Лазовский_Ч2_УМК_Проектирование реконструкции

РЕЙТИНГОВАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ

Для оценки успешности обучения студентов дисциплине «Проекти- рование реконструкции зданий и сооружений» используется рейтинговая система контроля в соответствии с «Положением о рейтинговой системе контроля успешности обучения студентов в Полоцком государственном университете» (автор Л.С. Турищев).

В соответствии с системой рейтингового контроля успешность обу- чения складывается из семестровой и итоговой составляющих. Семестро- вая составляющая состоит из:

−отношения студента к изучаемой дисциплине (отсутствие про- пусков лекционных и практических занятий без уважительных причин, активная работа на занятиях, своевременность выполнения и защиты ин- дивидуальных самостоятельных заданий). Добросовестное отношение сту- дента оценивается в 250 баллов, в том числе 50 баллов за 100 %-ное посе- щение лекций, 50 баллов за 100 %-ное посещение практических занятий и 150 баллов за активную работу на занятиях, своевременность выполнения

изащиты индивидуальных самостоятельных заданий;

−уровня знаний по результатам тестового контроля на ЭВМ по ма- териалу раздела I. Наивысшая оценка по результатам теста составляет 250 баллов. Изучение раздела I теоретического курса считается успешным, если количество набранных при тестировании баллов составляет 200 и более;

−уровня умений по результатам письменных контрольных работ № 1

и № 2. Наивысшая оценка по каждой контрольной работе составляет 100 баллов. Выполнение контрольных работ считается успешным, если студент выполняет задание каждой контрольной работы на 75 % и более;

− творческая активность при изучении курса (наличие научных пуб- ликаций и патентов, имеющих прямое отношение к изучаемой дисципли- не, выполнение творческих заданий, изучением внепрограммных материа- лов и составлением по ним рефератов и др.). Наивысшая оценка за творче- скую активность составляет 1000 баллов. Конкретная оценка в зависимо- сти от уровня творческих достижений устанавливается преподавателем, руководившим творческой деятельностью студента, и утверждается на за- седании кафедры.

Итоговая составляющая отражает результаты итогового контроля в виде экзамена. В экзаменационном билете – 2 вопроса (по одному из раз- дела дисциплины) и задача. Наивысшая оценка – 700 баллов, в том числе

21

250 баллов за ответ на вопрос раздела I, 300 баллов за ответ на вопрос раз- дела II и 150 баллов за решение задачи.

В случае успешного прохождения тестового контроля и успешного выполнения двух контрольных работ студент, по его желанию, освобожда- ется на итоговом экзамене от вопроса по разделу I дисциплины и задачи. При этом студенту засчитывается набранное количество баллов в семест- ровом контроле в виде теста и двух контрольных работ.

Сумма баллов, заработанных студентом в течение семестра и на эк- замене, образует рейтинг успешности обучения данной дисциплине в се- местре. Изучение студентом дисциплины «Проектирование реконструкции зданий и сооружений» считается успешным, если рейтинг составляет 600 баллов и более.

Перевод рейтинга в десятибалльную систему оценок производится в соответствии со следующей шкалой перевода.

22

Раздел I

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Тема 1. АКТУАЛЬНОСТЬ РЕКОНСТРУКЦИИ И ПРИЧИНЫ НЕСООТВЕТСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Введение

Реконструкция действующих промышленных предприятий наряду с новым строительством в условиях бурно развивающейся экономики имеет первостепенное значение. Окупаемость капитальных вложений в реконст- рукцию промышленных предприятий происходит в 2…3 раза быстрее, чем при строительстве новых.

Реконструкция промышленных зданий и сооружений – составная часть общей реконструкции предприятий. Изменение условий эксплуата- ции и функционального назначения строительных сооружений вследствие внедрения новых технологий в ряде случаев требует проведения для них дополнительных мероприятий. Установка дополнительного оборудования приводит к увеличению нагрузок, изменению их места приложения и ха- рактера, внесению поправок в расчетные схемы, что может вызвать необ- ходимость предварительного усиления конструкций строительных соору- жений. В процессе реконструкции строительные сооружения должны быть приведены в соответствие с требованиями действующих нормативных до- кументов в измененных условиях эксплуатации.

К реконструкции зданий и сооружений прибегают также в связи с необходимостью восстановления физически изношенных отдельных эле- ментов, частей зданий и сооружений. Физический износ обусловливает их переход в состояние отличное от проектного и приводит к необходи- мости усиления.

Реконструкции подлежат и гражданские здания, среди которых доля физически и морально изношенных объектов растет опережающими тем- пами. Необходимость обеспечения комфортным жильем, развитие малого и среднего бизнеса требуют не только повышения темпов жилищного строительства, но и реконструкции старых капитальных жилых и общест- венных зданий, в ряде случаев с усилением и заменой конструкций.

24

Кроме того, в результате геодинамических процессов и природных катастроф, а также в процессе строительства и эксплуатации имеют место случаи предаварийного состояния и обрушения отдельных конструкций, частей зданий и целых сооружений, что влечет за собой необходимость выполнения неотложных противоаварийных мероприятий по их усилению и восстановлению.

1.1.Причины аварий строительных конструкций

Проектный срок службы строительных конструкций (время, по ис- течении которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной, а восстановление – экономически нецелесообразным) зависит от класса со- оружений и составляет для I класса – более 90 лет, II класса – более 60 лет, III класса – более 30 лет. Такой срок эксплуатации для промышленных и гражданских зданий обычно превосходит сроки морального износа.

В истории известны случаи, когда сроки нормальной эксплуатации строительных сооружений исчисляются столетиями: каменные конструк- ции Спасо-Евфросиньевской церкви в г. Полоцке (ХII в.), известково- бутовые, каменные конструкции Софийского собора в г. Полоцке (ХIII – ХVIII вв.), металлические конструкции каркасов Казанского и Исаакиев- ского соборов в г. Санкт-Петербурге (начало ХIХ в.), знаменитой Эйфеле- вой башни в Париже (1889 г.) и др.

На работоспособность и сроки службы конструкций большое влия- ние оказывают повреждения, возникающие в процессе эксплуатации, ко- торые, накапливаясь и развиваясь, могут привести к отказам в работе как отдельных элементов, так и строительных сооружений в целом.

Среди техногенных аварий по количеству и материальному ущербу до последнего времени первое место занимали оборудование и конструк- ции, подконтрольные Проматомнадзору, второе – строительные конструк- ции [45]. Среди аварий строительных конструкций по тем же показателям на I месте стоят железобетонные и каменные, а затем металлические кон-

струкции (рис. 1.1, а). Согласно статистическим данным около 60 % всех аварий происходит в период строительства и около 40 % – в период экс- плуатации (рис. 1.1, б). Аварии строительных конструкций происходят и в настоящее время, случается повторяемость аварий, некоторые из них ста- новятся даже «типовыми». Аварии – чаще всего результат действия сово- купности причин, основные из них можно классифицировать следующим образом (табл. 1.1).

25

тов, периодического осмотра и обследования технического состояния строительных сооружений, профилактики аварийных состояний.

4. Государственная вневедомственная экспертиза строительных про- ектов, совершенствование норм проектирования строительных сооружений.

1.2. Агрессивное воздействие сред на материалы строительных конструкций

Как показывает практика, частичный или полный отказ строитель- ных конструкций зданий и сооружений в ряде случаев происходит задолго до окончания проектного срока службы. Одна из основных причин – раз- рушение материала строительных конструкций в результате коррозии под воздействием внешней агрессивной среды.

Коррозия материалов строительных конструкций (бетонных и желе- зобетонных, каменных, металлических и др.) зависит от многих факторов: вида, химического состава, концентрации, растворимости в воде, влажно- сти, температуры окружающей среды и условий контакта с ней, а также от параметров самой конструкции (например, для железобетонной конструк- ции – от конструктивной формы поперечного сечения, вида и плотности бетона, вида, количества и расположения арматуры, типа и уровня напря- женного состояния, наличия и ширины раскрытия трещин).

Агрессивные среды по степени воздействия на строительные конст- рукции (относительное снижение прочности материала в течение 1 года) разделяют на неагрессивные (снижения прочности нет), слабоагрессивные (снижение прочности менее 5 %), среднеагрессивные (снижение прочности 5…20 %) и сильноагрессивные (снижение прочности более 20 %).

По физическому состоянию агрессивные среды могут быть газовоз-

душные, жидкие и твердые.

Наиболее распространенные агрессивные газы: углекислый газ, ки- слород, водяной пар, сернистый и серный ангидрид, сероводород, аммиак, хлор, хлористый водород, двуокись хлора, фтористый водород, фосфорный ангидрид, пары брома, иода и т.д. Степень агрессивности газовоздушных сред зависит от растворимости в воде самих газов, температуры и влажно- сти среды.

Газовоздушные среды по характеру взаимодействия с цементным камнем подразделяются на три группы.

1 группа – углекислый газ, фтористый водород, фтористый кремний, фосфорный ангидрид – проникают в поровое пространство бетона, обра- зуют с Са(ОН)2 нерастворимые и малорастворимые соли кальция при не-

27

значительном увеличении в объеме. Основная схема агрессивного воздей- ствия – нейтрализация щелочности цементного камня:

Са(ОН)2 + СО2 → СаСО3 + Н2О; СаСО3 – нерастворимое соединение. 2 группа – сернистый и серный ангидрид, сероводород – образуют в поровом пространстве малорастворимые соли, способные увеличиваться в объеме более чем в 2 раза и разрушать бетон. Визуально это проявляется в

виде послойного шелушения.

3 группа – хлор, хлористый водород, двуокись хлора, пары брома, иода – образуют хорошо растворимые соли кальция, засасываемые в ка- пилляры и транспортирующие ионы хлора к арматуре, практически не на- рушая щелочность защитного слоя бетона.

Са(ОН)2 + 2НСl → СаСl2 + Н2О; СаСl2 – легкорастворимый продукт. Жидкие агрессивные среды: атмосферные осадки и грунтовые воды (мягкие, талые снеговые), минерализованные воды с содержанием солей Cl– , Mg2+, SO42– , Са, Na, K, нефтепродукты и растворители, растительные и животные масла и др. Степень их агрессивного воздействия зависит от концентрации агрессивных веществ, температуры, скорости движения при

соприкосновении с поверхностью конструкции, напора.

Из большого числа «механизмов» разрушения бетона выделяются три основных вида:

I вид – процессы растворения составных частей цементного камня и выноса продуктов гидрата окиси кальция Са(ОН)2 протекающей водой (выщелачивание) – физический вид коррозии. Признаком коррозии бетона I вида является наличие высолов на поверхности, которые приводят к уве- личению пористости цементного камня и снижению его прочности. При выщелачивании 10 % СаО происходит снижение прочности до 10 %, при потере 20 % СаО – до 25 % и при потере около 33 % СаО наступает полное разрушение цементного камня.

СаО + Н2О → Са(ОН)2

II вид – результат взаимодействия составных частей цементного кам- ня с кислотами или солями, приводящий к образованию легкорастворимых или аморфных размываемых водой веществ (продукты растворимы).

Са(ОН)2 + Н2СО3 → СаСО3 + 2Н2О, затем СаСО3 + Н2СО3 → Са(НСО3)2; Са(НСО3)2 – легкорастворимый продукт.

Бетон разрушается послойно. При реконструкции поврежденный коррозией бетон удаляют.

III вид характеризуется накоплением в порах и капиллярах цемент-

ного камня малорастворимых солей с увеличением их объема. Давление приводит к разрушению цементного камня. На начальной стадии плот-

28

ность и прочность бетона увеличивается. Если в этот период обеспечить антикоррозионную защиту, бетон может быть сохранен, в противном слу- чае, в дальнейшем происходит его разупрочнение (разрыхление).

Са(ОН)2 + Na2SO4 + 2H2O → СаSO4·2Н2О + 2NaOH,

СаSO4·2Н2О – гипс с некоторым увеличением объема взаимодейст- вует с трехкальциевым гидроалюминатом цементного камня

3СаSO4·2Н2О + 3СаО·Al2O3·6H2O + 23H2O → 3СаSO4·3CaO·Al2O3·31H2O,

3СаSO ·3CaO·Al O ·31H O – гидросульфоалюминат кальция увели-

4 2 3 2

чивается в объеме более чем в 2 раза.

В реальных условиях коррозия каждого вида в отдельности встреча- ется редко, как правило, они сочетаются. Степень коррозионного воздей- ствия увеличивается с увеличением температуры среды. Опасно сочетание попеременного замораживания-оттаивания с процессами коррозии III вида.

Агрессивное воздействие нефтепродуктов на железобетонные кон-

струкции объясняется содержанием в них высокомолекулярных смол и присадок. В наибольшей степени снижают прочность бетона и его сцепле- ние с арматурой минеральные масла и мазуты. При длительном воздейст- вии на железобетонные конструкции минеральных масел прочность бетона можно определить по эмпирическим формулам:

− при постоянном воздействии

При постоянном воздействии минеральных масел предельные касательные напряжения, характеризующие сцепление арматуры с бетоном, равны

ного (непропитанного) бетона и предельное касательное напряжение, ха- рактеризующее сцепление арматуры с исходным бетоном;

t – время воздействия нефтепродуктов на конструкцию.

Отработанные минеральные, окисленные растительные и живот-

ные масла не только агрессивны к бетону, но и вызывают коррозию арма-

29

туры и закладных деталей. Дизельное топливо и масляные эмульсии менее агрессивны. Бензины, керосины и растворители практически не влияют на прочность бетона.

Твердые агрессивные среды: минерализованные грунты, содержащие со- ли Cl– , Mg2+, SO42– , Са, Na, K, и минеральные удобрения. Агрессивность твер- дых веществ определяется их растворимостью в воде и гигроскопичностью.

Восновном строительные металлические конструкции подвергаются атмосферной коррозии (на открытом воздухе, внутри промышленных зда- ний и под навесами). Различают три вида коррозии: равномерную сплош-

ную, неравномерную сплошную и местную.

Равномерная сплошная коррозия характерна для сплавов металлов, не имеющих защитных окисных пленок или имеющих рыхлые пленки.

Неравномерная сплошная коррозия имеет место в многофазных сплавах металлов и наличии дефектов на поверхности.

Местная коррозия наблюдается при местном нарушении защитных покрытий, может распространяться в глубину металла, вызывая его вспу- чивание, или повреждает один из материалов, составляющих сплав.

Скорость коррозии зависит от вида агрессивных воздействий и усло- вий среды. Повышение температуры ускоряет процесс коррозии. При на- греве до температуры 200…250 ° С на поверхности стальных элементов образуется тонкая пленка окислов, пассивирующая поверхностный слой стали, при температуре 500… 600° С происходит коробление и растрески- вание поверхностной защитной пленки, а при отрицательной температуре (ниже минус 30… минус 40 ° С) коррозия стали практически прекращается.

Взависимости от механизма разрушения металла различают химиче-

скую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия происходит под воздействием газов или жид- костей (не электролитов) органического происхождения. В результате их взаимодействия на поверхности металла образуется пленка в виде окислов.

Электрохимическая коррозия наблюдается во влажном воздухе и водных растворах, проводящих ток. Атомы металла в результате переходят

враствор электролита в виде ионов, а эквивалентное число электронов ос- тается в металле.

На коррозионную стойкость стальных элементов влияет также и конструктивная форма сечения: круглое сечение – самое устойчивое, затем квадратное, коробчатое, одиночный уголок.

Продукт коррозии – ржавчина имеет значительно больший объем, чем исходный металл. В различного рода щелях опасно скопление продук- тов коррозии, приводящих к расслоению элементов.

30