Оценка технического состояния зданий

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году



В.М. КАЛИНИН С.Д. СОКОВА

ОЦЕНКА
ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ

УЧЕБНИК

      Допущено Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»




znanium.com


Москва ИНФРА-М 2020

УДК
ББК

69(075.32)
38.7-09я723
      К17




     Рецензенты:
        Грозав В.И. — канд. техн. наук, проф., зав. кафедрой сельскохозяйственного строительства и архитектуры Московского государственного университета природообустройства;
        Киреева Э.И. — канд. техн. наук, главный научный сотрудник Центрального научно-исследовательского и проектного института жилых и общественных зданий




     Калинин В.М.
К17 Оценка технического состояния зданий : учебник / В.М. Калинин, С.Д. Сокова. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 268 с. — (Среднее профессиональное образование).
        ISBN 978-5-16-004416-3 (print)
        ISBN 978-5-16-102297-9 (online)
        Описаны основные физико-химические процессы, вызывающие старение и износ элементов зданий и сооружений. Приведены данные о современных методах и средствах обследования и оценки технического состояния зданий. Рассмотрены основные понятия теории надежности систем и конструкций зданий, а также методы оценки надежности.
        Для студентов учебных заведений среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».


УДК 69(075.32)
ББК 38.7-09я723

ISBN 978-5-16-004416-3 (print)
ISBN 978-5-16-102297-9 (online)

© Калинин В.М., Сокова С.Д., 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ




   Учет законов износа и старения материалов конструкций, влияния окружающей и технологической среды на эти процессы, применение эффективных методов и средств оценки технического состояния конструкций и оборудования зданий, прогнозирование изменения эксплуатационных свойств во времени дают возможность решать задачи повышения эффективности и качества при строительстве и эксплуатации зданий.
   В учебнике приведены основные эксплуатационные требования, предъявляемые к зданиям, сооружениям, конструктивным элементам и инженерному оборудованию, определяющие безопасность и комфорт людей, пользующихся зданием. Для обеспечения надлежащего качества функционирования здания необходимо прогнозировать закономерности износа и старения конструктивных элементов и инженерного оборудования. Изменение свойств конструкций изначально определяется микростроением материала, из которого они изготовлены, обусловлено технологией производства и монтажа зданий; при этом первые нарушения проявляются уже в начальный период эксплуатации здания. В течение времени под воздействием окружающей и технологической среды и нагрузок происходит развитие дефектов, коррозия, что в конечном счете может привести к разрушению конструкций. Знание природы образования и развития дефектов позволяет предусмотреть меры защиты элементов здания, предотвратить аварийные ситуации. Поэтому особое внимание уделено освещению механизмов износа материала конструкций в различных условиях эксплуатации.
   Для своевременного выявления нарушений в конструкциях и инженерном оборудовании здания необходимо владеть знаниями о том, как состояние материала конструкций проявляет себя внешними и внутренними признаками. Для этого рассмотрены основные положения и методики определения физико-механических свойств основных конструктивных элементов зданий и сооружений. Приведены методы и правила оценки эксплуатационных свойств помещений строительных объектов.
   Здания и сооружения могут находиться в эксплуатации многие десятки лет. Поэтому важно не только знать техническое со

з

стояние их элементов на момент обследования, но и уметь прогнозировать изменение эксплуатационных свойств во времени. Задачи перспективного исследования эксплуатационных свойств объектов наиболее успешно решаются с применением теории надежности. При изложении материала использованы только те теоретические положения и математический аппарат, которые необходимы для понимания освещаемых вопросов. В частности, основы теории надежности зданий, а также вопросы влияния на надежность зданий уровня организации их эксплуатации рассмотрены только в том объеме, который необходим для объяснения этого важного свойства. При этом имелось в виду рассмотрение перечисленных вопросов с позиции обеспечения требуемого уровня качества зданий и сооружений и эффективности использования материальных ресурсов.
   Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — заведующему кафедрой сельскохозяйственного строительства и архитектуры Московского государственного университета при-родообустройства кандидату технических наук, профессору В.И. Грозав и главному научному сотруднику ЦНИИЭП жилища кандидату технических наук Э.И. Киреевой за полезные советы и рекомендации по улучшению структуры и содержания учебника, а также Б.И. Штейману за большую научно-техническую помощь при редактировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ




        1.1.     ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ
        И СООРУЖЕНИЙ

  Оценка технического состояния зданий и сооружений предназначена для качественного и количественного представления показателей, характеризующих свойства и состояние объектов, изучения процессов, протекающих в конструкциях, основаниях и оборудовании, а также выявления фактических эксплуатационных свойств материалов, элементов конструкций и установления их соответствия техническим требованиям.
  Обследование строительных конструкций и инженерного оборудования зданий и сооружений включает в себя методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций и оборудования, обеспечивающие соответствие объекта проектным параметрам и действительной работе в процессе эксплуатации.
  Изучение состояния эксплуатируемых конструкций выполняется теми же методами, которые используются при контроле качества их изготовления. Однако часто возникают ситуации, когда для эксплуатируемых объектов необходимо изучение реальных условий работы при воздействии внешних факторов. К подобной ситуации можно отнести, например, случай, когда необходимо оценить работоспособность конструктивной или инженерной системы с учетом отклонения ее параметров от расчетных значений.
  Повышенные требования предъявляются к методам обследования при анализе причин аварий вследствие повреждения конструкций при монтаже или эксплуатации, а также катастроф — аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые оценки технического состояния зданий и сооружений позволяют выявить наиболее характерные дефекты и разработать реко

5

мендации по уточнению методов расчета конструкций, повышению их надежности, совершенствованию конструктивных схем, технологии изготовления, монтажа и эксплуатации.
   Здания и сооружения представляют собой системы, состоящие из большого числа элементов, работающих в условиях сложных напряженно-деформируемых состояний. Поведение строительных конструкций и инженерного оборудования характеризуется рядом факторов, носящих случайный характер. Это относится к прочностным характеристикам материалов, нагрузкам, действующим на элементы здания, воздействиям факторов окружающей среды. В процессе изготовления отдельных элементов, их транспортировки и монтажа возможны отклонения параметров конструкций от заданных значений. Поэтомудля оценки технического состояния здания, сооружения или инженерных систем необходимо уметь прогнозировать возможность их дальнейшей эксплуатации с учетом взаимосвязей и случайного характера формирования свойств. Для этого требуется, кроме технической диагностики, умение выполнять оценку надежности объектов.



        1.2.     РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОБСЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

  Одним из самых первых ученых в области строительства считается Гермоген, живший в Греции в II—III вв. до нашей эры (н.э.). В III в. до н.э. Архимед заложил основы статики.
  Первые упоминания, связанные с изучением свойств материалов, содержатся в работахЛеонардо да Винчи (1452—1519). В заметке «Испытания сопротивления железных проволок разных длин» приведен эскиз установки, содержащей элемент обратной связи. К растянутой проволоке была присоединена емкость, заполняемая песком. При обрыве проволоки отключалось питающее устройство. Им было предложено неоднократно проводить испытания на разрыв. Одновременно были проведены исследования на разных длинах проволок. Леонардо да Винчи впервые исследовал влияние величины пролета изгибаемых балок на их несущую способность.


6

   Большой вклад в науку о прочности конструкций внес Галилео Галилей (1564—1642). В изданной в 1638 г. книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» автор указал, что при возведении геометрически подобных сооружений по мере увеличения их абсолютных размеров они будут становиться все более слабыми. Он установил, что прочность бруса пропорциональна площади его поперечного сечения и не зависит от длины. Г. Галилей впервые подошел к оценке несущей способности конструкций с позиции предельных состояний. Было установлено, что изгибающий момент от собственного веса балки возрастает пропорционально квадрату ее длины, экспериментально подтверждено влияние геометрических размеров бруса на его несущую способность.
   Через 46 лет в 1684 г. Г.В. Лейбниц (1646—1716), развивая теорию Г. Галилея, доказал, что напряжение в балке распределяется по треугольному закону.
   Существенный вклад в науку о сопротивлении материалов внес Р. Гук (1653—1703), установивший линейную зависимость между упругой деформацией твердого тела и приложенным механическим напряжением. Им сформулирован закон связи силы и перемещения при работе материала, теоретически установлен тот факт, что в консольной балке при приложении на ее конце сосредоточенной силы, направленной вниз, верхние волокна растягиваются, а нижние сжимаются. Впервые установлено, что упругие тела возвращаются в первоначальное состояние после снятия нагрузки.
   Э. Мариотт (1620—1684) экспериментально исследовал последствия удара, поведение балок при изгибе, изобрел баллистический маятник, создал первые установки для испытания материалов на растяжение.
   В 1713 г. Паран пришел к теоретическому выводу, что в балке возникают растягивающие и сжимающие усилия.
   Д. Бернулли (1700—1782) впервые описал результаты опытов, связанных с экспериментальным установлением частот и форм колебаний стержней.
   Одну из первых лабораторий для испытаний металлов создал Реамюр. Она была оснащена испытательной машиной, специально разработанной для этой цели. В 1722 г. он описал методику выполнения механических испытаний металлов. Этот год считается началом проведения механических испытаний металлов.

7

   В 1767 г. Дюгамель выполнял опыты с деревянными балоч-ками. В одних образцах в верхней части до середины их высоты он сделал прорези и заложил их деревянными прокладками. Другие образцы были без прорези. В таком виде он нагружал те и другие образцы, доводя их до разрушения. Несущая способность балочек оказалась одинаковой. Из этого был сделан вывод, что в балках имеются растянутая и сжатая зоны. Если бы возникали только растягивающие напряжения, то прокладки выпали, а несущая способность образцов была бы разной.
   Ш.О. Кулон (1736—1806) проводил опыты, связанные с изучением прочности песчаника, исследовал сжатие призм, изучая крутильные колебания.
   П. Ван-Мусшенбрук (1784—1761) предложил ряд машин для проведения испытаний на растяжение, сжатие и изгиб.
   Многочисленные опыты по изучению изгиба деревянных балок были проведены Ф. Дюпеном (1784—1873).
   А. Дюло в начале XIX в. провел обширные испытания железных конструкций, в том числе на продольный изгиб. Он начал работу по изучению составных и двутавровых балок.
   Т. Юнг (1773—1829) опытным путем установил изменение поперечных размеров образцов при сжатии материала, уточнил область применения закона Гука, ставил эксперименты по удару.
   Г. Ламе (1795—1870) сконструировал испытательную машину для создания нагрузки с использованием гидравлического пресса.
   Опыты по выявлению характера колебания пластин впервые были проведены Е. Хладни (1756—1827).
   В первой половине XIX в. У. Фейрбейрном была сконструирована испытательная машина, позволившая ему совместно с И. Ходкинсоном проводить испытания чугунных образцов на сжатие, растяжение и изгиб, а также изучать прочность пластин из кованого железа и заклепочные соединения из таких пластин.
   Ю. Вейсбах (1806—1871) во Фрейбургской горной академии организовал механическую лабораторию для испытаний материалов на статические и динамические воздействия.
   В 1821 г., через 163 года после работ Галилея, А. Навье (1785— 1836) доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось проходит через центр тяжести поперечного сечения.

8

   Проблемуусталости материалов впервые поставил Ж.В. Пон-селе (1788—1867). Г. Джемсом и Д. Гальтоном была предложена машина для испытаний на выносливость.
   А. Веллер (1819—1914) исследовал усталость материалов, предложил прибор для статических испытаний на изгиб.
   Круг научных интересов В. Вертгейма (1815—1861) был необычайно широк. Он изучал влияние температурных условий на значение модуля упругости стали, проводил испытания стекла, дерева для определения значения коэффициента Пуассона, заложил основы для создания методов фотоупругости. В дальнейшем в этом направлении работали Ф. Нейман, Д. Брьюстер, О.Ж. Френель, Д.К. Максвелл (1831—1879). В работах Максвелла впервые была разработана техника оптического анализа напряжений в поляризованном свете.
   В последней трети XIX в. организуется сеть специализированных лабораторий для испытания материалов и конструкций, разрабатываются новые типы испытательных машин и измерительной аппаратуры. Л. Вердер в 1875 г. создает машину, развивающую усилие 1000 кН; начинают использоваться гидравлические прессы Амслера-Лаффоне. Изучением устойчивости упругих систем занимались И. Баушингер, Л. Тетмайер и др.
   Г.Р. Герц (1857—1894) изучал сжатие упругих тел, проводил опыты по взаимодействию соударяющихся тел.
   В начале XX в. получают развитие теории разрушения хрупких материалов (А.А. Гриффитс, В. Вайбулл и др.), пластического деформирования материалов (Л. Прандтль, А. Надаи идр.), ползучести материалов при высоких температурах.
   Значительный вклад в развитие экспериментального моделирования конструкций внес И.П. Кулибин (1735—1818). Для обоснования одного из своих проектов арочного моста пролетом 298,6 м он построил его физическую модель в масштабе 1:10 натуральной величины. После испытаний модель многие годы перекрывала один из каналов в Таврическом саду Петербурга.
   В 1808 г. в Петербурге создается Институт инженеров путей сообщения, в стенах которого трудились Г. Ламе и Ю.П. Клапейрон. Г. Ламе сконструировал испытательную машину для изучения механических свойств железа.
   В 1823 г. на механическом заводе была изготовлена самая мощная в Европе цепепробная машина для испытания цепей висячих мостов с разрывным усилием до 60 т.

9

   Д.И. Журавский (1821—1891) изучал распределение касательных напряжений в сплошных и составных деревянных балках, исследовал работу балок коробчатого типа. В 1855 г. он предложил знаменитую формулу для вычисления касательных напряжений в балках.
   В 1847 г. при Лондонском университете Годкинсоном (1789— 1861) была создана первая механическая лаборатория, которая занималась испытанием строительных материалов.
   В России в 1853 г. П.И. Собко при Петербургском институте путей сообщения организовал механическую лабораторию.
   В области изучения упругости А.Т. Купфер (1799—1865) — первый директор Центральной лаборатории весов и мер России — исследовал значение модуля сдвига, изучал крутильные колебания, влияние температуры на модуль упругости, провел многочисленные работы по изучению изгиба и колебаний балок.
   М.Ф. Окатов (1829—1901) провел обстоятельные исследования коэффициента Пуассона.
   Н.А. Белелюбский (1845—1922) предложил ввести в практику испытания материалов единые международные технические условия.
   На основании анализа разрушения пролетных строений мостов с ездой понизу, не имеющих ветровых горизонтальных связей по верхнему поясу, Ф.С. Ясинский (1856—1899) разработал расчетную схему.
   Первые испытания железобетонных конструкций (плит и арок) были проведены в 1886 г. немецкой строительной фирмой «ВАЙС». В тот же год в России первые испытания железобетонных конструкций проводились при строительстве Московской бойни. В 1891 г. Н.А. Белелюбский в значительном объеме провел испытания железобетонных плит, арок, труб, цилиндрических резервуаров.
   В.Л. Каприевич (1845—1913) исследовал усталостную прочность материалов. В его работах рассматривались актуальные проблемы: теория подобия, оптическое изучение деформаций.
   Опыты по изучению скольжения грунта при передаче нагрузки через жесткий штамп выполнялись В.И. Курдюмовым (1853— 1904).
   В 1918 г. был организован Научно-экспериментальный институт путей сообщения, возглавляемый Н.С. Стрелецким. В стенах института работали многие известные ученые, определившие

10