CC BY
95УДК 692:624.04
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ КАМЕННОЙ КЛАДКИ НА ПК «ЛИРА-САПР»
Богуцкий Ю. Г.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение)
ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, ул. Павленко, 3, корпус 2, к. 403 е-mail*: [email protected]
Аннотация. Статья посвящена проблеме моделирования усиления каменной кладки стальной обоймой из уголков на ПК «ЛИРА-САПР». Основным методом исследований является численный анализ каменной кладки, верифицированный физическим экспериментом. Было рассмотрено несколько вариантов моделирования усиления каменной кладки.
Ключевые слова: каменная кладка, усиление, стальная обойма, верификация, ПК «ЛИРА-САПР», конечный элемент, физический эксперимент.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее распространенной причиной разрушения каменных зданий в результате сейсмического воздействия являются главные растягивающие напряжения. Основной задачей является усиление кладки для восприятия главных растягивающих напряжений. Одним из вариантов усиления узких простенков является стальная обойма, которая воспинимает до 15% горизонтальной силы в простенке. Выполняя расчет пространственной модели здания или сооружения, получаем напряженно-
деформированное состояние каменной кладки, вертикальные и горизонтальные усилия. Если прочность каменой кладки простенков не обеспечена, то необходимо предложить усиление, а как правильно его смоделировать - это вопрос. Усиление и усиливаемая конструкция должны работать параллельно. При последовательной работе сначала большая часть нагрузки будет передаваться на усиливаемую каменную кладку, которая воспринять ее не может, а после разрушения кладки вся нагрузка действует на усиление, которое также не может ее воспринять. Наступает полное разрушение кладки. В связи с этим необходимо изучить работу усиленного простенка и создать методику расчета.
Предметом исследования данной статьи является напряженно-деформированное состояние усиленной каменной кладки.
Объект исследования - каменная кладка.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ
Исследования прочности и деформаций кладки из пильного известняка при центральном сжатии производили с камнями карьеров Крыма, Азербайджана, Украины, Молдавии, Узбекистана и других месторождений. Каждый из исследователей предлагал свою методику оценки напряженно-деформированного состояния и усиления каменных зданий на примере простенков различного сечения. Существует несколько способов усиления каменной кладки: стальная обойма, железобетонная обойма, обойма из раствора, обойма из композиционных материалов и т.д. [4,5,6,7]. Но нет четкой методики моделирования усиления каменной кладки стальной обоймой на ПК «ЛИРА-САПР».
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цели исследования - смоделировать адекватную расчетную конечно-элементную модель каменной кладки, усиленную стальной обоймой из прокатных уголков, соединенных пластинами.
Задачи исследования:
1. Выполнить анализ результатов натурного испытания не усиленной каменной кладки.
2. Создать и выполнить расчет конечно-элементной модели не усиленной каменной кладки из объемных конечных элементов на ПК «ЛИРА-САПР», и сопоставить результаты с натурным испытанием.
3. Создать и выполнить расчет нескольких конечно-элементных моделей усиленной каменной кладки из объемных конечных элементов на ПК «ЛИРА-САПР», и сопоставить результаты с теоретическими предпосылками.
4. Разработать рекомендации по расчету усиления каменных простенков, усиленных стальной обоймой на ПК «ЛИРА-САПР».
Основной раздел с результатами и их анализом
Для моделирования не усиленной каменной кладки взяты материалы результатов натурных испытаний каменной кладки при центральном сжатии [1]. Испытания проводились на образцах кладки сечением 0,4х0,4 м высотой 1,05 м, выполненные из материалов крымского природного происхождения со следующими характеристиками составляющих кладки: прочность камня R1=50 кг/см2, прочность раствора Я2=10 кг/см2 (рис. 1).
4
-22
— 24 у 40
о
39
Рис.1. Образец каменной кладки, Рис.2. Развертка каменного образца. Схема размещения подготовленный к испытанию измерительных приборов
В качестве нагружающих устройств применялся гидравлический пресс П-250 с максимальным сжимающим усилием 250 тс. Контроль давления в гидравлический системе выполнялся по силоизмерительному устройству со шкалой до 250 т и ценой деления 500 кг. В измерительной системе основными элементами для контроля перемещения фиксированных точек образца были применены индикаторы часового типа ИЧ-10 (8 шт.), индикаторы многооборотные МИГ-1 (8 шт.) и прогибомеры 6ПАО (4 шт.), всего 20 шт. Индикаторы крепились непосредственно к каменному столбу. Измерительная система позволяла контролировать абсолютные перемещения в сорока точкахэкспериментального образца по направлениям основных осей координат, принятыхв эксперименте как показано на рис. 2.
В данной статье для анализа взяты результаты по контрольным точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, которые определяли перемещения по оси 2, т.е. вдоль экспериме нтального образца на базе 900 мм. После обработки данных построена зависимость между напряжениями и продольными деформациями кладки при центральном сжатии (рис. 4, график 2).
По характеристикам материалов кладки натурного образца построена конечно-элементная модель к150_10н из объемных элементов КЭ-231 (рис. 3). Для моделирования применен закон деформирования материала .№11 со следующими исходными данными, определенными по СП [3]:
модуль деформаций Е-=Е+=1408 МПа, коэффициент Пуассона и=0,35, предел прочности на сжатие ст-=1,76 МПа, предел прочности на растяжение ст=0,1 МПа, предельные относительные деформации на сжатие е-=0,002, на растяжение е+=0,0002. После обработки численного эксперимента модели к150_10н построена зависимость между напряжениями и продольными деформациями кладки при центральном сжатии (рис. 4, график 1 ).
Рис. 3: а — расчетная конечно-элементная модель, б — объемная расчетная конечно-элементная модель На рис. 4, график 5 так же показана зависимость между напряжениями и продольными деформациями кладки при центральном сжатии при кратковременной нагрузке построенная по формуле (8) п.6.23 СП [3].
С
ИГ3 4
—"-к!» Юн —2-к1ЫГ1йэ
*3-Еасчетюе сопретьвлену^ кладег В гв СГ ч-Гс—дгп гречи ост у кладем Ни ":<СГ
■е-ЫЬОПОну
■-^а^-етюе сопротУБлеьке кпгдкг после усиления Иу го СП " 1 " ~ рш
■ 10-И50_1Эьулн
— — ""-гргдел г рсчности усиленной каиеннои кладск сжатую гю Ryu СП
Рис. 4. Графики деформирования каменной кладки
Анализируя графики 1, 2, 5 на рис. 4, можно сделать вывод, что результаты натурных испытаний, результаты численного моделирования практически совпадают с теоретическими предпосылками для нелинейных расчетов, и модель не усиленного каменного простенка к150_10н можно считать адекватной.
Далее предлагается вариант усиления стальной обоймой из уголков 40х4 мм, соединенных планками.
Усиление каменной кладки стальной обоймой моделировали несколькими вариантами:
- расчетная модель к150_10ну каменной кладки, усиленной нелинейно-деформированными стержневыми вертикальными и горизонтальными элементами КЭ-210 (рис. 4, график 6);
- расчетная модель к150_10нул каменной кладки, усиленной линейно-деформированными стержневыми вертикальными и горизонтальными элементами КЭ-10 (рис. 4, график 9);
- расчетная модель к150_10нулн каменной кладки, усиленной линейно-деформированными вертикальными элементами КЭ-10 и нелинейно-деформированными горизонтальными элементами КЭ-210 (рис. 4, график 10);
- расчетная модель к150_10нуоп каменной кладки, усиленной в виде процента армирования элементов (рис. 4, график 8).
Расчетные разрушающие нагрузки составили:
- для модели к150_10ну N„=29 т;
- для модели к150_10нул N„>120 т (разрушение не достигнуто);
- для модели к150_10нулн N„>120 т (разрушение не достигнуто);
- для модели к150_10нуоп N„=50,4 т.
На рис. 4, график 11 так же показан предел прочности усиленной каменной кладки, рассчитанный по формулам таблицы 19 [2,4,5,6].
Анализируя графики 6, 8, 9, 10 на рис. 4, можно сделать вывод, что моделирование каменной кладки, усиленной в виде процента армирования больше всего совпадает с теоретическими предпосылками [2,4,5,6], и модель усиленного каменного простенка к150_10нуоп можно считать адекватной.
ВЫВОДЫ
1. Создана модель не усиленного каменного простенка сечением 0,4х0,4 м высотой 1,05 м из объемных конечных элементов, которые адекватно описывают напряженно-деформированное состояние каменной кладки при центральном сжатии. Расхождение между натурными испытаниями, численным моделированием и теоретическими предпосылками составляет не более 5%, что обеспечивает вероятность 0,95.
2. На основании модели не усиленного простенка было создано несколько моделей усиленных каменных простенков из объемных конечных элементов. Сравнивая результаты которых, адекватно описывает напряженно-деформированное состояние каменной кладки при центральном сжатии модель с усилением в виде процента армирования. Расхождение между численным моделированием и теоретическими предпосылками составляет не более 5%, что обеспечивает вероятность 0,95.
3. При примере созданных моделей можно выполнять расчеты каменных простенков на разные виды нагрузок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богуцкий Ю.Г. Деформации раствора вертикальных и горизонтальных швов в каменной кладке при центральном нагружении/ Ю.Г. Богуцкий// Сб. Строительство и техногенная безопасность, сб. научн. тр. НАПКС, вып. 12. Симферополь, НАПКС, 2005 г.
2. Поляков С.В., Фалевич Б.Н. Каменные конструкции.//Под ред. Л.Е.Темкина - М.: Госстройиздат, 1960. - 308 с.
3. СП 15.13330.2012 СНиП 11-22-81 Каменные и армокаменные конструкции. -М.: Минрегион России, 2012 - 78 с.
4. СТО 221 НОСТРОЙ 2.9.142-2015 Восстановление и повышение несущей способности кирпичных стен. Проектирование и строительство. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ /ОАО « ЦНИИПр о м зданий» .-М.: 2013. - 125 с.
5. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений /ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко.-М.: Стройиздат, 1984.-38с.
6. Руководство по проектированию каменных и армокаменных конструкций/ ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко Госстроя СССР. -М.: Стройиздат, 1974. - 185 с.
7. Michael L.A. Rehabilitation of unreinforsed masonry walls with externally applied fiber reinforced poiymers/A thesis submitted to theFaculty of Graduete Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Sience in Structural Engineering.(диссертация)- Edmonton, Alberta Fall: 1998.-132 с.
REFERENCES
1. The Bohutskyi Yu. G. Deformation of the solution of the vertical and horizontal joints in masonry, with a Central loading/ Y. G. Bogutskaya// Proc. Construction and industrial safety, collection of scientific. Tr. NAPCS, vol. 12. Simferopol, NAPCS, 2005
2. Polyakov S. V., Valevich B. N. The stone structure.// Ed. L. E. Temkina-M.: Gosstroizdat, 1960. - 308 p.
3. SP 15.13330.2012 SNiP II-22-81 masonry and reinforced masonry structures. -M.: the Ministry of regional development, 2012 - p. 78
4. STO NOSTROY 221 2.9.142-2015 Restoring and increasing the carrying capacity ofthe brick walls.
Design and construction. Rules, the monitoring of implementation and requirements to results of work of OJSC "]".- Moscow: 2013. - 125 p.
5. Recommendations on strengthening of masonry structures of buildings and constructions /tsniisk.V. A. Kucherenko.- Moscow: Stroyizdat, 1984.- 38C.
6. Guidelines for the design of masonry and reinforced masonry structures/ tsniisk. V. A. Kucherenko Gosstroy of the USSR. - Moscow: Stroyizdat, 1974. 185 p.
7. Michael L. A. Rehabilitation of unreinforced masonry walls with externally applied fiber reinforced poiy mers/a thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Sience in Structural Engineering.(thesis)- Edmonton, Alberta Fall: 1998.-132 C.
IMULATION OF STRENGTHENING STONE MOVEMENT ON PC "LIRA-SAPR"
Bogutskiy Yr.G.
Summary: The article is devoted to theproblem of modeling the strengthening of masonry with a steel clip from the corners on the PC "LIRA-SAPR". The main method of investigation is the numerical analysis of masonry, verified by a physical experiment. Several options for modeling the strengthening of masonry were considered.
Keywords: masonry, reinforcement, steel clip, verification, PC "LIRA-SAPR", final element, physical experiment.
