С33 НДС каменной кладки тезисы

1
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕННОЙ КЛАДКИ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
В.В. Пангаев, А.В. Федоров
НГАСУ (Сибстрин), 630008, г. Новосибирск, E-mail: pangaev@ngs.ru
ИТПМ СО РАН, 630090, Новосибирск, E-mail: fedorov@itam.nsc.ru
Современное каменное здание существенно отличается от четырех-пяти
этажных строений, во времена возведения которых формировались нормы проектирования каменных конструкций. Его стены состоят уже не из сотен тысяч, а
из миллионов отдельных частиц-кирпичей с прослойками цементного раствора.
И если раньше можно было надеяться на прочность соединения кирпича и раствора, прочность самой кладки, при выполнении специальных конструктивных
мероприятий и расчетных требований, то с ростом этажности зданий такие
надежды становятся все более призрачными. Интегральные характеристики каменной кладки (далее кладки), учитываемые в расчетах, не дают реального
представления о взаимодействии материалов и влиянии конструкции (системы
перевязки) кладки на ее прочность в зданиях и сооружениях. Необходимо объективное знание о поведении кирпича и раствора непосредственно в кладке конструкций, основанное на всестороннем анализе напряженно-деформированного
состояния (НДС) кладки.
Нами разработана методика расчета и анализа напряжений в кирпиче и
растворе кладки каменных конструкций для направленного подбора прочности
материалов и системы перевязки кладки при проектировании, а также для исследования состояния кладки в существующих зданиях, сооружениях. Методика
основана на методах механики гетерогенных сред и применении современных
компьютерных технологий в расчетах кладки. Предлагается дополнение применяемых в настоящее время расчетов проверкой прочности кирпича и раствора по
условиям:
- для кирпича σэк ≤ Rbr,t , τmax ≤ Rbr,sh ;
- для раствора σэк ≤ Rsol,t , τmax ≤ Rsol,sh ,
где где σэк и τmax – эквивалентные напряжения объемного напряженного состояния кирпича и раствора; Rbr,t, Rbr,sh – расчетные сопротивление кирпича при растяжении и срезе; Rsol,t, Rsol,sh – расчетные сопротивления раствора при растяжении и срезе.
В процессе создания указанной методики объем кладки условно разделяется на два направления: продольное (направление «ложковых» рядов кирпича) и
поперечное (направление «тычковых» рядов кирпича). Были выявлены и определены типичные элементы кладки полностью соответствующие по своему напряженно-деформированному состоянию кладки в целом.
2
© Пангаев В.В., Федоров А.В., 2011
Первоначально был выявлен типичный элемент НДС кирпича и раствора
ложковых рядов. Методом КЭ рассчитывались фрагменты кладки различных
размеров. Ширина рассчитываемых фрагментов была принята равной толщине
ложкового слоя кирпича. Значения характеристик жесткости материалов определялись опытным путем. Установлено, что фрагмент длиной 510 мм из пяти ложковых рядов кирпича достаточен для получения достоверных данных о НДС
кирпича и раствора ложковых рядов многорядных кладок любых размеров и перевязок. Этот фрагмент был принят в качестве типичного элемента кладки. Так
же был выявлен и типичный элемент, используемый при исследовании кирпича
тычковых рядов. Для каждого направления на основании анализа типичных элементов были построены модели расчета НДС кладки, рис. 1, 2.
10
Î ðèåí òàöèÿ ãëàâí û õ
í àï ðÿæåí èé
Ðàñòâî ð
65
400
65
65
65
15
15
15
7,5
65
10,83
3
15
7,5
Êèðï è÷
pz
Z
Õ
0
Êî í å÷í û é ýëåì åí ò (ÊÝ)
510
Рис. 1. Модель расчета НДС кладки в направлении ложковых рядов кирпича из плиточных КЭ
pz
65
175-415
25,0
480-960
5,0
175-415
10,0
Кладка
Кирпич
32,5
2,7
Z
250-770
32,5
X
0
Пример распределения главных
напряжений σх (σ1) в поперечном сечении многорядной кладки, Н/см2
3
Рис. 2. Модель расчета НДС кладки в направлении тычковых рядов кирпича из плиточных КЭ
Характеристики жесткости КЭ моделей (секущие модули и коэффициенты Пуассона) определяются в соответствии с деформационными характеристиками материалов кладки и с учетом влияния на них действующей нагрузки.
Использование приведенных моделей в расчетах кладки дает информацию о НДС кирпича ложковых рядов, кирпича тычковых рядов, раствора горизонтальных швов кладки. На основе этой информации производится проверка
прочности материалов кладки: кирпича ложковых рядов при растяжении и при
срезе; кирпича тычковых рядов при растяжении и при срезе; раствора горизонтальных швов при растяжении и при срезе. Тем самым, производится всесторонний анализ НДС нагруженной кладки с учетом реальных физических характеристик ее материалов и ее конструкции.
В случае несоблюдения условий прочности для одного или нескольких
элементов состав и конструкция кладки корректируется. Корректировка заключается в изменении марки (прочности) кирпича или марки (прочности) раствора,
или в изменении системы перевязки кладки. В отдельных случаях приходится
менять все указанные характеристики. Возможен расчет как центрально, так и
внецентренно сжатых элементов каменных конструкций.
Расчет каменных зданий и сооружений с применением моделей НДС
кладки показал необходимость уточнения решений, полученных в результате
использования интегрального параметра прочности кладки, расчетного сопротивления сжатию клади R.
На основе предложенной методики были выполнены расчеты проектируемых многоэтажных каменных зданий. Это позволило целенаправлено корректировать физико-механические характеристики материалов кладки. Кроме того
данная методика применялась при оценке несущей способности существующих
зданий и сооружений, находящихся в аварийном состоянии. В результате проведенных расчетов выявлялись причины разрушения: разрушения кирпича или
раствора при действии растягивающих или касательных напряжений. Это позволило обосновано выбирать способы восстановления несущей способности зданий и сооружений.
© Пангаев В.В., Федоров А.В., 2011