автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Несущие стены зданий из мелкоштучных бетонных камней

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

НЕСУЧІ СГШИ БУДИНКІВ З ДРІБНО ШТУЧНИХ БЕТОННИХ КАМЕНІВ

05-23.01 - "Будівельні конструкції, будівлі та споруди"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

\

ШАПОРЕНКО Юрій Іванович

УДК 624.012.2

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському зональному науково-дослідному та проектному інституті по цивільному будівництву (КиївЗНДШП) Державного комітету будівництва, архітектури та житлової політики України (Дер-жбуду України).

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Шмуклер Валерій Семенович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій.

Кандидат технічних наук, доцент Черних Олег Анатолійович, Науково-дослідний та проектний інститут реконструкції будинків та споруд, м. Луганськ, заст. директора по науковій роботі.

Провддяа установа - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, кафедра залізобетонних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться /0 2000 р. о 13 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Пофітрофлотський пр., 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Пофітрофлотський пр., 31.

Автореферат розісланий «3^>> 2000 р.

Доктор техн. наук, професор Коляков Маркус Йосипович, КиївЗНДІЕЦ, заст. директора по науковій роботі.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К.Т.Н., с.н.с.

Кобієв В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час в масовому будівництві житлових та цивільних будинків на Україні, однаково як і в країнах СНД, переважає повнозбірне будівництво. В значно меншій мірі застосовуються будинки з повнотілої цегли та дрібноштучішх бетонних каменів. Таким чином, повнозбірне будівництво практично не має альтернативи, що суттєво ускладнює створення різноманітних систем та конкуренцію на ринку житла. Альтернатива великопанельному будівництву житлових та цивільних будинків пов'язана, в першу чергу, зі створенням будівельної індустріальної бази місцевих матеріалів та дрібноштучних багатопорожнинних каменів зокрема. Крім того, це питання стає актуальним в зв'язку з підвищенням, в останній час, вимог до архітектурно-будівельних показників будинків, особливо в частині енергозбереження.

Однак створенню індустріальної бази дрібноштучних каменів повинна передувати конструктивна розробка, яка б містила номенклатуру дрібноштучних каменів, з наступним науковим обгрунтуванням конструктивних рішень для масового будівництва, інакше кажучи, індустріальна база повинна базуватися на основі широкого спектру конструктивних рішень стінових конструкцій для будинків висотою до дев'яти поверхів, котрі будуть зводитися з використанням єдиної уніфікованої номенклатури каменів. Дана робота присвячена створенню необхідних умов для розвитку однієї з гілок індустріальної бази будівництва з місцевих матеріалів - бази дрібноштучних каменів, чим і визначається її актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з тематичним планом науково-дослідних робіт КиївЗНДШП (теми № 382-93-95 та № 827.95-95), які фінансуються з коштів держбюджету Держбуду України та виконуються у відповідності з Постановою Кабміну України та Державною програмою по розробці нової архітектурно-конструктивно-технологічної системи з дрібноштучних каменів (АКТС "Строммаїпина"). Автор приймав безпосередню участь у виконанні цих науково-дослідних робіт як співвиконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка та наукове обгрунтування технічних рішень стін з дрібноштучних бетонних каменів, які містять номенклатуру каменів для стін житлових та цивільних будинків. Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:

- розробити конструктивні рішення кладок для несучих зовнішніх та внутрішніх стін з дрібноштучних каменів із різноманітними системами перев'язок для будинків висотою до 9 поверхів з диференціюванням їх по температурних зонах України;

- розробити єдину уніфіковану номенклатуру дрібноштучних каменів для стінових зовнішніх та внутрішніх конструкцій;

- провести експериментальні дослідження окремих каменів та натурних фрагментів стін з оцінкою їх фізико-механічних характеристик, напружено-деформованого стану та руйнуючих навантажень;

- провести чисельні дослідження багатопорожнинних та багатошарових кам’яних стін з виявленням характеру їх роботи при центральному та поза-центровому стиску,

- розробити методику оцінки впливу теплопровідних включень ( в тому числі віконних прорізів) на теплофізичні характеристики зовнішніх стін та конструктивні заходи щодо його усунення.

Об’єкт дослідження - несучі стіни житлових та цивільних будинків висотою до 9 поверхів.

Предмет дослідження - фізико-механічні та теплофізичні властивості несучих стін будинків з дрібноштучних бетонних каменів.

Методи дослідження - експериментально-теоретичні (теоретичний аналіз та конструктивна розробка технічних рішень конструкцій каменів та стін з них, натурний експеримент та порівняння його результатів з результатами дослідження скінченноелементних моделей, теоретичні дослідження в частині теплофізичних характеристик зовнішніх стін).

Наукоза новизна одержаних результатів міститься в наступному:

- одержані нові експериментальні дані про співвідношення кубикової міцності бетону і міцності порожнистих каменів. При цьому встановлено, що різниця значень щільності каменів та кубів не відповідає вимогам чинних стандартів, в зв’язку з чим надані рекомендації по коригуванню згаданих стандартів;

• встановлено співвідношення міцностей порожнистих каменів при стиску та розтягу при розколюванні;

- встановлено вплив умов зберігання каменів на їх міцність;

- одержані нові дані про вплив порожнистості каменів кладки на її характеристики на основі чого надані рекомендації по коригуванню розрахункової моделі кам’яної кладки, прийнятої в нормах, за допомогою введення системи коефіцієнтів надійності;

- побудовані математичні моделі деформування кладок з порожнистих каменів при центральному стиску;

- встановлено характер розподілу напружень по перерізах багатопорожнинної кладки при центральному та позацентровому стиску, на основі чого надані рекомендації по розрахунках міцності при цих видах напружено-деформованого стану (НДС);

з

- встановлено оптимальне значення ексцентриситету опирання перекриттів на багатошарові кам’яні стіни.

Крім того, в роботі наявна і конструктивна новизна в номенклатурі виробів, технічних рішеннях конструкцій стін та особливостях конструювання окремих елементів кам'яних стін.

Практичне значення одержаних результатів міститься в розроблених рекомендаціях по розрахунку та конструюванню несучих стін будинків при практичному проектуванні. Результати представлених в роботі досліджень реалізовані при розробці нормативно-технічної документації, при проектуванні та будівництві будинків з дрібноппучних каменів згідно Державної програми експериментального будівництва.

Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертаційній роботі результати отримані здобувачем самостійно. Ці результати базуються на ідеях щодо конструктивно-технологічних систем будинків з дрібноппучних елементів, котрі були започатковані Коляковим М.Й., Санниковим І.В. (КиївЗНДІЕП) і Савицьким М.В. (ПДАБіА) та були розвинуті автором. Зокрема особисто автором виконані:

- розробка технічних рішень несучих стін та уніфікованої номенклатури дрібноппучних бетонних каменів для їх зведення;

- розробка методик натурного експерименту та чисельних досліджень;

- експериментальні та чисельні дослідження окремих дрібноппучних каменів та фрагменів кладок з них;

- аналіз та узагальнення результатів експерименту та чисельних досліджень з розробкою відповідних аналітичних залежностей.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи розглядалися на розширеній Колегії Держбуду України (протокол № 12 від 15.11.1995 p.), на НТР Держбуду України (протокол № 4 від 10.04.1996 р.) та на НТР КиївЗНДІЕП в 1996 - 1999 p.p., на засіданні кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій КНУБА (протокол №. 2 від 13.09.1999 p.), а також на “Звітній науково-технічній конференції співробітників ЛДАУ (Луганська державна архітектурна академія) за підсумками науково-дослідних робіт за 1999 р(17.01.2000 р. - 27.01.2000 p., м. Луганськ)

Публікації Результати досліджень опубліковані в 5 наукових статтях. Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 84 найменування, містить 153 сторінки, в тому числі 98 машинописного тексту, 28 рисунків, 19 таблиць та 5 додатків на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі розглянуто стан питання, розглянуті види дрібноштучннх бетонних каменів та стінових кладок з них, які застосовуються в Україні та інших країнах. Наведено результати огляду робіт, присвячених дослідженням фізико-механічних та теплофізичних характеристик кам'яних кладок та методам розрахунків цих конструкцій за граничними станами. При цьому особлива увага звернена на кладки з порожнистих каменів та багатошарові стіни. На основі аналізу робіт Оншцика, Камейко, Семен-цова, Полякова, Пільдіша та інших авторів, присвячених дослідженням міцності та деформативпості різних видів кам’яних кладок, а також робіт Санникова І.В., Колякова М.Й. та Савицького М.В. в галузі архітектурно-конструктивних систем будинків з дрібноштучннх каменів зроблено наступні висновки:

- широке впровадження дрібноппучних бетонних каменів та ар-хітекгурно-конструктивних систем на їх основі в Україні стримується в першу чергу занадто вузькою існуючою номенклатурою стінових виробів, яка не відповідає умовам комплектної поставки та не дозволяє зводити стіни, котрі б відповідали сучасним вимогам до зовнішнього вигляду фасадів та те-плозвукоізоляції приміщень. Крім-того, недостатньо повно пропрацьовані самі конструктивні системи з дрібноппучних каменів;

- в зарубіжній практиці будівництва накопичено значний досвід по виробництву та застосуванню дрібноппучних каменів. Підприємства бу-діндустрії України освоїли випуск формуючих установок для виробництва дрібноппучних каменів;

- для задоволення підвищених в останній час вимог до архітектурно-будівельних показників зовнішніх стій будинків необхідна розробока нових та вдосконалення наявних конструкцій зовнішніх стін з дрібноппучних каменів;

- належить уточниш фізико-механічні характеристики порожнистих кладок. Необхідно встановити вплив порожнистості на міцність, пружну характеристику та модуль пружності кладок;

- необхідне вдосконалення методики розрахунку стін з висо-копорожнистих дрібноштучннх каменів при центральному та позацентро-вому списку з урахуванням фактичного характеру розподілу напружень по перерізу,

- вузли опирання перекриттів на багатошарові кам’яні стіни слід конструювати з ексцентриситетом, який забезпечує рівномірне деформування шарів та при котрому увесь переріз стіни стиснений;

- в частині вдосконалення теплофізичних властивостей зовнішніх стін будинків необхідна оцінка впливу теплопровідних включень (в тому числі

віконних прорізів) на теплофізичні характеристики прилеглих до них ділянок стін та розробка конструктивних заходів щодо його усунення.

З врахуванням стану питання визначена мета та основні задачі досліджень.

Другий розділ присвячено розробці конструктивних рішень несучих стін з дрібноштучних бетонних каменів. Згадані конструктивні рішення базуюються на чотирьох основних принципах:

- забезпечення необхідної міцності стін та їх елементів;

- забезпечення потрібного опору теплопередачі при використанні в різних температурних зонах України;

- забезпечення задовільного зовнішнього вигляду фасадів будинків;

- комплектне постачання елементів стін (каменів) на будмайданчик.

Виходячи з цих принципів, розроблено типи стінових кладок, що

містять: кладки суцільні типу Е (див. рис.1 (а)); кладки багатошарові з ефективним плитним утеплювачем та з'єднанням шарів гнучкими в'язями типу В (рис. 1 (б, в)); кладки багатошарові з застосуванням зовнішніх теплоізоляційно-оздоблювальних систем (ЗТОС) (рис. 1 (г)); кладки багатошарові з ефективним плитним або сипучим утеплювачем зі з'єднанням шарів тичковими рядами каменів типу А (рис. 1 (д)).

Показники міцності та теплопровідності запропонованих типів кладок були проаналізовані на предмет виявлення області їх використання, в результаті чого кладки були диференційовані за призначенням для будинків висотою до 9 поверхів та для різних температурних зон України.

З аналізу розроблених конструктивних рішень кладок з дотриманням принципу комплектного постачання одержано необхідний набір елементів для їх зведення - уніфіковану номенклатуру каменів, яка базується на попередніх технічних рішеннях стінових каменів та містить наступні їх типи: камені стінові порожнисті рядові типу СБ-ПР (з крупними порожнинами) та типу СБ-ЩР (з щілевими порожнинами); камені стінові повнотілі рядові типу СБ-Р; камені стінові порожнисті лицеві фасонні типу СБ-ПЛФ, призначені для облицювання стін. Камінь має на бокових поверхнях спеціальні ребра, які мають висоту, що дорівнює висоті кладочних швів, що дозволяє створювати ефект "розшивки швів" по фасаду стіни; камені стінові спеціальні типів: СБ-СР (камені для влаштувати схованого

залізобетонного каркасу або засипки сипучим утеплювачем); СБ-СРЖ (камені

з жолобом для влаштування перемичок та поясів); СБ-СРВ (камені для влаштування вентканалів); СБ-М, СБ-К, СБ-П (відповідно камені мауерлатні, конькові та парапетні). Крім розробки власне конструктивних рішень каменів, визначені також їх характеристики за геометрією, вагою, міцністю та теплопровідністю.

Рік. 1. Приклади запроггишаних типів ківджа4авдшсуцшштипуЕ;б>в-ісщдки тришарові типу В; г - кщцки типу Е з застосуванням ЗТОО, д - кщдки типу А; 1 -несучийвнуірішнійшф2-лщавийтарз фасшнихкамив; 3 -тотігізсгаціший шар;

4 - меланжі в’язі; 3 - ежмапи сяовагого каркасу, 6 - шар з каменів СБСР, 7 -юейовий шов;8 - ^омукна склхпка; 9 -грунтовка; 10 - тшкипарсва захисна штукатурка; 11- сипучий угегиквач

В третьому розділі описано експериментальні дослідження дрібнопггучних каменів та фрагментів кладок з них, оброблено та оцінено результати випробувань. Загальна мета експерименту визначення фізико-ме-ханічних характеристик порожнистих дрібноппучних каменів та кладок з них. У відповідності з метою, розроблено методику експерименту, яка містить: зразки для проведення випробувань та вимоги до них; номенклатуру показників якості зразків, які встановлюються при випробуваннях; випробувальні стенди, обладнання та пристосування; рекомендації по організації

та проведенню випробувань; порядок обробки результатів та оцінки показників якості зразків. Всього було виготовлено та випробувано більш як 60 зразків окремих каменів та 6 натурних фрагментів кам'яних стін.

Дослідження міцності окремих каменів виконувалося на чотирьох дослідних серіях порожнистих каменів з різнім процентом порожнистості. Крім того, міцність бетону каменів визначалася випробуванням контрольних зразків-кубів розмірами 100x100x100 мм, що виготовлялися з суміші робочого складу для кожної марки каменю. Випробування окремих каменів та кубів виконувалися на гідравлічному пресі згідно чинних ГОСТ та ДСТУ.

Результати випробувань окремих каменів оброблялися та оцінювалися згідно чинних стандартів на методи випробувань за середніми значеннями по виборках з статистичною їх оцінкою за допомогою коефіцієнтів варіації.

За результатами випробувань окремих каменів на стиск визначалася границя міцності на стиск. Було також встановлено невідповідність порівняльних значень щільності бетону каменів і бетону контрольних зразків-кубів вимогам чинних стандартів. Різниця в значеннях щільності становила в середньому 19% проти дозволених 3%. Очевидно, що подібна ситуація характерна для більшості випадків виготовлення бетонних каменів вібропресуванням, коли куби, на відміну від каменів, ущільнюються вручну. При цьому значення перехідного коефіцієнта від кубикової міцності бетону контрольних зразків до марки каменю склало кь =1.06.

За даними випробувань, міцність каменів на розтяг при розколюванні склала в середньому 12.9% від значення міцності при стиску. В процесі проведення експерименту перевірено, в якій мірі впливають умови зберігання дрібноштучних шлакобетонних каменів на Ех міцність. З цією метою було випробувано на стиск дві додаткові серії зразків, які відрізнялися умовами зберігання: камені додаткової серії 1 зберігалися під навісом, а камені додаткової серії 2 - на відкритому складському майданчику на протязі ЗО днів. Випробування додаткових серій зразків виявили, що втрата міцності при цьому може скласти 29,6 %.

Для експериментальних досліджень кам'яних кладок виготовлено три серії натурних фрагментів стін: серія 1-2 одношарові простінки; серії 2 та З

- 4 двошарові простінки з різною кількістю в'язей між шарами. Для випробувань фрагментів була змонтована випробувальна установка наведена на рис.2.

Виходячи з передбачуваних руйнуючих навантажень (Исм) при випробуваннях фрагментів стін використовувався гідравлічний домкрат вантажністю 1000 КН та ручна насосна станція до нього з манометром, котрий мав ціну поділки 2,5 кг/см2. Вимірювання лінійних зміщень здійснювалося індикаторами годинникового типу з ціною поділки 0,01 мм, встановленими

;<&

4г-.

1 "г

10

ОЙЗ.И-1)

Рис. 2. Схша випробувань та розстановки кшірслш^шмркхалшя апаратури грі випрэбувагеих фраімздів ювдос 1 -просшхж;

2 - тяжі аетжї рами; 3 - вертня траверса ситовсї рами; 4 - те ж, нижня акри траверса; 5-“струмок” для ЗаКрІГОИІНЯ тяжів в силсвій щцпаі;

6 - сгатаий вашлжск з швешіра; 7 - роопогцльча плиіа;8-щрдамкраг, 9-^шіжнийгщщонзі сгроповочними петлями; 10 - івдикпсри іодмишивапотипу

на базі 400 мм. Ширина розкриття тріщин замірялася мікроскопом МБП-2 з ціною поділки 0,05 мм. Для покращення фіксації моменту появи тріщин в кладці бокові поверхні фрагментів були покриті рідким розчином крейди. Границя міцності на стиск кладки Ии.0ь визначалася по повному перерізу зразка без вирахування площі порожнин каменів, виходячи зі спостережених значень руйнуючого навантаження. З аналізу результатів експериментального визначення міцності кладок встановлено, що міцність кладки знижується при збільшенні значення проценту порожнистості каменів кладки від 23% до 40 % відповідно на 7.2% та 9.12 %. Виходячи з цього, надані рекомендації по визначенню міцності таких кладок. Так, розрахункові опори стиску кладок рекомендовано приймати за вказівками чинних норм, з урахуванням порожнистості каменів шляхом множення на коефіцієт надійності по матеріалу значення якого слід призначати наступними: при значенні

проценту порожнистості каменів кладки к,ь = 0 - у,^ = 1; при ка.ь = 23% -Упа= 0-93; при к^ь = 40% - Утд = 0.906; при к8,ъ = 52% - Ут.к = 0.841. При

проміжних значеннях к„ь значення Утл слід приймати за лінійною інтерполяцією.

Пружна характеристика кладки визначалася, виходячи зі значення граничних спостережених деформацій кладки при стиску по формулі:

де є0 = 2.64 мм/м - гранична відносна деформація стиску кладки при а= = 1000; Єц^ь - одержане значення граничної відносної деформації.

Встановлено, що значення пружної характеристики кладок з порожнистих каменів в значній мірі залежать від проценту порожнистості. Для неармированої кладки з каменів з процентом порожнистості 23% воно склало в середньому 1259, а з каменів з процентом порожнистості 40% -1357. Значення пружних характеристик кладок з сітчатим армуванням виявилось дещо нижчими аналогів для неармованих кладок. Так, для армованої кладки з каменів з порожнистістю 23 та 40 % значення пружної характеристики відповідно склали 1145 та 1223.

Для більшої достовірності результатів модуль пружності кладки Е0 визначався двома методами:

- виходячи з визначених значень І^ь та а по формулі:

- по методиці ГОСТ 24452-80 при напруженні 0.311 п,0ь при цьому значення пластичної деформації при короткочасному завантаженні прийнято рівним 0.15 Єп,0ь.

Значення модулів пружності кладок, визначені по двох різних методиках, відрізнялись між собою в середньому на 5 %, що свідчить про можливість застосування методики визначення пружної характеристики та модуля пружності через значення граничних відносних деформацій стиску. З співставлення значень модулів пружності уточнено значення частки відносних пластичних деформацій стиску кладки при короткочасному завантаженні в загальному полі деформацій, котра виявилась дещо більшою загальноприйнятої та склала 23 %.

Для математичного моделювання процесу деформування кладки при стиску було використано результати інструментальних вимірів деформацій, які оброблялися за допомогою методу найменших квадратів, при цьому як інтерполяційний поліном використано квадратний трьохчлен. Вибір квадратного трьохчлена як функції відносних деформацій не випадковий. Харак-

а = 1000 є„ /Єи,оь,

(1)

(2)

тер деформування фрагментів кладок, спостережений в процесі проведення випробувань, виявив, що крива "ст-є " від початку завантаження до руйнування може мати один екстремум. Цій умові повністю відповідає квадратний трьохчлен. Побудована за результатами інструментальних вимірів деформацій кладок при центральному стиску математична модель деформування кладок з дрібнонпучних порожнистих каменів має наступний вигляд

є =9.08008 • 10"4(аЯІи)2+9,97243• ІО^оЖ,, >+-5.01162 -10'5, (3)

де є - повна відносна деформація стиску, <т -напруженім, при яких визначаються відносні деформації; Ли - границя міцності кладки.

Наведена залежність адекватно відображає динаміку деформування кладки, що видно з співставлення значень відносних деформацій сгаску, обчислених по запропонованій залежності та по загальноприйнятій логарифмічній залежності Л.І.Онищика, коли середнє відхилення результатів розрахунку склало 7%. Графік залежності (3) та його співставлення з іншими залежностями наведено на рис.З (а).

За результатами випробувань багатошарових фрагментів стін побудовані математичні моделі деформування окремих шарів, аналогічні за видом залежності (3) (див. рис. З (б,в)). Одержані залежності співставлялися між собою. Це співставлення показує, що зразки серії 3, які мають додаткове з'єднання шарів посередині висоти простінків деформуються більш рівномірно та спільно порівняно зі зразками серії 2. Деформування шарів фрагментів серії 2 проходить окремо практично з самого початку завантаження зразка, в той час як шари фрагментів серії 3 деформуються порівняно спільно до рівня напружень, що приблизно дорівнює 0.5НШ а при подальшому зростанні навантаження різниця деформацій шарів починає зростати, при цьому більш деформативним є лицевий шар. Вшценаведене свідчить, що прийнята в зразках серії 3 кількість гнучких в’язів між шарами (2.6 см2^/) достатня для їх надійного з’єднання.

В четвертому розділі проведено чисельні дослідження порожнистих каменів та кладок з них. Дослідження в основному базуються на лінійних розрахунках скінченноелементних моделей каменів та кладок на ЕОМ за допомогою програми «Міраж» (розроблений НДІАСБ Держбуду України).

При дослідженні напружено деформованого стану кладок з каменів з максимальним відсотком порожнистості (камені СБ-СР, = 52%) було поставлено за мету визначити повну картину розподілу нормальних напружень по перерізу кладки при центральному та позацентровому стиску, а

а)

а/Я,, і ; 0.9 0.8

' 0.7' 0.8 0.5 . .0.4 0.3

о.г;

..0.1

О

-ъ >

:з V-

7* у: г ■

в)

N .V ' С СО О М ■« <0

ООО О О 'н и ті г*

в> .а N

Н N С4

є*1(Г

.0.9

0.8

0.7

0.8

‘0.5'

0.4

о.а

0.2

0.1: 0,

)Г< *

д у

ґ У

А

* г

*

А

.

б)

■аЖи

о* ^ о <о о ^ 'о

оор о О ті-** ^

є-10-

<0 О N *.

г! аі м сі -

0,1

> / г

- і,

% К

У V

А ї

•і г 1

7

к> СО о. ’ М '-ЧІ '«р • «О О

ооо ■аон’ -ті н-і ^ м

йи 3. Графіки дефсрлувзння фрагмзпів кгщрс а, бв-дінзроЕшвіїрззіддоодй 1,2таЗ; 1 -графік залэкнхп Ъ-ё’ го формулі (3) 2 - те ж, го формул Ж СЬшщка; 4- графіки зшвююсгей ‘Ь-£’дтанхучихнир(в:рш2варй2таЗ;5 -теж; лздяих ііврів; 0 - середа атстсретип знчзпи £•20-5 вднхних /вфюр^ида при вдгроёмйннж зразків серіі1;П-тежнзсучихіійрівоерій2таЗ;+ -теж; лцнкшрі

також визначити модуль пружності та пружну характеристику такої кладки при відомих параметрах міцності та деформативності каменя та розчину.

Грані каменів моделювалися чотирикутним скінченним елементом типу “оболонка нульової гаусової кривини”: Розчинні шви моделювалися таким же елементом, але опертим на пружну вінклерівську основу. В кожному вузлі моделі приймалося по 6 ступенів свободи — за лінійним зміщенням та кутом повороту по кожній осі глобальної системи координат. Числові значення навантажень на модель приймалися з умови досягнення границі міцності матеріалу. .

Одержані в результаті розрахунків епюри відносних деформацій та нормальних напружень наведені на рис. 4. Як показує їх аналіз, навіть при рівномірному розподілі навантаження на модель спостерігається нерівномірність деформування стінок каменів, яка зростає з ускладненням його форми. Кількісний аналіз напружень та деформацій дає значення модуля пружності кладки. При відомому значенні Е0 та заданому значенні з формули (2) визначено пружну характеристику кладки а = 1405. Спі-вставляючи дані експерименту щодо пружної характеристики порожнистих кладок, отримуємо ще одне підтвердження висновку - зі зростанням порожнистості зростають і значення а, а отже і модуля пружності кладки. Знаючи низку значень а при різних значеннях к, ^, побудуємо залежність

Рис. 5. Графік деформування іпарв баїшширсвої кладки при різних аасценіризлегах гюздовжньої сипи: 1-дгформацц шіуїрішньсго шару, 2 - те ж; зсвшшьсго

а = { (к^ь йг) (деЯг - міцність при стиску розчину). Метод найменших квадратів дає наступну залежність в діапазоні міцності розчину ЬІ2=(1-20) МПа:

а= 1004 + 7.27к,^. (4)

Нерівномірність розподілу нормальних напружень по перерізу при розрахунках міцності таких кладок запропоновано враховувати шляхом введення в розрахункові залежності коефіцієнта повноти епюри напружень у. Значення цього коефіцієнта, визначене як відношення об’єму фактичної епюри напружень до об’єму прямокутної з ординатою с = Ощах, склало 0.97. Для зменшення нерівномірності епюри напружень конструкція каменя типу СБ-СР була оптимізована шляхом зменшення товщини центральної діафрагми. При цьому вага каменя зменшилась на 17 % при відповідності інших показників.

Розрахунки скінченноелементних моделей порожнистих кладок на позацешровий стиск виявили, що при значенні відносного ексцентриситету

І^4.Епюрищжильних кагьружшьі відноснихдгфсрмацій отримані при разрахуш^фрагаешукладшзкаменів СБ-СР на центральний стиск

е0 /уёО.З весь переріз кладки стиснений, тобто має місце випадок малих ексцентриситетів. Зі збільшенням ексцентриситету до е0 /у=0,35 в перерізі з’являється розтягнена зона. При цьому форма епюри а в стисненій зоні перерізу за формою близька до трикутника, однак з площини дії згинального моменту характер епюри залишається досить нерівномірним.

Дослідження скінченноелементної моделі багатошарової кладки з дрібноштучних каменів мало на меті надати науково-обгрунтоване конструктивне вирішення вузла опирання перекриття на багатошарову несучу стіну з тим, щоб запобігти появі розтягуючих напруг в перерізі та забезпечити максимально рівномірне деформування шарів при впливі вертикальних та горизонтальних навантажень. Деформування шарів стіни при різних значеннях ексцентриситету поздовжньої сили показано на графіку рис. 5. Звідси отримано значення оптимального відносного ексцентриситету Єо/Ь =0.173. Розрахунки, проведені для простінків 9 поверхового будинку, показали, що горизонтальні (вітрові) навантаження майже не впливають на отримане значення оптимального ексцентриситету, однаково як і зміна фізико-механічних характеристик матеріалу шарів.

В частині поліпшення теплофізичних характеристик зовнішніх кам'яних стін розроблено методику оцінки впливу теплопровідних включень та віконних прорізів на теплофізичні характеристики прилягаючих ділянок стін. Суть методики полягає в аналізі ізотерм на внутрішній поверхні огородження, побудованих для зони включення та стіни. Аналітичні вирази для ізотерм, запозичені з роботи Е.І. Сидорова, де були одержані з розв’язання диференціального рівняння Лапласа при граничних умовах 2-го, 3-го и 4-го роду та адаптовані для розв’язання даної прикладної задачі у вигляді:

(у=о) =ч»,і • сЬ( Рі,пх) Рід, (5)

02(у=о) = ив,2- ЕОіпехр[-Рг»(х-5)] Ргл (6)

де 01, 02 - відносні температури відповідно в зоні теплопровідного включення та в зоні стіни; и^і, и„,2, С^, С^ Зі_п та р2д - величини, що визначаються з граничних умов, поставлених при розв’язанні диференціального рівняння Лапласа для зони включення та зони стіни.

З аналізу ізотерм можна визначити довжину ділянки пониженого термоопору та, шляхом застосування конструктивних заходів, таких як збільшення товщини утеплювача на цій ділянці, створювати стінові конструкції зі значенням опору теплопередачі не ничже нормативного практично по всьому полю стіни.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено широкий спектр конструктивних рішень несучих стін з дрібноштучних каменів та уніфіковану номенклатуру каменів, що відповідають сучасним вимогам щодо міцності, теплопровідності та зовнішнього вигляду фасадів будинків.

2. На основі натурного та чисельного експериментів вивчені характеристики міцності та деформативності окремих порожнистих каменів та кладок з них. Досліджено вплив порожнистості кладки на її міцність та деформативність. Встановлено, що міцність кладок зменшується при збільшенні відсотку порожнистості, а пружна характеристика кладки при цьому навпаки зростає. Запропонована система коефіцієнтів для диференційованого врахування порожнистості при визначенні границі міцності, нормативних та розрахункових опорів кладки при стиску. Побудована апроксимуюча залежність для описання зв’язку пружної характеристики та порожнистості каменів кладки.

3. Встановлені співвідношення міцностей бетону каменя та власне каменя при стиску. Розроблено рекомендації по коригуванню чинних стандартів в частині каменів, що виготовляються методом вібропресування.

4. На основі чисельного експерименту вивчено напружено-д сформований стан порожнистих та багатошарових кладок при центральному та позаценгровому стиску, надані рекомендації по розрахунках міцності порожнистих кладок з врахуванням фактичного характеру розподілу нормальних напружень по перерізу. Побудована апроксимуюча залежність для визначення висоти стисненої зоні перерізу порожнистої кладки при позаценгровому стиску з великими ексцентриситетами в залежності від значення відносного ексцентриситету поздовжньої сили.

5. Розроблена оптимальна конструкція каменя з максимальним відсотком порожнистості, вага якого зменшена на 17% при відповідності інших показників.

6. Отримана науково-обгрунтована конструкція вузла спирання перекриття на багатошарові стіни з оптимальним ексцентриситетом при якому весь переріз стиснений, а шари деформуються рівномірно.

7. Розроблена методика оцінки впливу теплопровідних включень (в т.ч. віконних прорізів) на прилеглі ділянки стін. Методика дозволяє визначити довжину ділянки пониженого термічного опору та, шляхом конструктивних заходів, вирівнювати його до значень не нижчих за нормативні.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Муляр Л.Х., Приймак В.В., Санников І.В., Шапоренко Ю.І., Бонерт Н.О. Досвід проектування, будівництва та експлуатації житлового будинку // Будівництво Украйни. - 1997.-Ы 2.- С.2-6. .

Здобувачем виконано аналіз проектних рішень та їх порівняльної техніко-економічної ефективності при будівництві кам'яного житлового будинку.

2. Трофимович Н.В., Санников І.В., Бонерт Н.О., Шапоренко Ю.І., Абрамов О.О. Впровадження спалюваних та важкоспалюваних матеріалів в огороджуючих конструкціях цивільних будинків з метою підвищення їх опору теплопередачі// Будівництво України.- 1998.- N2. - С.14-17.

Здобувачем розроблено технічні рішення теплоізоляції зовнішніх стін будинків.

3. Шапоренко Ю.І., Коляков М.Й., Санников І.В. Експериментальні дослідження дрібнонпучних бетонних каменів та кладок з них //Перспективні напрямки проектування житлових та громадських споруд. Збірник наукових праць - К.: КиївЗНДІЕП, 1998. -С. 98-105.

Здобувачем розроблено методику експерименту, проведені випробування окремих каменів і натурних фрагментів стін, оброблено та оцінено їх результати.

4. Санников І.В., Шапоренко Ю.І. Фактори та динаміка зношення цегляного житлового будинку баштового типу// Будівництво України.- 1998.-N4.-C.8-12.

Здобувач приймав участь в обстеженні кам'яного житлового будинку по вул. Солом'янськуй 16-6 в м. Києві і в аналізі причин передчасного зношення несучих стін.

5. Шапоренко Ю.І., Коляков М.Й., Санников І.В. Дослідження впливу віконних прорізів на теплофізичні характеристики зовнішніх стін // Перспективні напрямки проектування житлових та громадських споруд. Збірник наукових праць-К.: КиївЗНДІЕП, 1998.-С. 128-139.

Здобувачем адаптовано та апробовано математичний апарат методики визначення теплофізичних характеристик зовнішніх стін на ділянках біля теплопровідних включень та віконних прорізів.

АНОТАЦІЯ

Шаноренко Ю.І. Несучі стіни будинків з дрібноштучних бетонних каменів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - "Будівельні конструкції, будівлі та споруди". Київський національний університет будівництва і архітектури (КНУБА), Київ, 2000 рік.

Роботу присвячено проблемам вдосконалення кам'яних конструкцій. В роботі одержані експериментальні та теоретичні дані про фізико-механічні та теплофізичні властивості порожнистих каменів та кладок. Побудовані математичні моделі деформування кладок. Надані рекомендації по застосуванню дрібнонпучних каменів в конструкціях будинків з розробкою номенклатури виробів та рекомендацій по розрахунку стін. Розроблені методика визначення теплофізичних характеристик на ділянках стін, прилеглих до теплопровідних включень та вікон і конструктивні заходи щодо усунення негативного впливу включень та вікон.

Основні результати дисертації знайшли відображення в нормативних документах та використані при експериментальному будівництві.

Ключові слова: несучі стіни будинків, дрібноштучні бетонні камені, кладка, порожнистість, фізико-механічні та теплофізичні характеристики, математичні моделі деформування.

АННОТАЦИЯ

Шапоренко Ю.И. Несущие стены зданий из мелкоштучных бетонных камней. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения". Киевский национальный университет строительства и архитектуры (КНУСА), Киев, 2000 год.

Работа посвящена проблемам совершенствования каменных конструкций. В работе разработан широкий спектр конструктивных решений наружных и внутренних стен из мелкоштучных камней и предложена унифицированная номенклатура камней, разработанные на основе анализа существующих решений и требований к ним и позволяющие возводить наружные и внутренние стеновые конструкции, отвечающие современным требованиям по прочности, сопротивлению теплопередаче и внешнему виду фасадов зданий. При этом установлено, что для зданий, возводимых в І-ІІ температурных зонах Украины, по условию обеспечения требуемого

термосопротивления возможно применение только многослойных кладок с эффективным утеплителем или сплошных кладок толщиной 490 и 590 мм из камней СБ-ЩР плотностью не более 600 кг/м3. Дифференцированное по температурным зонам Украины применение таких кладок позволит повысить сопротивление теплопередаче наружных стен зданий в 2-2.5 раза (о чём свидетельствуют проведенные расчеты), что в свою очередь гарантирует уменьшение расхода условного топлива на отопление зданий на 20%.

На основе натурного и численного экспериментов установлены прочностные и деформативные характеристики отдельных пустотелых камней и кладок из них. Исследовано влияние пустотности кладки на ее прочность и деформативность.

Установлены соотношения прочностей бетона камня и прочности собственно камня при сжатии. Разработаны рекомендации по корректировке действующих стандартов в части камней, изготавливаемых методом вибропрессования.

Установлено, что прочность кладок из пустотных камней снижается при увеличении значения процента пустотности от 23% до 40 % соответственно на 7.2 % и 9.12 %. Предложена система коэффициентов для дифференцированного учета пустотности при определении предела прочности, нормативных и расчетных сопротивлений кладки при сжатии.

Установлено, что с ростом пустотности значения упругой характеристики и модуля упругости кладки возрастают, что подтверждено как натурным, так и численным экспериментом. Получена аппроксимирующая зависимость для описания связи упругой характеристики и процента пустотности камней кладки.

На основе численного эксперимента исследовано напряженно-деформированное состояние пустотелых и многослойных кладок при центральном и внецентренном сжатии. Разработаны рекомендации по расчету прочности пустотелых кладок с учетом фактического характера распределения напряжений в сечении при центральном сжатии и при внецентренном сжатии с малыми эксцентриситетами. Неравномерность распределения напряжений предложено учитывать введением в расчетные зависимости коэффициента полноты эпюры напряжений.

Получена конструкция камня с оптимальной геометрией, вес которого ниже веса имеющегося аналога на 17% при соответствии других показателей.

Получена аппроксимирующая зависимость для определения высоты сжатой зоны сечения пустотелой кладки при внецентренном сжатии с большими эксцентриситетами в зависимости от значения относительного эксцентриситета продольной силы.

Разработана конструкция узла опирания перекрытия на многослойную стену. Перекрытие опирается на распределительный полнотелый камень с фиксированным эксцентриситетом, значение которого составляет 0,17 от расстояния между осями слоев. При таком эксцентриситете слои деформируются равномерно без возникновения растягивающих напряжений в них.

Разработана методика оценки влияния теплопроводных включений (в т.ч. и оконных проёмов) на теплофизические характеристики прилегающих к ним участков стен, которая позволяет производить анализ температурных полей на границах сред. Эго дает возможность обоснованно назначать геометрические параметры теплоизоляции на участках, прилегающих к включениям и доводить сопротивление теплопередаче до значения не ниже нормативного по всему полю стеновой конструкции, что позволит в свою очередь, сократить теплопотери по зданию в целом на 7-12% в зависимости от конструкции стены, этажности здания, проёмности наружных стен и типа применяемой конструкции окон.

Основные результаты диссертации отображены в нормативних документах и использованы при экспериментальном строительстве.

Ключевые слова: несущие стены зданий, мелкоплучные бетонные камни, кладка, пустотность, физико-механические и теплофизнческне характеристики, математические модели деформирования.

Shaporenko Y.L The bearing house walls of small-size concrete stones. Manuscript

Thesis for competition of scientific degree of the Candidate of Technical Sciences by speciality 05.23.01 - Building constructions, buildings and

structures. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to problems of improvment the stone structures. Physical properties of hollow stones and masonry have been obtained experimentally and theoretically. Mathematical model of flexibility of masonry is build up. Recomendations how to use the small-size stones in structures of house with different types of stones, masonry and recomendations how to calcule the wall bearing capacity are worked out. The mathod for analysis of thermo-physical properties of ranges of walls conjointed to thermoconduction parts including windows is worked out also and measures towards removal negativ effect of these parts and windows.

The main results of dissertation have been adopted and are in use in Building Code and experimental building.

Key words: bearing house walls, small-size concrete stones, masonry, hollow, physico-mechanical and thermo-physical properties, mathematical model of flexibility.

Підписано до друку 21.06.2000 р. Формат 60x90/16. Папір типографський. Офсетний друк. Умови, друк.арк. 1. Тираж 100 прим. Замовлення № 96

Видавництво КиївЗНДІЕП,

01133, м. Київ, бул. Лесі Українки, 26