автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Наружные стены каркасных зданий на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях

На правах рукописи

Давидюк Артём Алексеевич

НАРУЖНЫЕ СТЕНЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА СТЕКЛОВИДНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ит 2014

Москва 2014

( и

005549356

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов» (ФГБОУ ВПО «РУДН»)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Обозов Владимир Иванович

Кодыш Эмиль Нухимович доктор технических наук, профессор, ОАО «ЦНИИПромзданий», главный инженер отдела конструктивных систем

Дузинкевич Михаил Сергеевич, кандидат технических наук, ГУЛ «Московский научно-исследовательский и проектный институт типологии, экспериментального проектирования», заведующий лабораторией прочности

ОАО «Центральный научно-

исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий»

/уСК!

Защита диссертации состоится «30» июня 2014 г. в 77 час. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. ¿/ъебссы?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте http://www.mgsu.ru.

Автореферат разослан < Ж 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В результате проводимой технической политики по энергосбережению основным типом наружных стен в жилых и общественных зданиях стали многослойные конструкции на основе блоков из ячеистых или легких бетонов с применением плитных утеплителей и наружной облицовкой из различных материалов.

При эксплуатации таких стен обнаружен рад недостатков, приводящих к появлению дефектов уже на начальной стадии эксплуатации, связанных с низкой прочностью и долговечностью узлов крепления наружной облицовки во внутреннем слое на основе легких или ячеистых бетонов плотностью 600кг/м3 и менее. В случае использования более плотных и прочных бетонов необходимо дополнительное утепление, что ограничивает долговечность эксплуатационных качеств наружных стен сроком службы утеплителя, составляющего не более 25 лет, и ухудшает теплотехническую однородность конструкции.

Одним из направлений решения этой проблемы является применение в наружных стенах легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе новых пористых заполнителей, твердая фаза которых находится в аморфизированном стекловидном состоянии (в дальнейшем — стекловидных).

Такие бетоны могут обеспечить необходимые физико-механические свойства наружных стен без применения плитных утеплителей и, в сравнении с равноплотными ячеистыми бетонами, существенно повысить эксплуатационные качества конструкций, в том числе при креплении к ним различных фасадных облицовок.

В основу работы положена научно-техническая гипотеза о том, что применение легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов на стекловидных заполнителях в наружных стенах жилых и общественных зданий обеспечит их безаварийную эксплуатацию, в том числе при креплении к ним различных облицовочных слоев и конструкций, а их высокие теплотехнические характеристики позволят отказаться от применения недолговечных плитных утеплителей в большинстве регионов страны.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое обоснование основных принципов конструирования и развитие методов расчета наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• по результатам натурных обследований проведен анализ существующих технических решений наружных стен с выявлением основных недостатков, приводящих к образованиям дефектов в процессе эксплуатации, даны предложения по их устранению;

• проведены экспериментальные исследования прочностных и деформативных характеристик легких бетонов на стекловидных заполнителях и предложены аналитические зависимости для их определения при проектировании конструкций;

проведены экспериментальные исследования несущей способности анкерного крепежа и гибких связей различного типа, заделанных в стеновых образцах из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях;

• построена трехмерная расчетная модель анкерного узла, достоверность которой подтверждена результатами экспериментальных исследований;

• установлены значения минимальных толщин кладки наружных стен без использования дополнительного утепления при различных конструктивных решениях с учетом их теплотехнических характеристик и неоднородности конструктивных решений;

• предложена аналитическая расчетная модель облицовки (кирпичной кладки), связанной с внутреннем слоем стены с помощью гибких связей, выполненной с опиранием на перекрытие через металлический уголок;

• даны рекомендации по расчету наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях с различными фасадными облицовками для всех ветровых районов страны с учетом параметров анкеровки исследованных типов анкерного крепежа и гибких связей.

Объектом исследования являются наружные стены на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях. Предмет исследования -особенности конструирования и расчета наружных стен с учетом физико-

механических свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях и характера напряженно-деформируемого состояния анкерных узлов. На защиту выносятся:

результаты проведенного анализа существующих технических решений наружных стен с выявлением основных недостатков, приводящих к образованиям дефектов в процессе эксплуатации, даны предложения их устранению;

• результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик легких бетонов на стекловидных заполнителях и аналитические зависимости для их определения при проектировании конструкций;

• результаты экспериментальных исследований несущей способности анкерного крепежа и гибких связей, заделанных в стеновые образцы из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях при действии на них продольных сил, проведенные по адаптированной методике;

результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния кладки стен из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях в зоне заделки анкера на основе предложенной трехмерной расчетной модели;

• результаты исследований и адаптированная методика определения влияния теплопроводных включений (растворных швов, арматуры, гибких связей и пр.) на приведенное сопротивление теплопередаче различных конструктивных решений наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях;

• аналитическая расчетная модель облицовки (кирпичной кладки), связанной с внутреннем слоем стены с помощью гибких связей, выполненной с опиранием на перекрытие через металлический уголок;

• рекомендации по расчету наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях с различными фасадными облицовками для всех ветровых районов страны с учетом параметров анкеровки исследованных типов анкерного крепежа и гибких связей.

Научная новизна работы:

• экспериментальные значения прочности и деформативности легких бетонов на стекловидных заполнителях при различной плотности, даны рекомендации для определения этих характеристик с использованием аналитических зависимостей при проектировании конструкций;

• экспериментальные значения прочности и деформативности анкерного крепежа и гибких связей из базальтопластиковой арматуры, установленных в стены из легких бетонов на стекловидных заполнителях при действии продольных сил;

• трехмерная расчетная модель заделанного в стену анкера, подтвержденная результатами экспериментальных исследований;

• аналитическая расчетная модель кирпичной облицовки наружной многослойной стены позволила в первом приближении оценить усилия, возникающие в гибких связях и элементах опирания при внешних воздействиях.

Практическое значение работы:

• определена рациональная область применения наружных стен на основе бетонов на стекловидных заполнителях;

• даны предложения по совершенствованию существующих технических решений наружных многослойных стен, в том числе путем применения в основном слое стены конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на стекловидных заполнителях;

• даны рекомендации по выбору толщин основного слоя наружных стен из легкого бетона на стекловидных заполнителях различной плотности и различных конструктивных решений с учетом влияния теплопроводных включений, для проектирования их без дополнительного утепления в климатических условиях Московского региона;

рекомендации по расчету наружных стен и выбору крепежа при проектировании конструкций наружных стен на основе блоков из легкого бетона на стекловидных заполнителях с наружной облицовкой из различных материалов с учетом различной ветровой нагрузки;

Апробация работы осуществлена в докладах на научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов «Современные инженерные технологии» Инженерного факультета РУДН в 2010 и 2012 гг.

Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 8 научных работах, в том числе 7 работ в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации - 144 страницы, в том числе 59 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 183 наименований, 93 страницы приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, перечислены основные выносимые на защиту положения и результаты, обозначены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе изучено состояние вопроса с постановкой задач исследования. Рассмотрены применяемые в стране конструктивные решения многослойных наружных стен, разработками которых занимались А.И. Герард, Л.И. Онищик, Н.С. Попов, Н.И. Орлянкин, Л.А. Серн, С.А. Власов, Е.П. Гуров, А.И. Рабинович. Позже, исследования многослойных наружных стен с повышенным сопротивлением теплопередачи на основе легких и ячеистых бетонов проводились в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко - Ищуком М.К., Горбуновым Д.И., Пономаревым О.И., Грановским A.B., Острецовым В.М., Павловой М.О. в НИИЖБ им. A.A. Гвоздева - Чиненковым Ю.В., Ярмаковским В.Н., Давидюком А.Н., Уховой Т.А., в ЦНИИЭП Жилища -Николаевым C.B., Магаем A.A. Беляевым B.C., Граником Ю.Г., Киреевой Э.И., Зыряновым B.C., Шалыгиной Е.Ю., в МНИИТЭП - Григорьевым Ю.П., Гурьевым В.В., Шапиро Г.И., во ВНИИЖелезобетон - Рахмановым В.А., Холмянским М.М., Довжиком В.Г., Мелиховым В.И., Лемышом Л.Л., в НИИСФ - Шубиным И.Л., Гагариным В.Г., Ананьевым А.И., Лобовым О.И., Козловым В.В., в МГСУ - Король Е.А., Баженов Ю.М. и другими учеными в

проектных и научно-исследовательских институтах НИИМосстрой, Моспроект, Моспромроект, Мосгражданпроект.

б)

швукш/рта

Вяаху ¡я жзтж бекона

«о И " 1 Вяш/ из легкого бжюха

Ктстцргт «Ае»»Чг цГ ® стт^дт, г «ммзд^^мдГв.........1?.....дао«««®

Рис. 1. Конструкции наружных стен на основе легкого бетона на стекловидных заполнителях с различными видами фасадных облицовок: а) из кирпича с опиранием на плиты перекрытий; б) из кирпича с опиранием на металлический уголок; в) с наружным штукатурным слоем; г) по системе навесных вентилируемых фасадов.

Для изучения проблем и методов расчета анкерного крепежа и гибких связей, используемых в многослойных наружных стенах были рассмотрены исследования совместной работы отдельных стержней арматуры и закладных деталей в бетонных конструкциях при их изготовлении, представленные в работах Ш.А. Алиева, Б.Б. Вайнера, А.П. Васильева, Б.С. Гольдфайна, Н.И. Катина, Г.Ж. Жунусова, С.А. Дмитриева, В.М. Кольнера, В.А. Клевцова,

Н.М. Мулина, Л.П. Серовой, Ю.А. Тевелева, М.М. Холмянского, А.П. Широкова и других авторов. Проблемами анкерных креплений в стенах из различных материалов современных фасадных систем занимались A.B. Грановский, М.О. Павлова и Д.И. Киселев, среди зарубежных исследователей следует выделить работы Eligehausen R., Pusill-Wachtsmuth Р., Cedolin L., Bazant Z., Seghezzi H., Sawade G. и др.

В главе приведен анализ результатов обследования конструкций многослойных наружных стен зданий с кирпичной облицовкой, построенных на основе технических решений последних десятилетий. Выявлены основные недостатки таких конструкций.

Сделан вывод о том, что улучшение эксплуатационных характеристик наружных стен и повышение их долговечности может быть достигнуто за счет их проектирования на основе легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе стекловидных заполнителях легких бетонов с пониженной до 600-800кг/м3 плотностью.

Во второй главе представлены данные, полученные при экспериментальных исследованиях деформативных и прочностных характеристик бетонов на стекловидных заполнителях - на ПСГ (пеностеклогранулятах), ВВГ (вспученном витрозитовом гравии), ВТГ (вспученном туфоаргиллитовом гравии) и СП (стеклопорах).

На рис. 2 представлены полученные экспериментальные зависимости «прочность-плотность» для исследуемых стекловидных бетонов в сравнении с керамзитобетоном и автоклавным ячеистым бетоном (формула 1).

я= = (1)

где р - средняя плотность бетона (кг/м3), Р = — = (1 —

2670 —плотность «беспористого» бетона в известном приближении, кг/м'

Коэффициенты Кь К2 и статический показатель Г_Таблица 1

Вид легкого бетона на стекловидных заполнителях

ВТГ ВВГ ПСГ СП

К, 250 783 250 250

к2 2,94 4,10 2,92 2,51

0,865 0,683 0,922 0,934

Прочность при сжатии легких бетонов на стекловидных пористых заполнителях на 10-20% выше прочности равноплотных керамзитобетонов. К

тому же следует отметить, что плотность керамзитобетона менее 800-900 кг/м3 практически не достижима ввиду, отсутствия керамзита с насыпной плотностью меньше 300 кг/м3.

ГШПа

9 1 5 3

300 500 700 900 1100 р, кг/м5

СП; ВТГ: ПСГ ВВГ Автоклавный ячеистый бетон по -и- Керамзитобетон по данным ГОСТ 25485-89; В.Г. Довжика

Рис.2. Среднестатистические зависимости предела прочности при сжатии от

средней плотности для легких бетонов на различных заполнителях и

ячеистого бетона.

Соотношение призменной прочности от кубиковой с высокой точностью (г2 = 0,95) описывается выражением:

Ярг = 0,952/? - 0,434, (2)

Т.к. призменная прочность исследуемых легких бетонов составляет большую часть от кубиковой, чем у керамзитобетона (порядка 0,911), при проектировании конструкций из легких бетонов на стекловидных заполнителях, предлагается использовать с поправками принятую для керамзитобетона нормативную базу для назначения нормативных и расчетных сопротивлений бетона КЬп,

Экспериментальные значения начального модуля упругости легких бетонов на стекловидных заполнителях плотностью 600-800кг/м3 Таблица 2

Плотность бетона, кг/м3 Значения модуля упругости бетона Е, МПа

ВТГ ВВГ ПСГ СП

600 5300 5350 5200 5400

800 6500 6550 6400 8000

1

у/

// /

/

Зависимость предела прочности при растяжении легких бетонов на стекловидных заполнителях от предела прочности при сжатии:

Л, =хК> (3)

где для бетонов на СП: х= 0,1, у = 0,95; для бетонов на ПСГ и ВТГ: х= 0,1, у = 0,875; для бетонов на ВВГ: х= 0,046, у = 1,138.

Зависимость меры и коэффициента ползучести легких бетонов на стекловидных заполнителях от предела прочности при сжатии:

С0 =—-10"

(4)

С,(10°), 1/МПа

Л

\ ■

Ч

Керамзито бетон по данным И.Н.Серегина

По данным автора: • Бетон на ПСГ

— Бетон на ПСГ - прогноз 35 лет ■ Бетон на ВВГ

— Бетон на ВВГ - прогноз 35 лет Бетон на ВТГ

Бетон на ВТГ - прогноз 35 лет

10

Я. МПа

Рис. 3. Зависимость меры ползучести от предела прочности при сжатии.

Значение меры ползучести для легких бетонов на стекловидных заполнителях в зависимости от предела прочности на сжатие Таблица 3

Тип заполнителя легкого бетона Применяемые коэффициенты в формуле 4 Значение меры ползучести, (Ю-5)/ прочность бетона (МПа)

ПСГ к=404 и г=1,47 44,0/3,5 26,0/5,0 14,5/7,5

ВВГ к=164 и г=1,27 25,0/3,5 15,5/5,0 13,0/7,5

ВТГ к=284 и 2=1,31 40,0/3,5 25,0/5,0 15,0/7,5

Кинетика деформаций ползучести легких бетонов на стекловидных заполнителях удовлетворительно описывается функцией вида:

еа=а(Ь+с\ат) (5)

Развитие усадочных деформаций функцией вида:

£ш = а]пт+Ь (6)

где £ск - деформации ползучести, мм/м; т - продолжительность нагружения, сут; значения коэффициентов составляют а= 0,68; Ь = 0,76; с = 0,066 для бетона В2,0 и а= 0,3; Ь = 0,76; с = 0,066 для бетона В12.5.

Усадка легких бетонов на стекловидных заполнителях_ Таблица 4

Класс бетона Значения деформации усадки хЮ"' (мм/м)

Бетон на ВТГ Бетон на ВВГ Бетон на ПСГ

В2,0 - 0,56 1,12

В3,5 0,68 - 0,89

В5,0 0,59 0,33 0,4

В7,5 0,47 0,29 0,305

BIO - - 0,21

Из полученных в работе данных (рис. 4) следует, усадка бетонов классов В3,5 и выше на стекловидных заполнителях существенно меньше керамзитобетона, в связи с чем повышается их трещиностойкость.

£sh, ММ/M

-й- Керамзитобетон но данным В.Г.Довжмка

—Тяжелый бетон по формуле СП 63.13330.2011 еж =1,3 а-К""

где а - зависит от вида цемента

Данные автора: # Бетон на ПСГ ■ Бетон на ВВГ Бетон на ВТГ

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Я, МПа

Рис. 4. Зависимость деформаций усадки от прочности бетона на сжатие.

Вт/м°

ЛЛегкий бетон на СП (данные автора) ■Легкий бетон на ВТГ, ПСГ, ВВГ (данные автора) • Керамзитобетон в реальных условиях (данные автора) Керамзитобетон ( поданным СП 23-101-20041

350

450

р, кг/м

Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности от плотности.

Приведенные на рис. 5 результаты свидетельствуют о том, что теплопроводность равноплотных легких бетонов на стекловидных

заполнителях ниже, чем у керамзитобетона на 20-40%, а в сравнении с реальными данными испытаний на 50-100%.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований несущей способности и деформативности анкерных креплений в кладке стен из легкобетонных блоков на стекловидных заполнителях.

Были отобраны распорные и химические анкера MUNGO MB, MBR, MBRK, MBK, MGD, MIT-E и гибкие связи из базальтонластиковой арматуры ГАЛЕН диаметром 4, 6 и 7,5мм.

В качестве стеновых материалов были использованы блоки из легкого бетона на основе заполнителей из гранулированного пеностекла «Неопорм». Размер блоков - 200x200x400мм, плотность бетона 600кг/м3 и 800кг/м3, класс по прочности на сжатие В2.0 и В5.0. Кладка выполнялась на цементно-песчаном растворе марки М100. Были изготовлены 4 стеновых фрагмента сечением 400x415мм, высотой в 4 и 5 рядов блоков.

Для предварительного расчета прогнозируемых усилий вырыва анкерного крепежа, установленного в легкие бетоны на стекловидных заполнителях, использовалась формула определения длины анкеровки арматуры в бетоне из СП 63.13330.2011. Принимая расчетную несущую способность арматуры (анкера) NP=RSAS, получаем:

Np = lo.anRbondUs (7)

Для гибких связей, усилие вырыва из растворных швов каменной кладки, будет происходить без образования пирамиды отрыва, расчет прогнозируемых усилий вырыва можно записать в виде:

Fcp = Np= 2Rphs(d2 + Ь) (8)

где Rp- расчетное сопротивление раствора растяжению; b - толщина растворного шва; hs - длина анкеровки связи; d2 - диаметр связи.

В соответствии с программой, эксперимент был разделен на 4 этапа:

1 этап - установка анкерного крепежа в экспериментальные простенки;

2 этап - загружение образцов в прессе на 1/3 от расчетного сопротивления по СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции»;

3 этап - установка прибора и вырыв анкеров с замером усилий и деформации (рис. 7) по адаптированной методике, представленной в технических свидетельствах ФГУ «ФЦС». При отрыве анкера усилие подавалось ступенями с шагом в пределах 1/10-1/20 от прогнозируемой разрушающей нагрузки. Для фиксации величины остаточных деформаций (перемещений) на этапах нагружения выполнялась разгрузка.

4 этап - оформление результатов и построение графиков -зависимостей деформаций анкерного крепления от действующих продольных вырывающих усилий.

На каждый типоразмер анкера и гибкой связи было произведено по 3 испытания, всего - 192. Схема проведения испытаний представлена на рисунке 7. Захват гибких базальтопластиковых связей производился с помощью изготовленного автором адаптера (рис.6).

В таблицах 5-7 представлены результаты экспериментальных исследований: - минимальные значения усилий, полученные при вырыве, Дв — значения деформаций, соответствующие среднему значению усилий вырыва по результатам испытаний каждого типа анкерных связей, 1Ч„ред -расчетные значения усилий вырыва, определенные с учетом коэффициента запаса по используемой методике (Кзап=7,2); расчетные прогнозируемые значения вырыва в соответствии с формулами 7 и 8.

Вид Л

JTJ

Виа Е

Н ¿

и

Рис. 6. Адаптер для захвата базальтопластиковой арматуры: 1 -основание адаптера, 2- прижимная пластина, 3- разъем для установки испытательного прибора, 4- стягивающие болты М10, 5- гибкая связь.

\|/ i/з NP

•1-

i/з NP

r~

Рис.7. Схема проведения эксперимента по определению несущей способности анкерного крепежа и гибких связей: 1- передвижная опора, 2-образец кладки, 3- опоры прибора, 4- индикатор часового типа, 5- рукоятка для подачи нагрузки, 6- гидравлический цилиндр (прибор HYDRAJAWS), 7-опорная площадка прибора, 8- манометр, 9- анкерный элемент или гибкая связь, 10-распредилительная пластина, 11- пресс ИПС-1000.

Структура разрушения анкерного узла позволила выделить 3 этапа работы:

• на 1-м этапе анкерный узел работает в упругой стадии;

• на 2-м этапе, при нагружении до величины 80-90% от предельной выдергивающей нагрузки, возрастает концентрация напряжений в блоке в зоне контакта с анкером с образованием в нем микротрещин;

• на 3-м этапе работы анкерного узла вследствие развития трещин в области блока, прилегающей к анкеру, происходил вырыв анкера с выколом бетонного конуса.

Анализ, полученных предельных усилий для исследованного анкерного крепежа, заделанного в блоки из легкого бетона на стекловидных заполнителях, показал, что они до 2-х раз выше предельных усилий такого же анкерного крепежа в равноплотных ячеистых бетонах (таблица 8, 9).

Для расчета анкерных узлов на действие вырывающих усилий и подтверждения результатов эксперимента предложена трехмерная расчетная модель, созданная в программном комплексе ЛИРА 9.6. Для моделирования выбраны химические анкеры <1ан =10, 12 мм, глубиной заделки Ьан=100 и 150 мм в легкобетонный блока размером 200x200x200мм (рис. 8). Деформативные и прочностные характеристики бетона на стекловидном заполнителе, принимались в соответствии с результатами, полученными во 2-й главе.

По результатам, приведенным в таблице, максимальное отклонение расчетных значений от экспериментальных составляет 10,9%. Таким образом, результаты эксперимента и статического расчета с использованием трехмерной модели, практически совпадают.

Результаты испытаний химических анкеров Mungo MIT-E Таблица 5

Плотность Характеристика анкера Экспериментальные Расчетные значения

и значения

прочность Хим. Диаметр, Глубина Nb,KH К — Д„ср, мм Np, кН Nnpe.a/Np

элоков состав мм заделки, мм Nß/ICsau, (Kjan=7,2), кН

D600, 8 75 4,5 0,625 0,58 0,452 72,4%

В2,0 100 5,5 0,764 0,60 0,603 79,0%

150 7,0 0,972 0,64 0,905 93,1%

10 75 5,0 0,694 0,55 0,565 81,4%

100 6,5 0,903 0,63 0,754 83,5%

150 9,5 1,319 0,68 1,131 85,7%

w 12 75 5,5 0,764 0,53 0,679 88,8%

н 100 7,0 0,972 0,57 0,905 93,1%

2 150 11,0 1,528 0,69 1,357 88,8%

D800, о Ы) 8 75 6,0 0,833 0,63 0,679 81,43%

В5,0 3 100 8,5 1,181 0,65 0,905 76,64%

2 150 10,0 1,389 0,55 1,357 97,72%

10 75 6,5 0,903 0,57 0,848 93,96%

100 9,0 1,250 0,65 1,131 90,48%

150 12,0 1,667 0,66 1,696 101,79%

12 75 7,0 0,972 0,51 1,018 104,70%

100 9,5 0,319 0,60 1,357 102,86%

150 14,0 1,944 0,62 2,036 104,70%

Результаты испытаний распорных анкер-дюбелей Mungo Таблица 6

Плотность Характеристика связи Экспериментальные Расчетные

и значения значения

прочность блоков Марка дюбеля Диаметр дюбеля/ шурупа, мм Глубина заделки/ длина распорной зоны, мм Диаметр монтажного отверстия в кладке, мм N.. кН Nnpea НЛСзал, К3ал=7,2 кН мм Np, кН ^пред/ Np

D600, В2,0 MBR 8/6 80/50 8 1,25 0,174 0,28 0,226 130,3%

MB 8/6 100/70 8 2,25 0,313 0,50 0,317 101,3%

MBRK 10/8 100/50 10 1,75 0,243 0,36 0,283 116,3%

MB К 10/8 120/70 10 3,5 0,486 0,78 0,396 81,4%

MGD 14/12 100/75 14 4,0 0,556 0,78 0,594 106,9%

D800, В5,0 MBR 8/6 80/50 8 2,25 0,313 0,53 0,226 72,4%

MB 8/6 100/70 8 3,0 0,417 0,61 0,317 76,0%

MBRK 10/8 100/50 10 4,5 0,625 0,74 0,283 45,2%

MBK 10/8 120/70 10 5,0 0,694 1,10 0,396 57,0%

MGD 14/12 100/75 14 5,5 0,764 0,82 0,594 77,7%

Результаты испытаний базальтопластиковых связей Гален Таблица 7

Участок анкеров ки Характеристика связи Экспериментальные значения Расчетные значения

Марка раствора Диаметр арматуры мм Маркировка связи Глубина заделки, мм N„,kH Nnpea- Кип=7,2кН Двср, мм Np, кН Млред/Np

Растворные швы без армирования М100 4 БПА-300-4-2П 100 3,00 0,417 0,75 0,88 47%

150 5,5 0,764 1,26 1,32 58%

200 6,0 0,833 1,16 1,76 47%

250 7,0 0,972 1,28 2,20 44%

6 БПА-300-6-2П 100 3,5 0,486 0,69 0,96 51%

150 6,0 0,833 1,04 1,44 58%

200 7,0 0,972 1,13 1,92 51%

7,5 БПА-300-7,5-2П 100 3,5 0,486 0,63 1,02 48%

150 6,0 0,833 1,12 1,53 54%

Растворные швы с арматурной сеткой 4 БПА-300-4-2П 100 4,0 0,556 1,03 0,96 58%

150 5,5 0,764 1,42 1,44 53%

200 7,0 0,972 1,33 1,92 51%

6 ПА-300-6-2П 100 5,5 0,764 0,89 1,04 73%

150 6,5 0,903 0,94 1,56 58%

250 9,0 1,250 1,06 2,60 48%

7,5 БПА-300-7,5-2П 100 5,5 0,764 1,09 1,02 75%

150 6,5 0,903 1,15 1,53 59%

200 8,5 1,181 1,46 2,04 58%

Результаты испытаний несущей способности химических анкеров Mungo в кладке блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях и в кладке ячеистобетонных блоков плотностью 600-800 кг/м3_Таблица 8

Диаметр шпильки, мм Глубина ¡аделки, мм Ячеистый бетон плотностью 600-800кг/мЗ, кН Неопормбето н плотностью бООкг/мЗ Неопормбето н плотностью 800кг/мЗ Увеличение несущей способности

8 100 4,8-7,5 6,0-9,0 8,5-10,5 20-28,6%

150 6,6-8,2 7,0-8,5 10,0-12,0 8-32%

10 100 5,6-8,6 6,5 9,0 4,5-34%

150 7,2-10,1 9,5-12,0 12,0-14,0 24-29%

Результаты испытаний несущей способности пластиковых анкеров Mungo в кладке блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях и в кладке ячеистобетонных блоков плотностью 600-800 кг/м3_Таблица 9

Марка дюбеля Типоразмер Ячеистый бетон плотностью 600-800кг/мЗ, кН Неопорм-бетон плотностью бООкг/мЗ Неопорм-бетон плотностью 800кг/мЗ Увеличение несущей способности

MBR. 8x80 0,94-1,20 1,25-2,25 2,25-3,25 33-170%

MB 8x100 1,50-1,76 2,25 3,0 50-70%

MBRK 10x100 1,75-2,6 • 1,75-3,0 4,5-6,5 0-150%

МВК 10x120 2,2-4,0 3,5 4,5-6,0 50-59%

Рис.8, а) Общий вид расчетной модели анкерного узла; б) Диа1-рамма касательных напряжений тху в анкерном узле при <1ан = 12 мм с глубиной заделки Ьа„ = 75 мм при усилии вырыва ^6,5кН; в) т^; г)

Деформации анкерного узла по результатам статического расчета Таблица 10

Диаметр Глубина Усилие Деформации, А, мм Отклонение,

анкера, <1а1„мм заделки, Ьа„,мм вырыва, кН мм (%)

Эксперимент Расчет

10 75 6,5 0,57 0,508 0,062 (10,9)

10 100 8,5 0,59 0,579 0,011 (1,9)

10 150 12 0,66 0,64 0,02 (3,0)

12 75 6,5 0,43 0,446 0,016(3,7)

12 100 8,5 0,49 0,507 0,017(3,5)

12 150 14 0,62 0,647 0,027 (4,4)

В четвертой главе представлены результаты исследований теплотехнических характеристик наружных стен на основе расчета двухмерных температурных полей с использованием программного комплекса ELCUT 5.4. В качестве материала стеновых блоков были приняты теплотехнические характеристики легкого бетона на основе ВТГ, плотностью у=600-700кг/мЗ с ХБ=0,19-0,21 Вт/м°С с различной наружной облицовкой. Определены рациональные толщины наружных стен при различных теплопроводных включениях и конструктивных решениях стен без применения утеплителей (таблица 12).

Также в главе предложены упрощенные расчетные модели наружных многослойных стен с облицовками из кирпича и навесных фасадных систем. В качестве примера, на рисунке 9 представлена расчетная модель стены с облицовочным слоем из кирпичной кладки, выполненной с опиранием на металлический уголок и связанной с внутренним слоем с помощью гибких связей. Также в главе представлены расчетные модели наружных стен с облицовкой из навесных фасадных систем.

ti _ длина выступа горизонтальной полки уголка, на которую опирается облицовочная стенка;

_ высота облицовочной стенки в пределах этажа; а - величина свеса кладки за полку уголка; b - толщина облицовки;

q - масса единицы плошали облицовочной стенки; М2 — изгибающий момент в стенке от ветровой нагрузки и свеса кладки;

W - ветровой отсос;

Cz - жесткость на растяжение гибких связей, распределенных по поверхности стены; "> Ci - жесткость упругого основания (полки уголка).

В пределах высоты этажа облицовочная стенка рассматривается как абсолютно жесткое тело (EI = со)

Рис. 9. Расчетная модель стены с наружным слоем из облицовочного кирпича с опиранием на стальной уголок.

Л = i| 'c¡у1 (к + ^ J' c-txrdy - j' qU cos qydx - J ' ql¡ sin qxdy - M2q>, (9)

,„ N E F

Решая это уравнение и принимая С, = —^, С2 = —- = ' с получим угол <р:

* ДА, д/il

А2'. „

о—4-Л/, 2

1 1 3 2

(10)

Изгибающий момент в сечении, на расстоянии y¡ от начала координат, равен

М{У1) = J Vsin «Ку - У\Н' - <№гЬ>-уМг = ЧйьЧ> -CiÁ'i-y,)—^^

В этом же сечении ноперечная сила равна (здесь q - объемный вес кладки)

е(у, )= sin qdy-fyycA? = ?sin - ^

Используя упрощенные расчетные модели наружных стен с различными видами облицовки и экспериментальные данные по несущей способности анкерного крепежа в стенах из легкого бетона на стекловидных заполнителях, предложены методы расчета параметров анкеровки наружной облицовки из кирпича и навесных фасадных систем в стенах на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях. В качестве примера, в таблице 11 даны рекомендации по анкеровки гибких базальтопластиковых связей ГАЛЕН. Таблица 11

Тип Диаметр Ветро Гор. и <ол-во Факт. Пред. Действ. Предельная

растворного связи/ гл. вой р- верт. анкеро деформ. деформ. вырыв, сила вырыв, сила

шва заделки, 11 по шаг, мм в на Д!факТ! Д'пред. N - кН '"действ» ^пред, кН

мм СНиП 1м2 мм мм

Горизонтальные швы без армирования 4/50 IV 600 2,78 0,062 1 0,194 0,21

4/100 VII 600 2,78 0,086 1 0,343 0,42

4/150 VII 800 1,56 0,140 I 0,609 0,77

4/200 VII 900 1,23 0,149 1 0,771 0,84

4/250 VII 900 1,23 0,141 1 0,771 0,98

6/100 VII 600 2,78 0,069 1 0,343 0,49

6/150 VII 900 1,23 0,134 1 0,771 0,84

6/200 VII 900 1,23 0,124 1 0,771 0,98

7,5/100 VII 600 2,78 0,062 1 0,343 0,49

7,5/150 VII 800 1,56 0,114 1 0,609 0,84

Горизонтальные швы с армированием из металлической сетки диаметром 4мм с ячейкой 50x50мм 4/100 VII 700 2,04 0,120 1 0,466 0,56

4/150 VII 800 1,56 0,157 1 0,609 0,77

4/200 VII 600 2,78 0,065 1 0,343 0,98

4/225 VII 600 2,78 0,065 1 0,343 1,05

6/75 VII 600 2,78 0,058 1 0,343 0,56

6/100 VII 600 2,78 0,055 1 0,343 0,77

6/150 VII 600 2,78 0,050 1 0,343 0,91

6/250 VII 600 2,78 0,040 1 0,343 1,26

7,5/100 VII 600 2,78 0,068 1 0,343 0,77

7,5/150 VII 600 2,78 0,061 1 0,343 0,91

7,5/200 VII 600 2,78 0,059 1 0,343 1,19

Результаты, приведенные в таблицах, получены из условия одинакового шага связей по вертикали и по горизонтали и поэтажным опиранием наружной стены через каждые Зм.

Минимальные значения толщин слоев и растворных швов кладки в различных конструктивных решений наружных стен из легкобетонных блоков на стекловидных заполнителях плотностью \=600кг/м3 и у=700кг/м3 для их применения в условиях Москвы и Московской области Таблица 12.

Стены из ВТГ-блоков с наружным и внутренним штукатурными слоями б=20мм (рис. 1 в), либо с вентилируемой наружной облицовкой, выполненной на относе от основной стены (рис. 1 г). Стены из ВТГ-блоков с внутренним штукатурным слоем 6=20мм и наружным кирпичным слоем 6=120мм (рис. 1 а-б).

Тип конструкции стены*

1 | 2 | 3 | 2 | 3

Класс втг- блоков по плотности Мин. толщина кладки (мм) Допустимая толщина горизонтальных швов кладки (мм) в зависимости от рассматриваемого типа конструкций стены и вида кладочного раствора*

К* Р1* Р2* РЗ* Арм * К Р1 Р2 РЗ Арм К Р1 Р2 РЗ Арм К Р1 Р2 РЗ Арм К Р1 Р2 РЗ Арм

Б600 450 5 20 12 - Р) - расчеты не проводились

500 5 20 20 12 Р2 5 20 - - Р1 5 20 12 - Р1 5 20 20 10 Р2 5 20 20 12 Р2

550 5 20 20 20 РЗ 5 20 14 - Р2 5 20 20 14 РЗ 5 20 20 14 РЗ 5 20 20 20 РЗ

0700 500 5 20 12 - Р1 - расчеты не проводились

550 5 20 20 14 Р2 5 20 12 - Р1 5 20 14 - Р1 П> 20 20 10 Р2 5 20 20 12 1 Р2

600 5 20 20 20 РЗ 5 20 20 12 Р2 5 20 20 14 РЗ 5 | 20 20 20 РЗ 5 20 20 20 | РЗ

'Примечание:

конструкция 1 -в которой плиты перекрытия не оказывают влияние на теплотехническую однородность (например, самонесущая стена); конструкция 2 - ненесущая стена с опиранием на плиты перекрытий с термовкладышами в уровне каждого этажа (через Зм); конструкция 3 - то же, с опиранием через этаж (через 6м); К - кладочный клеевой состав (>-б<0,7Вт/м°С);

Р1 - теплый цементный раствор на пористом заполнителе (?.1<0,21Вт/м°С); Р2 - теплый цементный раствор на пористом заполнителе (?.г£0,6Вт/м°С); РЗ - традиционный цементно-песчаный раствор (Хб<0,93Вт/м°С);

Арм - тип кладочного раствора по допустимой (максимальной) величине теплопроводности и толщине горизонтальных швов 12мм, при котором наружные стены с горизонтальным армированием из металлической сетки 4мм с ячейкой 50x50мм через каждые 2 ряда кладки будут удовлетворять условиям энергосбережения по СП 50.13330.2012.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ результатов натурных обследований конструкций наружных стен жилых зданий, выполненных на основе ячеистых бетонов показал, что повреждения в виде трещин, расслоений и обрушений локализуются, как правило, в облицовочных слоях. Причиной этого является низкая несущая способность анкерных узлов или недостаточное количество соединений с внутренним слоем стены.

2. Выполненные экспериментальные исследования позволили получить прочностные и деформативные характеристики легких бетонов на стекловидных заполнителях, а предложенные зависимости для определения этих характеристик могут быть использованы при проектировании конструкций на основе этих бетонов;

3. Результаты проведенных экспериментальных исследований несущей способности анкерного крепежа и гибких связей из базальтопластиковой арматуры, установленных в кладке стен из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях, на действие продольных сил (усилий вырыва) показали, что несущая способность анкеров в таких бетонах до 2-х раз выше, чем аналогичных анкеров в равноплотных ячеистых бетонах;

4. Предложенная трехмерная расчетная модель напряженно-деформированного состояния кладки стен из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях в зоне заделки анкера дает согласованные с натурным экспериментом результаты: максимальное отклонение по напряжениям и деформациям не превышает 10,9%.

5. На основе проведенных теплотехнических исследований наружных стен с учетом имеющихся теплопроводных включений (наружной облицовки, толщины кладочных швов и пр.) установлен диапазон эффективных толщин различных видов конструктивных решений наружных стен из легкого бетона на стекловидных заполнителях для климатических условий Московского региона.

6. На основе предложенных аналитических расчетных моделей облицовочных слоев наружных многослойных стен, связанных с внутренним слоем с помощью гибких связей или анкерного крепежа, разработаны рекомендации, позволяющие подбирать параметры и тип крепежа в зависимости от внешних воздействий (например, ветровой нагрузки или ширины опирания облицовки на элементы перекрытий и пр.).

7. Проведенные исследования показали, что применение легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов на стекловидных заполнителях в наружных стенах жилых и общественных зданий может обеспечить их безаварийную эксплуатацию, в том числе при креплении к ним различных облицовочных слоев и конструкций, а их высокие теплотехнические характеристики позволят отказаться от применения недолговечных плитных утеплителей в большинстве регионов страны.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ РАБОТАХ. Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ для кандидатских диссертаций:

1. Давидюк А А. Несущая способность анкерного крепежа и гибких базальто-пластиковых связей в кладке из легкобетонных блоков на стекловидных заполнителях. // Жилищное строительство, М., №3, 2014г.

2. Давидюк A.A. Анализ результатов обследования многослойных наружных стен многоэтажных каркасных зданий. // Жилищное строительство, М., №6,2010г.

3. Давидюк А.Н., Давидюк A.A. Деформативные свойства легких бетонов на стекловидных заполнителях. // Бетон и железобетон, М., №1,2009г.

4. Давидюк А.Н., Давидюк A.A. Прочностные свойства легких бетонов на стекловидных заполнителях для многослойных ограждающих конструкций. // Бетон и железобетон, М., №6,2008г.

5. Обозов В.И., Давидюк A.A. Анализ повреждений кирпичной облицовки фасадов многоэтажных каркасных зданий. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, М., №3, 2010г.

6. Обозов В.И., Давидюк A.A., Павлова М.О., Лазарев Е.В. Исследование несущей способности анкерного крепежа и гибких связей в кладке из легкобетонных блоков // Жилищное строительство, М., №12,2010г.

7. Обозов В.И., Давидюк A.A. Напряженно-деформированное состояние кирпичной облицовки фасадов здания. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, М., №2,2010г.

Публикации в других изданиях:

8. Обозов В.И., Давидюк A.A., Павлова М.О., Лазарев Е.В. Исследование несущей способности анкерного крепежа и гибких базальтопластиковых связей в кладке из легкобетонных блоков на стекловидных заполнителях // Сборник статей НИИЖБ им. A.A. Гвоздева «85 лет в стройкомплексе Москвы и России», М., 2013г.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов»

04201459364

на правах рукописи

Давидюк Артём Алексеевич

НАРУЖНЫЕ СТЕНЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА СТЕКЛОВИДНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

Специальность 05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и

сооружения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВОПРОСА

И

ЗАДАЧИ

1.1. 1.2.

1.3.

1.4.

1.5.

1.6.

Глава 2

Введение

Глава 1 СОСТОЯНИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Конструкции наружных многослойных стен Анализ результатов обследования наружных многослойных стен с кирпичной облицовкой

Краткий обзор проведенных исследований работы анкерных изделий в конструкциях из различных материалов Обзор современных конструкционно-теплоизоляционных материалов, применяемых при возведении однослойных наружных стен

Новые конструкционно-теплоизоляционные легкие бетоны на основе пористых стекловидных заполнителей Выводы по главе 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И

ДЕФОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА СТЕКЛОВИДНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА НАРУЖЫХ СТЕН

Методика эксперимента Предел прочности при сжатии

Призменная прочность легких бетонов на стекловидных заполнителях

Начальный модуль упругости при сжатии Предел прочности при растяжении

Ползучесть легких бетонов на стекловидных заполнителях Усадка легких бетонов на стекловидных заполнителях Исследование теплопроводности легких бетонов на стекловидных заполнителях Выводы по главе 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КЛАДКИ СТЕН ИЗ БЛОКОВ ЛЕГКОГО БЕТОНА НА СТЕКЛОВИДНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ В ЗОНЕ КРЕПЛЕНИЯ АНКЕРОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ НА НИХ ПРОДОЛЬНЫХ СИЛ

2.1 2.2.

2.3.

2.4.

2.5.

2.6.

2.7.

2.8.

2.9.

Глава 3

Стр. 5 10

11 20

29

35

37 43 45

45

46 50

52 55 57 60 61

64 66

3.1. Описание экспериментальных образцов фрагментов стен, 66

анкерного крепежа и гибких связей

3.2. Программа и методика эксперимента 72

3.2.1. Результаты испытаний химических (клеевых) анкеров 79

3.2.2. Результаты испытаний полиамидных дюбелей 85 с металлическими шурупами

3.2.3. Результаты испытаний гибких связей из 91 базальтопластиковой арматуры, установленных в растворные швы кладки

3.3. Численный анализ напряженно-деформационного состояния 99 анкерного узла в стене из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях с помощью трехмерной расчетной модели

3.4. Выводы по главе 3 109

Глава 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ 111

КОНСТРУКЦИЙ НАРУЖНЫХ СТЕН ИЗ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ НА СТЕКЛОВИДНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

4.1. Конструкции наружных стен из легких бетонов на 111 стекловидных заполнителях

4.2. Рекомендации по оценке влияния теплопроводных ИЗ включений на приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен

4.2.1. Методика исследования теплозащитных характеристик 114

4.2.2. Анализ результатов исследований влияния теплопроводных 116 включений на приведенное сопротивление теплопередачи наружных стен

4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния 119 наружных стен на основе легкого бетона на стекловидных заполнителях

4.3.1. Расчетные модели стены с наружным слоем из 120 облицовочного кирпича

4.3.2. Расчетная модель стены с навесной фасадной системой 126

4.4. Разработка рекомендаций по проектированию и расчету 128 наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях с учетом данных по несущей способности и деформативности исследованных анкерных креплений и гибких связей из базальтопластиковой арматуры.

4.4.1. Методика вычисления параметров анкерных креплений в 135 кладке стен из легких бетонов на стекловидных заполнителях и рекомендации по их применению 4.5. Выводы по главе 4 140

Заключение и выводы 142

Список литературы 144

Приложение 1. 162

Конструктивные решения многослойных наружных стен с кирпичной облицовкой принятые в проектах обследованных многоэтажных жилых зданий в г. Москве.

Приложение 2 168

Конструктивные решения по усилению и ремонту кирпичной облицовки наружных многослойных стен, разработанные по результатам проведенных обследований «аварийных» фасадов Приложение 3 182

Результаты испытаний прочности материалов кладки экспериментальных образцов-столбов

Приложение 4 189

Зависимости деформаций от продольной нагрузки, действующей при вырыве анкеров и гибких базальтопластиковых связей из кладки блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях плотностью Б600 и Б800 на цементно-песчаном растворе марки М100 Приложение 5 230

Результаты испытаний экспериментальных образцов-столбов из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях по прочности на сжатие

ВВЕДЕНИЕ

В результате проводимой технической политики по энергосбережению основным и наиболее массовым типом наружных стен в жилых и общественных зданиях стали многослойные конструкции на основе блоков из ячеистых или легких бетонов с применением плитных утеплителей и наружной облицовкой из кирпича, декоративных панелей или штукатурки.

При эксплуатации таких стен обнаружен ряд недостатков, главным образом связанных с низкой прочностью и долговечностью узлов крепления наружной облицовки во внутренних слоях стен из ячеистых бетонов

•а

плотностью бООкг/м и менее, приводящих к появлению дефектов уже на начальной стадии эксплуатации.

Можно констатировать, что в государственном масштабе существует острая потребность в разработке научно обоснованных конструктивно-технологических решений наружных стен на основе современных материалов обладающих малой ресурсоемкостью реализации, имеющих высокие физико-механические свойства, обеспечивающие заданные эксплуатационные качества зданий на протяжении всего срока службы.

Одним из направлений решения этой проблемы является применение легких конструкционно-теплоизоляционных бетонов на основе пористых заполнителей, твердая фаза которых находится в аморфизированном стекловидном состоянии (в дальнейшем - стекловидных), способных повысить эксплуатационные качества конструкции, в том числе при креплении к ним различных фасадных конструкций и облицовок, и увеличить их долговечность.

Актуальность диссертационной работы обусловлена: • имеющимися проблемами в современных многослойных ограждающих конструкциях, связанных с их низкой долговечностью креплений наружной облицовки (кирпичной кладки или вентилируемых систем) в конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонах низкой плотности;

• возможностью проектирования ограждающих конструкций из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях без применения плитных утеплителей с обеспечением требований по тепловой защите для большинства регионов страны;

• практически неограниченной сырьевой базой стекловидных заполнителей для производства легких бетонов на их основе;

• возможностью изготовления конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на стекловидных заполнителях плотностью до 600кг/м3 с более высокими прочностными характеристиками в сравнении с равноплотными ячеистыми бетонами.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое обоснование основных принципов конструирования и развитие методов расчета наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• по результатам натурных обследований проведен анализ существующих технических решений наружных стен с выявлением основных недостатков, приводящих к образованиям дефектов в процессе эксплуатации, даны предложения по их устранению;

проведены экспериментальные исследования прочностных и деформативных характеристик легких бетонов на стекловидных заполнителях и предложены аналитические зависимости для их определения при проектировании конструкций;

проведены экспериментальные исследования несущей способности анкерного крепежа и гибких связей различного типа, заделанных в стеновых образцах из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях;

построена трехмерная расчетная модель анкерного узла, достоверность которой подтверждена результатами экспериментальных исследований;

установлены значения минимальных толщин кладки наружных стен без использования дополнительного утепления при различных конструктивных

решениях с учетом их теплотехнических характеристик и неоднородности конструктивных решений;

предложена аналитическая расчетная модель облицовки (кирпичной кладки), связанной с внутреннем слоем стены с помощью гибких связей, выполненной с опиранием на перекрытие через металлический уголок;

• даны рекомендации по расчету наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях с различными фасадными облицовками для всех ветровых районов страны с учетом параметров анкеровки исследованных типов анкерного крепежа и гибких связей.

Объектом исследования являются наружные стены на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях. Предмет исследования -особенности конструирования и расчета наружных стен с учетом физико-механических свойств легких бетонов на стекловидных заполнителях и характера напряженно-деформируемого состояния анкерных узлов.

На защиту выносятся:

результаты проведенного анализа существующих технических решений наружных стен с выявлением основных недостатков, приводящих к образованиям дефектов в процессе эксплуатации, даны предложения их устранению;

результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных характеристик легких бетонов на стекловидных заполнителях и аналитические зависимости для их определения при проектировании конструкций;

• результаты экспериментальных исследований несущей способности анкерного крепежа и гибких связей, заделанных в стеновые образцы из блоков легкого бетона на стекловидных заполнителях при действии на них продольных сил, проведенные по адаптированной методике;

результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния кладки стен из блоков легкого бетона на стекловидных

заполнителях в зоне заделки анкера на основе предложенной трехмерной расчетной модели;

результаты исследований и адаптированная методика определения влияния теплопроводных включений (растворных швов, арматуры, гибких связей и пр.) на приведенное сопротивление теплопередаче различных конструктивных решений наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях;

• аналитическая расчетная модель облицовки (кирпичной кладки), связанной с внутреннем слоем стены с помощью гибких связей, выполненной с опиранием на перекрытие через металлический уголок;

• рекомендации по расчету наружных стен на основе легких бетонов на стекловидных заполнителях с различными фасадными облицовками для всех ветровых районов страны с учетом параметров анкеровки исследованных типов анкерного крепежа и гибких связей.

Научная новизна работы:

• экспериментальные значения прочности и деформативности легких бетонов на стекловидных заполнителях при различной плотности, даны рекомендации для определения этих характеристик с использованием аналитических зависимостей при проектировании конструкций;

экспериментальные значения прочности и деформативности анкерного крепежа и гибких связей из базальтопластиковой арматуры, установленных в стены из легких бетонов на стекловидных заполнителях при действии продольных сил;

трехмерная расчетная модель заделанного в стену анкера, подтвержденная результатами экспериментальных исследований;

аналитическая расчетная модель кирпичной облицовки наружной многослойной стены позволила в первом приближении оценить усилия, возникающие в гибких связях и элементах опирания при внешних воздействиях.

Практическое значение работы:

определена рациональная область применения наружных стен на основе бетонов на стекловидных заполнителях;

даны предложения по совершенствованию существующих технических решений наружных многослойных стен, в том числе путем применения в основном слое стены конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов на стекловидных заполнителях;

даны рекомендации по выбору толщин основного слоя наружных стен из легкого бетона на стекловидных заполнителях различной плотности и различных конструктивных решений с учетом влияния теплопроводных включений, для проектирования их без дополнительного утепления в климатических условиях Московского региона;

• рекомендации по расчету наружных стен и выбору крепежа при проектировании конструкций наружных стен на основе блоков из легкого бетона на стекловидных заполнителях с наружной облицовкой из различных материалов с учетом различной ветровой нагрузки;

Апробация работы осуществлена в докладе на научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Современные инженерные технологии» Инженерного факультета РУДН в 2010 и 2012 гг.

Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 8-ми печатных работах, в том числе в 7-ми журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации - 242 страницы, в том числе 59 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 183 наименований, 93 страницы приложений.

Диссертационная работа выполнена в 2007-2010 годах на кафедре Строительных конструкций и сооружений ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» под руководством доктора технических наук, профессора Владимира Ивановича Обозова.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

С развитием монолитного домостроения в России основным и наиболее массовым типом наружных стен стали многослойные с конструкционными слоями из штучных материалов или монолитного железобетона с плитными утеплителями (рис. 1.1.1).

Двухслойная сгпена с наружной теплоизоляцией

Стена с Вентилируемым фасадом

Рис.1.1.1. Конструктивные решения наружных многослойных стен с различными видами облицовки. Условные обозначения: 1 - кладка из блоков, 2 - плита перекрытия, 3 - термовкладыш, 4 - деформационный шов, 5 - штукатурка, 6 - кирпичная кладка в 1А кирпича, 7 - эффективный утеплитель, 8 - невентилируемый воздушный зазор, 9 - облицовочные панели, 10 - воздушный зазор, 11 - кронштейн, 12 - "Т"- образная направляющая, 13 - диффузионная пленка, 14 - оцинкованная сетка, 15 - связи, 16 - стеклопластиковая сетка.

Опыт эксплуатации значительной части таких конструкций за последние десятилетия показал, что применяемые технические решения и стеновые материалы в сочетании с низким качеством строительного

производства не всегда удовлетворяют требованиям по обеспечению прочностных, деформативных и теплозащитных характеристик.

При монтаже и эксплуатации многослойных стен наблюдается ряд проблем с обеспечением необходимых прочностных и деформативных характеристик узлов крепления облицовки к наружным стенам здания, связанных с массовым применением стеновых блоков из традиционных теплоэффективных ячеистых и легкобетонных блоков плотностью БбОО и менее с прочностью не более В 0,5 - В 1,5 [35,36,63]. Кроме того в многослойных конструкциях, возводимых с , применением плитных утеплителей, особую актуальность приобретают вопросы качества теплоизоляции [1,2,3,9], поскольку именно из-за недостаточной ее долговечности через 20 - 40 лет возникают проблемы необходимости ее замены [44,128,129].

Очевидно, что более долговечными и технологичными являются эффективные однослойные конструкции. В отличие от многослойных стен с применением утеплителей такие конструкции являются более долговечными вследствие большей сопротивляемости влагонакоплению. Однако основным препятствием к проектированию таких конструкций является то, что их возведение возможно из бетонов плотностью не более 600 - 700 кг/м3, обладающих необходимыми теплотехническими характеристиками [5], а применение современных ячеистых бетонов, керамических камней или легких бетонов на основе традиционных заполнителей не всегда обеспечивает требуемые физико-механические свойства наружных стен.

1.1. Конструкции наружных многослойных стен

Впервые в России конструкция стены из нескольких слоев кирпичной кладки была предложена инженером А.И. Герардом в 1829 году (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.2. Конструкции стен из облегченной кирпичной кладки А.И. Герарда и применявшиеся в них гибкие металлические связи [57].

Однако наибольшее распространение такие конструкции получили в странах Европы с 50-х годов XIX века. В СССР лишь в первой половине XX века стали применяться наружные стены, разработанные на базе конструкций А.И. Герарда. Связь в таких стенах между внутренним и наружным слоями клад