177

ISSN 1310-3946

“NDT days 2013”/“Дни на безразрушителния контрол 2013”

Year /Година ХXI � Number/ Брой 1 (139) June/Юни 2013

БЕЗРАЗРУШИТЕЛНИЯТ КОНТРОЛ ПРИ ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРАНЕ НА ЕКСПЛОАТАЦИОННАТА СИГУРНОСТ НА КОНСТРУКЦИИТЕ НА СГРАДИ,

ПРЕТЪРПЕЛИ ЗЕМЕТРЪСНИ ВЪЗДЕЙСТВИЯ

БЕЗРАЗРУШИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ПРИ ОЦЕНИНИВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

ЗДАНИЙ ПЕРЕТЕРПЕЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

NON DESTRUCTIVE CONTROL ON ASSESEMENT AND PROGNOSIS OF SERVICEABILITY OF BUILDING STRUCTURES AFTER EARTHQUAKE EFFECTS

проф. д-р инж. Димов Д.Г., проф. д-р инж. Милев Й.И., инж. Коларов В.П., инж. Вълчинков Я., инж. Тасева А.

Университет по архитектура строителство и геодезия – София, България

Abstract: In the paper are presented the results from complex experimental-theoretical investigations and analysis of technical condition and serviceability of reinforced concrete structures of some high residential buildings in Sofia, carried out after earthquake which occurred on the 22.05.2012 . Some conclusions are made for establishment and prognosis of the real state and behavior of the buildings after this earthquake and there are given radical recommendations for rehabilitation/reconstruction of their serviceability for future earthquakes . KEY WORDS: INVESTIGATION, DEFECTS, DAMAGES, NON-DESTRUCTIVE TES TINGS OF CONCRETE, DIAGNOSISE OF REINFORCEMENT, ASSESEMENT OF CONDITON, SERVICEABILITY AFTER S EISMIC EFFECTS

1. Цел и задачи Изследването е разработено по искане на СО във връзка с

писмо № ТК 92-00-76/30.05.2012г. на арх. Вл. Калинов - Директор на Дирекция "ОБЩИНСКИ СТРОИТЕЛЕН КОНТРОЛ", за установяване на причините за проявените дефекти и повреди от земетресението на 22.05.2012г. на няколко високи сгради в ж.к. Борово и набелязване на мерки за възстановяване и осигуряване на експлоатационната им надеждност и сеизмичното им поведение при бъдещи трусове.

Фиг. 1 и 2. Поглед към с.з. фасади на бл. 231 и бл. 229 в ж.к. Борово, които блокове са еднакви с бл. 228 и бл. 230

Обследваните 5бр. блокове №№ 231, 230, 229, 228 и 228А в

ж.к. Борово в гр. София, са деветнадесет етажни жилищни

сгради плюс сутерен. Бл. 231 е построен в края на 60-те години и има скелетна стоманобетонна конструкция (фундаментна плоча, колони, стенни диафрагми и гредови плочи - фиг. 1). Блокове 230, 229 и 228 (фиг. 2) по външен вид и разпределения са напълно еднакви с бл. 231, но конструкциите им са клетъчни, изпълнени по системата "ЕК" в началото на 70-те години. Блок 228А е изпълнен през 80-те години по същата система "ЕК" и е с по-различно разпределение.

Главната задача е да се даде оценка на проектната и експлоатационната и сигурност на носещите конструкции след станалото земетресение и да се предложат технически решения за възстановяване на надеждността и сеизмичното поведение на сградите при бъдещи трусове в съответствие с изискванията на действащите норми и стандарти. Във връзка с това и поради липса на налична конструктивна документация, бяха извършени конкретни технически проучвания, обследване, конструктивно заснемане, безразрушителен контрол, диагностика и анализи на положението и състоянието на вертикалните и хоризонтални конструктивни елементи, включващи: 1. Проучване на наличните проекти по част “Архитектура”; 2. Изясняване на носещите конструкции, заснемане и

изготвяне на екзекутивни конструктивни планове; 3. Технически огледи и документиране на проявени повреди; 4. Безразрушителен контрол (БК) на вложените бетони и

окачествяване съгласно действащите БДС и норми; 5. Диагностика на армировките в основни вертикални

носещи конструкции (ВНК) и окачествяването им; 6. Компютърно моделиране на носещите конструкции; 7. Сеизмичен анализ; 8. Сеизмична оценка; 9. Заключение за състоянието с препоръки и решения за

възстановяване на надеждността и сеизмичното поведение на сградите;

178

2. Кратки данни за земетресението

Сеизмичното въздействие от земетресението случило се на 22.05.2012г., в района на гр. Перник и гр. София е анализирано на базата на информацията получена от USGS, с отчитане на сеизмичния хазарт и сеизмичния риск за района. Според тази информация, за преобладаващата част на София, максималното ускорение на земната основа е 0,05g (5% от земното ускорение). На показаната карта (фиг. 3) от същия източник (USGS) е видно, че за района на град София може да бъде отчетен интензитет на земетресението от 5-та степен, съгласно 12 степенната скала MM (почти съвпадаща със скалата на MSK). Понастоящем за района на град София сградите се проектират и изпълняват за 9-та степен, съгласно същата скала от 1964 г.

Фиг. 3 Разпределение на интензитета на земетресението

според USGS

Информацията на USGS се потвърждава от регистрираните акселерограми в НИГГГ на БАН (фиг. 4), според които максималното ускорение е 0,04g [21].

Фиг. 4 Акселерограми, записани в НИГГГ на БАН

Фиг. 5 Карта на сеизмичния хазарт у нас в ПСЗР от 1964г

Регистрираното максимално ускорение на земната основа на 22.05.2012г. за района на град София е над два пъти по-малко от референтната стойност на земното ускорение според Правилника за проектиране в земетръсни райони от 1964г. (фиг.5), тази, за която вероятно е изчислявана сградата, а именно 0,10g (10% от земното ускорение) и 5-6 пъти по ниско от съответните референтни ускорения, за които понастоящем се изчисляват сградите за крайни гранични състояния – 0,27g (27% от земното ускорение), съгласно Наредба 2 (фиг.6) и 0,23g (23% от земното ускорение), съгласно Еврокод 8.

Фиг. 6 Карта на сеизмичния хазарт у нас съгласно действащата Наредба № РД-02-20-2 от 27.01.2012г

Имайки предвид данните за интензитета на земетресението може да се заключи, че не би трябвало да се очаква за сградите в София, изпълнени след 1964 г. да са получили значителни повреди, ако: (1) са проектирани и изпълнени в съответствие с действащите

в момента на изпълнението им нормативни докумети; (2) не са претърпели непоправени или некоректно поправени

повреди и дефекти, от предишни въздействия, като земетресения, пожари, течове, намокряне и слягания на основите им и др.;

(3) са подържани добре, като в тях са извършвани всички необходими планови, текущи и непредвидени ремонти;

3. Резултати от проучванията и БК За решаване на поставената задача, бяха извършени

технически огледи, заснеманения на вертикалните носещи елементи и конструкции (ВНК) на всички нива, БК и

179

диагностика на бетона и армировката в тях. Обхватът на тези проучвания е продиктуван от цитираните намерения за оценка на сеизмичното поведение и устойчивост на конструкциите на сградите с отчитане на реалните им параметри, състояние и действителните физико-механични свойства на вложените в техните елементи материали.

(1) Конструктивните проучвания включват заснемане на конструктивните оси и размерите на всички вертикални елементи от конструкцията на всички нива на съществуващите сгради и на подовите конструкции над тях.

(2) Важна конструктивна особеност на бл. 231 е, че над 13 етаж стоманобетонните стени по оси 9 и 18 са трансформирани в двуотворни рамки, с колони в двата края и средата (фиг. 7 и 8), което рязко намалява коравината на сградата в напречно направление (посока изток-запад); Подобна, но частична замяна има и по надлъжна ос И между оси 1-4 и 23-26; Цитираните особености в значителна степен редуцират регулярността на сградата и увеличават чувствителността й на усукване [14].

Фиг. 7 и 8 Конструктивна схема на бл. 231 до 13 етаж (горе)

и от 14 до 19 етаж (долу)

Фиг. 9 Конструктивна схема на бл. 230 от 1 до 19 етаж

(3) На останалите блокове, чиито конструкции са „клетъчни“ по системата „едроразмерен кофраж“, ВНК продължават без изменение по цялата им височина, както на бл. 230 (фиг.9).

(4) От проведеното на място техническо обследване на бл. 231 се установиха: разрушени тухлени щурцове над входни и вътрешни врати, предимно в стените по направление с.з - ю.и. на апартаментите в двата края на коридора (фиг.10); вертикални пукнатини (отделяне) на неносещи зидани стени от стоманобетонната носеща конструкция (фиг.11) и разрушения в неносещи зидани стени (наклонени пукнатини) ориентирани преобладаващо по същото направление с.з.-ю.и (фиг.12 и 13).

Фиг. 10 и 11 Разрушени тухлени щурцове над вратите и отделяне на тухлените стени от ст.б. колони и шайби

Фиг. 12 Пукнатини и разрушения на преградни тухлени

стени, най-силно изразени между 10 и 13 етажи

180

(5) В блоковете по система ЕК бяха разрушени също предимно щурцовете над вратите (фиг.13), които обаче са носещи, тъй като свързват съседните ВНК. Най значителни подобни повреди се установиха в бл. 230, където освен тях имаше пукнатини и в някои от ст.б.стени и плочи (фиг.14).

Фиг. 13 Типични разрушения на ст.б. щурцове над вратите

свързващи ВНК в блокове 230, 229 и 228

Фиг. 14 Пукнатини в ст.б. стена (ВНК) и в ст.б. плоча над

11 етаж в блок 230

(6) Възприетата методика за безразрушителните изпитвания на бетона е в пълно съответствие с изискванията на БДС EN 13791:2007 и БДС EN 13791:2007/NА:2011 [4], визиращи оценката на съществуващите конструкции, които се налага да бъдат променени, преизчислени или имат повреди. Тази методика включва: - БК на бетона с твърдомер на Шмидт на всеки вид главни носещи елементи – в случая ВНК - стоманобетонни стени и колони; - изрязване на пробни тела (ядки), от 3 до 14бр или над 15бр, от места предварително изпитани с твърдомер на Шмидт чрез определяне на големината на отскока; - лабораторни изпитвания на пробните тела на натиск до разрушаване; По този начин са решени два важни въпроса: • Установена е структурата и са определени действителните физико-механични свойства на бетона; Направен е паралел между установената повърхностна твърдост по БДС EN 12504-2:2005 [3] с действителната якост на бетона в изследваните ст.б. стени, получена по БДС EN 206-1/NA:2008 [1] и БДС EN 13791:2007/ NА:2011 [4] чрез разрушаване на изрязани пробни тела от самите тях

(7) За целта бяха изрязани по 6 до 9бр. сондажни ядки от стоманобетонни стени в сутерена на всеки блок (фиг.15). Сондажните ядки са изрязани в хоризонтално направление, с помощта на сондажен апарат “Hilti”, с цилиндрична диамантена бор корона с вътрешен диаметър 104мм и дължина 400мм (фиг.16).

Фиг. 15 и 16 Изрязване на сондажни ядки от ст.б. стени

(8) От изрязаните сондажни ядки са оформяни по 15-18бр. цилиндрични пробни бетонни тела с диаметри 104мм и височини по около 100мм (фиг.17). На всички пробни тела е определяна обемната маса (фиг.18), акустическата плътност (скоростта на прозвучаване с ултразвук – фиг.19) и якостта им на натиск (фиг.20).

Фиг. 17 и 18 Общ вид на оформените цилиндрични пробни тела и определяне на плътността им

181

Фиг. 19 и 20 Ултразвуково прозвучаване и изпитване на

натиск до разрушаване на пробите

(9) Ултразвуковите изпитвания се проведоха чрез двустранно прозвучаване с ултразвуков апарат Unipan, модел 543 (фиг.19), в съответствие с БДС EN 12504-4:2000 [5], на оформените цилиндрични пробни тела. Динамичният и статичният модули на линейни деформации на бетона са изчислени по познатите зависимости от физиката [5, 13]: (2.1) Eb,din = k ρ Vbm

2 , където k = 0,9 - коефициент, който се приема равен на (1+ν)(1-2ν)/(1-ν) при прозвучаване на масивни елементи и k = 1,0 – при прозвучаване на линейни елементи; ρb = γb / g - акустическа плътност на бетона в kN s2 / m4

, и

(2.2) Eb = 0,87; 0,91 или 0,954Eb,din – за бетони съответно с ниски, средни и високи якости; докато якостта на бетона е изчислена по методиката на „тарировъчните криви”, посредством зависимостта: (2.3) Rbm = сVb

3,75, където коеф. с = 0,157 до 0,231 зависещ от възрастта и състоянието на изследваните повърхности, Vb е в km/sec, а Rbm в MPa

Фиг. 21 БК на бетона във всички елементи чрез твърдомер

на Шмидт

(10) Безразрушителните изпитвания чрез измерване големината на отскока са проведени с механичен твърдомер

(склерометър) Schmidt тип N, в съответствие с [1] EN 12504-2 “Изпитване на бетон в конструкции – Част 2: Безразрушително изпитване – определяне големината на отскока” (фиг.21). Изпитани са общо по над 30 места (серии) за всеки блок, от които по 15-20бр. на стени в сутерена и по 15-20бр. на стени и колони в етажите над него.

(11) Заснемането и диагностиката на армировката е осъществено с помощта на сканиращ апарат Ferroscan PS200 на Hilti Corporation (фиг.22). С него са установявани местоположението, диаметъра и бетонното покритие на вертикалните и хоризонталните армировки в достатъчен брой меродавни стоманобетонни стени и колони от носещите конструкции на изследваните блокове.

Фиг. 22 Сканиране на армировката в меродавни

стоманобетонни и колони и ВНК

(12) Резултатите от проведените комплексни проучвания, БК и диагностика позволяват да се направят следните основни изводи за техническото състояние на изследваните сгради: - Носещата конструкция на блок 231 не е повредена от станалото земетресение, докато конструкциите на блокове 228, 229 и особено на 230, изпълнени по система «ЕК», са засегнати в областта на ст.б.щурцове над вратите. - Трябва да се има предвид също, че земетресението от 22.05.2012г. е с интензивност около 5-6 пъти по-ниска от проектната за района на гр. София; - Установените сравнително ниски класове на вложените бетони във ВНК, между В15 и В20 за сутерена и между В12,5 и В15 за етажите на почти всички обследвани блокове, не отговарят на съвременните изисквания за сгради с подобно предназначение и етажност. - Армирането на ВНК също не отговаря на изискванията на действащите БДС и норми [8 и 9]; - Основна причина за получените по време на земетресението от 22.05.2012г. повреди и разрушения в крехките неносещи ограждащи и преградни елементи (зидани тухлени стени, щурцове над врати и др.) на бл. 231, както и в свързващите ст.б. щурцове на другите блокове, по всяка вероятност са сравнително големите междуетажни премествания в определени зони по височина на сградата. - Тези недопустимо големи премествания са индикация за недостатъчна коравина на носещите им конструкции

4. Оценка на сеизмичното поведение на сградите

(1) С цел сеизмично изследване и оценка на поведението на сградите, въз основа на проведеното заснемане и възпроизвеждане на конструктивните чертежи (вж. т.3) са разработени пространствени изчислителни модели на носещите им конструкции в средата на софтуер ETABS ver.9. Моделът на една от тях (на бл. 231) е показан на фиг.23. Изследванията са проведени според:.

- ППЗР-64 [19], сеизмични норми, действащи по време на проектиране и изпълнение на сградата;

182

- Наредба 2 от 2012г. [8], действаща в момента у нас като българска сеизмична норма;

- БДС EN 1998 Еврокод 8 – части 1 и 3 [18], действащи в момента в България европейски сеизмични норми, паралелно с Наредба 2 от 2012 г. [8];

Фиг. 23 Пространствен изчислителен модел на бл. 231

(2) Сеизмичното поведение и оценката са извършвани с отчитане на установените с БК и диагностика свойства и характеристики на вложените бетон и армировки.

(3) Освен оценка на глобалното поведение на сградата (периоди и форми на свободни трептения – фиг.24, абсолютни и междуетажни премествания, P-∆ ефект и др.) са извършени и проверки на носеща способност за меродавните конструктивни елементи (ВНК) за огъващ момент и осова сила и за срязване.

Фиг. 24 Деформирани схеми при 1-ва и 2-ра собствени форми на трептене на съществуващата конструкция на

блок 231 според ЕС8

(4) В резултат на така проведения експериментално-теоретичен анализ на сеизмичното поведение на съществуващите конструкции на сградите, могат да се направят следните по-важни изводи:

- Проведеният статико-динамичен сеизмичен анализ, с отчитане на реалните параметри на ВНК и на действителните физико-механични свойства на вложените в тях материали потвърди съмненията за недостатъчна коравина на носещите конструкции на всички изследвани сгради; - За главните стоманобетонни стени (ВНК) - за повечето от изследваните комбинации проверките на носеща способност за огъващ момент с осова сила и за срязване не са удовлетворени; - Изчислените междуетажните премествания и в двете главни направления са най-големи в тези етажи, където са регистрирани най-големи дефекти и повреди;

- Основният извод относно сеизмичното поведение на конструкциите е, че те не са осигурени нито в съответствие със сеизмичните норми по време на изпълнението им (ППЗР-64 [19]), нито в съответствие с действащите паралелно сеизмични норми - Наредба 2 от 2012 г. [8] и БДС EN 1998 Еврокод 8 [18]. - Доказателство за този извод са сериозните повреди в неносещи конструктивни елементи, които не би трябвало да се проявят при земетресение с интензитет, като този на станалото земетресение.

5. Концепция за сеизмичното им усилване С оглед осигуряване на надеждността и нормалното

сеизмично поведение на конструкциите на сградите при бъдещи трусове, считаме че съществуващите основни ВНК по периферията им трябва да бъдат усилени. Като най-целесъобразно техническо решение е предложена следната концепция (фиг.25):

(1) Усилване в двете направления на четирите ъглови стенни ВНК само от външна страна посредством стоманени "Х" и "К" фермови конструкции, анкерирани в новоизпълнени стоманобетонни стени от фундаментната плоча до кота ±0,00м от външна страна на съществуващите сутеренни стени;

(2) Усилване на всички стоманобетонни стени, за които проверките на срязване по опънен диагонал не са удовлетворени, с външно залепена полимерна армировка от въглеродни нишки [22].

(3) Предлаганите усилвания трябва да се извършат въз основа на разработени за целта и одобрени конструктивни проекти, които да са съобразени с резултатите от настоящите технически проучвания.

Фиг. 25 Деформирани схеми при 1-ва и 2-ра форми на собствени трептения на блок 231 след усилване на

съществуващите ВНК

6. Заключение и изводи

От проведените изследвания може да се обобщи следното:

6.1. Методите за БК на различните свойства на бетона и армировката в ст.б. конструкции на съществуващи сгради претърпяли сеизмични въздействия позволяват да се установи реалното им моментно техническо състояние.

6.2. С установените по този начин “изходни данни” могат да се извършат изчислителни проверки според действащите норми и наредби в различни периоди от тяхната експлоатация и дори да се прогнозира поведението им при следващи земетресения.

6.3. Въз основа на изяснените причини за неудовлетворяване на изискванията за носеща способност, по-лесно и обосновано се приемат адекватни концепции за усилване на носещите им конструкции и за гарантиране на нормалната експлоатация на сградите

183

7. Литература

1. БДС EN 206-1/NA:2008 Бетон – Част 1: Спецификация, свойства, производство и съответствие

2. БДС EN 12504-1:2005 Изпитване на бетон в конструкции - Част 1: Ядки. Изрязване, проверка и изпитване на натиск

3. БДС EN 12504-2:2005 Изпитване на бетон в конструкции -Част 2: Безразрушително изпитване - определяне големината на отскока;

4. БДС EN 13791: 2007/NA:2011 Оценяване на якостта на натиск на бетона на място в конструкции и готови бетонни елементи;

5. БДС EN 12504-4:2000 Изпитване на бетон в конструкции - Част 4: Определяне на скоростта на прозвучаване с ултразвук;

6. БДС 4758:2008 Стомана за армиране на стоманобетонни конструкции. Заваряема армировъчна стомана В235 и В420

7. Наредба №3 за основните положения за изчисляване на конструкциите на строежите и за въздействията върху тях, БСА, кн. 10, 2004г;

8. Наредба № РД-02-20-02 за проектиране на сгради и съоръжения в земетръсни райони от 27.01.2012г;

9. Норми за проектиране на бетонни и стоманобетонни конструкции, 2.04.01, С., 1988;

10. Bенков, В и др. Възстановяване и усилване на масивни конструкции на сгради, С., Техника, 1988;

11. Димов, Д. Безразрушителни изпитвания на строителни конструкции, София, Дайрект Сървисиз, 2011;

12. Милев, Й. Еврокод 8. Сеизмично проектиране на

стоманобетонни конструкции. Част първа: практическо ръководство, КИИП - РК София-град, 2012;

13. Рогонский, В. А. И др. Эксплуатационная надежность зданий, Л., Стройиздат, 1983;

14. БДС EN 1990 Еврокод: Основни положения за проектиране на строителните конструкции + Национално приложение [ЕС0];

15. БДС EN 1991 Еврокод: 1 Въздействия върху строителните конструкции + Национално приложение [ЕС1];

16. БДС EN 1992 Еврокод 2 Проектиране на бетонни и стоманобетонни конструкции + Национално приложение [ЕС2];

17. БДС EN 1997 Еврокод 7: Геотехническо проектиране + Национално приложение [ЕС7];

18. БДС EN 1998 Еврокод 8 – части 1 и 3: Проектиране на конструкциите за сеизмични въздействия + Национално приложение [ЕС8];

19. Правилник за проектиране в земетръсни райони от 1964г. [ППЗР64];

20. Правилник за проектиране на бетонни и стоманобетонни конструкции от 1957г.;

21. Обобщена информация и данни за земетресението от 22 май 2012 г. с M = 5.8 и епицентър на ЮЗ от София, БАН, Национален институт по геофизика, геодезия и география, 2012;

22. CEB-FIP Bulletin 14 – Externally bonded FRP reinforcement for RC Structures, 2001.