Введение

В современных условиях развития строительной отрасли обеспечение надежности и долговечности зданий становится первостепенной задачей, особенно для объектов коммерческого назначения, таких как торговые центры. Одной из наиболее критичных проблем является влияние ошибок проектирования на несущую способность конструкций. Нарушения, допущенные на этапе разработки проекта, могут привести к перераспределению нагрузок, изменению характера напряжений и, как следствие, к снижению устойчивости и даже аварийному состоянию конструкции.

В работе «Об ошибках проектирования строительных конструкций» (Ю. Ю. Арушонок, Волгоградский государственный технический университет, Инженерный вестник Дона, № 11 (2021)) подробно проанализированы случаи, когда неразрезные соединения и другие проектные недочеты приводили к перераспределению усилий в элементах строительных конструкций, что существенно увеличивало риск потери устойчивости конструкции [1]. Данный источник демонстрирует, что даже незначительные отступления от проектных решений могут оказать критическое воздействие на надежность возводимых объектов.

Аналогично, в публикации «Ошибки при проектировании зданий и сооружений» (Корнева Е. Р., Вестник науки и образования № 6(18) 2016) автор акцентирует внимание на том, что ошибки, допущенные в процессе разработки проектной документации, зачастую обусловлены недостаточной квалификацией проектировщиков, неэффективной организацией проектных работ и отсутствием должного контроля расчетов. Эти факторы приводят к возникновению конструктивных дефектов, способных вызвать значительные деформации и обрушения, что налагает дополнительные материальные и временные затраты на устранение последствий [2].

В свою очередь, статья «Влияние дефектов конструкций и ошибок проектирования на этапах возведения монолитного каркасного здания» (Клюев К. А., Кузнецов А. А., СтройМного, 2017) демонстрирует, что допущенные на стадии проектирования отклонения и последующие технологические нарушения в ходе строительства приводят к изменению характера нагрузок — вместо расчетных растяжений в элементах конструкции действуют сжимающие усилия, что существенно снижает несущую способность здания [3]. Этот опыт подчеркивает важность комплексного подхода к контролю качества на всех этапах проектирования и строительства.

Анализ литературы по проблеме ошибок проектирования свидетельствует о том, что даже незначительные отклонения от нормативных требований способны привести к перераспределению нагрузок, изменению характера напряжений и снижению устойчивости конструкций. Так, в работе «Об ошибках проектирования строительных конструкций» (Ю. Ю. Арушонок, Инженерный вестник Дона, № 11 (2021)) приводится пример, когда неразрезные соединения в узлах стропильных ферм приводят к существенному изменению распределения усилий, что повышает риск потери устойчивости. Аналогичные выводы содержатся в публикации «Ошибки при проектировании зданий и сооружений» (Корнева Е. Р., Вестник науки и образования № 6(18) 2016) и в статье «Влияние дефектов конструкций и ошибок проектирования на этапах возведения монолитного каркасного здания» (Клюев К. А., Кузнецов А. А., СтройМного, 2017).

В настоящей работе приведён пример совокупности таких нарушений как ошибки в проектировании, нарушения технологии строительно-монтажных работ, которые привела к существенным конструктивным дефектам, выраженным в прогибах несущих балок перекрытия здания торгового центра. Данные дефекты возникли вследствие допущенных ошибок в проектировании и несоответствия расчетных параметров реальным эксплуатационным нагрузкам.

Для определения причин возникновения данных дефектов было проведено комплексное техническое обследование здания торгового центра, расположенного в г. Астана (далее — Объект). Необходимость проведения обследования вызвана обнаружением визуальных прогибов балок на объекте торгового центра, что подтверждено геодезическими измерениями, показывающими превышение допустимых норм. По результатам обследования наблюдается визуальный прогиб и трещины в середине пролета, что свидетельствует о недостаточной конструкционной прочности данного участка.

Методика исследования. Обследование Объекта проводилось в соответствии с требованиями СП РК 1.04–101–2012 «Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений» с применением неразрушающих методов диагностики [4].

Комплексное исследование эксплуатационной пригодности конструкций торгового центра на Объекте состояло из следующих этапов:

– подготовительное обследование;

– общее и детальное инструментальное обследование с тотальной инспекцией и выборочными испытаниями на месте;

– расчет прочностных характеристик конструкций;

– исследование и анализ характера дефектов и повреждений, причин их возникновения;

– выбор стратегии и разработка соответствующих рекомендаций по восстановлению эксплуатационной пригодности.

Подготовительное обследование включало работы по сбору и анализу исходных данных по Объекту, в том числе — изучение архивных материалов, нормативно-технических документов, проектной документации, а также пояснительной записки, предоставленной представителями заказчика. На основании этих данных была составлена краткая характеристика обследуемых конструкций, включающая фундамент, перекрытия, железобетонные и металлические элементы, а также кровлю.

Общее и детальное инструментальное обследование строительных конструкций на Объекте включало:

– идентификацию и анализ фактически реализованных конструктивных решений торгового центра;

– проведение тотального визуального осмотра с фотофиксацией выявленных дефектов и повреждений (прогибы, трещины, деформации) в элементах конструкций и их сопряжениях;

– вскрытие и зондирование выборочных участков выполняется для проведения детального инструментального обследования с применением необходимого комплекта приборов;

– выполнение геодезических измерений для определения фактического расположения конструктивных элементов и уклонов.

Расчет прочностных характеристик конструкций осуществлялся с учетом фактических данных, полученных на этапах подготовительного и инструментального обследования, что позволило уточнить соответствие проектных решений реальным нагрузкам и эксплуатационным условиям. Дополнительно, методика расчета базировалась на использовании программного комплекса Лира САПР, который обеспечивал всесторонний анализ конструктивных решений. В рамках методологии выполнялись следующие этапы:

Выбор стратегии и разработка рекомендаций по восстановлению эксплуатационной пригодности торгового центра проводились на основе анализа совокупных результатов комплексного исследования, включающих оценку характера и объема дефектов, причин их возникновения, а также опыта отечественных и зарубежных исследований в данной области. Результаты позволили сформировать комплекс мероприятий по усилению конструктивных элементов и обеспечению безопасности эксплуатации Объекта.

Результаты и обсуждение. Подготовительное обследование проведено согласно требованиям действующих норм [4]. Анализ результатов подготовительного обследования показал, что фактически выполненные конструктивные решения торгового центра в целом соответствуют рабочему проекту.

Подготовительным обследованием определено конструктивные и объемно-планировочные решения объекта.

Объект представляет собой каркасное здание прямоугольной формы с размерами по осям «А–Р» — 97,9 м и «1–15» — 108,4 м (см. Рисунок 1). Общая площадь застройки составляет 8798,05 м².

Здание имеет различную этажность. Для удобства описания конструкций здание было условно разделено на 3 блока:

– Блок 1 — в осях «1–4»/«Б-Д» представляет собой одноэтажное помещение с высотой от пола до плиты покрытия ~ 6 м;

– Блок 2 — в осях «1–15»/«Д-М» состоит из двух этажей с высотой от пола до плиты перекрытия/покрытия ~ 4 м;

– Блок 3 — в осях «4–12»/«Б-Д» представляет собой большое одноэтажное помещение, разделенное по оси «8» перегородкой. Наивысшая отметка составляет 14 м. Обследуемый участок конструкций расположен в осях «4–8»/«Б-Д».

Рис. 1. Основные размеры здания в осях

По типу конструктивного решения Объект является зданием со смешанным каркасом. Основными элементами пространственного каркаса являются:

– Колонны четырех типов:

1) Сборные железобетонные колонны различного сечения;

2) Металлические колонны двутаврового сечения с размерами 200х200х10 мм.

– Железобетонные балки ригеля квадратного сечения 400х400 мм;

– Монолитные железобетонные перекрытия;

– Металлические подкровельные конструкции в виде:

1) Основных несущих балок двутаврового сечения;

2) Прогонов из балок двутаврового сечения и швеллеров;

3) Ферм;

4) Горизонтальных связей в виде уголков и труб квадратного сечения.

Геометрическая неизменяемость и пространственная жесткость обеспечивается совместной работой подкровельного каркаса с жестким диском перекрытия и покрытия, а также системой связей.

Кровля — мягкая. В осях «2–13»/«Е-М» кровля односкатная, состоит из слоев: 1) монолитной железобетонной плиты покрытия; 2) ПВХ пленки; 3) двух слоев минераловатных плит общей толщиной 160 мм; 4) гидроизоляционного покрытия в виде мембраны.

В осях «2–4»/«Б-Д» и «10–12»/«Б-Д» кровля односкатная, в осях «4–10»/«Б-Д» — двускатная. Указанные участки состоят из слоев:

1. профилированного листа;
2. ПВХ пленки;
3. двух слоев минераловатных плит общей толщиной 160 мм; 4) гидроизоляционного покрытия в виде мембраны.

Также, при подготовительном обследовании установлено, что на участке в осях «8», «9» и «10» произведено усиление железобетонных балок. Для повышения их несущей способности данные балки дополнительно укреплены металлической обоймой, выполненной из высокопрочных уголков. Эти уголки обеспечивают надежное соединение с соседними железобетонными балками, также усиленными уголками, что создает целостную систему распределения нагрузок. Усиление балок достигается за счет жесткой связки с плитой покрытия посредством сквозного стягивания уголков специальными хомутами. Применение данных материалов позволяет обеспечить повышенную устойчивость конструкции к динамическим и статическим нагрузкам, соответствуя требованиям действующих нормативов.

Рис. 2. Усиленные железобетонные балки здания

В процессе проведения общего визуального и детального инструментального обследования конструкций торгового центра согласно действующим нормам [4] были выявлены многочисленные характерные дефекты и повреждения, такие как:

1. Значительные прогибы подкровельных конструкций в осях «1–4»/«Г-Д» (Рисунок 3). Деформациям подвержены прогоны и горизонтальные связи. В местах со значительным прогибом наблюдается разрыв полок прогонов из швеллера, а также их деформация со скручиванием.

Рис. 3. Деформация подкровельных конструкций здания

2. Основной причиной возникновения прогибов металлических прогонов, горизонтальных связей и профилированных листов покрытия является непроектное исполнение металлических подкровельных конструкций Блока 1, а также чрезмерная нагрузка на конструкции от скоплений снега на кровле в описываемом участке в зимний период времени, о чем свидетельствуют следы атмосферных застоев на поверхности кровельного настила (Рисунок 4). Очертания участков атмосферных застоев на поверхности кровельного настила также совпадают с картой расположения прогибов, полученных при геодезическом контроле конструкций.

Рис. 4. Следы атмосферных застоев на дефектном участке кровли Блока 1

3. Также косвенной причиной образования скоплений снега в зимний период является недостаточный уклон кровли.

Результаты геодезического контроля кровли Объекта на участке прогибов балок подтвердили наличие отклонений геометрии конструкций от проектных параметров, что требует оперативного корректирующего вмешательства для предотвращения дальнейшего ухудшения состояния объекта.

Данные результаты указывают на необходимость комплексных мероприятий по усилению конструктивных элементов торгового центра, корректировке технологий ремонта и восстановлению эксплуатационных характеристик объекта для обеспечения его долгосрочной безопасности и надёжности.

В процессе обследования здания были выполнены поверочные расчеты, основанные на фактических данных, полученных в ходе инструментального обследования. Это позволило обеспечить объективную оценку состояния конструктивных элементов и выявить отклонения от установленных нормативных требований.

По результатам поверочного расчета, выполненного с учетом фактических параметров железобетонных и металлических конструкций каркаса здания, установлено, что несущая способность балок Блока 1 и Блока 2 не обеспечена . Результаты поверочного расчета, представленные ниже, подтверждают данный вывод.

Таблица 1

Усилия от РСН [СП PK EN 1990:2002+A1:2005/2011_1]

Рис. 5. Мозаика результатов проверки назначенных сечений по 1 предельному состоянию

Также был проведен поверочный расчет усиления железобетонных балок на втором этаже, выполненного на участке.

Сечение балки bxh = 400x400 мм.

Класс бетона балки — В25.

Армирование балки — 2Ø25А400мм.

Несущая способность наклонного сечения железобетонного изгибаемого элемента, усиленного установкой дополнительных поперечных хомутов, определяется из выражения:

Q _вн ≤ Q _б +Q _ус (1)

где

Q _б — поперечная сила, воспринимаемая наклонными сечениями усиливаемого элемента;

Q _ус . — поперечная сила, воспринимаемая хомутами усиления.

Q _б = Q _b +Q _sw

Q _ус . = Q _sw,ус , (2)

где

Q _b = (1+φ _n +φ _f ) R _bt b h ₀ ² /c — предельное поперечное усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны усиливаемого элемента;

Q _sw = q _sw c ₀ ;

Q _sw,ус = q _sw,ус c ₀ s;

q _sw = R _sw A _sw /S; q _sw , _ус = R _sw,s A _sw,s γ _ss /S _s — погонные усилия в хомутах усиливаемого элемента и хомутах усиления соответственно.

R _sw , R _sw,s — расчетные сопротивления арматуры при расчете прочности наклонных сечений усиливаемого элемента и хомутов усиления;

A _sw , A _sw,s — площади сечения поперечной арматуры усиливаемого элемента и хомутов усиления;

S, S _s — шаг поперечных стержней в усиливаемом элементе и шаг хомутов усиления;

γ _ss = 0,85 — коэффициент условий работы хомутов усиления.

Для обеспечения прочности бетона по наклонной полосе между наклонными трещинами должно выполняться условие:

Q ≤ 0,3φ _w R _b b h ₀ (3)

Оценка прочности наклонных сечений балки.

Внешная погонная нагрузка:

q _вн = А*(q _пл + q _п +q _сн )/ l _б = 54*(0,78+0,017+0,12)/6 = 8,25 т/м

где

А — грузовая плошадь балки;

l _{б —} длина балки;

q _пл — нагрузка от плиты;

q _{п —} постоянная нагрузка от состава покрытия;

q _{сн —} нагрузка от снега.

Нагрузка от собственного веса балки:

q _б = h*b*ρ*γ _f = 0,4*0,4*2,5*1,35 = 0,54 т/м

Полная погонная нагрузка:

q = q _вн + q _с.в . = 8,25+0,54 = 8,79 т/м

Перерезывающая сила от внешней нагрузки:

Q _вн = ql/2 = 8,79*12/2 = 52,74 т

Воспринимаемое бетоном сжатой зоны поперечное усилие:

Q _b = (1+0+0) 10,7*40*35 ² / 35 = 14980 кг

где

с = h ₀ = 35 cм.

Доля поперечной силы, воспринимаемой хомутами опорных зон балки:

Q _sw = q _sw c ₀ = 879*35 = 30765 кг,

где q _sw = R _sw A _sw /S = 2855*2*6,158/40 = 879 кг/cм.

Поперечная сила, воспринимаемая наклонными сечениями балки:

Q _б = Q _b +Q _sw = 14980+30765 = 45745 кг

Поскольку Q _вн ≥ Q _б прочность наклонных сечений балки не обеспечена — необхидимо усиление.

Доля перерезывающего усилия, воспринимаемого усилением:

Q _sw,ус = Q _вн –Q _б = 52740–45745 = 6995 кг

Проверка назначенных хомутов усиления — 2Ø25 А240 (А _sw,s = 4,909 см2, R _sw,s = 1730 кг/cм2, S=100 см). Проверка необходимого шага хомутов усиления.

Требуемая интенсивность дополнительного армирования q _sw,ус = Q _sw,ус /с = 6995/35 = 200 кг/cм

Шаг дополнительных хомутов:

S _тр = R _sw,s A _sw,s γ _ss / q _sw,ус = 1730*4,909*0,85/200 = 36 см

Принимается шаг S _тр ≤ 0,5 h ₀ = 36 см ~ 17,5 см .

Поскольку Sтр = 17,5 см ≤ S = 100 см шаг усилений хомутами меньше требуемого — усиление железобетонной балки стальными хомутами не обеспечена.

Для обеспечения прочности бетона по наклонной полосе между наклонными трещинами должно выполняться условие.

Q _вн ≤ 0,3φ _w R _b b h ₀ (4)

0,3φ _w R _b b h ₀ = 0,3*1,3*148*40*35 = 80808 кг

Прочность бетона полосы между наклонными трещинами обеспечена.

По результатам поверочного расчета, выполненные ранее мероприятия по усилению и подпору конструкций являются малоэффективными и имеют ненадлежащее исполнение, не обеспечивающее конструкционную прочность и устойчивость.

Выводы и заключение.

По результатам комплексного технического обследования установлено, что возникновение прогибов железобетонных деформаций металлических элементов является результатом совокупности следующих нарушений:

– проектная ошибка, из-за недопустимых величин пролета между несущими колоннами каркаса возникли прогибы в железобетонных балках. В результате этого в средней части балок сосредотачивались чрезмерные снеговые нагрузки в зимний период, в последствии повлекшие за собой прогибы и образование трещин. На основании фотоснимков кровли, полученных в ходе технического обследования, можно сделать вывод, что в зимний период времени происходит накапливание снега в описываемом участке, о чем свидетельствуют следы атмосферных застоев на поверхности кровельного настила (Рисунок 2). Очертания участков атмосферных застоев на поверхности кровельного настила также совпадают с картой расположения прогибов, полученных при геодезическом контроле конструкций.

– нарушения технологии строительно-монтажных работ при устройстве кровли, что создало ненормативный и непроектный уклон, при котором создалось накопление значительных снеговых нагрузок в зимний период.

– нарушения технологии строительно-монтажных работ в виде некорректного крепление металлических узлов (отсутствие болтов, недостатки сварных соединений), что снижает общую жесткость и устойчивость конструктивного каркаса.

– выполненные ранее усиления железобетонных балок являлись не эффективными, что подтверждено поверочным расчетом.

На основе результатов исследования разработаны рекомендации по проведению комплексного ремонтно-восстановительного вмешательства, включающего:

– Усиление критически важных конструктивных элементов путем установки дополнительных опор и стяжек;

– Замену или восстановление элементов, изготовленных из материалов с недостаточной прочностью;

– Корректировку технологического процесса ремонтных работ с обязательным соблюдением нормативных требований к подготовке оснований и монтажу конструкций.

Реализация предложенного комплекса мер позволит повысить эксплуатационную надежность и безопасность торгового центра в долгосрочной перспективе.

Таким образом, допущенные ошибки проектирования в совокупности с нарушениями технологии производства строительно-монтажных работ оказывают значительное негативное влияние на несущую способность конструкций зданий и сооружений, что требует совершенствования системы контроля качества на всех этапах проектирования и строительства.

Литература:

1. Арушонок Ю. Ю. Об ошибках проектирования строительных конструкций // Инженерный вестник Дона. — 2021. — № 11.
2. Корнева Е. Р. Ошибки при проектировании зданий и сооружений // Вестник науки и образования. — 2016. — № 6(18).
3. Клюев К. А., Кузнецов А. А. Влияние дефектов конструкций и ошибок проектирования на этапах возведения монолитного каркасного здания // СтройМного. — 2017.
4. СП РК 1.04–101–2012. Обследование и оценка технического состояния зданий и сооружений. — Астана, 2012.
5. СП РК 1.04–102–2012. Правила оценки физического износа зданий и сооружений. — Астана, 2012.
6. Нугужинов Ж. С., Фендт Б. Э., Нэмен В. Н. Обследование и реконструкция зданий и сооружений. — Алматы: Гылым, 1998. — 210 с.
7. Марков А. И. Анализ прочности строительных конструкций. — М.: ООО «НАСТРОЙ», 2012. — 248 с.
8. Фазылбекова Р. Э., Данилов В. И. Неразрушающий контроль качества в строительстве. — М.: Инфра-М, 2012. — 192 с.