Определение деформаций зданий

Инструментальные средства контроля технического состояния зданий

Техническое обследование зданий имеет целью определить физическое состояние конструкций, степень изменения свойств материалов, дефекты конструкций. Оно производится перед реконструкцией,учитывает будущую перепланировку помещений, возможную замену перекрытий,надстройку и другие решения. Это приводит к увеличению постоянных и временных нагрузок. Поэтому получение наиболее полных данных о фактическом состоянии несущих и ограждающих конструкций с учетом изменения их во времени служит исходным материалом для проектирования реконструктивных работ.

В процессе диагностики и освидетельствования строительных конструкций зданий, для определения физико-механических свойств материалов, геометрических характеристик, прогибов и перемещений, дефектоскопии и т.п. применяют самые разнообразные приборы и оборудование.

Для определения соответствия проектному положению строительных конструкций, включая деформации всех видов,применяются геодезические приборы и приспособления (теодолиты, нивелиры). Для измерения кренов и колебаний зданий применяют оптические лазерные приборы вертикального проецирования.

При обследовании конструкций применяют теодолиты Т2, 2Т5К, нивелиры H 1, H 05,КОН-007, оптические центровочные приборы ОЦП-2, «Зенит-ОЦГТ», «Зенит-ЛОТ» и др.

Широко используются фототеодолиты различных марок с приспособлениями для обработки данных измерений в виде стереофотограмметрических камер, инженерных фотограмметров, стереокомпараторов и др. Для повышения точности геодезических измерений используются лазерные приборы.

Определение прочностных и деформативных свойств материалов, из которых изготовлены и возведены конструкции зданий, осуществляется методами прямых испытаний образцов. Несмотря на достаточно высокую трудоемкость этих работ, данный метод позволяет получить более достоверные результаты.

Для извлечения образцов широко используются универсальные кернообразователи с алмазными коронками. Они позволяют получать образцы материала в виде цилиндров при различном расположении конструкций. В результате механических испытаний определяются:прочность, плотность, водонепроницаемость и другие физико-механические характеристики.

Для получения требуемой достоверности испытаний используются вероятностно-статистические методы,учитывающие случайный характер распределения свойств материала.

Извлечение опытных образцов из конструкции часто затруднительно. Поэтому при обследовании зданий широко используются неразрушающие методы испытаний.

Приборы для определения прочностных и деформативных свойств материалов конструкций базируются на применении:

I . механических методов -методы пластических деформаций, основанные на вдавливании штампа в поверхность материала (молоток Кашкарова, склерометр Шмидта, прибор КМ, молоток Физделя и др.); методы испытаний на отрыв и скалывание, основанные на отделении бетона путем отрыва со скалыванием (гидравлические пресс-насосы); метод упругого отскока - прибор КМ и др.;

II . физических методов -ультразвуковые методы, основанные на измерении скорости распространения упругих волн. Ультразвуковые дефектоскопы Пульсар, Tico , Бетон 12М, УК-12М (рис. 2.4), измерители прочности бетона, кирпича и других материалов конструкций ОНИКС-2.3, Digi Schmidt (рис. 2.5); ПИК-1 и т.п.; радиоизотопные,основанные на определении плотности по изменению интенсивности гамма-излучения;магнитный для определения толщины защитного слоя арматуры ИЗ C -10Н и др.

Рис. 2.4. Ультразвуковые дефектоскопы отечественного(Пульсар) (а)и зарубежного производства ( Tico) (б)

Рис. 2.5. Измерители прочности бетона
а -Оникс-2.3производства фирмы «Карат» (РФ); б - молоток Шмидта (Германия)

Для определения динамических характеристик используются виброметры ВИСТ-2, измеритель механических напряжений и колебаний ИНК-2, амплитудомеры, вибромарки, электронная виброизмерительная и записывающая аппаратура в составе: пьезодатчиков ускорения или перемещений, усилителя и записывающего прибора. При этом запись динамических параметров производится как на ленте с помощью механических или световых систем, так и на компьютере с программным обеспечением расшифровки динамических параметров - амплитуды, частоты колебаний, ускорения, а также амплитудно-частотных спектров. По данным тарировочных испытаний определяются динамические параметры строительных систем.

Современные приборы диагностики обеспечивают не только достаточно высокую точность измерений с пределом погрешностей 3-5 %, но и имеют малые габариты, графический дисплей с подсветкой, оптоинтерфейс - канал информационной связи с компьютером и программы компьютерного анализа.

Для измерения усилий,передаваемых на конструкции лебедками, домкратами и др., применяют гидравлические и пружинные динамометры, прогибомеры типа ПМ-3, ПАО-5,электронные измерители деформации ЭИД, ТЦМ с использованием тензорезисторов различного типа. Для определения углов поворота конструкций используют клинометры.

Широкое распространение для оценки состояния конструкций получили неразрушающие методы натурных испытаний.Их применяют для установления прочности на сжатие R ,которая определяется как функция R = f (х₁) механической или физической характеристики материала, полученной опытным путем.

Особое место в определении дефектов бетонных, железобетонных и каменных конструкций отводится ультразвуковому методу испытаний. С его помощью определяются дефекты конструкций (полости и пустоты, глубина трещин, толщина поврежденного слоя и т.п.).

Определение прочности бетона по скорости прохождения ультразвука осуществляется при сквозном, диагональном и поверхностном прозвучивании (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Принципиальная схема дефектоскопа (а), схемы определения прочности бетона сквозным (б),диагональным (в)и поверхностным (г) прозвучиванием, (д)-градуированная кривая «прочность - скорость ультразвука»
1 ,2 -точки установки преобразователей; 3 - испытываемая конструкция; 4 -кабели; 5 - источник ультразвука; 6 - цифровой индикатор

Используя градуировочную зависимость «прочность бетона - скорость ультразвука», производится оценка прочностных характеристик конструкций.

На рис. 2.7 приведены некоторые примеры определения дефектов железобетонных конструкций. Для обнаружения пустот и каверн в теле бетонных и железобетонных конструкций используется сквозное ультразвуковое прозвучивание. Зона дефекта оценивается как область с резким снижением скорости ультразвука (рис. 2.7,а).

Для обнаружения и оценки глубины трещин в бетонных и железобетонных конструкциях используются известные в строительстве импульсные ультразвуковые приборы. Применяют поверхностное прозвучивание. Расстояние между ультразвуковыми датчиками составляет 120-400мм. О наличии трещины свидетельствует изменение времени распространения ультразвуковых колебаний на базе измерения. Для обнаружения трещин удобнее использовать приборы с датчиками на фиксированной базе и сухим контактом (рис.2.7,б).

При заметном увеличении времени распространения ультразвукового сигнала, свидетельствующего о трещине, может быть установлена ее глубина. Для этого трещина должна располагаться под центром базы установки датчиков. Глубину трещины определяют по соотношению

где l- база установки датчиков; t _s , t ₀ -время распространения ультразвуковых колебаний в бетоне на базе lпри наличии и отсутствии трещины.

Толщина поврежденного бетонного слоя (рис. 2.7,в) определяется по характеру падения скорости прохождения ультразвука ( v ₁ , v ₂ ) по следующей зависимости где v ₁ , v ₂- соответственно скорости распространения импульсов в слое с нарушенной и ненарушенной структурой.

Рис. 2.7. Определение дефектов железобетонной конструкцииультразвуком
а - определение пустот; б - определение трещин; в -ультразвуковой прибор; г - определение зон отслоившегося и разрушенного бетона; д - график распространения скорости ультразвука; 1 ,2 - преобразователи ультразвука; 3 - испытываемая конструкция; 4 - зона дефектов; 5 - график изменения скорости ультразвука

Сопоставительный анализ неразрушающих методов испытания бетона конструкций показал правомочность и достаточно высокую однородность результатов, полученных прибором упругого отскока КМ, эталонным молотком Кашкарова, ультразвуковым способом и методом непосредственных испытаний образцов, выбуренных из тела конструкций.Коэффициенты вариации по прочности соответственно составили при испытании колонн - 10,3; 10,4; 10,0 и 12,6 %; при испытании плит перекрытий - 12,6; 11,8; 12,9 и 13,8 %; при испытании блоков фундаментов - 16,8; 20,4; 19,6 и 20,8 %.

Для полной оценки железобетонных конструкций необходимо знать состояние арматуры и величины защитного слоя бетона. Наиболее эффективным и достаточно универсальным является магнитный способ, а также вскрытие арматуры на наименее напряженных участках конструкций с последующим восстановлением.

Магнитный способ определения защитного слоя арматуры достаточно прост в обращении, имеет высокую степень точности измерения. Переносной прибор ИЗС-10Н позволяет проводить измерения в стесненных условиях и не требует высококвалифицированного персонала. Он обеспечивает обнаружение арматуры с определением ее диаметра от 4 до 32 мм.Диапазон измерения толщины защитного слоя - от 5 до 50 мм. Допустимая погрешность измерения составляет 5 %. Прибор удобен в эксплуатации,имеет малые габаритные размеры и массу в пределах 4,5 кг.

Новое поколение электронных приборов-измерителей защитного слоя типа ПОИСК-2.2, Profometr и др. (рис. 2.8) имеет автоматизированную систему оценки диаметра арматуры. Поиск арматуры и определение проекций стержней осуществляются по цифровой, тонально-звуковой и мнемонической информации. Прибор имеет габариты 145 ´ 40 ´ 25 мм, потребляет мощность 0,02 Вт,обеспечивает диапазон толщин защитного слоя до 120 мм при диаметре арматуры3-50 мм.

Рис. 2.8. Прибор для измерения и регистрации защитного слоя бетона

Вскрытие арматуры для оценки ее состояния является приемом, когда отсутствуют инструментальные средства контроля требуемых параметров, и широко используется в практике диагностирования железобетонных конструкций.

Для оценки и наблюдения за раскрытием трещин в бетонных, железобетонных и каменных конструкциях используются различные системы маяков, микроскопов и индикаторов часового типа.

Помимо физико-механических характеристик и дефектов несущих конструкций весьма важно произвести оценку следующих параметров, существенно влияющих на комфортность проживания,санитарно-гигиенические условия и эксплуатационные качества жилища, таких, как:воздухопроницаемость стыков панелей; влажность утеплителя стен; состояние герметика стыков; теплозащитные свойства ограждений; звукоизоляция ограждений;газовый состав воздуха в помещениях; воздухообмен, влажность воздуха,температура, освещенность помещений; скорость движения воздуха в помещениях и другие параметры.

Следует отметить, что в последнее время разработан ряд приборов, обеспечивающих контактное и бесконтактное измерение параметров с цифровой или магнитной записью процессов.Наиболее эффективными следует считать тепловизоры, с помощью которых производится инструментальная съемка динамики теплопередачи ограждающих конструкций,лазерные системы термощупов, электронные газоанализаторы и др.

На рис.2.9 приведен пример регистрации температурных полей фасада здания с помощью тепловизора. Для оценки температур различных участков используется цветовая шкала, с помощью которой возможно оценить температурные параметры отдельных участков и фасадной поверхности в целом.

Рис. 2.9. Температурные поля фасада здания,зарегистрированные тепловизором

Для количественной оценки теплопотерь и тепловых полей при неоднородности стенового ограждения и примыкания светопрозрачных конструкций (окна, балконные двери и т.п.) очень важен выбор приборов, оптимально решающих задачу бесконтактной регистрации тепловых полей, с учетом разрешающей способности и с учетом критерия «цена -качество».

Известно, что одними из основных факторов, определяемых при регистрации тепловых сетей и влияющих на погрешность оценки термического сопротивления и обнаружения дефектов строительных конструкций,являются пространственная разрешающая способность и температурная погрешность регистрации, а также и временной интервал процесса проведения контроля.

С точки зрения получения реальной картины тепловых полей и источников теплопотерь целесообразно использовать приборы с более высокой разрешающей способностью.

Исследования и анализ аномальных температурных участков ограждающих конструкций, проведенные О.Н. Будадиным, и их оптимизация показали, что пространственный шаг регистрации должен находиться в пределах 120 мм. С учетом изложенного следует применять приборы,обеспечивающие не только требуемую разрешающую способность, но и их быстродействие.

В таблице 2.3 приведены зарубежные и отечественные приборы и их разрешающая способность.

Таблица 2.3

Характеристики тепловизоров

№ п.п.	Наименование прибора (тип прибора, страна-производитель)	Пространственное разрешение (пиксели), М´ N	Частота кадров, Гц	Время контроля поверхности 1000 м2 (разрешение - 120 мм), с	Погрешность измерения температуры	Цена (базовый комплект), тыс. долл.
Время регистрации одного измерения, с
	Thermacan PM 595 (тепловизор, США)	320 ´ 240	60		±2°С	85,0
	TVS -100 (тепловизор, Япония)	320 ´ 240	10		±2%	35,0
	Varioscan -3022 (тепловизор, Германия)	180 ´ 120	0,8		±2°С	50,0
	ИРТИС (тепловизор, Россия)	220 ´ 175	0,5		±2 %	19,0
	Aurora (тепловизор-сканер, Россия)	110 ´ 60	0,6		±1°С	19,0

Для достоверной оценки теплотехнических характеристик необходимо учитывать их тепловое состояние с периодом 1-3 часа. Из этого критерия следует осуществлять выбор прибора, обеспечивающего получение реального состояния тепловых полей.

Так, время контроля поверхности стен с разрешением 120 ´ 120 мм составляет от 3 минут до одного часа с уровнем погрешности ± 2 °С.

Кроме контрольных функций целесообразно использовать тепловизоры при назначении технологии производства работ с использованием энергоэффективных блоков стенового ограждения, где материал швов определяет уровень теплопотерь (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Термограмма стены крупнопанельного здания (а)и гистограмма (б),построенная с шагом 160 ´160мм

Использование экспериментальных участков с различными материалами швов позволит оптимизировать технологию работ с позиций теплотехнической однородности.

Применение тепловизоров при заводском изготовлении наружных стеновых панелей является эффективным средством выбраковки, определения мостиков холода, зон более высокой плотности бетона и др. технологических нарушений.

Отклонение указанных параметров от нормативных значений приводит к разной потере эксплуатационных качеств,повышению расхода тепла на обогрев помещений, изменению микроклимата квартир и другим негативным моментам.

Так, постоянное увлажнение помещений и высокие теплопотери в результате продуваемости стыков приводят к частому заболеванию жильцов. Эти же параметры существенно влияют и на долговечность конструкций.

Слабая звукоизоляция внутренних стен, перекрытий, лестничных площадок и лифтовых шахт, характерная для крупнопанельных жилых зданий, приводит к дискомфорту проживания, а повышенные вибрационные нагрузки - к нарушению герметичности стыков и их преждевременному разрушению.

Существенное влияние на условия проживания оказывают химический состав воздуха и наличие агрессивных компонентов, что может являться результатом внешнего воздействия, а также реакцией материала конструкций и отделочных покрытий при взаимодействии с атмосферой.

Наличие блуждающих токов и других электромагнитных явлений в конструкциях жилых зданий также приводит к нарушению комфортности проживания.

Использование строительных материалов, не проверенных на радиоактивность, приводит в некоторых случаях к повышенному радиационному фону помещений. Это относится прежде всего к стеновым материалам из шлака и золы гидроудаления. Поэтому постоянный контроль за присутствием радиоактивности в щебне и других материалах обязателен при выполнении реконструктивных работ.

Одним из критериев, существенно влияющих на комфортность проживания, является воздухообмен помещений.Требования СНиП нормируют расход воздуха для различных помещений, что достигается методами принудительной и естественной вентиляции. Особое место при этом отводится оценке воздухопроницаемости ограждающих конструкций и их влиянию на микроклимат помещений.

Этими требованиями обеспечивается поддержка чистоты воздуха в помещениях, которая достигается не только кратностью воздухообмена, но и требованиями к элементам зданий и отделочным материалам по их способности выделять вредные вещества.

Экологическая чистота жилых помещений и зданий в целом формирует условия безопасного проживания граждан,обеспечивающие минимально необходимые санитарно-гигиенические условия,образующие внутренний микроклимат: температурный режим; влажностный и подвижный режимы воздуха; приемлемые уровни шума и вибраций; концентрации вредных химических веществ в воздухе; освещенность и инсоляция; уровни электромагнитного и ионообразующего излучения; уровень статического электричества.

Комплекс минимально допустимых параметров дает представление о критериях экологически чистого жилья и экологической безопасности. Каждая квартира или жилой дом должны иметь санитарно-гигиенический паспорт, составленный на основе инструментальной проверки физического состояния. Особое значение данный документ приобретает при выполнении реконструктивных работ, объемы которых ежегодно возрастают.

Под воздействием постоянных и переменных нагрузок в зданиях могут возникать деформации. Они подразделяются на местные, когда перемещения, прогибы или повороты происходят в узлах и конструкциях,и общие, когда перемещается и деформируется здание в целом. В свою очередь,деформации могут быть остаточными и упругими, исчезающими при снятии нагрузки.

Для измерения местных деформаций используются различные системы прогибомеров и индикаторы часового типа.

Общие деформации здания являются следствием просчетов в подборе фундаментов, что приводит к неравномерной осадке различных частей здания, а также к нарушениям эксплуатационного режима -замачиванию грунтов вследствие аварии сетей водо- и теплоснабжения, изменению гидрогеологических условий.

Для измерения осадок, кренов,смещений зданий используют методы инженерной геодезии. Смысл диагностики заключается в сопоставлении отметок реперов и осадочных марок. Реперы закладываются на такую глубину, чтобы их основанием служили практически несжимаемые грунты. Их располагают вокруг здания на расстоянии 30-100 м.

Осадочные марки устанавливают в фундаменты по периметру здания. Положение их осей выносят на стены и фиксируют несмываемой краской. С помощью нивелирования определяют характер общих осадок для различных участков здания (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схемы определения осадки зданий и кренов
а - схема регистрации осадки здания: Р_оп - опорные репера; ОМ - осадочные марки; б ,в -определение крена здания методом измерения горизонтальных углов: А , А₁-центры знаков на расстоянии 30-50 м от здания; С, С ₁ - удаленные знаки; В -марка на верхней части здания; g , g ₁-измеряемые углы

Крены зданий фиксируют боковым нивелированием или измерением горизонтальных углов. Использование клинометров и кренометров позволяет получить более точные характеристики деформаций. Для измерения наклонов используют точные уровни с измерительным винтом.

Линейная величина частных кренов, мм, определяется по зависимостям (рис. 2.8,б)

где g , g ₁- приращение угла в одну сторону; L , L ₁ - расстояние от сооружения до знака; r- коэффициент перевода углов в линейное значение.

Измерение сдвигов зданий осуществляется с помощью теодолита. При этом боковое смещение измеряют от прямых линий, фиксируемых вдоль периметра здания. В качестве линии отсчета используют струну или лазерный луч.

Более точным средством регистрации деформаций является метод фотограмметрии, который позволяет получать графическое изображение объекта с параметрами отклонений различных его точек.

Особое внимание при диагностике технического состояния зданий отводится оценке геометрического положения несущих и ограждающих конструкций, узлов и сопряжений, деформаций в виде прогибов, угловых смещений и т.п. Эти параметры измеряются традиционными методами и сравниваются с допустимыми значениями.

В местах, неудобных для геометрического нивелирования из-за стесненности условий работ, используется гидростатическое нивелирование. Гидростатический прибор подвешивается к высотным маркам и по разности отсчетов по соседним трубкам определяется величина превышений. Точность измерений составляет 0,1 мм.

После регистрации деформаций отдельных конструкций производят сравнение с допустимыми значениями (табл.2.4).

Таблица 2.4

Значение предельно допустимых прогибов

№ п.п.	Элементы конструкций	Предельно допустимые прогибы
	Железобетонные перекрытия с плоским потолком при пролете, м:
	l < 6	1/200
	6 < l < 7,5	3 см
	l > 7,5	1/250
	Перекрытия с ребристым потолком, м:
	l < 5	1/200
	5 < l < 10	2,5 см
	l > 10	1/400
	Металлические балки перекрытий при пролете, м:
	l < 6	1/250
	6 < l < 7,5	2 см
	7,5 < l < 10	1/400
	Стеновые панели самонесущие при пролете, м:
	l < 6	1/200
	6 < l < 7,5	3 см
	l > 7,5	1/250

Данные измерений деформаций представляют в виде исполнительной схемы и журнала изменений. Они используются для составления заключения о техническом состоянии здания.