущие конструкции, кон-
струкции крыши, лестницы, фасад;
• намечают места выработок, вскрытий, зондирования кон-
струкций в зависимости от целей обследования здания;
• изучают особенности близлежащих участков территории,
вертикальной планировки, состояние благоустройства уча-
стка, организацию отвода поверхностных вод;
• устанавливают наличие вблизи здания засыпанных овра-
гов, термокарстовых провалов, зон оползней и других опас-
ных геологических явлений;
246
• оценивают расположение здания в застройке с точки зре-
ния подпора в дымовых, газовых, вентиляционных кана-
лах.
Детальное обследование должно выполняться для уточнения
конструктивной схемы здания, размеров элементов, состояния
материала и конструкций в целом.
При детальном обследовании выполняют работы по вскры-
тию конструкций, испытанию отобранных проб, проверке и
оценке деформаций, определению физнко-механических харак-
теристик конструкции, материалов, грунтов и т.п. с использо-
ванием инструментов, приборов, оборудования для испытаний.
Техническое заключение подетальному обследованию здания
для проектирования его капитального ремонта, модернизации или
реконструкции содержит:
• перечень документальных данных, на основе которых со-
ставлено заключение;
• историю сооружения;
• описание окружающей местности;
• описание общего состояния здания по внешнему осмотру;
• определение физического и морального износа здания;
• описание конструкций здания, их характеристик и состоя-
ния;
• чертежи конструкций здания с деталями и обмерами;
• расчет действующих нагрузок и поверочные расчеты несу-
щих конструкций и основания фундаментов;
• обмерные планы и разрезы здания, планы и разрезы шур-
фов, скважин, чертежи вскрытий;
• геологические и гидрогеологические условия участка, стро-
ительную и мерзлотную характеристику грунтов основания
(при необходимости), условия эксплуатации;
• анализ причин аварийного состояния здания, если тако-
вые имеются;
• фотографии фасадов и поврежденных конструкций:
• выводы и рекомендации.
Техническое заключение следует составлять в четырех экзем-
плярах. Первый экземпляр направляют в организацию, согласо-
вывающую проект; второй — заказчику; третий передают орга-
низации (мастерской института), проектирующей ремонт; чет-
вертый оставляют в архиве отдела, составляющего техническое
заключение.
247
В состав работ по исследованию подземных конструкций зда-
ний необходимо включать:
• изучение имеющихся материалов по инженерно-геологи-
ческим исследованиям, производившимся в данном райо-
не или на соседних участках;
• изучение планировки и благоустройства участка, геологи-
ческого строения, физико-геологических явлений, состо-
яния существующих зданий и грунтовых вод;
• изучение материалов, относящихся к заложению фундамен-
тов исследуемых зданий;
• бурение и шурфование исследуемых грунтов;
• лабораторные исследования грунтов оснований;
• изучение состояния искусственных свайных оснований и
фундаментов.
При детальном обследовании оснований и фундаментов не-
обходимо выполнять следующие работы:
• определить тнп фундаментов, их форму в плане, размер,
глубину заложения, выявить выполненные ранее подвод-
ки, усиления и другие устройства, а также ростверки и ис-
кусственные основания;
• исследовать прочность конструкции фундаментов с уста-
новлением повреждений;
• отобрать пробы для лабораторных испытаний материалов
фундаментов;
• установить состояние гидроизоляции;
• отобрать пробы грунта основания и грунтовой воды для ла-
бораторного анализа.
Материалы инжсиерно-геологического обследования должны
представляться в виде геолого-литологического разреза основа-
ния. Пласты грунтов должны иметь высотные привязки. В про-
цессе выполнения обследования ведется рабочий журнал, содер-
жащий все условия проходки, атмосферные условия, зарисовки
конструкций фундаментов, размеры и расположение шурфов и т-Д.
Результаты лабораторных исследований оформляются прото-
колами и заносятся в рабочий журнал.
При обследовании каменных стен обычно выполняются сле-
дующие операции.
При осмотре кладки устанавливаются конструкция и материал
стен, наличие деформации (трешин, отклонений от вертикали,
расслоений и др.).
248
Для определения конструкции и характеристик материалов
стен производят выборочное контрольное зондирование кладки
Зондирование выполняют на всех этапах с учетом материалов
предшествующих обследований и проведенных надстроек и при-
строек. При зондировании отбирают пробы материалов из раз-
личных слоев конструкции для определения влажности и объем-
ной массы.
Прочность кирпича и раствора следует определять иеразру-
шаюшими методами в простенках и сплошных участках стеи в
наиболее нагруженных сухих местах. Места с плвстинчатой де-
струкцией кирпича для испытания непригодны. Число вскры-
тий уточняется по величине коэффициента вариации прочнос-
ти кирпича и раствора в первой серии испытаний. В ответствен-
ных случаях, когда прочность стен является решающей прн
определении возможности дополнительной нагрузки, прочность
материалов кладки кирпича и раствора должна устанавливаться
лабораторными испытаниями.
В стенах из слоистых кладок с внутренним бетонным запол-
нением крупных блоков образцы для лабораторных испытаний
отбирают в виде кернов.
Установление пустот в кладке, наличия и состояния метал-
лических конструкций и арматуры для определения прочности
стен производится инструментальными методами или по резуль-
татам вскрытия.
При обследовании зданий с деформированными стенами не-
обходимо установить причину появления деформации. Наблю-
дения за трешинами и развитием деформаций выполняют с по-
мощью контрольных маяков, нивелировании обрезов фундаментов
по периметру здания, определения крена здания.
При проверке теплозащитных качеств стен измерению под-
лежат: температура внутренней и наружной поверхностей сте-
ны и окон, тепловые потоки, проходяшие через ограждающие
конструкции, температура внутреннего и наружного воздуха,
влажность внутреннего воздуха, влажность и плотность материала
стен, скорость и направление ветра.
Результаты лабораторных испытаний оформляются актом
испытаний. Результаты наблюдений за развитием трешин н де-
формаций заносятся в рабочий журнал.
Места проведения зондирования, вскрытий, взятия проб,
испытаний прочности указываются на инвентаризационных пла-
249
нах. Поверочные расчеты выполняются на основании определения
прочности материалов и измерения рабочих сечений для оцен-
ки возникающих деформаций или необходимости передачи до-
полнительных нагрузок.
При обследовании стен полносборных зданий определяют их
конструкцию, прочность, трешиностойкость материалов стен,
герметичность стыковых соединений, а также проводят оценку
состояния арматуры и металлических закладных деталей, утеп-
лителя и материалов заделки стыков.
Для оценки состояния стен, поврежденных трещинами, не-
обходимо выявить причину их возникновения, при этом проводят
визуальный осмотр наружных и внутренних поверхностей стен,
выявление поврежденных участков, фиксацию направления тре-
шин, измерение ширины их раскрытия, вскрытие участков с
трещинами для оценки состояния бетона и арматуры, постановку
маяков и длительные наблюдения за раскрытием трешин в сте-
нах для установления динамики их раскрытия.
Состояние герметизации стыков наружных стен следует оп-
ределять по наличию протечек, а также вскрытием стыков и
оценкой состояния материалов заполнения и адгезии герметика.
Для обследования состояния связей и закладных деталей в
первую очередь необходимо выбрать конструктивные узлы, на-
ходящиеся в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации
(наличие протечек, промерзаний, высокая влажность воздуха в
помещениях, наличие на поверхности бетона ржавых пятен, раз-
рушение защитного слоя бетона и др.). Места расположения зак-
ладных деталей и связей устанавливаются по проектной докумен-
тации, в каждом конкретном узле их расположение уточняется
с помошью металлоискателя.
При вскрытиях выявляют состояние бетона, окружающего
металлические элементы, по степени карбонизации с помощью
фенолфталеиновой пробы.
Прочность бетона панелей определяют неразрушаюшими ме-
тодами для выявления причин возникновения силовых трешин,
а также при необходимости передать дополнительные нагрузки.
Число участков для определения прочности бетона панелей дол-
жно быть не менее 25. Прочность поврежденных участков оп-
ределяют в обязательном порядке. В тех случаях, когда прочность
бетона и стальных связей является решающей для определения
возможности дополнительной нагрузки, необходимо проводить
250
лабораторные испытания. Прочность рабочей арматуры опреде-
ляется как среднее арифметическое значение данных испытания
на разрыв не менее двух образцов, взятых из наименее напря-
женных зон обследуемого элемента.
Для определения несущей способности панелей необходимо
провести поверочный расчет. Геометрические размеры расчет-
ных сечений, а также перемещения, изгиб, отклонения от вер-
тикали, эксцентриситеты определяются непосредственными из-
мерениями. В случае необходимости для определения парамет-
ров армирования производят вскрытия.
При оценке несущей способности внутренних панелей опре-
деляют их соосность опирания и величину опирания перекры-
тий на стену, полноту заполнения платформенного стыка; про-
водят лабораторные испытания прочности раствора в стыке.
Зондирование наружных стен выполняют для установления их
конструкции, наличия внутренних расслоений легкого бетона,
осадки утеплителя, а также для взятия проб материалов и опре-
деления их влажности, плотности, толщины слоев.
Измерение уровня шума в помещениях жилых зданий следу-
ет производить при наличии внешних (транспортные магистра-
ли, промышленные предприятия, отдельно стоящие магазины
и др.) и внутренних (лифты, котельные, холодильные установ-
ки встроенных магазинов и др.) источников шума.
При обследовании стен деревянных зданий устанавливается
наличие деформаций, мест, пораженных гнилью, грибком и
жучками. Для определения вида поражения и активности про-
цесса разрушения образцы древесины необходимо отправлять на
анализ в микологическую лабораторию. Образцы выбирают из
наиболее пораженных участков стен. По каждому зданию сле-
дует отбирать нс менее трех образцов из трех отдельных участ-
ков вскрытия. В одном образце должна быть представлена как
здоровая, таки пораженная древесина (на границе перехода). При
наличии наружных грибковых образований образец берется вместе
с ними. Размер образцов рекомендуется принимать 15 х 10 х 5 см
(для досок 15x5x2 см).
Для установления причин гниения и разрушения древесины
выполняют измерения влажности древесины в местах взятия проб,
воздухообмена в помещении (скорости движения воздуха в под-
полье и др.), влажности и температуры воздуха в помещении.
251
Проверка наличия и глубины проникновения антисептиков
в древесину производится по изменению цвета древесины в пробе,
взятой полым буравом или с помощью специального проявителя.
Измерение влажности деревянных элементов и засыпки сле-
дует производить прн обнаружении признаков отсыревания и
промерзания стен. Оценка состояния материала засыпки (утеп-
лителя), его плотности производится по образцу, вынутому по-
лым буравом из конструкции. Число отверстий для взятия проб
должно быть не менее трех.
Одновременно проверяется стальным щупом плотность коно-
патки щелей, зазоров стен и проемов, трешин в брусьях и брев-
нах.
Обнаруженные деформации стен (отклонение от вертикали,
горизонтальные перемещения, смешения податливых соедине-
ний) измеряются в обязательном порядке.
При предварительном осмотре необходимо определить кон-
струкцию колонн, измерить их сечения и обнаруженные дефор-
мации (отклонение от вертикали, выгиб, смещение узлов), за-
фиксировать и измерить ширину раскрытия трешин.
Расположение арматуры, ее диаметр и толщина защитного слоя
бстоиа в железобетонных колоннах должны устанавливаться элек-
тромагнитным методом. В кирпичных колоннах необходимо
определить наличие металла в кладке и его сечение. В случае
необходимости производится вырубка борозд и обнажение ар-
матуры колонн.
Прочность бетона непосредственно в колоннах следует опре-
делять нсразрушаюшими методами. В случае необходимости
применяются методы статических испытаний с выпиливанием
образцов.
При контрольном зондировании и взятии образцов участки
необходимо назначать с таким условием, чтобы снижение проч-
ности, трешиностойкости и жесткости было минимальным.
Конструкции металлических колонн необходимо осматривать
для установления качества защитных антикоррозионных покры-
тий сварных швов и измерения фактических размеров сечения
элементов колонны. Необходимость механических испытаний
образцов металла определяется целью обследования.
Деформации (отклонения от вертикали) следует определять
методом вертикального проецирования. Для ведения наблюде-
ний за раскрытием трешин необходимо устанавливать конт-
252
рольные маяки. Степень опасности выявленных повреждений н
возможность эксплуатации конструкции устанавливаются пове-
рочным расчетом с учетом их формы, ориентации к действующей
силе, размеров и взаимного расположения.
В зависимости от цели обследования здания и предполагаемого
вида ремонта при обследовании перекрытий н покрытий выпол-
няются следующие работы.
Предварительным осмотром уста но вливаются тнп перекры-
тия (по виду материалов и особенностям конструкции), види-
мые дефекты и повреждения, состояние отдельных частей пере-
крытия. подвергавшихся ремонту или усилению, действующие
на перекрытия нагрузки. При осмотре перекрытий необходимо
зафиксировать наличие, длину н ширину раскрытия трешнн в
несущих элементах или их сопряжениях. Наблюдение за трещи-
нами производят с помощью контрольных маяков или меток. Про-
гибы перекрытий определяют методами геометрического и гид-
ростатического нивелирован ня.
При испытаниях нсразрушаюшими методами железобетонных
перекрытий необходимо определить геометрические размеры
конструкции и се сечений, прочность бетона, толщину защит-
ного слоя бетона, расположение и диаметр арматурных стержней.
Вскрытия перекрытий должны выполняться для летального
обследования и определения степени их повреждения. Общее
число мест вскрытий определяют в зависимости от обшей пто-
щади перекрытий в здании. Вскрытия выполняют в наиболее не-
благоприятных зонах (у наружных стен, в санитарных узлах и т.п.).
При отсутствии признаков повреждений и деформаций число
вскрытий допускается уменьшить, заменяя часть вскрытий осмот-
ром труднодоступных мест оптическими приборами (типа эндос-
копа) через предварительно просверленные отверстия в полах.
При вскрытии перекрытий необходимо:
разобрать конструкцию пола на плошали, обеспечивающей
обмер не менее двух балок и заполнений между ними по
длине на 0,5—1 м;
• расчистить засыпку, смазку и пазы наката деревянных пе-
рекрытий для тщательного осмотра примыкания наката к
несущим конструкциям перекрытия;
• определить качество древесины балок и материалов запол-
нения путем механического зондирования, взятия проб и
образцов для лабораторного анализа;
253
• установить границы повреждения древесины;
• удалить штукатурку со стальных балок для определения сте-
пени коррозии;
• определить толщину сводиков и железобетонных плит, опи-
рающихся на балки;
• установить степень замоноличивания настилов между собой;
• выявить состояние гидроизоляции в санузлах, кухнях и ван-
ных комнатах, наличие звукоизолирующих прокладок между
конструкцией пола и перекрытием;
• определить сечение и шаг несущих конструкций.
Контроль и измерение звукоизоляции перекрытий от возмож-
ного шума и приведенного уровня ударного шума следует произ-
водить в соответствии с требованиями нормативных документов
В квартирах, расположенных над встроенными производст-
венными помещениями, подвалами, необходимо провести изме-
рение влажности воздуха.
Поверочные расчеты конструкций перекрытий следует про-
водить для установления расчетных усилий, проверки имеющихся
сочетаний нагрузок и определения необходимости усиления ис-
ходя из фактических значений показателей, установленных при
измерениях. Испытание перекрытий пробным загружением дол-
жно производиться в исключительных случаях при расхождении
расчетных данных и фактического состояния конструкций, а так-
же при невозможности другими методами определить несущую
способность перекрытий.
Обследование конструкций балконов, карнизов и козырьков
предполагает выполнение следующих работ.
Предварительным осмотром устанавливаются:
• расчетная схему конструкции балкона и материал несущих
конструкций;
• основные размеры элементов балкона или карниза (длина,
ширина и толщина плит, длина и сечения балок, подвесок,
подкосов, бортовых балок, расстояния между несущими
балками);
• состояние несущих конструкций (трешины на поверхнос-
ти плит, прогибы, коррозия стальных балок, арматуры, под-
весок, сохранность покрытий и стяжек, уклоны балконных
плит и др.);
• состояние опорных балок и подкосов стен под опорными
частями эркеров и лоджий, наличие трешин в местах при-
мыкания эркеров к зданию, состояние гидроизоляции;
254
• состояние раствора в кладке неоштукатуренных карнизов
и из иапуска кирпича в местах выпадения кирпича, тре-
шин в оштукатуренных карнизах;
• состояние стоек, консолей, подкосов, кронштейнов и под-
весок, кровли козырьков.
Для установления сечений несуших элементов и опенки со-
стояния заделки их в стену следует производить вскрытия. Ме-
ста вскрытий назначают исходя из расчетной схемы работы кон-
струкций балконов (козырьков). Измерение трешин железобе-
тонных конструкций, прогибов, уклонов, толщины защитного
слоя бетона, сечения арматуры и определение прочности бето-
на выполняют инструментальными методами.
Предварительному осмотру подлежат все балконы в здании.
Необходимо производить вскрытие и механическое определение
прочности конструкций балконов, имеющих повреждения, а при
отсутствии повреждений — не менее двух балконов на каждом
фасаде здания, половина из которых берется на последнем этаже.
Поверочные расчеты конструкций балконов, козырьков не-
обходимо выполнять для определения расчетных усилий, несу-
щей способности и необходимости их усиления. Пробные зв-
гружения производят в случае, если материалы вскрытия и рас-
четные данные не дают представления о работе конструкции.
При предварительным осмотре лестниц должны быть установ-
лены:
• конструктивные особенности и применяемые материалы;
• состояние участков, подвергавшихся реконструкции, сопря-
жений элементов, мест заделки несуших конструкций в
стены, креплений лестничных решеток;
• деформации несущих конструкций;
• наличие трешии и повреждений лестничных площадок, ба-
лок, маршей, ступеней;
• влажность и поражения древесины деревянных элементов.
Осмотру сверху и снизу подлежат все лестничные марши н
площадки в здании.
Ширина раскрытия трешин, прогибы элементов лестниц,
наличие закладных деталей, толщина защитного слоя бетона,
параметры армирования и степень коррозии металлических эле-
ментов устанавливаются инструментальными методами.
При установлении причин деформаций и повреждений лест-
ниц из сборных железобетонных элементов необходимо выпол-
нять вскрытия в местах заделки лестничных площадок в стены.
255
опор лестничных маршей, для каменных лестниц по металли-
ческим косоурам — в местах заделки в стены балок лестничных
площадок. При бескосоурных висячих каменных лестницах про-
веряют прочность заделки ступеней в кладку стен.
При осмотре деревянных лестниц по металлическим косоу-
рам и деревянным тетивам производят вскрытие мест заделки
балок в стены и зондирование деревянных конструкций для оп-
ределения вида и границ повреждения элементов.
При обследовании ферм следует выполнять следующие работы:
• предварительныЙ осмотр, обмер конструкции и составле-
ние планов и схем;
• установление типа несущих систем (настилы, обрешетки,
прогоны);
• определение типа кровли, соответствие уклонов крыши ма-
териалу кровельного покрытия, состояние кровли и внут-
ренних водостоков, наличие вентиляционных продухов, их
соотношения с площадью крыш;
установление основных деформаций системы (прогибы и
удлинение пролета балочных покрытий, углы наклона се-
чений элементов и узлов ферм), смешения податливых со-
единений (взаимные сдвиги соединяемых элементов, об-
мятис во врубках и примыканиях), вторичных деформаций
разрушения и других повреждений (трешины скалывания,
складки сжатия и др.);
• определение состояния древесины (гниль, жучковые повреж-
дения), наличия гидроизоляции между деревянными и ка-
менными конструкциями.
Объем обследования должен быть достаточным для опреде-
ления возможности дальнейшей эксплуатации несущих конст-
рукций.
Металлические конструкции следует осматривать для выяс-
нения степени коррозии, ослабления сечений и прогибов. При
осмотре железобетонных панелей и настилов чердачных перекры-
тий необходимо измерить обнаруженные трещины, прогибы.
Прн обследовании чердачных перекрытий следует проверить
толшину слоя, влажность и плотность утеплителя (засыпки).
В местах увлажнения необходимо производить вскрытия чер-
дачных перекрытий, парапетных плит для оценки состояния
арматуры, закладных деталей и бетона омоноличивания.
Кровлю необходимо обследовать для установления мест проте-
чек, сохранности гидроизоляционного ковра и его защитного слоя.
256
На основе полученных данных измерений и наблюдений сле-
дует составлять заключение, рабочие чертежи н расчеты несущей
способности обследованной конструкции. Примерная форма
технического заключения приведена в табл. 5.4.
Таблица 5 4
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ОБСЛЕДОВАНИЮ
(ЖИЛОГО, ОБЩЕСТВЕННОГО. УКАЗАТЬ) ЗДАНИЯ
в г. по ул. №
строение_____________________для его капитального ремонта,
надстройки и реконструкции (указать необходимый вид работ)
ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ (НА ОСНОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ)
Ng п л. На менование работ Основной показатель, обьем
1 Изучены архивные материалы Обьект
2 Заложено буровых скваж-н глубиной, м Скважина
3 Отрыто шурфов для обследования фундаментов Шурф
4 Выполнено лабораторных анализов грунта Анализ
5 Проведено испытание образцов кирпича Штука
То же. образцов раствора Кубик
То же. образцов бетона Керн
6 Составлены в выборочном порядке поверочные статистические расчеты несущих конструкций Расчет
7 Выполнено м; паническое исследование кладки (железобетонных конструкций) Место
8 Произведена нивелировка устьев скважн и шурфов Точка
9 Проведены выборочным порядком обмеры несущих конструкций Фасад, разрез, план
10 Произведены электрофизические исследования несущих конструкций Здание
11 Выреза ы образцы труб системы отопления Образец
12 Вырезаны образцы труб системы горячего водоснабжения Образец
13 Составлено техническое заключение
14 Кроме указанного выполнено
257
Описание существующего здания
Здесь указываются:
1. Назначение существующего здания
2. Количество этажей
3. Год постройки
4. Описание элементов здания:
в) наружные стены
б) внутренние опоры
в) наличие внутренних поперечных стен
г) междуэтажные перекрытия
д) чердачное перекрытие
е) перемычки над оконными и дверными проемами
ж) система строения
з) кровля
и) система отопления
к) система вентиляции
л) система горячего водоснабжения
м) система холодного водоснабжения
5. Пространственная жесткость здания
6. Состояние здания по наружному виду:
а) выветривание кладки
б) состояние перемычек
в) деформации
7. Благоустройство площадки (планировка двора, наличие
отмосток)
8. Прочие сведения
Геоморфология, геолого-литологическое
и гидрогеологическое описание участка
Указываются месторасположение обследуемого участка в гео-
морфологическом отношении, вертикальная планировка участ-
ка, абсолютные отметки поверхности участка.
В геологическом отношении площадка сложена тол шей чет-
вертичных отложений, представленных следующими грунтами
(сверху вниз).
Указывается первый основной водоносный горизонт и что
служит водоупором.
258
Основание и фундаменты
1. Количество отрытых шурфов для выборочного обследова-
ния основания и фундаментов
2. Тип фундамента:
а) под стенами
б) под отдельными опорами
3. Глубина заложения фундаментов"
а) наружных стен от поверхности земли до пола
б) внутренних стен и отдельно стоящих опор от пола
4. Описание материалов кладки (камень, раствор; заполнитель
в бетоне; бетонные блоки и т.п.)
5. Система кладки
6. Состояние кладки фундаментов
7. Характеристика прочности материалов кладки или бетон-
ных блоков
Выводы по фундаментам
Стены здания
1. Конструкция наружных и внутренних стен, наружное
оформление стен (наличие штукатурки, облицовка плиткой,
кладка впустошовку, кладка с расшивкой швов и пр.)
2. Материал стен (камень и раствор), бетой и теплоизоляция
3. Система кладки
4. Качество кладки
5. Гидроизоляция стен
6. Теплозащитные свойства
Выводы по качеству кладки
Описание существующих деформации здания
1. Примерный возраст деформаций
2. Наименование деформационных к. нструкций
3. Общее описание деформаций
4. Характер распространения деформаций (общий или м- т-
ный)
5. Результаты наблюдения за деформациями
6. Основные причины появления лсформ-ц лй
Г59
Результаты выполненных расчетов несущих
конструкций
Указываются выполненные выборочным порядком (в соответ-
ствии с техническим заданием) поверочные расчеты для опре-
деления работы основных несущих конструкций здания.
ТАБЛИЦА ДАВЛЕНИЙ НА ГРУНТ
Nt расчетов № шурфов Наименование Давлен _е на грунт, МПа
несущих элем ктов существующее | будущее
ТАБЛИЦА ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
(СТЕН И ОТДЕЛЬНЫХ ОПОР)
№ рас- Наим-> нование конструкций Расчетная нагрузка, кН(т) Допустимая нагрузка
четов элемднтов существующая | будущая
Результаты обследования каждого междуэтажного
перекрытия
1. Тип перекрытия
2. Прогоны и балки
3. Заполнение
4. Звукоизоляция
5. Дефекты перекрытия, выявленные вскрытиями
6. Показатели прочности материала элементов перекрытия
Выводы
Результаты обследования чердачного перекрытия
1. Тнп перекрытия
2 Прогоны н балкн
3. Заполнение
4. Теплоизоляция
5. Дефекты перекрытия, выявленные вскрытиями
6. Показатели прочности материала элементов перекрытия
Выводы
260
6
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОБСЛЕДОВАНИЙ
Организация работ по техническому обследованию зданий
должна обеспечивать их безопасность. Все опасные для тюлей
зоны должны быть обозначены знаками безопасности, предуп-
редительными надписями и плакатами. Постоянно действующие
опасные зоны должны быть ограждены защитными ограждени-
ями. Перед началом обследования ответственный за производ-
ство работ обязан показать исполнителям места обследования и
безопасные пути перемещения, обеспечить устройство настилов,
стремянок, проходов н достаточное освещение мест обследова-
ния.
Работы по обследованию аварийных частей здания следует
проводить только после соответствующих охранных мероприя-
тий. Перечень охранных мероприятий определяется комиссией
в составе специалистов от организации, проводящей обследова-
ние, заказчика и строительной организацин.
При обследовании нельзя использовать светильники с откры-
тым пламенем, а также открытый огонь в радиусе 50 м и менее
от места складирования легковоспламеняющихся и взрывчатых
веществ. Подъем на этажи допускается только по внутренним
лестницам или стремянкам с ограждениями. Работа со случай-
ных подмостей не допускается. Запрещается становиться на под-
земные и надземные трубопроводы, на электрокабели, батареи
отопления н вентиляционные короба. Работа с приставных лест-
ниц допускается при высоте не более 1,3 м от земли. Пристав-
ные лестницы с нижней стороны должны иметь оковки с ост-
рыми наконечниками, а при использовании их на бетонных,
асфальтовых или подобных полах — башмаки из резины или дру-
гого нескользящего материала. Верхние коииы лестниц должны
иметь специальные крюки. Нельзя подниматься и спускаться по
обледенелым и заснеженным лестницам, работать на крыше в
одиночку, выходить на крышу во время грозы, в гололед или при
скорости ветра свыше 15 м/с, ходить по крыше здания с укло-
261
мом свыше 20*C без предохртнителшого пояса и страховочного
каната, прикрепленного к наложной опоре. Верхолазные рабо-
ты. выполняемые с временных монтажных приспособлений или
непосредственно с элементов конструкций, оборудования, ма-
шин, механизмов прн их установке, монтаже, эксплуатации и
ремонте, должны проводиться только специалистами-верхола-
зами. При обследовании в подвальных помещениях вблизи элек-
троустановок и кабелей работы выполняются под наблюдением
электромонтера. Во время дождя и снега работа электрифици-
рованным инструментом допускается только под навесом. Лом,
лопата, топоры, скарпели, пилы, зубила, долота, шлямбуры и др.
должны быть хорошо отточены. У пил и шлямбуров должна
иметься соответствующая разводка зубьев. Инструмент должен
быть насажен на прочные рукоятки без заусенец. Обследование
в помещениях с газовыми приборами проводить при постоян-
ном проветривании. Обмеры и обследование лифтового хозяй-
ства проводить в присутствии технического представителя адми-
нистрации, ответственного за исправное состояние и безопасную
эксплуатацию лифтов
Шурфовые работы и ручное бурение выполняются при наличии
ордера пол руководством главного геолога, а в охранной зоне
кабелей или газопровода — под руководством работников элек-
тро- или газового хозяйства. Грунт, извлеченный из шурфов, сле-
дует размешать на расстоянии нс менее 0,5 м от бровки выра-
ботки. Размеры шурфов, их креплеиие и меры безопасности при
нх разработке н засыпке должны отвечать требованиям строи-
тельных норм. Место проходки шурфов должно быть освобож-
дено от посторонних предметов. Подкоп грунта при прохолке
шурфов и под фундаменты под станки, машины не допускает-
ся. Засыпка котлованов, траншей и шурфов должна производиться
без находящихся в них людей. Ручное бурение скважин (без копра
и треног) допускается: комплектом 70 мм — глубиной до 15 м,
комплектом 89 мм — глубиной до 12 м.
Механическое опробование слабой фундаментной кладкн во
избежание ее внезапных обвалов проводить, находясь выше ос-
видстельствуемого слоя. Обследование фундаментов и грунтов
проводить только в присутствии бурового мастера, возглавляв-
шего бригаду рабочих. Во время пробивки сквозных отверстий
в наружных стенах зона возможного падения осколков и кусков
стены должна быть ограждена.
262
Обследование кладки и столбов ультразвуковыми и >рутими
электрическими приборами и путем сверления дрелями необх
димо вести по правилам, утвержденным Мин и pro При обеде
довании безнакатиых перекрытий вставать иа подшивку катего-
рически запрещается; необходимо создать настил по балкам
опирающимся на несущие конструкции Обслед- ванне а колод-
цах и коллекторах должно вестись по наряду-допуску бригадой
нс менее трех человек, обеспеченных защитными и предохрани
тельными приспособлениями. Перед спуском а колодец следу-
ет проверить его загазованность, цстостность ходовых скоб
Курить у колол па запрещается. Работающий в колодце должен
иметь лампу безопасности ЛБВК
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....................................... 3
1. Введение ...........................................5
1.1. Цели и задачи оценки технического состоян ия
зданий и сооружений .................................-5
1.2. Развитие методов обследования
и опенки технического состояния конструкций-----6
2. Эксплуатационные требования
к зданиям и их элементам ................................13
2.1. Основные параметры, определяющие безопасность
и комфортные условия среды обитания..........13
2 2. Основные требования
к конструктивным элементам зданий
и сооружений___________________________________16
2 3. Приемка зданий в эксплуатацию............... 22
3. Оценка технического состояния зданий и их
конс труктивных элементов............................ 26
3.1. Старение и износ материалов конструкций........
3.2. Разрушение материалов и конструкций............
3.3. Дефекты зданий и конструкций и их последствия..45
3.4. Методы и средства оценки технического состояния
и эксплуатационных качеств зданий
и сооружений............................... 60
3.4.1. Наблюдения за трещинами...............60
3.4.2. Деформации зданий и их конструкций....62
3.4.3. Оценка технического состоян ия
конструкций....................................64
3.4.4. Контроль теплозащитных качеств
ограждений ................................ 69
4S
264
3.4.5. Определение параметров микроклимата....73
3.4.6. Проверка освещенности помещений
и рабочих мест...............................78
3.4.7. Анализ химического состава воздуха
в помещениях................................ 81
3.4.8. Определение звукоизоляции помещений ..83
3.5. Параметры, характеризующие фи зи ко-
механические свойства материала конструкций.......86
3.5.1. Определение свойств оснований
пол фундаменты..........................86
3.5.2. Физико-механические параметры,
определяемые магнитными и
электромагнитными испытаниями.................88
3.6. Физический и моральный износ.................89
3.6.1. Определение физического и морального
износа.....................-.................89
3.6.2. Оценка износа. Методы определения
признаков износа отдельных конструктивных
элементов..............................92
3,6.3. Факторы, вызывающие коррозию
материалов....................................93
3.6.4. Коррозия каменных, бетонных
и железобетонных конструкций..................95
3.6.5. Коррозия конструкций из силикатных
материалов....................................105
3.6.6. Коррозия строительных конструкций
из минеральных строительных
материалов..................................106
3.6.8. Коррозия природн ых каменных
материалов..................................107
3.6.8. Коррозия конструкции из глиняного
кирпича и керамических изделий..............110
3.6.9. Коррозия металлических конструкций...110
3.6.10. Коррозия арматуры в бетоне...... ..118
3.6.11. Вилы разрушений арматуры в бетоне ... ... .. 121
3.6.12. Подземная коррозия металлических
конструкций.................................128
3.6.13. Коррозия трубопроводов систем отопления
и горячего водоснабжения................... 130
3.6.14. Коррозия, вызываемая блуждающими
токами.............................. 131
3.6.15. Атмосферная коррозия ...............132
265
3.6.16. Коррозия полимерных конструкций.......134
3.6.17. Коррозия деревянных конструкций.......140
3.7. Диагностика состояния конструкций............142
3.7.1. Основные задачи диагностики...........142
3.7.2. Характерные признаки физического износа
и его идентификация.................. 144
3.7.3. Методики проведения осмотров
и технической диагностики зданий
и конструкций................... ..........149
3.8. Способы оценки состояния конструкций
и инженерного оборудования зданий
и сооружений.....................................152
3.8.1. Оценка состояния фундаментов..........152
3.8.2. Оценка состояния наружных стен........154
3.8.3. Оценка состояния перекрытий...........156
3.8.4. Оценка состояния железобетонных
элементов балконов, лоджий, козырьков
и лестниц.............................157
3.9. Расчет физического износа зданий
и сооружений.................................... 158
3.9.1. Оценка физического износа отдельных
участков конструктивного элемента.....158
3.9.2 Оценка физического износа конструкций
из различных материалов....................159
3.9.3. Физический нзнос здания в целом .....161
3.10. Амортизация и износ основных фондов........163
4. Способы повышения надежности
конструкций ..........................................167
4.1. Применение теории надежности для обеспечения
эксплуатационных свойств зданий
и сооружений.............................„......167
4.2 Основные понятия и определения теории
надежности............................... w.....169
4.3. Сбор и обработка данных о надежности зданий
и сооружений....................................182
4.3.1. Определение безотказности объекта ....182
4.3.2. Определение ремонтопригодности
конструкций...........................195
4.3.3. Расчет долговечности конструкций......199
4.4. Обеспечение требуемого уровня надежности
зданий н сооружений....................... 203
266
4.4.1. Технические методы повышения
безотказности объектов.......................205
4.4.2. Организационные методы обеспечения
требуемого уровня надежности объектов.........211
5. Заключение о техническом состоянии конструкций
зданий и сооружений...............................216
5.1. Система планово-предупредительных ремонтов...216
5.2. Экономический аспект системы планово-
предупредительных ремонтов......................221
5.3. Разработка перс пекти вн ых планов эксплуата ции
конструкций зданий и сооружений...................228
5.4. Техническое заключение о состоянии здания
(сооружения)......................................242
5.4.1. Инструментальный приемочн ый контроль
технического состояния зданий................243
5.4.2. Инструментальный контроль технического
состояния зданий при плановых
и внеочередных осмотрах, а также в ходе
сплошного технического обследования____________ 244
5.4.3. Техническое обследование зданий для
проектирования их капитального ремонта и
реконструкции................................245
6. Правнла безопасности при проведении обследований..261
Учебное издание
Калинин Владимир Михай ювич,
Сокова Серафима Дмитриевна
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ
Учебник
Редактор Б И. Ц]тей.чак
Корректор Т Г. Беляева
Оригинал-макет подготовлен в Издательском Домс «ИНФРА-М
ЛР№ 070824 от 21 01.93
Сдано в набор 15.07 2004.
Подписано в печать 20.09 2004.
Формат 60x9016 Печать офсетная Бумага типографская Nv 2
Гарнитура «Newton» Усл не л 17.0. Уч изд т 15,48
Доп тираж 5 000 зкз
Заказ № 10510.
Издательский Дом «ИНФРА-М»
127282, Москва,ул. Полярная.л 31в
Тел : (095) 380-05-40, 380-05-43
Факс:(095)363-92-12
Е-mail: txxjks@infra-m.ru
hHp7/www.infra-m ru
Отдел «Книга — почтой»:
(095) 363-42-60 (доб. 246,247)
Отпечатано в полном соотвстсти iiс кач -спим
предоставленных диапозитивов в ОАО Тульская типография
300600, г Тута, пр Лет ia 109