CC BY
70
^ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
УДК 69 (699.841) З. А. Альдреби
ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ И УСИЛЕНИЕ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АРХИТЕКТУРНЫХ ПАМЯТНИКОВ В СИРИИ С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Дата поступления: 04.08.2018 Решение о публикации: 06.11.2018
Аннотация
Цель: Повышение сейсмостойкости и усиление строительных конструкций памятников архитектуры в Сирии, которые пострадали от прошлых землетрясений и военных действий, с помощью инновационных композитных материалов. Методы: Для колонн и несущих стен из каменной кладки описаны методы усиления с помощью приклеивания холстов, полос и сеток из углеволокна к тем частям строительных конструкций, которые испытывают сжатие, растяжение, изгиб или динамические нагрузки. Результаты: Рассмотрены примеры расположения лент и сеток из композитных материалов при вертикальных и диагональных трещинах. Приведена методика расчета усиления конструкций композитными материалами. Опираясь на нее, были показаны наилучшие способы усиления строительных конструкций композитными материалами. Практическая значимость: Применение композитных материалов для усиления и повышения сейсмостойкости архитектурных памятников Сирии и других стран позволяет сохранить архитектурный облик и не нагружать конструкции. Предлагается внедрить такие материалы в строительную отрасль Сирии, так как они почти не используются в этой стране.
Ключевые слова: Композитные материалы, Сирия, архитектурные памятники, строительные конструкции, сейсмостойкость, колонна, несущая стена, трещина, усиление.
Ziad A. Aldrebi, postgraduate student, ziald67@gmail.com (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) INCREASING EARTHQUAKE RESISTANCE AND REINFORCING BUILDING STRUCTURES OF ARCHITECTURAL MONUMENTS IN SYRIA BY MODERN COMPOSITE MATERIALS
Summary
Objective: Increasing earthquake resistance and reinforcing building structures of Syria's architectural monuments damaged by past earthquakes and war by innovative composite materials. Methods: Methods of reinforcing columns and masonry-work bearing walls by attaching carbon fibre canvasses, bands and nets to the parts of buildings structures which experience compression, bending, stretching of dynamic loads are described. Results: Examples of locating bands and nets made of composite materials for vertical and horizontal fractures are considered. Method for calculation of reinforcing structures by composite materials is presented. On its basis, the best possible methods of reinforcing building structures by composite materials were shown. Practical importance: Application of composite materials for reinforcement and increasing earthquake resistance of architectural monuments in Syria and
other countries permits preserving architectural appearance and not overburden the building structures. Introduction of composite materials to Syria's construction industry is proposed, as they are hardly used there.
Keywords: Composite materials, Syria, architectural monuments, building structures, earthquake resistance, column, bearing wall, fracture, reinforcement.
Введение
Существуют традиционные и нетрадиционные способы усиления и повышения сейсмостойкости строительных конструкций. Под традиционными подразумевается инъецирование специальных растворов, использование дополнительных металлических и железобетонных рам, обойм и др. К нетрадиционным можно отнести внешнее армирование строительных конструкций зданий и сооружений композитными материалами, которые существуют в виде холстов, сеток и ламинатов, например, из углеволокна. Их применение позволяет улучшить сейсмостойкость и несущую способность конструкций [1].
Памятники архитектуры Сирии
К сожалению, современные композитные материалы редко или почти не используются в арабских странах. В частности, в Сирии актуальность темы связана с необходимостью их внедрения в строительную отрасль страны, так как памятники архитектуры в ней, такие как Великая мечеть Омейядов и Цитадель в г. Алеппо, Замок Крак де Шевалье в провинции Хомс, Амфитеатр в Пальмире и др., многие из которых находятся под защитой ЮНЕСКО, пострадали в результате землетрясений и военных действий, проводившихся на территории Сирии с 2011 г. [2, 3]. Поэтому необходимость их усиления и ремонта, чтобы сохранить для будущих поколений, является первоочередной задачей. Для этого предлагается применять современные композитные материалы, которые позволяют сохранить оригинальный архитектурный облик из-за небольшого веса и малой толщины, что, в свою очередь, дает возмож-
ность не нагружать дополнительно усиливаемые колонны или стены [4, 5].
Примеры усиления каменной кладки
Существуют различные способы усиления и повышения сейсмостойкости строительных конструкций с помощью холстов, ламинатов и сеток из композитных материалов. Возможно усиление как растянутых зон и приопор-ных участков в изгибаемых конструкциях, где действуют поперечные силы, так и сжатых и внецентренно-сжатых элементов [5-7]. Композитные материалы можно наклеить перпендикулярно к оси колонны с помощью специального эпоксидного клея, тем самым уменьшается поперечное деформирование в ней и увеличивается сопротивление вертикальным нагрузкам. А чтобы противостоять изгибающим моментам, нужно наклеить углеродные пластины по длине плоскости действия момента [6-8]. Усиление внецентренно-сжатых конструкций производится приклеиванием полос углеволокна к грани усиливаемого элемента, которые испытывают растяжение [5, 6], используя высокую прочность на растяжение композитного материала (таблица).
Одним из признаков повреждения каменной кладки является наличие трещин. Они появляются в силу различных причин таких как температурно-влажностные деформации, неравномерные осадки грунта, перегрузки строительных конструкций, землетрясения и др.; каменная кладка плохо работает на растяжение [5, 7, 9-11] и разрушается, когда растягивающие напряжения больше или равны допустимым:
^раст — [^раст ] .
Сравнение физико-механических характеристик углеволокна и стали
Материал Модуль Юнга, Е, ГПа Предел прочности при растяжении, е., МПа Деформация при разрыве, sr, % Удельный вес, р, г/см3
Углеволокно (лента) 240-280 3500 1,6-1,73 1,75
Сетка из углеволокна 5x5 мм 230 3500 1,5-1,8 1,8
Сталь 206 250-400 (текучесть), 350-600 (разрыв) 20-30 7,8
Примеры усиления лентами и сетками из композитных материалов при вертикальных и наклонных трещинах показаны на рис. 1, ленты и сетки расположены перпендикулярно трещине или параллельно расположению растягивающих усилий, тем самым противостоят растяжению, против которого каменная кладка бессильна [7, 8, 12-14].
Численный расчет
Методов расчета усиления строительных конструкций композитными материалами
мало, поэтому численный расчет в статье будет базироваться на испытаниях, проведенных в ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, которые проходили в два этапа [1, 6, 8, 9, 14-16]. На первом этапе исследовалось поведение кирпичных колонн при разных схемах усиления углеволокном на действие статической нагрузки, а на втором на виброплатформе были выполнены динамические испытания кирпичных стен, усиленных углеволокном. После статических испытаний кирпичных колонн на сжатие и изгиб, которых усиливали полосами из углеволокна, оказалось, что увеличить несущую способность колонн можно в 2 раза, если сравнить с образцовым этало-
б
—г
\
\
\ II
\
1\
II ч
II к
II \
\
V
Рис. 1. Примеры расположения лент и сеток при трещинах: а - вертикальная трещина; б - усиление сетками при вертикальной трещине; в - усиление лентами при вертикальной трещине; г - диагональная трещина; д - усиление сетками при диагональной трещине; е - усиление лентами при диагональной трещине
а
в
д
г
е
ном. На рис. 2 приведены схемы усиления [1, 6, 8, 9, 14-16].
Расчет усиления строительных конструкций из каменной кладки с помощью лент и сеток из композитных материалов можно осуществить, прибавляя к расчетному сопротивлению кладки расчетное сопротивление композитного материала [1, 6, 10]:
Ryc -
2 ' М*ПОВ • ^угл 100
(2)
рПОВ - коэффициент поверхностного армирования
^пов -
арм
100;
(3)
RapM - R + *ус
(1)
где RapM - прочность усиленной армированием
кладки; Я - расчетное сопротивление кладки; Яус - расчетное сопротивление композитного материала, равное
R - расчетное сопротивление углеволокна разрыву.
Анализируя результаты, полученные по формулам (1)-(3), можно прийти к выводу, что эффективность усиления зависит от типа усиливающего материала, его предела проч-
ст
Рис. 2. Схемы усиления кирпичных столбов углеволокнистой сеткой при испытании на сжатие: а - эталонный образец без усиления; б-г - столб, усиленный полосами, наклеенными на кладку по высоте столба через один на второй ряд (б), через два ряда на третий (в) и через четыре ряда на пятый (г); д - столб, усиленный путем оборачивания образца целиком углеволокнистой
тканью
б
д
а
в
г
ности на разрыв и схемы усиления [1, 6, 8, 9, 15, 16].
По результатам динамических испытаний было изучено поведение кирпичной кладки до и после усиления углеволокном во время действия динамических нагрузок, моделировавших сейсмические воздействия интенсивностью от 7 до 9 баллов по шкале Медведева-Шпонхойера-Карника. Было выявлено, что усиление кирпичных стен по схеме, показанной на рис. 3, рекомендуется для использования в районах, сейсмичность которых составляет до 9 баллов, при соблюдении требований по монтажу углеволокна, установленных производителем [1, 6, 8, 9, 15-18].
Все вышеуказанные расчеты и схемы армирования можно применять для усиления и повышения сейсмостойкости строительных конструкций памятников архитектуры Сирии, которые были построены из каменной кладки [2, 3].
Заключение
Сравнивая преимущества композитных материалов (например, сохранение оригинального облика зданий и сооружений, препятствие развитию трещин, высокая прочность на растяжение и изгиб, значительная стойкость против коррозии) и их недостатки (низкий показатель огнестойкости у эпоксидных клеев и большая стоимость материалов), можно прийти к выводу, что преимущества являются решающими для внедрения композитных материалов в строительную отрасль Сирии для усиления и ремонта памятников архитектуры, аутентичность которых надо сохранять, и открывают для российских и зарубежных производителей и продавцов таких материалов новое, почти неосвоенное направление рынка сбыта.
Библиографический список
1. Костенко А. Н. Прочность и деформативность центрально- и внецентренно-сжатых кирпичных
и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном : автореф. дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.23.01 / А. H. ^стенко. - М. : ЦHИИСK имени В. А. ^черенко, 2010. - 29 с.
2. Альдреби З. А. Мониторинг и паспортизация наиболее известных памятников архитектуры в Сирии / З. А. Альдреби // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2018.- Т. 15, вып. 2. - С. 302-310.
3. Белаш Т. А. Анализ повреждений памятников архитектуры Сирии, полученных в результате землетрясений и военных действий / Т. А. Белаш, З. А. Альдреби // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2016.- № 5. - С. 58-63.
4. Ehsani M. R. Seismic retrofit of URM walls with fiber composites / M. R. Ehsani, H. Saadatmanesh // The Masonry Society Journal. - 1996. - Vol. 14. -P. 63-72.
5. Bernat-Maso E. Construction experimental assessment of Textile Reinforced Sprayed Mortar strengthening system for brickwork wallettes / E. Ber-nat-Maso, Ch. Escrig, Ch.A. Aranha, L. Gil // Building Materials. - 2013. - Issue 50. - P. 226-236.
6. ^стежо А. H. Прочность и деформативность центрально- и внецентренно-сжатых кирпичных и железобетонных колонн, усиленных угле- и стекловолокном : дис. . канд. техн. наук, специальность : 05.23.01 / А. H. Kостенко. - М. : ЦHИИСK имени В. А. ^черенко, 2010. - 243 с.
7. Старцев С. А. Усиление кирпичной кладки композитными материалами и винтовыми стержнями / С. А. Старцев, А. А. Сундукова // Строительство уникальных зданий и сооружений (СПб.). -2014. - № 6 (21). - С. 17-31.
8. Гасиев А. А. Сейсмоусиление стен кирпичных зданий внешним армированием на основе углево-локнистой ткани : дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.23.01 / А. А. Гасиев. - М. : ЦHИ-ЖЖ имени В. А. ^черенко, 2015. - 196 с.
9. Грановский А. В. Применение углеволокни-стой ткани для усиления стен из ячейстобетонных блоков в зданиях, возводимых в сейсмоопасных регионах / А. В. Грановский, Б. K. Джамуев // Промышленное и гражданское строительство. - 2012. -№ 4. - С. 44-47.
10. СП 15.13330.2012. Именные и армокамен-ные конструкции. - Актуализир. ред. С^П II-22-
81* (с Изменениями № 1, 2). - М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, 2012. - 99 с.
11. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. - Актуализир. ред. СНиП 2.01.07-85*. - М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, 2016. - 107 с.
12. Бедов А. И. Проектирование, восстановление и усиление каменных и армокаменных конструкций : учеб. пособие для вузов / А. И. Бедов, А. И. Га-битов. - М. : Изд-во АСВ, 2008. - 566 с.
13. Казачек В. Г. Обследование и испытания зданий и сооружений : учеб. пособие для вузов / В. Г. Казачек, Н. В. Нечаев, С. Н. Нотенко, А. Г. Ройтман и др. ; под ред. В. И. Римшина. - М. : Высшая школа, 2004. - 447 с.
14. Складнев Н. Н. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий / Н. Н. Складнев. -М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, 1988. - 140 с.
15. Смирнов В. И. Экспериментальные исследования прочности и деформативности кирпичных стен и стен из ячеистого бетона, усиленного материалами фирмы BASF : науч.-технич. отчет / В. И. Смирнов, А. В. Грановский, Б. К. Джа-муев. - М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко. -2010. - 183 с.
16. Гасиев А. А. Сейсмоусиление стен кирпичных зданий внешним армированием на основе углеволокнистой ткани : автореф. дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.23.01 / А. А. Гасиев. - М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, 2015. - 24 с.
17. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. - Актуализир. ред. СНиП II-7— 81* «Строительство в сейсмических районах» и СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах» (с Изменением № 1). - М. : ЦНИИСК имени В. А. Кучеренко, 2014. - 126 с.
18. СТО 2256-002-2011. Система внешнего армирования из полимерных композитов FibArm для ремонта и усиления строительных конструкций. -М. : ЗАО «Препрег-СКМ», 2011. - 12 с.
References
1. Kostenko A. N. Prochnost i deformativnost tsentralno- i vnetsentrenno-szhatykh kirpichnykh i zhelezobetonnykh kolonn, usilennykh ugle- i steklovo-
loknom [Strength and deformability of centrally and eccentrically compressed brick and reinforced-concrete columns reinforced by carbon and glass fibre]. Extended abstract of Cand. Eng. Sci. dissertation: 05.23.01. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2010, 29 p. (In Russian)
2. Aldrebi Z. A. Monitoring i pasportizatsiia nai-bolee izvestnykh pamiatnikov arkhitektury v Sirii [Monitoring and certification of Syria's best-known architectural monuments]. Izvestiia Peterburgskogo universiteta putei soobshcheniia [Petersburg Transport University Herald]], 2018, vol. 15, issue 2, pp. 302-310. (In Russian)
3. Belash T. A. & Aldrebi Z. A. Analiz povrezh-denii pamiatnikov arkhitektury Sirii, poluchennykh v rezultate zemletriasenii i voennykh deistvii [Analysis of damage to Syria's architectural monuments caused by earthquakes and warfare]. Seismostoikoe stroitelstvo. Bezopasnost sooruzhenii [Antiseimsmic construction. Structure safety], 2016, no. 5, pp. 58-63. (In Russian)
4. Ehsani M. R. & Saadatmanesh H. Seismic retrofit of URM walls with fiber composites. The Masonry Society Journal, 1996, vol. 14, pp. 63-72.
5. Bernat-Maso E., Escrig Ch., Aranha Ch. A. & Gil L. Construction experimental assessment of Textile Reinforced Sprayed Mortar strengthening system for brickwork wallettes. Building Materials, 2013, issue 50, pp. 226-236.
6. Kostenko A. N. Prochnost i deformativnost tsentralno- i vnetsentrenno-szhatykh kirpichnykh i zhelezobetonnykh kolonn, usilennykh ugle- i steklovo-loknom [Strength and deformability of centrally and eccentrically compressed brick and reinforced-concrete columns reinforced by carbon and glass fibre]. Extended abstract of Cand. Eng. Sci. dissertation: 05.23.01. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2010, 243 p. (In Russian)
7. Startsev S. A. & Sundukova A. A. Usilenie kirpichnoi kladki kompozitnymi materialami i vin-tovymi sterzhniami [Reinforcing brick work by composite materials and screw rods]. Stroitelstvo unikal-nykh zdanii i sooruzhenii (SPb) [Construction of unique buildings and structures (Saint Petersburg)], 2014, no. 6 (21), pp. 17-31. (In Russian)
8. Gasiev A. A. Seismousilenie sten kirpichnykh zdanii vneshnim armirovaniem na osnove uglevoloknis-toi tkani [Seismic retrofit of brick buildings ' walls by
external reinforcement on the basis of coal-fibre canvas]. Cand. Eng. Sci. dissertation: 05.23.01. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2015, 196 p. (In Russian)
9. Granovskii A. V. & Dzhamuev B. K. Primenenie uglevoloknistoi tkani dlia usileniia sten iz iacheisto-betonnykh blokov v zdaniiakh, vozvodimykh v seis-moopasnykh regionakh [Application of coal-fibre canvas for reinforcement of cellular-concrete block walls in buildings erected in earthquake-prone regions]. Promy-shlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo [Industrial and civil construction], 2012, no. 4, pp. 44-47. (In Russian)
10. Construction rules SP 15.13330.2012. Kamen-nye i armokamennye konstruktsii [Rock and reinforced masonry structures]. Revised edition of code of practice SNiP II-22-81* (with amendments no. 1,2). Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2012, 99 p. (In Russian)
11. Construction rules SP 20.13330.2016. Nagru-zki i vozdeistviia [Loads and effects]. Revised edition of code of practice SNiP 2.01.07-85*. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2016, 107 p. (In Russian)
12. Bedov A. I. & Gabitov A. I. Proektirovanie, vosstanovlenie i usilenie kamennykh i armokamen-nykh konstruktsii [Designing, restoring and reinforcing rock and reinforced masonry structures]. Moscow, ASV Publ., 2008, 566 p. (In Russian)
13. Kazachek V. G., Nechaev N. V., Notenko S. N., Roitman A. G. et al. Obsledovanie i ispytaniia zdanii i sooruzhenii [Inspection and testing of buildings and structures]. Ed. by V. I. Rimshin. Moscow, Vysshaia shkola Publ., 2004, 447 p. (In Russian)
14. Skladnev N. N. Rekomendatsii po obsledo-vaniiu i otsenke tekhnicheskogo sostoianiia krup-
nopanelnykh i kamennykh zdanii [Recommendations on inspection and evaluation of the technical state of large-panel and stone buildings]. Moscow, TsNIISK imeni V.A. Kucherenko Publ., 1988, 140 p. (In Russian)
15. Smirnov V. I., Granovskii A. V. & Dzha -muev B. K. Eksperimentalnye issledovaniiaprochnosti i deformativnosti kirpichnykh sten i sten iz iacheistogo betona, usilennogo materialami firmy BASF [Experimental studies of strength and deformability of brick and cellular concrete walls reinforced by BASF materials]. Sci. technical report. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2010, 183 p. (In Russian)
16. Gasiev A. A. Seismousilenie sten kirpichnykh zdanii vneshnim armirovaniem na osnove uglevoloknis-toi tkani [Seismic retrofit of brick buildings ' walls by external reinforcement on the basis of coal-fibre canvas]. Extended abstract of Cand. Eng. Sci. dissertation: 05.23.01. Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2015, 24 p. (In Russian)
17. Construction rules 14.13330.2014. Stroitelstvo v seismicheskikh raionakh [Construction in earthquake-prone areas]. Revised edition of code of practice SNiP 11-7-81* and construction rules SP 14.13330.2011. Stroitelstvo v seismicheskikh raionakh [Construction in earthquake-prone areas] (with amendement no. 1). Moscow, TsNIISK imeni V. A. Kucherenko Publ., 2014, 126 p. (In Russian)
18. Company standard STO 2256-002-2011. Sistema vneshnegoa armirovaniia iz polimernykh kompozitov FibArm dlia remonta i usileniia stroitel-nykh konstruktsii [Polymer composite FibArm external reinforcement system for repair and reinforcement of building structures]. Moscow, ZAO "Prepreg-SKM" Publ., 2011, 12 p. (In Russian)
АЛЬДРЕБИ Зиад Ахмад - аспирант, ziald67@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
