CC BY
46
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 693.22:624.04
ЮЩУБЕ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
ПОДШИВАЛОВ ИВАН ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, ivanpodchivalov@list. ru
САМАРИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ канд. техн. наук, доцент, sdgsamara@mail. ru
ФИЛИППОВИЧ АННА АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, annafilich@mail. ru
ШАЛГИНОВ РОМАН ВАЛЕРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
УСТЮЖАНИН ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ инженер, uvl@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ФРАГМЕНТОВ КЛАДКИ НАРУЖНЫХ СТЕН ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО КАМНЯ
Настоящая работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния фрагментов каменной кладки наружных несущих стен при их статическом нагружении. Наружные стены жилого дома были выполнены двухслойными из керамического облицовочного кирпича и пустотелого керамического камня. В результате проведенных исследований установлены характеристики каменной кладки двумя способами: путем испытания отдельных образцов керамического кирпича, камня и кладочного раствора (по нормативной литературе) и по испытаниям фрагментов кладки наружных стен. Сопоставление и анализ полученных результатов позволили оценить прочность кладки при сжатии и установить фактический запас по несущей способности наружных стен здания жилого дома.
Ключевые слова: керамический камень; фрагмент каменной кладки; прочность кладки при сжатии; напряженно-деформированное состояние.
SERGEY V. YUSHCHUBE, PhD, A/Professor, [email protected]
IVAN I. PODSHIVALOV, PhD, A/Professor, [email protected]
© Ющубе С.В., Подшивалов И.И., Самарин Д.Г., Филиппович А.А., Шалгинов Р.В., Устюжанин В.Л., 2017
DMITRIY G. SAMARIN, PhD, A/Professor, sdgsamara@mail ru
ANNA A. FILIPPOVICH, PhD, A/Professor, [email protected]
ROMAN V. SHALGINOV, PhD, A/Professor, [email protected]
VLADIMIR L. USTYUZHANIN, Engineer, [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
EXPERIMENTAL RESEARCH OF STRESS-STRAIN STATE OF CERAMIC BRICK MASONRY FRAGMENTS
This paper presents research of stress-strain state of exterior wall masonry fragments under static loading. The exterior walls of a residential building are made of two layers, namely lining ceramic brick and hollow tile. As a result of experiments the properties of masonry are determined using two methods: testing of ceramic brick, hollow tile, and masonry mortar (according to the standard literature) and testing of masonry fragments of exterior walls. A comparative analysis of obtained results allow estimating the masonry strength under compression and detect the safety factor of exterior walls of the building.
Keywords: ceramic brick; masonry fragment; compressive strength; stress-strain state.
В последние годы рынок строительных материалов представляет огромное разнообразие керамических изделий (кирпича, камня и др.), что позволяет широко применять их в строительстве. При возведении стен зданий используют многопустотный керамический камень. Его применение позволяет улучшить теплотехнические свойства стен, не используя утеплитель. Кратность размеров керамического камня дает возможность сочетать его с облицовочным кирпичом. Прочность каменной кладки при сжатии зависит от ряда факторов, но решающее значение оказывают прочность камня и раствора, его форма и размеры. Разрушение кладки при сжатии, выполненной из многопустотных керамических камней, имеет хрупкий характер разрушения1. В нормативных источниках отсутствует информация по ограничению высоты стен из многопустотного керамического камня, и работа такой кладки под нагрузкой изучена недостаточно [1-5].
В настоящей статье приведены результаты исследований характеристик каменной кладки двумя способами: путем испытания отдельных образцов керамического кирпича, камня и кладочного раствора (по нормативной литературе) и по испытаниям фрагментов кладки, извлеченных из наружных стен многоэтажного жилого дома в г. Томске [6-9]. Проведение этих исследований было вызвано появлением вертикальных трещин в несущих наружных стенах здания.
Так, при строительстве 12-этажного жилого дома в г. Томске наружные стены были выполнены из пустотелого керамического камня и облицовочного кирпича с пустотностью 42 % на цементно-песчаном растворе2. В наружной
1 Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II -22-81).
2 ГОСТ 530-2007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. Дата введения 2008-03-01. 35 с.
версте кладки использовали облицовочный керамический кирпич размером 250x120x65 мм с девятнадцатью цилиндрическими пустотами. Внутренняя часть стены выполнялась из керамического камня, размер которого в плане соответствует размеру кирпича, а высота равна двойной высоте кирпича с одним швом между ними - 140 мм. В камне семь щелевидных вертикальных пустот толщиной 12 мм. Толщина наружных стен составляла 780-790 мм. Кладка армирована сеткой из проволоки диаметром 4 мм класса В500С с ячейкой 50x50 мм через три ряда камней. Кроме того, использовалась технологическая пластмассовая сетка в горизонтальных швах кладки для исключения попадания раствора в пустоты керамического камня.
В августе 2016 г. из подоконной части наружных стен в жилом доме, расположенном по адресу: г. Томск, пер. Спортивный, 7, были отобраны два фрагмента кладки, армированные сетками (рисунок). Параметры отобранных образцов были сопоставимы с размерами элементов конструкций жилого дома (простенков, столбов) и в целом соответствовали необходимым минимально допустимым параметрам3. Толщина отобранных образцов составляла: 420 мм (образец № 1); 380 мм (образец № 2). База измерения деформаций была равна по высоте и по длине образцов не менее 73 высоты и не менее 72 длины образцов соответственно. В качестве приборов, измеряющих деформации, были использованы индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм.
Образцы фрагментов каменной кладки из подоконной части наружных стен жилого дома: а - образец № 1; б - образец № 2
Предварительно были определены прочностные характеристики материалов кладки путем испытания на сжатие отобранных керамических камней и кирпичей, а также пластин цементно-песчаного раствора [10]. В результате было установлено, что прочность камней в теле кладки и облицовочного кирпича соответствует марке М125, прочность раствора - М100.
Статические испытания на действие центральной сжимающей силы подготовленных образцов фрагментов каменной кладки были проведены на гидравлическом прессе ПР-1000 М. Для обеспечения равномерной передачи нагрузки на нижнюю и верхнюю плоскость фрагментов кладки использовались стальные распределительные пластины. Нагрузка на образцы приклады-
3 ГОСТ 32047-2012. Кладка каменная. Метод испытания на сжатие. Дата введения 2014-01-01. 9 с.
валась ступенями по 8,0 тс. После каждого этапа нагружения поддерживались значения нагрузки на постоянном уровне в течение шести минут для стабилизации деформаций и фиксирования показаний приборов, измеряющих деформации образца. После завершения измерений последнего этапа нагрузка увеличивалась с постоянной скоростью до разрушения образца.
По результатам испытаний, в зависимости от величины возникающих напряжений, в работе образцов каменной кладки были выделены четыре характерные стадии [6, 11]. Первая стадия работы образцов кладки соответствовала напряжениям, возникающим при отсутствии в ней трещин. Переход кладки во вторую стадию работы характеризовался появлением трещин в отдельных кирпичах. Дальнейшее увеличение нагрузки приводило к возникновению новых трещин, которые, объединяясь друг с другом, расслоили кладку на отдельные вертикальные ветви, каждая из которых оказывалась в условиях внецентреннего нагружения - третья стадия работы кладки. Дальнейшее развитие деформаций кладки при определенной нагрузке приводило к разрушению образцов (четвертая стадия работы кладки). По данным литературных источников [12] при использовании жестких цементно-песчаных растворов каменная кладка оказывается достаточно хрупкой. В этом случае среднее отношение продольной силы при появлении первых трещин к разрушающей нагрузке Nр составляет 0,7-0,8.
В ходе испытания образцов № 1 и № 2 первые трещины появились в отдельных элементах кладки соответственно при нагрузке 48 и 56 тс, а разрушение произошло соответственно при нагрузке 96 и 150 тс. Так как отношение ^^^ = 0,37-0,50, то швы из цементно-песчаного раствора в кладке испытанных фрагментов обладают достаточными деформационными свойствами. По нашему мнению, наличие технологической пластмассовой сетки в горизонтальных швах кладки дополнительно к своему прямому функциональному назначению - исключению попадания раствора в пустоты камней - снижает неравномерность растворной постели и сдвигающее воздействие раствора на стенки пустотного керамического камня, что и привело к повышению деформативных свойств испытанных фрагментов кладки и к увеличению уровня фактических напряжений в растворе, при котором появляются первые трещины.
Прочность при сжатии R каждого образца определялась как отношение максимальной нагрузки, которую выдерживает образец, к его площади сечения. Нормативное значение прочности каменной кладки вычислялось по формуле Ru = R/1,2.
Модуль начальной деформации кладки Е0 в испытанных образцах вычислялся как отношение значения напряжений в сечении образца к среднему значению его относительной деформации, определенному по показаниям вертикально расположенных приборов при значении нагрузки, соответствующей 1/3 разрушающей. Модуль деформации кладки принимался равным Е = 0,8 Е0. Основные результаты испытаний образцов приведены в табл. 1.
Механические характеристики каменной кладки при сжатии по нормативной литературе4 при марках: камня и облицовочного кирпича М125 и раствора М100 приведены в табл. 2.
4 СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-22-81*. М., 2012. 48 с.
Таблица 1
Основные результаты испытаний фрагментов каменной кладки
Номер образца Прочность при сжатии R, МПа Нормативное значение прочности при сжатии Ru, МПа Начальный модуль деформаций Е0, МПа Модуль деформаций Е, МПа
Образец № 1 3,11 2,59 1,924 103 1,539-103
Образец № 2 5,07 4,22 2,896 103 2,317103
Таблица 2 Основные характеристики для каменной кладки по нормативной литературе
Вид кладки Расчетное сопротивление сжатию кладки R, Rsk, МПа Временное сопро-тивление(средний предел прочности) сжатию кладки, Ru, Rsku, МПа Начальный модуль деформаций, Е0, МПа Модуль деформаций, Е, МПа
Обычная 1,8 3,6 3,024-103 2,419-103
Армированная сетками 2,86 4,62 3,881 • 103 3,105 • 103
Сравнительный анализ полученных данных по результатам испытаний фрагментов и по нормативной литературе позволяет сделать следующий вывод - прочность кладки при сжатии по результатам испытаний фрагментов в 1,1-1,8 раза больше нормативных значений, а экспериментальные значения модуля деформаций в 1,3-2,0 раза меньше нормативных данных.
Выводы
1. Путем испытания отдельных образцов керамического облицовочного кирпича, камня и кладочного раствора установлено, что прочность камней в теле кладки и облицовочного кирпича соответствует марке М125, прочность раствора - М100. Расчетное сопротивление сжатию армированной кладки составило Rsk = 2,86 МПа, а модуль деформации армированной кладки равен Е = 3,105-103 МПа.
2. Путем испытания двух фрагментов № 1 и № 2 каменной кладки наружных стен установлено, что расчетное сопротивление сжатию кладки R составило 3,11 и 5,07 МПа, а модуль деформации Е - 1,539-10 и 2,317-103 МПа соответственно.
3. Прочность кладки при сжатии по результатам испытаний фрагментов в 1,1-1,8 раза больше нормативных значений, а экспериментальные значения модуля деформаций в 1,3-2,0 раза меньше нормативных данных.
Библиографический список
1. Улыбин, А.В. О методах контроля прочности керамического кирпича при обследовании зданий и сооружений / А.В. Улыбин, С.В. Зубков // Инженерно--строительный журнал. -2012. - № 3. - С. 29-34.
2. Деркач, В.Н. Методы оценки прочности каменной кладки в отечественной и зарубежной практике обследования зданий и сооружений / В.Н. Деркач, Н.М. Жерносек // Вестник Белоруско-Российского университета. - 2010. - № 3 (38). - С. 135-142.
3. Repair and Investignation Techiques for Stone Masonry Walls / L. Brinda [etc.] // Constrac-tion and Bilding Materials. - 1997. - № 11. - P. 133-142.
4. Kabantsev, O. Modeling Nonlinear Deformation and Destraction Masonry under Biaxial Stress. Part 2. Strenht Criteria and Numerical Expiriment / O. Kabantsev // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - P. 808-819.
5. Деркач, В.Н. Экспертиза и технология усиления каменных конструкций / В.Н. Деркач,
B.В. Белов // Инженерно--строительный журнал. - 2010. - № 7. - С. 14-20.
6. Экспериментальные исследования облегченной кладки на центральное и внецентренное нагружение / Ж.С. Нургужинов, Д.Г. Копаница, Ю.Е. Кошарнова, А.М. Устинов, Э.С. Усеинов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2016. - № 2. - С. 107-116.
7. Копаница, Д.Г. Экспериментальные исследования фрагментов кирпичной кладки на действие статической и динамической нагрузки / Д.Г. Копаница, О.В. Кабанцев, Э.С. Усеинов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - № 4. - С. 157-178.
8. Кабанцев, О.В. Влияние уровня нормального сцепления на процесс пластического деформирования каменной кладки в условиях двухосного напряженного состояния / О.В. Кабанцев, Э.С. Усеинов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - № 6. - С. 78-88.
9. Кабанцев, О.В. Учет изменений расчетной схемы при анализе работы конструкции / О.В. Кабанцев, А.Г. Тамразян // Инженерно-строительный журнал. - 2014. - № 5. -
C. 15-26.
10. Орлович, Р.Б. Оценка прочности кладочных растворов при обследовании каменных зданий / Р.Б. Орлович, В.Н. Деркач // Инженерно-строительный журнал. - 2011. - № 7. -С. 3-10.
11. Каменные и армокаменные конструкции. Расчет и конструирование / Д.В. Артюшин, Н.Н. Ласьков, А.В. Туманов, С.А. Болдырев, С.А. Толушов ; под общ. ред. Ю.П. Скач-кова. - Пенза : ПГУАС, 2015. - 116 с.
12. Поляков, С.В. Проектирование каменных и крупнопанельных конструкций / С.В. Поляков, Б.Н. Фалевич. - М. : Госстройиздат, 1960. - 307 с.
REFRRENCES
1. Ulybin A. V., Zubkov S.V. O metodakh kontrolya prochnosti keramicheskogo kirpicha pri ob-sledovanii zdanii i sooruzhenii [Durability Control methods of ceramic brick at building examination]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2012. No. 3. Pp. 29-34. (rus)
2. Derkach V.N., Zhernosek N.M. Metody otsenki prochnosti kamennoi kladki v otechestvennoi i zarubezhnoi praktike obsledovaniya zdanii i sooruzhenii [Russian and international experience in durability assessment of masonry]. Vestnik Belorusko-Rossiiskogo universiteta. 2010. No. 3 (38). Pp. 135-142. (rus)
3. Brinda L. Repair and investigation techniques for stone masonry walls. Construction and Building Materials. 1997. No. 11. Pp. 133-142.
4. Kabantsev O. Modeling nonlinear deformation and destruction masonry under biaxial stress. Part 2. Strength criteria and numerical experiment. Applied Mechanics and Materials. 2015. Pp. 808-819.
5. Derkach V.N., Belov V.V. Ekspertiza i tekhnologiya usileniya kamennykh konstruktsii [Examination and technology of stone structure reinforcement]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2010. No. 7. Pp. 14-20. (rus)
6. Nurguzhinov Zh.S., Kopanitsa D.G., Kosharnova Yu.E., Ustinov A.M., Useinov E.S. Eksperi-mental'nye issledovaniya oblegchennoi kladki na tsentral'noe i vnetsentrennoe nagruzhenie / [Experimental research of hollow masonry under centric and eccentric loads]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2016. No. 2. Pp. 107-116. (rus)
7. Kopanitsa D.G., Kabantsev O.V., Useinov E.S. Eksperimental'nye issledovaniya fragmentov kirpichnoi kladki na deistvie staticheskoi i dinamicheskoi nagruzki [Static and dynamic tests of masonry fragments]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. Pp. 157-178. (rus)
8. Kabantsev O.V., Useinov E.S. Vliyanie urovnya normal'nogo stsepleniya na protsess plastich-eskogo deformirovaniya kamennoi kladki v usloviyakh dvukhosnogo napryazhennogo sos-toyaniya [Plastic deformation of masonry under biaxial stress affected by adhesive strength between brick and mortar]. Vestnik ofTomsk State University of Architecture and Building. 2015. No. 6. Pp. 78-88. (rus)
9. Kabantsev O.V., Tamrazyan A.G. Uchet izmenenii raschetnoi skhemy pri analize raboty kon-struktsii [Changes in design scheme in analyzing structural behavior]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2014. No. 5. Pp. 15-26. (rus)
10. Orlovich R.B., Derkach V.N. Otsenka prochnosti kladochnykh rastvorov pri obsledovanii kamennykh zdanii [Masonry mortar durability assessment at building examination]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal [Magazine of Civil Engineering]. 2011. No. 7. Pp. 3-10. (rus)
11. Artyushin D.V., Las'kov N.N., Tumanov A.V., Boldyrev S.A., Tolushov S.A. Kamennye i armokamennye konstruktsii. Raschet i konstruirovanie [Brick and reinforced brick structures. Strength analysis and design]. Penza: PGUAS Publ., 2015. 116 p. (rus)
12. Polyakov S. V., Falevich B.N. Proektirovanie kamennykh i krupnopanel'nykh konstruktsii [Design of brick and large-panel structures]. Moscow: Gosstroyizdat Publ., 1960. 307 p. (rus)
