автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность анкерного крепежа при действии статической и динамической нагрузок

На правах рукописи

00349 1573

КИСЕЛЕВ Дмитрий Александрович /

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ АНКЕРНОГО КРЕПЕЖА ПРИ ДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗОК

Специальность 05.23.01- «Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ФЕВ 2010

Москва-2010

003491573

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В. А. Кучеренко - ОАО «НИЦ «Строительство»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

- кандидат технических наук Грановский Аркадий Вульфович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- доктор технических наук, профессор, Еремеев Павел Георгиевич

- кандидат технических наук, Гришин Андрей Сергеевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Государственное учреждение города Москвы «Городской координационный экспертнсннаучный центр «ЭНЛАКОМ»

Защита состоится «?•£» 2010 г. В 14-00 часов на заседании

специализированного ученого совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИЦ «Строительство». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО «НИЦ» Строительство» http://www.cstroy.ra.

Автореферат разослан «.41..» (р^к'Щ^А: 2010 г.

Ученый секретарь

Специального ученого совета Д 303.020.01

Кандидат технических наук "" Зикеев Л.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последнее десятилетие в России наблюдается значительный рост объемов строительных работ с использованием анкеров для крепления различных конструктивных элементов к стенам и другим конструкциям зданий и сооружений. Отсутствие нормативных документов и стандартов, регламентирующих методы оценки прочности анкеров и анкерных узлов при действии на них продольных и поперечных относительно их оси усилий, повышенный уровень ответственности указанных конструктивных элементов - все это требует от проектировщиков специальных знаний и опыта проектирования.

Оценка несущей способности анкерных креплений усложняется отсутствием стандартной методики проведения испытаний анкеров и нормирования расчетных величин вертикальных и горизонтальных нагрузок на анкер и соответствующих им перемещений, а также методов расчета анкерных узлов.

В настоящее время единственным документом, регламентирующем использование анкерного крепежа в строительстве, является Техническое свидетельство на анкера, утверждаемое Госстроем РФ на основе Технической оценки пригодности продукции для применения в строительстве, выдаваемой ФГУ ФЦС (Федеральный центр технической оценки продукции в строительстве). Методика испытаний и оценки прочностных и эксплуатационных характеристик анкерного крепежа, используемые при составлении технического свидетельства, базируется на основных положениях и рекомендациях ЕТАв (норматив европейского технического свидетельства), выдаваемого ЕОТА (Европейской организацией технических допусков).

Указания этих документов по ряду позиций в части методики испытаний анкерного крепежа, установки в стеновые материалы и требований непосредственно к стеновым материалам не соответствуют положениям отечественных нормативных и рекомендательных документов. Всё это требует проведения специальных исследований как в части методики испытания

анкерного крепежа на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий, так и разработки требований к стеновым материалам, в которые устанавливается анкерный крепеж. Кроме этого исследования работы анкерного крепежа, используемого в строительных конструкциях, возводимых в сейсмических районах с балльностью 7-9 балов, в отечественной литературе отсутствуют.

Отсутствие или незначительный объем проведенных исследований в области анкерных креплений затрудняет решение вопросов возникающих у инженеров-конструкторов по обеспечению необходимого уровня надежности и долговечности проектируемых конструкций и их соединений.

Актуальность диссертационной работы обусловлена существенным расширением области использования анкерного крепежа вследствие интенсивного развитая рынка наружных фасадных систем в России, а также значительно возросших объемов работ по использованию анкерного крепежа при ремонте и усилении конструкций зданий и сооружений, в том числе в районах с сейсмичностью 7-9 баллов.

Цели диссертационной работы. На основе проведенных экспериментальных исследований разработать:

- разработать методику статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

- разработать методику динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

- определение области применения анкеров в зависимости от их конструктивных особенностей, характера силового воздействия (статическая или динамическая нагрузки) и физико-механических характеристик стенового материала;

- исследование прочности и деформативности анкерного крепежа при установке в стены из ячеистобетонных блоков, с учетом степени увлажнения бетона;

- оценка влияния отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров;

- разработать рекомендации по применению анкерного крепежа в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

На защиту выносятся:

- методика проведения статических испытаний анкеров, установленных в стены из различных материалов, на действие продольных относительно оси анкера усилий;

- методика проведения динамических испытаний анкеров на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов, установленных в стены из ячеистого бетона с различной влажностью;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений при действии на них динамических нагрузок

- результаты экспериментальных исследований влияния различных технологических отклонений от стандартных параметров монтажа анкерного крепежа на несущую способность анкеров;

- рекомендации по применению различных типов анкеров в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- разработана методика статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

- разработана методика динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистого бетона с учетом его прочности и влажности;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа в зависимости от способа монтажа конструкций фасадных систем и о влиянии отклонений параметров монтажа от проектных требований на несущую способность анкеров при вырыве;

- впервые получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из тяжелого бетона с трещинами при действии динамических (сейсмических), в том числе импульсных (ударных) нагрузок. Практическое значение работы.

1.На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований разработана методика испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер при статических и динамических воздействиях;

2. Получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из ячеисгобетонных блоков с учетом их прочностных и физико-механических характеристик.

3. Даны рекомендации по выбору анкеров ведущих мировых фирм-изготовителей анкерного крепежа для крепления конструкций к стенам из ячеисгобетонных блоков.

4. Установлено влияние возможных отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров.

5. По заданию Ассоциации «АНФАС» (Ассоциация производителей и поставщиков фасадных систем теплоизоляции) разработан Стандарт «Анкерные крепления для фасадных систем. Общие положения, основные требования, методы испытаний», который в настоящее время прошел 4-ю редакцию.

6. Результаты исследований использованы при подборе типов анкерного крепежа для фасадных систем (Комплекс учебных зданий Академии ФСБ РФ, ЖК «Континенталь» и др.), крепления строительных лесов и конструкций (Старый Гостиный Двор, Государственный Музей Заповедник «Царицыно») и

усиления стен памятников архитектуры (Государственный Академический Большой Театр России). Апробация работы осуществлена: в докладах выступлений на координационных совещаниях по анкерным креплениям фирмы «ШЬТЪ>,(г. Шаан, Лихтенштейн, в сентябре 2007г); фирмы «Fischer» (г. Вальдехппаль, Германия, в декабре 2008 г.); фирмы «SORMAT» (г. Турку, Финляндия, в марте 2008 г).

- в докладе «Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при динамических воздействиях» на 12-ой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство- формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2009 г.

-в докладе «Надежность анкерных креплений в конструкциях из автоклавного газобетона» на Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и долговечность конструкций из автоклавного газобетона «СопАег», Москва, Экспоцешр, октябрь 2009 г.

-в докладе «Исследование работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях» » на конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2009", Санкт-Петербург, «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ», декабрь 2009 г. Публикации:

Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 8-ми печатных трудах. Структура и объем работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

Полный объем диссертации 159 страниц, в том числе: 92 страниц печатного текста, 56 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из 56 наименований, 2 страницы Приложений.

Диссертационная работа выполнена в 2005-2010 годах в Лаборатории сейсмостойкости конструкций ФГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством кандидата технических наук А.В. Грановского. И при научной консультации заведующего кафедрой испытания сооружений, кандидата технических наук, профессора Ю.С. Кунина.

ОСНОВНОЕ СОДЕРАЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, а также приведен перечень результатов исследований, выносимых на защиту.

Первая глава работы посвящена анализу состояния исследуемого вопроса и обоснованию выбранного направления исследований. Проведен обзор теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ, выполненных отечественными и зарубежными специалистами.

Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований в области анкерного крепежа показал, что исследования в области анкерного крепежа в России практически отсутствуют, либо проведены в недостаточном объеме и не позволяют на этапе проектирования выполнить оценку прочности анкерных узлов в зависимости от материала основания, его технического состояния, вида воздействия и типа анкера. Испытания анкеров на динамические воздействия в России до настоящего времени не проводились.

В России исследования в области анкеровки конструкций (в основном закладных деталей) в монолитный железобетон связаны с оценкой совместной работы арматуры с бетоном при действии на арматурный стержень через закладную деталь продольных и поперечных относительно его оси усилий. Наиболее известные исследования в этой области - это работы Б.Б. Вайнера, А.П. Васильева, Б.С.

Гольдфайна, С.А. Дмитриева, Г.Ж. Жунусова, В.М. Кольнера, В.А Клевцова, Н.М. Мулина, Л.П. Серовой, Н.И. Катина, М.М. Холмянского, А.П. Широкова, Б.А. Шитикова, Г.И. Шапиро и В.И. Ягу ста.

Экспериментальные исследования прочности отдельных типов анкеров для крепления фасадных конструкций в стены из различных материалов выполнены K.T.H. М.О. Павловой.

Развитие анкерной техники в Европе сопровождалось значительным объемом экспериментально-теоретических исследований в области анкерного крепежа и, как следствие этого, появлением и совершенствованием нормативной базы в этой области.

Среди зарубежных исследований следует выделить работы Eligehausena, Malle, Silva, Ballarini, Shah, Keer, Weyerhausera, Pusill-Wachtsmutha, Clausnitzera, Cedolina, Bazanta, Ottosena, Seghezzi, EIfgrena, Bromsa, Cederwall, Gylltoft, Ohlsoan, Sawade, Ozbolt и др.

В заключение главы приведен анализ существующих методик расчета несущей способности анкеров в Европе, США и РФ. Отмечены недостатки этих методик и пути их совершенствования. По результатам обзорного анализа сформулированы цели диссертационной работы и определены основные направления исследований.

Во второй главе на основе анализа существующей технической и нормативной отечественной и зарубежной литературы предлагается терминология в области анкерного крепежа. Приводится анализ влияния скорости нагружения анкеров на оценку их прочности и деформативности, а также существующих подходов к назначению количества опытных образцов, для определения их расчетных характеристик. Изложен сравнительный анализ методик испытаний анкеров в соответствии с ETAG (по ФГУ «ФЦС») и ГОСТ 8829-94. Результаты испытаний анкеров на вырыв из различных стеновых материалов по методике ETAG (по ФГУ «ФЦС») и ГОСТ 8829-94 приведены в таблице 1.

Результат испытаний анкеров ira вырыв из различных стеновых материалов по методике ETAG (по ФГУ «ФЦС») и ГОСТ 8829-94

Таблица 1.

Марка анкера Вид основания Кол-во испытанных образцов NÍW(kH), по методике ETAG (ФГУ «ФЦС>>) NfiiBp. (кН) по методике ГОСТ 8829-94 |Nr-NEi А = —!х100(%)

1 2 3 4 5 6

MB-S 10*160 (MUNGO) пенобетон (класс JB 1.2, D 650) 10 4 3.2 25

SDP-KB lOSxlOOV (EJOT) Ячеистый бетон (класс В 1.5, D 600) 10 2.75 2 37.5

МВК 10*120 (MUNGO) Ячеистый бетон (класс В 1.0, D 600) 10 2.5 2.25 11

FÜR 10x100 FUS (FISCHER) Керамзигобетон (М150) 10 12.8 11.7 9.5

HRD-S 10x100 (HILTI) Керамзигобетон (М150) 10 11.0 9.0 22

KATN lOx 100 (SORMAT) Керамзигобетон (М150) 10 14.5 12.0 21

MBRK 10x100 (MUNGO) Железобетон (В30) 10 12.0 12.0 0

KATN 10x100 (SORMAT) Железобетон (В30) 10 6.9 7.0 0

SXS 10x100 FUS (FISCHER) Железобетон (ВЗО) 10 19.5 20.0 0

Анализ методик и результатов испытаний анкеров и конструкций на основе применения этих методик, используемых в Европе (ЕТАС) и в России (ГОСТ 882994, ТС ФГУ «ФЦС»), а также большой объем выполненных автором экспериментальных исследований в части испытаний различных марок анкеров, установленных в стены из различных материалов, позволяет рекомендовать следующую методику испытаний анкеров.

На графиках рис.1 приведены схемы испытаний анкеров по методике ТС ФГУ «ФЦС» (рис. 1а) и разработанной в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко методике испытаний анкеров (рис. 16). Предлагаемая методика испытаний анкеров, в основе которой заложены основные положения методики испытаний строительных конструкций по ГОСТ 8829-94, включает в себя следующие этапы.

1. На первом этапе (1-ый образец) испытания анкера проводятся по методике ГОСТ 8829-94. По результатам испытаний определяется величина разрушающей нагрузки при вырыве анкера.

2. На втором этапе испытаний (испытываются 5 анкеров) нагрузка на анкер прикладывается ступенями, каждая из которых не должна превышать 1/20^-1/10 от величины разрушающей нагрузки. При этом:

- на каждой ступени нагружения производится полная разгрузка анкера;

с фиксацией величины остаточных деформаций (перемещений) анкерного узла. После этого осуществляется последующий этап нагружения до величины нагрузки Р^Рн+ДР с последующей разгрузкой. Такое поэтапное увеличение нагрузки осуществляется до тех пор, пока либо остаточные деформации не превысят величины Д=0.1 мм, либо величина нагрузки на данном шаге нагружения не превысит значения равного Ы|=0.5хЫразр (где >!;- величина нагрузки на ¡-ом шаге нагружения);

- принимаемое предельное значение перемещений анкера Д=0.1 мм обусловлено тем, что как показали многочисленные экспериментальные исследования это значение перемещений анкера соответствует двум параметрам:

• данное перемещение соответствует полной величине обжатия головки обоймы анкера из полиамидного дюбеля (в случае применения анкеров с полиамидным (или другим) дюбелем). После этого смещения, как показывает эксперимент, анкер включается в работу на вырыв;

• в случае применения химических или стальных анкеров при достижении указанного значения остаточных деформаций дальнейшее увеличение нагрузки на анкер приводит к значительному увеличению остаточных деформаций (при разгрузке) и снижению жесткости (повышению деформативносги) анкерного узла.

- после того, как один из указанных двух факторов будет в процессе разгрузки установлен, дальнейшее пошаговое нагружение анкера следует проводить без разгрузки до достижения предельного разрушающего усилия.

3. Как отмечалось выше, для определения несущей способности анкера проводится испытания б образцов анкеров.

-по результатам испытаний 1-го образца определяется величина разрушающей нагрузки и, соответственно, величина нагрузки;

- по результатам испытаний оставшихся 5 образцов анкеров определяется среднее значение величины разрушающей нагрузки;

- если одно из пяти значений величины разрушающей нагрузки отличается от среднего значения более чем на 20%, то производится дополнительное испытание. (Принятая величина отклонения единичных результатов от среднего значения соответствует рекомендациям нормативных документов России в области бетона и каменных материалов- ГОСТ 10180-90 и ГОСТ 530-95).

4. За величину расчетной нагрузки вырыва анкера принимается нагрузка, при снятии которой величина остаточных деформаций не превышает значения Д=0.1 мм.

а) по методике ETAG (по ФГУ «ФЦС»);

б) по методике ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

Как показали многочисленные испытания анкеров, именно эта величина нагрузки соответствует упругой стадии работы анкера при вырыве.

Предложенная методика испытаний анкеров на вырыв была в течении 5 лет апробирована практически на всех марках анкеров ведущих фирм-производителей анкерного крепежа («FISCHER», «HILTI», «MUNGO», и «SORMAT») и показала свою надежность и достоверность получаемых результатов. Данная методика позволяет с достаточной степенью достоверности определить зону упругой работы анкера при вырыве.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям прочности анкерного крепежа при действии динамической нагрузки.

Как известно, сейсмические воздействия относятся к динамическим и возникают в связи с движением основания сооружения во время землетрясений.

Особенность сейсмических нагрузок состоит в том, что они могут действовать в любом направлении, вызывая в одних и тех же сечениях конструкций в один момент времени сжимающие, в другой - растягивающие или срезающие усилия (нагружения). Однако любое сейсмическое воздействие характерно не только циклическим характером, но и ударными толчками, которые для конструкции могут быть опаснее, чем плавно меняющиеся нагрузки.

Исследование работы анкеров в России на динамические (сейсмические) воздействия до настоящего времени не проводились. За рубежом исследования в этой области связаны, в основном, с работами специалистов фирм «FISCHER», «HILTI», «МКТ». При этом методика динамических испытаний анкеров в Европейских нормах отсутствует.

Дирекцией ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко был сделан запрос представителям указанных выше фирм в России, в том числе и фирмам «SORMAT» (Финляндия), «MUNGO» (Швейцария) и «МКТ. Metall-Kunstoff-Technik» (Германия), о марках анкеров, которые с их точки зрения могут быть

рекомендованы для креплении конструкций, том числе навесных фасадных систем, эксплуатируемых в условиях динамических (сейсмических) воздействий. Специалистами фирмы «FISCHER» были рекомендованы для экспериментальной проверки следующие марки анкеров: FHB II-AL, Zykon FZA, FAZ II, FH II В (рис.2 а-^г), а фирмой «MKT. Metall-Kunstoff-Technik»-VMZ (рис.2д).

а) б) в)

Sa

ьш^::-:;^];!

Д)

« я «

Рис.2 Общий вид марок анкеров, использованных при динамических испытаниях: a) FHB II-AL М12*120/25; б) FAZ II 12/20; в) FH II 15/10 В; г) Zykon FZA 12x50 М 8/15; д) VMZ-A 50 М8-30/95.

В Лаборатории сейсмостойкости конструкций Центра исследований сейсмостойкости сооружений при консультации специалистов МГСУ (зав. кафедрой испытаний сооружений проф., к.т.н., Кунин Ю.С.) с учетом отмеченных выше факторов была разработана программа динамических испытаний анкеров, включающая два этапа:

- испытания анкеров на циклические воздействия сейсмической нагрузки;

- испытания анкеров на ударные воздействия сейсмической нагрузки.

Динамические циклические испытания анкерного крепежа проводились в Научно-исследовательском Центре Компании «FISCHER» (обл. Вальдахталь, г. Тумлинген, Германия). Испытания на вырыв анкеров из железобетонных стеновых фрагментов проводились на экспериментальной установке фирмы «Instron-200 кН» (рис.За) с рабочим интервалом динамических и статических нагрузок соответственно до 100 кН и 200 кН при максимальной амплитуде колебаний рабочего органа ±100 мм. Частотный спектр установки изменяется в интервале от 0 до 50 Гц.

Испытания анкеров указанных выше марок, установленных в железобетонную плиту, на срез проводились на установке «Seismic-Prufaulage» (рис.Зб) с рабочим интервалом динамических и статических нагрузок, соответственно, до 63 кН и 250 кН при максимальной амплитуде колебаний рабочего органа ± 50 мм и частотным спектре в пределах от 0 до 50 Гц.

а) б)

Рис.3 Общий вид установок для динамических испытаний анкеров на вырыв из железобетонной плиты (а) и срез (б)

Программа динамических испытаний указанных выше марок анкеров на вырыв и срез включала в себя следующие пункты:

• каждый тип анкера устанавливался в бетон с трещиной при ширине ее раскрытия 0.33 мм, класс бетона соответствовал С20/25 (В 30). Ширина раскрытия трещины (а=0.33 мм) фиксировалась при ее расклинивании с помощью индикатора часового типа после установки в нее анкера;

• для определения несущей способности анкера и возможности оценки влияния динамических воздействий на его несущую способность на первом этапе проводились статические испытания на вырыв и срез первой группы анкеров (по 3 образца каждой марки). По результатам этих испытаний устанавливалась предельная разрушающая (ультимативная - по терминологии ЕТАв) нагрузка (рис.4а,б);

• вторая группа анкеров после установки их в бетон с трещинами испытывалась на действие динамических нагрузок. При этом частота изменения нагрузки варьировалась в интервале 5-И 5 Гц при количестве циклов соответственно 500-^-1000;

• при динамических воздействиях нагрузка изменялась в интервале от 2 Ш до ОЛхЫразр (при вырыве) и от 0.2 кК до 0.2x4^ (при срезе) (рис.4,в, г, д, е).

• после завершения динамических испытаний анкеров на вырыв и срез каждый анкер доводился до разрушения при статическом приложении нагрузки вырыва. По результатам статических испытания проводилась оценка влияния динамических воздействий на несущую способность анкера. При этом, после завершения динамических испытаний на действие срезающего циклического усилия, эти же анкеры испытывались на действие статической нагрузки среза (рис.5).

Анализ результатов динамических испытаний анкеров на действие циклической продольной силы позволяет отметить следующее.

1.При действии циклических продольных относительно оси анкера сил величиной до 0.7 от Нразр несущая способность и деформации анкера не меняются:

- не установлено изменение (падение) величины нагрузки на анкер;

- не установлено возрастание амплитуды колебаний анкера;

I \ 1 1

! ;

! '

■5 0 6 10

Рис.4 а) График зависимости «нагрузка-деформация» для 3-х образцов анкеров марки ИНВ Н-АЬ М 12*120/25 при статическом нагружении продольной относительно оси анкера нагрузкой; б) то же при срезающей нагрузке; в) график зависимостей амплитуды и величин циклической нагрузки вырыва от количества циклов приложения нагрузки для анкеров марки ИНВ П-АЬ М 12х 120/25 при {=15 Гц и п= 1 ООО циклов; г) то же при циклической нагрузке среза; д) Гистерезисная кривая «нагрузка-деформация» для анкеров марки РНВ П-АЬ М 12*120/25 при действии на них динамической срезающей нагрузки с параметрами 1=5 Гц и п=500 циклов; е) то же при динамической срезающей нагрузке с параметрами ¡=15 Гц и п=100 циклов; ж) петли гистерезисных кривых при циклических испытаниях (п=4) на действие срезающих усилий.

Рис.5 Графики зависимости «нагрузка-деформация»: а)для анкеров марки РНВ Н-АЬ М 12x120/25 при статическом нагружении продольной (вырыв) относительно оси анкера нагрузкой (испытания анкеров после прекращения действия продольной динамической нагрузки при 1=15 Гц п=1000 циклов); б) для анкеров марки РНВ Н-АЬ М 12x120/25 при статическом нагружении продольной (вырыв) относительно оси анкера нагрузкой (испытания анкеров после прекращения действия продольной динамической нагрузки при 1=15 Гц п=1 ООО циклов) в) для анкеров марки РНВ П-АЬ М 12*120/25 при статическом нагружении поперечной (срез) относительно оси анкера нагрузкой (испытания анкеров после прекращения действия поперечной динамической нагрузки с 1=5 Гц п=500 циклов).

Изменение указанных факторов происходит в случае проскальзывания анкеров в момент преодоления сил трения, создаваемого сцеплением как клеевого состава с бетоном, так и непосредственно ступенчатой части анкера с клеевой массой. 2. Проведение статических испытаний анкеров на вырыв сразу после завершения их испытаний на динамические нагрузки показали, что их несущая способность практически не изменилась - среднее значение разрушающей при вырыве составило, как и до динамических испытаний Ыср=63 кН.

Абсолютные деформации анкера в момент вырыва уменьшились более чем в два раза: на начальном этапе испытания при действии статической

нагрузки величина смещения анкеров составила Дер ~5 мм (рис.4а). По результатам статических испытаний анкеров, прошедших динамические испытания, величина Дер -2.5^-2.6 мм (см. рис.5а).

Указанный эффект объясняется, как уже отмечалось выше, частичным проскальзыванием анкеров, т.е. анкер как бы выбирает имеющиеся люфты и происходит полный распор стального стержня в клеевой массе и непосредственно самой массы в бетоне.

Анализ результатов динамических испытаний анкеров на действие циклической поперечной относительно оси анкера силы позволяет отметить следующее.

1. Как видно из графика на рис. 4ж по мере увеличения числа циклов происходит «размягчение» (разрушение) бетона в зоне входа анкера и, как следствие этого, снижение величины максимальной срезающей нагрузки.

2. Из-за разрушения бетона входной зоны отверстия под анкер имеет место увеличение амплитуды перемещений анкера при действии динамической нагрузки.

3. На рис. 5 б показан график зависимости «нагрузка - деформация» при статическом приложении нагрузки к анкерам, предварительно прошедших динамические испытания на действие поперечной относительно их продольной оси силы. Сравнение результатов статических испытаний принятых марок анкеров на вырыв до и после динамических испытаний показывает, что их несущая способность на вырыв после воздействия динамической нагрузки практически не изменилась.

4. На графике рис.5 в приведены результаты статических испытаний анкеров на срез после завершения их испытаний на динамические нагрузки, приложенные поперек продольной оси анкера. Можно констатировать, что несущая способность анкеров при срезе после динамических воздействий практически не изменилась.

Таким образом, при применении в сейсмических районах анкеров марки ИНВ П-АЬ М12х 120/25 при установке их в стены из тяжелого

бетона их несущая способность может приниматься такой, как и в случае использования этих анкеров в обычных районах.

Проведенный анализ результатов аналогичных испытаний анкеров марок FAZ II 12/20, FH II 15/10 В, Zykon FZA 12x50 М 8/15 на действие динамических и последующей статической нагрузки позволяет отметить следующее.

1. Влияние динамической нагрузки, направленной вдоль и поперек оси анкера, на прочность анкеров марок FHB II-AL М12х 120/25, FAZ II 12/20, FH II 15/10 В при вырыве и срезе не выявлено.

2. Несущая способность анкера марки Zykon FZA 12x50 М 8/15 на вырыв после прекращения действия динамической нагрузки, направленной поперек оси анкера, снизилась более чем на 40%.

3. Учитывая результаты динамических испытаний не рекомендуется применение анкеров марки Zykon FZA 12x50 М 8/15 (см. рис. 3.1 г) в сейсмических районах строительства.

4. На рис.6 показан характер разрушения отдельных анкеров марок FHB II-AL М 12x120/25, FAZ II 12/20, FH II 15/10 В при статических испытаниях на вырыв и срез после завершения динамических испытаний.

Рис.6 а) Разрушение анкерного узла при вырыве из бетонной плиты с трещиной при использовании анкера марки: FHB II-AL М12x120/25; б) то же для анкера марки FH II 15/10 В; в) разрушение анкерного узла при срезе при использовании анкера марки :в) FAZ II12/20,г) Zykon FZA 12x50 М 8/15.

5. В таблице 2 приведены результаты испытаний анкеров марок FHB II-AL М 12x120/25, FAZ II 12/20, FH II 15/10 В на динамической нагрузки, направленной вдоль и поперек оси анкера.

В соответствии с программой экспериментальных исследований, разработанной специалистами ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и согласованной с были проведены испытания химических анкеров, установленных по технологии инъецирования VMZ со специальной резьбовой шпилькой марки VMZ-A 50 М8-30/95 фирмы «МКТ» (рис.2 д) на действие ударной (импульсной) нагрузки.

Испытания проводились на виброплатформе ударного действия. Общий вид VESPA виброплатформы (а) и принцип ее действия приведены (б) приведены на

Рис.7 а) Общий вид «УЕЭРА» виброплатформы; б) принцип действия «УЕЭРА» виброплатформы.

Описание опытных образцов. Динамические ударные испытания на вырыв указанной выше марки анкеров включали в себя следующие этапы:

- каждый из 14 подлежащих испытаниям анкеров устанавливался в бетонный блок размерами 290*290* 120 мм и массой 25 кг.

- в блоках моделировалась трещина, которая проходила через ось анкера. Ширина раскрытия трещины в опытных образцах принималась равной Д=1 мм.

- на выступающий из бетонного образца конец химического анкера крепился специальный адаптер, с помощью которого бетонный образец подвешивался к силовой раме, установленной на виброплатформе.

Результаты испытания анкеров на динамическую (циклическую) нагрузку Таблица 2

Зад нагрузки Нашсеягоанхе ввхера

ГНВН-АЬ М12^120/25 глгн 12/20 га II15/10 В 2укоиГСА.12х50 Ы 8/15

Статическая нагрузка вырыва до динамических испытаний, кН 63.52-62.90-63.34 34.71-35.83-32.98 N»„«.=34.51 32.95-39.70-31.3« 25.03-27.34-27.90 N"^.=26.76

Динамические испытания (вырыв}, (интервал действия циклической нагрузи?) кН а=500 циклов 1=5 Гц т^ЮОО ЦЕНТОВ £-15 ГЪ »«я-п-^ыа«.

Статическая нагрузка вырыв & после дняаютесквх испытаний ка действие продольной свш. кН 11=50 С циклов £=5 Гц 64.06-63.96-63.10 36.14-38.48-37.50 N"».1=37.37 39.16-41.10-39.61 N»•.«.=39.96 23.93-27.94-27.5 N'^=26.46

о=1000 циклов §=15 Г* 63.99-63.48-62.90 N"„.,=<53.46 43.iB-44.75-42.16 N»^.„=43.53 33.70-38.02-38.03 N'^»=36.58 25.75-25.66-24.10 N»»»=25.17

Статическая нагрузка среза, до динамических испытаний. кН 42.76-48.20-41.59 V* ,„=44.18 40.27-41.41-41.10 ^»•1то=40.93 54.11-52.36-56.11 V® „^=54.19 31.78-31.53-32.58

Дннамичесюк испытания (срез), (интервал действия циклической нагрузки), кН п=500 циклов Гц »»1000 цикле« ^15 Г* о.2 кн- о.гю^

Статическая нагрузка после динаинчесетх испытаний на срез^кН ВырЬ1В о=500 циклов 6=5 гп 57.3 33.6 35.7 16.4

п=100П циклов е=п П1 57.1 39.1 33.2 15.6

Срез ГР500 циклов 6=5 Гц ■42.17-44.48 41.87-42.03 53.80-44.20 ^»»«=49.0 31.19-33.05 ■^¿„=30«

и=1000 ЦЕЕПОВ И5 ГЪ 39.47-40.24 ^^=39.95 43.62-40.88 У»те=(2.25 48.39-47.93 ^»•,„=48.16 25.38-16.3

- каждый образец-анкер испытывался на два следующих один за другим ударных воздействия. Временной интервал между 1-м и 2-м ударами составил 3-^5 мин. Необходимость проведения двойного ударного воздействия обусловлена отсутствием на момент проведения испытаний в Лаборатории АВС-защитных технологий г. 8р1ег (Швейцария) оборудования для статических испытаний анкеров после 1-го ударного воздействия. Испытание анкера на второе ударное воздействие позволило оценить возможное изменение несущей способности анкера, после первого удара. В процессе испытаний с помощью специальных электронных датчиков и акселерографов определялись перемещения анкера при ударном воздействии, и, соответственно, вертикальное ускорение виброплатформы.

- каждый образец-анкер испытывался на два следующих один за другим ударных воздействия. Временной интервал между 1-м и 2-м ударами составил 3-^5 мин. Необходимость проведения двойного ударного воздействия обусловлена отсутствием на момент проведения испытаний в Лаборатории АВС-защитных технологий г. Бр'юг (Швейцария) оборудования для статических испытаний анкеров после 1-го ударного воздействия. Испытание анкера на второе ударное воздействие позволило оценить возможное изменение несущей способности анкера, после первого удара.

В таблице 3 приведены результаты испытаний 14-ти образцов анкеров при первом и втором ударном воздействии виброплатформы-рамы на анкер. На рис.8 показаны акселерограммы при 1-м и 2-м ударном воздействии. Соответствующие этим ускорениям усилия, приходящие на анкеры при ударном воздействии на них от веса бетонного груза, составили: Ы=тха=25х 12x9.81=3065 кгхм/с2=3065 Н=3.1 кН.

Таблица 3

Перемещение анкера а,мм Х° Образец анкера

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

после 1-го удара $1,мм 0.03 0.83 1.34 1.00 1.10 0.00 0.62 0.04 0.62 1.58 1.32 1.29 1.56 1.50

после 2-го удара 52,мм 0.03 0.01 0.14 0.09 0.14 0.11 0.43 0.12 0.14 0.12 0.10 0.38 0.08 0.06

суммарное 0.06 0.84 1.48 1.09 1.24 0.11 1.05 0.16 0.76 1.70 1.42 1.67 1.64 1.56

а) б)

Рис.8 Акселерограммы при 1-м (а) и 2-м ударном воздействии (б).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований несущей способности анкерного крепежа при установке в стены из ячеистобетонных блоков. В настоящее время требования по применению ячеистобетонных блоков в строительстве в большинстве случаев не учитываются. Широкое же применение ячеистобетонных блоков, относящихся к конструкционно-теплоизоляционным видам, ведет к резкому снижению эксплуатационной надежности как самих стен, так и фасадных конструкций (НВФ), которые на них (стены) крепятся.

В связи с резко возросшими объемами работ по устройству НВФ, вопрос о надежности крепления фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков становится особенно актуальным. В связи с указанным, в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко проведены экспериментальные исследования прочности на вырыв различных видов анкеров при установке их в стены из ячеистобетонных блоков. Цель исследований - выбор наиболее эффективных типов анкеров, используемых для крепления фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков в зданиях различной этажности. По результатам исследований даны рекомендации по применению анкеров в зависимости от высотности и ответственности зданий.

Рассмотрено влияние влажности ячеистобетонных блоков на несущую способность анкерного крепежа при вырыве. Уровень влажности ячеистобетонных блоков оказывает существенное влияние на эксплуатационную надежность установленного в него анкерного крепежа. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования анкеров, представленных фирмами «Fischer», «HILTT», «SORMAT» и «MUNGO» на вырыв из газобетонных блоков с различной влажностью. Исходя из особенностей производства и эксплуатации изделий из газобетона, была разработана программа испытаний, в которой газобетонные блоки «YTONG» были разделены по влажности на 3 серии с влагосодержанием по массе I серия - 5-7 %, П серия - 10-15 %, Ш - 25-33 %. В качестве базового материала использовались столбы из газобетонных блоков «YTONG». Марка по прочности на сжатие газобетонных блоков соответствовала М 50 (класс В 4.0, коэффициент вариации kf= 12%) при плотности D600.

Анализ результатов экспериментальных исследований прочности при вырыве анкеров (на примере анкеров SXS 10 * 100 (Fischer)) при установке их в ячеистобетонные блоки с различной влажностью бетона позволяет отметить следующее:

- при увеличении влажности ячеистого бетона с 10-12% (нормируемая влажность) до 25-30% (отпускная влажность) прочность на вырыв анкеров снижается на »25% (см. рис.9);

- при уменьшении влажности ячеистобетонных блоков с 10-15% до 5-7% (влажность блоков в процессе их эксплуатации) прочность анкеров при вырыве из ячеистобетонных блоков увеличивается всего на 5-7%

В пятой главе рассмотрено влияние отклонений параметров монтажа анкеров от требований технических справочников фирм-производителей анкерного крепежа на их несущую способность.

Несущая способность анкеров на вырыв из различных стеновых материалов, зависит от таких факторов, как:

N, кгс

335 303 213 333 253 ЯЮ 1ТЗ ISO 125 los

7S К 23

О Г.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0.T O.S 0.9 1 1,1 1.2 1.3 ,*.MM

Рис.9 Графики «нагрузка-деформация» для анкеров марки SXS 10x100 (Fischer) при различной влажности ячеистобетонных блоков.

- качество (прочность, долговечность) материалов, из которых изготовлены элементы анкера (полиамидный дюбель, непосредственно сам рабочий орган и т.д.);

- качество материала основания, в который устанавливается анкерный крепеж;

- соблюдение требований «Технических справочников» фирм-изготовителей анкерного крепежа к допускаемым отклонениям при монтаже анкеров и к техническому состоянию непосредственно анкеров в момент их монтажа.

Прочностные параметры анкерных креплений, наиболее зависимые от человеческого фактора, это:

- качество установки анкерного крепежа;

- техническое состояние материла стенового ограждения. Проанализирована зависимость несущей способности анкера от степени

увлажнения полиамидного дюбеля. На рис. 10 а показана зависимость несущей способности анкера от степени увлажнения полиамидного дюбеля. На рис. 106 приведены результаты испытаний анкеров с полиамидным дюбелем при изменении температуры основания в интервале от -50° С до +200° С (использовался полиамид марки Ultramid® B3L и Ultramid® B3S).

Л-5- ч 7% \

\

/ ~ 1 n ч

У Г

/ у

//

f /

к

t

Юг

б)

ч )? . о

.............га — ш гнш^взь ппшАзд

и 5.1 75 т

о -МИи<М00(М1МЮ) (ксслвдовянм ЦНИИСК им. В А КУЧЕРЕНКО); г »данным [41,42].

........ 1 ....... 1 ч

ВлмаоячюлтшдвагодаСоиГ [%] л « -а .и -м -т

Тчччц|ТГС|

Рис. 10 а) Влияние степени увлажнения полиамидного дюбеля на несущую способность анкера, б) влияние температуры бетона на усилие вырыва анкера с полиамидным дюбелем.

Анализ представленного на рис. 10 б графика позволяет сделать следующие

выводы:

- при эксплуатации анкерного крепежа с полиамидным дюбелем Шгагшс!® ВЗЬ при 30°-50°С несущая способность анкеров снижается в среднем на 15%.

- при пожаре, в случае длительного огневого воздействия на стеновой материал прочность анкера на вырыв из бетона может быть снижена до 50%.

Для оценки влияния изменения (уменьшения или увеличения) диаметра отверстия под анкер на его несущую способность были проведены экспериментальные исследования с использованием отечественных анкеров фирмы «ТЕЯМОСЫР».

Исследования прочности на вырыв анкерного крепежа проводились на двух типах стенового основания: образцы стен из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения из бетона класса В 1.5 и образцы стен из керамического кирпича марки М100. Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Глубина, на которую рабочий орган (далее шуруп) ввернут в пластиковую обойму является важным фактором, влияющим на несущую способность анкера при вырыве из стенового материала.

Изменение глубины вворачивания шурупа в полиамидный дюбель связано как с конструкцией крепления кронштейна к стеновому основанию, так и в отдельных случаях с низким качеством работ- недоворотом шурупа в полиамидную обойму.

Таблица 4

Материал стены Диаметр Результаты испытаний

отверстия в по методике ФГУ «ФЦС» по методике ЦНИИСК ни. В. А Кучеренко

стене, мм ^(кН) И,„(кН)

Ячеистобетонвые 9 3.25 0.46 3.25 1.25

блохи из блоха 10 3.0 0.42 25 1.0

класса В 1.5 11 1.75 0.25 1.6 0.65

9 не вворачивается рабочий орган анкера

Керамический кирпич М100 10 11 9.0 1.26 8.5 2.5

4.0 0.56 3.0 1.0

На рис. 11 показана зависимость несущей способности анкера при вырыве от глубины вворачивания рабочего органа (шурупа) в полиамидный дюбель.

«о

о «

г

Ж;

Л*

Л °

90 100 ЦА-Го

■ .ПЖМ'ШЖГВСНП);

.ПЖ1М00ГЩ(ГЕ(ЗЩк л .Ш1<М00ПВ<Н5СШЦ( и -М№М'1М(МЮИй -НИХ 10-100 <Ш«Ю);

-шмчюраюш*

а • ш> даишг исиэдшш* (Щ

Рве. 11 Зависимость несущей способпости анкера при вырыве от глубины вворачивания рабочего органа (шурупа) в полиамвдный дюбель.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Разработана и предложена для практического применения методика испытания анкерного крепежа на действие статических и динамических (циклических и ударных) нагрузок.

2. На основе экспериментальных исследований выполнена сравнительная оценка существующих методов испытаний анкеров на действие продольных относительно их осей усилий, используемых как рубежом, так и в России. Установлены критерии для оценки величины расчетной нагрузки на анкер по результатам испытаний с использованием предложенной в диссертации методики.

3. На основе экспериментальных исследований установлены типы анкеров, которые могут быть рекомендованы для применения в зданиях и сооружениях, возводимых в районах с сейсмичностью 7-4-9 баллов.

4. Впервые получены данные о несущей способности рекомендованных для применения в сейсмических районах химических и распорных анкеров, установленных в монолитный бетон с трещиной, при действии на них динамической и ударной (импульсной) нагрузок.

5. Получены графические зависимости (гистерезисные кривые) «нагрузка-деформация» для анкерных креплений при различных параметрах воздействия динамической нагрузки (частота, количество циклов, величина нагрузки).

6. Выявлены схемы разрушения анкерных креплений при действии динамической (продольной и поперечной относительно оси анкера) нагрузки в зависимости от конструктивных особенностей (типа) анкера.

7. Впервые проведены экспериментальные исследования анкерного крепежа на действие ударной (импульсной) нагрузки при установке их в монолитный бетон с трещиной. Получены записи акселерограмм при действии ударной (импульсной) нагрузки на анкер и установлена возможность применения принятой конструкции анкера, как в сейсмических районах, так и в случае использования в конструкциях атомных электростанций при ударных воздействиях, соответствующих величинам ускорений 12§.

8. На основе экспериментальных исследований установлены наиболее эффективные типы анкеров, которые могут быть использованы в строительной практике для крепления фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков в зданиях различной этажности. Установлены требования к стенам из

ячеистобетонных блоков при креплении к ним конструкций навесных вентилируемых фасадов с помощью предложенных типов анкеров. Результаты исследований были использованы при возведении высотных зданий в г. Москве и г. Казани.

9. На основе экспериментальных исследований получены данные о несущей способности при вырыве анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистобетонных блоков при различной степени увлажнения ячеистого бетона. Проанализировано влияние степени увлажнение базового материала на несущую способность анкера.

10. Получены данные о влияния отклонений параметров монтажа анкеров от технических требований фирм-производителей анкерного крепежа на их несущую способность. По результатам экспериментальных исследований предложена эмпирическая зависимость, позволяющая определить несущую способность анкера на вырыв из материала основания в зависимости от глубины установки рабочего органа (шурупа) в полиамидный дюбель.

11. Результаты исследований были использованы при проектировании, строительстве и реконструкции многочисленных объектов г. Москвы и регионов РФ. Натурные испытания анкеров подтвердили достоверность и обоснованность предложенной методики испытаний, а также результатов экспериментальных исследований, полученных в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Грановский A.B., Киселев Д.А., Аксенова А.Г. Об оценке несущей способности анкерных креплений./ Бетон и железобетон, М., №2 2006 г.

2. Грановский A.B., Киселев Д.А., Цикановский Е.Ю. К вопросу об оценке надежности фасадных систем и о распределении ветровых нагрузок на них./ Строительная механика и расчет сооружений, М., №3,2006 г.

3.Грановский A.B., Киселев Д.А., Александрия М.Г. FISCHER - настоящее и будущее анкерного крепежа./ Технологии строительства, М., №4 2008 г.

4. Грановский A.B., Киселев ДА. Финское качество - гарантия надежности и экономичности анкерного крепления SORMAT./ Технологии строительства, М., №5 2008 г.

¿.Грановский A.B., Киселев Д.А. К оценке надежности анкерных креплений фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков./ Технологии строительства, М, №5 2008 г.

6. Грановский A.B., Киселев Д.А. К вопросу о повышении надежности наружных стен высотных зданий из ячеистобетонных блоковJ Технологии строительства, М., №7 2008 г.

7.Кунин Ю.С., Киселев ДА Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при динамических воздействиях./ Научные труды, МГСУ, М, 2009 г.

8. Грановский AB., Киселев Д.А. Экспериментальные исследования работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях./ Технологии строительства, М., №6 2009г.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 28.01.2010 Тираж 110 экз. Усл. пл. 1,9 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

Введение.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ исследований анкерного крепежа, используемого в сооружениях, возводимых в обычных условиях.

1.2 Анализ работ по экспериментальным исследованиям анкерного крепежа при динамических воздействиях на анкер.

1.3 Анализ существующих методик расчета несущей способности анкеров.

1.4 Обоснование выбранного направления исследований.

Глава 2. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ АНКЕРНОГО ЬСРЕПЕЖА НА ДЕЙСТВИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ОТНОСИТЕЛЬНО ОСИ АНКЕРА СИЛ.

2.1 Принятые термины и определения.

2.2 Методика испытаний анкеров на вырыв.

2.2.1 Анализ влияния скорости нагружения конструкций на оценку их прочности и деформативности.

2.2.2 Определение величины расчетной нагрузки вырыва анкера.

2.2.3 Анализ существующих подходов к назначению количества опытных образцов, выполненных или отобранных из материала конструкции, для определения его расчетных характеристик.

2.2.4 Предлагаемая методика испытаний анкеров на вырыв.

2.3 Выводы по 2 главе.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ АНКЕРНОГО КРЕПЕЖА ПРИ ДЕЙСТВИИ

ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ.

3.1. Экспериментальные исследования работы анкеров при сейсмических циклических нагрузках.

3.1.1 Программа и методика испытаний анкеров.

3.1.2 Испытания анкерных креплений на трехмерной виброплатформе

3.1.3 Динамические испытания анкеров на вырыв и срез на специальных пульсаторных установках.

3.2 Экспериментально-теоретические исследования работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях.

3.2.1 Программа и методика испытаний анкеров на ударные (импульсные) воздействия.

3.2.2 Исследование работы анкеров при ударных воздействиях. Результаты испытаний и их анализ.

3.3 Выводы по 3 главе.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ АНКЕРНОГО КРЕПЕЖА ПРИ УСТАНОВКЕ В СТЕНЫ ИЗ ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ БЛОКОВ.

4.1 Определение оптимальной конструкции анкерного крепления для обеспечения требуемого уровня эксплуатационной надежности при установке его в ячеистобетонные блоки.

4.2 Влияние влажности ячеистобетонных блоков на несущую способность анкерного крепежа при вырыве.

4.3 Выводы по 4 главе.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ МОНТАЖА АНКЕРОВ ОТ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ СПРАВОЧНИКОВ ФИРМ-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АНКЕРНОГО КРЕПЕЖА НА ИХ НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ.

5.1 Влияние степени увлажнения полиамидного дюбеля на несущую способность анкера.

5.2 Влияние изменения температуры стенового основания на несущую способность анкерного крепежа при вырыве.

5.3 Влияние изменения (увеличения или уменьшения) диаметра отверстия на прочность анкера при вырыве.

5.4 Влияние глубины заведения рабочего органа анкера (шурупа) в полиамидную обойму на прочность анкера при вырыве.

5.5 Выводы по 5 главе.

За последнее десятилетие в России наблюдается значительный рост объемов строительных работ с использованием анкеров для крепления различных конструктивных элементов к стенам и другим конструкциям зданий и сооружений. Отсутствие нормативных документов и стандартов, регламентирующих методы оценки прочности анкеров и анкерных узлов при действии на них продольных и поперечных относительно их, оси усилий, повышенный уровень ответственности указанных конструктивных элементов -все это требует от проектировщиков специальных знаний иг опыта проектирования.

Оценка несущей способности анкерных.креплений усложняется отсутствием стандартной методики проведения испытаний анкеров и нормирования расчетных величин вертикальных и горизонтальных нагрузок на анкер и соответствующих им перемещений, а также методов расчета анкерных узлов.

В настоящее время единственным документом, регламентирующим использование анкерного крепежа в строительстве, является Техническое свидетельство на анкеры, утверждаемое Росстроем РФ на, основе Технической оценки пригодности продукции для применения в строительстве, выдаваемой ФГУ ФЦС (Федеральный центр технической оценки продукции в строительстве). Методика испытаний и оценки прочностных и эксплуатационных характеристик анкерного крепежа, используемая при составлении технического свидетельства, базируется на основных положениях и рекомендациях ETAG (норматив европейского технического свидетельства); выдаваемого ЕОТА (Европейской организацией технических допусков).

Указания этих документов по ряду позиций в части методики испытаний анкерного крепежа, установки в стеновые материалы и с требований непосредственно к стеновым материалам не соответствуют положениям отечественных нормативных и рекомендательных документов. Всё это требует проведения специальных исследований как в части методики испытания анкерного крепежа на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий, так и разработки требований к стеновым материалам, в которые устанавливается, анкерный крепеж. Кроме этого, исследования работы анкерного крепежа, используемого в строительных конструкциях, возводимых в сейсмических районах с балльностью 7-9 балов, в отечественной литературе отсутствуют.

Отсутствие или незначительный объем проведенных исследований в области анкерных креплений затрудняет решение вопросов, возникающих у инженеров-конструкторов по обеспечению необходимого уровня надежности и долговечности проектируемых конструкций и их соединений:

Актуальность диссертационной работы обусловлена существенным расширением области использования анкерного крепежа вследствие интенсивного развития рынка наружных фасадных систем в России^ а также значительно возросших объемов работ по использованию анкерного крепежа при ремонте и усилении конструкций зданий и сооружений, в том числе в районах с сейсмичностью 7-9 баллов.

Цели диссертационной работы.

На основе проведенных экспериментальных исследований необходимо:

- разработать методику статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

- разработать методику динамических испытаний анкерного, крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

- установить область применения анкеров в зависимости от их конструктивных особенностей, характера силового воздействия (статическая или динамическая нагрузки) и физико-механических характеристик стенового материала;

- исследовать прочность и деформативностъ анкерного крепежа при установке в стены из ячеистобетонных блоков с учетом степени увлажнения бетона;

- оценить влияние отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров;

- разработать рекомендации по применению анкерного крепежа в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

На защиту выносятся:

- методика проведения статических испытаний анкеров, установленных в стены из различных материалов, на действие продольных относительно оси анкера усилий и оценки несущей способности анкера при вырыве из материала основания;

- методика проведения динамических испытаний анкеров на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов, установленных в стены из ячеистого бетона с различной влажностью;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений при действии на них динамических нагрузок.

- результаты экспериментальных исследований влияния различных технологических отклонений от стандартных параметров монтажа анкерного крепежа на несущую способность анкеров;

- рекомендации по применению различных типов анкеров в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

- разработана методика динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистого бетона с учетом его прочности и влажности;

- впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа в зависимости от способа монтажа конструкций фасадных систем и о влиянии отклонений параметров монтажа от проектных требований на несущую способность анкеров при вырыве;

- впервые получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из тяжелого бетона с трещинами при действии динамических (сейсмических), в том числе импульсных (ударных) нагрузок.

Практическое значение работы.

1. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований разработана методика испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер при статических и динамических воздействиях;

2. Получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из ячеистобетонных блоков с учетом их прочностных и физико-механических характеристик.

3. Даны рекомендации по выбору анкеров ведущих мировых фирм-изготовителей анкерного крепежа для крепления конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков.

4. Установлено влияние возможных отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров.

5. По заданию Ассоциации «АНФАС» (Ассоциация производителей и поставщиков фасадных систем теплоизоляции) разработан Стандарт «Анкерные крепления для фасадных систем. Общие положения, основные требования, методы испытаний», который в настоящее время прошел 4-ю редакцию.

6. Результаты исследований использованы при подборе типов анкерного крепежа для фасадных систем (Комплекс учебных зданий Академии ФСБ РФ, ЖК «Континенталь» и др.), крепления строительных лесов и конструкций (Старый Гостиный Двор, Государственный Музей Заповедник «Царицыно») и усиления стен памятников архитектуры (Государственный Академический Большой Театр России).

Апробация работы осуществлена: - в докладах выступлений на координационных совещаниях по анкерным креплениям фирмы «HLLTI» (г. Шаан, Лихтенштейн, в сентябре 2007г), фирмы

Fischer» (г. Вальдехшталь, Германия, в декабре 2008 г.), фирмы «SORMAT» (г. Турку, Финляндия, в марте 2008 г);

- в докладе «Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при динамических воздействиях» на 12-ой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2009 г;

-в докладе «Надежность анкерных креплений в конструкциях из автоклавного газобетона» на Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и долговечность конструкций из автоклавного газобетона «СопАег», Москва, Экспоцентр, октябрь 2009 г;

-в докладе «Исследование работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях» » на конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2009", Санкт-Петербург, «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ», декабрь 2009 г.

Публикации:

Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 8-ми печатных трудах.

Структура и объем работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Разработана и предложена для практического применения методика испытания анкерного крепежа на действие статических и динамических (циклических и ударных) нагрузок.

2. На основе экспериментальных исследований выполнена сравнительная оценка существующих методов испытаний анкеров на действие продольных относительно их осей усилий, используемых как рубежом, так и в России. Установлены критерии для оценки величины расчетной нагрузки на анкер по результатам испытаний с использованием предложенной в диссертации методики.

3. На основе экспериментальных исследований установлены типы анкеров, которые могут быть рекомендованы для применения в зданиях и сооружениях, возводимых в районах с сейсмичностью 7-^-9 баллов.

4. Впервые получены данные о несущей способности рекомендованных для применения в сейсмических районах химических и распорных анкеров, установленных в монолитный бетон с трещиной, при действии на них динамической и ударной (импульсной) нагрузок.

5. Получены графические зависимости (гистерезисные кривые) «нагрузка-деформация» для анкерных креплений при различных параметрах воздействия динамической нагрузки (частота, количество циклов, величина нагрузки).

6. Выявлены схемы разрушения анкерных креплений при действии динамической (продольной и поперечной относительно оси анкера) нагрузки в зависимости от конструктивных особенностей (типа) анкера.

7. Впервые проведены экспериментальные исследования анкерного крепежа на действие ударной (импульсной) нагрузки при установке их в монолитный бетон с трещиной. Получены записи акселерограмм при действии ударной (импульсной) нагрузки на анкер и установлена возможность применения принятой конструкции анкера как в сейсмических районах, так и в случае использования в конструкциях атомных электростанций при ударных воздействиях, соответствующих величинам ускорений 12g.

8. На основе экспериментальных исследований установлены наиболее эффективные типы анкеров, которые могут быть использованы в строительной практике для крепления фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков в зданиях различной этажности. Установлены требования к стенам из ячеистобетонных блоков при креплении к ним конструкций навесных вентилируемых фасадов с помощью предложенных типов анкеров. Результаты исследований были использованы при возведении высотных зданий в г. Москве и г. Казани.

9. На основе экспериментальных исследований получены данные о несущей способности при вырыве анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистобетонных блоков при различной степени увлажнения ячеистого бетона. Проанализировано влияние степени увлажнения базового материала на несущую способность анкера.

10.Получены данные о влияния отклонений параметров монтажа анкеров от технических требований фирм-производителей анкерного крепежа на их несущую способность. По результатам экспериментальных исследований предложена эмпирическая зависимость, позволяющая определить несущую способность анкера на вырыв из материала основания в зависимости от глубины установки рабочего органа (шурупа) в полиамидный дюбель.

11.Результаты исследований были использованы при проектировании, строительстве и реконструкции многочисленных объектов г. Москвы и регионов РФ. Натурные испытания анкеров подтвердили достоверность и обоснованность предложенной методики испытаний, а также результатов экспериментальных исследований, полученных в диссертации.

1. Ягуст В.И., Шапиро Г.И., Крохмаль О.М. Прочность анкеровки стержня с крюком на конце во внутренней стеновой панели при ее подъеме и монтаже», сб. «Прочность конструкций, М., ГОСИНТИ, 1976 Г., стр. 34-56.

2. Весник И.И., Деформативность узлов сопряжений конструкций покрытий одноэтажных промышленных зданий, НИИЖБ, ГОССТРОЙ СССР, г. Москва, 1975 г.

3. Катин Н.И., Шитиков Б.А., Закладные детали в колоннах для крепления стальных связей, Сборник «Конструкции и узлы многоэтажных зданий из железобетона», НИИЖБ, Труды института, вып. 10.

4. Катин Н.И., Шитиков Б.А., Работа закладных деталей с нормальными гибкими анкерами, VII Всесоюзная конференция по бетону и железобетону (Состояние и перспективы развития), Ленинград, октябрь 1972, Стройиздат, М., 1972 г.

5. М.О. Павлова, Прочность и деформативность кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при действии на них продольных и поперечных сил, ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, г. Москва, 2000 г.

6. Ballarini R., Shah S.P., Keer L.M. Failure characteristics of short anchor bolts embedded in a brittle material, Proceedings Royal Society London A 404. 1986, pp. 35-54.

7. Eligehausen R.; Clausnitzer W. Analytisches Modell zur Beschreibung des Tragverhaltens von Befestigungelementen, Report №4/1-83/3, Institut fur Werkstoffe im Bauwesen, Uversiat Stuttgart, 1983.

8. Cedolin L., Bazant Z.P. Effect of Finite Element Choice in Blunt Crack Band Analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 24 (1980), pp. 305-316.

9. Seghezzi Einflusse der Belastugsgescichte und der Umgebung, Manuskript der Vorlesugsreihe Befestigungstechnik an der ETH Zurich, Sommersemester 1986, pp. 8.1-8.10.

10. Ozbolt, J; Eligehausen R. Numerical Analysis of headed studs embedded in large plain concrete blocks, In: Bicanic, N.; Mang, and Design of Concrete Structures. Pinerdige Press, London, 1990».

11. Bazant Z.P., Ozbolt J. Nonlocal Microplane Model for Fracture, Damage and Size Effect in Structures, Journal of Engineering Mechanics ASCE, V. 116. №11,1990.

12. Технический справочник. 3-е издание. Fischerwerke Artur Fischer Gmbh&Co. KG, D-72178 Waldachtal, 2006.

13. Элигенхаузен P., Пузиль-Вахтмус П., Технология креплений в конструкциях из армированного бетона, отчет IVBH, стр.17-19/82, Периодическое издание IVBH, 1/1982, февраль 1982г.

14. Элигенхаузен Р., Окело Р., Проектирование групповых креплений для режимов разрушения в результате выдергивания или проталкивания для отдельных анкеров из группы, Отчет № 18/1-96/20, Институт строительных материалов, Университет Штутгарта, 1996 г.

15. Элигенхаузен Р., Малле Р., Крепления в бетонных конструкциях и в каменной кладке, Ж. «Строительная инженерная практика», изд. «Вильгельм Эрнст&Сын» Берлин, 2000.

16. Лотце Д., Исследование вопроса о вероятности того, что дюбель будет расположен в трещине Влияние поперечной арматуры, Отчет № 1/2487/6, Институт строительных материалов, Университет Штутгарта, август 1987 г.

17. Бергмайстер К., Стохастические методы в технике креплений на основе анализа реально влияющих параметров, Диссертация, Университет Инсбрука, 1988 г.

18. Canon R.W. Expansion Anchor Performance in Cracked Concrete, Journal ACI, pp. 471-479, 1981.

19. Бензимхон Дж., Комбетг M., Исследование характеристик анкерных болтов в зоне растяжения бетона и в зонах с трещинами, Отчет научно-технического строительного центра, Париж, 1989 г.

20. Eligehausen R.; Hoehler М., Testing of post-installed fastenings to concrete structures in seismic regions, Conference Proceedings of the fib Symposium on Concrete Structures in Seismic Regions, Athens, Greece, 2003.

21. Eligehausen R., Malle R., Silva J. Ancorage in concrete construction, Ernst&Sohn, Berlin, 2006.

22. ETAG № 001. GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL OF METAL ANCHORS FOR USE IN CONCRETE, BRUSSELS, 1997.

23. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий, Москомархитектура, Москва, 2002 г.

24. Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции, ГОССТРОЙ России, Москва, 2004 г.

25. Опыт, проблемы и пути совершенствования применения навесных фасадных систем в московском строительстве, Городской координационной экспертно-научный центр «Энлаком», Москва, 2005 г.

26. Что мы знаем об анкерах, С.В. Клементьев, ООО «Крит», Волгоград, 2004 г.

27. Руководство по проектированию, MKT Metall-Kunsttstoff-Technik GmbH, ООО Активмонтаж, Москва, 2007 г.

28. Руководство по анкерному крепежу, HILTI, 2008 г.

29. Deutsches Institut fur BAUtechnich. Allgemeine bauaufsichtliche. Zulassung № Z-21.2-1204, № Z-21.2-1695, № Z-21.2-84.

30. Квирикадзе О.П. Влияние скорости нагружения на прочность и деформации бетонов,, Тбилиси, 1958 г., 53 с.

31. Корчинский И.Л., Беченева Г.В. Прочность строительных материалов при динамических нагружениях, Стройиздат, М., 1966г.

32. Корчинский И.Л., Бородин Л.А. и др., Сейсмостойкое строительство зданий, Изд. «Высшая школа», М., 1971 г., 319 с.

33. ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости, НИИЖБ, М., 1994.

34. ГОСТ 530-95 Кирпич и камни керамические. Технические условия, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, М., 1995.

35. ГОСТ 25.503-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие, ВИЛС, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ВНИИНМАШ, М., 1997.

36. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам, НИИЖБ, М., 1990.

37. Owen D., Handbook of Statistical Table, Addison/Wesley Publishing Company Inc.,1968.

38. Корчинский И.Л. и др., Сейсмостойкое строительство зданий, Изд. «Высшая школа», М., 1971г., 319 с.

39. Карапетян Б.К. Колебание сооружений, возведенных в Армении, Изд. «Айостан», Ереван, 1967.

40. Назаров А.Г. Метод инженерного анализа сейсмических сил, Ереван, 1959.

41. С.В. Поляков. Сейсмостойкие конструкции зданий. Изд. «Высшая школа», М., 1983.

42. С.В. Медведев, Б.К. Карапетян, В.А. Быковский. Сейсмические воздействия на здания и сооружения. М., 1968.

43. Поляков С.В., Сейсмостойкие конструкции зданий, Изд. «Высшая школа», М., 1969г., 335 с.

44. Килимник Л.Ш., Лаврентьева Л.Э. Исследования сейсмостойкости узловых соединений многоэтажных стальных каркасных зданий, Сб. «Сейсмостойкость зданий и сооружений» М., 1972, с. 24-40.

45. ГОСТ 25485-82 Бетоны ячеистые. Технические условия, НИИЖБ, М., 1982.

46. Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, НИИЖБ, ЛенЗНИИЭП, М., 1992.

47. Ehrenstein, G.W. Anchors for building construction made from thermoplasts, also approved as load-bearing building components, Verbindungstechnik, 1976, № 4, pp. 25-28 (in German).

48. Ehrenstein, G.W. Research on anchors for building construction made from polyamide, Verbindungstechnik, 1976, № 12, pp. 13-14 (in German).

49. Plank, A. Bautechnische Einflusse auf die Tragfahigkeit von Kunstoffdiibeln in Mauerwerk, Baumaschine-Bautechnik, 1977, №6, pp. 406-416 (in German).1. СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ12SQ40, Россия, Москва дгспкилиио тел. (4S9) S57-1Q-43, 257-1Э-93

50. Ленинградский пр-т пцТяр e-mail: info@anfaB.bizд. 7, офис 2 2 3 АНФАС wv*w,anfas.bia>

51. Ассоциация «Наружные Фасадные Системы»

52. Исх. № 41/09 От 19.11.2009г.1. СПРАВКАо внедрении результатов диссертационной работы Киселева Д.А.

53. В настоящее время проект СТО лег в основу инициативно разрабатываемого авторским коллективом, в который входит инженер Д.А.Киселев, пакета Национапьных Стандартов на анкерные крепления.т" 1057Л

54. Исполнительный директор (Jf л М.Г.Александрияif т