Причины аварий зданий и сооружений в современных условиях
Рубрика: Новости компаний
В этой статье рассмотрены наиболее распространенные причины аварий зданий и сооружений с анализом конкретных известных примеров. Проанализирован опыт обследования экспертов ООО "Строй-Эксперт" Причины аварий зданий и сооружений могут быть разделены на следующие 4-ре группы: ...
В этой статье рассмотрены наиболее распространенные причины аварий зданий и сооружений с анализом конкретных известных примеров. Проанализирован опыт обследования экспертов ООО "Строй-Эксперт"
Причины аварий зданий и сооружений могут быть разделены на следующие 4-ре группы:
Несоответствующие назначению или неправильно примененные материалы;
Ошибки проектирования
Дефекты изготовления и монтажа;
Нарушения правил эксплуатации
Характерно, что аварии, вызванные одной причиной, происходят редко. В большинстве случаев авария происходит вследствие совпадения двух или нескольких причин, которые только совместным воздействием исчерпывают запас прочности конструкции.
Применение некачественных материалов
В 2006 году произошло обрушение покрытия плавательного бассейна в г.Чусовой (Пермской области).
Основной причиной аварии, вызвавшей обрушение конструкций покрытия и кровли бассейна, явилось разрушение элементов монтажного стыка нижнего пояса фермы. Коррозия элементов монтажного стыка фермы на момент аварии составляла до 50%. Но даже при такой коррозии элементов, обрушения бы не произошло, если бы фермы были изготовлены из стали предусмотренной по проекту (Ст3сп). Фактически, по результатам спектрального анализа элементов проведенного в ходе расследования, было установлено, что разрушенная фасонка изготовлена из кипящей стали Ст2.
Для лучшего представления опасности данной замены стелей кратко рассмотрим различие в их свойствах.
Причисление стали к кипящим или спокойным зависит от содержания в них кремния. Кипящая сталь более «засорена» газами по сравнению со спокойной, имеет более неоднородную структуру, хуже сопротивляется динамическим воздействиям, склонна к хрупкому разрушению, особенно при воздействии низких температур (-10…-300С).
Из представленной таблицы видно, что физико-механические свойства примененной стали, значительно ниже стали предусмотренной по проекту.
По современным строительным нормам проектирование конструкций II группы (по СНиП II-23-81*) из кипящих сталей не допускается.
Также дополнительной причиной обрушения послужило то, что вес кровли был больше, чем было предусмотрено проектом, поскольку вместо одной кровли фактически было две. Одна протекала, поэтому сверху уложили вторую.
Таким образом, видно, что авария произошла из-за сочетания нескольких причин, основными из которых были ненадлежащая эксплуатация конструкций, приведшая к значительной коррозии элементов и применение материалов несоответствующих назначению в несущих элементах. При этом указанные причины достаточно распространены. И для примера обратимся к нашему опыту обследования.
Так при обследовании ферм покрытия одного из бассейнов Ленинградской области построенного по типовому проекту 1973г. были отобраны образцы стали и проведен их спектральный анализ. По результатам спектрального анализа отобранных образцов стали было установлено, что все элементы ферм выполнены из проектной стали ВСт3сп, но несколько образцов, вырезанных из фасонок ферм, выполнены из стали ВСт3кп. Как элементы группы конструкций, для которых запрещено применение кипящей стали, могли быть из нее изготовлены? Ответ на этот вопрос мы нашли в спецификации на сталь. В спецификации, сталь марки ВСт3кп должна была быть применена в фасонках связей, что является допустимым. Но Вы можете представить себе рабочего, который задумывается о том, какая же марка стали этого, так удачно найденного на площадке подходящего по толщине листа?
Такое отступление от проекта также могло привести к аварии.
Для предотвращения возможной аварии в настоящее время выполнено усиление узлов ферм этого бассейна по специально разработанному проекту.
Применение кипящих сталей в строительстве пережило несколько этапов. До 30-х годов 20 века кипящая сталь широко применялись во всех видах конструкций. Позднее ввели ограничение на применение кипящих сталей в конструкциях работающих при низких температурах. Разрешалось использовать кипящие стали без ограничения в котельных, литейных цехах, т.е. там, где предполагалось постоянное воздействие повышенных температур. С 60-х годов XX века применение кипящих сталей запрещено в некоторых видах конструкций в зависимости от вида возникающих в них усилий. Как мы убедились выше, постепенный отказ от применения кипящих сталей является необходимостью, вызванной результатами эксплуатации конструкций и результатами соответствующих исследований.
Нетрудно предположить, что многие из ныне эксплуатируемых промышленных и гражданских зданий, построенных по старым строительным нормам являются потенциально источниками опаснными.
Нами было проведено обследование здания литейного цеха построенного в 1932 году. По результатам спектрального анализа было установлено, что для ферм покрытия применены марки стали ВСт2кп, Вст3сп, Вст3кп, 20Х. Такая разносортица стали не связана с осознанным применением стали разных марок, а является результатом несовершенной технологии изготовления стали того времени. И если применение кипящих строительных сталей могло быть проектным решением, то применение хромистой инструментальной стали 20Х, не является оправданным для строительных конструкций такого типа.
Следует отметить, что обнаруженная хромистая сталь, является плохо свариваемой, с высоким углеродным эквивалентом. При исследовании сварных швов были обнаружены дефекты, связанные с низкой свариваемостью стали и с применением низкотехнологичных, но широко применяемых в 30-х годах электродов с тонкой меловой обмазкой.
В настоящее время литейный цех практически полностью перепрофилирован под участок обработки со встроенным складом, в результате чего в зимний период, при отсутствии утепления кровли стальные конструкций покрытия работают при низких температурах, что в сочетании с применением кипящей стали, увеличивает вероятность аварии.
По результатам проведенного обследования были разработаны мероприятия, компенсирующие несоответствие конструкций современным строительным нормам.
Ошибки проектирования
Причины обрушения Трансвааль парка в г.Москва не были представлены широкой общественности. Одной из наиболее достоверных версий аварии является ошибка проектирования. По некоторым сведениям в проекте не была учтена нелинейная стадния работы конструкций, что необходимо, для таких конструкций.
С ошибками проектирования приходится встречаться не только при обследовании уникальных конструкций, изучение действительной работы которых требует применения трудоемких или специально разработанных методик.
Очевидные ошибки проектирования встречаются и в обычных конструкциях.
Широко распространены покрытия из сборных предварительно напряженных железобетонных балок. При проектировании зданий в советское время данные балки выбирались проектировщиками, по таблицам, учитывая снеговой район и «пирог» кровли. При этом неоднократно выявлялись случаи неучета проектировщиками снеговых мешков образующихся при примыкании проектируемого здания к другим более высоким зданиям. В этом случае несущая способность балок, подобранная по таблицам будет недостаточной. Обнаружить данное несоответствие можно по результатам исследования армирования балок, а подтверждением недостаточной несущей способности являются характерные силовые трещины на балках шириной раскрытия более допустимой по СНиП.
Часто перегружения балок и плит покрытия происходят из-за многочисленных наслоений гидроизоляционных ковров и цементно-песчаных стяжек устроенных при ремонтах кровли.
Одной из основных причин появления и развития осадочных трещин в стенах зданий является довольно распространенная для типового строительства 60-70-х годов ошибка при проектировании фундаментов.
Проектировщики, руководствуясь строительными нормами, как правило, проектировали фундаменты на естественном основании, исходя из условия ограничения среднего давления (Рср) под подошвой фундамента величиной расчетного сопротивления (R) основания (Рср Ненадлежащая эксплуатация
Рассмотрим несколько характерных случаев несоблюдения правил эксплуатации зданий приведшей к аварийному состоянию конструкций.
На одном из обследованных административных зданий возникли трещины осадочного характера, которые в течении нескольких лет интенсивно развивались. В ходе проведенного обследования были выкопаны шурфы с целью выявления конструкций фундаментов, отобраны образцы грунта на различных глубинах и проведены полевые испытания грунта методом динамического зондирования. По результатам исследований, что прочностные и деформационные характеристики супесей являющихся основанием здания ухудшились более чем в 2 раза по сравнению со значения указанными архивных материалах инженерно-геологических изысканий. В соответствии с проведенным обследованием причиной изменения свойств грунтов являются протечки общегородской водопроводной сети.
Познавательным примером неправильной эксплуатации является случай изученный нами при выполнении обследования здания холодильных камер аммиачных холодильных установок. В зданиях холодильников для избежания промораживания грунта основания под холодильником предусматриваются или проветриваемые подполья, электропрогрев грунта с выполнением утепления пола холодильных камер, шанцевые полы. В нашем случае были использованы стальные трубы под утепленным полом, по которым должен был по замыслу проектировщиков подаваться горячий воздух. По факту в течение более чем 10-ти лет обогрев грунта не работал. Мерзлый грунт увеличиваясь в объеме выпучивал фундаменты, в результате чего на стенах здания появились трещины шириной раскрытия до 20мм. Администрацией было принято решение остановить холодильную установку. При выполнении обследования было установлено, что через 1 год после остановки слой промерзшего под холодильником грунта превышал 5м.
К случаям несоблюдения правил эксплуатации зданий, которые могут впоследствии привести к авариям, следует также отнести произвольное изменение назначения помещений (например, установка оборудования, сейфов, серверов) или всего здания при отсутствии у эксплуатирующей организации документации по которой можно установить допустимые нагрузки на здание.
Недостаточный объем инженерно-геологических изысканий для строительства
На 7-ми этажном административном здании постройки 1988 года более 10 лет назад появились осадочные трещины которые на момент обследования были многочисленные и имели раскрытие до 10мм. Проектная и исполнительная документация на здание у эксплуатирующей организации отсутствовала.
По данным инженерно-геологических изысканий было установлено, что грунтовые воды являются сильно агрессивными по отношению к бетону на портландцементе. Для определения конструктивного решения фундаментов и определения причин образования трещин были отрыты исследовательские шурфы и выполнены полевые испытания грунтов основания. По результатам шурфования определено, что здание построено на свайном основании с монолитным ленточным ростверком, по верхнему обрезу которого выполнена кладка из сборных бетонных фундаментных блоков до отметки планировки земли.
По результатам осмотра фундамента обнаружено, что цементно-песчаный раствор в швах замещен песком на глубину до 200мм, арматура в швах фундаментных блоков отсутствует.
Причиной расструктуривания цементно-песчаного раствора явилась высокая агрессивность грунтовых вод. Осмотр нижнего ряда блоков показал, что в настоящее время блоки повернулись относительно своей продольной оси. Поворот произошел в результате действия нагрузки от вышележащей стены.
По бетонному блоку 2-го ряда обнаружена силовая трещина раскрытием до 10мм в нижней части. Трещина образовалась в результате оседания блока под нагрузкой от стены на расструктуренный цементно-песчаный раствор шва.
Цементно-песчаный раствор кирпичной кладки несущей стены расположенный ниже уровня грунта полностью расструктурен.
Причинами появления обнаруженных дефектов является или отсутствие в проекте мероприятий учитывающих агрессивность грунтовых вод таких как: применение сульфатостойкого портландцемента и защита конструкций гидроизоляцией или невыполнение предусмотренных проектом работ организацией выполняющей СМР.
Некачественное выполнение строительно-монтажных работ
С некачественным выполнением строительных работ приходилось встречаться наверно каждому кто хоть раз обращался к строителям, будь то ремонт квартиры или цеха.
При выполнении экспертизы промышленной безопасности здания холодильника находящегося в составе аммиачной холодильной установки на железобетонных балках перекрытия над проветриваемым подпольем были отмечены многочисленные дефекты в виде больших каверн (полостей в конструкции), низкой прочности бетона, низкой плотности бетона. Отмеченные дефекты являются результатом некачественно выполненных СМР.
В ходе обследования на балках были обнаружены силовые трещины шириной раскрытия до 10мм с прогибом балок до 70мм. Состояние конструкции признано аварийным.
В настоящее время выполнено усиление поврежденных конструкций.
Особенности некоторых строительных конструкций
Существует ряд строительных конструкций, широко применявшихся в СССР и являющихся для того времени инновационными. В этих конструкциях примененные материалы используются с большей эффективностью чем в традиционных конструкциях. Высокая эффективность использования материалов является обратной стороной уменьшения запаса прочностью. Такие конструкции работают с высокими внутренними усилиями.
В условиях современного строительства к подобным конструкциям можно отнести металлические конструкции из тонкостенных гнутых профилей с минимальным запасом прочности (торговые комплексы, складские помещения, навесы). За короткое время эксплуатации легких металлических конструкций уже зафиксировано несколько обрушений под воздействием снеговой нагрузки.
К эффективным конструкциям относятся тонкостенные железобетонные оболочки двоякой гауссовской кривизны разработанные в 1950г. Поскольку решения комплексной задачи для оболочки с диафрагмой в то время не имелось, усилия в диафрагмах определялись из расчета ее как рамы с криволинейными ригелями, загруженной секущими усилиями от оболочки. Учитывая новизну конструкции, проектировавшейся и применявшейся на практике впервые, было произведено широко поставленное теоретическое и натурально-экпериментальное исследование конструкции.
В 1956 году произошло обрушение части монолитного железобетонного покрытия из оболочки гаусовской кривизны на площади 5000м2. Основной причиной обрушения послужила недостаточная жесткость и устойчивость всей системы покрытия. Обрушение крайних двух оболочек произошло в результате удлинения стальной затяжки в связи с включением отопления и нагревания регистров труб, расположенных вдоль затяжек, что привело к выключению их из работы. За обрушением крайних шедов произошло обрушение последующих по принципу цепной реакции.
Нами было выполнено обследование помещений складов имеющих покрытие в виде конструкции двоякой гаусовской кривизны из сборных железобетонных контурных ферм и сборных плит.
Одной из особенностей данного типа покрытия является передача усилий от плиты к плите только через швы бетонирования. В ходе обследования по результатам контрольных вскрытий было обнаружено отсутствие бетона замоноличивания швов на протяженных участках. При этом на поверхности плит расположенных в этих зонах были обнаружены силовые трещины.
Для избежания обрушения дефектные швы замоноличивания были забетонированы.
С 1959г. в СССР стали применяться сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах, позволяющие ускорить производство монтажных работ по сравнению со сварными соединениями. Идея работы соединений следующая: если болтам придать большое предварительное напряжение, то возникающие вследствие значительного сжатия силы трения по контактирующим плоскостям способны полностью воспринять внешние усилия, приложенные к соединению. Для реализации данного типа соединений необходимо применение высокопрочных болтов из стали, временное сопротивление которой составляет 750…1350МПа (для стали Ст3 Ru=360…380МПа).
Так как такие конструкции широко стали применяться сравнительно недавно, результаты их длительной работы еще не были систематизированы.
При проведении экспертизы промышленной безопасности главного цеха, все соединения строительных конструкций которого были выполнены на высокопрочных болтах, обнаружились некоторые особенности длительной эксплуатации такого типа соединений. Во многих узлах сопряжения элементов на высокопрочных болтах были обнаружены отсутствующие болты или разорванные болты. Количество разорванных или отсутствующих болтов в некоторых узлах приближалось к критическому, после которого конструкция или элемент могут обрушиться.
Микростуктурный анализ поверхностей излома разорванных болтов показал, что причиной разрушения является коррозия болтов под напряжением болтов. Коррозионное растрескивание возникло в результате попадания агрессивной среды (пыли апатита и хлористого калия) из-за негерметичности высокопрочных соединений, — герметизирующая обмазка швов соединений отсутсвовала на некоторых участках и была разрушена — и отсутствия антикоррозионного оцинкования или кадмирования болтов.
После разрыва некоторые болты отскакивали на 15…20м от места закрепления, некоторые удерживались продуктами коррозии. Детальное обследование каждого болта в нескольких соединаниях показал что помимо «выстреливших» болтов в соединении есть разорванные, но под действием окрасочного слоя и коррозии оставшиеся в проектом положении, такие болты выявлялись простукиванием молотком. По результатам полевых работ стало понятно, что 100%-ое выявление разорванных болтов визуальными методами невозможно.
Дальнейшее выявление разорванных болтов было выполнено по специально разработанной программе, ультразвуковыми методами. В результате было проверено свыше 20000 болтов, и по результатам обследования все разорванные болты заменены. Этот наглядный пример показывает, что соединения на высокопрочных болтах, считающиеся надежным типом соединения требуют к себе пристального внимания, особенно в условиях агрессивной воздушной среды химических предприятий.
В 50-60 годах в СССР произошла серия обрушений силосов. Анализ аварий показал, что основной причиной обрушений является неучет трения продукта по боковой стенке силосов. После аварий в строительные нормы были внесены соответствующие изменения, однако часть силосов построенных по старым строительным нормам эксплуатируются и в настоящее время.
Обобщая причины разрушений зданий и сооружений можно вывести краткий список объектов, на техническое состояние которых следует обратить особое внимание эксплуатирующих их организаций:
- здания, постройки 1815…1900гг с применением в конструкциях чугуна;
- здания котельных и литейных цехов, построенных до 1981 года;
- здания с большепролетными покрытиями в виде стальных шпренгельных ферм, оболочек двоякой кривизны, мембранные конструкции, узлы которых выполнены на высокопрочных болтах;
- здания, эксплуатирующиеся с измененными относительно первоначальных режимами, измененным назначением;
- здания, эксплуатирующиеся в условиях агрессивных сред;
- здания, строительные конструкции которых испытывают вибрационные воздействия;
- здания, вблизи которых зафиксированы прорывы или постоянные протечки инженерных сетей;
- здания с очевидными осадочными трещинами;
- здания, в которых длительно не проводились ремонты;
- силосы постройки до 1960г;
- вытяжные башни постройки до 1960г.