CC BY
93
строительные материалы и конструкции
Надежность конструкций большепролетных строений
А.В. Вентцели
МГСУ
При проектировании и строительстве зданий с большепролетными конструкциями необходимо решать комплекс сложных архитектурных и инженерных задач. Для создания комфортных условий в большепролетном помещении, обеспечения требований технологии, акустики, изоляции его от других помещений и окружающей среды определяющее значение приобретает конструкция покрытия помещения.
На протяжении всего срока нормального функционирования здания имеет вероятность выхода его из строя полностью или отдельных его элементов. При создании нового здания в проекте предусматривается определенный (теоретический) уровень надежности его конструкций и узлов. В зависимости от качества изделий и монтажа начальная надежность здания несколько меньше теоретической. Надежность и безопасность объектов контроля по результатам мониторинга определяется по степени выполнения основного расчетного требования норм проектирования, согласно которому значения несущей способности строительных конструкций должны быть выше (или равны) нагрузочного эффекта, являющегося механическим следствием внешних воздействий, а также по соответствию деформаций, перемещений конструкций, осадок основания ожидаемым расчетным значениям. При этом под надежностью понимается свойство строительного объекта выполнять требуемые функции при возведении и эксплуатации, безопасность трактовалась как свойство объекта при нормальной эксплуатации и авариях ограничивать допустимым уровнем риска возможность наступления опасных социальных, экономических и экологических последствий. Уровень надежности сооружений определяется качеством изысканий, проектирования, материалов, изделий, производства и контроля строительно-монтажных работ и др. Поэтому отказы эксплуатируемых сооружений чаще всего связаны с такими неблагоприятными факторами или их сочетаниями, как нарушение правил и норм технической эксплуатации, выполнение строительно-монтажных работ с отступлениями от проекта, ошибки в проектных и технологических решениях, превышение нагрузок и воздействий над расчетными значениями, недостаточная несущая способность конструкций, потеря устойчивости отдельных элементов конструкций, конструктивных систем. С первого дня существования здания в отдельных его узлах и конструкциях начинают происходить изменения, выражающиеся в ухудшении технических характеристик и экономических показателей. Эти изменения по важности и интенсивности различны: одни приводят к ухудшению уров-
ня комфорта помещений, другие — к авариям и разрушениям всего здания.
Знание математических законов формообразования позволило делать сложные геометрические построения (парабол, гипербол, и т.д.) с использованием принципа произвольного плана. Большепролетные конструкции покрытий появились еще в древние времена. Это были деревянные стропила, каменные своды и купола. Так, например, каменное купольное покрытие мечети Айя — София в Стамбуле (537 г.) — 32 м, купол Пантеона в Риме (1125 г.) имел диаметр около 44 м, купол Флорентийского собора (1436 г.) — 42 м, купол Верхнего Совета в Кремле (1787 г.) — 22,5 м. Строительные технологии тех времен не позволяли строить в камне легкие здания и сооружения. Поэтому большепролетные каменные сооружения возводились в течение многих десятилетий и отличались большой массивностью.
Деревянные строительные конструкции были дешевле и проще в возведении, чем каменные, давали возможность перекрывать также большие пролеты. Примером могут служить деревянные конструкции покрытия здания бывшего Манежа в Москве (1812 г.), пролетом 30 м.
Развитие черной металлургии в XVIII—XIX вв. дало строителям материалы более прочные, чем камень и дерево — чугун и сталь. С появлением в свет металлические конструкции, главным образом, стальные, начали достаточно широко применяться в строительстве. Их достоинства: высокая прочность, относительно небольшая масса. Недостатком стальных конструкций является подверженность коррозии и низкая пожарная стойкость (потеря несущей способности при высоких температурах). Для борьбы с коррозией стальных конструкций используется много средств: окраска, покрытие полимерными пленками и т.д.
Со второй половины XIX в. широкое применение сталь получает и в большепролетных металлических конструкциях. В конце XVIII в. появился новый материал для большепролетных зданий — железобетон. Железобетонные конструкции не подвержены гниению, ржавлению, обладают высокой пожарной стойкостью, но они тяжелы.
Совершенствование железобетонных конструкций в XX в. привело к появлению тонкостенных пространственных конструкций: оболочек, складок, куполов. Появилась теория расчета и конструирования тонкостенных покрытий, в которой приняли участие и отечественные ученые. Во второй половине XX в. широко применяются висячие покрытия, а также пневматические и стержневые системы. Применение большепролетных конструкций дает возмож-
строительные материалы и конструкции
ность максимально использовать несущие качества материала и получить за счет этого легкие и экономичные покрытия.
Уменьшение массы конструкций и сооружений является одной из основных тенденций в строительстве. Уменьшение массы означает уменьшение объема материала, его добычи, переработки, транспортировки и монтажа. Поэтому вполне естественен интерес, который возникает у строителей и архитекторов к новым формам конструкций, что дает особенно большой эффект в покрытиях. Древесина же имеет хорошие несущие свойства (расчетное сопротивление сосны на сжатие и изгиб 130—150 кг/м2) и малую объемную массу (для воздушно-сухой сосны — 500 кг/м3).
Существует мнение, что деревянные конструкции недолговечны. Действительно, при плохом уходе деревянные конструкции могут очень быстро выйти из строя из-за поражения древесины различными грибками и насекомыми. Основным правилом для сохранения деревянных конструкций является создание условий для их вентиляции или проветривания. Важно также обеспечить сушку древесины перед ее применением в строительстве. В настоящее время деревообрабатывающая промышленность может обеспечить эффективную сушку современными методами, в том числе токами высокой частоты и т.д. Улучшение биологической стойкости древесины легко достигается с помощью давно разработанных и освоенных методов пропитки ее различными эффективно действующими антисептиками.
Еще чаще возникают возражения против использования древесины по соображениям пожарной безопасности. Однако соблюдение элементарных правил противопожарной безопасности и надзора за сооружениями, а также использование антипире-нов, повышающих огнестойкость древесины, позволяет значительно повысить противопожарные свойства древесины.
В качестве примера долговечности деревянных конструкций можно привести упоминавшийся уже Манеж в Москве, которому более 180 лет, шпиль в Адмиралтействе в Ленинграде высотой около 72 м, построенный в 1738 г., сторожевую башню в Якутске, возведенную около 300 лет тому назад, многие деревянные церкви во Владимире, Суздале, Кижах и других городах и селах Северной России, насчитывающие несколько столетий.
Поэтому при выборе материала для большепролетных конструкций необходимо отдавать предпочтение тому материалу, который в конкретных условиях строительства наилучшим образом отвечает поставленной задаче.
Итак, подведя небольшой итог, в настоящее время материалы, применяемые для изготовления большепролетных конструкций, разделяют на деревянные, металлические и железобетонные.
Если рассматривать покрытия глубже, то масса железобетонного ребристого покрытия при сравнительно небольших пролетах составляет 400—500 кг/м2 перекрываемой площади; масса железобетонных оболочек при пролетах 40—50 м составляет около 300 кг/м2; масса облегченных покрытий по металлическим конструкциям при тех же пролетах снижается до 50—100 кг/м2; масса пневматических конструкций всего лишь 2—5 кг/м2. А сами большепролетные конструкции покрытий можно разделить по их статической работе на две основных группы систем большепролетных покрытий: плоскостные (балки, фермы, рамы, арки); пространственные (оболочки, висячие системы, перекрестно-стержневые системы и др.)
В современной архитектуре формообразование плана является результатом развития двух тенденций: свободного плана, ведущего к конструктивной каркасной системе, и произвольного плана, требующего конструктивной системы, позволяющей организовать весь объем здания, а не только планировочную структуру.
Зал — основное композиционное ядро большинства общественных зданий. Наиболее часто встречающаяся конфигурация плана — прямоугольник, круг, квадрат, эллипсовидные и подковообразные планы, реже трапециевидные. При выборе конструкций покрытия зала решающее значение имеет необходимость связать зал с внешним миром посредством открытых остекленных поверхностей или, наоборот, полностью изолировать его.
Балочные, рамные и арочные, плоскостные системы большепролетных покрытий проектируются обычно без учета совместной работы всех несущих элементов, так как отдельные плоские диски соединяются друг с другом сравнительно слабыми связями, не способными существенно распределить нагрузки. Это обстоятельство, естественно приводит к увеличению массы конструкций. Для перераспределения нагрузок и снижения массы пространственных конструкций необходимы связи.
В настоящее время наиболее уязвимым местом в эксплуатации нежилого фонда являются здания с большепролетными конструкциями покрытий. Данные типы зданий долгое время находились без надлежащего контроля со стороны владельцев и эксплуатирующих организаций, следствием чего явились физически и морально устаревшие здания, не отвечающие современным требованиям в лучшем случае, и обрушение строительных конструкций — в худшем.
строительные материалы и конструкции
Такое отношение недопустимо. Примером тому служат обрушение строительных конструкций «Трансвааль Парка» и Басманного рынка. Во избежание повторения ошибок прошлого необходим грамотный подход для решения наиболее часто встречающихся вопросов. А решать данные вопросы необходимо еще на стадии строительства, с соблюдением технических и технологических нормативов.
К надежности уникальных большепролетных сооружений предъявляются повышенные требования в связи с их социальной значимостью, а также сложностью и многоэлементностью конструкций. Известно, что при большом числе элементов надежность конструкций снижается. Вероятность безотказной работы большепролетных покрытий также снижается при увеличении доли временной, в том числе снеговой, нагрузки в суммарной нагрузке на несущие конструкции покрытия. Это связано с различными законами распределения постоянной и снеговой нагрузок, а также с ростом значения последней из-за изменения климата. Большепролетные покрытия уникальных сооружений, как правило, индивидуальны, в процессе их проектирования и возведения часто возникают проблемы, решить которые в рамках действующих нормативных документов невозможно. При создании больших сооружений не исключены недочеты и ошибки проектирования, монтажа, строительства, применения материалов, качество которых не может полностью удовлетворить высокие требования. Все это говорит о правильности решения проводить мониторинг конструкций подобного рода.
В связи со сложностью и новизной большепролетных покрытий методика работ включала в себя изучение проектной и исполнительной документации, проведение на ЭВМ расчетов напряженно-деформированного состояния конструкций, анализ полученных результатов и выработку основных положений системы мониторинга за состоянием сооружения в процессе его строительства и эксплуатации.
В настоящее время ведется работа по сбору и анализу информации по зданиям с большепролетными конструкциями покрытий, длина пролета которых составляет 18 и более метров, обследование и сравнение типов покрытий. Проводятся визуальные обследования зданий с большепролетными конструкциями различного года постройки для определения дефектов и поведения большепролетных покрытий за длительный период эксплуатации. Идет активная работа с чертежами и архивными материалами существующих зданий. Целью данной работы является: разработка рекомендаций для объектов нового строительства в выборе типов большепролетных покрытий.
При этом будут решаться следующие основные задачи:
• выбор объектов контроля (вид и число контролируемых конструкций);
• выбор наиболее ответственных элементов конструкций, определение в них опасных сечений и контрольных точек для установки измерительных приборов;
• разработка методов определения контролируемых параметров, выбор серийных или создание индивидуальных технических средств контроля, изготовление и установка их на объекте;
• проведение инструментальных и визуальных наблюдений, измерение нагрузок, температурно-влаж-ностного режима эксплуатации, определение фактических перемещений, напряжений, усилий в контролируемых конструктивных элементах;
• определение (оценка) технического состояния конструкций по данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками;
• выработка рекомендаций по эксплуатации.
Технические средства контроля напряженно-деформированного состояния устанавливают на несущие конструкции, как правило, в период их строительства или начала монтажа, когда напряжения и деформации в элементах конструкции были незначительны или равны нулю. Важными компонентами мониторинга строительных объектов явдяются определение нагрузок и высокоточный геодезический долговременный контроль пространственного положения конструкций и осадок фундаментов.
Перечисленные задачи мониторинга на уникальных большепролетных сооружениях Москвы должны решаться индивидуально с учетом конструктивной и расчетной схемы здания и действующих на него нагрузок.
Контролируемые параметры выбираются из условия получения характеристик, позволяющих надежно оценить напряженно-деформированное состояние наблюдаемых конструкций. Например, всего на конструкциях Гостиного двора ЦНИИСКом размещено 258 точек измерений, что позволило достаточно полно оценивать техническое состояние основных несущих конструкций и выявить работу элементов здания под нагрузкой.
В отношении требуемой продолжительности мониторинга несущих конструкций оснований можно отметить следующее. Анализ аварий строительных конструкций зданий и сооружений, а также мониторинг ряда объектов, в том числе напряженного состояния металлического каркаса и осадок фундаментов основного здания МГУ им. Ломоносова, 34-этажного здания гостиницы «Украина», осуще-
строительные материалы и конструкции
стеленных в свое время ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, показывает, что большая часть отказов несущих конструкций происходит в первые 6—7 лет эксплуатации, а напряженно-деформированное состояние конструкций практически прекращает изменяться через 10 лет после начала строительства. Однако это не должно означать, что по прошествии указанных сроков здания и сооружения не должны наблюдаться. Представляется, что продолжительность инструментального и визуального периодического мониторинга уникальных сооружений должна составлять 8—10 лет с начала эксплуатации, в последующие годы необходимо проводить регулярные обследования технического состояния.
Опыт организации мониторинга показывает, что решения о его применении принимались не на стадии проектирования, а зачастую непосредственно в ходе строительства, перед монтажом или в процессе монтажа несущих конструкций. Необходимо преодолеть сложившуюся негативную ситуацию, и решение о мониторинге технически сложных и ответственных объектов принимать на стадии разработки технического задания на проектирование.
Для измерения напряженно-деформированного состояния ЦНИИСК применял приборы механического типа, которые, как правило, проектировали и изготовляли в сжатые сроки в основном при отсутствии финансирования. Недостатком механических приборов является необходимость проведения измерений в ручном режиме с последовательным обходом точек контроля; достоинством — точность и надежность измерений.
Для постоянного слежения за состоянием конструкций, а также для непрерывной регистрации и хранения полученной информации целесообразно применять электромеханические приборы, позволяющие измерять, обрабатывать, передавать данные в автоматизированном режиме и осуществлять их хранение в режиме накопления, формирования банка информации. Недостатки автоматизированной системы измерения напряжений, перемещений: техническая сложность; неуверенность в надежности результатов измерений при экстремальных условиях эксплуатации измерительных систем внутри зданий, под покрытиями, при температуре до 45 °С и на открытом воздухе при температуре от —35 °С до +65 °С; высокая стоимость; редкая, не чаще одного раза в несколько лет, повторяемость пиковых, близких к нормативным значениям, величин деформаций, напряжений, усилий в конструкциях и то обстоятельство, что контроль усилий в конструкциях, хотя и важная, но в процентном отношении относительно небольшая часть работ, выполняемых при мониторинге.
Обычно техническое состояние конструкций и условий их эксплуатации оценивают на основе сопоставления измеренных значений диагностических показателей с их критериальными значениями или с данными расчетов. При этом различают предупреждающий и предельный уровень значений диагностических показателей состояния объекта. При достижении предупреждающего уровня прочность, устойчивость, деформации объекта еще соответствуют условиям нормальной эксплуатации. При превышении предельного уровня диагностического показателя состояния эксплуатация объекта или его части в проектных режимах считается недопустимой. По сути, в этом случае имеет место «пороговый» подход к оценке состояния, вполне уместный для предупреждения предаварийных и аварийных состояний.
Для более углубленной оценки текущего состояния объекта и в целях прогнозирования работы основных несущих конструкций желательно привлекать количественные методы определения надежности элементов конструкций здания или сооружения.
Для определения показателей надежности с использованием вероятностных методов расчета в качестве случайных величин принимают внешние нагрузки и параметры прочности материалов конструкций. В качестве статистических характеристик случайных величин принимают среднее значение и коэффициент вариации. Требуемые статистические характеристики нагрузок и несущей способности (прочности) конструктивных элементов можно получить при мониторинге и обследовании зданий и сооружений, включая изучение исполнительной документации по объекту.
При апостериорных расчетах, т. е. при оценке надежности эксплуатируемых конструкций, в качестве показателя надежности принимают индекс надежности (характеристику безопасности) для каждого вида отказа, соответствующего рассматриваемой расчетной ситуации. В выражение для определения индекса надежности при отсутствии корреляционной связи между нагрузкой (усилием, напряжением) и прочностью (несущей способностью, пределом текучести) входят нагрузка, прочность, дисперсии нагрузки и прочности. В зависимости от степени ответственности объекта и его конструктивных элементов индекс надежности имеет реальные пределы изменения от 3 до 6. Чем выше ответственность объекта, тем больше должно быть значение индекса надежности. Вычислив индекс надежности, по вероятностным таблицам можно определить вероятность отказа или безотказной работы (надежность) конструкции.
На основе исследований по теории надежности
строительные материалы и конструкции
некоторые организации выработали предложения по нормированным значениям индекса надежности в зависимости от класса ответственности объекта, категории ответственности конструкций для установившейся, переходной и аварийной ситуаций. Таким образом, нормируемый индекс надежности в дополнение к двум упомянутым критериям работоспособности может быть принят в качестве критериального диагностического показателя технического состояния эксплуатируемых зданий и сооружений. При этом для оценки надежности объекта по критериальному показателю «индекс надежности» при мониторинге и обследовании необходимо получать данные о нагрузках, усилиях, прочности и их изменчивости.
Для обеспечения надежности и безопасности особо ответственных, сложных, уникальных, большепролетных и социально значимых зданий и сооружений классов ответственности 1 и 2 по ГОСТ 27751-88, предупреждения техногенных чрезвычайных ситуаций необходимо проведение мониторинга состояния несущих строительных конструкций и оснований, по крайней мере, в первые 8—10 лет эксплуатации и регулярное обследование в последующие годы. На основе мониторинга состояния конструкций можно составить атлас наиболее уязвимых и опасных узлов, деталей, материалов, что очень положительно скажется на их выборе при проектировании.
