Отказы несущих и ограждающих конструкций

Понятие безотказности жилого здания в целом как сложной технической системы шире, чем для его элементов и простых систем, способных находиться лишь в двух состояниях — работоспособном или неработоспособном. Отказы отдельных ограждающих конструк­ций и технических устройств (кровли, межпанельных швов, полов и др.) обычно являются частичными отказами. Не приводя к прекращению функционирования объекта в целом, они снижают качество (уровень) функционирования и выходной эффект объекта. Такая адаптация жилого здания к комплексу внешних условий возникает благодаря наличию определенной избыточности — некоторому запа­су технических характеристик, сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций. Это связано с тем, что обеспечение локальных требований прочности и жесткости звуко- и теплозащи­ты, пожарной безопасности и т. д. сопровождается возникновением обратных связей, определенным «перекрытием» отдельных функций конструкций и систем. В результате объективно возникают различ­ные виды резервирования — нагрузочное, структурное, функцио­нальное и временное.

Согласно действующим нормам событие, заключающееся в нару­шении работоспособности, называется отказом; таким образом, под отказом понимают прекращение выполнения конструкциями задан­ных функций, а эти функции определяются с соответствующими до­пусками. При назначении нормативной надежности несущих и огра­ждающих конструкций под отказом понимают техническое состоя­ние элемента, предшествующее исчерпанию несущей способности или полной потери ограждающих функций.

Отказы можно классифицировать: 1) в зависимости от причин возникновения: внутренние, вызванные недостатком конструкций; из-за внешних причин (перегрузки, изменение схем работы и нагрузки и т. п.); 2) в зависимости от скорости их проявления: последователь­ные; постепенные; внезапные; 3) в зависимости от диапазона отказов: частичные, связанные с отклонением характеристик от допускаемых пределов и не вызывающие полной утраты работоспособности; пол­ные; 4) по сочетанию предыдущих концепций: каталептические — вне­запные и полные; с постепенным ухудшением параметров и характери­стик; 5) в зависимости от последствий: незначительные, не приводя­щие к ухудшению эксплуатационных характеристик, значительные, критические, приводящие к полному прекращению выполнения функций и появлению большого риска; 6) в зависимости от срока эксплуатации: преждевременные (часто до монтажа); случайные; износовые.

Последовательные постепенные отказы являются функцией вре­мени, обусловленные главным образом старением материалов, нако­плением внутренних напряжений и т. д. Внезапные отказы вызыва­ются такими изменениями параметров элемента, при которых его следует считать неработоспособным. Такие отказы появляются при перераспределении и суммировании в узлах нагрузок, действии до­полнительных внешних нагрузок, их неучтенных сочетаний. При расчете систем с учетом этих двух видов отказов ориентируются на следующие положения: 1) постепенные отказы можно исключить, если учесть все возможные изменения характеристик и параметров во времени; 2) внезапные отказы случайны, их нельзя полностью ис­ключить или предсказать; 3) постепенные и внезапные отказы взаи­мосвязаны и не являются независимыми. Из последнего вытекает принцип возможно резервирования, широко применяемый в точном приборостроении.

При обследовании выясняется техническое состояние здания, т. е. состояние, заключающееся в нарушении исправности строи­тельной конструкции или ее части вследствие влияния внешних воз­действий, превышающих уровни, установленные в нормативно-тех­нической документации на конструкцию.

Техническое состояние — совокупность свойств здания или его элемента, подверженная изменению в процессе строительства, ре­монта или эксплуатации, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией на это здание или его элемент. Признаками технического состояния могут быть качественные и (или) количественные характеристики его свойств: значения показателя надежности или диагностического па­раметра. Основными параметрами для контроля технического со­стояния здания являются: общая и местная прочность конструкций; пространственная жесткость здания, общая и местные деформации; влагонасыщение элементов конструкций; теплотехнические харак­теристики ограждающих конструкций; тепловой режим; коррозия металлических конструкций; воздухо- и влагопроницаемость строи­тельных конструкций и сопряжений; режимы работы санитарнотехнических, электротехнических и других систем инженерного обору­дования; загазованность и освещенность помещений и др. Фактиче­ские значения качественных и количественных характеристик опре­деляют техническое состояние здания.

В отличие от простых систем, где имеются только два возможных состояния — нормальное эксплуатационное и отказ, в зданиях боль­шая часть конструкций и элементов может иметь несколько состоя­ний, соответствующих частичным отказам и неисправностям. В свя­зи с этим иногда отказы классифицируют: частичный отказ узла или элемента, восстановление или усиление которого приводит к полно­му восстановлению надежности сооружений; отказы наиболее ответ­ственных элементов сооружений (оснований, фундаментов, колонн, ригелей и т. п.), приводящие к полному отказу всего сооружения. От­казы второй группы могут быть внезапными. Усиление этих элемен­тов нередко связано с большими объемами выполняемых работ.

Таким образом, характеристики отказов должны отражать раз­личные формы (категории) несущей способности здания или его час­тей. Допустимую вероятность отказа следует определять в зависимо­сти от тяжести последствий. Обычно легче сконструировать изделие для мягких (благополучных) условий работы, чем для жестких (пре­дельных).

Специфика зданий как изделия состоит в невозможности созда­ния облегченных условий для работы дома в целом, хотя для отдель­ных узлов и элементов такая возможность имеется; в трудности (или невозможности для некоторых элементов) использования резервиро­вания. В составных конструкциях отказ отдельного элемента может привести к отказу всей конструкции, хотя остальные элементы про­должают нормально функционировать. Например, увлажнение утеп­лителя трехслойных стеновых панелей приводит к отсыреванию стен, нарушению температурного режима помещения, тогда как железобе­тонные элементы продолжают выполнять функции несущей части конструкции.

В связи с этим необходимо отметить, что современные методы расчетов (в частности, метод предельных состояний) сосредоточива­ют внимание на границах качества, хотя для многих характеристик (тепло-, звукоизоляция и др.) важно не только предельное состояние, но и распределение качества.

Анализ показывает, что большая часть отказов и аварий происхо­дит из-за так называемых «мелочей»: невыполнения при проектиро­вании всех поверочных расчетов конструкций, особенно узлов, неак­куратности исполнителя при изготовлении изделий (элементов) и монтаже, небрежности и неподготовленности обслуживающего экс­плуатационного персонала. С учетом этого целесообразно принимать в расчетах следующие значения вероятности отказов: 10^-5 —10^-7 — при отказе без предварительных сигналов (крупное разрушение, по­теря устойчивости, разрушение оснований); 10^-4 — при достиже­нии предельной несущей способности с предварительными сигнала­ми (текучесть растянутой зоны при изгибе, осадки оснований); 10^-2— 10^-3 — при наступлении состояния непригодности к эксплуа­тации без потери несущей способности.

В процессе эксплуатации зданий дефекты накапливаются, изме­няясь количественно и качественно. Оставленные без внимания не­значительные дефекты могут привести к серьезным нарушениям це­лостности конструкций и даже к авариям. Надежная работа строитель­ных конструкций обеспечивается в случае, когда во время эксплуата­ции принимаются эффективные меры по устранению дефектов или локализации их вредного влияния.

Основой расчетов конструкций жилых и общественных зданий в настоящее время является метод предельных состояний. СНиП 2.08.01—89 (прилож. 1, п. 36) установлены две группы предельных со­стояний: по потере несущей способности (или непригодности к экс­плуатации); по непригодности к нормальной эксплуатации, а также требований, учитывающих нелинейно режимно-наследственную со­ставляющую. Предельные состояния разделены по степени ответст­венности и степени потери эксплуатационной способности. Цель расчетов по предельным состояниям — обеспечить надежность и комфортность при возведении сооружения и его эксплуатации.

Согласно действующим нормативным документам и техническим регламентам (прилож. 1), расчеты конструкций зданий и сооружений в соответствии с указанными предельными состояниями выполня­ются: по несущей способности (обеспечивающей прочность, общую и местную устойчивость зданий как в процессе монтажа, так и во вре­мя всего срока эксплуатации), по деформациям, появлению или рас­крытию трещин (обеспечивающих пространственную жесткость зда­ний, недопустимость появления или чрезмерного развития трещин, нарушающих нормальную эксплуатацию, ухудшающих герметич­ность стыков, эстетические качества помещений, элементов и узлов).

По первому предельному состоянию должны быть проверены: а) все конструкции зданий и их стыковые соединения — для предот­вращения разрушения при действии силовых воздействий в процессе строительства и эксплуатации и расчетного срока эксплуатации зда­ний; сборные конструкции, кроме того, при их изготовлении и пере­возке; б) здание в целом — для предотвращения его опрокидывания при действии горизонтальных нагрузок; в) основание здания — для предотвращения потери его несущей способности при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.

По второму предельному состоянию проверяют: а) здание в целом для ограничения прогибов верха здания, неравномерных осадок и ус­корения колебаний от пульсации ветра; б) стены здания — для огра­ничения трещинообразования и взаимных смещений при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок, неравномерных осадок и температурно-влажностных воздействий; в) перекрытия, покрытия, лестницы — для ограничения прогибов и трещин от вертикальных нагрузок.

Методы установления надежности конструкции сводятся к тому, чтобы приложенные нагрузки не превосходили ее несущую способ­ность.

На рис. 1.5. кривая N показывает распределение нагрузок, а кри­вая R — изменение величины прочности. Разрушение конструкции следует ожидать в точке пересечения кривых. При определенных ус­ловиях всегда существуют такие нагрузки и такая прочность сооруже­ния, когда возможно наступление разрушения. Отношение Ri/N_msx характеризует запас прочности (здесь N_mах — максимальная расчет­ная эксплуатационная нагрузка; Ri — сопротивление конструкций, фактически достигнутое при выполнении конструкции).

В современных нормах проектирования предусмотрено исполь­зование коэффициента надежности, учитывающего степень ответст­венности здания, а также опасность и значимость последствий насту­пления тех или иных предельных состояний.

Сложившаяся практика выполнения расчетов конструкций, включающая определение действующих усилий и расчетных сопро­тивлений в отдельных элементах зданий, приводит к созданию запа­сов прочности в конструкциях. Фактически достижению предельно­го состояния в том или ином элементе предшествует перераспределе­ние усилий во всей системе. Для более достоверного определения предельного состояния по прочности каждый элемент должен рас­сматриваться в системе целого здания с учетом распределения сил при нелинейных процессах силового деформирования.

Высокая степень надежности конструкций и зданий в целом мо­жет быть обеспечена только при комплексном методе расчета с рас­смотрением всех возникающих параметров. При этом степень надеж­ности конструкций определяется как функция комплекса случайных величин. Учет этих положений приводит к более экономичному про­ектированию новых зданий и к выявлению резервов прочности в экс­плуатируемых зданиях, сконструированных по традиционным схе­мам.

Метод предельных состояний, заложенный в основу расчета кон­струкций и учитывающий статистический характер показателей, вводимых в расчет, предполагает учет воздействия различных эксплуата­ционных факторов за счет использования соответствующих коэффи­циентов запаса. Основная формула метода расчета по предельному состоянию имеет вид

где Qi— нормативные нагрузки, действующие на конструкции; n₁- — коэффициенты надежности; m — коэффициент условий работы со­оружений; к — коэффициент однородности материала; R — норма­тивные пределы прочности или пределы текучести материалов кон­струкций.

Статистическую изменчивость нагрузок и механических свойств материалов конструкций учитывают в расчетах соответствующими коэффициентами запаса. При рассмотрении изменчивости этих ко­эффициентов во времени их подразделяют на две группы: коэффици­енты, для которых на основе экспериментальных исследований мож­но получить явные временные зависимости с вполне определенной надежностью, и коэффициенты, для которых получение таких зави­симостей невозможно.

Коэффициенты надежности устанавливают при статистическом анализе наблюдений аналогично построенных зданий или конструк­ций. Эти коэффициенты относятся ко второй группе, так как не могут быть получены в виде явной функции от времени. Здесь имеется в виду коэффициент случайной, а не плановой надежности. Наиболее сложным является определение коэффициента условий работы в свя­зи с большим разнообразием особенностей, которые этим коэффи­циентом учитываются. Предлагалось, например, этот показатель оп­ределять как произведение четырех коэффициентов, учитывающих соответственно связь рабочего и точного расчетов, связь расчета с ус­ловиями эксплуатации, учет побочных операций расчета, а также особенности работы конструкции и материала. Существующие нор­мативы рекомендуют коэффициентом условий работы учитывать, кроме того, перераспределение силовых факторов и деформаций в процессе эксплуатации.

Принимая во внимание многообразие особенностей, определяе­мых коэффициентами условий работы, целесообразно разделить их на два вида: коэффициенты, определяющие соответствие и точность расчетов (их устанавливают на основе сравнения статистических ис­следований работы конструкций и сооружений с расчетными данны­ми), и коэффициенты условий работы, определяющие изменчивость свойств материала конструкции (их так же, как и коэффициенты однородности, определяют на основе результатов экспериментальных исследований), изменений свойств материала в зависимости от пар­тии образцов, их размеров и условий эксплуатации. При наличии указанных данных возможно методами строительной механики и со­противления материалов спрогнозировать долговечность конструк­ций и сооружений с величиной надежности, близкой к надежности, вычисленной с учетом коэффициентов условий работы. При этом конструкции, рассчитанные с учетом этих коэффициентов при все­возможных сочетаниях внешних нагрузок и условий, не должны пре­восходить предельно допустимых деформаций, характеризующих нормальное эксплуатационное их состояние.

Эксплуатационная надежность строительных конструкций нару­шается вследствие развития дефектов, причинами которых являются накопления повреждений в элементах и узлах конструкций, опреде­ляемые износом и старением материалов, несоответствием фактиче­ских и расчетных схем, несоблюдением правил эксплуатации и т. д.

Установлено два предельно эксплуатационных состояния конст­рукций зданий: 1) наступление полной утраты конструкцией несу­щей способности, сопровождающееся аварийными ситуациями. Та­кое состояние называют аварийным (первое предельное состояние); 2) достижение конструкцией таких статических или динамических перемещений, при которых невозможна эксплуатация сооружений. Это состояние предельно эксплуатационное (второе предельное со­стояние).

При проектировании здания по методу предельных состояний за­даются предельно допустимыми значениями таких характеристик конструкций, как прочностные, деформативные и комфортные. Нормативные значения прочностных и деформативных характери­стик часто не совпадают с фактически разрушаемыми значениями и не характеризуют техническую прочность конструкций.