Оценка технического состояния строительных конструкций перекрытия

Оценка технического состояния строительных конструкций перекрытия над первым этажом и колонн в уровне второго этажа здания корпуса №3 ОАО «Уральское ПКБ Деталь» в г.Каменск-Уральский Свердловской области.
Заказчик - ООО "Арктика".
Поводом проведения обследования с оценкой их несущей способности является переоборудование помещений второго этажа здания при проводимом капитальном ремонте здания, а также выполненной надстройкой третьего этажа здания.
В настоящее время силами Заказчика ведутся строительно-монтажные работы по капитальному ремонту здания корпуса №3 ОАО «Уральское ПКБ Деталь». После демонтажа перегородок, отделочных слоев стен, потолков и полов у Заказчика возникли опасения за техническое состояние строительных конструкций перекрытия над первым этажом и колонн в уровне второго этажа здания ввиду наличия в них дефектов, повреждений и деформаций (видимых прогибов плит перекрытия, оголения арматурных стержней, отклонений колонн от вертикали и трещин в колоннах в местах примыкания к стенам наружных рядов). Также Заказчик обеспокоен за несущую способность перекрытия в связи с планируемым устройством полов на нем и кирпичных перегородок.
Согласно отчету «по результатам натурного обследования состояния несущих и ограждающих конструкций здания корпуса №3» ЗАО «Казанский ГипроНИИавиапром», здание было построено в 1961 году двухэтажным, эксплуатировалось как административно-бытовое. В 2010 году перед планируемым капитальным ремонтом и надстройкой третьего этажа было проведено техническое обследование силами ЗАО «Казанский ГипроНИИавиапром», по результатам которого были выявлены дефекты и повреждения в несущих и ограждающих строительных конструкциях, разработаны рекомендации по их устранению. Далее ЗАО «Казанский ГипроНИИавиапром» разработал проектную и рабочую документацию по капитальному ремонту здания корпуса №3 с надстройкой третьего этажа и усилению несущих и ограждающих конструкций. В 2013 году было получено положительное заключение государственной экспертизы проектной документации. Далее были выполнены работы по надстройке третьего этажа здания и усилению несущих и ограждающих строительных конструкций.
В настоящее время здание трехэтажное, в плане имеет прямоугольную форму с размерами в осях 1-15/А-Д 77,5м х 23,5м. Предположительно, здание строилось хозяйственным способом, на что указывает отсутствие проектной и исполнительной документации, применение различных по материалу и конструктиву несущих конструкций в составе одного этажа или перекрытия, несоблюдение общепринятых осевых размеров плановой сетки колонн 6м х 6м второго этажа.
По конструктивной схеме здание каркасное, образованное поперечными четырехпролетными рамами. В уровне первого этажа поперечные рамы образованы сборными железобетонными колоннами средних рядов и кирпичными колоннами наружных рядов, а также сборными железобетонными ригелями перекрытия над первым этажом. В уровне второго этажа поперечные рамы образованы кирпичными колоннами и стальными ригелями перекрытия над вторым этажом. В уровне третьего этажа поперечные рамы состоят и стальных колонн и ригелей покрытия. Здание разделено на два температурных блока поперечным деформационным швом в осях 7-8 со смещением осевого шага на 500мм. Пространственная неизменяемость и устойчивость здания в поперечном направлении обеспечивается поперечными рамами и жесткими дисками перекрытий – в продольном, а также лестничными узлами, расположенными в осях 1-2/А-Б и 14-15/Г-Д на всю высоту здания.
На момент обследования здание не эксплуатировалось, в нем велись работы по капитальному ремонту (демонтаж старых и устройство новых перегородок), все отделочные слои стен и потолков, а также составы полов со стяжками были демонтированы .
При выполнении чертежей нумерация разбивочных осей была назначена в соответствии с рабочей документацией, осевые размеры приняты по результатам натурных измерений, значения высотных относительных отметок конструкций не применялись.
Ригели перекрытия Р1 и Р2 над первым этажом выполнены сборными железобетонными, схема их расположения была показана на специальных схемах.
Ригели Р1 расположены по осям 1-15, выполнены тавровым сечением, пролетом 5780мм, высотой 820мм, шириной 220мм в нижней части, шириной 420мм в верхней части. По результатам натурного обследования установлено, что армирование нижней зоны ригелей Р1 в пролетном участке выполнено не менее 6 арматурными стержнями диаметром 25мм класса А-II с защитным слоем бетона не менее 10мм, прочность бетона соответствует классу не менее В25. Ригели Р1 однопролетные, шарнирно опираются на оголовки колонн первого этажа здания, воспринимают нагрузку от плит перекрытия над первым этажом здания. Геометрические характеристики поперечного сечения и параметры рабочего армирования показаны на специальных схемах технического заключения.
Ригели Р2 расположены по рядам А и Б в осях 1-2 и по рядам Г и Д в осях 14-15, выполнены тавровым сечением, пролетом 3180мм, высотой 660мм, шириной 160мм в нижней части, шириной 360мм в верхней части. По результатам натурного обследования установлено, прочность бетона соответствует классу не менее В25. Ригели однопролетные, Р2 шарнирно опираются на оголовки колонн и стены лестничных клеток первого этажа здания, воспринимают нагрузку от плит перекрытия над первым этажом здания.
При проведении обследования было выявлено наличие каверн, пустот и раковин на нижних зонах ригелей перекрытия с оголением стержней армирования, образовавшиеся вследствие некачественного их бетонирования на стадии изготовления, что указывает на изготовление конструкций на строительной площадке хозяйственным способом.  Основными функциями защитного слоя бетона являются: защита арматурных стержней от негативного влияния окружающей среды и обеспечение совместной работы арматурных стержней с бетоном как единой конструкции. Известь, образующаяся при гидратации цемента (в процессе схватывания и твердения), создает в бетоне щелочную среду с высоким показателем pH (около 12). При проникновении углекислого газа в защитный слой бетона известь нейтрализуется на определенную глубину путем образования карбоната кальция (который снижает показатель pH). Такой поврежденный бетон еще называется карбонизированным, то есть не способным защитить стальную рабочую арматуру от кислой среды. Защитной слой бетона при недостаточной ее толщине не способен к поддержанию пассивного состояния арматурных стержней от проникновения в нее ионов – стимуляторов коррозии. Ржавчина, формирующаяся при окислении арматуры, увеличивается в объеме, повышает внутреннее напряжение, что может привести к растрескиванию и расслоению защитного слоя бетона вдоль арматурных стержней и оголению корродирующей арматуры. Оголенная арматура при разрушенном защитном слое корродирует еще стремительнее, что приводит к уменьшению площади рабочей арматуры и быстрому изнашиванию железобетонной конструкции.
Каких-либо других дефектов и повреждений ригелей Р1 и Р2, снижающих их несущую способность и долговечность (трещины силового характера, промочки, сколы бетона и т.д.), на момент проведения обследования не обнаружено.
Обследование плит перекрытия П1÷П4 над первым этажом показало, что они выполнены сборными железобетонными.
Плиты П1 выполнены с 4 овальными пустотами 270мм×90мм(h), пролетом 5980мм, высотой 170мм, шириной 1590мм. По результатам натурного обследования установлено, что армирование нижней зоны плит П1 в пролетном участке выполнено 5 арматурными стержнями диаметром 16мм класса А-II с защитным слоем бетона не менее 10мм, прочность бетона соответствует классу не менее В25. Плиты П1 однопролетные, шарнирно опираются на верхние поверхности ригелей перекрытия Р1.
Плиты П2 выполнены с 5 овальными пустотами 270мм×90мм(h), пролетом 5980мм, высотой 170мм, шириной 1790мм. По результатам натурного обследования установлено, что армирование нижней зоны плит П2 в пролетном участке выполнено 6 арматурными стержнями диаметром 16мм класса А-II с защитным слоем бетона не менее 10мм, прочность бетона соответствует классу не менее В25. Плиты П2 однопролетные, шарнирно опираются на верхние поверхности ригелей перекрытия Р1.
Плиты П3 выполнены лоткового типа, пролетом 5980мм, высотой 260мм, шириной 790мм, толщина плитной части составляет 60мм, ширина ребер – 80мм. По результатам натурного обследования установлено, что армирование несущих ребер выполнено 2 арматурными стержнями диаметром 14мм класса А-III в нижней зоне и 1 арматурным стержнем диаметром 14мм класса А-III в верхней зоне, с защитным слоем бетона не менее 10мм. Армирование плитной части в пролетном участке выполнено арматурными стержнями диаметром 6мм класса А-I, расположенными с шагом 180мм с защитным слоем бетона не менее 10мм. Прочность бетона соответствует классу не менее В25. Плиты П3 однопролетные, шарнирно опираются на верхние поверхности ригелей перекрытия Р1.
Плиты П4 выполнены лоткового типа, пролетом 5980мм, высотой 260мм, шириной 1590мм, толщина плитной части составляет 60мм, ширина крайних ребер – 80мм, ширина среднего ребра – 120мм. По результатам натурного обследования установлено, что армирование несущих ребер выполнено 2 арматурными стержнями диаметром 14мм класса А-III в нижней зоне и 1 арматурным стержнем диаметром 14мм класса А-III в верхней зоне, с защитным слоем бетона не менее 10мм. Армирование плитной части в пролетном участке выполнено арматурными стержнями диаметром 6мм класса А-I, расположенными с шагом 180мм, с защитным слоем бетона не менее 10мм. Прочность бетона соответствует классу не менее В25. Плиты П4 однопролетные, шарнирно опираются на верхние поверхности ригелей перекрытия Р1.
Для образования жесткого диска перекрытия между всеми плитами П1÷П4 выполнена анкеровка с помощью гладких арматурных стержней диаметром 16мм класса AI, закрепленных «крест на крест» к монтажным петлям плит.
На момент проведения обследования полы и цементно-песчаная стяжка по плитам перекрытия в пространстве второго этажа здания были демонтированы, таким образом, в настоящее время плиты воспринимают нагрузку только от собственного веса. Проектом капитального ремонта здания предусматривается устройство новых полов и перегородок по обследуемым плитам перекрытия П1÷П4.
При проведении обследования были выявлены следующие дефекты и повреждения плит перекрытия над первым этажом:

    Повреждения плит П3 и П4 в виде оголения стержней рабочего армирования верхних зон продольных ребер, образовавшиеся, вероятнее всего, в результате механического воздействия.
    Было обращено внимание, что на тех отдельных плитах, на которых возведены новые кирпичные перегородки, имеется визуальный прогиб, которого не наблюдается на плитах, не загруженных перегородками, что свидетельствует о перегрузке нагруженных плит. Разрушение плит (образование силовых поперечных трещин) не происходит, вероятнее всего, из-за того, что соседние ненагруженные плиты включились в работу совместно с перегруженными. При дальнейшем загружении перекрытия эксплуатационными нагрузками (составом пола, полезными от людей и временными от оборудования нагрузками) возможно разрушение плит при достижении предела несущей способности по прочности поперечного сечения, т.е. аварийной ситуации.

Обследование колонн. Кирпичные колонны каркаса второго этажа возведены по верху стыков сборных пустотных железобетонных плит перекрытия на пересечениях буквенных и цифровых осей здания. При таком конструктивном решении передача нагрузки от колонны второго этажа на колонну первого этажа происходит через плиту перекрытия, при этом пустоты в зоне передачи вертикального усилия должны быть заполнены бетоном. Данные работы относятся к скрытым, проконтролировать выполнение которых без непосредственного вскрытия пустот невозможно. В отчете «по результатам натурного обследования состояния несущих и ограждающих конструкций здания корпуса №3», выполненного ЗАО «Казанский ГипроНИИавиапром» в 2010 году, дана рекомендация «заинъецировать бетоном В15 участки пустот плит перекрытия над первым этажом, расположенные под кирпичными столбами». Если данная рекомендация была выполнена в ходе работ по капитальному ремонту здания, необходимо предоставить акт выполненных работ.
Каких-либо других дефектов и повреждений плит перекрытия над первым этажом здания, снижающих их несущую способность и долговечность (трещины силового характера, промочки, сколы бетона и т.д.), на момент проведения обследования не обнаружено.
Колонны (столбы) второго этажа здания выполнены из кирпичной кладки на цементно-песчаном растворе с размерами поперечного сечения 510х510мм, возведены по верху стыков сборных пустотных железобетонных плит перекрытия над первым этажом на пересечениях буквенных и цифровых осей здания. Высота кирпичной части столбов составляет 3200*мм. По верху кирпичной части столбов выполнены монолитные железобетонные оголовки высотой 800*мм, на которые шарнирно опираются стальные балки перекрытия над вторым этажом здания. Средняя прочность кирпича, который применён в кладке колонн, равна 11,45МПа, что соответствует марке камня по прочности на сжатие не ниже М100. Марка раствора, примененного в кладке, составляет не ниже М50. Следовательно, расчётное сопротивление сжатию кладки стен равно 15,0 кгс/см2. Кирпичные колонны (столбы) средних рядов по осям Б, В, Г обрамлены обоймами из стальных уголков 50х50х5мм. Кирпичная кладка колонн крайних рядов по осям А и Д не перевязана с кладкой наружных стен, поэтому данные столбы не считаются пилястрами, то есть не работают совместно со стенами. Колонны (столбы) второго этажа воспринимают нагрузки от перекрытия над вторым этажом, каркаса третьего этажа и от покрытия здания.
При проведении обследования были выявлены следующие дефекты и повреждения колонн (столбов) второго этажа здания:

    Передача усилий от ригелей перекрытия над вторым этажом здания на кирпичные колонны через монолитные железобетонные оголовки происходит внецентренно, максимальное значение эксцентриситета приложения нагрузки (расстояния от вертикальной оси центра балки перекрытия над вторым этажом до вертикальной оси центра поперечного сечения колонны) составляет 140мм. Величина случайного эксцентриситета, допустимого при монтаже перекрытий на оголовки данных кирпичных колонн, составляет ~20мм (высота поперечного сечения колонны h / 30 = 51см / 30 = 17мм). Внецентренная передача вертикальных нагрузок от ригеля перекрытия над вторым этажом, превышающая допустимые значения, приводит к образованию усилия изгибающего момента на поперечное сечение кирпичной колонны (столба) второго этажа здания. В таких случаях необходим проверочный расчет несущей способности конструкций. Выявленная внецентренная передача нагрузок является дефектом монтажа стальных ригелей перекрытия над вторым этажом здания. Как было установлено в результате выполненного натурного обследования, колонны (столбы) второго этажа возведены со смещением от общепринятых осевых размеров плановой сетки колонн 6м х 6м. При этом, строительные конструкции перекрытия над вторым этажом были запроектированы, изготовлены и применены как для плановой сетки колонн 6м х 6м без учета фактического планового положения колонн второго этажа здания.
    В местах сопряжения кирпичных колонн (столбов) второго этажа и наружных кирпичных стен имеются вертикальные сквозные трещины. Дело в том, что при каркасном конструктивном исполнении здания кирпичная кладка колонн (столбов) крайних рядов по осям А и Д должна быть перевязана с кирпичной кладкой наружных стен по всей высоте здания для обеспечения совместной работы на воспринятие действия вертикальных нагрузок и действия горизонтальных ветровых нагрузок, а также горизонтальных усилий температурного расширения. Данное конструктивное решение называется образование пилястр. В обследуемом же здании кирпичная кладка колонн по осям А и Д не перевязана с кирпичной кладкой наружных стен. Кирпичная кладка наружных стен и кирпичная кладка крайних колонн находятся в разных напряженно-деформируемых состояниях, что естественно, т.к. испытывают разные усилия: стена вертикальные нагрузки от собственного веса и горизонтальные – ветровые и от температурного расширения. Колонны же загружены значительными вертикальными эксплуатационными нагрузками от вышерасположенных конструкций здания. Именно разнонагруженность при отсутствии перевязки швов кирпичной кладки является причиной образования вертикальных трещин в местах сопряжения кирпичных колонн (столбов) второго этажа и наружных кирпичных стен. Стоит отметить, что ранее были выполнены конструктивные мероприятия по ограничению расслоения кирпичной кладки стен и колонн в указанных зонах путем устройства стального пояса по периметру здания в уровне перекрытия над первым этажом и устройству стальных стягивающих тяжей по специально разработанному проекту. Таким образом, процесс развития вертикальных трещин в указанных зонах с выполнением данных мероприятий должен был быть остановлен.
    Кирпичные колонны (столбы) по рядам Б, В, Г обрамлены защитной обоймой из стальных уголков. При обследовании установлено, что между поверхностями стальных уголков и кирпичной кладкой колонн имеются неплотности и зазоры, стальные стягивающие планки ослаблены, местами вырезаны или отсутствуют, не выполнено конструктивных мероприятий по воспринятию усилий обойм совместно с колоннами. Таким образом, стальные обоймы выполняют лишь защитную функцию углов кирпичных столбов от механического воздействия, функцию усиления и совместной работы они не выполняют.
    Кирпичные колонны в осях 3/Г, 4/Б, 5/В, 6/Б, 6/В, 11/В имеют повреждения в нижних зонах (вблизи плит перекрытия) в виде вертикальных трещин высотой ~300мм с раскрытием снизу вверх. Данные трещины расположены точно над стыками плит перекрытия над первым этажом и образованы, вероятнее всего, в результате температурных деформаций и подвижек смежных плит относительно друг друга по шву цифровых осей из-за слабого натяжения или его отсутствия анкеровочных арматурных стержней.