Усиление несущих конструкций при появлении прогибов, трещин и деформаций: диагностика, методы и нормы

Виды деформаций несущих конструкций

Деформации несущих конструкций — это изменения формы и размеров конструктивных элементов, возникающие под действием нагрузок, температурных воздействий, влажностных колебаний, неравномерных деформаций основания или других факторов.

Согласно СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции» и СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», все деформации подразделяются на допустимые (не влияющие на несущую способность и нормальную эксплуатацию) и недопустимые (требующие немедленных мероприятий). Граница между этими категориями определяется нормативными предельными значениями, а также динамикой развития деформации во времени. Статичная деформация, зафиксированная на одном уровне в течение длительного периода, несёт значительно меньшую угрозу, чем активно прогрессирующая.

Классификация деформаций по характеру проявления

В практике обследования зданий и сооружений деформации принято классифицировать по нескольким признакам. По характеру развития — стабилизированные (завершившиеся), медленно прогрессирующие и быстро прогрессирующие.

Каждая комбинация этих признаков определяет выбор метода обследования и стратегию усиления.

Факторы, провоцирующие появление деформаций

Появление деформаций в несущих конструкциях редко связано с одной причиной. Чаще всего это комбинация нескольких неблагоприятных факторов, действующих одновременно или последовательно.

Прогибы и провисания балок и перекрытий

Прогиб — это вертикальное перемещение конструктивного элемента (балки, ригеля, плиты перекрытия) под действием нагрузок. Прогибы являются наиболее распространённым видом деформаций в железобетонных и стальных конструкциях зданий.

Причины возникновения прогибов

Прогибы балок и перекрытий могут быть вызваны множеством факторов. В железобетонных конструкциях начальный прогиб после загружения может составлять 30–50 % от предельного, а оставшаяся часть нарастает в течение 2–5 лет за счёт ползучести бетона.

Среди других распространённых причин: изменение расчётной схемы элемента (например, удаление промежуточной опоры при перепланировке), увеличение полезной нагрузки при смене назначения помещения (перевод складского помещения в офис с тяжёлым оборудованием), коррозия растянутой арматуры, приводящая к снижению рабочей площади сечения, а также дефекты изготовления — недостаточное уплотнение бетона в нижней зоне балки, смещение арматурного каркаса при бетонировании.

Визуальные признаки прогиба перекрытий

Прогиб перекрытий можно обнаружить по ряду визуальных признаков ещё до проведения инструментальных измерений. Для точного определения величины прогиба применяется нивелирование или лазерное сканирование с построением профиля перекрытия.

Нормативные требования к прогибам

Предельные прогибы конструкций регламентируются СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Для междуэтажных перекрытий предельный прогиб составляет L/200, для чердачных перекрытий — L/150, для покрытий — L/200, а для балок междуэтажных перекрытий при наличии перегородок — L/250. Здесь L — расчётный пролёт элемента. Для балок пролётом 6 м допустимый прогиб составляет 30 мм (междуэтажное перекрытие) или 24 мм (при наличии перегородок).

Особенности прогибов в различных типах конструкций

Прогибы монолитных перекрытий, как правило, развиваются более плавно и предсказуемо по сравнению с сборными железобетонными конструкциями. В монолитных перекрытиях распределение напряжений более равномерное, и трещины в растянутой зоне обычно имеют меньшую ширину раскрытия. Стальные балки при прогрессирующем прогибе обычно дают предупреждение в виде заметных пластических деформаций и потери устойчивости сжатого пояса. Деревянные балки демонстрируют наибольшие прогибы при увлажнении, при этом прогиб может быть частично обратимым после высыхания.

Трещины в колоннах, стенах и узлах соединений

Трещины — наиболее распространённый и визуально заметный признак деформации несущих конструкций.

Типы трещин в колоннах

В железобетонных колоннах встречаются несколько характерных типов трещин. Наклонные трещины под углом 45–60° к горизонтали — наиболее опасный тип, указывающий на insufficient (недостаточную) прочность на действие поперечной силы.

Для steel (стальных) колонн характерны трещины в сварных швах, особенно в узлах сопряжения с балками и фундаментами.

Трещины в стенах и диафрагмах жёсткости

Несущие стены и диафрагмы жёсткости подвержены действию сжимающих сил в вертикальном направлении и изгибающих моментов в горизонтальной плоскости (от ветровых нагрузок, сейсмических воздействий, неравномерных осадок).

Трещины в узлах соединений

Узлы сопряжения колонн с ригелями, балок с колоннами, а также узлы опирания элементов перекрытий на стены — наиболее напряжённые зоны каркасных зданий. В каркасных зданиях с жёсткими узлами трещины в приопорных зонах ригелей (наклонные трещины от опоры под углом 45° к оси элемента) свидетельствуют о недостаточной прочности на действие поперечной силы и требуют немедленного усиления поперечной арматурой или установкой хомутов.

Оценка ширины раскрытия трещин

Согласно СП 63.13330.2018, предельная ширина раскрытия трещин для железобетонных конструкций зависит от категории трещиностойкости и условий эксплуатации. Для конструкций, находящихся в неагрессивной среде, допустимая ширина непродолжительного раскрытия составляет 0,4 мм, а продолжительного — 0,3 мм. Для конструкций в агрессивной среде эти значения снижаются до 0,3 и 0,2 мм соответственно. Для предварительно напряжённых конструкций предельная ширина раскрытия составляет 0,2 мм в неагрессивной и 0,1 мм в агрессивной среде.

Неравномерная осадка фундаментов

Неравномерная осадка фундаментов — один из наиболее сложных и опасных видов деформаций зданий. Неравномерная осадка является причиной значительной доли повреждений и аварий зданий, особенно построенных на неоднородных грунтах.

Причины неравномерных осадок

Основные причины неравномерных осадок фундаментов включают: неоднородность грунтового основания по площади здания (соседствующие слои грунта с различной сжимаемостью), изменение гидрогеологических условий (снижение уровня грунтовых вод, подмыв фундамента коммуникациями), перегрузку фундамента при реконструкции или изменении назначения здания, нарушение правил производства земляных работ в зоне влияния здания (разработка котлована, прокладка тоннелей), а также недостаточную площадь подошвы фундамента, не обеспечивающую передачу давления в пределах расчётного сопротивления грунта.

Признаки неравномерной осадки

Внешние признаки неравномерной осадки включают: наклон здания (определяется теодолитом или клинометром), трещины в стенах, имеющие клиновидную форму (расширяющиеся книзу), разрывы горизонтальных швов в кирпичной кладке, трещины в перегородках, идущие по диагонали от углов оконных и дверных проёмов, заклинивание дверей и окон, separation (отделение) пристроенных конструкций от основного здания. Для мониторинга осадок применяются геодезические методы — нивелирование реперов, заложенных в фундаменты, с периодичностью от 1 раза в месяц до 1 раза в квартал в зависимости от скорости развития осадки.

Допустимые значения осадок

Предельные неравномерные осадки регламентируются СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Максимальная осадка для фундаментов на естественном основании составляет 10 см для глинистых и 5 см для песчаных грунтов. Предельная разность осадок смежных фундаментов зависит от типа конструкции и составляет от 0,002L (для рамных каркасов) до 0,005L (для бескаркасных зданий с жёсткими конструктивными схемами), где L — расстояние между точками измерения.

Особенности осадок на различных типах грунтов

Характер и скорость развития неравномерных осадок существенно различаются в зависимости от типа грунта. На песчаных грунтах осадки развиваются быстро и в основном завершаются в течение первого года эксплуатации. На глинистых грунтах осадки развиваются медленно, в течение 3–5 лет и более, что создаёт длительное периодическое нагружение надфундаментных конструкций. На органогенных грунтах (торф, сапропель) осадки могут достигать значительных величин (до 30–50 см) и продолжать развиваться десятилетиями. На просадочных грунтах (лёссовые суглинки) осадки носят внезапный характер и развиваются при замачивании грунта, что делает их особенно опасными.

Боковые смещения и наклоны конструкций

Боковые смещения и наклоны несущих конструкций — деформации, при которых элементы отклоняются от вертикального или проектного положения в горизонтальной плоскости.

Причины боковых смещений

Боковые смещения конструкций могут быть вызваны несколькими группами причин. Неравномерная осадка фундамента по одной стороне здания приводит к крену (наклону) всего здания или его части. Температурные деформации при недостаточном количестве температурных швов вызывают горизонтальные смещения в длинных зданиях.

Опасность боковых смещений

Боковые смещения создают дополнительные изгибающие моменты в вертикальных элементах (колоннах, стенах), которые могут привести к их разрушению по сжато-изогнутой схеме. Этот положительный обратный эффект может привести к потере устойчивости конструкции при нагрузках значительно ниже расчётных.

Методы определения боковых смещений

Для определения боковых смещений и наклонов применяются геодезические методы: теодолитная съёмка (измерение углов наклона с точностью до 1–2 угловых секунд), нивелирование противоположных сторон фундамента (определение крена), лазерное сканирование (получение трёхмерной модели здания с определением отклонений от вертикали), а также установка наклономеров на конструкции для непрерывного мониторинга динамики смещений. Для высоких зданий (более 50 м) применяются методы спутниковой геодезии (GPS/ГЛОНАСС) с периодичностью наблюдений от 1 раза в сутки до непрерывного мониторинга.

Когда деформации представляют опасность для конструкции

Не всякая деформация несущей конструкции является поводом для немедленного усиления.

Превышение допустимых пределов по СП

Основной критерий — превышение предельных значений деформаций, установленных соответствующими сводами правил. Для прогибов — это СП 20.13330.2016 (предельные прогибы), для трещин — СП 63.13330.2018 (предельная ширина раскрытия), для осадок — СП 22.13330.2016 (предельные осадки и разности осадок). При этом важно учитывать, что нормативные предельные значения имеют различный запас: для прогибов запас составляет обычно 1,5–2, для трещин — 2–3, для осадок — 1,5–2,5.

Активное прогрессирование деформаций

Второй, не менее важный критерий — динамика развития деформации. При скорости увеличения прогиба более 0,5 мм в месяц, скорости раскрытия трещин более 0,05 мм в месяц или скорости осадки более 2 мм в месяц необходимо немедленное ограничение нагрузок и разработка проекта усиления. При скоростях, в 2–3 раза превышающих указанные значения, требуется немедленная разгрузка конструкций и возможная эвакуация.

Корреляция с изменением нагрузок

Третий критерий — связь деформации с изменениями нагрузки. Для оценки фактической несущей способности в таких случаях проводят статические или динамические испытания нагрузкой.

Визуальные признаки аварийного состояния

Существует ряд визуальных признаков, при обнаружении которых необходимо немедленное прекращение эксплуатации и принятие экстренных мер: интенсивное трещинообразование, сопровождаемое хрустом или шелушением бетона; выпучивание арматуры из бетона; заметный наклон колонн или стен; провисание перекрытий, видимое невооружённым глазом; разрывы сварных швов в стальных конструкциях; выкрашивание кладки в зоне опирания; отрыв анкерных креплений; появление трещин в фундаментных балках.

Диагностика и обследование деформированных конструкций

Комплексное обследование деформированных конструкций является обязательным этапом перед назначением любого усиления. Обследование деформаций зданий проводится в соответствии с ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».

Мониторинг деформаций

Мониторинг деформаций — система регулярных наблюдений за изменениями положения и формы конструкций во времени. Мониторинг включает геодезические наблюдения (нивелирование, теодолитная съёмка), установку и регулярное считывание контрольных маяков на трещинах, измерение ширины раскрытия трещин трещиномерами (с точностью 0,01 мм), а также визуальное наблюдение с фотофиксацией. Минимальная продолжительность мониторинга для определения стабильности деформации составляет 2–3 месяца с периодичностью наблюдений не реже одного раза в 2 недели. При прогрессирующих деформациях периодичность наблюдений увеличивается до ежедневной.

Для автоматизированного мониторинга применяются электронные датчики: тензометрические датчики для измерения деформаций, наклономеры для контроля кренов, датчики раскрытия трещин с регистрацией на сервер, а также системы видеомониторинга с автоматическим детектированием изменений.

Методы неразрушающего контроля (NDT)

Неразрушающие методы контроля позволяют оценить физико-механические характеристики материалов конструкций без их повреждения. Ультразвуковой метод (по ГОСТ 17624-2012) применяется для определения прочности бетона, однородности структуры и наличия дефектов. Склерометрический метод (по ГОСТ 22690-2015) — для оперативной оценки прочности бетона поверхности. Метод отрыва со скалыванием (по ГОСТ 22690-2015) — для более точного определения прочности бетона в поверхностном слое. Магнитный метод — для определения расположения и диаметра арматуры, толщины защитного слоя бетона. Инфракрасная термография — для выявления зон увлажнения, пустот и дефектов в конструкции.

Комбинация нескольких методов неразрушающего контроля позволяет получить наиболее достоверную картину состояния конструкции. Рекомендуется применять не менее трёх различных методов для каждого обследуемого элемента. Результаты NDT сверяются с проектными данными и требованиями нормативных документов для определения фактического запаса несущей способности.

Испытания нагрузкой

Статические испытания нагрузкой проводятся для непосредственного определения несущей способности конструкции. Метод заключается в ступенчатом приложении расчётной нагрузки к конструкции с контролем прогибов, деформаций и трещин на каждой ступени. Испытания проводятся по ГОСТ 8829-94 «Конструкции железобетонные. Методы испытания нагрузкой».

Критериями оценки результатов испытаний являются: величина прогиба при полной нагрузке (не должна превышать предельную), ширина раскрытия трещин (не должна превышать допустимую), отсутствие признаков разрушения (отслоение защитного слоя, раздробление бетона сжатой зоны, разрыв арматуры), а также характер восстановления при разгрузке (остаточный прогиб не должен превышать 50 % от максимального). При неудовлетворительных результатах испытаний нагрузкой усиление конструкции является обязательным.

Лабораторные испытания образцов

В ряде случаев для достоверной оценки прочности материалов проводят отбор образцов (кернов) из конструкции с последующими лабораторными испытаниями. Керны отбираются из бетона коронками диаметром 50–100 мм и испытываются на осевое сжатие по ГОСТ 28570-2019. Для стальных конструкций отбираются образцы металла для испытаний на растяжение и ударную вязкость.

Методы усиления в зависимости от типа деформации

Выбор метода усиления определяется типом и причиной деформации, конструктивными особенностями элемента, условиями эксплуатации и экономическими факторами.

Торкретирование для треснувших элементов

Торкретирование — нанесение слоя торкрет-бетона под давлением на поверхность усиляемой конструкции — является одним из наиболее универсальных методов усиления железобетонных элементов с трещинами. Метод заключается в нанесении слоя бетона повышенной прочности (класс В30–В50) на подготовленную поверхность с предварующей установкой дополнительной арматуры. Торкрет-бетон наносится сухим или мокрым способом и обеспечивает плотное сцепление с существующей конструкцией.

Торкретирование применяется для усиления колонн, стен, балок и плит при наличии трещин, сколов защитного слоя, коррозии арматуры или insufficient (недостаточной) прочности сечения. Толщина наносимого слоя составляет от 30 до 150 мм. Торкрет-бетон обладает высокой плотностью (что обеспечивает хорошую гидроизоляцию и коррозионную защиту) и адгезией к основанию (1,5–3,0 МПа). Метод особенно эффективен при усилении сжатых элементов (колонны, пилястры), где увеличение сечения напрямую повышает несущую способность.

Углеволоконные системы (CFRP) для прогнувшихся балок

Усиление углеволокном (CFRP — Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современный высокотехнологичный метод, основанный на наклейке углеволоконных ламелей или тканей на поверхность усиливаемого элемента. Метод получил широкое распространение благодаря малому весу материалов (в 4–5 раз легче стали при сопоставимой прочности на растяжение), высокой прочности (прочность на растяжение углеволоконных ламелей составляет 2400–3400 МПа, что в 6–8 раз превышает прочность арматурной стали класса А500), коррозионной стойкости и простоте монтажа (не требует тяжёлого оборудования и сварочных работ).

Для усиления при прогибах конструкций углеволоконные ламели наклеиваются на растянутую грань балки (нижнюю для положительного момента, верхнюю для отрицательного). Эпоксидный клей обеспечивает прочное сцепление CFRP с бетоном (адгезия 3–5 МПа). Усиление одним слоем углеволоконной ткани увеличивает несущую способность на изгиб на 20–40 %, двумя слоями — на 40–70 %. Кроме того, внешнее армирование CFRP эффективно ограничивает раскрытие трещин и уменьшает прогибы на 15–30 %, что позволяет продлить срок службы конструкции даже без увеличения несущей способности.

Стальные пластины для узлов соединений

Усиление стальными пластинами заключается в прикреплении к усиливаемому элементу стальных пластин толщиной 4–20 мм с помощью эпоксидного клея, механических анкеров или их комбинации. Стальные пластины воспринимают растягивающие и сдвигающие усилия, разгружая существующий бетон и арматуру.

Для узлов соединений применяются несколько схем усиления. Установка стальных фасонок на уголки с помощью высокопрочных болтов — для усиления металлических узлов. Наклейка стальных пластин на бетон с анкерованием — для усиления железобетонных узлов. Установка обойм из стальных уголков или швеллеров — для усиления опорных зон балок и колонн. Стальное усиление обеспечивает значительное увеличение несущей способности (на 50–100 % для узлов на изгиб и на 30–60 % для узлов на срез), однако требует тщательной защиты от коррозии (окраска, цинкование) и регулярного осмотра в процессе эксплуатации.

Подведение фундаментов при неравномерных осадках

Подведение фундаментов (подливка, усиление основания) — комплекс мероприятий по увеличению площади опирания и несущей способности фундаментов при неравномерных осадках. В зависимости от причин осадки и грунтовых условий применяют различные технологии. Уширение подошвы фундамента — устройство дополнительных железобетонных элементов, передающих нагрузку на больший площадь грунта. Инъекционное укрепление основания — нагнетание цементных или химических растворов в грунт для увеличения его несущей способности.

Одной из наиболее эффективных технологий является устройство микросвай (диаметр 150–300 мм, длина до 20 м), буримых непосредственно через существующий фундамент. Микросваи передают нагрузку на более плотные слои грунта, минуя слабые прослойки, вызвавшие осадку. После устройства микросвай и набора ими прочности (14–28 суток) производится разгрузка существующего фундамента домкратами и передача нагрузки на микросваи через распределительную раму. Данный метод позволяет практически полностью остановить осадку и частично выпрямить уже осевший фундамент.

Инъектирование трещин для восстановления монолитности

Инъектирование трещин полимерными составами — метод восстановления монолитности и водонепроницаемости треснувших железобетонных конструкций. Инъектирование выполняется через пакеры, установленные в просверленные отверстия, под давлением от 0,2 до 2,0 МПа в зависимости от ширины трещины и типа состава.

Инъектирование эпоксидными составами восстанавливает сцепление по обеим сторонам трещины и обеспечивает прочность на срез инъекционного материала 15–30 МПа, что значительно превышает прочность бетона на срез (1,5–3,0 МПа).

Допустимые пределы деформаций и методы усиления

Ниже приведены сводные таблицы, систематизирующие нормативные требования к деформациям конструкций и рекомендуемые методы усиления в зависимости от типа и степени деформации. Данные основаны на требованиях СП 20.13330.2016, СП 63.13330.2018, СП 22.13330.2016 и опыте компании «Ювикс Групп».

Методы усиления в зависимости от типа деформации

Примеры из практики усиления деформированных конструкций

Компания «Ювикс Групп» имеет многолетний опыт усиления несущих конструкций при различных видах деформаций.

Усиление прогнувшегося перекрытия торгового центра в Москве

Торговый центр в Восточном административном округе Москвы, построенный в 2005 году, предъявил жалобы на заметный прогиб перекрытий третьего этажа. Обследование выявило, что прогиб монолитных балок пролётом 9 м достигает 58 мм при допустимом значении L/200 = 45 мм, то есть превышение составило 29 %. Прогиб сопровождался множественными трещинами в растянутой зоне шириной 0,2–0,35 мм. Причиной деформации стало изменение нагрузки: вместо проектных 2,0 кПа фактическая полезная нагрузка составила 4,5 кПа из-за установки тяжёлых торговых стеллажей и холодильного оборудования.

Для усиления было применено комбинированное решение: наклейка углеволоконных ламелей Sika CarboDur S на нижнюю грань балок (два слоя, общая площадь сечения CFRP — 120 мм² на балку) в сочетании с инъектированием трещин эпоксидным составом. Работы выполнялись без прекращения эксплуатации торгового центра (в ночные часы). После усиления повторные испытания нагрузкой показали, что прогиб при фактической нагрузке не превышает 22 мм, что соответствует допустимому значению с двукратным запасом. Общий срок работ составил 12 дней.

Усиление колонн с трещинами в жилом доме в Подмосковье

Многоквартирный жилой дом в Одинцовском районе Московской области, построенный в 1980 году, обнаружил наклонные трещины в колоннах первого этажа подземного паркинга. Трещины имели ширину раскрытия до 0,8 мм и располагались под углом 50–60° к горизонтали, что свидетельствовало о недостаточной прочности на поперечную силу. Обследование показало, что причиной стало увеличение нагрузки на колонны при устройстве надстройки мансардного этажа в 2015 году без соответствующего усиления несущих конструкций.

Для усиления колонн было применено торкретирование с установкой дополнительной арматуры. С существующей арматурой колонн сваривались дополнительные хомуты диаметром 12 мм с шагом 100 мм (вместо проектных 200 мм). Поверхность колонн была подготовлена (насечка, промывка), после чего наносился слой торкрет-бетона класса В40 толщиной 60 мм. Для повышения адгезии применялся эпоксидный контактный слой. Общий срок усиления восьми колонн составил 14 дней. Контрольные испытания после усиления подтвердили увеличение несущей способности колонн на поперечную силу на 85 %.

Усиление фундамента при неравномерной осадке в Московской области

Административное здание в городе Химки Московской области, построенное в 1998 году на участке с неоднородными грунтовыми условиями, проявило признаки неравномерной осадки через 15 лет эксплуатации. Нивелирование выявило, что максимальная осадка угловой части здания составила 87 мм при разности осадок между противоположными углами 62 мм. В стенах образовались диагональные трещины шириной до 2,5 мм, двери не закрывались. Грунтовые изыскания показали наличие линзы слабого глинистого грунта мощностью 3,2 м под частью фундамента.

Для усиления фундамента были устроены 24 микросваи диаметром 200 мм, пробуренные через существующий фундамент на глубину 14 м до плотных моренных глин. После набора прочности бетона микросвай (21 сутки) нагрузка была передана на них через стальную распределительную раму с помощью 50-тонных домкратов. Произведено частичное выравнивание осадки (подъём на 18 мм). Мониторинг в течение года после усиления показал полную стабилизацию осадки.

Ремонт треснувших узлов соединений в промышленном здании

Промышленное здание в Ленинском районе Московской области, каркасное, с железобетонными колоннами и стальными ригелями, обнаружило трещины в узлах опирания ригелей на консоли колонн. Трещины имели ширину 0,4–0,7 мм и располагались горизонтально в верхней части консолей.

Для усиления узлов были применены стальные пластины толщиной 12 мм, приклеенные к бетону консолей эпоксидным клеем и дополнительно зафиксированные химическими анкерами. Для защиты стальных пластин от коррозии была выполнена антикоррозийная обработка (грунтовка + двухслойная эмаль). Усиление 16 узлов было выполнено за 8 рабочих дней. Статические испытания трёх усиленных узлов нагрузкой, превышающей расчётную на 20 %, подтвердили их полную работоспособность.

Часто задаваемые вопросы об усилении несущих конструкций при деформациях