Усиление кирпичной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Инженерно-строительный институт
Высшая школа промышленно-гражданского и дорожного строительства
Работа допущена к защите
Директор ВШПГиДС
___________ Ю.Г. Лазарев
«___»_______________2020 г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Магистерская диссертация
УСИЛЕНИЕ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ РАЗВИТИИ
НЕРАВНОМЕРНЫХ ОСАДОК
по направлению 08.04.01 «Строительство»
по образовательной программе
08.04.01_19 «Обследование и технический аудит зданий и сооружений»
Выполнил:
студент гр. 3140801/81901
А.С. Хомяков
Руководитель:
профессор ВШПГиДС
ИСИ; д.т.н.
В.И. Корсун
Научный консультант:
ст. преподаватель
ВШПГиДС ИСИ
С.С. Зимин
Консультант
по нормоконтролю:
ст. преподаватель
ВШПГиДС ИСИ
О.С. Гамаюнова
Санкт-Петербург
2020
2
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Инженерно-строительный институт
Высшая школа промышленно-гражданского и дорожного строительства
УТВЕРЖДАЮ
Директор ВШПГиДС
________________ Ю.Г.Лазарев
«
»
20
г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
Хомякову Алексею Сергеевичу , гр. 3140801/81901
фамилия, имя, отчество (при наличии), номер группы
1. Тема работы: Усиление кирпичной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
2. Срок сдачи студентом законченной работы: 20 мая 2020.
3. Исходные данные по работе: учебная литература; периодические издания; Интернет-ресурсы; официальные проекты, использованные в проектировании;
4. Содержание работы (перечень подлежащих разработке вопросов):
- Анализ существующих методов усиления кирпичной кладки с трещинами.
- Изучение механики разрушения кирпичной кладки при неравномерных осадках.
- Составление расчетной модели кирпичной кладки с трещинами.
- Анализ влияния трещин на работу кирпичных конструкций.
- Разработка рекомендаций по применению элементов усиления кирпичной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
- Разработка алгоритма расчета элементов усиления кирпичных конструкций с трещинами.
5. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей): рисунки, таблицы,
графики, демонстрирующие результаты научно-исследовательской работы.
6. Консультанты по работе: Зимин С.С., старший преподаватель ВШПГиДС
7. Дата выдачи задания: 15.10.2018
Руководитель ВКР
Корсун В.И.
(подпись)
.
инициалы, фамилия
Задание принял к исполнению _____________________________
(дата)
Студент
Хомяков А.С.
(подпись)
инициалы, фамилия
.
3
Календарный план подготовки магистерской диссертации
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Содержание планируемой работы
Введение
Глава 1. Обзор исследований и постановка задачи диссертационного исследования
1.1. Обзор работ по теме кирпичной кладки
1.2. Обзор методов усиления кирпичной
кладки с трещинами
1.3. Выводы по главе
Глава 2. Составление расчетной модели
2.1. Механика разрушения кирпичной
кладки под нагрузкой
2.2. Критерии прочности кирпичной
кладки
2.3. Деформационные свойства кирпичной
кладки
2.4. Построение модели кирпичной кладки
2.5. Моделирование трещин в кирпичной
кладке
2.6. Появление трещин при осадках основания
2.7. Выводы по главе
Глава 3. Усиление кирпичной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок
3.1 Влияние трещин на распределение усилий в кирпичных зданиях
3.2 Способы моделирования элементов
усиления
3.3 Исследование работы элементов усиления
3.4 Применение результатов исследования
3.5 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сроки выполнения
начало
15.10.2018
конец
28.12.2018
28.12.2018
31.05.2019
28.12.2018
31.05.2019
28.12.2018
31.05.2019
28.12.2018
28.12.2018
31.05.2019
31.05.2019
28.12.2018
31.05.2019
31.05.2019
27.12.2019
31.05.2019
27.12.2019
31.05.2019
27.12.2019
31.05.2019
27.12.2019
31.05.2019
27.12.2019
27.12.2019
28.04.2020
27.12.2019
28.04.2020
27.12.2019
28.04.2020
27.12.2019
28.04.2020
27.12.2019
28.04.2020
27.12.2019
27.12.2019
27.12.2019
28.04.2020
28.04.2020
28.04.2020
Отметка научного
руководителя
о выполнении
Научный руководитель _______________________________________ В.И. Корсун
(подпись)
Студент
_______________________________________ А.С. Хомяков
(подпись)
4
РЕФЕРАТ
На 75 с., 34 рисунка, 5 таблиц.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: УСИЛЕНИЕ, КИРПИЧНАЯ КЛАДКА, ТРЕЩИНЫ,
НЕРАВНОМЕРНЫЕ ОСАДКИ.
Тема выпускной квалификационной работы: «Усиление кирпичной кладки с
трещинами при развитии неравномерных осадок». В работе обозначена проблема
усиления кирпичной кладки с трещинами при развитии дополнительных осадок
при реконструкции или попадании здания в зону влияния нового строительства.
Задачи, которые решались в ходе исследования:
1.
Анализ существующих методов усиления кирпичной кладки с трещи-
нами.
2.
Изучение механики разрушения кирпичной кладки при неравномер-
ных осадках.
3.
Составление расчетной модели кирпичной кладки с трещинами.
4.
Анализ влияния трещин на работу кирпичных конструкций.
5.
Разработка рекомендаций по применению элементов усиления кирпич-
ной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
6.
Разработка алгоритма расчета элементов усиления кирпичных кон-
струкций с трещинами.
Произведен обзор методов усиления кирпичной кладки с трещинами, составлена расчетная модель, на основании которой произведен анализ и критическая
оценка некоторых методов. Указаны основные принципы размещения элементов
усиления, разработан алгоритм расчета железобетонных шпонок, даны рекомендации по их конструированию.
5
ABSTRACT
On 75 p., 34 figures, 5 tables.
KEYWORD: REINFORCEMENT, BRICKWORK, CRACKS, UNEVEN PRECIPITATION.
Topic of the final qualifying work: "Strengthening of brick clades with cracks in the development of uneven sediments". The paper identifies the problem of strengthening brickwork with cracks in the development of additional sediments during reconstruction or
when a building falls into the zone of influence of new construction.
Tasks that were solved during the research:
1.
Analysis of existing methods of strengthening brickwork with cracks.
2.
Study of the mechanics of destruction of brickwork in uneven precipitation.
3.
Drawing up a design model of brickwork with cracks.
4.
Analysis of the impact of cracks on the operation of brick structures.
5.
Development of recommendations for the use of reinforcement elements of
brick masonry with cracks in the development of uneven precipitation.
6.
Development of an algorithm for calculating the reinforcement elements of
brick structures with cracks.
A review of methods for strengthening brickwork with cracks was made, and a calculation
model was created, on the basis of which some methods were analyzed and critically
evaluated. The basic principles of placement of reinforcement elements are specified, an
algorithm for calculating reinforced concrete dowels is developed, and recommendations
for their design are given.
6
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7
ГЛАВА
1.
ОБЗОР
ИССЛЕДОВАНИЙ
И
ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧИ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................ 10
1.1. Обзор работ по теме кирпичной кладки......................................................... 10
1.2. Обзор методов усиления кирпичной кладки с трещинами .......................... 13
1.3. Выводы по главе ............................................................................................... 21
ГЛАВА 2. СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ .......................................... 23
2.1. Механика разрушения кирпичной кладки под нагрузкой .............................. 23
2.2. Критерии прочности кирпичной кладки .......................................................... 26
2.3. Деформационные свойства кирпичной кладки ............................................... 33
2.4. Построение модели кирпичной кладки ............................................................ 35
2.5. Моделирование трещин в кирпичной кладке .................................................. 40
2.6. Появление трещин при осадках основания ...................................................... 44
2.7. Выводы по главе ................................................................................................. 49
ГЛАВА 3. УСИЛЕНИЕ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ
РАЗВИТИИ НЕРАВНОМЕРНЫХ ОСАДОК ......................................................... 50
3.1 Влияние трещин на распределение усилий в кирпичных зданиях ................. 50
3.2 Способы моделирования элементов усиления ................................................. 58
3.3 Исследование работы элементов усиления ....................................................... 60
3.4 Применение результатов исследования ............................................................ 64
3.5 Выводы по главе .................................................................................................. 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................... 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................ 70
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Кирпич как строительный материал широко применялся и продолжает применяться в массовом строительстве. Он
объединяет в себе такие качества, как прочность, долговечность, экологичность,
низкую теплопроводность, архитектурную выразительность и другие. Применение
каменных конструкций определяется высокой стойкостью против атмосферных и
химических воздействий, однородностью и простотой производственного процесса.
Учитывая большой объем в нашей стране зданий и сооружений, выполненных из кирпичной кладки, они в полной мере испытывают на себе последствия снижения эксплуатационных характеристик, происходящего под действием природных и функциональных факторов. В связи с необратимым характером процесса
накопления физического износа материалов, даже при своевременном текущем ремонте, происходит ухудшение или потеря эксплуатационных качеств зданий, таких
как теплопроводность, звукоизоляция, оптимальный температурно-влажностный
режим, прочность и устойчивость отдельных конструктивных элементов. Одним из
проявлений снижения эксплуатационных характеристик конструкций из кирпичной кладки является появление трещин.
К наиболее часто встречающимся причинам возникновения трещин в конструкциях относятся явления, связанные со снижением характеристик основания,
т.е. неравномерные осадки и просадки грунта [29]. При наблюдаемой тенденции к
уплотнению городской застройки, строительство в данных условиях нередко становится основной причиной появления и развития неравномерных осадок существующих зданий. Неравномерные осадки приводят к изменению напряженно-деформированного состояния надземных конструкций здания и могут являться причиной значительных повреждений или разрушения конструкций.
Однако далеко не все трещины осадочного происхождения приводят к опасным последствиям. При реализации трещины, т.е. при прекращении её развития,
конструкция способна сохранять надежность и долговечность. В данном случае от-
8
рицательное влияние трещин на конструкцию сводится к снижению ее характеристик, как ограждающей конструкции, а также к нарушению совместной работы разделенных трещиной элементов кирпичной кладки. При благоприятных условиях
кирпичные конструкции с трещинами способны к длительной эксплуатации даже
без проведения мероприятий по усилению.
Строительство в условиях плотной городской застройки распространенное
явление в современном мире. Устройство новых зданий вблизи существующих является более сложной задачей, чем строительство нового здания и часто приводит
к образованию в ранее построенных зданиях трещин, перекосов проемов и других
деформаций. Если в таких зданиях уже присутствуют трещины, реализовавшиеся
ранее, то это является дополнительной сложностью, так как данные дефекты являются «ахиллесовой пятой» конструкции и даже при проведении защитных мероприятий при новом строительстве, склонны к развитию и распространению.
При реконструкции, а также при попадании в зону влияния нового строительства нормативными документами допускаются осадки существующих зданий,
находящихся практически во всех категориях технического состояния (за исключением аварийного и предаварийного состояния, для которых дополнительные деформации исключены). Таким образом, за счет дополнительных осадок в зданиях
возможно появление новых и развитие старых трещин, что влечет за собой необходимость их усиления.
Цель диссертационного исследования: исследование влияния трещин в
кирпичной кладке на работу конструкций и разработка рекомендаций по усилению
кирпичной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
Задачи исследования:
1.
Анализ существующих методов усиления кирпичной кладки с трещи-
нами.
2.
Изучение механики разрушения кирпичной кладки при неравномер-
ных осадках.
3.
Составление расчетной модели кирпичной кладки с трещинами.
4.
Анализ влияния трещин на работу кирпичных конструкций.
9
5.
Разработка рекомендаций по применению элементов усиления кирпич-
ной кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
6.
Разработка алгоритма расчета элементов усиления кирпичных кон-
струкций с трещинами.
Объект исследования: усиленные кирпичные конструкции с трещинами в
условиях неравномерных осадок.
Предмет исследования: методы расчета элементов усиления кирпичных
конструкций с трещинами.
Метод исследования: теоретические исследования (построение модели исследуемого объекта и исследование его свойств на базе построенной модели).
Научная новизна диссертации: научная новизна состоит в определении
влияния трещин на распределение усилий в кирпичных зданиях и в выявлении зависимости усилий, возникающих в элементах усиления, от величины осадки.
Положения, выносимые на защиту: разработан алгоритм расчета элементов усиления кирпичных конструкций с трещинами при неравномерных осадках.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы:
применение современных программных комплексов при изучении напряженно-деформированного состояния кирпичной кладки с трещинами (с усилением и без) при
развитии неравномерных (дополнительных) осадок.
Значение диссертации для теории: возможность проведения на базе разработанной модели дальнейших исследований в области расчета и проектирования
элементов усиления кирпичных конструкций с трещинами.
Значение диссертации для практики: повышение надежности проектирования усиления кирпичных конструкций с трещинами.
10
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Обзор работ по теме кирпичной кладки
Каменные конструкции, насчитывающие тысячелетия своего существования
до 30-ых годов ХХ века не имели научной базы, достаточно обоснованной экспериментально и теоретически. Конструктивные решения каменных зданий принимались на основании многовекового накопления опыта строительства.
Одни из первых расчетных обоснований прочности каменной кладки были
произведены в Германии. Особенно следует отметить работы профессора Графа.
Его методика испытаний, являющаяся дальнейшим продолжением развитием
школы Баха в применении к каменным конструкциям, была положена в основу исследований в США.
В СССР широкая научно-исследовательская работа в области каменных конструкций была развернута с 1932 г. В ЦНИПС. Отдельные исследования были произведены и до работ ЦНИПС, однако они не смогли оказать серьезного влияния на
разрешение основных вопросов работы каменных конструкций.
Современные представления о поведении каменной кладки, были сформированы в тридцатые – шестидесятые годы трудами С.А.Андреева, А.С.Дмитриева,
В.А.Камейко, И.Т.Котова, А.М.Овечкина, Л.И.Онищика, С.В. Полякова, М.Я.
Пильдиша, С.А. Семенцова, Б.Н. Фалевича и других. В частности, Л.И.Онищик в
своей работе [1] собрал все основные экспериментальные и теоретические данные
о работе каменных конструкций заграничных и отечественных лабораторий, на основании анализа этих данных сделал выводы, которые заложили основание новой
науки – теории каменных конструкций. Они охватили как все основные случаи работы отдельных элементов каменных конструкций и свойства материалов, так и
совместную работу их в каменном здании.
Вопросам экспериментальных исследований каменной кладки посвящена работа [2], в которой авторы Артюшин Д.В. и Шумихина В.А. производили ряд экспериментов для локализации и выявления характерных схем разрушения для кирпичных призм на основе экспериментальной теории сопротивления каменной
11
кладки. Расчетная модель, сформированная авторами, описывает физическую картину сопротивления стандартных каменных призм сжатию и применима для расчета каменных конструкций. Также более 50 работ написано Деркач В.Н. на данную тематику.
В работах [3-5] рассмотрено влияние на прочность каменной кладки таких
факторов как геометрические характеристики, различные полимерные добавки,
толщина шва, вид камня и т.д.
Среди отечественных исследователей каменных кладок следует выделить
Пангаева В.В. [6-8]. В частности, в работе [6] в соавторстве с Федоровым А.В. описывается метод моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС)
каменной кладки. Авторы предлагают методику расчета и анализа напряжений в
кирпиче и растворе, которую возможно применить при исследовании кладки в существующих зданиях. Для нескольких фрагментов кладки выделяются «типичные
элементы», по поведению которых можно судить о работе и НДС кладки в целом.
Достоверность модели и метода была проверена экспериментально.
Также стоит выделить работы Кабанцева О.В. [9-13]. Область научных интересов автора лежит преимущественно в строительстве в сейсмоопасных районах,
однако его вклад в общую теорию каменных кладок неоспорим. В своей диссертации на соискание степени доктора наук [13] автор закладывает основы структурной
теории прочности каменной кладки в условиях двухосного напряженного состояния. Также автором разработана система критериев прочности для корректного
учета механизмов разрушения кладки в этих условиях.
В статье [14] авторы рассматривают расчет кирпичной кладки как квазиоднородного анизотропного тела. Авторами найдена матрица жесткости каменной
кладки как структурно неоднородного материала, а также приведен анализ влияния
дефектов, возникающих при возведении, на деформативные свойства кладки с учетом совместной работы кирпича и раствора.
В работе [15] Ласьков Н.Н и Подогова В.И. описывают механизмы разрушения каменной кладки на микро-, мезо- и макроуровне. Подробно рассмотрены
12
формы трещинообразования и разрушения кладки при одноосном, двухосном и
трехосном сжатии.
Работы [16-19] посвящены моделированию деформирования каменной
кладки в современных программных комплексах. В статье [18] С.Ю. Лихачева приводит численное моделирование кирпичной кладки как кусочно-однородного материала. Модель была разработана в вычислительном комплексе УПАКС. Анализ
результатов численного моделирования и сопоставление их с результатами натурных экспериментов позволили автору сделать вывод о возможности применения
модели кусочно-однородной среды для оценки несущей способности кладки при
различных загружениях.
Н.С. Блохина в своих работах [20,21] рассматривала расчет каменной кладки
с учетом физической нелинейности и анизотропности материала. Приводит различные математические модели, их достоинства и недостатки. Вычисления автора основываются на деформационной теории пластичности Г.А. Гениева.
Б.С. Соколов, А.Б. Антаков в своей статье [22] разработали методику расчета
на основе теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии, отражающую особенности напряженно-деформированного состояния и характера разрушения и позволяющую выполнять оценку прочности и трещиностойкости сжатых элементов и конструкций из каменной кладки.
Отдельной ветвью в изучении каменной кладки является работа поврежденных и усиленных элементов из каменной кладки, понимание которой необходимо
при проведении работ по реконструкции. Так, в статье [16] С.Ю. Лихачевой представлен вариант моделирования процесса деформирования периодического элемента каменной кладки с учетом повреждений в условиях кратковременного деформирования методом конечных элементов в программе ANSYS. Для моделирования повреждений и их воздействия на механические характеристики кладки применён метод «размазанной трещины». Результаты моделирования с помощью МКЭ
показывают хорошую сходимость с результатами экспериментов.
Исследованием дефектов в поврежденных зданиях и сооружениях, а также
методов их устранения занимались Б.Н. Засыпкин, Н.Р. Левинсон, И.Э. Грабарь,
13
П.П. Покрышкин, М.Д. Бойко, И.А. Физдель, Н.А. Кариев, Е.М. Пашкин, Г.Б. Бессонов и другие.
Над вопросами трещинообразования в конструкциях работал А.А. Калинин –
автор большого количества рекомендаций по обследованию и учебных пособий
для высших учебных заведений. Он различал 4 основных вида деформаций зданий
при нарушении работы системы основание – фундамент: прогиб, выгиб, излом и
скалывание. Каждый тип имеет характерное направление и конфигурацию трещин
[27].
ЦНИИСК им. Кучеренко были разработаны рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений [26], в которых приведена методика обследования и оценки несущей способности, а также примеры наиболее часто встречающихся повреждений каменных конструкций с указанием основных причин их
возникновения и данными по выбору способов усилений каменных конструкций,
их проектированию и применению.
1.2. Обзор методов усиления кирпичной кладки с трещинами
Прежде чем приступить к обзору методов усиления кирпичной кладки с трещинами, необходимо выделить основные возможные характеристики трещины как
дефекта конструкции:
- геометрические параметры трещины: длина, глубина, ширина раскрытия;
- форма продольного и поперечного сечения, проникание на поверхности
конструкций (сквозные, несквозные);
- расположение трещин в конструкциях (в межоконных поясах, в простенках,
в подоконной части и др.);
- ориентация трещин: вертикальные, горизонтальные, наклонные;
- кинетика раскрытия трещин; положительная или отрицательная динамика
развития (стабилизировавшиеся или нестабилизировавшиеся);
- вид воздействия, послужившего главным фактором развития трещины – силовые, осадочные, природного характера (от температурно-влажностных воздействий).
14
В зависимости от характеристик трещины для устранения дефектов трещинообразования в кирпичной кладке применяют следующие методы:
1.
Устройство «кирпичного замка». Для этого по длине трещины в кладке
с двух сторон разбирают существующую кладку с последующей заменой ее новой.
В отдельных случаях предусматривают также установку металлических профилей
(так называемых «якорей»). Схема данного метода усиления изображена на рисунке 1. Преимуществом этого способа являются:
- восстановление прочностных характеристик участка конструкции, целостности и монолитности кладки;
- не требует наличия специальных технологических устройств;
К минусам следует отнести трудоемкость реализации и недопустимость применения в исторически ценных зданиях по эстетическим соображениям. Область
применения данного метода в основном охватывает развитые и широко раскрытые
трещины, участки кладки со значительными повреждениями.
Рисунок 1 - Усиление трещин методом «кирпичного замка»
2.
Иньецирование трещины полимерными, цементно-полимерными и це-
ментными растворами. Данный метод отдельно или вкупе с остальными хорошо
зарекомендовал себя в практике усиления конструкций. Основные преимущества:
- не металлоёмок;
- не требует устройства дополнительных конструктивных элементов;
15
- позволяет приближать схему работы усиленной конструкции при её численной оценке к первоначальной проектной схеме.
- сохранение архитектурного облика здания (эстетические соображения).
К минусам следует отнести необходимость наличия специального технологического оборудования.
Вопрос усиления каменной кладки инъецированием рассматривается в работах [24-25]. Авторы [24] приводят результаты испытания прочности сцепления при
добавлении растворов с различными примесями. Выявлено повышение несущей
способности на 15-20% после инъецирования. Также выявлено, что повторное инъецирование дает худший результат, нежели первичное.
Рисунок 2 - Усиление трещин методом инъецирования
3.
Усиление участков с трещинами композитными сетками и тканями.
Данный метод относится к инновационным способам усиления конструкций. Сущность его состоит в устройстве на дефектных участках кладки композитных материалов в виде ламелей, матов и сеток, изготовляемых из углеродных, арамидных и
стекловолокон [30]. Соединение материалов с усиливаемой конструкцией производится при помощи составов на основе эпоксидной смолы(система FRP ( Fibre Reinforced Polymers)) и специальных штукатурных составов ( система FRCM (Fibre Reinforced Cementitious Matrix)). К основным достоинствам последней можно отнести:
- простоту технологии;
16
- компатибильность усиливаемого слоя и кирпичной кладки (схожесть физико-механических характеристик, таких как модуль упругости, коэффициент температурного расширения).
- высокую огнестойкость и коррозионную стойкость, паропроницаемость и
водостойкость, что позволяет не только восстановить, но и улучшить эксплуатационные характеристики усиливаемой конструкции.
На сегодняшний день в ряде крупных научно-исследовательских институтов
России были проведены исследования и испытания по системе усиления различных
конструкций углепластиковыми материалами. В Москве, на базе ЦНИИСК им.
В.А. Кучеренко, под руководством Грановского А. В. Была проведена серия испытаний железобетонных и кирпичных колонн на сжатие, усиленных бандажами из
углеродных холстов. В ходе испытаний было установлено, что их несущая способность может быть увеличена почти в 2 раза по сравнению с эталоном [32].
К недостаткам данного способа следует отнести высокую стоимость, необходимость создания особых условий производства работ, а при применении эпоксидных клеев – их низкий показатель огнестойкости и вред технологии для здоровья
[31].
Рисунок 3 - Усиление трещин углеволокном
17
4.
Внедрение в толщу кладки поперек трещины винтовых стержней (ан-
керов). Данный метод относится к инновационным способам усиления (заделки)
трещин. Сталь, из которой изготавливаются данные стержни, имеет прочность на
разрыв в 2 раза большую, чем прочность арматуры, обычно используемой в железобетонных изделиях. Это позволяет использовать очень тонкие пруты с сечением
в несколько раз меньшим, чем у классической арматуры. Малые диаметры стрежней требуют соответственно малых канавок и отверстий, и поэтому имеют минимальное влияние на прочность конструкции и требуют минимального расхода раствора для заполнения шва [33,34].
Модуль упругости стержней составляет Е = 150 кН/мм2. При наличии растягивающих напряжений в кладке, стержни воспринимают на себя это растяжение, влияющее на образование и развитие трещин. Стержни выпускаются диаметрами - 6, 8,
10 мм. Это меньше, чем диаметры применяемой стальной рабочей арматуры, но по
прочностным показателям выше [35].
К достоинствам данного способа усиления трещин относятся:
- высокие физические, прочностные и упругие характеристики материала, способные воспринять усилия при дестабилизации деформаций;
- легкий вес не вносит нового утяжеления усиливаемым конструкциям;
- гибкость и мобильность для принятия различных форм и конфигураций;
- высокая технологичность, без использования сложного механизированного труда;
- стойкость к коррозии;
- отсутствие необходимости вмешательства изнутри конструкций (при
наличии только внешнего повреждения);
- технологическая совместимость с любыми материалами [36].
Недостатками данного метода являются:
- высокая стоимость расходных материалов;
- необходимость квалифицированных рабочих [36].
18
Рисунок 4 - Усиление трещин спиралевидными анкерами
5.
Устройство армированных растворных рубашек. Усиление трещины
производится следующим способом: вначале на поверхность ремонтируемого
участка стены крепится арматурная сетка (с одной или с обеих сторон). После
устройства сетки на поверхности стены, она закрепляется анкерами, или сквозными шпильками в заранее просверленные отверстия, сверху на сетку наносится
цементный раствор. Толщина этого армированного слоя штукатурки составляет 20
– 40 мм. При выполнении усиления углов стен, крепят дополнительные арматурные
стержни с определенным шагом по высоте углов. К преимуществам данного метода
следует отнести простоту технологии, а к недостаткам – нарушение архитектурного облика здания.
Рисунок 5 - Усиление трещин армированными рубашками
6.
Устройство металлических накладок. Приводится в работах [37, 38] как
один из методов усиления кирпичных стен с трещинами. Заключается в установке
по длине трещины с двух сторон накладок из полосовой стали или прокатных про-
19
филей с последующей стяжкой при помощи болтов. Данный метод благодаря простоте технологии и отсутствия «мокрых» процессов получил широкое распространение.
Рисунок 6 - Усиление трещин металлическими накладками
7.
Устройство шпонок. Суть усиления заключается в устройстве перпен-
дикулярно направлению трещин в кирпичной кладке борозд с дальнейшим их заполнением бетоном или раствором. Для восприятия растягивающих и касательных
напряжений в тело шпонки внедряются арматурные стержни или металлические
профили.
В [39] на основе результатов многолетних исследований и практического
опыта ТбилЗНИИЭП и других институтов разработаны рекомендации по восстановлению и усилению крупнопанельных, крупноблочных, каркасных и каркаснопанельных зданий, в том числе полимеррастворными армированными шпонками
(ПАШ) и полимеррастворными армированными шпонками со скобой (ПАШС),
приведена методика расчета. Данный способ также приводится как из один способов повышения сейсмостойкости зданий.
Работа ПАШ на растяжение заключается в передаче усилий в стыке через арматуру, заключенную в полимеррастворную шпонку, на сопрягаемые части конструкции. При этом размеры поперечного сечения шпонки и ее длина определяются в зависимости от фактической прочности сечения на срез [п.9.19. 39].
Армированные шпонки, выполненные на основе эпоксидного полимер-раствора, имеющие высокую прочность и адгезию к бетону и арматуре, обеспечивают
20
надежную передачу усилий растяжения и сдвига в стыках, усиливая существующие
или компенсируя отсутствующие связи панелей между собой. Можно провести
аналогию работы панелей сборного здания и кирпичной кладки как конструкции,
состоящей из скрепленных отдельных единиц. Однако подобных исследований касательно работы ПАШ и ПАШС при устройстве их в кирпичной кладке не произведено.
Рисунок 7 - Усиление трещин шпонками
Как отмечалось выше, основной причиной возникновения трещин являются
неравномерные осадки фундаментов. Их появление и развитие происходит вследствие:
- вымывания грунта из-под фундамента грунтовыми водами, водой из неисправных сетей водопровода, канализации, теплофикации или технологическими
водами, проливающимися на пол производственных помещений и проникающими
в грунт под фундаменты из-за отсутствия или неисправности гидроизоляции;
- промерзания грунта ниже заложения подошвы грунта (воздействие сил морозного пучения);
- неоднородности грунта в основании;
- недостаточной несущей способности основания.
Если по результатам мониторинга установлен факт стабилизации осадок и
развития трещин не наблюдается, то при усилении (заделке) трещин необходимо
21
обеспечить такие эксплуатационные характеристики, как нормируемая теплопроводность ограждающей конструкции, непродуваемость, влагонепроницаемость.
При таком варианте наиболее удачным методом усиления представляется иньецирование и перекладка дефектного участка кладки (кирпичный замок). Достижение
эффекта стабилизации обеспечивается устранением причины неравномерных осадок и мероприятиями по усилению основания.
Однако в ситуациях, когда обеспечение гарантированного долговременного
эффекта стабилизации не представляется возможным, т.е. в перспективе имеются
риски продолжения деформаций, метод усиления трещины должен быть принят с
учетом этих рисков.
Гарантированное развитие деформаций происходит при проведении реконструкции, связанной с увеличением нагрузок, а также при попадании здания в зону
влияния нового строительства. Согласно нормативным документам [40] предельные дополнительные деформации основания фундаментов в зависимости от типа
сооружения и категории технического состояния составляют:
- Максимальная осадка smaxad,u - от 1 до 5 см (при реконструкции) и от 0,5 до
5см (при попадании здания в зону влияния нового строительства);
- Относительная разность осадок (Δs/L)u – от 0,0007 до 0,0035 (при реконструкции) и от 0,0004 до 0,0024 (при попадании здания в зону влияния нового строительства).
1.3. Выводы по главе
1.
Неравномерные осадки являются наиболее частой причиной появления
трещин в зданиях.
2.
Основной подход в методах усиления кирпичной кладки с трещинами
состоит в обеспечении (восстановлении) совместной работы между разделенными трещиной фрагментами кладки, а также в передаче усилий растяжения
и сдвига на другие материалы.
3.
Метод усиления кирпичной кладки с трещинами должен быть принят
с учетом гарантированного или возможного развития деформаций основания. Методики, учитывающие данную проблематику в кирпичных зданиях в
22
настоящее время не разработаны, существует необходимость разработки рекомендаций по применению и расчету элементов усиления кирпичной
кладки с трещинами при развитии неравномерных осадок.
23
ГЛАВА 2. СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
2.1. Механика разрушения кирпичной кладки под нагрузкой
Механические свойства кирпича и раствора определили использование
кладки преимущественно в вертикальных несущих конструкциях – стенах и колоннах, работающих в состоянии одноосного сжатия.
Многочисленные испытания, проведённые профессором Л.И.Онищиком
[1,41,42], позволили выделить три стадии разрушения кирпичной кладки под
нагрузкой (см. Рисунок 8):
- первая стадия, характеризующаяся появлением трещин в отдельных кирпичах. Величина нагрузки, при которой появляются первые трещины, зависит от
раствора, на котором сложена кладка. Для кладки на цементном растворе эта величина составляет 0,6-0,8 Ru, где Ru – временное сопротивление кладки.
Как показали опыты, появление первых трещин в кладке вызывается напряжениями изгиба и среза вследствие изгиба отдельных кирпичей от неравномерности растворной постели. Этим напряжениям кирпич вследствие своей хрупкости
сопротивляется плохо.
- вторая стадия, характеризующаяся тем, что трещины, развиваясь, соединяются вместе и образуют сквозные трещины, проходящие вертикально через несколько рядов кладки. Нагрузка во второй стадии разрушения составляет 0,8-0,9
Ru.
- третья стадия (разрушение кирпичной кладки). Кладка расслаивается на
отдельные участки – столбики, которые раздавливаются и теряют свою устойчивость.
Выведенная на основе экспериментальных данных формула прочности каменной кладки на сжатие используется в нормативных документах:
𝑅𝑢 = 𝐴 ∙ 𝑅1 (1 −
𝑎
𝑏+𝑅2 /2𝑅1
) ∙ 𝛾, где
Ru – предел прочности (временное сопротивление) кладки
R1 – предел прочности камня при сжатии
R2 – предел прочности раствора (кубиковая прочность)
24
a, b, γ – эмпирические коэффициенты
Первая стадия
Вторая стадия
Третья стадия
Рисунок 8 - Стадии работы кирпичной кладки под нагрузкой
При неравномерных осадках трещины в кирпичной кладке возникают от действия сдвигающих и растягивающих усилий. Как отмечает проф. Л.И.Онищик, при
разрушении кладки при осадочных явлениях трещины в кладке развиваются преимущественно по швам кладки (но могут частично проходить и через кирпич) на
большом протяжении.
Растяжение в кирпичной кладке возможно по перевязанному и неперевязанному сечениям. При растяжении кладки по неперевязанному сечению усилие перпендикулярно горизонтальным швам, а трещина при разрушении может располагаться:
- по плоскости соприкосновения кирпича и раствора
- по раствору
- в пределах кирпича
- по плоскости, проходящей через два или три перечисленных ранее сечения.
Согласно [43] в большинстве случаев при разрушении кладки по неперевязанным сечениям трещина проходит по плоскости соприкосновения камня и раствора в горизонтальных швах, когда прочность определяется сцеплением между
25
камнем и раствором, или по раствору, когда прочность определяется пределом
прочности раствора на растяжение.
При растяжении кладки по перевязанному сечению усилие параллельно горизонтальным швам и трещина может располагаться (см. Рисунок 9):
- по плоскому сечению 1-1, составленному из кирпичей и вертикальных растворных швов
- по зубчатому сечению 2-2
- по ступенчатому сечению 3-3
Первый вариант развития трещины возникает в случае качественного сцепления кирпича с раствором и низкой прочности кирпича. Обычно же образование
трещины происходит с образованием зубчатой или косой штрабы (сечение 2-2, 33). В таком случае сопротивление сечения обеспечивается горизонтальными
швами, так как вертикальные швы часто не имеют сцепления в результате усадки
и некачественного заполнения. Разрушению швов препятствует сцепление кирпича
к
и раствора, касательное к плоскости шва 𝑅сц
, предел прочности определяется как
сумма сопротивления срезу вдоль швов всех горизонтальных площадок, отнесенное к площади поперечного сечения:
𝑅пн
н
𝑁пер
=
𝐹
Таким образом, предел прочности на растяжение по неперевязанным швам
зависит от величины касательного сцепления в кладке, а также системы перевязки.
к
Для кирпичной кладки с цепной перевязкой швов 𝑅пн = 𝑅сц
.
26
Рисунок 9 - Разрушение кладки по перевязанному сечению
При срезе кирпичной кладки также, как и при растяжении, возможны два случая:
- разрушение по неперевязанным сечениям, когда срезающая сила параллельна горизонтальным швам. В данном случае прочность сечения определяется
касательным сцеплением и величиной вертикального сжимающего нормального
напряжения.
- разрушение по перевязанным сечениям, когда срезающая сила перпендикулярна горизонтальным швам. В данном случае предел прочности принимается равным пределу прочности камня при срезе.
2.2. Критерии прочности кирпичной кладки
В несущих стенах кирпичных зданий, воспринимающих вертикальную и горизонтальную нагрузки, в углах оконных проемов, в местах примыкания продольных стен к поперечным, в опорных зонах и т.п. кирпичная кладка находится в условиях плоского или объемного напряженного состояния, и требуется уточнение расчетных моделей и критериев её разрушения. [44] Таким образом, возникает вопрос
выбора критерия прочности кирпичной кладки.
Существует множество критериев прочности для различных материалов и
напряженно-деформированных состояний [45]. Все они основаны на следующих
основных теориях:
27
Первая теория прочности (гипотеза наибольших нормальных напряжений).
Основана на гипотезе о том, что опасное состояние материала наступает тогда, когда наибольшее по абсолютной величине нормальное напряжение достигает значения, соответствующего опасному состоянию при простом растяжении или сжатии.
Условие прочности:
σэкв = σ1 ≤ [σ ]
где [σ] - допускаемое нормальное напряжение;
σ1 – первое главное напряжение.
Эта теория дает удовлетворительные результаты для некоторых хрупких материалов (бетона, камня, кирпича), когда напряжения σ2 и σ3 намного меньше, чем
σ1 и неприменима для пластичных материалов.
Вторая теория прочности (гипотеза наибольших относительных удлинений).
В этой теории в качестве критерия разрушения принято наибольшее по модулю относительное удлинение ε. Следовательно, опасное состояние материала
наступает тогда, когда наибольшая по модулю относительная линейная деформация достигает значения, соответствующего опасному состоянию при простом растяжении или сжатии.
Условие прочности:
σэкв = σ1 − 𝜇(σ2 + σ3 ) ≤ [σ ]
где µ - коэффициент Пуассона, σ2 и σ3 – второе и третье главное напряжение.
Вторая теория хорошо описывает случай хрупкого разрушения при одноосном сжатии, но при иных вариантах напряженно-деформированного состояния
приводит к ошибочным результатам.
Третья теория прочности (гипотеза наибольших касательных напряжений)
или теория прочности Треска — Сен-Венана.
Причиной разрушения материала считается сдвиг, вызываемый касательными напряжениями. В основу теории положена гипотеза о том, что два напряженных состояния — сложное и линейное — эквиваленты в смысле прочности, если
наибольшие касательные напряжения одинаковы.
28
Условие прочности:
σэкв = σ1 − σ3 ≤ [σ ]
Теория подтверждается для пластичных материалов, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию, с погрешностью 10-15%, но неприменима для хрупких материалов.
Четвёртая теория прочности (энергетическая теория прочности).
Эта теория предполагает, что пластичный материал находится в опасном состоянии, когда удельная потенциальная энергия изменения формы достигает предельного для данного материала значения.
Условие прочности:
σэкв = √
(σ1 − σ2 )2 + (σ2 − σ3 )2 + (σ3 − σ1 )2
≤ [σ ]
2
Теория подтверждается для пластичных материалов, одинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию и хорошо согласуется с опытными данными.
Пятая теория прочности (теория прочности Мора).
По теории прочности Мора прочность при любом напряженном состоянии
будет обеспечена, если круг Мора не выходит за пределы огибающих кругов, построенных на допускаемых напряжениях при простом растяжении и сжатии. Упрощенное условие прочности, когда огибающие заменены прямыми:
σэкв = σ1 −
[ σр ]
σ ≤ [σ ],
[σ с ] 3
Где [σр ] и [σс ] – максимальные допускаемые напряжения при одноосном растяжении и сжатии.
Теория прочности Мора позволяет учесть различное сопротивление материалов растяжению и сжатию, используется для хрупких материалов.
Следует отметить, что вышеперечисленные критерии не применимы при анизотропии прочностных свойств и могут использоваться только для однородных и
изотропных материалов. Кроме того, в случае сложного сопротивления для каждого напряженно-деформированного состояния необходим отдельный критерий
прочности.
29
Кирпичная кладка представляет собой монолитное неоднородное упругопластическое тело, состоящее из камней и растворных швов и проявляет различные
прочностные и деформационные свойства в зависимости от направления силы [14].
Особенно ярко анизотропные свойства кирпичная кладка проявляет в направлениях, перпендикулярных горизонтальным и вертикальным швам.
Первые варианты критериев разрушения кладки при плоском напряженном
состоянии были ориентированы на выполнение упрощенных расчётов кладки, не
требующих обязательного применения вычислительной техники [46-49].
Данные критерии были назначены с учётом разных форм разрушения кладки
в зависимости от её напряженного состояния. Эти критерии охватывали лишь некоторые, хотя и наиболее часто встречающиеся соотношения нормальных напряжений в кладке. Накопление результатов испытаний опытных образцов кладки создало основу для разработки уточненных критериев разрушения кладки. Серию
экспериментальных исследований выполнил в 1981-1983 гг. A.W. Page[50,51]. На
основе опытов он вывел графики прочности при двухосном напряженном состоянии кирпичной кладки в зависимости от наклона к вертикали (ориентации) кладки.
Кирпичная кладка не разрушается, пока значения напряжений в ней не выходят за
область, очерченной графиком. Он пришел к выводу о бо́льших резервах прочности кирпичной кладки в условиях двухосного загружения по сравнению с осевыми
испытаниями (не зависимо от наклона кладки), что объясняется эффектом
«обоймы» и отсутствием свободы поперечных деформаций.
Применительно к кирпичной кладке над критериями прочности работал Гениев Г.А. [52]. Выполненные им исследования хорошо согласуются с результатами
работ P.B. Lourenço [53,54] и опытных испытаний A.W. Page.
Также существенный вклад в изучение прочности каменных конструкций
внесли В.Н.Деркач, Р.Б.Орлович [55-57], А.Я.Найчук [58].
В своей работе [52]Гениев Г.А. рассмотрел вопросы прочности каменной
кладки для общего случая плоского напряженного состояния, наиболее часто
встречающегося при проектировании и поверочных расчетах каменных конструкций.
30
В этой работе каменная кладка моделировалась ортотропным телом, имеющим определенные количественные показатели прочности в двух характерных
направлениях – поперек и вдоль горизонтальных швов. При этом выделяются следующие независимые пределы прочности кирпичной кладки:
- Rcx, Rcz – на одноосное сжатие перпендикулярно вертикальным (перевязанным) и горизонтальным (неперевязанным) швам соответственно;
- Rpx, Rpz – на одноосное растяжение перпендикулярно вертикальным (перевязанным) и горизонтальным (неперевязанным) швам соответственно;
- Cx, Cz – на сдвиг по вертикальному (перевязанному) и горизонтальному
(неперевязанному) сечениям соответственно. Внутреннее кулоновское трение при
этом характеризуется коэффициентом 𝜇 = 𝑡𝑔𝑘, где k – угол внутреннего трения.
В случае плоского напряженного состояния возможны три различных механизма разрушения каменной кладки:
- разрушение от раздробления, проявляющееся при одноосном или двухосном сжатии;
- разрушение от отрыва, проявляющееся при одноосном или двухосном растяжении;
- разрушения от сдвига, проявляющееся обычно при смешанных двухосных
напряженных состояниях сжатие – растяжение.
В связи с этим критерий прочности каменной кладки следует представить в
виде трех независимых аналитических выражений, каждое из которых определяет
предел ее прочного сопротивления при соответствующих видах плоского напряженного состояния:
1. Одноосное сжатие в вертикальном направлении (вдоль перевязанных
швов):
𝜎3 = −2 {√𝐶𝑥 (𝜇2 𝐶𝑥 + 𝐶𝑧 ) + 𝜇𝐶𝑥 }
Одноосное сжатие в горизонтальном направлении (вдоль неперевязанных
швов):
𝜎3 = −2 {√𝐶𝑧 (𝜇2 𝐶𝑧 + 𝐶𝑥 ) + 𝜇𝐶𝑧 }
31
2. Одноосное растяжение в вертикальном направлении (вдоль перевязанных
швов:
𝜎1 = 2 {√𝐶𝑥 (𝜇2 𝐶𝑥 + 𝐶𝑧 ) − 𝜇𝐶𝑥 }
Одноосное растяжение в горизонтальном направлении (вдоль неперевязанных швов):
𝜎1 = 2 {√𝐶𝑧 (𝜇2 𝐶𝑧 + 𝐶𝑧 ) − 𝜇𝐶𝑧 }
3. При одинаковом угле наклона главных осей напряжений к направлению
горизонтальных и вертикальных швов при сдвиге:
𝜏=
√(𝐶𝑥 − 𝐶𝑧 )2 + 4(1 + 𝜇2 )𝐶𝑥 𝐶𝑧 − (𝐶𝑥 − 𝐶𝑧 )
2(1 + 𝜇2 )
Значения пределов прочности, приведенные в позициях 1 и 2 определяются
в предположении, что прочность кладки определяется сдвигом по опасным площадкам скольжения, т.е. выполняются условия:
|𝜎3 | ≥ Rcz – при сжатии в вертикальном направлении
|𝜎3 | ≥ Rc𝑥 – при сжатии в горизонтальном направлении
|𝜎1 | ≥ R𝑝z – при растяжении в вертикальном направлении
|𝜎1 | ≥ Rp𝑥 – при растяжении в горизонтальном направлении
При смешанном действии растягивающих и сжимающих напряжений Г.А.
Гениевым выведен следующий критерий прочности [59]:
σ12 − 2(1 + 𝑘 2 )σ1 σ2 + σ22 − 2𝑘(𝑓𝑥𝑣 + 𝑓𝑦𝑣 )(σ1 + σ2 )
+ 2(𝑓𝑥𝑣 − 𝑓𝑦𝑣 )(𝑠𝑖𝑛2𝜃 + 𝑘 𝑐𝑜𝑠2𝜃)(σ1 − σ2 ) − 4𝑓𝑥𝑣 𝑓𝑦𝑣 ≤ 0,
(1)
где: 𝜃 – угол наклона главных напряжений 𝜎1 и 𝜎2 , 𝑓𝑥𝑣 и 𝑓𝑦𝑣 – предел прочности
кладки на сдвиг по перевязанному и неперевязанному сечениям, k – коэффициент
внутреннего трения.
Большинство критериев прочности не нашли достаточно широкого применения в практике проектирования. К основным причинам, обусловившим это обсто-
32
ятельство, можно отнести сложность математического выражения, а также необходимость проведения большого числа опытов для определения входящих в них переменных.
Принятая в нормативных документах по проектированию система расчета по
предельным состояниям предусматривает выполнение условия:
𝑁 ≤ Ф,
где N – усилие, действующее в элементе (функция внешних нагрузок), Ф – несущая способность элемента (функция физико-механических свойств материала,
условий работы и геометрических параметров). Характеристикой прочности материала является расчетное сопротивление R. Следует отметить, что принятое в стандарте [61] понятие нормативного сопротивления материалов, связанное с контрольной или браковочной их характеристикой, устанавливаемой государственными
стандартами на материалы, не применяется к кирпичной кладке, так как она является композитным материалом и ее прочность не установлена стандартами [60].
При установлении расчетных сопротивлений для каменных конструкций
принята следующая система коэффициентов. Коэффициент изменчивости прочности кирпичной кладки на основании статистических данных принят равным С =
0,15, а условное нормативное сопротивление Rn=Ru (1 – 2C) = 0,7 Ru, при этом обеспеченность величины C равна 0,98. Вероятное понижение прочности кладки по
сравнению с уровнем, принятым в нормах, учитывается делением Rn на коэффициент 1,2, а другие второстепенные факторы, не учитываемые расчетом, и дефекты
(ослабление кладки пустошовкой, гнездами, небольшие отклонения столбов и стен
от вертикали и т.п.) - на коэффициент 1,15. Таким образом, дополнительный коэффициент надежности для кирпичной кладки принят равным 1,2х1,15 = 1,4 и расчетное сопротивление R = 0,7 Ru /1,4 = 0,5 Ru.
Данное значение коэффициента запаса К=2 позволяет учесть возможность
некоторого повышения действующих сил по сравнению с расчетными, колебание
в неблагоприятную сторону показателей прочности материалов, производственные
отклонения размеров конструкций.
33
2.3. Деформационные свойства кирпичной кладки
На стадии проектирования строительных объектов при моделировании механических свойств материалов обычно нелинейными эффектами пренебрегают, полагая, что все конструкции должны работать в упругой области, т.е. связь между
напряжениями и деформациями линейна и имеет вид обобщенного закона Гука.
В действительности же кирпичная кладка представляет собой упругопластический материал и, следовательно, при действии нагрузки зависимость между
напряжениями и деформациями не подчиняется закону Гука. Модуль упругости,
являющийся в законе Гука коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями для кладки является переменной величиной. По мере повышения нагрузки он убывает, несмотря на то, что при сжатии модуль деформации
должен увеличиваться вследствие сокращения расстояния между атомами кристаллической решетки и возрастания энергии и силы связи между атомами. Согласно
[62] уменьшение модуля деформации каменной кладки при сжатии связано с вторичными поперечными напряжениями растяжения.
Рисунок 10 - Кривая деформаций каменной кладки при сжатии
Различают следующие модули деформаций:
- Е0 = tgφ0 – начальный модуль деформаций (модуль упругости);
34
-𝐸=
𝜕𝜎
- Е` =
𝜎
𝜕𝜀
𝜀
= 𝑡𝑔𝜑 – действительный (касательный) модуль деформаций;
= 𝑡𝑔𝜑 ` - средний (секущий) модуль деформаций.
Помимо нелинейного характера деформационные (и прочностные) свойства
кирпичной кладки изменяются в зависимости от направления действия силы, что
установлено еще в 50-ых годах прошлого века [63].
Для того, чтобы оценить напряженно-деформированное состояние кладки,
необходимо знать следующие деформационные характеристики:
- модули упругости по вертикальному и горизонтальному направлениям Ex и
Еy
- коэффициенты Пуассона по двум направлениям 𝜇𝑥𝑦 и 𝜇𝑦𝑥
- модуль сдвига G.
Согласно [64] в конструкциях из анизотропных материалов влияние на
напряженно-деформированное состояние оказывает мера анизотропии деформационных свойств материала, которая для плоского напряженного состояния ортотропной пластины характеризируется коэффициентами:
𝑘=√
𝐸𝑥
𝐸𝑦
и 𝑛 = √2𝑘 + 𝑚, где 𝑚 =
𝐸𝑥
𝐺
− 2𝜇𝑥𝑦
При значениях коэффициентов k=1, n=2 материал можно считать изотропным.
В своей работе [14] Деркач В.Н. на основании проведенных экспериментов
получил значения, близкие к указанным коэффициентам, на основании чего сделан
вывод о кирпичной кладке в целом как слабо анизотропном материале. К аналогичным результатам пришли исследователи в [65]. Таким образом, при статическом
расчете каменных конструкций, кладка которых выполнена из керамического полнотелого кирпича, ее деформационные характеристики допустимо принимать как
для изотропного материала.
При работе на растяжение, как указывает в своей статье Д.Н.Лазовский, [66]
деформационные характеристики кирпичной кладки практически не изучены. В
этой же работе он предложил систему уравнений для построения диаграммы деформирования на растяжение.
35
2.4. Построение модели кирпичной кладки
При моделировании каменной кладки используют следующие принципиальные подходы:
- микромеханическое моделирование кладки, где кирпич и раствор рассматриваются как отдельные элементы и кладка рассматриваются как гетерогенное (неоднородное) тело, состоящее из кладочных элементов и растворных швов, характеристики жесткости и прочности которых учитываются раздельно. В такой кладке
каждый кладочный элемент заменяется для расчета совокупностью мелких конечных элементов. Растворные швы также расчленяются на КЭ аналогичных размеров.
В ряде случаев вводятся дополнительные КЭ нулевой толщины, которые учитывают особые свойства взаимодействия кладочных элементов и растворных
швов. Микромодель применял в своих работах A.W. Page [67,68], где он рассматривает кирпичи как упругий изотропный материал, а раствор – с учетом его нелинейного деформирования под действием сдвига, сжатия и локального разрушения.
Также варианты микромоделей кладки были реализованы в [69-72]. Микромодели
кирпичной кладки дают наиболее точные результаты, но требует учета большого
количества факторов и применяется сравнительно редко из-за своей ресурсоемкости.
- мезомеханические моделирование кладки, представляющий собой упрощенный вариант микромеханического моделирования, при котором каждый кладочный
элемент заменяется всего двумя КЭ, а растворные швы - конечными элементами
нулевой толщины. Выполненные таким образом модели менее, ресурсоемки, чем
микромодели, однако недостаточно для повсеместного применения в расчетах.
- макромеханическое моделирование, при котором неоднородная (гетерогенная система) каменной кладки заменяется однородной (гомогенной) пластиной. В
данном случае выполняется гомогенизация кладки, т.е. замена неоднородной
структуры материала однородной. Макромеханические модели были успешно реализованы в работах [67,73,74].
Одним из первых описал данные подходы к моделированию кладки Lourenço
P.B. в своей работе [75]. Он отмечает, что микромодели особенно применимы при
36
локальном рассмотрении отдельных участков кирпичной кладки (длиной в несколько блоков). Макромодели применимы, когда структура состоит из сплошных
стенок с достаточно большими размерами, так что напряжения вдоль и поперек
макро-длины по существу однородны. Принцип макро-моделирования реализуется
в большинстве программных комплексов при решении практических задач.
С целью выбора расчетной модели для цели диссертации в программном
комплексе Лира-САПР произведен расчет нескольких расчетных моделей кирпичной кладки: гетерогенная микромеханическая модель, плоская и объемная гомогенная макромеханические модели.
Произведено моделирование участка стены размерами 2х1,29х0,51м. В качестве внешней нагрузки приложена сосредоточенная нагрузка 50т. Равномерное распределение давление по грани стены обеспечено введением абсолютно жестких
тел.
В качестве исходных данных приняты следующие материалы и их физикомеханические характеристики:
- кирпич керамический пластического прессования полнотелый марки М150.
Модуль упругости определен согласно [14] E=240Rc=240·15=3600МПа, коэффициент Пуассона μ=0,08
- цементно-песчаный раствор марки М100, Е=5000МПа, μ=0,15
- плотность кирпичной кладки принята ρ=1,961 т/м3
- коэффициент Пуассона кирпичной кладки μ=0,25.
- модуль упругости кирпичной кладки определен согласно п.6.2.1 СП
15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции»:
Е0 = 𝛼𝑅𝑢
𝑅𝑢 = 𝑘𝑅 = 2,2 ∙ 2 = 4,4МПа,
где 𝑅-расчетное сопротивление кладки сжатию, определено по табл.2 [76], R=2,2
МПа; k – коэффициент, равный 2;
α – упругая характеристики кладки, равная 1000.
Е0 = 1000 ∙ 4,4 = 4400МПа
37
Плоская гомогенная Объемная
гомогенная Объемная
гетерогенная
макро-модель
макро-модель
микро-модель
Рисунок 11 - Общий вид расчетной схемы
Плоская гомогенная
макро-модель
Объемная гомогенная
макро-модель
Объемная гетерогенная
микро-модель
Рисунок 12 - Результаты вертикальных деформаций расчетной схемы
38
Плоская гомогенная
макро-модель
Объемная гомогенная
макро-модель
Объемная гетерогенная
микро-модель
Рисунок 13 - Результаты расчета главных напряжений
Установлено, что подробные микромеханические модели в Лира-САПР не
позволяют провести корректный анализ работы кирпичной кладки в составе конструктивного элемента (стена) и годятся лишь для оценки напряженно-деформированного состояния конкретно кирпича или раствора в составе кладки (работа кирпича на изгиб, срез, влияние поперечного расширения раствора, влияние системы
перевязки и т.д.).
Произведено сравнение плоской и объемной гомогенных моделей кирпичной
кладки. Для это было рассмотрено 2 конечных элемента в плоской постановке и
соответствующие им элементы в объемной постановке задачи. Расположение их
представлено ниже:
39
1
1
2
2
Рисунок 14 - Общий вид расчетной схемы в плоской (слева) и объемной (справа) постановке задачи
Полученные значения главных и касательных напряжений сведены в таблицу:
Касательные
напряжения
Гл. напряжения σ1 Гл. напряжения σ2
-77.7684
-77.6689
-77.5114
-77.4339
1 -77.616
-77.4339
-77.5114
-77.6689
-77.7684
0.589979
0.50665
0.498839
0.500452
1 0.56607
0.500452
0.498839
0.50665
0.589979
0.0247078
0.0223437
0.0207557
0.0200912
1 0.0247103
0.0200912
0.0207557
0.0223437
0.0247078
0.20%
0.07%
-0.13%
-0.23%
-0.23%
-0.13%
0.07%
0.20%
4.22%
-10.50%
-11.88%
-11.59%
-11.59%
-11.88%
-10.50%
4.22%
-0.01%
-9.58%
-16.00%
-18.69%
-18.69%
-16.00%
-9.58%
-0.01%
-77.5956 0.03%
2
0.52398 8.03%
2
12.45
%
2
0.021974
-73.5721
-76.5385
-77.906
-77.906
-76.4061
-77.906
-77.5702
-76.5385
-73.5721
-4.42606
-5.59062
-6.30548
-6.30548
-5.82168
-6.30548
-6.10106
-5.59062
-4.42606
-0.674767
-0.668198
-0.665153
-0.663631
-0.67392
-0.663631
-0.665153
-0.668198
-0.674767
отклонение,
%
отклонение,
плоская объемная
%
среднее значение
Постановка задачи
№ КЭ
объемная
отклонение,
%
плоская
среднее значение
№ КЭ
Постановка задачи
отклонение,
%
Таблица 1. Главные и касательные напряжения
-3.71%
0.17%
1.96%
1.96%
-76.438675 -0.04%
1.96%
1.52%
0.17%
-3.71%
-23.97%
-3.97%
8.31%
8.31%
-5.6313575 3.38%
8.31%
4.80%
-3.97%
-23.97%
0.13%
-0.85%
-1.30%
-1.53%
0.90%
-1.53% 0.66793725
-1.30%
-0.85%
0.13%
40
Разность напряжений, полученных в плоской и пространственной постановке задачи (при среднем значении напряжений КЭ по толщине стены на рассматриваемом участке), составила 0.03-12,45%.
2.5. Моделирование трещин в кирпичной кладке
Повреждения каменных конструкций зданий и сооружений вызываются в
них под действием внешних воздействий. Когда значения напряжений в кладке
превышают некоторых критических значений, в материале стен появляются трещины.
Проблематика моделирования трещин в кирпичной кладке недостаточно
освещена. Основными направлениями мысли авторов, касающихся данной темы,
является учет трещинообразования в изначально идеализированной модели.
В работе [44]разработана проблемно-ориентированная программа AnSysBuildingBlock, способная создавать программный код (на языке APDL) для моделирования строительных конструкций и элементов методом конечных элементов
на базе программы ANSYS. Данная программа показала хорошую сходимость с
результатами натурных экспериментов.
Автор приводит несколько способов моделирования трещин:
1. «Умерщвление» элементов (игнорирование их при расчёте). Таким способом можно создавать трещины любой формы, но ширина раскрытия трещины
не может быть меньше ширины элемента, т.е. модель в зоне трещины требуется
дробить на множество мелких конечных элементов, либо создавать отдельные
объёмы.
2.Удаление объёмов с элементами - эта операция позволяет моделировать
трещину любой толщины и глубины. В данном случае требуется обязательное создание отдельных объёмов, которые имитируют трещину и их дальнейшее удаление.
3.Изменение свойств элементов. Решение аналогичное предыдущему,
только в данном случае, объём не удаляется из модели, а резко меняются его физические характеристики.
41
4. Отказ от склеивания элементов между собой. При формировании объекта из нескольких объёмов, на последующих этапах их обычно склеивают между
собой, чтобы все части модели работали как единое целое. При этом можно определённый участок между объёмами не склеивать, получая, таким образом, трещину бесконечно малой толщины.
В программном комплексе Лира-САПР допустим еще один метод:
5. Расшивка схемы. Трещина моделируется как нарушение совместности
перемещений каких-либо фрагментов схемы по линии их стыка (между КЭ при
макромоделировании). Происходит дублирование узлов в местах пересечений элементов с возникновением трещины бесконечно малой величины. К преимуществам данного способа можно отнести возможность моделирования длинных трещин без сгущения сетки конечных элементов.
Согласно [77] при моделировании процессов продвижения трещины возможен метод последовательного раскрепления узлов, лежащих вдоль траектории
трещины, либо последовательное назначение в элементах у вершины трещины
вдоль ее траектории модуля упругости, близкого к нулю, т.е. данные методы
можно отнести к способам 4 и 3 соответственно.
Использование первого метода возможно только при наличии специализированного программного комплекса, четвертый метод требует использования объемных элементов и, кроме того, обладает недостатком в виде сложности реализации.
Произведен сравнительный анализ второго, третьего и пятого метода на примере кирпичного простенка. В первом случае произведено удаление элементов расчетной схемы, во втором – резкое уменьшение модуля деформаций до практически
нулевых значений, в третьем – расшивка узлов схемы по длине трещины. В качестве внешней сжимающей нагрузки в каждый узел на уровне верха простенка приложена сосредоточенная сила 5т (25,6 т/м.п. стены).
Ширина раскрытия трещины в первых двух случаях задана 0.0185м или 18,5мм,
длина – 1,78м, ориентация – наклон к горизонту под углом 48.9 градусов. Произведено сгущение сетки конечных элементов до соответствующих величин.
42
Рисунок 15 - Общий вид расчетной модели. Моделирование удалением элементов (в центре),
снижением модуля деформаций (слева), расшивкой узлов (справа)
Рисунок 16 - Направление и величина главных напряжений σ2 при моделировании удалением элементов (в центре), снижением модуля деформаций (слева), расшивкой узлов
(справа)
При действии растягивающей нагрузки (5.11 т/м.п. стены):
Рисунок 17 - Мозаика главных напряжений σ1 при различных вариантах моделирования трещин: удалением элементов (в центре), снижением модуля деформаций (слева), расшивкой
узлов (справа)
43
Рисунок 18 - Мозаика главных напряжений σ2 при различных вариантах моделирования трещин: удалением элементов (в центре), снижением модуля деформаций (слева), расшивкой
узлов (справа), расположение сечений
Рисунок 19 - Слева направо: сечение 1-1, 2-2, 3-3. Распределение касательных напряжений
при действии растягивающей нагрузки
В ходе анализа результатов расчетов установлено, что метод моделирования
трещины не оказывает существенного влияния на распределение напряжений и деформаций в конечных элементах расчетной схемы (разница величин результатов в
по трем способам моделирования составляет менее 4%).
44
2.6. Появление трещин при осадках основания
Согласно нормативным документам [40] допустимые деформации основания
фундаментов составляют:
- Максимальная осадка smaxad,u - от 1 до 5 см (при реконструкции) и от 0,5 до
5см (при попадании здания в зону влияния нового строительства);
- Относительная разность осадок (Δs/L)u – от 0,0007 до 0,0035 (при реконструкции) и от 0,0004 до 0,0024 (при попадании здания в зону влияния нового строительства).
Рассмотрен вариант попадания кирпичного здания ограниченно-работоспособного технического состояния в зону влияния нового строительства. Исходя из
допустимых пределов величин установлена длина участка осадки:
𝐿=
s
1
=
= 1428,6см = 14,3м
Δs/L 0.0007
В программном комплексе Лира-САПР произведена сборка расчетной модели фрагмента кирпичного здания. Расчет производился в линейной (упругой) и
нелинейной (упругопластической) постановке. В уровне основания при помощи
стержней задавалась лента с геометрическими и жесткостными характеристиками
бетонного фундамента. Моделирование осадки угла здания производилось путем
приложения перемещения крайнего узла на заданную величину и исключения связей по направлению Z на длине участка. Таким образом, очертания мульды оседания приняли вид плавно затухающей кривой линии изгиба. Неравномерная осадка
в нелинейном расчете задавалась с учетом временного фактора.
Задание деформационных характеристик кирпичной кладки на сжатие производилось на основании результатов экспериментов, проведенных в [78] при
марке кирпича М100 и раствора М100. В качестве критерия возникновения трещины принято достижение расчетного сопротивления кирпичной кладки на растяжение при изгибе: Rt=25МПа.
0.000231814
4.63628E-05
σ
0
-0.00185
-0.0025
-0.00325
-0.005
-0.0055
-0.007
45
ε
0
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-350
-400
-450
-500
-550
-600
-650
-700
Рисунок 20 - Диаграмма напряжений σ (т/м2) и деформаций ε кирпичной кладки
Установлено, что за пределами мульды оседания напряжения в кладке в
обоих вариантах расчета не имеют существенных отличий, в зоне изгиба стены от
осадки напряжения в стенах по направлению X (вертикальные) отличаются не более чем на 17%, по направлению Y (горизонтальные) - в 1,5-2р. Высокая разница в
результатах вызвана тем, что при образовании трещин происходит высвобождение
упругой энергии, которое приводит к снижению напряжений.
По результатам расчетов картина образования трещин в обоих вариантах расчета совпадает практически полностью (см. Рисунок 21). Разрушению подверглись
зоны концентрации напряжений в углах проемов.
Рисунок 21 - Картина трещин при линейном (слева) и нелинейном (справа) расчете
46
Выполнена проверка выделенных элементов по критерию прочности Гениева
(1). В расчете использовались следующие данные [76]:
- предел прочности кладки на сдвиг по перевязанному сечению 𝑓𝑥𝑣 – 0,65
МПа;
- предел прочности кладки на сдвиг по неперевязанному сечению 𝑓𝑦𝑣 – 0,16
МПа;
- коэффициент внутреннего трения k – 0,7
Таблица 2. Результаты расчета КЭ по критерию Гениева и по расчетному сопротивлению
Угол
Главное
Резульнаклона
напряжетат расглавных
ние ς2,
чета по
напряжений
т/м**2
Rt
Ø, градусы
Результат расПрочность на чета по Критерий
растяжение
крите- прочности
при изгибе
рию
Гениева
прочности
№ элемента
Главное
напряжение ς1,
т/м**2
1
2
3
4
1
40.49155
4.644932
1.151487
1.619662 не обеспечена
-0.6
2
41.50521
-0.642229
-1.485138
1.660208 не обеспечена
-0.4
5
41.91212
-0.872566
0.648554
1.676485 не обеспечена
-0.4
6
38.35104
-1.462214
5.021535
1.534042 не обеспечена
-0.3
17
29.98817
-1.90997
11.13887
1.199527 не обеспечена
-0.3
56
29.73113
11.84421
20.37118
1.189245 не обеспечена
-0.7
59
51.30561
6.760342
25.15787
2.052224 не обеспечена
-0.4
60
26.78294
-2.11661
16.20203
1.071318 не обеспечена
-0.3
93
41.1955
5.752914
46.78744
1.64782 не обеспечена
-0.5
94
25.12301
0.276183
26.87298
1.00492 не обеспечена
-0.3
128
36.15468
3.401367
22.84376
1.446187 не обеспечена
-0.4
133
26.61295
4.276134
41.74686
1.064518 не обеспечена
-0.5
199
25.89926
-2.281056
47.79531
1.03597 не обеспечена
-0.3
229
26.85987
3.206014
62.66124
1.074395 не обеспечена
-0.6
5
6
7
8
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
соблюдается
47
1
2
3
4
5
6
254
40.65565
4.748795
54.0019
1.626226 не обеспечена
293
34.19319
4.278785
62.78374
1.367728 не обеспечена
316
25.12157
2.029521
25.20797
1.004863 не обеспечена
517
26.08752
3.734797
56.77474
1.043501 не обеспечена
518
25.29914
2.751791
34.48769
1.011966 не обеспечена
627
25.25808
3.198095
62.27906
1.010323 не обеспечена
726
29.18283
1.238944
21.01699
1.167313 не обеспечена
850
27.52654
3.14616
28.74874
1.101062 не обеспечена
871
35.57592
3.655745
63.0364
1.423037 не обеспечена
873
26.54651
-1.980431
49.27763
1.06186 не обеспечена
1007
28.61868
0.809265
72.09745
1.144747 не обеспечена
1099
29.66362
1.352328
50.27928
1.186545 не обеспечена
1142
25.61422
-0.84801
35.69865
1.024569 не обеспечена
1255
28.75441
-0.77764
73.17723
1.150176 не обеспечена
1300
28.53874
-1.329646
71.45004
1.14155 не обеспечена
1355
33.90858
-2.030856
76.01599
1.356343 не обеспечена
4428
28.53707
2.308176
65.72303
1.141483 не обеспечена
4530
27.95803
-0.716452
73.38848
1.118321 не обеспечена
4559
36.71514
-5.625413
77.73005
1.468606 не обеспечена
4574
32.35201
-3.045039
75.51111
1.29408 не обеспечена
4714
25.3255
-5.11408
65.8812
1.01302 не обеспечена
4716
26.47514
-3.793116
68.18306
1.059006 не обеспечена
4743
25.97755
-7.529753
62.66251
1.039102 не обеспечена
4815
31.29641
-3.954835
74.53538
1.251856 не обеспечена
Продолжение табл.2
7
8
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.7
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.7
ется
соблюда-0.5
ется
соблюда-0.3
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.7
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.7
ется
соблюда-0.7
ется
соблюда-0.5
ется
соблюда-0.5
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.6
ется
48
1
2
3
4
5
6
4832
28.84005
-1.126967
71.15526
1.153602 не обеспечена
4859
36.31122
-6.007436
76.23081
1.452449 не обеспечена
4950
36.01043
-10.16249
78.38169
1.440417 не обеспечена
4975
34.79667
-10.12879
78.3417
1.391867 не обеспечена
4976
25.27583
-6.913287
62.2429
1.011033 не обеспечена
5132
38.69503
1.434315
37.98124
1.547801 не обеспечена
5166
27.28754
-3.291953
43.47632
1.091502 не обеспечена
Продолжение табл.2
7
8
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.6
ется
соблюда-0.4
ется
соблюда-0.3
ется
соблюда-0.3
ется
Как видно из таблицы, при выборе в качестве критерия прочности расчетного
сопротивления создается значительный запас прочности. Данное обстоятельство в
условиях массового строительства создает дополнительный резерв надежности
конструкции (на влияние «руки каменщика» и других факторов).
Также рассмотрено влияние отдельных конструктивных параметров здания
(здание без окон, со сплошными перекрытиями без отверстий под лестничные
клетки, отсутствие поперечных стен и перекрытий) на НДС здания в условиях осадок. При этом выявлено, что решающее влияние на распределение усилий в здании
оказывают именно осадки, а конкретно очертание мульды оседания (чем плавнее
очертания, тем благоприятнее для стен). Для более точного расчета необходимо
моделирование системы «Здание-фундамент-основание» с учетом свойств грунта.
49
2.7. Выводы по главе
1.
Разрушение кирпичной кладки при сжатии происходит в результате
потери устойчивости столбиков, образованных в результате развития вертикальных трещин. При растяжении и срезе кирпичной кладки разрушение происходит по перевязанным или неперевязанным сечениям и зависит от прочности раствора и кирпича, а также сцепления между кирпичом и раствором.
2.
Кирпичная кладка представляет собой неоднородное упругопластиче-
ское тело, состоящее из камней и растворных швов и проявляет различные
прочностные и деформационные свойства в зависимости от направления
силы (анизотропность). Однако для решения конкретных задач допустимо
рассматривать кирпичные стены как гомогенные пластины из изотропного
линейно-деформируемого материала;
3.
Большинство критериев прочности не нашли достаточно широкого
применения в практике проектирования. Принятая в нормативных документах по проектированию система расчета по предельным состояниям предусматривает применение в качестве характеристики прочности материала расчетных сопротивлений. Данная система обеспечивает дополнительный резерв прочности конструкций;
4.
При использовании МКЭ выбор метода моделирования трещин не ока-
зывает существенного влияния на напряженно-деформируемое состояние
конструкции.
50
ГЛАВА 3. УСИЛЕНИЕ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ
РАЗВИТИИ НЕРАВНОМЕРНЫХ ОСАДОК
3.1 Влияние трещин на распределение усилий в кирпичных зданиях
Одним из проявлений снижения эксплуатационных характеристик конструкций является появление трещин. Возникновение трещины может являться начальным этапом разрушения конструкции, первом симптомом возникновения аварийной или предаварийной ситуации. Факторы, способствующие образованию трещин
и разрушению конструкций, подразделяются на две группы: возникшие в результате силовых воздействий (перегрузка несущих конструкций, неспособность конструкций воспринимать предусмотренные нагрузки в результате нарушения требований при проектировании или монтаже, неравномерные осадки зданий) и возникшие под действием влияния факторов окружающей среды (температурно-влажностные деформации, увлажнение и промерзание, агрессивное воздействие пыли и
газов, биологические воздействия различных грибков, зелени и т.д.) [37].
Как уже отмечалось выше, наиболее часто встречающимися причинами возникновения трещин в конструкциях являются неравномерные осадки и просадки
грунта [29]. Под влиянием сил, вызываемых перемещением грунта, в кладке появляются нормальные и касательные напряжения, приводящие к разрыву кладки и
образованию трещин. Для выявления характера и причин появления осадочных
трещин в кладке стену можно рассматривать как балку, лежащую на упругом основании и нагруженной равномерно-распределенной нагрузкой. Характерным признаком неравномерных осадок при этом являются наклонные трещины. Направление трещины (при взгляде снизу вверх) позволяет определить место снижения физико-механических характеристик основания (просадки грунта). Для мониторинга
за состоянием трещин на них устанавливаются маяки. В случае выявления положительной динамики развития трещин производится усиление конструкций и основания, в случае стабилизации осадок трещины заделывают.
Однако на практике данные рекомендации не всегда выполняются. Зачастую,
после того как осадки реализовались, трещины в стенах не заделываются, и здания
51
продолжают эксплуатироваться в данном состоянии. При этом происходит значительное снижение таких важных характеристик ограждающих конструкций, как
тепло-, звуко-, гидроизоляция, увеличивается продуваемость. Неблагоприятно это
сказывается и на напряженно-деформированном состоянии конструкций здания.
При неоднородном напряженном состоянии изолированное локальное разрушение,
как правило, не вызывает обрушения каменной конструкции в целом, но приводит
к перераспределению внутренних напряжений в конструкции, что может вызывать
образование новых локальных разрушений, которые объединяясь могут приводить
к обрушению конструкции [15].
Исследование влияния трещин на распределение усилий в кирпичных зданиях проводилось на примере здания серии I-447. Серия основана на конструктивной схеме с продольными несущими кирпичными стенами с пролетами 6 метров.
В программном комплексе Лира-САПР была выполнена расчетная модель фрагмента здания.
Рисунок 22 - План типового этажа и фасад дома серии I-447
52
Стены и перекрытия моделировались пластинами, шарнирное опирание перекрытий на стену выполнено при помощи шарниров с расшивкой узлов по направлениям X, Y и Z. Эксцентриситет опирания моделировался при помощи жестких
вставок.
Рисунок 23 - Общий вид расчетной модели
Вес плит был задан в соответствии с серией:
- плиты перекрытия – 370 кг/м2
- плиты покрытия – 500 кг/м2
Собственный вес кирпичной кладки задан автоматически при плотности
ῥ=1800кг/м3.
Временные нагрузки в соответствии с табл. 8.3 [79]:
- на межэтажные перекрытия – 150 кг/м2
- от перегородок – 50 кг/м2
- снеговая – 150 кг/м2
Приняты следующие материалы и их физико-механические характеристики:
- кирпич керамический пластического прессования полнотелый марки М100
- тяжелый цементно-песчаный раствор марки М100
53
- плотность кирпичной кладки принята ρ=1,961 т/м3
- коэффициент Пуассона μ=0,25.
- модуль упругости принимался определен по [78] Е=107845 т/м2.
Таблица 3. Расчетные сопротивления кладки по [76]
Вид НДС
По перевязанному
По неперевязанному
сечению, МПа
сечению, МПа
Сжатие R
1,8
Растяжение при изгибе Rt
0,25 (0,25 по камню)
0,12
Растяжение
0,16 (0,18 по камню)
0,08
0,65
0,16
Срез
По условиям задачи трещины возникли в ходе неравномерных осадок фундаментов, которые, реализовавшись, прекратили свое развитие. Рассмотрено несколько вариантов расположения трещин и их влияние на напряженно-деформированное состояние здания. Моделирование трещин производилось путем сгущения сетки конечных элементов и последующим изменением модуля деформаций
до нулевых значений.
Анализ производился на основании сопоставления внутренних усилий (главных напряжений σ1 и σ2) в стенах здания при наличии трещин и без них, а также с
расчетными сопротивлениями по таблице 3.
При нормальных условиях распределение напряжений в здании происходит
следующим образом: в простенках напряжения σ2 направлены преимущественно
по вертикали с некоторым рассеиванием в межоконные пояса, напряжения σ1 ориентированы горизонтально. При малой ширине окон межоконные пояса выполняют роль связующих элементов между простенками, в то время как при широких
окнах межоконные пояса больше работают самостоятельно как защемленная
балка с образованием соответствующих зон растяжения и сжатия.
54
σ = 0,25R
σ = 0,22R
σ = 0,3R
σ = 0,28R
Рисунок 24 - Направление главных напряжений σ2 и их средняя величина
σ = 0,072Rt
σ = 0,03Rt
σ = 0,22Rt
Рисунок 25 - Направление главных напряжений σ1 и их средняя величина
При неравномерных осадках развитие трещин происходит по энергетически
более выгодному пути [80]: в основном, через места концентрации напряжений в
углах оконных проемов (через простенок или межоконный пояс). Как показывают
55
результаты обследования большого числа зданий и натурные эксперименты, располагаются трещины в плоскостях, направление нормалей к которым совпадает с
направлением действия 1-го главного напряжения [44].
4
Главные
растягивающие
напряжения
3
Трещина
2
1
Просадка грунта
Рисунок 26 - Напряжения и трещины при неравномерных осадках
Произведено моделирование следующих расчетных ситуаций:
1) трещина пересекает простенок (№1 на рис. 5)
2) трещина пересекает межоконный пояс (№2 на рис.5)
3) трещины проходят по простенку и межоконному поясу (№1 и 2 на рис.5)
4) трещины проходят по межоконному поясу и простенку, разделяя его на
несколько ярусов (№1-4 на рис.5)
56
В ходе анализа результатов расчетов установлено:
- при наличии трещин в простенке напряжения сжатия в нем значительно
уменьшаются, одновременно происходит перераспределение напряжений на соседние простенки, за счет чего напряжения сжатия в них увеличиваются на 10-20 т/м2.
Причем при увеличении количества этажей (величины сжимающей нагрузки) величина приращения напряжений на соседних простенках остается прежней.
σ = 0,28R
Трещина
σ = 0,28R
Рисунок 27 - Вторые главные напряжения σ2 и их средняя величина при наличии трещины
в простенке
- при наличии трещин в межоконном поясе разделенные его части начинают
работать по консольной схеме с образованием верхней растянутой зоны в районе
заделки. В данных местах наблюдается «скачок» напряжений за счет разной
нагрузки простенка и межоконного пояса, а также концентратора в виде угла проема. Наложение вышеперечисленных факторов друг на друга приводит к росту растягивающих напряжений и образованию трещин.
57
σ = 1,32Rt
σ = 1,24Rt
Трещина
Рисунок 28 - Первые главные напряжения σ1 и их средняя величина при наличии трещин в
межоконном поясе
Таким образом наличие трещин приводит к значительным изменениям
напряженно-деформированного состояния конструкций, изменению предусмотренной проектом расчетной схемы отдельных конструктивных элементов. Для
обеспечения необходимой надежности трещины должны тщательно заделываться
с обеспечением совместной работы разделенных трещиной частей. Невыполнение
данных мероприятий, помимо снижения тепло-, звуко-, влаго- изолирующей способности ограждающих стен, может приводить к перегрузке конструкций и образованию новых трещин даже при отсутствии дополнительных осадок фундаментов.
58
3.2 Способы моделирования элементов усиления
В рамках диссертации с целью определения оптимального способа моделирования элементов усиления (шпонок) рассмотрено несколько вариантов (см. Рисунки 29 и 30):
А) шпонка моделируется как плоская пластина в натуральную длину
Б) шпонка моделируется как плоская пластина на участке трещины
В) шпонка моделируется стержнем в натуральную длину
Г) шпонка моделируется объемным телом в натуральную величину, а арматура в ней – стержневыми конечными элементами.
А
Б
В
Рисунок 29 - Варианты моделирования шпонок
В ходе численного эксперимента модели А, Б и В подвергались различным
вариантам загружения. Усилия в шпонках по всех случаях оказались примерно
одинаковыми: максимальные отличия составили не более 5%. Произведенная вариация длины шпонки показала, что она влияет только на распределение в ней усилий, при этом максимальное значение (в месте трещины) сохраняется.
Следует отметить, что в реальности усиление шпонкой производится с некоторым смещением относительно центра стены. Произведенное моделирование данного смещения (при помощи объединения перемещений узлов) не повлияло на результаты расчетов.
Также выполнен сравнительный анализ вариантов моделирования Г и А при
действии сдвигающей нагрузки (под собственным весом при отсутствии связей у
левой от трещины части схемы), по результатам которого составлена таблица:
59
Таблица 4. Средние значения напряжений при различных вариантах моделирования
Общие
№
шпонки
σx
σy
τ
Г
А
откл., %
Г
А
откл., %
Г
А
откл., %
1
30.90
35.95
16.33%
0.18
-0.67
-464.20%
1.18
1.02
-13.56%
2
19.79
22.33
12.86%
-8.56
-11.22
30.98%
2.68
2.50
-6.76%
3
15.99
18.97
18.60%
-19.14
-24.18
26.36%
5.67
5.64
-0.60%
4
5.42
9.15
68.83%
-34.25
-42.23
23.30%
12.04
12.53
4.13%
5
-61.61
-69.56
12.91%
-61.16
-71.88
17.52%
24.00
25.58
6.56%
По месту трещины
№
шпонки
1
Г
А
откл., %
Г
А
откл., %
Г
А
откл., %
43.46
46.60
7.23%
10.89
11.59
6.43%
4.51
3.76
-16.63%
2
26.73
27.45
2.71%
-1.40
-1.52
8.57%
9.92
8.84
-10.84%
3
20.10
21.53
7.09%
-11.59
-11.51
-0.69%
20.75
19.50
-6.02%
4
3.55
6.91
94.78%
-28.00
-26.95
-3.75%
44.81
44.28
-1.20%
5
-96.02
-102.50
6.75%
-81.15
-83.83
3.30%
106.50
110.38
3.64%
Средние значения напряжений по шпонкам отличаются не более чем на 31%,
в отдельных случаях на 69 и даже 464%. Максимальные напряжения (в месте трещины) показывают хорошую сходимость, за исключением напряжений σx в шпонке
№4, где напряжения по модулю малы по сравнению с другими шпонками.
Рисунок 30 - Моделирование шпонок объемными элементами (вариант Г)
60
3.3 Исследование работы элементов усиления
Произведено моделирование трещины в межоконном поясе. Рассмотрены варианты усиления трещин, получившие наибольшее распространение: устройство
железобетонных шпонок и металлических накладок с определенным шагом поперек трещины. Принята следующая вариация шага элементов: с шагом 0,14-0,28м,
0,5-0,6м, 1м.
Моделирование железобетонных шпонок производилось путем введения в
конечно-элементную сетку кирпичной кладки стержневых элементов с поперечным сечением 150х150мм. Армирование шпонки предусматривалось диаметром
12мм класса А400, бетона класса В10. Жесткостные параметры заданы как для бетонного сечения с модулем упругости Е=1900000т/м2. Совместная работа шпонки
и кирпичной кладки моделировалась разбиением стержня в местах пересечения узлов сетки КЭ с последующей сшивкой.
Металлические накладки моделировались аналогичным способом, но без
разбиения стержня на части. В соответствии с конструктивной схемой на концах
стержня введены шарниры. Жесткость – швеллер №18.
По результатам расчета составлены таблицы и графики зависимости максимальных внутренних усилий в элементах усиления от величины осадки. Установлено, что зависимость во всех случаях сохраняется линейная, а шаг элементов усиления практически не оказывает влияния на перемещения усиленной кирпичной
кладки. Кроме того, в металлических накладках отсутствуют поперечные силы и
изгибающие моменты, что свидетельствует об их неспособности воспринимать
сдвиговые деформации, возникающие в кирпичной кладке под воздействием неравномерных осадок. В шпонках присутствуют все три усилия (M, Q, N), их эпюры
имеют различные очертания в зависимости от расположения, но наибольшие усилия возникают в центре, т.е. по месту трещины.
Несмотря на то, что элементы усиления расположены вдоль главных растягивающих усилий, в некоторых из них возникают усилия сжатия, что особенно
имеет место в случае шпонок. При расположении элементов усиления горизон-
61
тально (что более удобно технологически) напряжения растяжения в них уменьшаются, а сжатия – увеличиваются, что связано с изменением их ориентации относительно главных растягивающих и сжимающих напряжений.
Таблица 5. Усилия в элементах усиления в зависимости от величины осадки
Шпонки
Осадка, мм
шаг 0.14-0.28м
М, т*м
+
-
Q, т
+
шаг 0.5-0.6м
N, т
-
+
М, т*м
-
+
-
шаг 1м
Q, т
+
N, т
-
+
М, т*м
-
+
-
Q, т
+
N, т
-
+
-
10 0.152 0.094 1.39 1.05 1.04 0.564 0.074 0.104 0.997 0.887 1.48 0.52 0.071 0.083 1.58 0.902 1.97 0.233
15 0.188 0.153 1.73 1.59 2.04 1.05 0.115 0.167 1.46 1.38 2.81 0.881 0.117 0.107 2.01 1.07 3.49 0.36
20 0.223 0.212 2.06 2.13 3.05 1.53 0.155 0.231 1.93 1.87 4.13 1.24 0.164 0.13 2.45 1.28 5.02 0.494
30 0.294 0.329 2.93 3.22 5.05 2.49 0.236 0.359 2.86 2.84 6.78 1.96 0.257 0.178 3.32 2.0 8.06 0.769
50 0.436 0.564 4.79 5.39 9.06 4.41 0.399 0.615 4.72 4.8 12.1 3.41 0.443 0.273 5.06 3.45 14.2 1.32
Накладки
Осадка, мм
шаг 0.14-0.28м
М, т*м
Q, т
шаг 0.5-0.6м
N, т
+
-
+
-
10
-
-
-
-
15
-
-
-
20
-
-
30
-
50
-
+
М, т*м
-
Q, т
N, т
+
-
+
-
0.896 0.22
-
-
-
-
-
1.65 0.325
-
-
-
-
-
2.4 0.435
-
-
-
-
-
3.9 0.773
-
-
-
-
6.9
-
1.45
шаг 1м
+
М, т*м
-
Q, т
N, т
+
-
+
-
+
-
1.27 0.166
-
-
-
-
1.61 0.148
-
2.18 0.297
-
-
-
-
2.89 0.212
-
-
3.09 0.447
-
-
-
-
4.16 0.276
-
-
-
4.92 0.747
-
-
-
-
6.72 0.403
-
-
-
8.57 1.35
-
-
-
-
11.8 0.658
62
а)
Изгибающий момент Му, т*м
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
60
50
60
50
60
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
осадка, мм
шаг 0.15-0.28м
шаг 0.5-0.6м
шаг 1м
б)
Поперечная сила Q, т
6
4
2
0
0
10
20
30
40
-2
-4
-6
осадка, мм
шаг 0.15-0.28м
шаг 0.5-0.6м
шаг 1м
в)
Продольная сила N, т
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
-5
-10
осадка, мм
шаг 0.15-0.28м
шаг 0.5-0.6м
шаг 1м
Рисунок 31 - Зависимость изгибающего момента (а), поперечной силы (б) и продольной
силы (в) в шпонке от величины осадки
63
14
Продольная сила N, т
12
10
8
6
4
2
0
-2 0
10
20
30
-4
40
50
60
осадка, мм
шаг 0.15-0.28м
шаг 0.5-0.6м
шаг 1м
Рисунок 32 - Зависимость внутренних усилий в металлической накладке от величины
осадки
Составлена сводная диаграмма продольных растягивающих усилий в железобетонных шпонок и металлических накладках. Отчётливо видно, что при равной
величине осадки, независимо от шага элементов, в шпонках возникают бо́льшие
усилия, что свидетельствует о более эффективном включении в работу кирпичной
кладки.
16
14
Продольная сила N, т
12
10
8
6
4
2
0
10
15
20
30
50
осадка, мм
накладки с шагом 0.15-0.28м
шпонки с шагом 0.15-0.28м
накладки с шагом 0.5-0.6
шпонки с шагом 0.5-0.6м
накладки с шагом 1м
шпонки с шагом 1м
Рисунок 33 - Сводная диаграмма зависимости усилий в элементах усиления от величины
осадки
64
3.4 Применение результатов исследования
Полученные в ходе исследования результаты могут быть применены для разработки конструктивно-технологических решений по усилению трещин при предполагаемом развитии осадок.
Предложен следующий алгоритм:
1.Создание
расчетной модели
(геометрии,
нагрузок)
2.Моделирование
существующих
трещин
3.Задание величины
и мульды оседания
предполагаемой
осадки
Уточнение (вариация)
параметров
Уточнение (вариация)
параметров
4. Моделирование
шпонок (lxh)
5. Определение
внутренних усилий
в шпонке
- Расчет шпонки как
сжато-изгибаемого
элемента
- Расчет на срез
- Расчет шпонки как
растянуто-изгибаемого
элемента
- Расчет на срез
Рисунок 34 - Алгоритм расчета железобетонных шпонок
В соответствии с данным алгоритмом произведен расчет железобетонной
шпонки (по Таблица 5) при Δ=30мм:
класс бетона В10 (Rb=6МПа=61,2кг/см2, Rbt=0,57МПа=5,8кг/см2),
арматура класса А400 (Rs=350МПа=3567,8кг/см2).
Усилия в шпонке: N=8,06т, Q=1,12т, М=0,065т*м.
65
Шпонки работают на сжатие по поверхностям контакта и на срез по месту
трещины. Расчетное сопротивление бетона на срез в 1,5-2р больше расчетного сопротивления на сжатие, более точно значение можно определить по эмпирической
формуле:
𝑅𝑠ℎ = 0,7√𝑅𝑏 ∙ 𝑅𝑏𝑡
(2)
При практических расчетах пользуются зависимостью:
𝑅𝑠ℎ = 2𝑅𝑏𝑡 = 2 ∙ 5,8 = 11,6 кг/см2
Согласно [81] условие прочности на срез имеет следующий вид:
𝑄 ≤ 𝑅𝑠ℎ ∙ ℎ ∙ 𝑙,
(3)
где l и h длина и высота плоскости среза.
Задаемся размерами шпонки 10х10см. Армирование шпонки принимаем из
двух диаметров 14мм, 𝐴𝑠 = 𝐴′𝑠 = 1,539см2
Проверка условия (2):
1120 ≤ 11,6 ∙ 10 ∙ 10
1120кг ≤ 1160кг
Условие прочности на срез соблюдается. Проверка прочности внецентренно
растянутого элемента [п.8.1.19 81]:
𝑁 ∙ 𝑒 ≤ 𝑀𝑢𝑙𝑡
(4)
𝑁 ∙ 𝑒 ′ ≤ 𝑀𝑢𝑙𝑡
(5)
Эксцентриситет приложения силы:
𝑒0 =
𝑀 0,065
=
= 0,008м
𝑁
8,06
Продольная сила приложена между равнодействующей усилий в арматуре.
При величине защитного слоя 20мм: e=1,5см e′=3,1см. Внутренний момент:
𝑀𝑢𝑙𝑡 = 𝑅𝑠 ∙ 𝐴′𝑠 (ℎ0 − 𝑎′ ) = 3567,8 ∙ 1,539(7,3 − 2,7) = 25257,9кг ∙ см
′
𝑀𝑢𝑙𝑡
= 𝑅𝑠 ∙ 𝐴𝑠 (ℎ0 − 𝑎′ ) = 3567,8 ∙ 1,539(7,3 − 2,7) = 25257,9кг ∙ см
Внешний момент:
𝑁 ∙ 𝑒 ′ = 8060 ∙ 3,1 = 24986кг ∙ см
𝑁 ∙ 𝑒 = 8060 ∙ 1,5 = 12090кг ∙ см
Проверка условий (3) и (4):
66
12090кг ∙ см ≤ 25257,9кг ∙ см
24986кг ∙ см ≤ 25257,9кг ∙ см
Прочность сечения обеспечена.
В нормативных расчетах не учитывается работа бетона на растяжение, при
этом шпонки располагаются вдоль главных растягивающих напряжений, следовательно, прочность сечения необходимо обеспечивать, в основном, не за счет бетона, а за счет оптимального армирования шпонки;
При армировании шпонки необходимо стремиться к увеличению внутреннего момента. Это достигается применением двух рядов арматуры, максимально
разнесенных друг от друга. Используемая при этом поперечная арматура (для формирования каркасов) будет идти в запас прочности. При назначении длины шпонки
необходимо также учитывать минимальные конструктивные требования по анкеровке арматуры.
3.5 Выводы по главе
1.
Выполнен анализ влияния трещин на распределение усилий в кирпич-
ных зданиях (на примере здания серии I-447). При наличии трещины в простенке происходит перераспределение напряжений на соседние простенки, в
результате чего напряжения в них увеличиваются на 10-20 т/м2 (0,03-0,06R).
При наличии трещин в межоконном поясе меняется расчетная схема элемента с балочной на консольную, что приводит к появлению новых трещин.
Учитывая однотипный характер работы, а также невысокое разнообразие
конструктивных схем кирпичных зданий, полученные результаты могут быть
отнесены ко всем кирпичным зданиям в целом;
2.
Усиление кирпичной кладки с трещинами металлическими накладками
не является эффективным, так как они неспособны воспринимать сдвиговые
деформации, возникающие в кирпичной кладке при развитии осадок. Применение армированных шпонок является более предпочтительным;
3.
Моделирование шпонок стержневыми конечными элементами явля-
ется наиболее простым и удобным для практического применения.
67
4.
Несмотря на то, что элементы усиления располагаются вдоль главных
растягивающих усилий, в них могут возникать усилия сжатия. Таким образом, при определении армирования необходимо производить расчет шпонки
как сжато-изгибаемого или растянуто-изгибаемого железобетонного элемента;
5.
Разработан алгоритм расчета железобетонных шпонок, который заклю-
чается в последовательном выполнении следующих этапов: создание расчетной модели (моделирование здания, нагрузок, трещин, осадки, щпонок), расчет с использованием метода конечных элементов (определение внутренних
усилий), расчет железобетонной шпонки на срез и как растянуто(сжато)-изгибаемого элемента по формулам свода правил.
6.
Выполнен расчет железобетонных шпонок по разработанному алго-
ритму, произведен анализ полученных результатов, по результатам которого
составлены предложения по размещению арматуры в шпонке.
68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе обозначена проблема усиления кирпичной кладки с трещинами при
развитии дополнительных осадок при реконструкции или попадании здания в зону
влияния нового строительства. Произведен обзор методов усиления кирпичной
кладки с трещинами, составлена расчетная модель, на основании которой произведен анализ некоторых методов. Сделаны следующие выводы:
1.
Основной подход в методах усиления кирпичной кладки с трещинами
состоит в обеспечении (восстановлении) совместной работы между разделенными трещиной фрагментами кладки, а также в передаче усилий растяжения
и сдвига на другие материалы. При разработке проекта метод усиления трещин должен быть принят с учетом гарантированного или возможного развития деформаций основания.
2.
При неравномерных осадках в кирпичной кладке от действия сдвигаю-
щих и растягивающих усилий возникают трещины (преимущественно по
швам кладки). Разрушение происходит по перевязанным или неперевязанным сечениям и зависит от прочности раствора и кирпича, а также сцепления
между кирпичом и раствором.
3.
Выполнено построение расчетной схемы кирпичной кладки с трещи-
нами, выявлены и отброшены факторы, слабо влияющие на рассматриваемые
явления. Кирпичные стены рассматриваются как гомогенные пластины из
изотропного линейно-деформируемого материала. Данная модель позволяет
проводить анализ НДС конструкции без проведения ресурсоемких операций,
что особенно ценно при применении в практических расчетах.
4.
Наличие трещин приводит к значительным изменениям напряженно-
деформированного состояния конструкций, изменению предусмотренной
проектом расчетной схемы отдельных конструктивных элементов. Для обеспечения необходимой надежности трещины должны тщательно заделываться
с обеспечением совместной работы разделенных трещиной частей. Невыпол-
69
нение данных мероприятий, помимо снижения тепло-, звуко-, влаго- изолирующей способности ограждающих стен, может приводить к перегрузке конструкций и образованию новых трещин даже при отсутствии дополнительных осадок фундаментов;
5.
Металлические накладки не способны обеспечить надежность кон-
струкции при действии срезающих и растягивающих усилий в кладке от неравномерных осадок. Для восприятия данных усилий следует применять в
качестве элементов усиления железобетонные шпонки;
6.
Разработан алгоритм расчета, в котором подбор арматуры в железобе-
тонной шпонке производится из условия прочности сечения на растяжение
(сжатие) с изгибом и на срез;
7.
Основной принцип размещения элементов усиления заключается в рас-
положении их параллельно главным растягивающим усилиям. При этом в
них могут возникать усилия сжатия. Армировать шпонки рекомендуется
двумя рядами арматуры с обеспечением максимального плеча внутренней
пары сил. При назначении длины шпонки необходимо учитывать минимальные конструктивные требования по анкеровке арматуры.
Выбор метода оптимального решения при усиления кирпичной кладки носит
комплексный характер и является сложной инженерной задачей. Исследования в
области влияния дефектов на кирпичную кладку, методов усиления и способов их
моделирования не окончательны, особенно в части изучения работы методов усиления, в связи с чем данная тема представляет собой перспективное направление
исследований.
70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Онищик Л.И. Прочность и устойчивость каменных конструк-
ций//ОНТИ. 1937 г. – 294 с.
2.
Артюшин Д.В., Шумихина В.А. Экспериментально-аналитические ис-
следования сопротивления каменной кладки сжатию// Региональная архитектура и строительство 2015 №3. с.62-67.
3.
Деркач В.Н., А.В. Галалюк. Исследование модуля упругости каменной
кладки из керамических и силикатных кладочных материалов// Вестник Полоцкого Государственного университета. Серия F: Строительство 2010 №12,
с.77-81.
4.
Зубков С.В., Улыбин А.В., Федотов. С.Д. Исследование механических
свойств кирпичной кладки методом плоских домкратов // Инженерно-строительный журнал, №8.2015. с.20-29.
5.
Radovanovic Z., Grebovic R., Dimovska S., Serdar N., Vatin N., Murgul V.
(2014). Testing of the mechanical properties of masonry walls – Determination of
Comprassive strength. Applied Mechanics and Materials 2015 vol.725-726
pp.410-418.
6.
Пангаев В.В., Федоров А.В. Физико-математическое моделирование
напряженно-деформированного состояния каменной кладки зданий и сооружений. 22-я Всероссийская конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности 2011.
7.
Пангаев В.В. Модельные исследования напряженно-деформирован-
ного состояния каменной кладки при сжатии // Изв. Вузов. Строительство. 2003. - №2. - С. 24-29.
8.
Пангаев В.В. Развитие расчетно-экспериментальных методов исследо-
вания прочности кладки каменных конструкций. Дис. д.т.н. Новосибирск.
2009.- 257 с.
9.
Кабанцев О.В. Дискретная модель каменной кладки в условиях двух-
осного напряженного состояния // Вестник ТГАСУ №4, 2015 с. 113-130.
71
10.
Кабанцев О.В. Деформационные свойства каменной кладки как разно-
модульной кусочно-однородной среды// Проектирование, строительство и
реконструкция сейсмостойких зданий и сооружений №4, 2013. С.36-40.
11.
Кабанцев О.В. Частные критерии прочности каменной кладки для ана-
лиза упругоплатических деформирования// Проектирование, строительство и
реконструкция сейсмостойких зданий и сооружений №3, 2013.
12.
Кабанцев О.В. Экспериментальные исследования несущей способно-
сти каменной кладки с трещинами при их инъецировании цементным раствором по разрядно-импульсной технологии// Вестник МГСУ 2/2011. с.127-135.
13.
Кабанцев О.В. Научные основы структурной теории каменной кладки
для оценки предельных состояний каменных конструкций сейсмостойких
зданий/ Дис.д.т.н Москва. – 2016 г.
14.
Деркач В.Н. Анизотропия деформационных свойств каменной кладки.
// Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование. —
2011. — № 1 (117) .— С. 201-207
15.
Ласьков Н.Н., Подогова В.И. Схемы разрушения каменной кладки и
условия их наступления// Эффективные строительные конструкции: сборник
статей XVI Международной научно-технической конференции. Пенза. Приволжский Дом знаний, 2016. с.3-8.
16.
Лихачева С.Ю., Кожанов Д.А. Моделирование диаграммы деформиро-
вания каменной кладки с применением системы ANSYS. Фундаментальные
и прикладные проблемы механики, математики, информатики: Сборник докладов всероссийской научно-практической конференции с международным
участием (г. Пермь, 26-28 мая 2015 г.)/гл. ред А.П. Шкарапута. Пермский государственный исследовательский университет. Пермь, 2015.
17.
Жигарева Е.Р., Ли А.В. Моделирование трещинообразования в кирпич-
ных зданиях в программном комплексе ЛИРА// Известия вузов. Строительство. 2013 №2-3. с. 94-102.
72
18.
Лихачева С.Ю. Численное моделирование процессов деформирования
и разрушения сред с регулярной структурой// Вестник МГСУ 2011 №2. с.
158-162.
19.
Капустин С.А., Лихачева С.Ю. Моделирование процессов деформиро-
вания и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой.
Н.Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2012. 96
20.
Блохина Н. С. Проблема расчета строительных конструкций с учетом
физической нелинейности и анизотропных свойств материала // Интернетвестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2014. Вып. 2(33). Ст. 12.
21.
Блохина Н. С., Воронов А. Н. О применении технической деформаци-
онной теории пластичности к расчету каменных конструкций // Строительная
механика и расчет сооружений.1985. № 6. С. 20—23.
22.
Соколов Б.С., Антаков А.Б. Результаты исследований каменных и ар-
мокаменных кладок // Вестник МГСУ. 2014. № 3. с. 99—106.
23.
Гринев В.В., Гринев В.Д., Атрахимович В.И. Влияние геометрических
характеристик на прочность каменной кладки// Наука та прогрес транспорту,
2007, 15. с.179-182.
24.
Курлапов Д.В., Родионов А.В., Валеев Р.М. Инъецирование как метод
усиления
каменных
конструкций//Инженерно-строительный
журнал
№3.2009. с. 17-21.
25.
Лузгин Роман Юрьевич. Технология усиления каменных кладок ста-
ринных построек / Дис. к.т.н. Новосибирск – 2007 г.
26.
ЦНИИСК им. Кучеренко. Рекомендации по усилению каменных кон-
струкций зданий и сооружений. Москва. 1984 г. – 39с.
27.
Калинин А.А. Обследование, расчет и усиление зданий и сооружений:
учебное пособие / Издательство Ассоциации строительных ВУЗов. Москва
2004, 160 с.
28.
Прядко Н.В. Обследование и реконструкция жилых зданий/ Макеевка
2006г. – 3с.
73
29.
Серов А., Орлович Р., Морозов И. Мониторинг в каменных зданиях:
современные методы// Архитектура, дизайн и строительство, Санкт-Петербург – 2009 г. - № 1 – с.62-53.
30.
Орлович Р., Мантегацца Д., Найчук А., Деркач В. Современные спо-
собы ремонта и усиление каменных конструкций // Архитектура, дизайн и
строительство, Санкт-Петербург – 2010 г. - № 1 – с.86-87.
31.
Белов В.В. Экспертиза и технология усиления каменных конструкций
// Magazine of civil emgineering №7, 2010 – с. 18.
32.
Костенко А.Н. Прочность и деформативность центрально и внецен-
тренно-сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и
стекловолокном //Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук, М.: 2010 29 с.
33.
Robert G. Drysdale, Ahmad A. Hamid Masonry structures behavior and de-
sign. Poland: The masonry society, 2011. 530 с.
34.
Robert G. Drysdale, Ahmad A. Hamid Masonry structures behavior and de-
sign. Poland: The masonry society, 2013. 480 с.
35.
Meichsner, H.: Spiral anchors for repair of a laying Calculation and de-
sign.Stuttgart// Publishing house. Frauenhofer IRB. 2009. №3. С.226-236.
36.
Павлова М. О, Современные исследования и разработки способов ре-
монта, реконструкции, реставрации и мониторинга в России и в Европе //
Технология строительства, М.:2009. №3. С. 21-23.
37.
Иванов Ю.В. Реконструкция зданий и сооружение: усиление, восста-
новление, ремонт.- М., 2012 – 312 с.
38.
СТО НОСТРОЙ. Восстановление и повышение несущей способности
кирпичных стен, Москва 2013 – 42с.
39.
Рекомендации по восстановлению и усилению полносборных зданий
полимеррастворами – Москва Стройиздат 1990 – 44с.
40.
СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. г.Москва – 212с.
41.
Онищик, Л. И. Каменные конструкции. М.: Стройиздат, 1939. 412 с
74
42.
Онищик Л.И. Теория прочности каменной кладки на эксперименталь-
ной основе // Экспериментальные исследования каменных конструкций. –
М.: Стройиздат. 1939
43.
Поляков С.В., Филевич Б.Н. «Проектирование каменных и крупнопа-
нельных конструкций», Москва, 1966г.
44.
Поварницын Д.А. Совершенствование вычислительной технологии
оценки безопасности зданий и сооружений, несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций. Дис.канд.т.н. Пермь, 2007г. 168с
45.
Беспалов В.В., Зимин С.С. Прочность каменной кладки сводчатых кон-
струкций // Строительство уникальных зданий и сооружений. Санкт-Петербург – 2016г. - №11 – с. 62-53
46.
Mann W, Műller H. Bruchkriterien fűr querkraftbeanspruchtes Mauerwerk
und ihre Anwendung auf gemauerte Windschscheiben. Die Bautechnik, 1973
47.
Yokel F.Y. and Fattal S. G. Failure hypothesis for masonry shear walls. J.
Str. Div. Proc. ASCE, 1976
48.
Hamid A. A, Drysdale R. G. Proposed failure criteria for concrete block ma-
sonry under biaxial stresses. J. Struct. Div. Proc. ASCE, 1981
49.
Ganz H.R, Thűrlimann B. Versuche an Mauerwerkscheiben unter Nor-
malkraft und Querkraft. ETH Bericht 7502-3,1982 ; Zurich, Switzerland
50.
Page A. W. The biaxial compressive strength of brick masonry. Proc. Ins.
Civ. Engrs. 1981
51.
Page A. W. The strength of brick masonry under biaxial compression-ten-
sion. Inter J. Masonry Constr., 1983
52.
Гениев Г.А., Курбатов А.С., Самедов Ф.А. Вопросы прочности и пла-
стичности анизотропных материалов. ИНТЕРБУК. Москва.- 1993г.
53.
Zucchini A., Lourenço P. B. (2002). A micro-mechanical model for the ho-
mogenisation of masonry. International Journal of Solids and Structures. No. 39.
pp. 3233-3255.
54.
Zucchini, A., Lourenço, P.B. (2004). A coupled homogenisation-damage
model for masonry cracking. Computer and Structures. No. 82. pp. 917-929.
75
55.
Деркач В. Н. Каменное заполнение каркасных зданий: прочность, жест-
кость и силовое взаимодействие с каркасом. Дис. д.т.н. Брест, 2016. 260 с.
56.
Деркач, В. Н., Орлович Р. Б. Методы повышения трещиностойкости ка-
менных перегородок, возводимых на железобетонных перекрытиях // Строительство и реконструкция. 2012. № 4 (42). С. 36-40.
57.
Деркач, В. Н., Орлович Р. Б. Прочность каменной кладки на срез по
неперевязанным сечениям // Строительство и реконструкция. 2010. № 3. С. 713.
58.
Орлович Р.Б., Найчук А.Я., Деркач В.Н. Анизотропия прочности ка-
менной кладки из кладочных элементов с щелевыми вертикальными пустотами // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. №3. С. 35–38.
59.
Гениев Г. А. О критерии прочности каменной кладки при плоском
напряженном состоянии // Строительная механика и расчет сооружений.
1979. № 2. С. 7-11.
60.
Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций
(к СНиП II-22-81). г.Москва. 1989.
61.
СТ СЭВ 384-76 Строительные конструкции и основания. Основные по-
ложения по расчету
62.
Черных О.А. Прочность и деформативность каменных столбов, уси-
ленных предварительно напрягаемыми металлическими обоймами: диссертация ... кандидата технических наук: - Алчевск, 1993. - 176 с.
63.
Поляков С.В. Каменная кладка в каркасных зданиях – М. Гос.изд-во
лит. по стр-ву и арх-ре, 1956 – 189с.
64.
Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела – М. Наука, 1977
– 406с.
65.
Kindracki, J. Nosnosc scian ceglanych w strefie otworow okienych – Cli-
wice, 1999 – 127s
76
66.
Лазовский Д.Н. Хаткевич А.М. Расчёт сопротивления сжатию камен-
ных и армокаменных элементов с учетом физической нелинейности // Вестник Полоцкого государственного университета. Новополоцк. 2017г. №16 с.41-50
67.
Page,A.W.Finite element model for masonry/A.W.Page//Jornal Structural
Division/Proceedings of American Society of Civil Engineering - 1978
68.
Ali, S.S. Finite element model for masonry subjected concentrated
loads/S.S. Ali, A.W.Page// Proceedings of American Society of Civil Engineering:
jornal Structural Divivsion – 1990
69.
Сhriostrini, S.A. Vignoly, Application of a numerical method to study ma-
sonry panels with varios geometry under seismic loading/S.A. Chiostrini//Strema89-Florence, 1989
70.
Ignatkis, C. Analytical model for masonry using the finite element
model/C.Ignatkis, E.Stravrakakis, G.Penelis // Structural repair and maintenance of
historical buildings.-Basel, 1989 – P.511-523
71.
Beranek, W.J. Modelling of masonry as an assemblage of spheres on various
scales/W.J.Beranek, Hobbelman//Proceedings 10IB2, July 1994-Calgary, 1994
72.
Rots, J.G. Computer simulation of masonry fracture: continuum and discon-
tinuum models/ J.G. Rots// Proceeding of International symposium on thecomputer
methods in structural masonry – Swansea, 1991
73.
Ewing, R.D. FEM/1.A finite element computer program for the nonlinear
analysis of reinforced masonry building components/R.D. Ewing, A.M. EI-Mustapha, J.C. Kariotis//Draft report, EKEH.-Rancho Palos Vedes, CA, 1987
74.
Masiani, R. Masonry as structural continuum / R.Masiani, N. Rizzi, P.
Trovalusc// Meccanica – 1995
75.
Lourenço P.B. computational strategies for masonry structures - engenheiro
civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,geboren te Porto, Portugal – 1996
76.
СП 15.13330.2012 Каменные и армокаменные конструкции. Актуали-
зированная редакция СНиП II-22-81*. Москва. 2012г.
77
77.
Карзов Г. П., Марголин Б. 3., Швецова В. А. Физико-механическое мо-
делирование процессов разрушения— СПб.: Политехника, 1993. — 391 с.
78.
Кашеварова, Г.Г. Натурные и численные эксперименты, направленные
на построение зависимости напряжения от деформации кирпичной кладки /
Г.Г. Кашеварова, М.Л. Иванов // Приволж. науч. вестн. – 2012. – № 8 (12). –
С. 10–15.
79.
СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редак-
ция СНиП 2.01.07-85*. М.. 2018г.
80.
Ю. В. Зайцев, Г. Э. Окольникова, В. В. Дорки. Механика разрушения
для строителей / Издательство НИЦ ИНФРА-М. Москва 2016, 216 с
81.
СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основ-
ные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003