официальный сайт

Научно-технического совета  и секции «Деревянные конструкции»

Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) и

Российского научно-технического общества строителей (РосНТО Строителей)

 

Главная Конструкции Производство Контроль качества Защита конструкций Исследования Экспл. надежность Документы Экономика и право Работа НТС и секции Люди и их дела Контакты

 

 

Раздел 6. Эксплуатационная надежность.

 

 Оценка технического состояния деревянных конструкций

 при длительной их эксплуатации

 Л.М. Ковальчук, Г.Н. Мышелова, Р.В. Никулихина, Д.Ю. Стрельцов

ЦНИИ строительных конструкций им. В.А. Кучеренко, г. Москва

 

 

 

Обеспечение достаточной несущей способности деревянных конструкций в течение всего заданного периода эксплуатации предусмотрено действующими нормативно-техническими документами. В них учтены специфика работы древесины как конструкционного материала, анизотропия ее физико-механических свойств, изменение прочности в зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации и времени действия нагрузки и многое другое.

Однако при эксплуатации имеются примеры как быстрого разрушения конструкций из древесины, так и безаварийной их эксплуатации на протяжении нескольких веков. Причины этого хорошо изучены - если конструкции эксплуатируются без нарушения их целостности, заданная несущая способность сохраняется в течение всего периода эксплуатации. В противном случае несущая способность уменьшается из-за возникающих в них повреждений, в основном механического (трещин) и биологического (гниение) характера.

Повреждения конструкций, возникающие при неправильной эксплуатации, изучены многими учеными (И.М. Гуськов, Г.Г. Карлсен, С.Б. Турковский, А.Д. Ломакин, Н.И. Тузов, Г.А. Цвигман и др). Однако, оценка влияния повреждений на эксплуатационные характеристики конструкций, в раньше выполненных исследованиях, как правило, носила качественный характер. Причем повреждения рассматриваются на ограниченном количестве конструкций и зданий. Практически отсутствуют работы, рассматривающие основные закономерности появления повреждений, и, что особенно важно, не устанавливается количественная взаимосвязь между повреждениями и изменением из-за их наличия несущей способности конструкции. Соответственно, отсутствуют конкретные рекомендации по предупреждению появления повреждений и устранению их отрицательного влияния на конструкции в процессе эксплуатации.

В ЦНИИСКе в последние годы проводились исследования, целью которых является на основании анализа результатов натурных обследований деревянных конструкций, длительно эксплуатируемых в различных температурно-влажностных условиях, выявление некоторых закономерностей возникновения и развития основных повреждений конструкций; исследование напряженно-деформированного состояния деревянных конструкций с различными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации и определение степени снижения несущей способности конструкций в зависимости от вида повреждения, его размеров и местоположения.

На основе экспериментальных исследований разрабатываются предложения по предупреждению возникновения повреждений и восстановлению несущей способности конструкций в процессе их длительной эксплуатации

Исследование производилось на балках чердачных и междуэтажных перекрытий, элементах стропильных и купольных покрытий.

Оценка технического состояния конструкций выполнялась на основе данных визуального контроля, с фиксацией размеров и месторасположения повреждений, и инструментального контроля при испытании прочности древесины, ее микологической оценки.

Если конструкции были недоступны для осмотра (балки междуэтажных и частично чердачных перекрытии), производилось их частичное или полное вскрытие. Всего было обследовано более 7-и тысяч конструктивных элементов (табл. 1). Основные характеристики обследованных конструкций приведены в табл. 2. Особое внимание уделялось фиксации возникших биоповрежденных участков и механических повреждений в виде трещин, хотя отмечались и другие повреждения (прогибы, выход из плоскости и др.).

Известно, что наиболее часто встречаемым в длительно эксплуатируемых конструкциях повреждением  является биопоражение. Были выявлены места с наибольшей вероятностью их расположения. Это, на примере балок перекрытий, показано на рис. 1. Примеры наиболее характерного расположения трещин на поперечном сечении конструкций представлены на рис. 2.

Встречаемость биоповреждений в балках чердачных перекрытий в 4 раза больше, чем в междуэтажных и составляет соответственно 31,8 и 8,1%. Такое различие можно объяснить более частым нарушением условий эксплуатации – увлажнением, недостаточной вентиляцией, значительными перепадами температурно-влажностного режима в чердачных помещениях и др.

Статистический анализ результатов обследования и оценки технического состояния длительно эксплуатируемых конструкций позволил выявить некоторые закономерности их появления и изменения вследствие этого несущей способности. При этом необходимо отметить, что статистическому анализу подвергались, как отмечалось, только два вида дефектов – биоповреждения и трещины. Другие дефекты, например недопустимые прогибы, выход из плоскости и т.п., хотя и могут существенно влиять на эксплуатационные характеристики конструкций, в данной работе только фиксировались и детально не рассматривались.

Что касается биоповреждений и трещин, то, несмотря на значительный разброс результатов оценки, все же оказалось возможным установление некоторых закономерностей их наличия и развития в конструкциях в зависимости от ряда взаимосвязанных факторов – времени и условий эксплуатации, вида конструкций и др.

Результаты анализа биоповрежденных конструкций приведен на рис. 3 и в табл. 3. Аналогичным образом был выполнен анализ изменения несущей способности конструкций из-за наличия в них недопустимых трещин. По сравнению с анализом биоповреждений здесь более сложной задачей оказалось выявить причину их появления, т.е. или они изначально были усушечного характера или возникли уже в процессе эксплуатации. Несмотря на сложность вопроса, мы все же установили, когда трещины могут негативно влиять на несущую способность конструкций.

О встречаемости конструкций с трещинами при длительной эксплуатации можно судить по результатам статистического анализа, представленного в табл. 4. Полученные данные позволили выявить некоторые закономерности изменения количества конструкций с трещиной в виде аппроксимирующих кривых. Аппроксимирующие зависимости представлены на рис. 4. Значения указаны в процентах к общему количеству обследованных конструкций рассматриваемого вида.

При длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях встречаемость балок чердачного и междуэтажного перекрытий с трещиной, составляет 80 %, а встречаемость элементов стропильных конструкций с трещиной составляет 61…72%. Встречаемость элементов стропильных конструкций с трещиной с различным напряженным состоянием отличается в 1,1…1,4 раза, за исключением дефектных растянутых элементов в период эксплуатации 50-100 лет.

Получены аппроксимирующие зависимости, характеризующие глубину, ширину раскрытия и длину трещин в зависимости от расположения на сечении стропильных конструкций с различным напряженным состоянием конструкций в период эксплуатации 50…200 лет (рис. 5.). Значения указаны в процентах к общему количеству обследованных конструкций рассматриваемого вида.

Опасными являются горизонтальные трещины. Встречаемость балок с горизонтальными трещинами составляет 13,4…16 %, а элементов стропильных конструкций – 24 %. При этом 92…100 % трещин имели развитие от торца. Встречаемость в дефектных конструкций с трещиной по всей ее длине составляет 48…93%, за исключением балок междуэтажного перекрытия с горизонтальной трещиной. Их встречаемость с длиной трещины 1/5…4/5L – 62% (L–длина конструкции).

В заключение можно сделать следующие выводы:

1.      Биоповреждение деревянных конструкций происходит на локально расположенных, потенциально опасных участках и является основной причиной их разрушения. Наиболее часто длина биоповрежденного участка конструкции составляет до 0,2 длины конструкции, с местоположением в перекрытиях и покрытиях у опоры на наружную стену и у карнизного узла, а в купольных конструкциях – у верхнего опорного кольца.

2.      Полученные в виде аппроксимирующих кривых закономерности изменения количества биоповрежденных конструкций во времени, а также изменения размеров биопораженных участков в зависимости от их местоположения могут быть использованы для прогнозирования отказов конструкций и составления предложений по их предупреждению.

3.      После длительной эксплуатации встречаемость их с трещинами различных размеров и расположения составляет до 80 %. Полученные аппроксимирующие зависимости изменения во времени конструкций с недопустимыми трещинами, а также изменение размеров трещин в зависимости от их расположения в сечении конструкции могут быть использованы для прогнозирования отказов конструкций.

4.      На основании выявленных закономерностей возникновения и развития основных повреждений, а также их влияния на несущую способность деревянных конструкций разработаны рекомендации по предупреждению появления повреждений и восстановлению несущей способности конструкций в процессе эксплуатации.

  

Рис. 1. Расположение биоповреждений конструкции.

Вид сбоку (а – г) и сверху (д – з).

а), в), е) – верхней, б) – нижней, г), д), ж) – боковой, з) – верхней и боковой;

1 – здоровая древесина, 2 – биоповрежденная древесина.

Рис. 2. Характер расположения трещины на поперечном сечении (а) и длине (б) конструкции

 

                   


 

 Рис. 3. Биоповреждение элементов стропильных конструкций в зависимости от срока их эксплуатации

а) 1 – общее количество биопораженных конструкций;

б) 2- у опоры на наружную стену; 3- в середине пролета; 4- у опоры на внутреннюю стену.

 

Рис. 4. Количество элементов стропильных конструкций с трещинами в зависимости от срока их эксплуатации

Для а) 1 – общее количество конструкций;

б) в зависимости от напряженного состояния: 2 – изгибаемые элементы (стропила); 3 –растянутые элементы (затяжка); 4 – сжатые элементы (стойка, раскос)

 

 

 

Рис. 5. Размеры трещин в стропильных конструкциях в зависимости от их расположения по сечению:

1 - вертикальные трещины; 2 – горизонтальные трещины; 3 - наклонные, винтовые и др.

 

  

Таблица 1.

№ п/п

Вид конструкции

Элемент конструкции

Количество, шт.

1

балки междуэтажного перекрытия

780

2

балки чердачного перекрытия

1379

3

стропильные конструкции

стропила

3736

4

затяжка

232

5

раскос

562

6

стойка

374

7

бабка

22

8

итого по виду

4926

9

купольные конструкции

151

всего

7085

 

Таблица 2.

№ п/п

Вид конструкции

Пролет, м

Сечение

максимальный

минимальный

эскиз

размеры, мм

min

max

1

Балки чердачных и междуэтажных перекрытий

9,7

2,5

Подпись: d
Подпись: d

 

 

b=80

h=160

b=290

h=340

 

  

b=200

h=250

b=300

h=300

 

 

d=200

d=250

2

Стропильные конструкции

22

6,5

 

 

b=120

h=130

b=300

h=320

 

 

b=150

h=180

b=360

h=380

 

 

b=150

h=180

b=180

h=200

 

 

d=140

d=320

3

Купольные конструкции

18

5

  

 

b=65

h=270

b=70

h=340

 

 


 

Таблица 3.

№ п/п

Вид конструкции

Расположение повреждения по длине конструкции

Количество конструкций

Количество конструкций с биоповреждением, шт/%, при расположении:

всего обследовано, шт

биоповрежденных, шт/%

на поверхности конструкции:

по периметру

по сечению

по длине

всего

верхней

нижней

боковой

до 10%1

11-30%

31-50%

51-100%

до 0,2L2

0,2L - 0,5L

0,5L - L

1

2

 

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

1

Балки междуэтажных перекрытий

у опоры на наружную стену

780

63

8,1

42

5,4

16

2,1

1

0,1

18

2,3

13

1,7

22

2,8

13

1,7

3

0,4

4

0,5

36

4,6

5

0,6

1

0,1

2

середина пролета

10

1,3

6

0,8

1

0,1

4

0,5

-

8

1

2

0,3

-

-

8

1

2

0,3

-

3

у опоры на внутреннюю стену

11

1,4

2

0,7

1

0,1

7

0,9

3

0,4

4

0,5

5

0,6

1

0,1

1

0,1

10

1,3

1

0,1

-

4

Балки чердачных перекрытий

у опоры на наружную стену

1379

439

31,8

373

27

29

2,1

20

1,5

103

7,5

239

17,3

109

7,9

72

5,2

57

4,1

135

9,7

287

20,8

69

5

17

1,2

5

середина пролета

30

2,2

2

0,1

3

0,2

19

1,4

8

0,6

16

1,2

7

0,5

3

0,2

4

0,3

22

1,6

6

0,4

3

0,2

6

у опоры на внутреннюю стену

36

2,6

6

0,4

1

0,1

5

0,4

27

2,0

8

0,6

9

0,7

7

0,5

12

0,9

23

1,7

8

0,6

5

0,4

7

Стропильные конструкции

у карнизного узла

3736

766

20,5

574

15,4

95

2,5

18

0,5

96

2,6

366

9,8

164

4,4

132

3,5

98

2,6

180

4,8

367

9,8

110

2,9

97

2,6

8

середина пролета

113

3

33

0,9

8

0,3

13

0,4

62

1,7

34

0,9

21

0,6

18

0,5

40

1,1

91

2,4

14

0,4

8

0,2

9

у конькового узла

79

2,1

19

0,5

7

0,2

14

0,4

41

1

35

0,9

21

0,6

12

0,3

11

0,3

59

1,6

13

0,6

7

0,2

10

Купольные конструкции

у нижнего опорного кольца

151

114

75,5

41

27,2

3

2

25

16,6

15

9,9

7

4,6

23

15,2

13

8,6

4

2,7

1

0,7

37

24,5

3

2

1

0,7

11

середина пролета

14

9,3

8

5,3

3

2

4

2,7

-

7

4,6

3

2

4

2,7

-

12

8

2

1,3

-

12

у верхнего опорного кольца

59

39,1

18

11,9

-

13

8,6

28

18,5

14

9,27

11

7,3

9

6

25

16,6

40

26,5

13

8,6

6

4

Примечание: 1 – процент поврежденного сечения - отношение общей площади поперечного сечения конструкции в биопораженном участке, к площади биопораженной древесины в том же поперечном сечении L – длина конструкции.


 

Таблица 4.

№ п./п.

Вид конструкции

Элемент конструкции

Напряженное состояние в при эксплуатации

Срок эксплуатации, лет

Количество, шт.

всего обследовано

с трещиной

шт.

%

1

2

3

4

5

6

7

8

1

Балки междуэтажных перекрытий

изгиб

50 - 100

440

354

80

2

Балки чердачных перекрытий

изгиб

50 - 100

186

150

81

3

Стропильные конструкции

стропила

изгиб

50 - 100

446

175

39

4

100 - 150

552

401

73

5

150 - 200

365

144

40

6

Итого

1363

720

53

7

затяжка

растяжение

50 - 100

25

21

84

8

100 - 150

111

80

72

9

150 - 200

96

27

28

10

Итого

232

128

55

11

раскос

сжатие

50 - 100

291

113

39

12

100 - 150

152

120

79

13

150 - 200

119

44

37

14

Итого

562

277

49

15

стойка

сжатие

50 - 100

184

69

38

16

100 - 150

107

38

36

17

150 - 200

83

27

33

18

Итого

374

134

36

19

бабка

-

50 - 100

4

3

75

20

100 - 150

18

13

72

21

Итого

22

18

73

22

Итого по виду

2553

1275

50

23

Всего

3179

1779

56%

 

По материалам журнала «Строительные материалы» № 5 (2003г.)

 

 

Цитировать изложенный на сайте материал допускается только с разрешения авторов и при наличии ссылки на первоисточник.
Отправить сообщение для: lmk3@rambler.ru c вопросами и замечаниями об этом веб-узле.
Дата изменения: 13.01.2009.