Температурно-влажностные деформации стен
Выделяют два вида температурно-влажностных деформаций стен зданий: общие деформации зданий и локальные повреждения.
Общие температурные деформации зданий определяются в первую очередь их конструктивными схемами скелета, длиной и высотой стен. Деформации линейно зависят от температуры:
ΔUt — KiaLt,
где Ki — коэффициент температурных деформаций зданий, зависящих от материала стен и конструктивной системы, в определенном масштабе он характеризует величину и форму искривления по высоте торцов здания; а — коэффициент температурного расширения; L — длина здания.
В расчетах предполагается рассматривать стены как сплошные пластины, защемленные в основании. По-видимому, такая расчетная система достаточно соответствует реальному поведению зданий. В настоящее время для снижения общих температурных деформаций устраивают температурные швы, разделяющие здания на отсеки. Длину этих отсеков выбирают по нормам в зависимости от климатических условий и конструктивного типа зданий.
Температурные деформации сплошной наружной стены пропорциональны ее длине. Исследования каменных зданий в северных районах нашей страны, где перепады температур в совокупности достигают 100 °С (- 60...70 °С зимой и 30...40 °С летом), показали, что в зданиях или отсеках длиннее 15—16 м возникают температурные трещины.
Температурные деформации в кирпичных стенах появляются в виде вертикальных трещин в средней части здания (рис. 7.29). Почти в 90 % случаев разрезка рандбалки температурным швом или обрыв ее сопровождаются разрывом кладки второго и третьего этажей или всего здания. Это происходит потому, что устройство температурного шва только в ростверке и подоконной перемычке первого этажа создает искусственную концентрацию напряжений в близлежащей зоне.
Для крупноблочных зданий наиболее характерным видом повреждений являются разрывы перемычечных поясов, сдвиг перемычеч-ных блоков и образование вертикальных или косых трещин в простенках (рис. 7.30).
В некоторых случаях вертикальные трещины распространяются на всю высоту стен, что приводит к разрыву здания на отдельные температурные отсеки. Это наблюдалось в крупноблочных зданиях с
продольными несущими стенами и сборными перекрытиями, которые обычно не препятствуют образованию сквозных трещин.
Продольными несущими стенами и сборными перекрытиями, которые обычно не препятствуют образованию сквозных трещин.
В панельных зданиях особое значение приобретает конструкция стыка и закрепление наружной панели. Исследованиями установлено, что каждый вертикальный ряд панелей наружной стены деформируется самостоятельно и трещины в вертикальных швах компенсируют температурные деформации панелей. При более жестких связях между панелями раскрытие стыков уменьшается.
Сила распора вызывает напряжения, приводящие к трещинам, которые наблюдаются во многих выстроенных типовых панельных домах. Кроме того, в наружных панелях под влиянием температурных воздействий в условиях эксплуатации продольная ось выгибается, что приводит к неблагоприятным последствиям в стыках. В результате температурных деформаций панелей герметизация нарушается, что способствует появлению протечек и прониканию холодного воздуха. Переход к строительству домов со стыков наружных стеновых панелей внахлестку позволяет избежать этих повреждений. Общие температурные деформации вызываются горизонтальными силами, приложенными к коробке здания в продольном направлении и воспринимаемыми стенами жесткости. При неблагоприятных сочетаниях значительного перепада температуры и усадки в горизонтальных элементах могут возникнуть большие растягивающие напряжения, приводящие к раскрытию трещин.
Особое влияние на общие деформации имеет конструкция заделки каркаса в уровне первых этажей.
Локальные термовлажностные напряжения выражаются в растяжении (сжатии) монтажных стыков и в сетке трещин на поверхности панелей.
Как показали измерения, на ширину раскрытия стыка от усадки, изменения температуры и влажности влияет его местонахождение по высоте стены: чем ниже расположена панель, тем выше нагрузка и сила трения по горизонтальному шву и, следовательно, меньше деформации. От места расположения вертикального стыка по длине зданий ширина его раскрытия не зависит.
Из этих данных видно, что в панельных зданиях местные деформации могут превосходить по величине общие за счет работы стыков.
Влажность бетонных конструкций в период монтажа к значительно меньше влажности при их изготовлении и тем более меньше влажности, соответствующей водонасыщенному состоянию бетона.
Равновесная влажность обычно равна сорбционной влажности бетона, а не нулю.
Усадку легко определить аналитически или графически (рис. 7.31), если для данного бетона имеются опытные кривые зависимости усадки от изменения влажности б„, — а также значения монтажной fV°B и равновесной IV$B влажностей.
Усадочные трещины в панелях возникают обычно в определенной последовательности. На монтажную площадку панели поступают без видимых дефектов. Непосредственно после установки в проектное положение и вплоть до полного завершения монтажных работ признаков трещинообразования панели не обнаруживается. В последующий период, когда здание подключается к системе отопления и в нем ведутся отделочные работы, появляются трещины типа 4 и 5 (рис. 7.32).
Трещины типа 5 наблюдаются повсеместно в панелях первого и второго этажей. В 15 % панелей отмечено по две трещины типа 5. Трещины типа 4 располагаются вблизи торцов и встречаются в 10 % панелей. В течение 1—2 лет последующей эксплуатации развиваются трещины разных типов (1—7), раскрытие которых находится в пределах 0,3—1,2 мм
Для жилых зданий в районах сурового климата усадочные явления в наружной поверхности панелей часто представляют собой густую неорганизованную сеть трещин с шириной раскрытия 0,1—0,15 мм, образующих на поверхности панели ячейки размером более 100 х 100 мм. Причиной развития этого вида разрушения являются, по всей вероятности, местные температурно-усадочные напряжения, связанные с циклическим изменением температуры и влажности панелей по толщине. Глубина раскрытия трещин составляет около 2/3 толщины панелей.
При циклических температурных воздействиях усадочные деформации развиваются еще более интенсивно. Характерный вид трещин показан на рис. 7.33. Значительные колебания температуры вызывают переменные по знаку температурные деформации наружных ограждений. Неравномерность их распределения и многократная повторяемость приводят к трещинообразованию в бетоне. Растрескивание бетона происходит в случае, если температурная деформация вызовет в нем температурные микроструктурные напряжения, превышающие предельно допустимые для данного материала. В указанных условиях процесс разрушения искусственных каменных материалов подобен выветриванию горных пород. Разрушение материала стены при взаимодействии с внешней средой происходит вследствие неравномерной усадки, под влиянием совместного действия воды и мороза, попеременного увлажнения и высушивания, а также других влияний среды.
Характерный дефект многих зданий — деформации и повреждения отделочного наружного слоя. Растворы и бетонные смеси, применяемые в заводских условиях для отделки стеновых конструкций, наиболее прочно сцепляются с изделием, так как они сходны с ним по составу и свойствам. Однако любые механические воздействия из-за малой прочности отделочного слоя приводят к быстрому и неравномерному износу отделки. Чаще всего деформации отделочного слоя происходят в связи с проникновением воды в поры поверхностного или бетонного слоя. В результате воздействия воды в отделочном слое развиваются напряжения, которые вызывают деформации и разрушения. Этот процесс объясняется кристаллизацией солей на границе отделочного слоя и самого изделия. К такому же результату приводит проникновение воды в поры поверхностного слоя в зимнее время.
К наиболее распространенным видам повреждений и разрушений относятся микроскопические трещины на поверхности и более крупные сквозные трещины в отделочном слое. Образованию микротрещин способствует плохое перемещение компонентов раствора во время изготовления изделий. Под влиянием влаги, проникающей в микротрещины, и температурных изменений отделочный слой коробится, а затем постепенно отваливается.
Сквозные трещины, проходящие через весь отделочный слой, появляются в местах, где близко к поверхности расположена арматурная сетка.
Характерным повреждением фасадов, облицованных керамической плиткой, является ее отслоение через 4—5 лет эксплуатации. Количество панелей, имеющих такие дефекты, в домах составляет 5-7 %.
Наблюдения за развитием этих дефектов показывают, что отслоение плитки происходит, как правило, с нижнего угла панели второго или третьего этажей здания. Однако встречаются случаи отслоения облицовки на первом этаже и выше третьего. Часто весь защитно-де-коративный слой в виде корки отделяется от массы панели. Отставание защитного слоя от нижней части панели достигает 3—4 мм. Отделочный слой из плитки удерживается лишь в верхней части панели. После восстановления отделочных слоев на некоторых панелях через 1—2 года вновь появляется отслоение фактуры.