CC BY
49УДК 693.1:691.42.001.5
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-52-56
В.Н. ДЕРКАЧ1, д-р техн. наук (v-derkatch@yandex.ru); А.С. ГОРШКОВ2, канд. техн. наук (alsgor@yandex.ru); Р.Б. ОРЛОВИЧ3, д-р техн. наук (orlowicz@mail.ru)
1 Филиал Республиканского унитарного предприятия «Институт БелНИИС» - «Научно-технический центр» (Республика Беларусь, 224023, г. Брест, ул. Московская, 267/2)
2 Санкт-Петербургский политехнический университет им. Петра Великого (195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29)
3 Западно-Померанский технологический университет (Республика Польша, 71062, г. Щецин, ул. Пястов, 51)
Проблемы трещиностойкости стенового заполнения каркасных зданий из ячеисто-бетонных блоков
Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния, возникающего в стенах при усадке каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков, установленных на железобетонном монолитном перекрытии. Разработана численная модель каменного заполнения каркаса. Показано, что при воздействии усадки величина главных растягивающих напряжений в каменной кладке нелинейно зависит от жесткости узлов сопряжения стены с вертикальными элементами каркаса. При закреплении стен жесткими связями в каменной кладке возникают всплески напряжений в местах установки связевых элементов. Обоснована целесообразность установки связей, обеспечивающих свободу деформаций кладки в плоскости стен, но препятствующих ее перемещениям из плоскости рамы. Приведены рекомендации по армированию подоконного и надпроемного поясов каменной кладки стальными или композитными сетками, размещаемыми в горизонтальных растворных швах кладки.
Ключевые слова: ячеисто-бетонные блоки автоклавного твердения, каменная кладка, влажность, температурно-влажностные воздействия, усадка, деформация каменной кладки.
Для цитирования: Деркач В.Н., Горшков А.С., Орлович Р.Б. Проблемы трещиностойкости стенового заполнения каркасных зданий из ячеисто-бетонных блоков // Строительные материалы. 2019. № 3. С. 52-56. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-52-56
V.N. DERKACH1, Doctor of Scinses (Engineering) (v-derkatch@yandex.ru); A.S. GORSHKOV2, Candidate of Scinses (Engineering) (alsgor@yandex.ru); R.B. ORLOVICH3, Doctor of Scinses (Engineering)
1 Branch of Republican Unitary Enterprise «Institute BelNIIS» - «Scientific-Technical Center» (267/2, Moskovskaya Street, Brest, 224023, Republic of Belarus)
2 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (29, Polytechnicheskaya Street, Saint Petersburg, 195251, Russian Federation)
3 West-Pomeranian Technological University (51, Piastov Street, Shchetsin, 71062, Poland)
Problems of Crack Resistance of Wall Filling of Frame Buildings of Cellular Concrete Blocks
The analysis of the stress-strain state occurring in the walls during the shrinkage of masonry of cellular concrete blocks mounted on the reinforced concrete monolithic floor is made. A numerical model of the frame stone filling is developed. It is shown that under the influence of shrinkage the value of the main tensile stresses in the stone masonry nonlinearly depends on the stiffness of the wall connection nodes with the vertical elements of the frame. When fixing the walls with rigid ties, in the masonry there are bursts of stresses in the places of installation of binding elements. The expediency of setting the links, ensuring the freedom of deformations of masonry in the plane of walls, but preventing its displacement from the plane of the frame is substantiated. Recommendations on reinforcement of window-sill and above the opening belts of masonry with steel or composite meshes placed in horizontal mortar joints of masonry are given.
Keywords: cellular concrete blocks of autoclave hardening, stone masonry, humidity, temperature-humidity impact, shrinkage, deformation of stone masonry.
For citation: Derkach V.N., Gorshkov A.S., Orlovich R.B. Problems of crack resistance of wall filling of frame buildings of cellular concrete blocks. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 3, pp. 52-56. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-768-3-52-56 (In Russian).
Образование трещин в каменных стенах зачастую связано с усадочными деформациями кладки. Особенно это касается стен, кладка которых выполнена из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения — кладочных изделий, массово применяемых в современном каркасно-монолитном домостроении. Причем трещинообразованию подвергаются не только перегородки, но и внутренние слои наружных стен с кирпичным лицевым слоем либо навесным вентилируемым фасадом. Следует отметить, что кроме усадочных деформаций кладки существенную роль в трещинообразовании в каменном заполнении каркасных зданий играют прогибы перекрытий, являющихся опорами каменных стен. Вопрос влияния прогибов поддерживающих перекрытий на трещи-ностойкость каменных стен подробно изложен в ра-
ботах [1—3] и в представленной работе не рассматривается. Усадочные трещины по своей морфологии несколько отличаются от силовых трещин, связанных, например, с прогибами перекрытий. Чаще всего они возникают в зонах дверных и оконных проемов, где имеет место концентрация растягивающих напряжений, вызванных стеснением усадочных деформаций (рис. 1).
Величина последних зависит от разности между начальной влажностью кладки и ее равновесной величиной, установившейся после продолжительной эксплуатации. Начальная влажность кладки определяется отпускной заводской влажностью блоков из ячеистого бетона, а также приобретенной в процессе хранения, транспортировки и возведении стен. В этой связи следует отметить, что в соответствии с
'f—TVS
•ж J j
Рис. 1. Характер образования усадочных трещин во внутреннем слое из ячеисто-бетонных блоков стены с оконным проемом (а) и в перегородке (б)
технологией возведения каркасно-монолитных зданий наибольшему атмосферному увлажнению подвергается кладка фасадных стен, в то время как внутренние перегородки находятся в более благоприятных климатических условиях.
В современных российских нормах ГОСТ 31359— 2007 в отличие от ГОСТ 25485—89 отпускная влажность ячеистого бетона не нормируется. Классическая технология производства изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения предусматривает вспучивание пластической смеси извести, цемента, песка и газообразователя без дополнительных механических воздействий. Такая технология производства изделий из ячеистого бетона получила неофициальное название литьевой [4]. Большинство современных предприятий выпускают продукцию по данной технологии. В 1980-х гг. отечественные специалисты предложили использовать так называемую ударную технологию при формовании массива [4]. Совместно с вибрацией ударные воздействия позволили сократить период предварительного твердения массивов и уменьшить послеавтоклавную влажность изделий. Согласно требованиям п. 1.3.7 ГОСТ 25485 отпускная влажность (по массе) бетонов изделий и конструкций не должна была превышать 25% на основе песка и 35% на основе зол и других отходов производства. Влажность массива после автоклавов может превышать 40% по массе. После автоклавов блоки разделяются, укладываются на поддоны, упаковываются в полиэтиленовую пленку и поступают на хранение (как правило, на открытый склад). Процесс высыхания изделий, упакованных в паронепроницаемую полимерную оболочку, крайне медленный. В этой связи влажность изделий, поступающих на объект, как правило, находится в пределах от 38 до 45% [5—9]. Для обеспечения требуемой влажности 25% (для изделий, изготовленных на песке) требуется их хранение в открытом виде на складе, защищенном от воздействия влаги, что практически реализовать сложно и требует дополнительных затрат. Кроме того, увеличение времени хранения изделий на складе до достижения ими требуемой от-
пускной влажности ухудшает цикл сбыта продукции. В этой связи при разработке ГОСТ 31359 было принято решение отказаться от нормирования отпускной влажности ячеисто-бетонных блоков. При этом равновесную весовую влажность в наружных стенах из ячеистых бетонов зданий с сухим режимом эксплуатации в сухой и нормальной климатических зонах влажности и зданий с нормальным режимом эксплуатации в сухой климатической зоне в ГОСТ 31359 рекомендуется принимать равной 4%, в остальных наружных стенах из ячеистых бетонов — равной 5%. Согласно требованиям п. 4.14 ГОСТ 31359 усадка при высыхании ячеистых бетонов не должна превышать:
— 0,5 мм/м — для конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов, изготовленных на кварцевом песке;
— 0,7 мм/м — для конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов, изготовленных на других видах кремнеземистых компонентов.
Согласно действующим в Республике Беларусь СТБ 1570 [10] отпускная влажность ячеистого бетона по массе не должна превышать 35%, в то время как равновесная весовая влажность в наружных стенах из ячеистых бетонов зданий с нормальным режимом эксплуатации устанавливается в пределах 4—6%. В соответствии с СТБ EN 680 [11] усадочные деформации кладки из ячеисто-бетонных блоков определяются при изменении влажности последних от 30 до 6%. При этом в нормативных документах отсутствуют значения максимальных усадочных деформаций каменной кладки, равно как и значений начальной влажности ячеисто-бетонных блоков, которые гарантируют целостность каменных стен при их эксплуатации. Можно предположить, что усадочные деформации каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков не должны превышать значений, установленных в нормативных документах по проектированию каменных конструкций. Согласно Еврокоду 6 [12] предельное значение усадочных деформаций составляет 0,4 мм/м. Значения усадочных деформаций каменной кладки из автоклавных ячеистых бетонов, установленные в СП 15.13330, зависят от вида ячеистого бетона и принимаются равными:
— для блоков, изготовленных на песке и вторичных продуктах обогащения различных руд, — 0,4 мм/м;
— для блоков, изготовленных на золе, — 0,6 мм/м.
Обычно при проектировании стен каркасных зданий в отечественной практике учитываются требования теплоизоляции (для наружных стен) [8, 9] и звукоизоляции (для внутренних стен). При этом в отличие от зарубежной практики прочностные расчеты стен от усадочных деформаций, как правило, не выполняются. Напряженное состояние стен от указанных деформаций зависит не только от начальной влажности кладки из газобетонных блоков, но и от способа ее сопряжения с железобетонными несущими конструкциями каркаса здания, скорости высы-
б
Г) научно-технический и производственный журнал
март 2019 53
>> |
.595821
г *
О .3021(5 .60Б57 .908354 1.211)4
.151332 .451171 .156962 1.05375 1.362
О .339996 .679992 1.01999 1.35998
.50999-1 .849991 1.16999 1-52
Рис. 2. Палитры распределения главных растягивающих напряжений (МПа): а - в сплошной стене; б - в стене с проемом
хания, а также от геометрических размеров стен и наличия в них оконных и дверных проемов. Далее приведен численный анализ напряженного состояния стен из ячеисто-бетонных блоков, установленных на железобетонном монолитном перекрытии. Расстановка и сечение связей в сопряжении стен с колоннами каркаса принимались в соответствии с типовыми техническими решениями, согласно которым сопряжения поэтажно опертых стен с колоннами каркаса осуществляются при помощи стальных анкерных пластин толщиной 5 мм, закрепляемых к колоннам каркаса распорными анкерами и размещаемых в утолщенных швах кладки с шагом не более 1000 мм [13].
Каменная кладка рассматривалась как гомогенный (однородный) материал, наделенный обобщенными деформационными характеристиками кладочных изделий и растворных швов, которые определялись по результатам предварительно выполненных испытаний образцов кладки при простых видах напряженного состояния [14]. При этом также определялись прочностные характеристики кладки. Расчеты выполнялись МКЭ в среде вычислительного комплекса ANSYS. Рассматривалась стадия работы каменной кладки до образования в ней трещин при линейно-упругом деформировании материалов. При этом учитывались релаксационные процессы, связанные с продолжительностью действия усадочных деформаций при высыхания кладки. Расчетному анализу подвергались стены габаритными размерами 6000x3000 мм, толщиной 400 мм, сплошные и с оконным проемом. Усадочные деформации принимались равными граничному значению, установленному в Еврокоде 6, — 0,4 мм/м, что соответствует изменению весовой влажности кладки с 30 до 6%. В ходе расчета варьировалась жесткость связевых элементов, а также значение коэффициента трения и сцепления между каменной кладкой и плитой перекрытия.
Расчеты показывают, что усадка каменной кладки вызывает в стене появление главных растягивающих напряжений ст1, траектории которых в основном совпадают с направлением горизонтальных растворных швов. На рис. 2 приведены палитры распределе-
ния главных растягивающих напряжений ст1 в сплошной стене и стене с центральным оконным проемом, из которых следует, что при закреплении стен жесткими связями в каменной кладке возникают всплески напряжений ст1 в местах установки связевых элементов. Если не принимать во внимание данный факт, то в сплошной стене максимальные значения ст1 имеют место в центральной зоне в нижней трети высоты стены.
По результатам испытаний прочность на растяжение по перевязанному сечению каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков на тонкослойных растворных швах /х составляет около 0,3 МПа. При этом полученные расчетом значения ст1 превышают прочность кладки на растяжение /х в 1,3 раза. В стене с оконным проемом максимальные значения ст1 наблюдаются в подоконном поясе каменной кладки по его верхней грани вблизи угла проема. Значения указанных напряжений в два раза превышают прочность кладки на растяжение по перевязанному сечению. Следовательно, при усадочных деформациях кладки 0,4 мм/м в стенах из ячеисто-бетонных блоков будут образовываться трещины, если сопряжение стен с каркасом осуществляется жесткими полосовыми связями. В стенах с оконными проемами наиболее подверженной трещинообразованию является подоконная область кладки, причем в ней ожидается появление вертикальных трещин, развивающихся от одного из нижних углов проема (рис. 1, а). Следует отметить, что достаточно высокий уровень главных растягивающих напряжений имеет место также и в надпроемном поясе стены, но он ниже, чем в подоконной зоне. В связи с этим представляется целесообразным армирование подоконного и над-проемного поясов каменной кладки с помощью стальных или композитных сеток, размещаемых в горизонтальных растворных швах кладки. В рассматриваемом случае для исключения образования в стенах усадочных трещин начальная весовая влажность ячеисто-бетонных блоков не должна превышать 15%.
Численные исследования показывают, что при воздействии усадки величина главных растягивающих напряжений в каменной кладке нелинейно зависит от
а1/а1*
Рис. 3. График зависимости о1/о1* - EF*/EF
Рис. 4. Сопряжение стен с вертикальными элементами каркаса здания с помощью податливых связей
жесткости EF* узлов сопряжения стены с вертикальными элементами каркаса, принятой в соответствии с нормами СТО 87313302.13330-001 [12, 13]. График зависимости соотношения максимальных растягивающих напряжений ст1 при жестких узлах сопряжения и напряжений ст1* при податливых узлах сопряжений от соотношения их линейных жесткостей EF*/EF приведен на рис. 3. Из последнего следует, что уровень растягивающих напряжений существенно снижается при увеличении податливости узлов сопряжения стены с вертикальными элементами каркаса.
Это обстоятельство учитывается в европейской практике, когда крепление стен к вертикальным конструкциям каркаса здания осуществляется с помощью специальных перфорированных анкерных пластин, размещаемых в швах кладки (рис. 4). Данные связевые элементы работают по принципу пружин, препятствуя перемещениям стен из вертикальной плоскости и обеспечивая свободу их деформаций в горизонтальной плоскости. Для этих целей используются также скользящие анкера, требования к которым установлены в европейском стандарте EN 845-1 [15].
На рис. 5 показана палитра распределения главных растягивающих напряжений в стене с оконным проемом при податливом сопряжении с каркасом и значении усадочных деформаций 0,4 мм/м. В этом случае максимальные значения растягивающих напряжений ст1 локализуются в зоне контакта стены с поддерживающим перекрытием, а их значения не превышают прочности кладки на растяжение /х. При этом главные растягивающие напряжения в контактной зоне ст1* практически линейно зависят от коэффициента трения tg ф между стеной и опорной пли-
Рис. 5. Палитра распределения главных растягивающих напряжений (МПа) в стене с оконным проемом при ее податливом сопряжении с вертикальными элементами каркасом
а1/а1*
Рис. 6. Зависимость о1/о1* 0 - tg ф (о, - максимальное значение главных растягивающих напряжений в стене при tg ф=1)
той перекрытия, достигая своего минимума при tg ф=0 (рис. 6). Это подтверждает целесообразность устройства между ними разделительного слоя из пленочных материалов, как это принято в зарубежной практике.
Выводы
Для снижения риска возникновения усадочных трещин в стеновом заполнении каркасных зданий, выполненном из ячеисто-бетонных блоков, сопряжение каменной кладки с каркасом следует осуществлять при помощи податливых связей, а между опорным диском перекрытия и заполнением рекомендуется устраивать разделительный слой из одного или двух слоев пленочного материала. Кроме того, в стенах с оконными проемами рекомендуется выполнять армирование подоконного и надпроемного поясов каменной кладки стальными или композитными сетками, размещаемыми в горизонтальных растворных швах кладки. При возведении каменной кладки следует также применять кладочные изделия с минимально возможной весовой влажностью. Ячеисто-бетонные блоки на строительной площадке и каменную кладку в период возведения следует предохранять от увлажнения атмосферными осадками.
Г) научно-технический и производственный журнал
O'^^J^f март 2019 55
Список литературы
1. Деркач В.Н., Орлович Р.Б. Трещиностойкость каменных перегородок // Жилищное строительство. 2012. № 8. С. 34-37.
2. Деркач В.Н. Исследования напряженно-деформированного состояния каменных перегородок при прогибе перекрытия // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 6. С. 62-66.
3. Деркач В.Н. Экспериментальные исследования каменных перегородок с дверным проемом при прогибе перекрытия // Строительство и реконструкция. 2013. № 4 (48). С. 14-22.
4. Вишневский А.А., Гринфельд Г.И. Выбор технологии производства автоклавного газобетона: ударная или литьевая // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 4-7.
5. Немова Д.В., Спиридонова Т.И., Куражова В.Г. Неизвестные свойства известного материала // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2012. № 1. С. 36-46.
6. Корниенко С.В., Ватин Н.И., Горшков А.С. Натурные теплофизические испытания жилых зданий из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 4. С. 10-25. doi: 10.5862/MCE.64.2
7. Ватин Н.И., Горшков А.С., Корниенко С.В., Пестряков И.И. Потребительские свойства стеновых изделий из автоклавного газобетона // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 1 (40). С. 78-101.
8. Горшков А.С., Ватин Н.И., Корниенко С.В., Пестряков И.И. Соответствие стен из автоклавного газобетона современным требованиям по тепловой защите зданий. Ч. I // Энергосбережение. 2016. № 2. С. 41-53.
9. Горшков А.С., Ватин Н.И., Корниенко С.В., Пестряков И.И. Соответствие стен из автоклавного газобетона современным требованиям по тепловой защите зданий. Ч. II // Энергосбережение. 2016. № 3. С. 62-69.
10. СТБ 1570-2005 Бетоны ячеистые. Технические условия.
11. СТБ EN 680-2008 Определение усадки автоклавного ячеистого бетона.
12. EN 1996-1-1:2005 Eurocode 6. Design of masonry structures. Part 1-1.
13. СТО 87313302.13330-001-2012 Конструкции с применением автоклавного газобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства.
14. Деркач В.Н. Деформационные характеристики каменной кладки в условиях плоского напряженного состояния // Строительство и реконструкция. 2012. № 2 (40). С. 3-11.
15. EN 845-1:2013 Spécification for ancillary components for masonry - Part 1: Wall ties, tension straps, hangers and brackets.
References
1. Derkach V.N., Orlovich R.B. Crack growth resistance of masonry walls. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 8, pp. 34—37. (In Russian).
2. Derkach V.N. Researches of the stress-strain state of masonry partitions at a deflection of the floor. Pro-myshlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo. 2013. No. 6, pp. 62—66. (In Russian).
3. Derkach V.N. Experimental researches of masonry partitions with the door opening at a deflection of the floor. Stroitelstvo i rekonstruktsiya. 2013. No. 4 (48), pp. 14—22. (In Russian).
4. Vishnevsy A.A., Grinfeld G.I. Choice of production technology of autoclaved cellular concrete: impact or molding. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 8, pp. 4-7. (In Russian).
5. Nemova D.V., Spiridonova T.I., Kurazhova V.G. Unknown properties of a known material. Stroitelstvo unikalnykh zdaniy isooruzheniy. 2012. No. 1, pp. 36-46. (In Russian).
6. Kornienko S.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S. Thermo-physical field testing of residential buildings made of autoclaved aerated concrete blocks. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 4, pp. 10-25.
7. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Korniyenko S.V., Pestrya-kov I.I. Consumer properties of wall products from autoclaved aerated concrete. Stroitelstvo unikalnykh zdaniy i sooruzheniy. 2016. No. 1 (40), pp. 78-101. (In Russian).
8. Gorshkov A.S., Vatin N.I., Korniyenko S.V., Pestrya-kov I.I. Correspondence of walls from autoclaved aerated concrete to modern requirements for thermal protection of buildings. Part I. Energosberezheniye. 2016. No. 2, pp. 41-53. (In Russian).
9. Gorshkov A.S., Vatin N.I., Korniyenko S.V., Pestrya-kov I.I. Correspondence of walls from autoclaved aerated concrete to modern requirements for thermal protection of buildings. Part II. Energosberezheniye. 2016. No. 3, pp. 62-69. (In Russian).
10. STB 1570-2005 Concretes are cellular. Technical conditions. (In Russian).
11. STB EN 680-2008 Determination of shrinkage of autoclaved cellular concrete. (In Russian).
12. EN 1996-1-1:2005 Eurocode 6. Design of masonry structures. Part 1-1.
13. STO 87313302.13330-001-2012 Designs using auto-claved aerated concrete in the construction of buildings and structures. Rules of design and construction. (In Russian).
14. Derkach V.N. Deformation characteristics of masonry in the plane stress state. Stroitelstvo i rekonstruktsiya. 2012. No. 2 (40), pp. 3-11. (In Russian).
15. EN 845-1:2013 Specification for ancillary components for masonry - Part 1: Wall ties, tension straps, hangers and brackets.
