Эксплуатационная надежность железобетонных безраскосных ферм
В 2004 г. УП “Стройнаука” в соответствии с указанием Минстройархитектуры проведены обследования зданий повышенной социальной ответственности, которые позволили существенно пополнить данные об эксплуатационной надежности и особенностях работы конструкций массового применения, возведенных на базе разработок конца ХХ столетия. Многие из них и сегодня составляют основу отечественной строительной индустрии.
В силу масштабности решаемых задач представилась уникальная возможность обобщить сопоставимые результаты натурных обследований сотен зданий и сооружений распространенных конструктивных схем, выявить особенности их работы при реальных эксплуатационных воздействиях, оценить надежность несущих и ограждающих конструкций с учетом как удачных технических решений, так и характерных дефектов.
Материал статьи базируется на натурных данных, полученных по результатам обследования 16 школ, аналогичных Краснопольской, возведенных по типовому проекту 222-1-475.86, в котором в качестве пролетной конструкции спортзала применены фермы ФБМ пролетом 24 м серии 1.463.1-3/87 (рис. 1)*. Фермы (рис. 2) разработаны в 1980-е годы ЦНИИ совместно с НИИЖБ (Москва) и получили широкое распространение на территории бывшего СССР, в том числе и в Беларуси.
Для сопоставления были также обследованы безраскосные (пролет 18 м) и раскосные железобетонные фермы (пролет 24 м).
К наиболее существенным дефектам и повреждениям, которые обнаружены в несущих конструкциях залов всех обследованных зданий школ серии 222-1-475.86, необходимо отнести:
— сквозные трещины наклонной ориентации в опорных узлах безраскосных железобетонных ферм пролетом 24 м — основных несущих конструкциях спортивных залов (рис. 2, 3). Ширина раскрытия трещин достигала 1,5–1,6 мм, что недопустимо, поскольку, пересекая зону анкеровки напрягаемой арматуры нижнего пояса, трещины могут привести к выключению из работы части рабочей арматуры и хрупкому разрушению конструкции. Указанные дефекты выявлены в 16 фермах марки 4ФБМ24 серии 1.463.1-3/87 из 16 обследованных;
— скалывание бетона оголовков удлиненных стоек ферм под опорами плит покрытия (рис. 4, а);
— горизонтальные и наклонные трещины в узлах сопряжения стоек с поясами ферм, раскрытые до 0,5 мм (рис. 4, б).
Для уточнения причин образования недопустимых трещин в фермах и обоснования параметров их усиления были проведены численные исследования напряженного состояния с использованием детальных пространственных конечноэлементных моделей конструкций покрытия над спортзалами, дополненные прочностными поверочными расчетами.
Результаты расчетов ферм указанной серии по методикам норм [1, 2] с учетом данных обследований показали:
1. Поперечная арматура в опорном узле, которая воспринимает основную часть сдвигающих усилий, возникающих между поясами ферм, работает в основном по невыгодной нагельной схеме и не обеспечивает требования по восприятию расчетного сочетания опорных усилий. При проектном уровне нагрузок в опорном узле фермы 4ФБМ24-10 неизбежно образование трещин, ухудшающих условия анкеровки продольной арматуры (рис. 3).
2. Совместная работа с фермами ребристых плит покрытия приводит к изменениям напряженно-деформированного состояния ферм, которые недостаточно учтены в серийной проектной документации и вызывают:
— cкалывание бетона оголовков стоек (рис. 4, а) или срез сварных швов между закладными деталями опор плит покрытия и оголовков стоек, в результате чего снижается надежность опирания плит и раскрепления ферм диском покрытия, что также может вызвать их разрушение;
— чрезмерное раскрытие трещин в узлах сопряжения удлиненных стоек с верхним поясом ферм (рис. 4, б);
— по мере скалывания оголовков и образования трещин в стойках эффект частичной разгрузки поясов ферм за счет включения в работу плит покрытия практически исчезает вследствие податливости поврежденных сечений.
Качественная картина распределения напряжений в опорных узлах и элементах первой панели безраскосных ферм в малоуклонном исполнении, характерная для стадии эксплуатации, приведена на рис. 5, а.
Натурные данные и результаты численных исследований, характеризующие напряженное состояние узлов и элементов ферм, хорошо согласуются между собой, что позволило раскрыть механизм их разрушения. Наиболее вероятная схема начальной стадии разрушения изображена на рис. 5, б. Она существенно отличается от условной схемы разрушения, положенной в основу методики, по которой были рассчитаны фермы типовой серии.
При полных расчетных нагрузках, предусмотренных серией 1.463.1-3/87, главные напряжения в бетоне опорного узла по данным расчетов превышают соответствующее расчетное сопротивление бетона, вследствие чего в опорных узлах ферм типа ФБМ24 образуются трещины, которые и были выявлены в процессе натурных обследований. По мере образования трещин на поперечную арматуру между поясами перераспределяются внутренние сдвигающие усилия по неэффективной — нагельной — схеме (рис. 6). Вследствие недостаточной несущей способности бетона опорных узлов, а также нерационального направления установки и заниженного количества поперечной арматуры опорные узлы фермы менее надежны. Это выражается прежде всего в ослаблении анкеровки продольной арматуры нижнего пояса, вплоть до его отрыва.
Подробнее описание причин и механизма образования сквозных трещин в опорных и промежуточных узлах обследованных ферм, а также методики численных исследований приведены в [4, 5].
Сопоставление компьютерных исследований конечноэлементных и стержневых моделей с реальной картиной трещинообразования позволило получить достоверные данные о напряженно-деформированном состоянии 16 классов по несущей способности ферм и 5 типоразмеров их сечений (практически всей номенклатуры серии 1.463.1-3/87), аналогичные результатам их лабораторных испытаний, и выявить характерные конструктивные недоработки, “тиражировавшиеся” в ряде случаев десятки лет. В частности, установлено, что к потенциально наиболее опасным типам ферм серии 1.463.1-3/87, в которых расчетные параметры армирования опорного узла не обеспечивают восприятие внутренних усилий, возникающих на участке между колонной и началом поясов ферм, относятся фермы:
— 14, 15, 16-го классов типоразмера 5;
— 10, 11, 12, 13-го классов типоразмера 4;
— 8, 9, 10-го классов типоразмера 3.
Таким образом, во всех безраскосных железобетонных фермах 4ФБМ24-10 серии 1.463.1-3/87 пролетом 24 м, смонтированных с шагом 12 м, выявлены дефекты и повреждения, вследствие чего их техническое состояние признано неудовлетворительным [1–3]. Это потребовало прекращения эксплуатации спортзалов, выполнения безотлагательных страховочных мероприятий и срочной разработки проекта их усиления.
Последствия конструктивных недоработок ферм значительно усугубляются превышением веса утеплителя и стяжки в совмещенных покрытиях над фермами.
По данным обследований более 150 объектов, превышение веса ограждающих элементов покрытий составляет, с учетом реальной влажности утеплителя, в среднем 25–30% по отношению к их проектному расчетному весу.
Кроме того, прослеживается тенденция к увеличению веса покрытий в процессе эксплуатации. В подавляющем большинстве случаев ремонты кровель осуществляются с наращиванием на существующие слои утеплителя и дублированием стяжек без должного обоснования таких решений натурными и расчетными данными.
Анализ уровня эксплуатационных нагрузок, действующих на несущие конструкции покрытия 16 спортзалов, показал, что на всех обследованных объектах железобетонные фермы, а в некоторых случаях и плиты покрытия в пятне спортивного зала работают в стадии между расчетными и разрушающими нагрузками. При этом на отдельных объектах резервы до стадии разрушения составляют всего 10–20%, в то время как нормами предусматривалось 50–70%.
На стадии эксплуатации характерным признакам перегрузки несущих конструкций, как правило, значения не придавалось.
Так, в отдельных школах видимые сквозные трещины в опорных узлах фермы, раскрытые до критических уровней, в процессе текущих ремонтов были оклеены стеклохолстом и закрашены без должной оценки признаков неудовлетворительного состояния конструкций. Кроме того, в наиболее нагруженных сечениях ряда ферм в процессе эксплуатации высверлены отверстия для крепления инвентаря.
Дефекты ферм в сочетании с завышением толщины и водонасыщением ограждающих элементов покрытия при экстремальных снеговых нагрузках могли привести к хрупкому разрушению опорных узлов ферм, а именно ферм серии 1.463.1-3/87, относящихся к типоразмерам 3, 4, 5 для марок по несущей способности от 8 до 16 включительно, а также ферм более ранней серии 1.463-3 пролетом 24 м, при опирании на них железобетонных плит покрытия шириной грузовой площади 12 м.
Для повышения эксплуатационной надежности безраскосных ферм спортзалов, смонтированных по типовому проекту 222-1-475.86, УП “Стройнаука” была разработана проектно-сметная документация на их усиление. Предложенные решения минимизированы по материалоемкости и позволяют гарантированно обеспечить надежность несущих конструкций покрытий залов при относительно небольших затратах и в кратчайшие сроки. Техническая документация на такие усиления утверждена Главэкспертизой проектов и успешно апробирована.
Результаты натурных, компьютерных исследований и выполненных усилений ферм в 13 минских и 3 пинских школах (рис. 7, 8) позволяют сделать следующие выводы:
1. Наличие на приопорных участках ферм трещин, выходящих к зоне анкеровки арматуры нижнего пояса, необходимо рассматривать как показание к безотлагательному усилению поврежденных сечений ферм. Уменьшение веса покрытия для повышения резервов несущей способности основных конструкций при наличии в фермах указанных трещин является в ряде случаев мерой необходимой, но недостаточной. Усиления в первую очередь должны обеспечить восстановление поврежденных трещинами опорных участков ферм. Они не требуют значительных материальных затрат и могут быть выполнены в короткие сроки без демонтажа конструкций.
2. При выполнении усилений основное внимание необходимо уделить гарантированному включению стальных элементов в совместную работу с бетоном ферм. Для этого вместо традиционно используемых “термических” способов включения в работу обойм рекомендуется применять технологии, основанные на торкретировании самонапрягающихся составов типа “Монофлекс-А”.
3. После завершения усилений необходимо поддерживать специальные условия по уходу за торкретсоставами до завершения набора ими самонапряжения и проектной прочности. Параметрами, косвенно подтверждающими приемлемое качество торкретсостава, являются ускоренный набор его прочности и отсутствие усадочных трещин.
4. Для малоуклонных покрытий, возведенных с применением безраскосных ферм, необходимо усиливать и оголовки 2, 3-й и 6, 7-й стоек ферм (под ребрами плит).
5. Учитывая широкое применение данных типов ферм, рассмотренная проблема становится актуальной и в промышленном секторе. Натурные данные и результаты расчетного анализа ферм свидетельствуют о необходимости усиления опорных зон и оголовков стоек всех ферм указанных серий под малоуклонные покрытия, относящихся к вышеперечисленным типоразмерам и маркам, и на других объектах. Основное внимание рекомендуется обратить на безраскосные фермы пролетом 24 м при шаге 12 м, нижний пояс которых армирован канатами К7 или высокопрочной арматурой на основе Вр-II.
Следует также внести изменения в серийную документацию на изготовление данного вида конструкций. Для ферм серии 1.463.1-3/87, принадлежащих к указанным типоразмерам, рекомендуется увеличить диаметр поперечной арматуры в опорных узлах, устанавливать ее с наклоном, соответствующим основному направлению растягивающих напряжений, а также удлинить арматуру верхнего пояса и изменить армирование стоек над верхним поясом и в отдельных сечениях над нижним поясом.
Разработанные технические решения по усилению смонтированных ферм и повышению эксплуатационной надежности вновь изготавливаемых ферм имеют достаточное обоснование и могут быть адаптированы к конкретным объектам.
Положительный опыт разработки и реализации подобной документации накоплен при усилении ферм и разгрузке покрытий спортзалов при ремонте школ и гимназий Первомайского, Октябрьского и Фрунзенского районов Минска, а также в Пинске. Основные этапы ремонтно-восстановительных работ, проведенных наряду с другими мероприятиями в соответствии с Постановлением Совета Министров РБ № 156 от 13.02.2004 г., проиллюстрированы на рис. 7, 8.
Одновременно с повышением резервов несущей способности всех основных конструкций залов выполнялась теплозащитная реновация покрытия с заменой гидроизоляционного ковра и реконструкцией фонарей, которые, как и фермы, находились в неудовлетворительном состоянии, а их дальнейшие выборочные ремонты были бы неэффективны.
Литература
1. СНиП 2.03.01–84. “Бетонные и железобетонные конструкции”.
М.: Стройиздат, 1985.
2. СНБ 5.03.01–02. “Бетонные и железобетонные конструкции”.
Мн.: Минстройархитектуры РБ, 2003.
3. СНБ 1.04.01–04 “Здания и сооружения. Основные требования к техническому состоянию и обслуживанию строительных конструкций и инженерных систем, оценке их пригодности к эксплуатации”. Мн.: Минстройархитектуры РБ, 2004.
4. Анализ напряженно- деформированного состояния и расчетное обоснование усиления железобетонных безраскосных ферм серии 1.463.1-3/87, примененных в покрытии спортзалов школ, возведенных по проекту серии 222-1-475.86. Мн.: УП “Стройнаука”, 2004. 75 с.: ил.
5. Лапчинский А.К. Совершенствование инженерных расчетов и конструирования строительных объектов на основе компьютерных технологий // Архитектура и строительство. Мн.: 1995. № 2–3.
С. 39–41.
Похожие статьи и публикации:
Разработка и внедрение эффективных конструкций железобетонных полушпал для рельсовых путей...
Для строительства рельсовых путей грузоподъемных кранов (башенных и козловых) до настоящего времени применялись, как правило, деревянные полушпалы и железобетонные балки по СНиП 3.08.01-85. Однако недостатками деревянных полушпал являются их низкая...