CC BY
270
УДК 69.022
В. Н. Деркач, канд. техн. наук, Н. М. Жерносек
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ КАМЕННОЙ КЛАДКИ В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
В статье выполнен анализ методов оценки прочности каменной кладки при сжатии, применяемых в отечественной и зарубежной практике обследования зданий и сооружений, показаны их достоинства и недостатки. Сделан вывод о необходимости внедрения в практику обследования каменных конструкций метода испытаний образцов цилиндров, отобранных из тела конструкции, и метода испытания каменной кладки на сжатие с помощью плоских домкратов (РЫ-1аск-Те818).
Введение
Основной целью выполнения работ при обследовании зданий и сооружений является получение информации, необходимой для оценки технического состояния и несущей способности строительных конструкций. От степени достоверности полученной информации зависит правильность выводов о пригодности конструкций к эксплуатации, а также правильность и экономичность проектных решений по их ремонту и усилению.
Для каменных конструкций одной из важнейших характеристик, по которой производится оценка их эксплуатационной пригодности, является прочность каменной кладки при сжатии. В нормах [1] прочность кладки при сжатии определяется по эмпирической зависимости, предложенной Л. И. Онищиком, для различных сочетаний прочностных характеристик кладочных элементов и раствора:
(
Я — АЯі
\
1 -
а
и Я2
Ь +—2-
2Я1
Y,
(1)
где Яи, Я1, Я2 - пределы прочности при сжатии кладки, кладочного элемента, раствора соответственно, МПа; у - поправочный коэффициент для кладки на низких растворах; А - конструктивный коэффициент, зависящий от вида кладочного элемента,
А — ■
юр + я
100т + пЯ1
а, Ь, т, п - эмпирические коэффициенты, зависящие от вида кладки.
Если прочность кладочного элемента меньше установленной в стандарте, то
1,2
А — -
1 +
Я
где ЯиЬ - предел прочности кладочного элемента при изгибе, МПа.
Нормативное сопротивление сжатию каменной кладки на растворе общего назначения в соответствии с Еврокодом 6 [2] определяют по формуле
г _ ту- />0,7 .0,3
^ к ^Ь J т ’
(2)
где / - нормативное сопротивление сжатию каменной кладки, Н/мм2; К -константа, зависящая от вида кладочного элемента; /ь - приведенное (нормализованное) сопротивление сжатию камня (блока) в направлении нагрузки, Н/мм2; /т - прочность кладочного раствора на сжатие, Н/мм2.
Формула (1) является более универсальной, чем формула (2), поскольку с ее помощью можно оценить прочность каменной кладки при сжатии для нестандартных кладочных элементов, марку которых определить не представляется возможным. Этот случай чаще всего имеет место при обследовании
каменных зданий. В табл. 1 приведены результаты испытаний кирпича, отобранного из стен зданий, возведенных в 60-х гг. прошлого века. В испытанных партиях паспортным данным по марке удовлетворяло только 6...20 % кирпича. Марку кирпича в большинстве испытанных партий установить не удалось.
Формула (2) такую ситуацию не допускает и является справедливой для кладки, выполненной из кладочных эле-
ментов и раствора гарантированного качества. Кроме того, при назначении расчетного сопротивления каменной кладки, в соответствии с [2], необходимо знание уровня контроля выполнения кладочных работ. Если данные сведения отсутствуют, невозможно правильно назначить частные коэффициенты безопасности по материалу (табл. 2), а значит и получить достоверные значения расчетного сопротивления кладки сжатию.
Табл. 1. Результаты испытаний кирпича, отобранного из стен зданий
Дата отбора и испытания кирпича Количество испытанных партий Кирпич, удовлетворяющий паспортным данным марки 100 Кирпич, удовлетворяющий марке 75 Кирпич марки выше 100 Марка кирпича не устанавливалась
1965 г. 56 7 13 4 32
1966 г. 159 35 85 4 35
1967 г. 376 7 42 327
1968 г. 412 27 61 4 320
Табл. 2. Частные коэффициенты безопасности для материала [2]
Ум
Материал Класс выполнения работ
1 2 3 4 5
Кладка из: камней и блоков категории I на кладочном растворе по оценке пригодности 1) камней и блоков категории I на предписанном по рецептуре кладочном растворе 2) камней и блоков категории II ^ 2) 3) 1,5 1,7 2,0 1,7 2,0 2,2 2,0 2,2 2,5 2,2 2,5 2,7 2,5 2,7 3,0
Примечание - 1) - требования к раствору по оценке пригодности установлены в ЕМ 998-2 и ЕМ 1996-2; 2) - требования к раствору по рецептуре установлены в ЕМ 998-2 и ЕМ 1996-2; 3) - если коэффициент вариации блоков по категории II не более 25 %
Анализ методов оценки прочности каменной кладки
В отечественной практике для приближенной оценки прочности кирпича и раствора в кладке при обследовании строительных конструкций применяются приборы неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на методе ударного импульса. В частности, для определения прочно-
сти раствора и строительной керамики часто используется измеритель прочности бетона ИПС-МГ4.01 с энергией удара 0,16 Н-м [3]. Общий вид прибора приведен на рис. 1. Практика обследования показала, что точность определения прочностных показателей кладочных компонентов при сжатии по этой методике невысока. Методом ударного импульса оцениваются прочностные показатели камня и раствора на поверх-
ности кладки, при этом по толщине конструкции данные показатели могут существенно разниться. Кроме того, методом ударного импульса невозможно определить прочность кирпича при изгибе, а значит, и получить достоверные данные о прочности каменной кладки при сжатии. Поэтому данный метод неразрушающего контроля можно использовать только для качественной оценки прочностных показателей кладочных элементов и раствора.
Более информативным методом качественной оценки прочности камен-
ной кладки является метод волны удара [4]. Данный метод основан на зависимости скорости прохождения продольных волн сейсмоакустического диапазона от прочности каменной кладки (табл. 3). На рис. 2 показаны изолинии скоростей прохождения сейсмоакустических волн в сечении кирпичной колонны. По изолиниям можно определить зоны сечения с пониженной прочностью кладки. К сожалению, в отечественной практике обследования каменных зданий указанный метод используется крайне редко.
Рис. 1. Электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4.01
Табл. 3. Качественная оценка нормативной прочности каменной кладки по скоростям прохождения волн сейсмоакустического диапазона частот
Характеристика кладки Нормативная прочность кладки при сжатии Яп, МПа Скорость прохождения сейсмоакустической волны С, м/с
Очень прочная 4 >3000
Прочная 4 СП 2000_3000
Пониженной прочности СП 1500_2000
Низкой прочности 1,5 2 1000_1500
Слабой прочности 1...1,5 500_1000
Очень слабой прочности 0,5 _ 1 <500
Примечание - Для кладки на жестком цементном растворе (без добавления извести или глины) значения прочности, приведенные в табл. 1, следует умножать на коэффициент 0,85. Для кладки на силикатном кирпиче значения прочности, приведенные в табл. 1, следует умножать на коэффициент: 0,7 - при скорости продольной волны меньше 2500 м/с (при отсутствии данных о скорости волны в кирпиче коэффициент вводят при скорости волны в кладке менее 1500 м/с); 0,85 - при скорости продольной волны в кирпиче от 2500 до 3000 м/с (в кладке - от 1500 до 2000 м/с)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Рис. 2. Изолинии скоростей прохождения волн сейсмоакустического диапазона по сечению кирпичной колонны
Количественную оценку прочности кирпича и раствора получают по результатам испытаний отобранных из каменной кладки образцов (разрушающий метод) [5]. Отбор образцов, как правило, производится из ненесущих (под окнами, в проемах) или слабо на-
груженных элементов. Испытания кирпича выполняются по стандартной методике [6] на сжатие и изгиб (рис. 3). Из пластинок раствора, отобранных из горизонтальных швов кладки, готовятся кубики с размером ребра 2_4 см, которые испытываются на сжатие.
Рис. 3. Испытания кирпича керамического: а - на изгиб; б - на сжатие
Достоверность оценки прочности каменной кладки по результатам испытаний, отобранных из конструкции образцов кладочных элементов и раствора
невысока. Обусловлено это, прежде всего, высоким коэффициентом вариации прочностных показателей кладочных элементов. Исследования по определе-
нию фактических прочностных характеристик кирпича, которые были выполнены лабораториями строительных организаций г. Москвы и Московской области в 1980.. .1985 гг., показали их высокую изменчивость. При этом средняя прочность кирпича на сжатие и растяжение практически удовлетворяла требованиям стандартов. Коэффициент вариации прочности кирпича на сжатие составил 30_40 %, на растяжение - около 40 %. Вычисления показали, что прочность кирпича при нормируемых обеспеченностях (0,95_0,995) до 30_40 % ниже средних ее значений на сжатие и до 40.. .50 % - на растяжение [7].
Существенным недостатком данного разрушающего метода является то, что при отборе образцов кирпича и раствора происходит нарушение структуры кладки, вследствие чего невозможно учесть важный показатель, влияющий на ее прочностные характеристики - качество выполнения кладочных работ, или другими словами - «руку каменщика».
Погрешности разрушающего метода определения прочности кладки при сжатии в какой-то мере компенсируют-
ся высоким значением коэффициента надежности по материалу, величина которого, согласно [1], составляет 2.
При оценке нормативной прочности каменной кладки в соответствии с Еврокодом 6 необходимо знание следующих прочностных характеристик ее компонент: приведенного (нормализованного) сопротивления сжатию кладочного элемента; прочности кладочного раствора на сжатие.
Для неразрушающей оценки этих показателей в зарубежной практике чаще всего применяются тестовые молотки Шмидта с энергией удара 0,735 Н-м - для глиняных кирпичей, 0,833 Н-м - для кладочного раствора и легкого бетона (рис. 4). В зависимости от вида испытуемых материалов молотки снабжаются соответствующими шкалами измерений и специальными плунжерами. Принцип действия указанных приборов основан на методе ударного импульса. Поэтому методике определения прочности каменной кладки при помощи молотков Шмидта присущи те же недостатки, что и при использовании измерителя прочности бетона ИПС-МГ4.01.
Рис. 4. Тестовый молоток Шмидта
Для определения фактической прочности кладки в каменных конструкциях, как правило, используются разрушающие методы или методы ее частичного разрушения.
Одним из этих методов является
метод определения прочности кладки при сжатии на образцах - цилиндрах диаметром 150...200 мм, отобранных из тела конструкции. Отбор цилиндров производится с помощью специальных буров, при этом в образцах сохраняется
структура кладки. Испытания образцов кладки производят по схеме, показанной на рис. 5.
Данный метод оценки прочности кладки при сжатии преимущественно используется для кладок из полнотелого кирпича на прочном растворе. При растворах низкой прочности или пустотном
кирпиче возникают сложности с отбором образцов кладки для испытаний.
Наиболее достоверные данные о прочности кладки при сжатии дает метод ее испытаний непосредственно в конструкции с помощью плоского пресса (Б1а1;-1аск-Те818) (рис. 6) [8].
Рис. 5. Схема испытаний образцов кладки на сжатие
Рис. 6. Схема испытаний каменной кладки методом «РІаНаск-ТеБІє»
Плоские плиты пресса (плоские домкраты (рис. 7, а)) устанавливаются в предварительно прорезанные в кладке конструкции горизонтальные щели шириной 20 мм. Сжатию подвергается участок кладки с ненарушенной структурой высотой 400_500 мм (рис. 7, б). В ходе испытаний определяются не только прочностные, но и деформационные характеристики кладки. Нагружение кладки может производиться до определен-
ного уровня напряжений или до полного исчерпания ее несущей способности. Сопротивление кладки сжатию Sf определяется по формуле
Sf= К/ Ка'РГ, (3)
где К и Ка - коэффициенты, учитывающие сдерживающее влияние плит пресса и прилегающей к разрезу кладки меньше 1; Pf - разрушающее давление, создаваемое прессом.
Рис. 7. Оборудование для испытаний каменной кладки методом «РЫ-1аск-Те818»: а - плоские домкраты; б - насосная станция и измерители деформаций
Заключение
Анализ существующих методов оценки прочности каменной кладки при обследовании конструкций показал, что наиболее предпочтительными из них являются разрушающие методы испытаний образцов цилиндров, отобранных из тела конструкции, или метод испытания каменной кладки на сжатие с помощью плоских домкратов (Б1а1;-1аск-ТеБ1Б). Данные методы испытаний следует внедрять в практику обследования каменных зданий на территории Республики Беларусь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 11-22-81*. Каменные и армока-менные конструкции. - М. : Стройиздат, 1983. -40 с.
2. СТБ £N/1996-1-1-2008. Проектирование каменных конструкций. Ч. 1-1 : Общие правила для армированных и неармированных каменных конструкций. - М. : Стройтехнорм, 2008. - 127 с.
3. Электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4.01. Руководство по эксплуатации. - Челябинск : СКБ Стройприбор, 2007. -49 с.
4. Алешин, Н. Н. Электросейсмоакусти-ческие методы обследования / Н. Н. Алешин. -М. : Стройиздат, 1982. - 157 с.
5. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения прочности при сжатии и изгибе. - М. : Госстрой СССР, 1985. - 8 с.
6. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. - М. : ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, 1988. - 57 с.
7. Райзер, В. Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций / В. Д. Райзер. - М. : АСВ, 1995. - 344 с.
8. Repair and Investigation Techniques for Stone Masonry Walls / L. Binda [etc.] // Construction and Bilding Materials. - 1997. - № 11. -
S. 133-142.
Филиал Республиканского унитарного предприятия «Институт БелНИИС»
Научно-технический центр Материал поступил 23.03.2010
V. N. Derkach, N. M. Zhernosek Methods of estimating the durability of stone masonry in domestic and foreign practices of inspection of buildings and structures
The paper analyzes the methods of estimating the durability of stone masonry under compression which are used in this country and abroad for the inspection of buildings and structures, their advantages and disadvantages being shown. The conclusion is made that the method of testing cylinder samples taken from the body of the structure should be introduced in the masonry inspection, and also the method of masonry compression testing by means of flat jacks.
