CC BY
1УДК 693.2
Нугман Н.Б.
магистрант 1 курса ОП «Строительство» Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан)
АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ КЛАДКИ СТЕН
Аннотация: в данной научной статье проводится комплексный анализ механических свойств каменной кладки стен. Основное внимание уделяется идентификации ключевых факторов, влияющих на прочность, устойчивость к внешним воздействиям и долговечность каменной кладки. Использование современных методов испытаний, включая неразрушающие технологии, позволяет получить точные данные о состоянии кладки. На основе анализа литературных источников и проведенных исследований предлагаются рекомендации по повышению эксплуатационных характеристик и восстановлению каменной кладки.
Ключевые слова: каменная кладка, механические свойства, прочность на сжатие, неразрушающие методы, долговечность, реставрация.
Каменная кладка как строительный материал используется на протяжении тысячелетий благодаря своей естественной красоте, долговечности и прочности. Тем не менее, со временем под воздействием окружающей среды и эксплуатационных нагрузок механические свойства каменной кладки могут ухудшаться. Анализ этих свойств необходим для обеспечения безопасности и сохранения исторических зданий.
Каменная кладка, одна из древнейших техник строительства, сыграла ключевую роль в развитии цивилизации, начиная с древнеегипетских пирамид и до монументальных сооружений Древней Греции и Рима, где были совершенствованы техники строительства. В средневековье её использовали для создания готических соборов и замков, демонстрируя великолепие и мастерство.
Эпоха Возрождения возродила интерес к античным традициям в архитектуре, что отразилось в изысканности каменных сооружений. Несмотря на появление новых строительных материалов во время промышленной революции, каменная кладка сохранила свою значимость, адаптируясь к современным требованиям и продолжая быть важной частью нашего культурного и архитектурного наследия [1,4].
Цель исследования механических свойств каменной кладки включает в себя как лабораторные методы, так и неразрушающие технологии. Среди них -ультразвуковая диагностика, радиография, термография и другие. Эти методы позволяют оценить не только прочность кладки, но и выявить скрытые дефекты, такие как трещины, пустоты и области сниженной адгезии [2].
Ключевыми факторами, влияющими на механические свойства каменной кладки, являются тип используемого камня, качество кладочного раствора, а также условия окружающей среды, включая влажность, температурные перепады и биологическое поражение. В статье подробно рассматриваются механизмы деградации кладки под воздействием этих факторов и предлагаются способы их минимизации.
Основным показателем качества каменной кладки является её прочность на сжатие, которая напрямую зависит от типа камня, используемого в кладке, и качества кладочного раствора. Прочность на сжатие определяется по стандартным методикам и позволяет оценить способность кладки выдерживать нагрузки без разрушения. Вместе с тем, важным параметром является и деформативность каменной кладки, характеризующая её способность деформироваться под действием нагрузок без потери несущей способности. Это свойство особенно значимо для оценки поведения исторических зданий, подвергающихся длительным нагрузкам [3].
Современные методы оценки состояния каменной кладки включают в себя не только стандартные испытания на прочность, но и неразрушающие методы, такие как ультразвуковая диагностика и радиография. Эти методы позволяют получить детальную картину внутреннего состояния кладки, выявить
скрытые дефекты и области потенциального разрушения. Кроме того, применяются методы визуального осмотра и лазерного сканирования, позволяющие оценить геометрические параметры и общее состояние поверхности кладки.
Технология кладки, включая методы и последовательность укладки камней, играет критическую роль в обеспечении прочности и устойчивости стены. Например, перевязка швов (смещение вертикальных швов между рядами камней) способствует равномерному распределению нагрузок и повышению общей устойчивости кладки. Качество работы мастера, точность соблюдения размеров швов и равномерность распределения раствора также непосредственно влияют на механические характеристики каменной кладки [5].
Детальный анализ морфологических и физических свойств камня, таких как зернистость, пористость, водопоглощение и цикличность замерзания-оттаивания, предоставляет важную информацию о его поведении под нагрузкой и влиянии окружающей среды. Изучение этих свойств позволяет определить наиболее подходящие типы камня для конкретных условий эксплуатации и климатических зон [6].
Рисунок 1. Стадии работы кладки при сжатии.
Применение микроструктурного анализа с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и других методов позволяет изучить внутреннее строение каменной кладки на микроуровне. Это дает возможность выявить скрытые дефекты, оценить качество связи между камнем и раствором, а также определить изменения в структуре материалов, вызванные внешними воздействиями или старением [7].
Разработка компьютерных моделей каменной кладки и применение методов численного моделирования, таких как метод конечных элементов (МКЭ), способствуют более точному прогнозированию поведения кладки под нагрузками. Это позволяет оптимизировать конструкционные решения, учитывая специфику материалов и предполагаемые условия эксплуатации.
В регионах с высокой сейсмической активностью особое внимание уделяется изучению устойчивости каменной кладки к землетрясениям. Исследования в этой области включают анализ поведения исторических зданий при сейсмических событиях, разработку методов укрепления и повышения сейсмостойкости существующих конструкций, а также разработку
рекомендаций по проектированию новых зданий с учётом сейсмической устойчивости [8].
Изучение исторических зданий, переживших землетрясения, позволяет специалистам выявлять уязвимые элементы конструкций и понимать, какие именно механические свойства каменной кладки наиболее важны для обеспечения сейсмостойкости [9,10]. На основании этих данных разрабатываются методики укрепления существующих зданий, включая такие решения, как введение армирования, использование специальных строительных смесей для повышения прочности кладки и интеграция систем гасения колебаний.
Особое внимание в исследованиях уделяется разработке рекомендаций и нормативов для проектирования новых зданий в сейсмоопасных регионах. Это включает оптимизацию архитектурных форм, выбор материалов с подходящими механическими характеристиками, а также применение современных технологий строительства, которые повышают общую сейсмическую устойчивость каменной кладки [11].
Прогресс в области материаловедения и инженерии также способствует развитию новых композитных материалов и усовершенствованных методов кладки, которые обеспечивают лучшую сейсмическую устойчивость [12]. Инновационные подходы, такие как использование сеток из волоконно-армированных полимеров и системы предварительного напряжения в кладке, позволяют значительно повысить деформационную способность и энергопоглощающие свойства стеновых конструкций [13].
В результате проведенного анализа механических свойств каменной кладки можно сделать несколько ключевых выводов, которые имеют значительное практическое и теоретическое значение.
Во-первых, было установлено, что механические свойства каменной кладки значительно зависят от типа используемого камня, качества раствора, методики кладки и условий эксплуатации. Эти факторы определяют прочность,
долговечность и устойчивость каменной кладки к внешним воздействиям, таким как нагрузки, влага и температурные колебания.
Вторым важным выводом является то, что современные методы исследования, включая микроструктурный анализ и компьютерное моделирование, позволяют с высокой степенью точности предсказать поведение каменной кладки в различных условиях и под различными нагрузками. Это открывает широкие возможности для оптимизации строительных и реставрационных технологий, повышения надежности и долговечности каменных конструкций.
Третий ключевой момент заключается в том, что устойчивость каменной кладки к сейсмическим воздействиям может быть значительно улучшена за счет использования специальных методов укрепления и выбора оптимальных строительных решений. Это особенно важно для регионов с высокой сейсмической активностью и для сохранения исторических зданий и сооружений.
Обобщая проведенный анализ, можно сделать вывод, что дальнейшее изучение механических свойств каменной кладки является перспективным направлением в области строительной инженерии и реставрации. Необходимо продолжить разработку и внедрение инновационных материалов, технологий и методов исследования, чтобы повысить прочность, устойчивость и долговечность каменных конструкций. Важно также учитывать исторический и культурный контекст при работе с объектами наследия, сохраняя их историческую ценность и внешний вид.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Binda, L., Cantini, L., "Diagnostic investigation of historic masonries: A review," Journal of Cultural Heritage, Vol. 20, pp. 661-671, 2016;
2. EN 772-1:2011+A1:2015, Methods of test for masonry units - Part 1: Determination of compressive strength, European Committee for Standardization, Brussels, 2015;
3. Руднов, В.С., Доманская, И.К. (ред.) и др. Строительные материалы и изделия: учебное пособие. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2018. 204 с;
4. Valek, J., Hughes, J.J., "Historic mortars: Advances in research and practical conservation," Materials and Structures, Vol. 45, No. 6, pp. 905-918, 2012;
5. Zeljka R., Radmila S., Sretena D., Nina S., Nikolai V., Vera M. (2015). The Mechanical Properties of Masonry Walls - Analysis of the Test Results. Procedia Engineering, 117, 865-873;
6. Davorin P., Ivan R., Goran G., Vladimir S. (2011). Mechanical properties of masonry as required for the seismic resistance verification. Technical Gazette, 18(2), 273-280;
7. Maria R., Luigia A., Claudio M. (2005). Mechanical behaviour of historic masonry structures strengthened by bed joints structural repointing. Construction and Building Materials 19(1), 63-73;
8. Marco C., Antonio B., Andrea V. (2002). Strengthening techniques tested on masonry structures struck by the Umbria-Marche earthquake of 1997-1998. Construction and Building Materials 16(4), 229-239;
9. Dina F., Elena S. (2003). Definition of Collapse Mechanisms and Seismic Vulnerability of Historic Masonry Buildings. Earthquake Spectra 19(3);
10. Hendry, A.W. (1998) Structural Masonry. 2nd Edition, Macmillan Press, London. http://dx.doi.org/10.1007/978-1 -349-14827-1;
11. Caddemi S., Ivo C., Francesco C., Bartolomeo P. (2014). The Seismic Assessment of Historical Masonry Structures;
12. Calio, I., Marietta, M. And Panto, B. (2012). A new discrete element model for the evaluation of the seismic behaviour of unreinforced masonry buildings. Engineering Structures 40 (2012) 327-338;
13. Panto, B, (2007). "The seismic modeling of masonry structure, an innovative macro-element approach." University of Catania, PhD Thesis in Structural Engineering, in italian.
Nugman N.B.
Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
ANALYSIS OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF MASONRY WALLS
Abstract: article discusses the mechanical properties of masonry walls, including compressive strength, bending strength and frost resistance. The main factors influencing these properties are analyzed, such as the type of stone, the quality of the mortar, the masonry technology and operating conditions. Based on the analysis, recommendations for improving the mechanical properties of masonry are proposed.
Keywords: masonry, mechanical properties, compressive strength, frost resistance, mortar, masonry technology.
