Дефекты крупнопанельных зданий

Малоэтажные крупнопанельные здания первых серий практически являлись экспериментальным полигоном по отработке как конструктивных, так и технологических регламентов будущих массовых серий полносборного строительства жилья. В этой связи неизбежны конструктивные, архитектурно-планировочные и технологические недостатки,которые со временем эксплуатации способствовали возникновению дефектов в зданиях.

Опыт эксплуатации показал, что повреждения начинаются в наиболее уязвимых местах конструкций. Такими являются места сопряжения различных материалов и конструкций; узлы опирания внутренних,наружных стен и плит перекрытия; места ввода коммуникаций; стыки отвода атмосферных вод, наружных стеновых панелей, выступающие элементы балконов,козырьков и парапетов.

Дефекты панельного строительства можно представить в виде трех блоков, представляющих собой: дефекты,возникающие на стадиях изготовления конструктивных элементов, монтажа конструкций и технической эксплуатации зданий.

Наиболее характерные дефекты и причины их возникновения приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9

Классификация дефектов панельных зданий первых массовых серий

Взаимосвязь строительных конструкций и функционирование здания как сложной строительной системы приводят в ряде случаев к компенсации дефектов, но в большинстве - к развитию их зоны, вовлечению в процесс старения и разрушения прилегающих участков и здания в целом. Анализ дефектов конструкций и аварий показывает, что они вызваны действием как одной, так и совокупностью комплекса причин. Ошибки проектных решений составляют 4 % дефектов; низкое качество изготовления деталей и конструкций - 17,6 %; низкое качество монтажа - 41,6 %; неудовлетворительная эксплуатация зданий - 8 %; совокупность различных причин - 17,6 %. По времени проявления недостатки распределяются следующим образом: на период строительства- 48 %, на окончание строительства (период сдачи объекта) - 20 %; на процесс эксплуатации - 22 %, на период после капитального ремонта - 3 %.

Заводское изготовление сборных конструкций крупнопанельного домостроения характеризуется различными технологиями и оборудованием для производства работ, которые в совокупности дают представление о качестве конструкций, их долговечности и эксплуатационной надежности. В этом плане существенное значение приобретают процессы приготовления бетонных и других строительных смесей, технология укладки и вибрационных режимов уплотнения, режимы тепловой обработки ускоренного твердения, качество форм и их геометрическая неизменяемость.

Приготовление бетонной смеси является одним из важных технологических переделов, существенно влияющих на однородность материала и в конечном итоге на физико-механические характеристики. Весьма важными являются точность дозирования составляющих, учет влажности, однородность перемешивания.

В период начала массового крупнопанельного строительства отсутствовали эффективные средства управления технологическими свойствами бетонных смесей. Основным приемом улучшения удобоукладываемости являлось повышение фактора В/Ц. Это приводило к снижению плотности материала и, соответственно, морозостойкости. Избыточная вода, не вступая в химические реакции с цементом, остается в бетоне в виде пор или капилляров, испаряется, оставляя воздушные поры. В результате этого бетон ослабляется, и чем выше В/Ц, тем ниже прочность бетона.

При снижении фактора В/Ц технологические свойства бетона ухудшаются. Жесткий бетон для его уплотнения требует мощного воздействия вибрационными или виброударными режимами. При этом достаточно трудно получить высокую однородность и степень уплотнения. Известно,что недоуплотнение бетона на 1 % приводит к потере прочности на 5-8 %.

Снижение однородности бетона наблюдается при использовании как подвижных смесей за счет частичного расслоения, так и жестких смесей в результате недоуплотнения определенных зон.

Наиболее ярко эти эффекты проявились при кассетном производстве внутренних стеновых панелей, где степень неоднородности достигала 20-40 %. При изготовлении однослойных керамзитобетонных панелей наружных стен разброс плотности по толщине панелей достигал 30 % и более.

По действующим нормам расчетное сопротивление бетона оценивается зависимостью

где V^H -коэффициент вариации, оценивающий колебания прочности бетона (среднее значение по СНиП V^H = 13,5 %); R -прочность бетона; К -коэффициент безопасности по бетону.

Коэффициент безопасности К учитывает возможное ослабление конструкции вследствие ряда неблагоприятных технологических факторов.

Если фактическая средняя прочность бетона будет соответствовать проектной, а коэффициент вариации 13,5 %, то нормативные сопротивления будут иметь обеспеченность 97,7 %. На рис. 2.15показано влияние однородности (коэффициента вариации) на среднюю прочность бетона. С уменьшением коэффициента вариации можно снизить требования к средней прочности бетона, в то время как с увеличением этого показателя требуется увеличивать нормативное сопротивление бетона в конструкции.

Рис. 2.15. Влияние однородности на среднюю прочность бетона

Оценка однородности бетона изготавливаемых конструкций не имела достаточного оснащения контрольными средствами ультразвуковой дефектоскопии, что приводило к снижению их качества.

Весьма характерным примером служат дома серии К-7, где вследствие неоднородности материала плит перекрытий наблюдаются зоны минимальной прочности, приводящие к значительным прогибам и разрушению перекрытий.

Усадка бетона. Большое влияние на долговечность конструкций, соприкасающихся с атмосферой, является усадка бетона, которая проявляется в образовании усадочных трещин. Усадка бетона зависит от его состава и свойств используемых для его приготовления материалов.Увеличение усадочных явлений наблюдается при повышении содержания цемента и воды, использовании мелкозернистых и пористых заполнителей. Как правило,наличие усадочных трещин является источником интенсивных разрушений поверхностного слоя бетона при воздействии атмосферных осадков и отрицательных температур. Интенсивность процессов существенно возрастает при наличии в атмосфере химически активных элементов.

Деструктивные процессы,протекающие в твердеющем бетоне, как правило, связаны с тепловлажностными условиями его обработки. Максимальное воздействие при этом наблюдается в ранние сроки набора прочности бетоном.

Деформации твердеющего бетона,как правило, вызывают деструктивные процессы как при тепловой обработке в заводских условиях, так и при производстве бетонных работ в построечных условиях. Они проявляются в образовании микротрещин, расширении капилляров,снижении адгезии крупного заполнителя и сцепления арматуры с бетоном.

Рассматривая сечение конструктивного элемента по высоте, имеем два вида деформаций, являющихся следствием градиента температурно-влажностного воздействия. При открытых поверхностях и влажности воздуха менее 50 % наблюдается появление усадочных трещин поверхностных слоев бетона, а при прогреве бетона в термоактивной опалубке - появление усадочных деформаций в нижней зоне. Эти процессы особенно часто сопровождают технологию монолитного строительства, когда создание идентичных условий по толщине конструкции практически невозможно или затруднено.

На долговечность бетонов и,соответственно, железобетонных конструкций влияют такие свойства, как плотность, проницаемость и морозостойкость.

Коррозия бетона. Фактором,существенно влияющим на долговечность бетонных и железобетонных конструкций,является коррозия от агрессивных сред.

Степень агрессивности бетонных и железобетонных конструкций определяется для жидких сред наличием и концентрацией агрессивных реагентов, температурой, напором или скоростью движения жидкости у поверхности. Для газовых сред - видом и концентрацией газов, растворимостью их в воде, влажностью и температурой среды. Для твердых сред (соли, аэрозоли, пыли) - дисперсностью, растворимостью в воде, влажностью окружающей среды.

В зависимости от глубины разрушения бетона при коррозии имеют место слабо-, средне- и сильноагрессивные среды.

В таблице 2.10 приведены требования по допустимой глубине разрушения бетона за 50 лет эксплуатации.

Таблица 2.10

Допустимая глубина разрушения бетона за 50 лет эксплуатации

Степень агрессивности	Глубина разрушения бетона, см
Железобетонные конструкции	Бетонные конструкции
Неагрессивная
Слабоагрессивная	1-2	2-4
Среднеагрессивная	2-4	4-6
Сильноагрессивная	> 4	> 6

Достаточно отметить,что интенсивность разрушения при появлении первых признаков коррозии возрастает по зависимости, пропорциональной квадрату времени. Поэтому своевременное проведение предупредительных ремонтов позволяет приостановить либо существенно снизить скорость разрушения.

Обеспечить долговечность арматуры в бетонах возможно повышением плотности самих бетонов, уменьшением их проницаемости, путем введения ингибирующих и уплотняющих добавок.

Статистическая оценка состояния железобетонных конструкций крупнопанельных зданий показывает, что наибольшей интенсивности разрушения подвержены конструктивные элементы, имеющие непосредственный контакт с атмосферными воздействиями: наружные стены; балконы,парапетные плиты, а также стыковые соединения, подверженные периодическому замачиванию. В реальных условиях эксплуатации зданий долговечность конструктивных элементов существенно ниже нормативных значений. Так, для многих конструкций при сроке эксплуатации 30 лет образовались дефекты, существенно снижающие их несущую способность и эксплуатационную надежность.

Транспортирование сборных конструкций в ряде случаев вызывает образование дефектов в виде трещин, сколов,загрязнения наружных поверхностей. Условиями транспортирования предусматривается расположение конструктивных элементов в положении, близком к проектному. Так, для балочных конструктивных элементов следует предусматривать опирание на две опоры. Для плит перекрытий, наружных стеновых панелей, панелей внутренних стен и других плоскостных элементов - размещение на упругие элементы по всей плоскости опирания, а их транспортирование - в наклонном положении на спецсредствах (панелевозах, плитовозах и т.п.).

На качество перевозок существенное влияние оказывают состояние дорог, скорость транспортирования,демпфирующие свойства автотранспортных средств.

Рассматривая систему «дорога -транспортное средство - перевозимая конструкция», легко видеть, что при снижении качества дорог в виде выбоин и других препятствий существенно возрастают коэффициент динамичности и, как следствие, передача импульсивных воздействий на транспортируемую конструкцию. Момент передачи сопровождается ударными воздействиями, приводящими к возникновению дополнительных напряжений прежде всего в зоне опирания конструкции.

При совпадении собственных частот колебаний системы и транспортируемой конструкции возникает явление резонанса, что способствует в значительной степени увеличению динамических нагрузок. Это приводит к возникновению очагов местных деформаций и напряжений,превышающих расчетные значения, и образованию трещин, сколов и других дефектов.

На рис. 2.16 приведены графики зависимости коэффициента динамичности от качества дорог и скорости движения транспортного средства. При нормированном значении коэффициента динамичности1,5 наблюдается его превышение в определенном диапазоне скоростей. Значительные превышения возникают при наезде на некоторые препятствия (трамвайные пути, люки колодцев, выбоины и т.п.).

Рис. 2.16. Динамические параметры транспортирования сборных железобетонных конструкций автотранспортом
I, II, III - классы дорог; 1, 2 - изменение коэффициента динамичности при наезде транспортных средств на предприятия

Как показали статистические исследования, 4-6 % перевозимых сборных железобетонных конструкций получают повреждения различной степени. Максимальное их число возникает из-за плохого качества приобъектных дорог.

Складирование конструкций.Отступление от технологических требований при складировании сборных железобетонных изделий приводит к возникновению напряжений, превышающих сопротивление бетона, и образованию трещин. Основными причинами являются:слабая подготовка основания, дающая просадки грунта различной интенсивности;несимметричное расположение прокладок между складируемыми элементами; нарушение расчетной схемы опирания, превышение нормативной высоты штабелей и т.п.

Длительное хранение конструктивных элементов на приобъектном складе приводит к коррозии закладных деталей и выпусков арматуры.

Одними из важных причин частичной потери эксплуатационных свойств конструкций являются замачивание атмосферными осадками и попеременное воздействие отрицательных температур (рис.2.17). Это приводит к первоначальному образованию центров разрушения в виде микротрещин, которые со временем распространяются на значительные площади конструкций.

Рис. 2.17. Изменение прочности бетона конструкций в зависимости от степени увлажнения и воздействия отрицательных температур
1 - конструкция защищена от атмосферных осадков; 2 - увлажнение составляет до 20 %; 3 -насыщена атмосферными осадками при температуре до 0 °С; 4 -то же, -5...-10 °С; 5 -то же, -10...-15 °С; 6 -то же, -20...-25 °С

Интенсивное замачивание конструкций стенового ограждения способствует снижению как теплотехнических,так и физико-механических характеристик панелей стен.

Агрессивное воздействие среды является причиной снижения несущей способности железобетонных конструкций и их разрушения, когда восстановительные работы либо невозможны, либо требуют больших материальных затрат. Снижение эксплуатационного срока службы отмечается при увлажнении и знакопеременном температурном воздействии, а для заглубленных конструкций фундаментов - воздействии агрессивных сред при отсутствии достаточной гидроизоляции (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Снижение несущей способности железобетонных конструкций при агрессивном воздействии среды и отрицательных температур
1 - конструкция внутренних частей зданий при нормальной эксплуатации; 2 - то же, при нарушении эксплуатационного режима; 3 -конструкция наружных стен; 4, 5, 6 - конструкции, подверженные увлажнению и знакопеременным температурным воздействиям; 7 - заглубленные конструкции фундамента при воздействии агрессивных сред

Дефекты на стадии монтажа конструкций. Дефекты, связанные с монтажом элементов зданий, являются наиболее частыми и значимыми. При использовании преимущественно свободного метода монтажа происходит поэтажное накопление погрешностей, которые в совокупности существенно снижают эксплуатационные характеристики и надежность зданий.

Основными причинами погрешностей являются: отклонения геометрических размеров конструкций от проектных значений;отклонения в разбивке осей внутренних и наружных стен; колебания отметок монтажного горизонта, непостоянная толщина швов; невертикальность установки конструктивных элементов. Совокупность указанных причин приводит к накоплению погрешностей, значения которых могут оказывать определенное влияние на устойчивость здания и его эксплуатационные характеристики.

Невертикальность смонтируемых конструкций может быть представлена следующей зависимостью

где A ₁, A ₂, А ₃-передаточные отношения. При высоте элемента Н и установке верхних связей на высоте A ₁ = A ₂ = А ₃ = Н/ h, п -число этажей; D ^HB- суммарная погрешность отклонения, h -уровень расположения монтажно-выверочного оснащения (струбцин или подкосов), h = 1,7- 1,8 м.

Здесь первое слагаемое учитывает погрешности элемента нижележащего этажа, второе - влияние неточности установки низа элемента; третье - погрешности, возникающие на данном этаже.

Поэтажное отклонение верха элементов приведено на рис. 2.19, где рассмотрены два варианта установки внутренних несущих перегородок: а -влияние погрешностей в установке низа элемента на поэтажное накопление погрешностей; б -то же, распределение погрешностей при фиксации низа конструкций на их накопление по высоте. При монтаже элементов первого этажа свободным методом путем совмещения оси элемента с разбивочной осью погрешность положения низа элемента относительно базовой оси составит

где -погрешность в положении разбивочной оси, вызванная линейными измерениями; - погрешность установки элемента относительно разбивочной оси.

Рис. 2.19. Влияние погрешностей при монтаже внутренних и наружных панелей стен
а -при установке низа элемента на их накопление по высоте; 6 -то же, при фиксации низа элемента; в -отклонения наружных стеновых панелей при нарушении уровня монтажного горизонта и геометрических размеров панелей

Отклонение верха элемента под влиянием погрешности положения его низа, а также погрешностей, возникающих на данном этапе, составит

Для элементов второго этапа погрешность положения его верха составит

Таким образом, имеется полная возможность вычисления погрешностей с заданным пределом, обеспечивающим геометрическую неизменяемость и устойчивость здания. По имеющимся данным отклонений вертикальных конструкций первого этажа путем расчета погрешностей устанавливается положение верха конструктивных элементов, что позволяет компенсировать накопление погрешностей (положение элементов I, II).При неучете компенсации погрешностей монтажа (положение III) суммарное отклонение от вертикали верхней части конструкции может привести к возникновению дополнительного момента сил М с плечом А.

На рис. 2.19, в приведена технологическая схема возникновения погрешностей отклонения наружных стеновых панелей при нарушении уровня монтажного горизонта и геометрических размеров панелей. Результатом являются отклонения параметров швов и стыковых соединений.Это обстоятельство приводит к нарушению эксплуатационных характеристик стыков и вызывает их негерметичность.

Анализ используемых конструкций стыков показал, что максимальные погрешности отклонений наблюдаются в стыках со сваркой закладных деталей. При этом особое влияние оказывает процесс стыковки панелей перекрытий. Выполнение сварных соединений приводит к возникновению деформаций, существенно влияющих на геометрическое положение всех конструктивных элементов, входящих в стык.

Статистические данные обследования панельных пятиэтажных зданий первых массовых серий свидетельствуют о том (рис.2.20), что максимальный процент дефектов относится к наружным стенам, балконам,козырькам и парапетным плитам (70 %), внутренним стенам (60 %), фасадным поверхностям и стыкам (30 %). В меньшей степени (4- 10 %) подвержены дефектам другие конструктивные элементы.

Рис. 2.20. Распределение дефектов 5-этажных панельных зданий, % числа обследованных

Как правило, большая степень повреждений относится к вышележащим этажам, что объясняется увеличением суммарной погрешности при монтаже конструкций и более интенсивными нагрузками атмосферного воздействия. Сопоставительный анализ распределения повреждений по этажам 5- и 9-этажных зданий (рис. 2.21) подтверждает тенденцию их роста с увеличением этажности.

Рис. 2.21. Распределение повреждений и дефектов по этажам панельных зданий
1 - пятиэтажные жилые дома; 2 -девятиэтажные жилые дома

Основными причинами появления и развития дефектов являются: температурные деформации панелей; быстрое старение и потеря эластичности герметиков; превышение допусков при изготовлении конструкций и монтаже; неравномерные осадки здания; увлажнение материала заполнения стыков и потеря его свойств вследствие попеременного замерзания и оттаивания.

Низкая долговечность и наличие дефектов выступающих железобетонных конструкций, козырьков, балконных и парапетных плит являются следствиями нарушения уклона, неорганизованного отвода атмосферных осадков, отсутствия герметика между панелью стены и верхней поверхностью балконной плиты и т.п.