Накопление повреждений в деревянных конструкциях при длительной эксплуатации в условиях биологической агрессии
На правах рукописи
ВАРФОЛОМЕЕВ Андрей Юрьевич НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АГРЕССИИ Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2010 2
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно исследовательский центр «Строительство».
доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Ковальчук Леонид Михайлович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Травуш Владимир Ильич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бойтемирова Ирина Николаевна
Ведущая организация: ФГУП «ЦНИИ Проект-легконструкция»
Защита состоится «16» ноября 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного Совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» (ОАО «НИЦ»Строительство») по адресу: 109428, г.Москва, ул. 2-я Институтская, д.6 (корпус 5, конференц-зал НИИЖБ).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «НИЦ» Строительство».
Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО «НИЦ» Строительство» http://www.cstroy.ru.
Автореферат разослан «11» октября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Л.Н. Зикеев кандидат технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Распространенные на Севере деревянные двух этажные здания при эксплуатации преждевременно выходят из строя вследствие гниения деревянных фундаментов, цокольных перекрытий, стен и других конструкций. Для локализации и ликвидации биоразрушения важно своевременно выявить эти дефекты. В настоящее время отсутствуют методы дефектоскопии для быстрого выявления скрытых участков биоразрушения деревянных конструкций, что затрудняет прогнозирование развития этого процесса при длительной эксплуатации, качественное планирование и выполнение ремонтно-восстановительных мероприятий.
Цель исследования – разработать неразрушающий экспресс-метод выявления скрытых участков биоразрушения деревянных конструкций и методику прогнозирования динамики накопления повреждений при длительной эксплуатации в условиях биологической агрессии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработан и апробирован неразрушающий метод быстрого определения местоположения скрытых участков биоразрушения деревянных конструкций с помощью сканирования инфракрасного излучения их поверхностью;
- разработано и апробировано математическое описание динамики био разрушения деревянных конструкций;
- разработана методика прогнозирования динамики биоразрушения и оценена ее точность с использованием результатов длительных полигонных испытаний образцов и обследований длительно эксплуатируемых натурных конструкций;
- определена закономерность накопления повреждений в конструкциях деревянных зданий на Севере и экстремальные периоды, когда следует производить ремонтно-восстановительные мероприятия.
Практическое значение результатов работы:
1. Применение неразрушающего бесконтактного метода дефектоскопии деревянных несущих и ограждающих конструкций путем сплошного сканирования инфракрасного излучения их поверхности позволило быстро определять местоположение и параметры скрытых участков биоразрушения наружных стен, цокольных и чердачных перекрытий жилых зданий в Архангельской области.
2. Применение неразрушающего метода точечной дефектоскопии с помощью портативного инфракрасного пирометра, удобного для использования при строительной экспертизе, открывает перспективы быстрого инструменталь ного тестирования участков конструкций, где высока вероятность деструк ции дереворазрушающими грибами.
3. Оперативно полученные данные о местоположении и параметрах скрытых участков биоразрушения деревянных стен, цокольных и чердачных перекрытий использованы при планировании, проектировании и производстве ремонта зданий в Архангельске и Северодвинске.
4. Использование разработанного метода прогнозирования динамики био разрушения деревянных эксплуатируемых конструкций позволяет своевременно планировать и производить мероприятия по ремонту.
обеспечена обоснованным Достоверность результатов работы использованием современных методов численных исследований, высокоточного испытательного оборудования, результатами экспериментальных исследований несущих и ограждающих деревянных конструкций, длительно эксплуатируемых на Севере.
На защиту выносятся:
- неразрушающий бесконтактный метод выявления скрытых участков биоразрушения деревянных конструкций с помощью сплошного сканирования тепловизором инфракрасного излучения их поверхности;
- неразрушающий метод точечной дефектоскопии деревянных конструкций с помощью портативного инфракрасного пирометра с лазерной наводкой;
- рекомендации по применению указанных методов при обследовании деревянных конструкций;
- результаты экспериментальных исследований скрытых участков био разрушения деревянных конструкций зданий, эксплуатируемых при нормальной и повышенной влажности;
- математическое описание динамики биоразрушения деревянных конструкций;
- методика и результаты прогнозирования биоразрушения при полигонных испытаниях образцов и натурных конструкций с оценкой точности;
- данные об изменении технического состояния деревянных конструкций зданий на Севере и методика определения экстремальных периодов, когда следует ремонтировать конструкции с накопленными повреждениями.
Апробация работы и публикации: Основные результаты диссертационной работы апробированы на 10-й всерос. студ. науч. конф.- Красноярский гос.
ун-т. – Красноярск, 2003;
совещ. по междунар. проекту «Энергоэффективный деревянный модульный дом для Северо-Запада России», Narvik University College. Department of Building Science - Нарвик, Норвегия, 2007-2009;
всерос.
науч. конф. студ. и аспир. «Молодые исследователи – регионам» – Вологодский гос. техн. ун-т. – Вологда, 2008;
юбилейн. конф. кафедры «Конструкции из дерева и пластмасс» Санкт-Петербургского гос. архит.-строит. ун-та – Санкт Петербург, 2010.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых журналах, определенных ВАК.
Внедрение результатов работы осуществлено в проектной фирме «Архстрой проект», мэрии г. Архангельска и муниципальном производственном жилищном ремонтно-эксплуатационном предприятии «ПЖРЭП» г. Северодвинска при планировании, проектировании и выполнении ремонтов деревянных зданий.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, внедрении полученных результатов. Теоретические и эксперименталь ные разделы включают исследования, выполненные лично автором либо под его руководством.
Внедрение результатов исследований осуществлялось в творческом содружестве со специалистами проектной фирмы «Архстройпроект», мэрий городов Архангельска, Северодвинска и др.
Диссертационная работа выполнена в ОАО «НИЦ «Строительство» с длительными зарубежными стажировками и обучением в ведущих научных центрах Норвегии: Norwegian University of Science and Technology (Trondheim) и Narvik University College (Narvik).
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю – заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Л.М. Ковальчуку, специалистам, участникам работы и лицам, оказывающим содействие в ее выполнении.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 127 наименований и приложения. Общий объем – 154 стр., в т.ч. 61 рисунок и 10 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные результаты, полученные автором, показана их научная новизна и практическая значимость, общая характеристика работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проанализированы методы определения биоразрушения деревянных конструкций и прогнозирования развития этого процессе при их длительной эксплуатации.
Основными методами определения биоразрушения являются:
1. Визуальное обследование конструкций деревянных зданий согласно ВСН 53-86(р). При этом фиксируют внешние, хорошо видимые признаки гниения древесины, а также специфические деформации конструктивных элементов и здания в целом, которые фактически являются следствием уже произошедших биологических повреждений.
2. Применение щупов либо полого бура для отбора цилиндрических проб, а также других инструментов для оценки состояния древесины. Эти работы трудоемкие, требуют вскрытия, повреждения конструкций.
3. Для выявления скрытых повреждений древесины грибами Л.М.Чащина, Н.Н. Клобукова и др. (1987) применяли химические индикаторы, образующие яркие цветные комплексы при взаимодействии с продуктами жизне деятельности грибов. Такой анализ могут выполнять только высоко квалифицированные специалисты. На результаты сильно влияют любые химические вещества на поверхности конструкций даже в малых концентрациях (загрязнения, следы антисептирования и т.п.).
4. Исследования А.Н. Кириллова и С.Л. Ковальчука (1987;
1988) показали, что изменение структуры древесины можно определить с помощью анализа акустической эмиссии (АЭ), которая возникает в процессе локальной динамической перестройки структуры под внешними воздействиями.
Деструкция дереворазрушающими грибами вызывает кардинальную пере стройку структуры древесины. Однако метод АЭ рассмотрен только применительно к контролю качества клеевых швов древесины.
Все известные методы не пригодны для практического применения при обследованиях эксплуатируемых объектов для быстрого выявления место положения и параметров скрытого биоразрушения деревянных конструкций.
Фундаментальные исследования биоразрушения древесины во времени с целью прогнозирования выполнили С.Н. Горшин, П.И. Рыкачев и др. (1967;
1971;
1980). Было предложено аппроксимировать данные о биоразрушении деревянных образцов при длительных полигонных испытаниях с помощью метода Гаусса, либо графиков, построенных в логарифмической системе координат. Однако аналитическая зависимость, позволяющая корректировать случайные отклонения некоторых экспериментальных точек, при таких вариантах решения задачи прогнозирования ими найдена не была. С.Н. Горшин и др.
исследователи особо отметили, что математическое описание процессов био разрушения осложнено тем, что эти явления, отражающие природу развития живого, характеризуются очень высокой неоднородностью. С.Н.Горшин, И.Г.Крапивина, Э.В.Медведева (1984) предлагали выполнять прогноз обычным методом графической экстраполяции, используя экспериментальные данные «после того, как кривая состояния примет устойчиво закономерный ход».
Однако этот метод не универсален. Задача математического описания дина мики биоразрушения древесины ими не решена.
И.Ф. Ламов (1999) описал динамику биоразрушения деревянных конструкций 202-х жилых малоэтажных зданий с разными сроками эксплуатации с помощью степенного полинома, используя метод наименьших квадратов (МНК). Однако выведенные уравнения достоверны лишь в узком временном интервале, в пределах которого были получены исходные экспериментальные данные. Если время выходит за пределы упомянутого интервала, то зафикси рован ряд несоответствий. Например, в некоторых случаях объем деструкти рованной древесины, вычисленный по полиномам, с увеличением времени уменьшается либо превышает 100%;
на начальной стадии гниения показатель деструкции иногда имеет отрицательный знак либо больше 100%. Это не соответствует реальности.
По результатам экспериментальных химико-микологических исследований под руководством Е.Н. Покровской (2003, 2009) построено множество графи ческих закономерностей развития биоразрушения древесины в строительстве для частных случаев. Однако обобщенного математического описания этого про цесса не выведено. Это же имеет место и в исследованиях долговечности дере вянных конструкций, выполненных под руководством В.М.Хрулева (1982), А.Д.Ломакина (1990) и др.
Д.А.Беленков (1991) исследовал закономерности биоразрушения образцов, обработанных антисептиками с различной концентрацией, основываясь на вероятностном методе. При этом был использован распространенный метод «кривой действия», предложенный П.И. Рыкачевым и включенный позднее в ГОСТ 11540-65 и ГОСТ 16712-71. Метод основан на предположении, что «по мере увеличения в древесине антисептика от малого до большого количества среднее разрушение ее грибом будет изменяться по симметричной зеркаль ной S-образной кривой». Однако проведенные испытания были сравнительно кратковременными, с использованием малых лабораторных образцов. Резуль таты этих экспериментально-теоретических исследований не позволяют решить задачу прогнозирования динамики процесса биоразрушения деревянных конструкций натурных размеров.
Вторая глава посвящена анализу результатов натурных обследований деревянных конструкций, длительно эксплуатируемых на Севере.
Обобщены показатели технического состояния конструкций зданий по результатам их обследований, проводившихся в разные годы. По датам строительства, а также датам и результатам обследований конструкций опре деляли изменение их технического состояния для каждого здания. Затем, исходя из условия линейной закономерности динамики деструкции на рассматриваемом сравнительно коротком промежутке времени, вычисляли приведенные показатели технического состояния на 01.01.2008 г.
Для полученной выборки (3393 деревянных зданий) определили статистические характеристики: генеральное среднее – 58,35, стандартное отклонение – 14,78, дисперсия – 220,16, коэффициент вариации – 25,54.
Статистический анализ (рис.1) показал, что в конце 2007 г. в Архангельске деревянные здания общей площадью более 620 тыс.м2 имели недопустимый уровень (более 65%) биоразрушения конструкций. Следует отметить, что по результатам исследований Т.Н. Носовой и др. (2003) грибы и продукты их жизнедеятельности в помещениях опасны для граждан, страдающих многими заболеваниями, особенно аллергическими.
Анализ изменения остаточного ресурса (Ор) деревянных конструкций производили по выборке из 280 зданий, эксплуатируемых в г. Северодвинске:
Ор = 100%-Ф, где Ф – величина физического износа.
Количество зданий, шт.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Физический износ, % Рис. 1. Распределение выборки приведенных показателей износа конструкций деревянных зданий.
В зависимости от времени (Т) выборку разделили на 7 групп с интервалом в 10 лет. Путем полиномиальной аппроксимации выборки определили зависимость Ор от Т:
ОрТ = 0,0006 Т 3 + 0,0654 Т 2 2,204 Т + 81,258 (1) Коэффициент детерминации (1): R2=0,9009 (близок к 1). Полином (1) имеет два экстремума (рис. 2). Увеличение ОрТ после 25 лет эксплуатации зданий объясняется массовым проведением капитальных ремонтов жилого фонда. В советское время капитальный ремонт признавали экономически целесообразным из-за низкой стоимости труда и древесины. Однако в последние годы из-за роста цен проведение ремонтов рассматриваемых зданий является дорогостоящим. Решение об их восстановлении принимают по данным натурных обследований и технико-экономических расчетов. При этом учитывают, соответствует ли здание современным требованиям энергоэффективности, комфортности, трудосбережения. Анализ архивных данных и результатов натурных обследований показал, что в старых двухэтажных зданиях часто не обеспечена надежная защита древесины от увлажнения в туалетах, ванных комнатах (там, где они имеются). Отсутствует эффективная приточно вытяжная вентиляция, обеспечивающая воздухообмен и предотвращающая гниение конструкций. Из-за высоких порогов, узких коридоров и дверных проемов, большого количества ступеней во входных узлах жильцы с ограниченной мобильностью не могут самостоятельно перемещаться. Это не соответствует современным строительным нормам и положениям Евро пейской Социальной Хартии, ратифицированной в России в 2009 г. Поэтому, несмотря на то, что через 45 лет эксплуатации ресурс конструкций зданий снижается (рис. 2), во многих случаях их ремонт не производят.
Величина остаточного ресурса зданий, % 0 10 20 30 40 50 60 Срок эксплуатации зданий, лет Рис. 2. Изменение остаточного ресурса деревянных конструкций зданий при длительной эксплуатации.
Положение точки перегиба на оси абсцисс (рис. 2) свидетельствует о необходимости принятия решения о восстановлении конструкций с накоп ленными дефектами в этот период эксплуатации. Точку перегиба можно определить по второй производной уравнения (1):
ОрТ = 0,0006 3 2 Т + 0, (2) Исходя из условия ОрТ = 0, вычисляем: Т=36,3 года.
При несвоевременном принятии решений о ремонте либо сносе возможно обрушение зданий с подгнивших фундаментов. По данным обследований конст рукций обрушившихся зданий, наибольшие повреждения получили цоколь ные перекрытия и полы первого этажа, поскольку их во многих местах проби ли фундаментные стойки. Сместившиеся срубы опирались на обломки деревян ных фундаментов и грунт, однако сохранили форму и целостность (за исклю чением нескольких элементов окладных венцов). Это объясняется тем, что стены из бруса на нагельных соединениях в данных случаях работали как балки стенки. Пересекающиеся стены при совместной работе создавали единый блок, обладавший достаточной жесткостью и «вязко» воспринимавший экстремальные нагрузки. Поэтому сохранились оконные блоки, разбились или растрескались менее 10% стекол. Около 10% деревянных дверей заклинило при ударе здания о грунт. Кирпичные печи, опиравшиеся на отдельные фундаменты из четырех свай, получили наибольшие повреждения на первом этаже. Верхние части кирпичных труб обрушились и повредили шиферную кровлю. Чердачные перекрытия выдержали ударную нагрузку.
Третья глава посвящена разработке неразрушающего метода определения скрытого биоразрушения деревянных конструкций.
При обследованиях обычно жильцы не соглашаются на вскрытие отделочных слоев конструкций из-за сложности быстрого и качественного их восстанов ления. Однако при несвоевременном выявлении и ликвидации очагов распро страняющейся биологической инфекции срок службы деревянных конструкций может сократиться в 3-5 раз.
Для быстрого выявления скрытых дефектов стен и перекрытий автор предлагает использовать явление изменения теплопроводности деструкти рованной древесины вследствие её увлажнения и структурного изменения при биологическом (точнее - биохимическом) разложении. По данным Г.Г.Карлсена (1975), под действием кислых ферментов, выделяемых дереворазрушающими грибами, сначала происходит осахаривание целлюлозы, выполняющей в древесине функции «несущего каркаса», с получением глюкозы. Затем глюкоза окисляется кислородом с образованием углекислого газа, воды и тепла.
При одинаковой температуре теплопроводность воздуха в 23 раза меньше, чем воды. Поэтому при увлажнении древесины, имеющей пористое строение (2/3 объёма - полости трахеид), её теплопроводность возрастает (Л.М.Перелы гин, 1963;
Б.Н. Уголев, 2007). Увлажнившаяся при гниении древесина с деструк тированными стенками трахеид проводит тепло гораздо лучше, чем сухая, пористая, без биоповреждений. В диапазоне температур от –40оС до +30оС при изменении влажности от 10 до 100% коэффициент теплопроводности древесины плотностью 360 кг/м3 в тангенциальном направлении изменяется от 0,12 до 0,49 (Вт/м оС) соответственно (П.С.Серговский, 1968),. Теплопроводность цельной древесины в радиальном направлении на 15% выше, чем в тангенциальном, а вдоль волокон - в 1,5…2,5 раза выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Коэффициенты теплопроводности биологически деструктированной древесины по соответствующим основным направлениям к волокнам различаются между собой меньше, но их значения гораздо выше, чем у древесины без повреждений. Поэтому в местах биологической деструкции древесины из-за локальных теплопотерь при холодной погоде температурное поле на поверхности конструкций наружных стен, цокольного и чердачного перекрытий отапливаемых зданий имеет возмущения, которые и предлагается фиксировать с помощью инфракрасного сканера. Для сканирования автор использовал тепловизоры АGЕМА Thermovision 450/470 PRO и Flir SC640, имеющий высокую точность и предназначенный для научных исследований.
Тепловизионная дефектоскопия. Автор обследовал в Архангельске и Северодвинске наружные стены из бревен и бруса, цокольные и чердачные перекрытия отапливаемых зданий разных видов. На рис. 3 показаны обычная фотография (а) и термограмма (б) узла примыкания цокольного перекрытия к стенам с характерным дефектом биоразрушения деревянных конструкций.
а) б) Рис. 3. Общий вид узла примыкания цокольного перекрытия к наружной правой стене и левой стене лестничной клетки (а). На участках гниения древесины зафиксирован «мостик холода», имеющий на термограмме (б) темный цвет. Температура в исследуемой части помещения ниже нормы.
Тепловизионные исследования конструкций деревянной бани в холодный период, отапливаемой в экономном режиме, показали, что на термограммах увлажненных стен из бруса не зафиксированы возмущения. Поэтому рассмат риваемый метод не пригоден для выявления скрытых участков гниения деревянных конструкций с повышенной влажностью. Обшивка из сайдинга, листов металлопластика не позволяет выявить дефекты ограждающих конст рукций при тепловизионной съёмке снаружи. В этом случае необходимо производить съёмку в помещениях. Прямое солнечное облучение и ветер также кардинально искажают термограммы.
По данным опытов, при создании частичного вакуума в исследуемом помещении (с предварительной герметизацией вентиляционных отверстий, оконных и дверных проемов) фильтрация воздуха через дефектные участки происходит в сторону пониженного давления, интенсифицируется. С помощью тепловизора благодаря цветовой температурной шкале определяют количест венные характеристики потоков воздуха в дефектных местах, по интенсивности окраски которых можно оценить степень деструкции древесины.
Сплошная тепловизионная дефектоскопия позволила выявить места, наиболее уязвимые для биоразрушения: участки наружных стен под оконными проемами, участки цокольных перекрытий в ванных комнатах, душевых, туалетах, кухнях, где имела место повышенная влажность.
Для точечной дефектоскопии участков, где велика вероятность био разрушения, автор использовал традиционный инфракрасный пирометр c лазерной наводкой в точку замера. Апробацию этого экспресс-метода произво дили одновременно со сплошными тепловизионными исследованиями, которая подтвердила целесообразность его применения при натурных обследованиях для быстрого выявления температурных аномалий в конструкциях стен и перекрытий деревянных зданий в наиболее уязвимых местах. Однако его нельзя применять для бесконтактных замеров температуры поверхности конструкций в запыленных, задымленных и влажных помещениях, поскольку инфракрасный луч, регистрируемый приемником прибора, рассеивается частицами пыли, дыма, пара, что приводит к погрешности.
При отработке методик инфракрасной дефектоскопии для определения скры тых участков биоразрушения стен деревянных зданий автор детально ис следовал 84 участка, где были зафиксированы температурные возмущения. При вскрытии отделочных слоев выявлены следующие причины температурных ано малий: 52 случая (61,2%)– деструкция дереворазрушающими грибами, 22 (25,9%)– дефекты герметизации стыков бруса либо узлов примыкания оконных коробок к проемам, 11 (12,9%)– прочие причины (отсутствие утеплителя в цокольном пере крытии, не утепленные кабельные отверстия в стенах, наличие неиспользуемого стального крепежа под отделочными слоями, локальные протечки трубопро водов, холодные потоки воздуха под обшивкой из гипсокартонных листов и т.п.).
Четвертая глава. Автором разработано и исследовано математическое описание динамики биоразрушения деревянных конструкций, позволяющее корректно аппроксимировать экспериментальные данные об изменении их состояния при длительной эксплуатации в условиях биологической агрессии.
Разработана методика прогнозирования динамики накопления дефектов (х) с использованием уравнения логистической кривой:
1, (3) x= e kt + где – характеризует начальное состояние исследуемого объекта (0);
k–учитывает характеристику среды (k0);
t – время.
Определим неизвестные множители. Пусть X = 1 x, тогда:
X = 1 + a e kt (4) kt Z = X 1 = a e (5) z = ln Z = ln a kt (6) Обозначим: A = ln a, (7) B = k (8) Тогда: z = A + Bt (9) Неизвестные множители А и В (7, 8) можно определить по МНК. При этом неизвестные параметры выбираются таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений эмпирических групповых средних от ординат, вычисленных по рассматриваемому уравнению, была наименьшей:
l (10) S= ( B + At x ) 2 n min.
i i i i = Параметры А и В можно определить из системы нормальных уравнений:
l l Bn + A t i ni = xi ni, (11) i =1 i = l l l B t n + A t 2 n = t x n.
i i i i i i i i =1 i =1 i = Система (11) решена с помощью функции ЛИНЕЙН табличного процессора Excel с использованием сведений о биоразрушении деревянных конструкций в разные периоды их эксплуатации (результатов нескольких натурных обследований). Коэффициенты и k определены из уравнений (7, 8) и подставлены в уравнение логистической кривой (3). С помощью второй производной уравнения (3) можно определить положение точки перегиба:
tтп=(ln a)/k. Точка указывает период эксплуатации tтп, после которого интенсивность биоразрушения рассматриваемой конструкции замедляется.
Апробация на столбах. Математическое описание апробировали с использо ванием данных полигонных испытаний деревянных столбов, вкопанных в грунт.
Эти исследования проводились по одинаковой методике в Московской и Архан гельской областях под руководством С.Н.Горшина и Т.М.Поромовой (рис. 4).
% Биоразрушение, 0 2 4 6 8 10 12 Продолжительность испытаний, лет Московская область Архангельская область Рис. 4. Динамика биоразрушения древесины экспериментальных столбов при контакте с грунтом.
О хорошем совпадении экспериментальных и теоретических данных свидетельствуют коэффициенты детерминации R2М =0,9797 и R2А=0,8214, близкие к 1. Более интенсивное биоразрушение в Подмосковье объясняется тем, что климат там более благоприятен для развития грибов, чем в Архан гельской области: среднегодовая температура +4,1 оС (выше в 5,125 раза), а среднегодовой период с температурой ниже 0 оС - 145 суток (на 22% короче).
Апробация на натурных конструкциях. Для апробации использовали результаты обследований конструкций двухэтажных зданий, длительно эксплуа тируемых в Архангельске и Северодвинске. Рассмотрены данные технических паспортов об основных дефектах и изменениях состояния наиболее ответст венных конструкций - деревянных фундаментов.
При решении этой задачи рассматривали только те здания, у которых не производили капитального ремонта фундаментов. При формировании выборки показателей биоразрушения свай (либо фундаментных стульев) каждого здания учитывали и те из них, которые сгнили на 100% (в этих местах срубы зданий осели и опирались окладными венцами непосредственно на грунт либо на временные противоаварийные опоры).
В качестве примера в табл. 1 приведены данные об изменении состояния фундаментов здания 17-2-Ак, 1928 года постройки, использованные для определения динамики их биоразрушения. При обработке данных учитывали результаты натурных обследований эксплуатируемых зданий, согласно которым повреждения деревянных фундаментов при воздействии плесневых, деревоокрашивающих и дереворазрушающих грибов в течение первых 4 лет составляют около 2%. Уравнение прогноза, описывающее биоразрушение фундаментов через 74 года эксплуатации, выводили с использованием зависимости (3-11) и результатов обследований конструкций фундаментов.
Таблица Год обследования 1976 1980 1985 1991 1996 Продолжительность 48 52 57 63 68 эксплуатации, лет Биоразрушение деревянных 50 60 60 65 70 фундаментов, % Аналогично для каждого здания выводили уравнения, описывающие динамику биоразрушения фундаментов на дату последнего обследования конструкций;
графические изображения приведены на рис. 5.
Рис.5. Динамика накопления повреждений в деревянных фундаментах зданий, длительно эксплуатируемых в условиях биологической агрессии.
Анализ результатов (рис. 5) показывает, что при одинаковых сроках службы интенсивность биоразрушения деревянных фундаментов различается. Точки перегиба кривых находятся в интервале от 30,9 до 42,8 лет. Выявленное различие закономерностей динамики биоразрушения можно объяснить следующим:
- различием состава грунтов в основании зданий (по видам, толщинам слоев);
- различием уровня грунтовых вод, возможностью периодических затоплений фундаментов талыми, либо паводковыми водами;
- различием микологической флоры на участке застройки;
- различием качества технического обслуживания зданий и состояния системы канализации (например, наличие под зданием сточных вод из-за протечек);
- различием ответственности жителей за соблюдение правил эксплуатации жилья (например, затопление помещений при пользовании ванн и пр.).
На основании опытов с антисептированными элементами С.Н. Горшин сделал вывод: «Вещества, поступающие из древесины в почву в той или иной мере, задерживаются вокруг древесины, образуя зоны выноса. Показателем присутствия в почве токсичных веществ является изменение активности микро флоры». Однако следует отметить, что под действием атмосферных осадков, талых и грунтовых вод зона выноса вокруг вкопанных в грунт конструкций размывается, и концентрация токсичных веществ в ней снижается.
Оценка точности прогнозирования. Точность прогноза биоразрушения оценивали не только по коэффициенту детерминации, но и путем сравнения прогнозных и фактических показателей биоразрушения деревянных фунда ментов, полученных позднее при натурных обследованиях (2009-2010 г.). При выводе уравнений прогноза использовали данные технических паспортов об изменении состояния конструкций. Результаты сравнения приведены в табл. 2.
Таблица Биоразрушение Срок Фактическое Код на 2009-2010 гг., % эксплуатации, отклонение, здания лет Прогноз факт % 17-2-Ак 82 89 86 -3, 6-Ак 80 91 88 -3, 18-26-Ск 70 97 90 -7, 32-Ск 70 92 89 -3, 33-А-Ск 70 87 90 +3, Возможность корректировки уравнения прогноза биоразрушения апробировали с использованием поэтапно поступающих новых данных об изменении состояния конструкций (после очередных обследований). В качестве примера использовали данные об изменении состояния фундаментов здания 17 2-Ак (табл.1), а также результаты натурных обследований 2009-2010г. (для здания 17-2-Ак на 2010г. - 86%). Уравнение прогноза №1, описывающее биоразрушение фундаментов через 57 лет эксплуатации, выводили по данным на 1985 г. (табл.1).
Используя зависимости (3 – 11), получено уравнение (при R2=0,9918):
(12) x(t ) = 66,49 e 0,851t + По аналогии вычисляли прогнозируемые закономерности (№№ 2-5) биоразрушения фундаментов по данным на 63, 68, 74 и 82-й год их эксплуатации. Расчетные значения сравнивали с фактическими (табл. 1).
Уравнения прогноза и результаты оценки их точности для каждого здания даны в табл. 3. Установлено, что при увеличении количества замеров, используемых для вывода уравнений, точность прогноза биоразрушения повышается (табл. 3). Следовательно, после каждого очередного обследования следует производить корректировку уравнения прогноза с учетом новых данных о техническом состоянии эксплуатируемых конструкций.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. При несвоевременном выявлении дефектов, планировании и выполнении работ по восстановлению деревянных конструкций с биологическими повреждениями возможно образование значительных дефектов или разрушение здания. На основании анализа данных о техническом состоянии деревянных конструкций 280 малоэтажных зданий, длительно эксплуати руемых на Севере, определена закономерность изменения их остаточного ресурса во времени и экстремальные периоды, когда следует восстанавливать конструкции с накопленными повреждениями.
2. Разработан неразрушающий метод определения скрытых участков биологической деструкции деревянных конструкций с помощью сканирования инфракрасного излучения. Метод основан на явлении изменения теплопровод ности древесины при ее биологическом разложении, сопровождающемся выделением воды. При апробации предложенного бесконтактного метода сканировали инфракрасное излучение наружных стен, цокольных и чердачных перекрытий отапливаемых зданий с последующим детальным обследованием 84 участков, где выявили возмущения температурного поля:
61,2% из них имели повреждения дереворазрушающими грибами, 25,9% дефекты герметизации стыков и трещины, 12,9% - прочие причины. При апробации установили, что указанный метод не пригоден для выявления био разрушения деревянных конструкций, эксплуатируемых во влажных условиях.
3. По аналогии с тепловизионным методом (п.2) предложен и апробирован экспресс-метод точечной дефектоскопии сомнительных участков конструкций с использованием портативного инфракрасного пирометра с лазерной наводкой в точку замера. Этот бесконтактный метод позволил оперативно выявлять участки с температурными аномалиями, свидетельствующими о наличии дефектов.
4. Наличие обшивки из сайдинга, металлопластика и других материалов не позволяет выявить скрытые дефекты при сплошном тепловизионном сканировании конструкций со стороны улицы. В этом случае сканирование следует производить в помещении. Для инициирования движения сканируемых тепловых потоков через поврежденные участки рекомендуется создать частичный вакуум в исследуемых помещениях: герметизируют вентиля ционные отверстия, дверные и оконные проемы и др. и с помощью воздушного насоса удаляют часть воздуха для понижения давления на 3-5%.
5. Неразрушающий метод инфракрасной дефектоскопии применен при обследовании ограждающих деревянных конструкций малоэтажных зданий в Архангельской области. Цветные термограммы, моментально полученные и сохраненные на тепловизоре для анализа, позволили оперативно выявить точное местоположение дефектов и определить параметры участков биоразрушений (по цветовой гамме термограмм). Результаты использованы при проектировании и ремонте зданий.
6. Предложенные методы бесконтактной инфракрасной дефектоскопии открывают перспективы использования тепловизоров и портативных пирометров для выявления скрытых участков биоразрушения деревянных конструкций, представляющих опасность для их несущей способности.
7. Разработано и исследовано математическое описание динамики накопления повреждений в деревянных конструкциях, позволяющее корректно аппроксимировать экспериментальные данные об изменении их технического состояния при длительной эксплуатации в условиях биологической агрессии.
8. Апробация предложенного математического описания с использованием данных многолетних полигонных испытаний деревянных образцов, проводившихся в Архангельской и Московской областях, показала высокую сходимость экспериментальных и теоретических результатов: коэффициент детерминации соответственно составил R2А=0,8214 и R2М =0,9797, что близко к 1. Полученные зависимости хорошо поддаются объяснению и корректно описывают все основные стадии биоразрушения, включая начальную.
Результаты поэтапной корректировки прогнозируемых показателей биоразрушения деревянных фундаментов с использованием данных последующих обследований (здание 17-2-Ак) Таблица Прогнозируемый / фактический показатели биоразрушения (%) конструкций после эксплуатации в течение:
№ уравнения прогноза 57 лет 63 года 68 лет 74 года 82 года Уравнение прогноза прогноз прогноз прогноз прогноз прогноз *, %, %, %, %, % факт факт факт факт факт 66 76 83 89 1 10,00 16,92 18,57 18,67 9, 66,49 e 0,0851t + 1 60 65 70 75 62 73 80 87 2 3,33 12,31 14,29 16,00 6, 60,60 e 0,0806t + 1 60 65 70 75 59 70 77 84 3 -1,67 7,69 10,00 12,00 5, 54,85 e 0,0768t + 1 60 65 70 75 57 67 74 82 4 -5,00 3,08 5,71 9,33 3, 48,56 e 0, 0729 t + 1 60 65 70 75 54 64 72 79 5 -10,00 -1,54 2,86 5,33 1, 40,97 e 0,0682t + 1 60 65 70 75 Примечание: * - отклонение прогнозируемого показателя от фактического.
9. На основе предложенного математического описания разработана методика прогнозирования динамики биоразрушения конструкций, которая апробирована на примере деревянных фундаментов малоэтажных зданий, длительно эксплуатируемых в климатических и грунтовых условиях Архангельской области. Методика прогноза позволяет учитывать вновь поступающие сведения об изменении состояния конструкций в процессе длительной эксплуатации в условиях биологической агрессии, благодаря чему прогноз уточняется. Значения коэффициента детерминации, близкие к 1, и результаты сравнения прогнозируемых и фактических показателей биоразрушения свидетельствуют о хорошей их сходимости.
Основное содержание диссертации представлено в публикациях:
1. *Варфоломеев А.Ю. Разрушение деревянных многоквартирных зданий, построенных на песчаном основании/ А.Ю. Варфоломеев// Жилищное строительство. - № 10, 2008. – С.28-30.
2. *Варфоломеев А.Ю. Неразрушающий метод выявления скрытых участков гниения деревянных наружных стен зданий/ А.Ю. Варфоломеев// Жилищное строительство. - № 6, 2009. – С.5-8.
3. *Варфоломеев А.Ю. Динамика биологической деструкции древесины/ Строительные материалы. - № 6, 2010. – С. 54-55.
4. Варфоломеев А.Ю., Ковальчук Л.М. Статистический анализ показателей физического износа деревянных жилых зданий в Архангельске/ Молодые исследователи - регионам: Матер. всерос. науч. конф. студ. и аспир. ВоГТУ. – Вологда, 2008. – Т. 1 - С. 175-176.
5. Яшкова Е.А., Варфоломеев А.Ю. Исследование биопоражения несущих конструкций двухэтажных домов из сосны/ Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч.тр. АГТУ – Вып.73. Архангельск: Изд. АГТУ, 2007. - С. 269 – 273.
6. Варфоломеев А.Ю. Влияние гниения на экологические характеристики деревянных жилых домов/ Экология и проблемы защиты окружающей среды: Тезисы докл. 10-й всерос. студ. науч. конф. Красноярский гос. ун-т. – Красноярск, 2003. – С. 131-132.
7. Мелентьева М.Н., Варфоломеев А.Ю., Свен С.Э./ Исследование теплопотерь здания спортивной школы из деревянных клееных конструкций/ Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений: Матер.
междунар. науч.-техн. конф. ВоГТУ. – Вологда, 2003. – С. 138-139.
8. Варфоломеев, А.Ю. Изменение остаточного ресурса деревянного жилого фонда в холодном климате/ Современные строительные конструкции из металла и древесины: (сб. науч. трудов). В 2-х частях: часть 1. Одесская гос. академия архит. и стр-ва. (ОГАСА). – Одесса, 2010. – С. 47-51.
9. Беляев А.Н., Варфоломеев А.Ю. Технико-экономический анализ ремонта многоквартирных деревянных зданий и нового строительства на Севере/ Раз витие деревянного домостроения в Вологодской области. Проблемы и прак тические решения: Матер. межрег. науч.-техн. конф. – Вологда: Издатель ский центр ВИРО, 2008. – С. 60-65.
10. Варфоломеев А.Ю., Ламов И.Ф. Учет потребностей людей с ограниченной мобильностью в деревянном домостроении на Севере/ Развитие деревянного домостроения в Вологодской области. Проблемы и практические решения:
Матер.межрег. науч.-технич. конф. – Вологда: Изд. центр ВИРО, 2008. – С.53-60.
11. Варфоломеев, А.Ю. Влияние на деревянное домостроение изменений лесосырьевой базы и потребительского спроса/ А.Ю. Варфоломеев // Матер.
науч.-практ. конф. СПбГАСУ «Современные деревянные конструкции.
Теория. Практика. Эксперимент» - Изд. СПбГАСУ, 2010. – С. 59-63.
Примечание: Научные работы №№1-3 опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, определенных ВАК.
Отпечатано в ООО «НИЛ Стройэкспертиза» Подписано в печать: 29.09.2010г.