CC BY
24Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
УДК 692.22
С.Д. СОКОВА (n.umniakova@mail.ru), канд. техн. наук, В.М. КАЛИНИН, канд. техн. наук
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
Повышение надежности подземной гидроизоляции
при эксплуатации зданий
Техническое обслуживание подземной части здания является сложной задачей, а в нормативных документах представлены старые визуальные методы сезонных смотров подвалов, не учитывающие постоянно меняющихся эксплуатационных условий. Для выбора оптимального и объективного технического решения по эксплуатации подземных конструкций зданий предлагается автоматизировать процесс наблюдения за грунтами и агрессивностью среды, тепловлажностным режимом подвалов, дренажами, гидростатическим напором, механическими повреждениями гидроизоляции и др. Был предложен математический метод подбора - логико-вероятностный метод, базирующийся на теории вероятностей и аппарате алгебры логики высказываний. Система может находиться только в двух состояниях: в состоянии полной работоспособности и в состоянии полного отказа. На основании логико-вероятностного метода, который использует качественное сравнение, выбираются конструктивные решения, технология работ, планируются эксплуатационные мероприятия. Только на этой основе могут быть реализованы принципы конкретности и оперативности многовариантного анализа сложных систем, научное обоснование решений по их разработке и эксплуатации в реальном масштабе времени функционирования.
Ключевые слова: логико-вероятностный метод, вес логической функции работоспособного или неработоспособного состояния, вероятность возникновения дефекта, надежность, долговечность, отказ, срок службы конструкции.
S.D. SOKOVA, Candidate of Sciences (Engineering), V.M. KALININ, Candidate of Sciences (Engineering) Moscow State University of Civil Engineering(26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Improving the Reliability of Underground Waterproofing During Buildings Operation
Maintenance of the underground part of the building is a daunting task, but in the regulations the old visual methods of seasonal inspections of basements without due regard for the ever-changing operating conditions are presented. To select the optimal and objective technical decision on the operation of underground structures of buildings, it is proposed to automate the process of monitoring of soils and aggressive media, heat and humidity regime of basements, drains, hydrostatic pressure, mechanical damages of waterproofing et.al. A mathematical method of selection- logical-and-probabilistic method based on the theory of probability and propositional algebra apparatus is proposed. The system can be only in two states: in a state of complete working capacity and in a state of complete denial. On the basis of logical-probabilistic method, which uses a qualitative comparison, structural conceptions and technology of works are selected, and maintenance activities are planned. Only on this basis, principles of specificity and efficiency of the multi-variant analysis of complex systems, scientific justification of decisions on their development and operation of real-time of functioning can be implemented.
Keywords: logical-probabilistic method, weight of logical function of workable state, or inoperable state, probability of defect occurrence, reliability, durability, failure, service life of structure.
За время эксплуатации зданий 1-й группы капитальности с нормативным сроком службы 150 лет гидроизоляция подвергается нескольким капитальным ремонтам. Современная сложившаяся застройка имеет довольно плотную структуру, что не позволяет применять многие традиционные методы защиты несущих подземных конструкций от влаги с наружной стороны. Восстановление гидроизоляции поверхностей с внутренней стороны ограничивает применение некоторых материалов, так как меняется схема соединения материалов с конструкцией с «прижима» на «отрыв», что понижает эксплуатационную стойкость. Одной из проблем нового строительства и эксплуатации существующих зданий и сооружений является гидрозащита и сохранение несущей способности строительных конструкций. Причиной выхода из строя гидроизоляции могут быть ошибки, допущенные на всех этапах жизни зданий: при проектировании, транспортировании материалов и конструкций, монтаже, складировании, эксплуатации. Кроме того, причиной нарушения целостности гидроизоляции элементов конструкций здания во время эксплуатации являются усадка, неравномерное давление
7'2015 ^^^^^^^^^^^^^
почвы, корни деревьев, промышленные и бытовые воды (стоки); периодически или многократно повторяющиеся теплосмены (сезонные и дневные колебания температуры); процесс увлажнения и высыхания (колебания атмосферной влажности, специфические условия службы), как следствие - внутренние напряжения в бетоне. Влага, впитавшаяся в поры бетона (кирпича, камня), при замерзании расширяется (на 9%) и разрывает его. Также влага вызывает коррозию арматуры, находящейся в бетоне. Продукты коррозии, увеличиваясь в объеме, вызывают, в свою очередь, разрушение бетона с образованием микротрещин, открывающих дорогу активному току воды. Кроме того, на бетон (кирпич, камень) оказывают влияние как механические воздействия - удары, выветривание, истирание, так и биологически вредное воздействие бактерий. Результат влияния этих факторов один - протечки. В данной работе сделана попытка определить влияние различных эксплуатационных мероприятий на сохранность гидроизоляции подземных конструкций.
В нормативных документах по эксплуатации подземной части здания приводятся мероприятия по техническому об- 63
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Протечка в подвальном помещении X
Нарушение гидроизоляционных функций материала
Вторичный отказ материала Образование дефектов
Образование дефектов
Складки
Пропуски(непровары) в швах
Разрывы
Преждевременное старение гидроизоляционных слоев
Разрывы
Проколы
Преждевременное старение гидроизоляционных слоев
Рис. 1. «Дерево отказов» для битумно-полимерной гидроизоляции
служиванию: подвалы и технические подполья должны сохранять температурно-влажностный режим, препятствующий выпадению конденсата на поверхностях ограждающих конструкций; проветриваться регулярно в течение всего года с помощью вытяжных каналов, вентиляционных отверстий в окнах и цоколе или других устройств с обеспечением не менее чем однократного воздухообмена; продухи в цоколях зданий должны быть открыты [1]. Проветривание подполья следует проводить в сухие и неморозные дни. В случае выпадения на поверхностях конструкций конденсата или появления плесени необходимо устранить источники увлажнения воздуха и обеспечить интенсивное проветривание подвала или технического подполья через окна и двери, устанавливая в них дверные полотна и оконные переплеты с решетками или жалюзи. В подвалах и подпольях с глухими стенами при необходимости следует пробить в цоколе не менее двух вентиляционных отверстий в каждой секции
64 -
дома, расположив их в противоположных стенах и оборудовав жалюзийными решетками или вытяжными вентиляторами. Как видно из приведенных данных по техническому содержанию подземной части, все эти мероприятия проводятся сезонно или единовременно с учетом изменений эксплуатационных условий. Сведения, необходимые для выбора оптимального технического решения при эксплуатации зданий: состояние грунтов; состояние несущей конструкции, т. е. ее несущая способность; состояние гидроизоляционного слоя; прочность основания при выдергивании механического крепления гидроизоляции; адгезия гидроизоляционного слоя к основанию и сопротивление его отслоению; уровень грунтовых вод; состояние дренажа. Объективно оценить эти свойства, возможность иметь необходимые сведения в любое время является актуальной задачей. Для объективной оценки состояния конструкций во время эксплуатации предлагается автоматизировать процесс наблю-
^^^^^^^^^^^^^ 72015
Научно-технический и производственный журнал
11пс1егдгоипс1 сопБ^ийюп
дения: установить датчики влажности и температуры в помещениях подвальной части, датчики влажности грунта по периметру здания; установить постоянный контроль за потерей тепла через ограждающие конструкции подвальной части здания, т. е. установить реальные потери тепла. Этот контроль при недостаточной теплоизоляции подземной части сможет объяснить выпадение конденсата на внутренней поверхности стен [2, 3].
Авторами были рассмотрены инновационные методы восстановления водонепроницаемости и осушения несущих и ограждающих конструкций зданий: инъекционный; термоинъекционный с предварительным нагревом конструкций (влажностью более 8%), выполняющимся прутковыми антеннами, пучком направляющими микроволны непосредственно на поверхность конструкции. Электроосмос более дешевый и менее трудоемкий метод по сравнению с микроволновым осушением, но видимый результат происходит только после четырех недель его применения; микроволновый же способ осушает конструкцию в считанные минуты. В случаях особо высокой влажности конструкции применяют также тепловые пушки.
При выборе методов осушения и повышения водонепроницаемости конструкций важен анализ надежности каждого метода, по которой выбирали наиболее оптимальный вариант. Для мониторинга реальных изменений существующих внешних условий при эксплуатации зданий предложены мероприятия: поддержание требуемого влажностного режима изолируемых помещений и степени увлажнения ограждающих конструкций в пределах нормы; обеспечение требуемой трещиностойкости изолируемых конструкций; недопущение величины гидростатического напора выше максимальных проектных значений, механических воздействий на гидроизоляцию свыше максимальных проектных значений, воздействий на гидроизоляцию сред, превышающих по агрессивности проектные значения, повышения температуры эксплуатации гидроизоляции. Предлагается проверять наличие или отсутствие поверхностного дренажа, а также регулярную его промывку, наличие устройства водоподъемной установки в дренажной системе, иначе скапливающаяся вода не удаляется из водоприемника при нарушенном водоотводе. На износ гидроизоляции влияют такие факторы, как отсутствие клапанов или неконтролируемая эксплуатационной службой их работоспособность; гравийная засыпка дренажной трубы, перекрывающая нижнюю часть дренажной стены на недостаточную высоту (менее 50 см от верхнего обреза фундамента). Увлажнение подвальных помещений может наступить при: некорректной работе системы отопления, отсутствии вентиляции подвала, отсутствии утеплителя или его недостаточной толщине, а также при недостаточной толщине наружной стены отапливаемого подвала, которая не соответствует требуемому значению сопротивления теплопередаче [4, 5]. Увлажнение наступает в случае вертикальной облицовки каркаса в нижних и верхних точках утепляемой стены, имеющей прорези для поступления и выхода воздуха шириной менее 2 см, что не обеспечивает непрерывного проветривания поверхности стены. При выборе методов повышения водонепроницаемости ограждающих конструкций важен анализ надежности каждого метода, сделав который можно выбрать наиболее оптимальный вариант, удовлетворяющий всем требованиям. При анализе надежности все методы рассматриваются отдельно и потом уже сравниваются между собой.
р1 = 0,85
р2 = 0,95
Система логическихуравнений
у1 = х1 у2 = х2 у6 = у1 V у2
р3 = 0,3
р4 = 0,4 4
у2
6
Yн = у6
Рис. 2. Схема функциональной целостности надежности системы р5 = 0,7
5 ) Система
логических уравнений
у3 = х3 V у5 у4 = х4 V у5
'у4 у5 = х5 _
у7 = у3 V у4
^ж = у7
Рис. 3. Схема функциональной целостности живучести системы
До настоящего времени применяется технология системного анализа и вычислительного эксперимента, базирующаяся на ручном построении расчетных моделей сложных систем [6, 7].
Для выявления причины отказа фундамента был применен метод «Дерево отказов» (рис. 1).
Одним из перспективных направлений является разработка логико-вероятностных методов (ЛВМ), математическая сущность которых заключается в использовании функций алгебры логики (ФАЛ) для аналитической записи условий работоспособности системы и в разработке строгих способов перехода от ФАЛ к вероятностным функциям (ВФ), объективно выражающим безотказность этой системы, т. е. с помощью математического аппарата логико-вероятностного метода можно описать различные схемы для расчета надежности, использовав теорию вероятностей [8]. Процедура общего логико-вероятностного метода (ОЛВМ) системного анализа свойств объекта выполняется в следующей последовательности:
а) выбор подхода к исследованию свойств объекта и выполняется математическая модель;
б) выполнение формализованной постановки задачи структурно-логического моделирования исследуемого свойства объекта.
В начале формализации выполняется анализ процесса функционирования всех элементов объекта, для каждого из которых отображаются данные, при каких условиях он реализует (или не реализует) свои выходные функции. Элемент представляется совокупностью простых бинарных % событий, заключающихся в выполнении (невыполнении) 1-м элементом своих функций и сложных функциональных % событий, определяющих «успех» функционирования г'-го элемента при воздействии на него результатов функционирования логически сопряженных с ним других элементов. Графически модель представляет собой множество вершин X(бинарных событий х^ и множество связывающих их ребер 7 (выходных и обеспечивающих функций у) Подобное представление называется схемой функциональной целостности 0(Х,У) исследуемого объекта. В рассматриваемом примере простые бинарные события выражены как:
72015
65
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
х1 {х^х^, / 1,5,
где хь XI - соответственно работоспособное и неработоспособное состояния 1-го элемента (рис. 2, 3).
Сложное функциональное событие определяется как выполнение (невыполнение) элементом своих функций при условии, что на «вход» элемента поступает сигнал о выполнении (невыполнении) своих функций, логически сопряженных с рассматриваемыми сигналами других элементов. Если элемент логически связан с несколькими другими, то задается правило, в соответствии с которым описывается выходная функция элемента при различных комбинациях поступающих в него сигналов;
в) разработка структурной модели исследуемого свойства объекта, в которой для каждого элемента представляются условия реализации (или нереализации в соответствии с выбранным подходом) своего функционального назначения;
г) определение вероятностных параметров элементов (например, вероятности безотказной работы или отказа, средней наработки до отказа, среднего времени восстановления, возникновения и стойкости к запредельным воздействиям и т. п.) и (при необходимости) других параметров, необходимых для расчета требуемых системных характеристик;
д) задание логических критериев, определяющих условия реализации исследуемых свойств рассматриваемого объекта, например безотказности или отказа, обеспечение или необеспечение заданного уровня эффективности, возникновение или невозникновение определенного уровня ущерба в аварийной ситуации и др.
е) построение логической модели исследуемого свойства объекта (логической функции работоспособности). Она представляет собой систему логических уравнений, описывающих условия реализации объектом заданного логического критерия в зависимости от состояния всех входящих в него элементов;
ж) построение расчетной математической модели исследуемого свойства системы (аналитической, статистической, марковской, сетевой или детерминированной). Как правило, расчетная математическая модель представляет собой многочлен вероятностной функции, получаемой путем преобразования логической модели исследуемого свойства объекта;
з) вычисление вероятностных показателей исследуемых системных свойств объекта. На основании расчетной математической модели и вероятностных параметров элементов рассчитываются показатели надежности и безопасности, соответствующие действующим государственным стандартам и руководящим документам.
Работоспособность объекта будет сохранена при возможных отказах его элементов и случайном воздействии неблагоприятных факторов, если хотя бы один из его элементов сохранит свою работоспособность. Поэтому структурная модель устойчивости рассматриваемого объекта строится путем объединения ранее разработанных схем функциональной целостности (СФЦ) надежности (рис. 2) и живучести (рис. 3).
В основе сценарного логико-вероятностного подхода может находиться безусловная вероятность, условная вероятность и характеристическая функция. Предлагаемый подход позволяет количественно оценить степень надежности системы. Этот метод может быть приме-
661 -
нен не только для оценки степени надежности системы, но и для анализа причин отказов гидроизоляционных и прогнозирования развития аварийных систем. Были составлены «деревья отказов» для различных классов материалов (битумные, битумно-полимерные, эластомерные, на основе термопластов). Для этого на кафедре жилищно-коммунального комплекса были предложены математические методы подбора, в частности логико-вероятностный метод. Логико-вероятностный метод состоит в том, что одновременно используется как аппарат теории вероятностей, так и аппарат алгебры логики высказываний. Система может находиться только в двух состояниях: полной работоспособности (у = 1) и полного отказа (у = 0). При этом предполагается, что действие системы детерминированно зависит от действия ее элементов, т. е. у является функцией х1, х2, ... , х, ... , хп. Элементы могут находиться также только в двух несовместных состояниях: полной работоспособности (х. = 1) и полного отказа (х . = 0).
По «дереву отказов» происходит определение функции надежности, а затем приводится алгоритм нахождения минимальных сечений в «дереве отказов». Каждой комбинации отказовых и работоспособных состояний подсистем соответствует одно состояние системы. Число состояний системы п = 2к, где к - количество подсистем (элементов). Связь между вероятностями нахождения системы во всех его возможных состояниях выражается системой дифференциальных уравнений Колмогорова (уравнений первого порядка). По состояниям составляют систему дифференциальных уравнений. При установившемся режиме эксплуатации (г) имеем:
ха-ро(0-|11-Л(0 = о
Х2-Ро(/)-ц2-Р2(0 = 0
Решив полученную систему алгебраических уравнений с учетом нормировочного условия, находим показатели надежности, где Р^) - вероятность нахождения системы в У работоспособном состоянии; Р0{1) - начальное состояние; п1 - число состояний, в которых система работоспособна; ц и X - соответственно интенсивность восстановления и
г п п
интенсивность отказов элементов. Анализ производят на основе построения «дерева отказов», на которые влияют возможные дефекты при использовании определенного метода и последствия этих дефектов. Рассчитывают вес, значимость и надежность каждого метода. На основании логико-вероятностного метода, который использует качественное сравнение, выбирают конструктивные решения, технологию работ, планируют эксплуатационные мероприятия. При этом средствами автоматизации охватывают только процессы вычислений (ГОСТ 27.301-95, ГОСТ Р 51901-2002, ГОСТ Р 51901.14-2005 (МЭК 61078:1991), ГОСТ Р 51901.13-2005 (МЭК 61025:1990)). Сложность и многофункциональность современных систем, скоротечность, изменчивость задач и конкретных условий их функционирования неизбежно приводят к необходимости автоматизации процессов математического моделирования систем. Только на этой основе могут быть реализованы принципы конкретности и оперативности многовариантного анализа сложных систем, научное обоснование решений по их разработке и эксплуатации в реальном масштабе времени функционирования.
^^^^^^^^^^^^^^ 72015
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Underground construction
Список литературы
1. МДС 2.3-2003 «Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда».
2. Соков В.Н., Бегляров А.В. Эффективные трехслойные монолитные изделия с наноструктурированным переходным слоем // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 41.
3. Умнякова Н.П., Шубин И.Л. Актуализированные строительные нормы по защите от шума, естественному и искусственному освещению и тепловой защите зданий, разработанные НИИСФ. Материалы Международной конференции «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера». Якутск. 8-10 августа 2012. С. 40-54.
4. Умнякова Н.П. Долговечность трехслойных стен с облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты // Вестник МГСУ. 2013. № 1. С. 94-100.
5. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 14-17.
6. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. 524 с.
7. Левин В.И. Логическая теория надежности сложных систем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 264 с.
8. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. СПб.: Политехника, 2001. 276 с.
References
1. MDS 2.3-2003 Rules and regulations of technical maintenance of the housing stock. (In Russian).
2. Sokov V.N, Beglyarov A.V. Efficient three-layer monolithic products with a nano-structured transition layer. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 41. (In Russian).
3. Umnyakova N.P., Shubin I.L. Actualized building codes to protect against noise, natural and artificial light and heat protection of buildings, developed NIISF. Proceedings of the International Conference «Modern innovative technology research, design and construction in the Far North». Yakutsk. 8-10 August 2012, pp. 40-54. (In Russian).
4. Umnyakova N.P. The durability of sandwich walls with brick veneer with a high level of thermal protection. Vestnik MGSU. 2013. No. 1, pp. 94-100. (In Russian).
5. Umnyakova N.P., Butovskiy I.N., Chebotarev A.G. Development of the regulation methods of heat shield of energy efficient buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 14-17. (In Russian).
6. Gnedenko B.V., Belyaev Yu.K., Solov'ev A.D. Matema-ticheskie metody v teorii nadezhnosti [Mathematical methods in reliability theory]. Moscow: Nauka. 1965. 524 p.
7. Levin V.I. Logicheskaya teoriya nadezhnosti slozhnykh sistem [The logical theory of reliability of complex systems]. Moscow: Energoatomizdat. 1985. 264 p.
8. Ryabinin I.A. Nadezhnost' i bezopasnost' strukturno-slozhnykh system [The reliability and safety of structurally complex systems]. Saint-Petersburg: Politekhnika. 2001. 276 p.
_ШШЕЕНШ
На рынке появился облицовочный материал на основе баклажанов и тростника
Голландская строительная компания Nova Lignum представила свой новый продукт - прочный высококачественный материал Ceranex, разработанный для облицовки фасадов.
Ceranex - композитные панели средней плотности, производящиеся по запатентованной технологии MOXY на основе воды, порошка и «волокон». В процессе приготовления, не требующем значительных затрат тепла и энергии, эти компоненты смешиваются и превращаются в твердый композитный материал.
По словам производителя, инновационный материал уникален тем, что почти на 90% состоит из волокон растительного происхождения, в основном из отходов от баклажанов и тростника. При этом в его составе нет ни диоксида кремния, ни продуктов нефтепереработки, но в то же время Ceranex сочетает преимущества древесины, армированного цемента и пластика. В качестве альтернативы могут быть
7 2015 ^^^^^^^^^^^^^^
использованы любые другие источники сырья, такие как отходы от лесного хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, например шлифовальная пыль от станков, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, а также макулатура, солома и другие остатки от сбора урожая зерновых культур. Более того, облицовочные панели на 100% подлежат вторичной переработке.
Стоит отметить и прочие достоинства материала: инертность к кислым и агрессивным средам, стойкость к коррозии, влагостойкость, огнестойкость, устойчивость к атмосферным осадкам и ультрафиолетовым лучам, вследствие чего он не выцветает на солнце, а также устойчивость к появлению грибков и гниению. Как и обычная древесина, панели легко обрабатываются любыми подручными инструментами.
По материалам http://www.vzavtra.net/
- 67
