Статья содержит анализ наиболее характерных повреждений конструкций каменных зданий и определяет направления научных исследований с целью совершенствования разрабатываемого в Республике Беларусь ТНПА “Каменные и армокаменные конструкции”.
Введение
В настоящее время в Республике Беларусь разрабатывается ТНПА “Каменные и армокаменные конструкции. Часть I. Общие положения. Нормы проектирования”. По нашему мнению, созданию данного нормативного документа должна предшествовать серьезная научно-исследовательская работа. Необходимость проведения научных исследований определяется следующими причинами:
- В современных каменных зданиях высотой 9 и более этажей при шаге поперечных несущих стен 6–7,2 м средний уровень вертикальных сжимающих напряжений увеличился в 2–3 раза по сравнению со зданиями высотой до 7 этажей, на которые в основном были ориентированы действующие нормы [1]. При этом более существенно проявляются касательные и растягивающие напряжения, вызванные разной нагруженностью стен.
- С ростом количества этажей увеличиваются силы трения и защемления опор железобетонных элементов, заделанных в стены здания. При изменении температуры это приводит к образованию трещин в кладке под торцами железобетонных плит, прогонов, перемычек [2].
- Согласно действующим нормативным требованиям [1], каждый простенок многоэтажного здания рассчитывается на нагрузку, соответствующую участку стены, расположенному над этим простенком между осями соседних проемов. Перераспределение нагрузки на соседние простенки и стены не учитывается. Это в некоторой степени можно считать оправданным по отношению к простенкам несущих стен. Однако указанное требование расчета распространяется и на самонесущие стены, нагрузка на которые за счет перераспределения может быть существенно выше, чем от собственного веса и ветра. В каменных зданиях повышенной этажности при большом шаге поперечных несущих стен это может привести к разрушению самонесущих стен [3].
- Данные об изменении модуля деформаций под нагрузкой были получены для кладок первой половины ХХ века, отличающихся более деформативным кирпичом, применением известковых, глиняных и цементно-известковых растворов. Коэффициент Пуассона для каменной кладки и данные о влиянии на него величины сжимающих напряжений в литературных источниках не приводятся. Кроме того, в [1] представлены расчетные сопротивления кладки для керамического кирпича и камней пустотностью не более 15%. Для современных керамических кирпичей и камней эти данные в нормах отсутствуют.
- При проектировании каркасных зданий необходимо учитывать работу кладки фахверкового заполнения каркаса, что позволит обеспечить определенную экономию материалов каркаса и исключить повреждения стен вследствие перекосов панелей каркаса, вызванных ветровой нагрузкой или неравномерной осадкой опор. Это особенно актуально для высотных каркасных зданий. Действующие нормы [1] при расчете каркасов по несущей способности заполнение учитывают только как нагрузку. Данные по работе в составе каркасов широко применяемого эффективного стенового заполнения из пенобетона, газосиликата, ячеистой керамики и т.п. отсутствуют.
- Проектирование современных каменных зданий невозможно без использования пространственного конечно-элементного расчета и анализа совместной работы строительных конструкций и основания здания. Это позволит учесть перераспределение усилий между вертикальными несущими элементами, обоснованно назначить нагрузки на фундаменты зданий, предотвратить образование трещин в стенах, получить картину деформирования как отдельных участков стен, так и остова здания в целом. При формировании расчетной модели каменного здания требуется знание деформативных характеристик кладки и их изменения по мере увеличения нагрузки. При этом необходимо иметь в виду, что кладка является материалом с резко выраженными анизатропными свойствами. Системных исследований каменной кладки как анизатропного материала в бывшем СССР не проводилось.
Характерные повреждения каменных зданий и их причины
При обследовании возведенных за последние годы кирпичных зданий повышенной этажности выявляется значительное количество критических повреждений несущих конструкций. Выявленные повреждения имеют системный характер, и их количество практически не уменьшается в строящихся жилых домах.
На рис. 1 показаны повреждения стен жилых 9-этажных домов по ул. Центральная и Чуклая в Пинске, построенных в 1984 и 1991 г.
Дом по ул. Чуклая имеет конструктивную схему с продольными несущими стенами. Наружные стены до 4-го этажа выполнены толщиной 640 мм, выше – 510 мм из керамического пустотелого утолщенного кирпича на известково-цементном растворе с облицовкой керамическими камнями Горынского КСМ; внутренние несущие стены толщиной 380 мм – преимущественно из керамического пустотелого кирпича.
Конструктивная схема дома по ул. Центральная принята с поперечными несущими стенами. Наружные стены имеют толщину 510–530 мм, выполнены из керамического кирпича на известково-цементном растворе с облицовкой керамическими камнями Горынского КСМ; внутренние толщиной 640 и 510 мм – из силикатного кирпича.
В наружных стенах домов на большой площади произошло отслоение и выпучивание нижней части облицовочного слоя кладки из керамического камня. Высота отслоения достигает верха окон 2-го этажа. В отдельных местах произошло выпучивание облицовочного слоя на 20–40 мм, в нем появились вертикальные трещины шириной раскрытия до 10 мм. Отслоение лицевой кладки происходит из-за среза тычковых камней. Существует угроза обрушения части облицовки стены. В квартирах, расположенных на верхних этажах и на техническом этаже дома по ул. Центральная, кладка несущих поперечных стен в местах примыкания к наружным продольным стенам повреждена сквозными вертикальными или наклонными трещинами шириной раскрытия от 1 до 10 мм, максимальная ширина их раскрытия наблюдается на верхних этажах дома. Трещины затухают на уровне 4–5-го этажей. Кроме того, зафиксированы трещины в продольных швах между плитами перекрытия (вблизи наружных стен) шириной раскрытия 1–5 мм.
Аналогичные повреждения имеет 9-этажный жилой дом по ул. Гаврилова в Бресте, построенный в 1990 г. Наружные его стены выполнены из керамического эффективного утолщенного кирпича с облицовкой керамическими камнями Горынского КСМ.
На значительной площади наружных стен из-за среза тычковых камней произошло отслоение и обрушение облицовочного слоя кладки из керамического камня и силикатного кирпича (рис. 2). В облицовочном слое простенков (в уровне 2-го этажа) имеются трещины шириной раскрытия 2–7 мм. Срез облицовочного слоя может привести к обрушению плит лоджий и многопустотных плит перекрытия балконов.
В ходе обследования построенного в 1980 г. 7-этажного административного здания по ул. Куликова в Пинске выявлены повреждения трещинами несущих простенков (рис. 3). При возведении стен 7-го и технического этажей применены керамические пустотелые камни Горынского КСМ, стены 1–6-го этажей возведены из глиняного одинарного полнотелого кирпича. Толщина наружных стен 1–7-го этажей составляет 2,5 кирпича, внутренних несущих – 1,5 кирпича.
Трещины образовались в наружных продольных несущих стенах 2–7-го этажей под опорами перемычек, перекрывающих оконные проемы. При этом возникла угроза среза кладки несущих простенков под опорами перемычек и обрушения плит перекрытия.
Критические повреждения кирпичной кладки несущих простенков выявлены при обследовании здания спортивного манежа в Бресте (рис. 4). Образование в ней трещин вызвано температурными деформациями опирающихся на простенки неразрезных 4 и 5-пролетных железобетонных прогонов, общая длина которых составляет 20–25 м. В настоящий момент здание признано аварийным, и эксплуатация его прекращена.
При обследовании жилых 6-этажных домов в микрорайоне Восток-6, построенных в 2004–2005 гг. по типовому проекту, разработанному АП “Институт Белпроект”, выявлены трещины в зонах сопряжения несущих поперечных стен с наружными продольными стенами (рис. 5). Наружные стены домов многослойные общей толщиной 510–640 мм, внутренняя верста толщиной 250–380 мм выполнена из кирпича керамического рядового пустотелого утолщенного марки КРПУ 100/35/СТБ1160–99 на пластифицированном известью цементно-песчаном растворе М100. Снаружи стены на толщину 250 мм утеплены блоками из ячеистого бетона размерами 2888х250х610 мм марки 2.5–500–35–3 СТБ1117–98 на клею. Внутренние несущие стены толщиной 380 мм запроектированы из кирпича силикатного рядового утолщенного марки СУР 150/25/СТБ1228–2000 на пластифицированном известью цементно-песчаном растворе М150.
Примерно через год после ввода домов в эксплуатацию на верхних этажах в местах примыкания несущих поперечных стен к наружным продольным возникли сквозные вертикальные или наклонные трещины шириной раскрытия до 4 мм, в швах между плитами перекрытий (вблизи наружных стен) – 1–3 мм. Аналогичные повреждения наблюдаются также и в 9-этажных жилых домах, построенных в Бресте в 2005 г. с применением конструктивной схемы с поперечными несущими стенами.
Анализ проектной документации показал, что при проектировании домов конструктивные требования СНиП II-22–81
по выравниванию свободных деформаций несущих и самонесущих стен в основном были выдержаны и расчетная разность их свободных деформаций не превышала нормируемой величины. При этом в кладке несущих стен были использованы практически предельные марки кирпича и раствора. Однако это не исключило появления вышеуказанных повреждений.
Одной из основных причин образования трещин в стенах каменных зданий являются неравномерные осадки фундаментов, часто вызываемые перераспределением нагрузок с несущих стен на самонесущие, что не учитывается требованиями действующих норм [1].
В статье [2] приведены примеры повреждений каменных зданий, обследованных НЭОППП “Стройнаука” в Минске. Отмечается, что почти в каждом из кирпичных 12–15-этажных домов выявлены трещины в стеновых конструкциях. Установлено, что в большинстве случаев раскрытие трещин имеет циклический характер и связано с сезонными изменениями температуры. Трещины в кирпичной кладке часто образуются в зонах опирания железобетонных или металлических пролетных элементов. Например, под 12-метровыми железобетонными балками перекрытия арочного проезда в кирпичном доме по ул. Богдановича – Некрасова произошел опасный разрыв армированной кладки. При обследовании строящегося 13-этажного кирпичного жилого дома по ул. Воронянского обнаружено, что после воздействия морозов в наиболее напряженных простенках 1-го и 2-го этажей появились трещины вертикальной ориентации и отколы, характерные для стадии разрушения кладки. Указанные простенки оказались в предаварийном состоянии.
Приведенные примеры свидетельствуют о недостаточном уровне надежности возведенных каменных зданий. Уже на стадии их проектирования вследствие несовершенства действующих норм [1] были заложены дефекты, которые наряду с неудовлетворительным качеством кладочных материалов и низким уровнем строительно-монтажных работ через определенный период времени привели к развитию предаварийных или даже аварийных ситуаций.
Направления научных исследований каменных и армокаменных конструкций
Повысить надежность каменных зданий можно при условии изменения подходов к их расчету и проектированию. На это и должны быть ориентированы разрабатываемые ТНПА. Нормативный документ в максимальной степени должен быть гармонизирован с требованиями Еврокода 6 “Проектирование каменных конструкций” и соответствовать современному уровню строительного производства и технологии строительных материалов.
На основании вышеизложенного считаем необходимым параллельно провести научно-исследовательскую работу по следующим направлениям:
1. Выполнить статистический анализ прочности материалов для каменной кладки. Установить классы прочности каменных материалов по принципу Евронорм.
2. Определить прочностные характеристики кладки из кирпича и камней, выпускаемых белорусскими предприятиями: нормативное сопротивление каменной кладки сжатию, сдвигу (срезу) и растяжению при изгибе.
3. Для исследуемых видов кладок необходимо получить диаграммы изменения модуля деформаций и коэффициентов Пуассона. Провести системные исследования кладки как анизатропного материала.
4. На основании полученных результатов разработать предложения по расчету и проектированию каменных и армокаменных конструкций для включения в ТНПА “Каменные и армокаменные конструкции. Часть I. Общие положения. Нормы проектирования”.
5. По результатам исследований внести изменения в соответствующие СТБ на каменные материалы.
Литература
1. СНиП II-22–81* Каменные и армокаменные конструкции / Госстрой СССР. – М.: Стройиздат, 1983. – 40 с.
2. Лапчинский, А., Шепель, С., Гутковский, В. Анализ причин характерных дефектов и повреждений конструкций жилых зданий и предложения по повышению качества строительства // Строительство и недвижимость. – 1998. – № 17.
3. Пангаев, В.В., Чернинский, М.А. Об особенностях современного расчета усилий и напряжений в каменных зданиях // Проектирование и строительство в Сибири. – 2008. – № 3.