CC BY
33
ПРОЧНОСТЬ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИЗ КИРПИЧА, ПОДВЕРЖЕННЫХ ДЕЙСТВИЮ НЕСТАЦИОНАРНЫХ НАГРУЗОК
12 3
© Базарова С.Д. , Карпов А.Е. , Ласковенко А.Г. , Ласковенко Г.А.4, Усеинов Э.С.5
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Томск
Российский экологический фонд «ТЕХЭКО», г. Москва
В статье рассматриваются вопросы развития методов оценки динамической прочности зданий и сооружений, построенных в сейсмически опасных районах. Дан обзор работ, выполненных ведущими специалистами в области исследования конструкций, зданий и сооружений, подверженных действию нестационарных нагрузок. Приводятся исследования в области обеспечения сейсмостойкости зданий с несущими стенами из каменной кладки в нашей стране и за рубежом. Рассмотренные варианты усиления кладки армированными штукатурными слоями позволяют повысить несущую способность кладки до 40 %.
Ключевые слова: динамическая прочность; сейсмостойкость, усиление, кирпичная кладка.
Развитие методов оценки динамической прочности зданий и сооружений основано на большом объеме численных исследований и экспериментов. Рассмотренные исследования конструкций железобетонного каркаса содержат результаты численных исследований на основе уравнений механики сплошной среды [1-8]. Хорошее совпадение результатов расчетов и экспериментов для железобетонных конструкций, однако, не всегда реализуется при изучении конструкций из каменной кладки.
Повышение устойчивости основных объектов, систем жизнеобеспечения ижилых домов, выполненных из кирпичаа также минимизация потерь от землетрясений в регионах с высоким уровнем сейсмических рисков являются важными факторами устойчивого социально-экономического развития и обеспечения национальной безопасности Российской Федерации.
Как показали результаты общего сейсмического районирования (ОСР-97), сейсмическая опасность на территории Российской Федерации оказалась более значительной, чем это представлялось прежде. В настоящее вре-
1 Магистрант ТГАСУ.
2 Президент Российского экологического фонда «ТЕХЭКО».
3 Председатель Совета по стратегическому развитию Российского экологического фонда «ТЕХЭКО».
4 Генеральный директор Российского экологического фонда «ТЕХЭКО».
5 Старший преподаватель кафедры «Металлические и деревянные конструкции» ТГАСУ.
мя решение вопроса сейсмостойкости существующих жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения, обеспечивается выполнением Постановления Правительства РФ от 23 апреля 2009 г. N 365 и утвержденной федеральной целевой программой «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Российской Федерации на 2009-2014 годы». Реализованные мероприятия по обеспечению сейсмобезопасности жилого фонда, объектов и систем жизнеобеспечения (при условии достаточного и своевременного финансирования) позволят к 2014 году снизить риски и в значительной степени исключить тяжелые последствия возможных землетрясений.
По экспертным оценкам, имеют дефицит сейсмостойкости и могут представлять источник опасности при сейсмических воздействиях до 50 процентов объектов жилого, общественного, производственного назначения и коммунальной сферы.
Анализ структуры существующих зданий по основным типам несущих конструкций показывает, что преобладающим является каменная кладка. Здания с несущими стенами из каменной кладки относятся к группе, так называемых, жестких зданий, получающие весьма высокую степень повреждения при сейсмических воздействиях. При этом многочисленные лабораторные и натурные испытания показывают, что кирпичная кладка, выполненная обычным ручным способом, далеко не всегда удовлетворяет требованиям норм, предъявляемым к кладкам I и II категории [9, 10]. Отметим также, что «ослабленные» за счет возникших в них повреждений и дефектов строительства эти здания и сооружения обладают меньшей стойкостью и к воздействию взрывных нагрузок различного происхождения (взрывы бытового газа, террористические акты и т.п.). Все это диктует необходимость принятия мер по усилению и реконструкции таких зданий и сооружений, для обеспечения их эксплуатационной технической безопасности в целом, а также сейсмобезопасности и взрывобезопасности, в частности.
В настоящее время перспективным представляется выполнение мероприятий по усилению существующих каменных зданий без прерывания их эксплуатации с использованием современных материалов и технологий.
В работах, выполненных в нашей стране и за рубежом, экспериментально доказана достаточно высокая эффективность применения двустороннего и одностороннего усиления кирпичных стен арматурными сетками в слоях раствора или бетона.
Инженерные методы расчета сооружений с несущими стенами из каменной кладки на сейсмические воздействия, используемые в настоящее время на практике, представляют собой несколько условный подход. Это связано, с одной стороны с такими объективными факторами, как недостаточная количественная информация о природе сейсмических явлений (повторяемость и продолжительность землетрясений, величины параметров движе-
ния грунта при землетрясениях, спектральный анализ сейсмических колебаний и т.п.), а с другой стороны - со слабой изученностью работы конструкций на стадии, близкой к разрушению. Несовершенство методов расчета требует применения повышенных коэффициентов запаса (надежности), а также набора конструктивных ограничений, которые устанавливаются нормами. В то же время сооружения, рассчитанные указанным способом, сравнительно хорошо противостояли землетрясениям, что может служить обоснованием приемлемости принятых методов расчета.
Мели Р. исследовано деформирование каменных конструкций [11, 12]. Установлено, что схема деформирования и разрушения образца (простенка из кирпича) практически соответствует хрупкому характеру работы элемента. После появления трещин несущая способность каменного конструктивного элемента практически исчерпывалась. Существенного роста несущей способности исследованных образцов удавалось добиться при их армировании. При этом рост несущей способности был обусловлен ростом количества арматуры. Исследования Р. Мели показали, что изменение традиционных схем выполнения элементов из каменной кладки путем введения в них продольного армирования существенно меняет характер их деформирования, а с учетом данных Л.Ш. Килимника - и повышает сейсмостойкость зданий с несущими конструкциями из таких модифицированных каменных элементов.
Напряженно-деформированное состояние кирпичных образцов при диагональном сжатии (перекосе) исследовались В.И. Коноводченко, С.В. Поляковым, С.М. Сафаргалиевым, А.В. Черкашиным [10, 13-17]. В [13] были проведены серии экспериментов при сжатии статической и пульсирующей нагрузкой образцов кладки вдоль диагонали простенка, которое вызывает его перекос в своей плоскости.
Анализ последствий землетрясений и многочисленные исследования [18-21] позволили установить, что в рамках действующей расчетной модели спектральной теории расчета зданий на сейсмические воздействия несущие конструкции каменных зданий следует рассчитывать на действие горизонтальных сейсмических сил, учитывая при этом (в зависимости от расчетной интенсивности сейсмических воздействий) вертикальную составляющую. Для зданий, имеющих размеры в плане, превышающие 30 м, следует учитывать крутящий момент относительно вертикальной оси здания, проходящей через центр его жесткости [22, 23]. Для существующих зданий одним из наиболее ответственных этапов работ по определению фактического уровня сейсмостойкости является этап формирования расчетной модели сооружения, адекватно отражающей действительное состояние несущих конструкций и узлов их соединения с учетом реально существующих дефектов и повреждений, которые должны быть определены детальным обследованием здания [22]. Основными факторами, определяющими вид расчетной модели каменного здания, являются:
- несущая способность перемычек над оконными и дверными проемами;
- несущая способность вертикального стыка стен взаимноперпенди-кулярного направления.
Реальное состояние перемычек над оконными и дверными проемами определяет вид расчетной модели стены, что в свою очередь определяет расчетное значение усилий и напряжений в вертикальных несущих конструкциях здания - стенах и простенках. Обеспечение надежной работы стыкового соединение перекрестных стен дает основание включать в состав сечения стены участки стен перпендикулярные плоскости рассчитываемой стены, в связи, с чем сечение стены в плане может приниматься различного вида очертаний: двутавра, швеллера или иной более сложной формы. В работе [22] разработана методика формирования расчетной модели каменного здания, позволяющая учесть реальное состояние перемычек над оконными и дверными проемами, влияющее на распределения усилий в конструктивных элементах стен, и жесткость конструктивных элементов стен сложного сечения с учетом состояния и несущей способности вертикального стыка стен взаимно перпендикулярного направления, а также методика расчета коэффициента, учитывающего влияние формы сечения на деформацию сдвига конструктивного элемента.
Исследования в области обеспечения сейсмостойкости зданий с несущими стенами из каменной кладки проводили как в СССР (позже - в России и странах СНГ) - Я.М. Айзенберг, Ю.В. Измайлов, С.В. Поляков, В.И. Ко -новодченко, А.Л. Чураян, Л.Н. Махатадзе, С.М. Сафаргалиев, И.Л. Корчин-ский, Б.А. Кириков, И.Ф. Ципенюк, Т.Ж. Жунусов и др. [18, 24, 14, 23, 15, 16], так и за рубежом - Р. Мели, Д. Вильямс, В. Тсо, Ньюмарк, Э. Розенблюет и др. [36, 37, 55].
Принятые способы усиления, несмотря на неблагоприятные условия непосредственной передачи нагрузки только на кладку, оказались эффективными. Применение варианта усиления кладки армированными штукатурными слоями привело к повышению несущей способности и нагрузки, при которой появлялась первая диагональная трещина, на 40 %. Усиление кладки бетонными армированными слоями повысило их прочностные характеристики в среднем в 2 раза.
Список литературы:
1. Копаница Д.Г., Белов Н.Н., Югов Н.Т., Ласковенко А.Г., Ласковенко Г.А., Пляскин А.С., Усманов А.УИсследование прочности бетонных, фибробе-тонных и железобетонных плит на высокоскоростной удар модельным снарядом // Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия: сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 85-летию кафедры железобе-
тонных и каменных конструкций и 100-летию со дня рождения профессора, доктора технических наук Н.Н. Попова (19-20 апреля 2016 г., Москва) / Под ред. А.Г. Тамразяна, Д.Г. Копаницы; м-ство образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. - М.: НИУ МГСУ 2016. -С. 186-192.
2. Копаница Д.Г., Плевков В.С., Ласковенко А.Г., Ласковенко Г.А. Влияние дисперсного армирования на разрушение плит из мелкозернистого бетона от действия высокоскоростного удара // Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия: сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 85-летию кафедры железобетонных и каменных конструкций и 100-летию со дня рождения профессора, доктора технических наук Попова Н.Н. (19-20 апреля 2016 г., Москва) / Под ред. А.Г. Тамразяна, Д.Г. Копаницы: М-ство образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. - М.: НИУ МГСУ, 2016. - С. 192-198.
3. Белов Н.Н., Югов Н.Т., Копаница Д.Г., Ласковенко Г.А., Устинов А.М. Расчет прочности фибробетонных плит на высокоскоростной удар модельным снарядом // Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия: сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 85-летию кафедры железобетонных и каменных конструкций и 100-летию со дня рождения профессора, доктора технических наук Попова Н.Н. (19-20 апреля 2016 г., Москва) / Под ред. А.Г. Тамразяна, Д.Г. Копаницы: М-ство образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. - М.: НИУ МГСУ, 2016. - С. 514-519.
4. Копаница Д.Г., Данильсон А.И., Капарулин С.Л., Устинов А.М., Усеи-нов Э.С. Прочность и деформативность стыка колонн каркаса конструктивной системы «купасс» на действие поперечной динамической нагрузки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - № 5 (52). - С. 51-56.
5. Копаница Д.Г., Данильсон А.И., Капарулин С.Л., Устинов А.М., Усеи-нов Э.С.Прочность и деформативность стыка колонн каркаса конструктивной системы «КУПАСС» на действие поперечной динамической нагрузки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - № 5 (52). - С. 51-56.
6. Копаница Д.Г., Капарулин С.Л., Пляскин А.С. Спектральный анализ физического состояния моделей железобетонных колонн подверженных осевому сжатию // В сборнике: Бетон и железобетон - взгляд в будущее Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону: в 7 томах. - 2014. - С. 179-182.
7. Копаница Д.Г., Капарулин С.Л., Пляскин А.С., Устинов А.М., Калич-кина А.С. Взаимосвязь напряженного состояния сжатой колонны и частоты
собственных колебаний // В сборнике: Инвестиции, строительство и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики Материалы Пятой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: в 2 частях / Под ред. Т.Ю. Овсянниковой. - 2015. - С. 294-300.
8. Белов Н.Н., Югов Н.Т., Копаница Д.Г., Югов А.А., Шашков В.В., Усеинов Э.С., Мамцев Р.С. Математическое моделирование поведения элементов железобетонного каркаса при ударно-волновом нагружении // В сборнике: Материалы XIX Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2015). - 2015. - С. 218-220.
9. Нугужинов Ж.С., Копаница Д.Г., Кошарнова Ю.Е., Устинов А.М., Усеинов Э.С. Экспериментальные исследования облегченной кирпичной кладки на центральное и внецентренное нагружение // Вестник Томского государственного архитектурно -строительного университета. - 2016. -№ 2 (55). - С. 107-116.
10. Kopanitsa D.G., Useinov E.S. Relation of dynamic parameters of brick masonry fragment at fracture under static and dynamic loading // Всборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Advanced Materials in Construction and Engineering. Сер. «International Scientific Conference of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Engineering, TSUAB 2014». - 2015. - С. 012031.
11. Мели Р. Поведение фрагментов вертикальных диафрагм из каменной кладки при горизонтальных и знакопеременных циклических загружениях // В книге «Сейсмостойкие сооружения и теория сейсмостойкости (по материалам V международной конференции по сейсмостойкому строительству) / Под редакцией С.В. Полякова и А.В. Черкашина. - М., 1978. - С. 201-203.
12. Meli R., Sdnchez-Ramirez R. Considerations on the Seismic Safety of Historical Monuments // Proc. XT WCEE. Acapulco, Mexico, 1996. - Электронный документ.
13. Коноводченко В.И. Усиление стен кирпичных зданий для повышения их сейсмостойкости // Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий. - М., 1967. - С. 180-186.
14. Поляков С.В., Садыхов З.Г., Прочность и деформации сплошных виброкаменных панелей при перекосе // Сейсмостойкость сборных крупноэлементных зданий. - М.: 1963. - С. 170-183.
15. Поляков С.В., Сафаргалиев С.М. Монолитность каменной кладки. -Алма-ата: 1991. - 160 с.
16. Поляков С.В., Коноводченко В.И. Прочность и деформации виброкирпичных панелей при перекосе // Сейсмостойкость сборных крупноэлементных зданий. - М., 1963. - С. 131-148.
17. Черкашин А.В., Фетисова В.И. Исследование эффективности некоторых способов восстановления поврежденных землетрясениями элементов
стен крупнопанельных зданий // Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений. Сб. научных трудов / Под ред. В.А. Быховского. - М.: ЦНИИСК, 1967. - С. 46-57.
18. Айзенберг Я.М., Килимник Л.Ш. О критериях предельных состояний и диаграммах восстанавливающая сила-перемещение при расчетах на сейсмические воздействия // Сб. Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений / Под ред. И.И. Гольденблата. - М.: 1972. - С. 46-60.
19. Андреев О.О., Ойзерман В.И. Уроки землетрясения. Общие выводы // Карпатское землетрясение 1986 г. / Под ред. А.В. Друмя, Н.В. Шебалина, Н.Н. Складнева, С.С. Графова, В.И. Ойзермана. - Кишинев, 1990. -С. 323-325.
20. Кабанцев О.В. Макросейсмический эффект землетрясения 4 октября 1994 г. на островах Итуруп, Кунашир, Шикотан // Экспресс-информация ВНИИИС Госстроя СССР. Серия 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. - М., 1995. - Вып. 4. - С. 7-11.
21. Кожаринов С. В. Исследование деформаций кирпичной кладки при действии горизонтальных нагрузок // Динамика и сейсмостойкость зданий и сооружений / Сб. ИССС АН ТаджССР. - Душанбе: 1980. - С. 127-134.
22. Кабанцев О.В., Тонких Г. П. и др. Пособие по оценке сейсмостойкости и сейсмоусилению общевойсковых зданий с несущими стенами из каменной кладки. - М.: 26 ЦНИИ МО РФ, 2002. - 79 с.
23. Поляков С.В., Пильдиш М.Я. Каменные и армокаменные конструкции зданий. - М., 1955. - 399 с.
24. Измайлов Ю.В. и др. Усиление зданий, поврежденных землетрясением / Ю.В. Измайлов, В.А. Буровенко, А.Ф. Кирпий // Карпатское землетрясение 1986 г. / Под ред. А.В. Друмя, Н.В. Шебалина
25. Мартемьянов А.И., Ширин В.В. Способы восстановления зданий и сооружений, поврежденных землетрясением. - М., 1978. - 204 с.
26. Махатадзе Л.Н. Комплексный метод исследования сейсмостойкости каменных зданий. - Тбилиси, 1983. - 111 с.
27. Ципенюк И.Ф. Надежность зданий жесткой конструктивной схемы при сейсмических воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. - 1990. - № 10. - С. 84-87.
28. Жунусов Т. Ж. Основы сейсмостойкого строительства. - Алма-Ата: 1990. - 270 с.
29. Ньюмарк Н., Розенблюет Э. Основы сейсмостойкого строительства / Сокр. пер. с англ. / Под ред. Я.М. Айзенберга. - М., 1980. - 344 с.
30. Тсо В., Поллнер Е. Циклические воздействия на стены из армированной каменной кладки // Сейсмостойкие сооружения и теория сейсмостойкости (по материалам V международной конференции по сейсмостойкому строительству) / Под ред. С.В. Полякова и А.В. Черкашина. - М., 1978. -С. 206-208.
