Влияние дефектов строительства на несущую способность железобетонных конструкций монолитного каркасного здания

За последние 20-30 лет монолитное строительство стало одной из наиболее распространенных технологий возведения зданий и сооружений. Мировой опыт строительства свидетельствует, что разнообразие архитектурных решений современных зданий устанавливает более высокие требования к конструкциям зданий. Технология монолитного домостроения, являясь наиболее мобильной, позволяет выстраивать здания различной высоты и формы в короткие сроки и, во многих случаях, с наименьшими финансовыми затратами. Именно поэтому объемы монолитного строительства в развитых странах мира в настоящее время достигают 50-75% от общего.

Процесс монолитного возведения имеет несколько этапов, каждый из которых требует квалифицированного выполнения арматурных и бетонных работ. Основные условия качественного бетонирования – тщательное перемешивание, быстрая транспортировка и подача бетонной смеси, укладка, уплотнение и квалифицированный уход за бетоном в период его твердения и набора прочности. Несоблюдение этих условий и стремление порой сэкономить за счет скорости строительства и дешевизны недостаточно квалифицированной рабочей силы является, как правило, основной причиной возникновения дефектов конструкций и, как следствие, существенного снижения качественных характеристик готовых изделий. При этом под дефектом понимается каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям и проекту, допущенное до начала эксплуатации объекта. Поэтому к качеству работ и применяемых материалов на строительной площадке должно уделяться большое внимание [1-4].

Причины возникновения дефектов конструкций могут быть классифицированы как технологические :

• -    неправильный уход за бетоном (возникновение усадочных трещин в поверхностных слоях бетона, снижение его прочности);

• -    недоуплотнение бетона (возникновение пор и пустот, снижающих прочность бетона, показатели его долговечности и др. свойств) либо чрезмерное виброуплотнение (расслоение бетонной смеси);

• -    изначально неправильное, нескорректированное положение опалубки, преждевременное ее снятие (образование наплывов, отклонений положения конструкций и их геометрических размеров, а также положения арматуры от проектных значений);

• -    климатические воздействия (значительные перепады температур в бетоне раннего возраста вследствие неравномерного нагрева или охлаждения конструкций обусловливают трещинообразование в поверхностных слоях, что снижает прочность бетона и долговечность конструкций)

и конструкционные :

• -    недостаточная величина защитного слоя бетона (обнажение и коррозионный износ арматуры, снижению несущей способности и долговечности конструкций);

• -   несоответствие проектным решениям классов бетона и арматуры;

• -   несоответствие проектным решениям количества и диаметров арматуры;

• -    отклонение геометрических размеров элементов конструкций от проектных значений;

• -    наличие воздействий, не предусмотренных при проектировании (непроектное складирование материалов на перекрытиях, температурно-влажностные воздействия и др.).

Обследование с целью выявления технического состояния строительных конструкций не только существующих, но и при выявлении дефектов на этапе возведения зданий и сооружений, является важной, ответственной и сложной инженерной задачей, привлекающей внимание многих специалистов [2, 5, 6-12]. Большое внимание уделяется определению и неравномерности распределения прочностных свойств бетона [13, 14], особенно – в монолитных железобетонных конструкциях [3, 4, 8].

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №2 (29)

Результаты обследования конструкций здания гостиничного комплекса в г. Донецке

Проблема возникновения дефектов строительства рассматривается на примере конкретного возводимого здания в г. Донецке.

В 2012 г. специалистами Специализированного научно-производственного центра «Специальные и высотные инженерные сооружения» (СНПЦ «СВИС») при Донбасской национальной академии строительства и архитектуры (ДонНАСА) было выполнено обследование строительных конструкций строящегося 15-этажного железобетонного монолитного здания гостиничного комплекса (рисунок 1).

Необходимость проведения работ по исследованию физико-механических свойств бетона в монолитных вертикальных стенах и в плите перекрытия 5-го этажа здания в период его возведения была обусловлена следующими факторами:

• -    наличием дефектов на поверхности строительных конструкций стен и плиты перекрытия 5-го этажа в виде участков крупнопористого бетона с раковинами и пустотами, с обнажением зерен крупного заполнителя;

• -    необходимостью оценки влияния дефектов строительства на характеристики физикомеханических свойств бетона в конструкциях ядра жесткости, монолитных стенах 5-го этажа, а также в монолитной плите перекрытия над пятым этажом здания;

• -    необходимостью разработки рекомендаций по ремонту дефектных участков конструкций и определения возможности продолжения возведения здания.

  а)

  
  
  
  
  

  б)

  
  
  

  Рисунок 1. Общий вид (а) и схема типового этажа (б) здания гостиничного комплекса

  
  

Бетонирование монолитных строительных конструкций стен 5-го этажа и перекрытия над 5-м этажом выполнялось в ночное время. При поставке бетонной смеси к месту ее укладки не был осуществлен входной контроль качества в виде отбора проб бетона для определения его основных характеристик (подвижности, средней плотности, прочности при сжатии).

В поверхностных слоях строительных конструкций стен 5-го этажа строящегося здания гостиницы выявлены дефекты в виде участков крупнопористого бетона с обнажением крупного заполнителя и стержней арматуры (рисунок 2). В некоторых местах, прилегающих к зонам обнажения стержней продольной и поперечной арматуры, толщина защитного слоя бетона составляла существенно менее 20 мм. Такой вид поверхности является следствием недостаточного уплотнения бетонной смеси. Выявлены места явного расслоения бетона, как результат избыточного содержания воды в бетонной смеси.

Для определения характеристик действительной прочности бетона в конструкциях выполнен сплошной контроль его показателей в конструкциях каркаса неразрушающими методами с использованием склерометра Шмидта [15].

Для определения лабораторными методами физико-механических характеристик бетона в конструкциях ядра жесткости, монолитных стенах 5-го этажа, а также в монолитной плите перекрытия над пятым этажом были отобраны бетонные образцы-цилиндры путем выбуривания с использованием кольцевой фрезы. Часть образцов были отбракованы из-за наличия в них арматурных стержней и внутренних дефектов.

а)

Рисунок 2. Дефектные участки стен ядра жесткости здания в осях «3-4-Д-Е» (а, б)

б)

Испытание образцов выполнены на осевое сжатие в возрасте 28-30 сут. в соответствии с действующими на территории Украины стандартами [15-20] при температуре +22 ºС и относительной влажности W = 83-85%. Результаты определения характеристик физико-механических свойств образцов бетона представлены в таблицах 1 и 2.

Характеристики физических свойств бетона (плотность, пористость, влажность и водопоглощение) свидетельствуют о том, что наиболее вероятной причиной образования дефектов бетона в конструкциях стен 5-го этажа является несоблюдение технологии выполнения бетонных работ при укладке бетонной смеси, особенно в части качества ее уплотнения в процессе бетонирования (таблица 1).

Прочность выпиленных образцов-цилиндров на сжатие определялась испытаниями на гидравлическом прессе ПГ-125. Характер и схема разрушения образцов соответствовали характеру разрушения опытных образцов из обычного тяжелого бетона, испытываемых по стандартным методикам (рис. 3). Результатами исследований (таблица 2) установлено, что прочность бетона соответствовала классу по прочности на сжатие С12/15 (В15) для колонн и С20/25 (В25) для плиты перекрытия и стен вместо заложенного в проект на возведение класса С25/30 (В30).

Результаты контроля прочности неразрушающим методом контроля [15] и по контрольным образцам показали сходные результаты с расхождениями в величинах не более 8%.

Исследование прочности на сжатие контрольных образцов показало небольшой разброс результатов испытаний (таблица 2). В целом, приведенная кубиковая прочность бетона в конструкциях стен, в среднем, на 37% (С12/15 вместо проектного С20/25), а в конструкциях плиты перекрытия – на 42% (С12/15 вместо проектного С25/30) ниже требуемых проектных значений прочности бетона. Это может быть обусловлено проявлением следующих факторов:

• -   неравномерным перемешиванием бетонной смеси;

• -   использованием некачественного вяжущего;

• -    превышением нормы времени для бетонов примененных составов от момента затворения водой до укладки в опалубку;

• -    несоответствиями водоцементного соотношения, инертных заполнителей и пластификатора;

• -    попытками увеличить подвижность бетонной смеси на объекте добавлением избыточного количества воды для транспортировки его бетононасосом на проектную отметку, что существенно снижает характеристики физико-механических свойств бетона;

• -    недостаточным или избыточным вибрированием смеси при ее укладке;

• -    нарушениями технологии ухода за бетоном в первые дни после его укладки без должного учета , перепадов температуры окружающего воздуха (до 10 ° С в дневное и ночное время суток).

Для принятия обоснованного решения о возможности дальнейшего возведения здания были выполнены поверочные расчеты строительных конструкций с учетом выявленных дефектов и фактических значений физико-механических свойств бетона. Для этого в ПК ЛИРА [21] была создана расчетная схема с двумя вариантами расчетных характеристик бетона (рисунок 4): 1-й – с проектными значениями прочности бетона, 2-й – с фактическими значениями и с фактическими значениями толщин элементов согласно результатам исследований. При создании расчетных схем для плиты перекрытия были использованы универсальные КЭ оболочки толщиной 200 мм, для колонн по крайним рядам – как универсальный пространственно-стержневой КЭ сечением 400х400 мм, для колонн по средним рядам – такой же КЭ сечением 800х400 мм. При этом стены моделировались с помощью универсальных КЭ оболочки толщиной 200 мм.

Таблица 1. Результаты определения физических свойств бетона в отобранных образцах

Шифр образца	Места отбора образцов	Ср. плотность бетона, г/см3	Ср. плотность в сухом состоянии	Влажность, %	Среднее водопогло-щение, %	Открытая пористость, %
Стены 5-го этажа
4ст	«Г-Е» по оси «10»	2346	2310	1.6	3.1	7.3
5ст	«Б-В» и «10-11»	2341	2300	1.8	3.0	7.1
Плита перекрытия над 5-м этажом
1п	«Д-Е» и «5-6»	2226	2175	2.3	3.6	7.9
9п	«В-Г» и «2-3»	2228	2180	2.2	3.5	7.7

Таблица 2. Результаты прессовых испытаний на прочность при осевом сжатии

Шифр образца	Места отбора образцов	Возраст бетона, сут	Размеры образцов, мм	Разрушающая нагрузка N, кН	Фактич. прочность, МПа	Приведенная кубиковая прочность f c,cube , МПа	Фактич. класс бетона
Стены
1ст	«Г-Е» по оси «10»	30	Ø112.7 l = 209	120.0	11.78	13.66	С12/15 (В15)
3ст	«Г-Е» по оси «10»	30	Ø 113.4 l = 198	147.5	14.30	16.59

Шифр образца	Места отбора образцов	Возраст бетона, сут	Размеры образцов, мм	Разрушающая нагрузка N, кН	Фактич. прочность, МПа	Приведенная кубиковая прочность f c,cube , МПа	Фактич. класс бетона
5ст	«Б-В» и «10-11»	30	Ø113 l = 213	181.2	17.66	20.49
9ст	«Б-В» и «10-11»	30	Ø113.3 l = 197	127.5	12.39	14.38
10ст	«Б-В» и «10-11»	30	Ø113 l = 193	125.0	12.18	14.13	С12/15 (В15)
11ст	«Б-В» и «10-11»	30	Ø□113 l = 194	162.6	15.86	18.40
12ст	«Б-В» по оси «9.1»	30	Ø□113.1 l = 214	126.3	12.30	14.27
Плита перекрытия
1п	«Д-Е» и «5-6»	28	Ø113 l = 201.5	136.3	13.57	15.75	С12/15 (В15)
5п	«Д-Е» и «4-5»	28	Ø112.6 l = 141	131.0	12.88	14.94
7п	«В-Г» и «2-3»	28	Ø113.1 l = 196	145.0	14.42	16.73
9п	«В-Г» и «2-3»	28	Ø113.1 l = 197.3	150.0	14.93	17.32

Рисунок 3. Внешний вид и характер разрушения контрольных образцов-цилиндров:

а – образец № 9ст; б – образец № 7п

На первом этапе сопоставительных расчетов получены усилия для наиболее загруженных колонн крайнего и среднего рядов, для наиболее загруженных участков плиты перекрытия, участков стен и ядра жесткости, в которых были обнаружены дефекты и получены наименьшие показатели прочности бетона. Учитываемое при этом снижение прочности бетона обусловило изменение жесткостных характеристик сечений элементов и, как следствие, увеличение расчетных усилий в них по сравнению с исходным проектным решением:

• -    в колоннах – увеличение продольных сил на 7-8%;

• -    в плите перекрытия – увеличение изгибающих моментов на 5-9%;

• -    в монолитных стенах и в ядре жесткости – увеличение продольных сил на 8-12%.

На втором этапе с применением системы конструирования железобетонных конструкций ЛИР-АРМ был выполнен расчет армирования по РСУ. Примеры изополей интенсивности армирования в конструкциях приведены на рисунке 5. Результаты расчета свидетельствуют о существенном влиянии снижения прочности бетона в конструкциях на несущую способность конструкций:

• -    для железобетонных колонн среднего ряда расчетный коэффициент использования несущей способности составил  К и = 0.54…0.77;

• -    для железобетонных колонн крайнего ряда – К и = 0.87…1.15;

• -    для плиты перекрытия – К и = 0.87…1.1;

• -    для монолитных стен и ядра жесткости   – К и = 0.74…1.67.

Заключение

Выполненными комплексными натурными, лабораторными и теоретическими исследованиями установлено, что нарушение технологии бетонирования, отсутствие входного контроля качества материалов обусловливают образование дефектов в конструкциях, существенное снижение несущей способности и долговечности конструкций, а также надежности возводимого здания в целом. Необходимость устранения дефектов потребовала принятия мер по усилению либо по демонтажу некачественно изготовленных конструкций.

При оценке экономической целесообразности проведения усиления конструкций установлено, что стоимость усиления и реализации мероприятий по восстановлению конструкций перекрытия и ядра жесткости в пределах одного проблемного этажа здания сопоставима со стоимостью возведения новых конструкций на этом же этаже. Это обстоятельство явилось достаточным для принятия решения по демонтажу дефектных конструкций. Для дефектных конструкций колонн крайних рядов целесообразным было признано усиление обоймами из стального уголкового проката (рисунок 1а).

После выполнения всего комплекса работ по инженерному обследованию проблемных конструкций строящегося здания, по усилению колонн, а также по возведению новых участков стен и конструкций перекрытия взамен демонтированных, отставание от графика работ составило 3 мес., а затраты при этом превысили стоимость возведения одного типового этажа.

Должное внимание к соблюдению требований и норм по технологии и качеству выполнения строительно-монтажных работ, а также к входному контролю качества материалов, позволит существенно повысить надежность и безопасность зданий и сооружений, а также избежать дополнительных расходов на устранение и исправление ошибок при строительстве.

Рисунок 4. Общий вид объемной расчетной схемы здания в ПК «ЛИРА» (количество элементов – 123370, количество узлов – 146133)

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №2 (29)

а)

б)

в)

г)

Рисунок 5. Сопоставление армирования при проектной и фактической прочности бетона на примере плиты перекрытия (а, б) и стены (в, г):

а – изополя интенсивности продольного армирования вдоль оси Х плиты перекрытия у нижней грани;

б – то же, у верхней грани;

в – изополя интенсивности продольного армирования вдоль оси Х в стенах со стороны внутренней грани; г – то же, со стороны наружной грани.