CC BY
30
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 69.059
КУМПЯК ОЛЕГ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ogkumpyak@yandex.ru
ГАЛЯУТДИНОВ ЗАУР РАШИДОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, gazr@yandex.ru
ПАХМУРИН ОЛЕГ РАВИЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, orpahmurin@mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО КАРКАСА С ДЕФЕКТАМИ СТЫКОВ КОЛОНН
В статье приведены результаты диагностики и оценки технического состояния железобетонных конструкций каркаса производственного корпуса Томского нефтехимического комбината с дефектами стыков колонн и предложения по восстановлению эксплуатационной надежности сооружения. Представлены также результаты статического расчета сооружения с учетом фактических геометрических и физических параметров конструкций в среде SCAD. По результатам проведенных исследований разработаны предложения по усилению конструкций с дефектами стыков колонн.
Ключевые слова: железобетонный каркас; георадарные исследования; надежность; статический расчет; усиление стыков колонн.
OLEG G. KUMPYAK, DSc, Professor, ogkumpyak@yandex.ru
ZAUR R. GALYAUTDINOV, PhD, A/Professor, gazr@yandex.ru
OLEG R. PAKHMURIN, PhD, A/Professor, orpahmurin@mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
SERVICEABILITY OF REINFORCED CONCRETE FRAME WITH JOINT DEFECTS OF COLUMNS
The paper presents results of diagnosis and evaluation of reinforced concrete frame structures of OOO 'Tomskneftekhim' which have joint defects of columns. Methods of serviceability
© О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, О.Р. Пахмурин, 2014
restoration of frame structures are suggested in this paper. Results of static analysis of structures simulated by the finite elements method using the software package SCAD are described in this paper taking into account the geometry and physical characteristics of structures. Methods of strengthening structures with joint defects of columns are suggested herein.
Keywords: reinforced concrete frame; ground-penetrating radar; reliability; static analysis; joint strengthening.
При эксплуатации зданий и сооружений часто возникает необходимость устранения дефектов, возникающих вследствие применения некачественных материалов и отступлений от проектной и нормативной документации при монтаже конструкций здания. Особое внимание при диагностике технического состояния конструктивной системы здания необходимо уделять узлам сопряжения отдельных сборных железобетонных элементов. В отличие от соединяемых конструкций, которые изготавливаются в заводских условиях при надлежащем контроле качества, монтажные узлы выполняются непосредственно на строительной площадке. Некачественное выполнение узлов сопряжения железобетонных конструкций часто является причиной запроект-ных деформаций несущего остова здания, что в свою очередь может привести к обрушению всего сооружения или его части [3].
Обследуемый корпус представляет собой пятиэтажное двухпролетное здание каркасного типа (рис. 1). Сооружение прямоугольной в плане формы размером 92,0x19,8 м. Каркас здания пространственный. Жесткость и устойчивость здания в поперечном и продольном направлениях обеспечивается железобетонными рамами с жесткими узлами. Колонны железобетонные сплошного сечения размером 500*1200 мм установлены с шагом 6,0 м. Пролеты здания по 9,0 м. Отметка верха перекрытия пятого этажа составляет 35,4 м. На покрытии верхнего этажа расположено восемь круглых в плане металлических силосов. Отметка верха силосов 57,2 м. Полезная нагрузка от каждого силоса составляет 8000 кН.
Рис. 1. Общий вид сооружения
Проведенное обследование показало, что в отдельных колоннах четвертого и пятого этажей в процессе эксплуатации образовались вертикальные трещины шириной раскрытия от 0,1 до 2,0 мм (рис. 2). По характеру образования и развития трещин можно утверждать, что они имеют силовую природу. Проведенный георадарный анализ показал, что причиной образования трещин является податливость стыков колонн вследствие их недостаточной прочности и жесткости [2].
Рис. 2. Крайняя колонна четвертого этажа (а, в), средняя колонна четвертого этажа (б, г), характер трещин (д)
Стыки колонн выполнены небрежно, и качество работ не отвечает требованиям проекта (рис. 3).
Рис. 3. Стыки колонн
Раствор омоноличивания стыков рыхлый, низкого качества. Имеются участки, где стыки колонн не обетонированы. В растворе стыков имеются многочисленные трещины. Прочность раствора стыков, определенная неразруша-ющими методами контроля, составляет 6,1-13,7 МПа, что не соответствует проектной марке раствора М 300.
Проведенные георадарные исследования стыков и прилегающих к ним участков колонн позволили получить данные о структуре бетона колонн и раствора стыков. Сканирование показало, что в зонах стыка колонн имеются пустоты и зоны недостаточной плотности раствора (рис. 4). Наличие в стыках колонн пустот и зон с недостаточной плотностью является следствием нарушения технологического режима заделки стыков жестким раствором при монтаже колонн.
а
ю
100 см
100 м
Бетон с хорошей плотностью
Степень разуплотнения: 5-10 % в виде мелкой сетки
10-20 % в виде трещин и раковин до 5-10 см
20-30 % в виде трещин и раковин до 5-10 см
Пустота
Рис. 4. Радарограммы по горизонтальным профилям в зоне стыка (а), цветовая схема (б) Таким образом, вследствие повышенной податливости отдельных стыков нагрузка в большей степени передается на рабочую арматуру колонн.
20
30
40
50
60
70
80
90
110 м
120 м
130 м
140 м
б
Продольные деформации арматуры в таких условиях значительно выше деформаций окружающего бетона, что в конечном итоге привело к нарушению сцепления между бетоном и рабочей арматурой колонн. Это в свою очередь вызвало образование продольных трещин в бетоне.
С целью выявления напряженно-деформированного состояния в элементах каркаса выполнен статический расчет пространственной рамы с применением ПВК SCAD. В расчетах реальная конструкция здания заменена осевой моделью. При этом аппроксимация стержневых элементов пространственного каркаса осуществлена универсальными стержневыми конечными элементами (КЭ), а плиты монолитного перекрытия на отметке 35,4 м аппроксимированы универсальными 3- и 4-узловыми КЭ оболочки (рис. 5).
Рис. 5. Расчетная схема пространственной рамы производственного корпуса
Жесткостные характеристики КЭ назначены по фактическим геометрическим параметрам сечений и физико-механическим характеристикам материалов, полученным в процессе обследования1.
Статический расчет пространственного каркаса позволил получить распределение усилий в элементах и перемещения узлов пространственной рамы
1 СП 13-102-2003. Свод правил. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений / Госстрой России. М. : ГУП ЦПП, 2003. 40 с.
от различных видов и схем невыгодного приложения временной нагрузки [1]. Деформированная схема каркаса представлена на рис. 6.
Рис. 6. Деформированная схема пространственного каркаса при неблагоприятном сочетании нагрузок
Максимальные горизонтальные перемещения составляют 81,32 мм, что больше предельного нормативного значения на 15,35 %. Выполнена проверка несущей способности и деформативности колонн и их стыков на неблагоприятные сочетания расчетных усилий при фактических прочностных характеристиках бетона и арматуры. Расчеты показали, что жесткость отдельных стыков не обеспечена вследствие низкого качества исполнения стыков при монтаже и малой прочности раствора омоноличивания.
Для обеспечения прочности пространственного каркаса разработаны варианты усиления стыков колонн и участков колонн, примыкающих к стыкам, ослабленных трещинообразованием (рис. 7).
Технические решения по усилению ослабленных колонн и их стыков разработаны в виде предварительно напряженных металложелезобетонных обойм и реализованы без остановки производства.
а
Рис. 7. Монтажная схема вертикальных элементов обоймы (а), схема усиления стыка колонны (б)
Создание предварительного обжатия стыков и тела колонны осуществлялось путем нагрева поперечных планок обоймы в процессе их монтажа до температуры, позволяющей получить напряжение в металле после его фиксации в проектном положении и остывании, равное расчетному сопротивлению.
Библиографический список
1. Железобетонные и каменные конструкции / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, О.Р. Пахму-рин, В.С. Самсонов. - М. : Издательство АСВ, 2011. - 672 с.
2. Кумпяк, О.Г. Восстановление эксплуатационной надежности железобетонного многоэтажного каркаса с дефектами стыков колонн. Предотвращение аварий зданий и сооружений / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, О.Р. Пахмурин // Сборник научных трудов. -
Вып. 8. - Москва, 2009. - С. 336-339.
3. Кумпяк, О.Г. Типичные ошибки при эксплуатации и реконструкции существующих зданий / О.Г. Кумпяк, Л.И. Офицерова, О.Р. Пахмурин // Информационный листок № 128-98. - Томск : ЦНТИ.
References
1. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Pakhmurin O.R., Samsonov V.S. Zhelezobetonnye i ka-mennye konstruktsii [Concrete and stone structures]. Moscow: ASV Publishing House. 2011. 672 p. (rus)
2. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Pakhmurin O.R. Vosstanovlenie ekspluatatsionnoi nadezh-nosti zhelezobetonnogo mnogoetazhnogo karkasa s defektami stykov kolonn Predotvrash-chenie avarii zdanii i sooruzhenii [Serviceability recovery of multistory reinforced concrete frame having joint defects of columns. Accident prevention].Collected papers, Moscow, 2009. V. 8. Pp. 336-339. (rus)
3. Kumpyak O.G., Ofitserova L.I., Pahmurin O.R. Tipichnye oshibki pri ekspluatatsii i rekon-struktsii sushchestvuyushchikh zdanii [Typical mistakes at operation and reconstruction of buildings]. Tomsk, Centre for Science and Technology, Leaflet N 128-98.(rus)
