CC BY
86
УДК 69.058.624.07
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ СТЕН И МЕТОДИКА УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ИХ НА ОСТАТОЧНУЮ ПРОЧНОСТЬ
В.В. Леденев, В.П. Емельянов, Я.В. Савинов
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: механизм разрушения; начальные дефекты; прочность; стеновые панели; эмпирические зависимости.
Аннотация: Проанализированы результаты обследования большого числа крупнопанельных зданий города. Выявлены наиболее характерные повреждения стен. Приведена методика учета влияния параметров дефектов на остаточную прочность несущих стен. Изучены механизмы разрушения стеновых конструкций. Установлены функциональные зависимости между несущей способностью моделей, видами и параметрами дефектов.
В период с 1998 по 2003 гг. проведено визуальное обследование 1559 гражданских зданий г. Тамбова. В 26,2 % из них имеются различные повреждения стен, причем в подавляющем большинстве случаев деформации зданий не стабилизировались, 8,2 % зданий находятся в критическом состоянии. Определены закономерности распределения поврежденных зданий на территории города. Установлены наиболее распространенные виды повреждений стеновых конструкций: силовые, просадочные, температурные и усадочные трещины; штрабы; расслоения; нарушения опирания и другие, которые значительно снижают несущую способность нагруженных участков стен, особенно простенков первых этажей многоэтажных зданий. При определенном сочетании неблагоприятных факторов может произойти разрушение конструкций. В [5] отмечается, что в зданиях высотой до пяти этажей фактическая нагрузка на внутренние стены первого этажа составляет 50...60 % от несущей способности. Всесторонних исследований влияния параметров дефектов на несущую способность стен не проводилось, а имеющиеся в литературе предложения по оценке степени снижения несущей способности [1 -
4, 10, 12] весьма ориентировочны, часто не подтверждаются на практике.
Целью проведенных нами исследований является: разработка расширенной классификации повреждений стен; установление экспериментальным путем эмпирических зависимостей несущей способности стен от параметров дефектов; изучение механизмов их разрушения.
Методика учета влияния повреждений на прочность стен при однодвухосном сжатии. Согласно предлагаемой нами методике влияние повреждений на остаточную прочность осуществляется в шесть этапов: I - классифицирование повреждений; II - установление перечня влияющих параметров; III - определение относительных значений влияющих параметров; IV - вычисление коэффициентов, учитывающих каждый параметр повреждений; V - определение остаточной прочности стен; VI - сравнение полученных значений прочности с нормативными.
I - классифицирование повреждений. Повреждения рассматриваются как нарушения целостности материала стен, которые влияют на его несущую способность. Используя классификацию (табл. 1), можно, например, установить категорию и влияющие параметры для трех видов повреждений: неполное опирание, штраба и трещина. Каждый из этих видов рассматривается с точки зрения: направления развития относительно плоскости стены; характера простирания; расположения относительно центральной оси или диагонали.
II - установление перечня влияющих параметров. Каждое повреждение может характеризоваться одним и более параметрами. К примеру, каждая трещина характеризуется шестью параметрами: направлением раскрытия относительно плоскости стены, характером простирания, углом наклона, длиной, амплитудой полуволн, частотой полуволн.
Таблица 1
Классификация характерных видов повреждений стен
Вид поврежде- ния Ориентация относительно плоскости стены Характер простирания Располо- жение Контроли- руемый параметр Индекс параметра Значение параметра (в относительных величинах)
Не полное опирание Продольная Непрерывное - Ширина Нз h3 = Из/ h
Поперечная Прерывное Симмет- ричное а2 а2 = а2Іа
Прерывное а3 а W -= 0і
Непрерывное Асиммет- ричное аі al = аі / а
- Точечное Симмет- ричное Число опираний N -
Штраба Продольная Непрерывное Асиммет- ричное Глубина ¿2 h2 = h2l h
Высота Ь1 b1 = Vb
Поперечная Глубина ¿2 h2 = h^ h
Высота Ь1 b1 = bilb
Трещина Продольная Сквозная На диагонали Угол наклона аі -
Частота полуволн / f ' = bln
Амплитуда А A' = A/l
Длина с2 c2 = C2I а
поперечная Не сквозная На диагонали Длина Ні h2 = hi h
Частота полуволн Г f ' = bln
Вне диагонали Амплитуда А A' = A/l
Угол наклона а2 -
наклонные и вертикальные трещины а)
Рис. 1 Повреждение стены наклонной трещиной:
а - деформированное здание по ул. Пушкарская, 37; б - определение продолжения длины диагональной наклонной трещины
III - определение относительных значений влияющих параметров. Установив перечень влияющих параметров рассматриваемого повреждения, можно определить их относительные величины, которые изменяются от 0 до 1, используя седьмой столбец (табл. 1), где а, Ь и к - длина, высота и толщина стены в пределах одного этажа, / - длина трещины, п - число волн. Так, в случае повреждения стены сквозной наклонной трещиной с углом наклона близким к 45°, измеряют ее длину 1СГ1, затем вдоль трещины проводится линия d в сторону ее роста (рис. 1, пунктир). Полученный размер трещины делят на длину направляющей линии d, и получают безразмерную величину Ь'СГ1, по уравнению Ь'СГ1 = /СГ1/d < 1.
IV - вычисление коэффициентов, учитывающих каждый параметр повреждений. Производится по эмпирическим функциям влияния, полученным нами экспериментальным путем (методика экспериментов приведена ниже) [7]. Такие функции нами получены для 11 параметров повреждений (табл. 2). К примеру, при наклонной трещине величину Ь'СГ1 подставляют в уравнение (1), из которого определяют значение относительной остаточной прочности
kr1 = Fdisi ((ri ) = -0,69 С31 +1,35 -1,2 ҐсЛ +1.
(1)
Таблица 2
Эмпирические зависимости разрушающей нагрузки от параметров исследуемых видов повреждений стен
№ Эмпирические зависимости между
серий Вид начального дефекта относительной разрушающей нагрузкой и
опытов параметрами дефектов
1 2 3
Дефекты опирания моделей
1 Неполное симметричное опирание по краям при изменении ширины зоны контакта Féis (2 ) = 1/(0,7a2 +1,8/a2 )
2 Неполное опирание по центру при изменении ширины зоны контакта а3 Fdis (3) = -0,79a3 +1,803
1 2 3
3 Неполное асимметричное опирание при изменении ширины зоны контакта а1 Fdis (a1 ) = 1 (°>7a12 +18a1 )
4 Концентраторы напряжений, при изменении их числа N F’dls (N) = 0,163ln (N) + 0,1
Трещины и штрабы
5 Наклонная сквозная трещина при изменении ее длины /'СГ1 Fdis (l'cr1 ) = 8,96/;41 -14,19/^ + 5,84-ïcrX
6 Сквозная диагональная трещина при изменении ее длины /'СГ 2 Fdis (/'cr2) = -0,69/Cr32 +1,35l'Cr2 -!,2/'cr2 +1
7 Несквозная диагональная трещина при изменении ее глубины к1 Fds (h ) = 0,77/? - 1,2h1 +1
8 Вертикальная трещина при изменении ее длины с F’dls(c2)= e (0,5c )c + 0,2c'
9 Вертикальные трещины при изменении их числа п _ -36 8 Fdi s = a 18ln n + 4n +1 dls V en
10 Стена с горизонтальной штрабой при изменении ее глубины к2 Fdls = -2,69h23 + 5,32h22 - 3,63h2 +1
11 Естественные трещины при изменении угла их наклона а Fdls (a) = (1,03 x 10-4 )a2 - 0,012a +1
V - определение остаточной прочности стеновых конструкций с дефектами. Несущая способность поврежденной стены RdiS равна фактической прочности кладки без дефектов Р-ц-аа умноженной на коэффициенты учитывающие влияние параметров повреждения Fdis (2), так для случая с диагональной трещиной необходим учет всех шести параметров этого вида повреждений: угол наклона ка1 в плоскости стены, угол наклона ка2 из плоскости стены, длина к^ , амплитуда полуволн к^ , частота полуволн к^.
Rdis = Ffactk/'cr-^ ка2kа1kAkf . (2)
VI - сравнение полученных значений прочности с нормативными. Согласно [6], поврежденные каменные и армокаменные конструкции подлежат усилению, если их несущая способность недостаточна для восприятия действующих на рассматриваемый элемент нагрузок и не выполняется условие прочности
КбцF ^ ^ , (3)
где F - фактическая нагрузка в момент обследования; Кбц - коэффициент безопасности, принимаемый для неармированной кладки 1,7; для армированной - 1,5.
Методика испытаний. При проведении экспериментов использовали бетонные пластины с размерами axbxh = 300x300x50 мм (рис. 2, б), где а - ширина модели, b - высота и h - толщина. Масштаб геометрического подобия вп/вм выбран равным 10 [4]. Крупным заполнителем бетона являлся гранитный щебень с максимальной крупностью 20 мм; мелким - кварцевый песок из карьера «Крас-ненский» г. Тамбова с модулем крупности Мк=1,6. В качестве вяжущего материала использован «Мальцевский портландцемент» марки 400. Расчетный класс бетона В-20. Бетонную смесь составом по массе Ц/Ц:В/Ц:П/Ц:Щ/Ц =1:0,65:1,95:3,57 приготавливали в бетономешалке гравитационного типа, укладывали в опалубку и уплотняли в течение 5.. .7 с на виброплощадке СМЖ - 539 ПС. На третьи сутки опалубку разбирали, а образцы маркировали и упаковывали в полиэтиленовые пакеты. С одного замеса получали 5 образцов. Всего было изготовлено 270 образцов, в том числе без проемов, с оконными и дверными проемами. Они твердели в течение 28 суток при температуре 26.28 °С. Для контроля прочности бетона из каждого замеса отбирали по 3 кубика размером 100*100x100 мм. Искусственные начальные трещины моделировали полосками из аргиллита толщиной 0,3 мм, которые закладывали в образцы на стадии формования бетона. Естественные начальные трещины получали приложением на образец сосредоточенной нагрузки через стальные уголки (40x40 мм), между остриями которых возникала трещина.
Поставлена серия экспериментов с образцами, имеющими начальные повреждения в виде неполного опирания образцов по симметричной и асимметричной схемам. Локальную (точечную) нагрузку создавали посредством стальных стержней 010 мм. Неполное опирание стен устраивали при помощи стальной полоски толщиной 4 мм. Модель стены устанавливали на жесткую стальную плиту с шарнирным закреплением. Распределенную нагрузку передавали на образец через прокладку из трехслойной фанеры. Испытания проводили на гидравлическом прессе ПСУ-125. Нагрузку на образец увеличивали со скоростью 3 кН/с до его разрушения. Фиксировали нагрузку начала трещинообразования Fcrc , и разрушения образца - Fdis . В каждой серии ступенями изменяли контролируемый параметр, при 3-5-кратной повторности. Полученные результаты усредняли и аппроксимировали методом наименьших квадратов, используя программу «Simple Formula», вычисляли наибольшие и среднеквадратические отклонения.
Исследование механизма разрушения выполняли методом визуального наблюдения. В целях увеличения контрастности трещин образцы покрывали белой водоэмульсионной краской. На модели наносили квадратные ячейки 1*1 см (рис. 2, в).
Характер разрушения фотографировали и снимали на видеокамере «SAMSUNG», и производили покадровый анализ динамики деформирования (рис. 2, а). Видеоматериал распечатывали с помощью устройства AverMedia TV. Для одновременного наблюдения процесса деформирования с трех экспозиций была смонтирована система зеркал, показанная на рис. 2, б.
Для образцов без начальных дефектов, с начальной диагональной трещиной, со штрабой и оконным проемом проведена серия экспериментов с поперечным сжатием создаваемым обжимным устройством (рис. 2, в, д). Сила поперечного сжатия создавалась и регулировалась при помощи гаек 6. Сжимающее усилие Fx передавалось на распределительные пластины 3 через динамометр 7. Гайки, расположенные на одной диагонали, заворачивали синхронно на один оборот. Силу бокового обжатия контролировали динамометром ДОСМ 3-03.
Эксперименты проводили при боковом обжатии F'x = F^Fdis = 0; 0,0873;
0,1571; 0,2374; 0,3142, где Fdis - разрушающая нагрузка образца без повреждений и бокового обжатия.
і------------------
д)
Рис. 2 Инструментальное оборудование:
а - экспериментальная установка; б - образец в рабочем положении с системой зеркал; в - образец в обжимном устройстве; г - кассетная опалубка на 5 образцов; д - схема обжимного устройства: 1, 5 - упорные пластины; 2 - тяжи; 3 - распределительные пластины; 4 - образец; 6 - гайки; 7 - динамометр ДОСМ 3-3; 8 - шайбы; 9 - шарнир
Результаты экспериментов. В табл. 2 приведено уточнение и дополнение данных [7].
Ограничение горизонтальных перемещений и усилие поперечного сжатия по разному влияют на работу стен с различными видами повреждений. Так в случае
с диагональной трещиной ограничение горизонтальных перемещений не дает почти никакого эффекта усиления, а боковое обжатие всего лишь 10.13 %. В стенах с повреждениями в виде штрабы ограничение боковых деформаций без обжатия приводит к повышению несущей способности стен на »115 %, а при максимальном обжатии на »175 %. При различных видах проемов боковое обжатие увеличивает несущую способность моделей стен на 85.90 %. В случаях, когда F'x = 0 обжимное устройство ограничивало только распорные напряжения
эффект усиления достигал 30.35 %. С увеличением F'x до 0,028 способность
возрастает, а затем эффект усиления уменьшается. Эти различия связаны с особенностями механизмов разрушений, поперечное сжатие влияет на эти механизмы индивидуально.
Анализ напряженного состояния моделей и механизма разрушения.
Производили путем расчета полей напряжений и деформаций в моделях. Расчет велся методом граничных элементов. Образцы рассматривали как двухмерные балки-стенки. В ходе расчета пластины разбивали на 625 (25*25) граничных элементов, шарнирно соединенных между собой в узлах. Каждому конечному элементу присваивали прочностные характеристики, соответствующие материалу рассчитываемой пластины (бетон класса В-20). При расчете каждого последующего эксперимента изменяли граничные условия рассчитываемой балки-стенки. Расчет производился с использованием программного комплекса «МИРАЖ».
Поскольку при расчете кирпичных стен методом граничных элементов каменная кладка рассматривается на уровне мезоструктуры, как квазиоднородный материал, в котором не учитываются: форма кирпича, толщина швов и вид перевязки. Прочностные характеристики кирпича и раствора усредняются. На данном уровне усреднений в качестве моделей кирпичных и бетонных стен (простенков) предложено использовать бетонные образцы.
Проведенные исследования механизмов разрушения моделей стен с различными повреждениями и анализ их напряженного состояния позволяют точнее выявить резервы прочности поврежденных конструкций, определить характер работы неповрежденных участков. Замечено, что при изменении одного из параметров повреждения изменяется механизм разрушения пластины, что объясняет нелинейный характер функций влияния. В отдельных случаях (диагональная трещина) - увеличение длины трещины после определенного предела приводит к незначительному увеличению остаточной прочности.
Предлагаемая методика определения остаточной прочности стен с повреждениями в совокупности с анализом их деформирования и напряженного состояния позволяет углубить представления о механизме разрушения стен, использовать эмпирические зависимости для оценки остаточной прочности стен; применить методику для изучения влияния других видов дефектов стен. Данная методика дает возможность эксплуатирующим и проектным организациям принять решение о целесообразности и способе усиления поврежденных стеновых конструкций с рассматриваемыми здесь видами повреждений.
Список литературы
1. Аимбетов И.К. Исследование причин аварий зданий г. Нукуса / И.К. Аим-бетов, Ш.И. Сейтниязов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1994. -№ 1. - С. 22-24.
2. Алешин Н.Н. Электроакустические методы обследования зданий / Н.Н. Алешин. - М.: Стройиздат, 1982. - 158 с.
3. Андерсен Дж. Г.К. Интересные случаи из практики инженерной геологии: Пер. с англ. / Дж. Г.К. Андерсен, К.Ф. Тригг. - М.: Недра, 1981. - 224 с.
4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. - М.: Физматгиз, 1962. - 856 с.
5. Гроздов В.Т. Дефекты конструкций каменных зданий и методы их устранения / ВИСИ. - СПб., 1994. - 148 с.
6. Комисарчик Р.Г. Методы технического обследования ремонтируемых зданий / Р.Г. Комисарчик. - М:. Стройиздат, 1975. - 88 с.
7. Леденев В.В. Прочность и трещиностойкость моделей стен с начальными дефектами / В.В. Леденев, С.П. Морозов, Я.В. Савинов. - Вестник ТГТУ. - 2002.-Том 8. - № 3. - С. 525-534.
8. Лишак В.И. Расчет крупнопанельных зданий на неравномерные деформации основания / В.И. Лишак. - М.: ЦНТИ по гражд. стр-ву и арх-ре., 1969. - 67 с.
9. Лужин О.В. и др. Обследование и испытание сооружений: учеб. для вузов. -М.: Стройиздат, 1987. - 263 с.
10. Милюков Д.А. Строительство и защита жилых и гражданских зданий на подрабатываемых территориях / Д.А. Милюков, А.А. Петраков. - Киев: Буд1вель-ник, 1981. - 104 с.
11. Рибицкий Р.А. Повреждения и дефекты строительных конструкций / Р.А. Рибицкий. - М.: Стройиздат, 1982. - 432 с.
12. Рудько Г.И. Инженерно-геологические аспекты управления геологической средой западного региона Украинской ССР / Г. И. Рудько // Инженерная геология. 1990. - № 6. - С. 77-89.
Common Types of Wall Damage and Methods of Account of their Influence on Permanent Strength
V.V. Ledenev, V.P. Emelyanov, Ya.V. Savinov
Department “Construction of Buildings and Structures”, TSTU
Key words and phrases: destruction mechanism; initial defects; wall panels; empirical dependencies.
Abstract: The results of investigation of a great number of large-panel buildings in the town are analyzed. The most typical wall damages are revealed. The methods of account of the defect parameters on the permanent strength of carrier walls are given. The destruction mechanisms of wall structures are studied. Functional dependencies between model carrier capacity, types, and parameters of defects are determined.
Verbreitete Arten der Wändebeschädigungen und die Methodik der Erfassung ihres Einflußes auf die restliche Haltbarkeit
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der Überprüfung der grossen Zahl der Großplattengebäude der Stadt analysiert. Es sind die am meisten charaktervollen Wändebeschädigungen gezeigt. Es ist die Methodik der Erfassung des Einflußes der Parameter der Defekte auf die restliche Haltbarkeit der tragenden Wände angeführt. Es sind die Mechanismen der Zerstörung der Wändekonstruktionen studiert. Es sind die funktionalen Abhängigkeiten zwischen der tragenden Fähigkeit der Modelle, den Arten und den Parametern der Defekte festgestellt.
Types répendus de la détérioration des murs et méthode du calcul de leur influence sur la solidité restante
Résumé: Sont analysés les résultats de l’étude d’un grand nombre d’immeubles à grands lambris de la ville. Sont montrées les plus importantes détériorations des murs. Est effectuée la méthode du calcul de l’influence des paramètres des défauts sur la solidité restante des murs porteurs. Sont étudiés les mécanismes de la détérioration des constructions murailles. Sont établies les dépendances fonctionnelles enre la capacité porteuse des modèles, les types et les paramètres des défauts.
