Крен как одна из важных характеристик при определении деформированного состояния и восстановлении эксплуатационной надежности здания

Аннотация

И.Г. Гайрабеков, Ю.И. Пимшин

Рассматриваются вопросы достоверного определения деформированного состояния здания. Кроме регламентированных нормативными документами геометрических параметров рекомендуется определять для оценки технического состояния и составления проекта подъема и выравнивания здания ряд его новых геометрических характеристик - как разновидности кренов, так и производные от них. Для решения таких задач на конкретных примерах обосновывается необходимость определения кренов на разных уровнях здания.
Ключевые слова: крен, деформация, параметр, проект, подъем, выравнивание, уровень.

25.00.32 - Геодезия

В настоящее время весьма острой становится проблема реконструкции и восстановления эксплуатационной пригодности жилого, общественного и промышленного фондов, особенно построенного в 60-80-х годах минувшего столетия. К числу таких объектов относятся и так называемые «хрущевки». На сегодняшний день в РФ по самым скромным подсчетам насчитывается более 3000 зданий и сооружений, требующих принятия неотложных мер по восстановлению их эксплуатационной надежности. Тенденция роста предаварийных и аварийных ситуаций в эксплуатируемых зданиях и сооружениях, вызванных техногенными и природными причинами, требует незамедлительной разработки и применения эффективных методов определения реальных деформированных состояний зданий и надежных методов и средств их защиты. Рекомендуемые действующими нормативными документами методы изучения деформаций зданий нуждаются в совершенствовании, так как рекомендуемые данными методами в качестве характеристик степени деформированности сооружения некоторые обобщенные величины - крены, осадки фундаментов, а в отдельных случаях и прогибы (выгибы) в целом сооружения, - не могут в достаточной степени отражать реальную картину деформированного состояния  здания. Основываясь на таких результатах невозможно как достоверно отразить техническое состояние здания, так  и, в случае необходимости, составить качественный проект по восстановлению ее эксплуатационной надежности. Для решения данных проблем нами разработан метод более детального определения деформированного состояния сооружения.
В одной статье не представляется возможным подробно рассмотреть все геометрические характеристики, определяемые при реализации данного метода, поэтому ограничимся рассмотрением одной из самых важных - крена здания. В нормативной литературе за крен принимается  величина отклонения вертикальной оси здания от отвесной линии. Опыт многократных определений деформированного состояния зданий показывает, что невозможно охарактеризовать степень наклона здания одним значением крена, так как для значительного числа зданий, в том числе и относящихся к категории жестких, имеет место несовпадение значений кренов отдельных ребер здания. Величина крена, зачастую, может изменяться  и с высотой здания, причем даже у одного и того же его ребра. Правильное определение величин кренов  является принципиально важным и для проектирования мер инженерной защиты здания, например, методом подъема и выравнивания системой домкратов.
Итак, для более полной характеристики деформированного состояния здания вводятся новые характеристики кренов:
- частные крены ребер здания и его стен по заданным сечениям (по направлению осей Х и У) - и ;
- приращения кренов по направлениям Х и У - Δq_xi , Δq_yi ;
-абсолютные (полные) крены ребер здания или иных его строительных конструкций Q ;
- угол ориентирования абсолютного крена - q;
- относительный крен-   i.
Таким образом, при обследовании определяются:
1. Частные крены 
q_x=(X_B - X_H)H_зд/(Н_B –Н_H);
qy =(У_B- У_H)H_зд/(Н_B –Н_H),
где X_B, X_H,, У_B, У_H; Н_B, Н_H-СООТВЕТСТВЕННО  координаты и отметки начальной и конечной точек ребра сооружения или же линии пересечения вертикальной секущей плоскости поверхности вертикально ориентированных строительных конструкций;
Н_B, Н_H – отметки тех же точек.

2.Средние  величины кренов здания по направлениям координатных осей Х и У
q_xср =(∑q_xi)/n,   q_yср =(∑ q_yi )/n,

q_xi, q_yi – частные крены строительных элементов здания. 
3.  Приращения кренов
Δq_xi= q_xi - q_xср;,
Δq_yi = q_yi - q_yсрБ, ,

4. Средние  величины кренов сооружения по направлениям координатных осей Х и У
q_xср=(∑q_xi )/n,   q_yср=(∑q_yi)/n,

q_xi , q_yi – частные крены строительных элементов здания.
5. Абсолютные (полные) крены ребер здания или иных его строительных конструкций
Q = (q_x² + q_y²)^1/2.

6. Угол ориентирования абсолютного крена 
q = arctg (q_x/q_y).

7.  Относительный крен
i = Q/H,
где H - высота здания.
По величинам кренов определяются такие параметры, как условное и относительное сжатие стены здания, угол скручивания ребра, угол скручивания стены и угол скручивания здания.
Условное сжатие (удлинение) стены здания  вычисляется как сумма кренов вертикальных сечений  (S_{qх,у(по стороне)} ) стены здания
ei = S_{qх,у(по стороне)}
Относительное сжатие определяется как отношение условного сжатия к габаритному продольному  линейному размеру стены L
e_i% = e_i/L
Скручивание ребра определится из следующих расчетов (рис.1)

(1)

Учитывая, что ,    ,
подставляя данные значения в формулу (1), после приведения подобных членов, получаем
tg ϑ = (X q_y  - Y q_x)/(X²+Y²+X q_x+Y q_x).

Рис.1. Скручивание ребра сооружения

Скручивание стены определяется из выражения
tgij = () /
Сумма частных кренов, направленных перпендикулярно плоскости стены, для которых вычисляется угол скручивания, определяется следующим образом: если крены имеют разные знаки, то находится их алгебраическая сумма, если крены имеют одинаковые знаки - разность.
Угол взаимного кручения стен сооружения друг относительно друга (разворот продольных осей отдельных стен здания друг относительно друга)  определяется по формуле
=i-j,
где и  скручивание отдельных стен здания.
При выполнении анализа деформаций здания необходимо сопоставить направление углов скручивания ребер, стен и величин сжатия по стороне.
Угол скручивания здания вычисляется по формуле

Нумерация углов осуществляется всегда с дворового фасада по ходу часовой стрелки. Координаты принимаются всегда положительные (рис.2).

Рис.2

По величинам  кренов здания можно показать  взаимное смещение перекрытий разных уровней в плане - депланации перекрытий здания. На рис.3 представлена схема депланации перекрытий здания, расположенного  в г. Белово Кемеровской области. Как видно из рис.3 в рассматриваемом случае произошло смещение перекрытия технического этажа в плане относительно перекрытия цоколя из-за неравномерных кренов  здания. Здесь стрелками показаны направления и  кренов отдельных блок-секций (в масштабе здания) по направлениям главных осей здания и абсолютные крены блок-секций.

Для характеристики распределения кренов по контуру здания на планах в масштабе  здания наносятся крены.
В качестве примера на рис.4 представлена схема направлений и величин кренов здания, расположенного по ул. Коммунистическая  г. Ростов-на- Дону.

Рис.4

Если крены конструкций определялись на некотором уровне, как по контуру, так и внутри контура здания, то распределение кренов наглядно можно представить в виде схемы изолиний равных кренов на данном уровне (рис.5)

Рис. 5 Изолинии равных кренов

Вышеприведенные характеристики кренов наряду с другими геометрическими параметрами  нами определялись при диагностике технического состояния и подъеме и выравнивании 9-этажного жилого здания в г. Белово Кемеровской области, 12-этажного жилого здания в п. Кудепста Краснодарского края, что позволило качественно выполнить работы по восстановлению эксплуатационной надежности данных объектов.
На основании результатов определения кренов и других геометрических характеристик проектируются  мероприятия по восстановлению эксплуатационной надежности зданий, в том числе и по проектированию подъема и выравнивания зданий гидросистемой.
При этом крен ребра здания может иметь разные значения на разных уровнях (рис. 6). При составлении проекта подъема и выравнивания здания  возникает задача – что считать креном здания, точнее -  какую величину крена считать практически значимым, то есть определить на какую величину крена нужно произвести выравнивание  здания, получившее неравномерные осадки (рис.6).

Рис. 6.

Таблица.1.

Если считать креном направление отрезка 0-4, то,  проведя выравнивание здания на эту величину,  получим следующую схему  здания (рис. 7)

Рис.7.

В таком случае получается, что мы наклоняем здание в противоположную от направления первоначального крена сторону.
В результате, вместо устранения сверхнормативных кренов мы получаем сверхнормативные крены в противоположном направлении, что может привести к разрушению здания из-за аккумуляции напряжений в отдельных ее частях.
Таким образом, целесообразно принять за практически значимое значение величину первого уровня (0-1). Выравнивая здание на эту величину, получим следующую схему здания (рис.8)

Рис.8.

Таким образом, введение новых деформационных характеристик -новых видов кренов, позволяет более детально  определять  деформированное состояния  здания, составить качественный проект его восстановления и контролировать процесс подъема и выравнивания здания.

Литература

1. Пимшин Ю.И., Гмайрабеков И.Г. Техническая экспертиза зданий//Изв. Вузов. Сев.-Кавк.регион. Техн. -науки.-2006.-Прил.№16.-С.153-162.
2. Руководство по наблюдению за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений.- М.: Стройиздат, 1975.- 160 с.