С.Л.ХАРЛАМОВ, канд.техн. наук, К.А.ПИРАДОВ, д-р техн. наук (Московский государственный открытый ун-т), Трещиностойкость монолитных жилых домов с разномодульными вертикальными несущими конструкциями
В конце прошлого века в нашей стране было возведено значительное количество монолитных жилых домов повышенной этажности. Их наружные стены выполнены из монолитного теплоизоляционно-конструктивного керамзитобетона марки по плотности Д1400, класса по прочности на сжатие В7,5 и марки по морозостойкости F50, толщиной 500 мм.
Внутренние стены толщиной 180 мм выполнены из монолитного тяжёлого бетона марки по плотности Д2400 и класса по прочности на сжатие В15. Дома запроектированы в институте КиевЗНИИЭП, но возводились без привязки экспериментального проекта к местным климатическим и грунтовым условиям.
Отличительной особенностью домов этого типа является полное отсутствие армирования внутренних и наружных стен. Местное армирование участков над проёмами имеет неэффективное расположение и в учёте растягивающих, скалывающих и сдвигающих усилий не может быть учтено даже условно.
Настоящая работа посвящена анализу конструктивной схемы зданий данного типа и не рассматривает вопросы некорректной эксплуатации и отступлений от проекта и правил производства работ при строительстве, усугубивших эту сложную ситуацию.
Соотношение начальных модулей упругости наружных и внутренних неравномерно нагруженных стен составляет
что само по себе создает сложное напряженное состояние в узлах сопряжений. А наличие стыков с наружными более нагруженными стенами с меньшим начальным модулем упругости и внутренними менее нагруженными с большим модулем усугубляют это положение.
В самом начале эксплуатации, а иногда и до начала, в зданиях этого типа стали появляться и развиваться целые системы трещин (в наружных и внутренних стенах) различного происхождения и направления, что хорошо видно на фасаде здания (рис 1). В данной работе выполнен анализ расчётно-конструктивной схемы с использованием методов и критериев механики разрушения, и разработаны научно обоснованные рекомендации по усилению подверженных интенсивному трещинообразованию жилых домов.
Учитывая, что плиты перекрытия опираются на наружные и внутренние стены, выполненные из разномодульных материалов, решение в конструктивном плане представляется не достаточно удачным. А расположение оконных и дверных проемов по одной линии расчленило практически ядро жесткости на 6 фрагментов, соединенных проемами, превратившимися в расчетной схеме по высоте в дислокации дефектов, что хорошо видно на плане типового этажа (рис.2 ). Фактически участки наружных и внутренних стен над проемами имеют вертикальную жесткость в 90 раз меньшую, чем стена. Какого - либо усиления этих более чем ослабленных мест в проектах не предусмотрено. Расчётно - конструктивной схемой дома является бескаркасное здание с ядром жёсткости (внутренние стены из тяжёлого бетона), а наружные стены, по мнению авторов проекта, в расчётной схеме не учитываются, что выглядит неубедительно.
В дополнение к вышесказанному в конструктивной схеме имеются узлы примыкания наружных загруженных и внутренних незагруженных стен, вследствие чего возникает значительная разница вертикальных деформаций. При начальном модуле упругости бетона, относя усилия к жёсткости на 1 п.м. стены в пределах этажа, имеем:
Эта разница создаёт значительное сдвигающее усилие , достигающее величины. Места этих сопряжений , как показал опыт эксплуатации, стали траекториями образующихся в здании трещин сдвига. Напряжения сдвига соответственно по керамзитобе- тону:
Частично перефразируя основной закон сопромата: "где тонко, там и рвётся", авторы предлагают ввести в механику разрушения канон: "где тонко и максимальная концентрация напряжений, там и трещины”. А поскольку закон- это всеобщая связь явлений, то авторам остаётся лишь выявить эти места (где трещит и рвётся) и разработать комплекс мероприятий по недопущению таких явлений. И если всё-таки трещины образовались, необходимо разработать комплекс других мероприятий по их ликвидации или хотя бы стабилизации.
Расчёты показали, что в наружных стенах за счёт температурных воздействий в зимний период возникают значительные горизонтальные растягивающие усилия, достигающие 2 МПа. При возникновении неравномерных осадок из-за неравномерного отпора грунта и частичного очагового замачивания при некорректной эксплуатации инженерных сетей и территории, прилегающей к дому, в углах здания возможно возникновение значительных скалывающих усилий.
Общее усиление необходимо выполнить по предлагаемой схеме с созданием предварительного сжимающего напряжения в несущих стенах и перекрытиях, превратив их в предварительно напряжённые диски (рис.З).
В то время как расчёты и анализ конструктивной схемы показывают возможность возникновения значительных усилий сдвига, скалывания и растяжения, а также в отступление от требований " Руководства по проектированию конструкций и технологии возведения монолитных бескаркасных зданий" (п.2.11; 5.6; 5.27; 5.29; 5.30 и 5.34) в проекте отсутствует не только расчётная, но и минимальная конструктивная арматура. Анализ системы трещин, появившихся в процессе эксплуатации, их место, траектории развития подтвердили теоретические расчёты.
Создание усиления рекомендуется выполнить в следующей последовательности.
1. Выполняются жёсткие узлы "Г" по ряду Е и Ж , ось 7 и 10 (рис.4).
2. Электротермическим способом создаётся предварительное напряжение в арматуре до уровня 0.8Rsn сначала вдоль ряда Ж и Е , затем осей 7 и 10.
3. Выполняются 8 узлов "В” по аналогии с рис.4.
4. Создаётся предварительное напряжение поэтапно на всех участках между участками "В", Т” и”Б" до уровня 0.8Rsn с получением ядра в виде креста.
5. Выполняются 12 узлов "Б" и 4 узла "А” (рис.5.)
6. Создаётся предварительное напряжение на всех оставшихся участках до уровня.
7. По высоте выполняются 4 пояса в следующей очерёдности: а) над 7, б) над 11, в) над 14 , г) над 16 этажом. Общая высота конструкций усиления не превысит 80 мм над плитами перекрытия и будет скрыта конструкцией пола.
Начальная длина арматурных стержней между опорными поверхностями концевых анкеров меньше расстояния между наружными гранями упоров на форме lv на величину, обеспечивающую получение расчетного упругого удлинения Д/0.
Расчетная температура нагрева стержней находится в пределах 300... 350°С. Как показывают опыты, арматурная сталь А-Ill при нагреве до 400.. .450°С и последующем постепенном охлаждении не теряет исходной прочности, следовательно возможно преднапрягать стержни 4 и 9. Стержни 91,10,5 и51 не подвергаются предварительному напряжению электротермическим способом. Отклонение в установленных величинах 1с и I не должно превышать ±2,5 мм (для форм до 18м).
С целью сохранения проектной долговечности предлагается выполнять местное усиление последующим рекомендациям. Расчёт армирования усиления, пересекающего теоретическую (а точнее, фактически образовавшуюся) траекторию трещин сдвига и скалывания, выполнить по формуле [1,2]
Для восприятия растягивающих усилий, возникающих в процессе эксплуатации жилого дома от разности температур наружной и внутренней поверхности, достигающей 50°С, нами рекомендуется выполнить установку сетки из проволоки Bp -1 диаметром 5мм с ячейкой 40x40мм, закрепив ее к наружной поверхности оцинкованными дюбелями ДГ100 с ячейкой 200x200мм.
Бетон и железобетон, 2003 №1