автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при действии на них продольных и поперечных сил

ГОСУДАСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИМЕНИ В.А.КУЧЕРЕНКО (ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко)

ПАВЛОВА Марина Олеговна

На правах рукописи

Pit Ой

- : - " О

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КЛАДКИ СТЕН ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЗОНЕ ЗАДЕЛКИ АНКЕРОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ НА НИХ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ

\

Специальность 05.23.01. - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Государственном Унитарном предприятии Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В .А. Кучеренко (ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

- кандидат технических наук, зав. сектором Грановский Аркадий Вульфович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- доктор технических наук, гл. научный сотрудник Еремеев Павел Георгиевич

кандидат технических наук, профессор Семенов Валерий Борисович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Государственное Унитарное предприятие «Научно-исследовательский, проектно — конструкторский и технологический институт бетона и железобетона» (ГУП «НИИЖБ»).

Защита состоится «20» 2000 г. в /'3 часов на заседании

специализированного ученого совета Д 033.04.01 по защите диссертаций при Государственном Унитарном предприятии Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В.А. Кучеренко по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « 2ру> //сР^с/^2000 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого совета Д 033.04.01

Кандидат технических наук С.А, Воробьева

И342 .094-1 ,0

Н431 -01 ,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современные проблемы градостроительства связаны как с разработкой новых архитектурно-композиционных решений зданий и сооружений, так и с реконструкцией и ремонтом существующей застройки. При этом в процессе реконструкции зданий и сооружений, восстановления и реставрации памятников архитектуры возникает необходимость крепления с помощью анкерных соединений к существующим конструкциям новых элементов, оборудования, направляющих лифтов и подъемников, строительных лесов, требуется установка и восстановление металлических затяжек арок и сводов и т. п. Особенно эффективны анкеры при усилении существующих каменных конструкций.

Эксплуатационная надежность соединений конструкций с помощью анкеров зависит от большого числа факторов, среди которых наиболее существенными являются:

- прочностные и деформативные характеристики материала соединяемых конструкций;

- физико-механические, геометрические и конструктивные особенности анкерных элементов;

- конструктивные особенности стен, в которые крепятся анкеры (кладка из пустотелых камней и кирпичей, положение пустот относительно оси анкера и т.д.);

- характер приложения нагрузки к анкеру - вдоль (вырыв) или перпендикулярно (срез анкера или сжатие материала под анкером) оси анкера.

В настоящее время на рынке строительных материалов отечественными и зарубежными производителями предлагается большое количество анкеров, дюбелей, шурупов различных конфигураций, типоразмеров, выполненных из разных материалов.

В существующей нормативно - технической документации отсутствуют методы расчета металлических анкеров, заделанных в кирпичную кладку, в стены из легких бетонов, на действие силовых факторов, вызывающих смятие кладки под анкером и вырыв анкера.

Отсутствие исследований в этой области осложняет стоящую перед инженерами-конструкторами задачу по обеспечению необходимого уровня надежности проектируемых конструкций и соединений.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, в том числе и памятников архитектуры, и возникающей в связи с этим проблемой рационального и надежного проектирования и использования анкерных элементов как для усиления существующих конструкций, так и для их соединения с вновь устанавливаемыми конструктивными элементами.

Цель диссертационной работы - на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработать рекомендации по применению металлических анкеров для крепления конструктивных элементов к кладке стен из различных материалов и методику расчета анкерных соединений на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов и с различными геометрическими характеристиками, установленных в стены из тяжелого и легкого бетонов, а также в кладку стен из полнотелого и пустотелого кирпича при действии нагрузки, приложенной как вдоль, так и поперек анкера;

- результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния кладки стен в зоне заделки анкера;

- методика расчета прочности анкерного соединения в зависимости от прочностных и конструктивных параметров анкера и кладки стен, в которую крепится анкер;

- рекомендации по применению различных конструкций анкеров в строительной практике.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные о прочности и деформативности кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при различных силовых воздействиях;

- данные о несущей способности анкерного узла в зависимости от конструктивных и физико-механических особенностей кладки стен и непосредственно самого анкера;

- экспериментально установленные модели работы и схемы разрушения анкерного узла в зависимости от прочностных и конструктивных особенностей стен и самого анкера и характера приложения нагрузки;

- методика расчета анкерных креплений на действие усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера в зависимости от характеристик материала стены, типа анкера, его диаметра и глубины заделки;

Практическая значимость работы.

1. На основе выполненных экспериментальных исследований впервые получены данные о несущей способности металлических анкеров, заделанных в кладку стен из различного вида кирпича и камня при действии усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера.

2. На основе выявленных схем разрушения анкерных узлов предложены модели работы анкеров, заделанных в кладку стен из различных материалов при действии продольных и поперечных относительно оси анкера сил.

3. Разработаны рекомендации по расчету анкерных креплений в зависимости от прочностных и геометрических параметров как кладки стен, так и самих анкеров с использованием таблиц и графических зависимостей. Предложенная методика расчета рекомендована для включения в СНиП Н-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции» и «Пособие» к СНиП.

4. Рекомендации по расчету и предложения по проектированию анкерных креплений были использованы при монтаже строительных лесов, подъемников и системы «вентилируемых» фасадов с применением наружной системы теплоизоляции на ряде объектов в г. Москве, в т.ч. при реконструкции облицовки главного корпуса МГУ им. Ломоносова.

5. Выбранное направление исследований связано:

- с планом научно-исследовательских работ Министерства науки и технологии РФ

1999 - 2000 г.г., Государственный контракт № ГНТД/ГК - 035(00) - П от 14 января

2000 года, наименование темы: «Разработать методы комплексной реконструкции и восстановления зданий и сооружений с оценкой состояния конструкций и обеспечения их долговечности». Пункт 2.1. «Провести экспериментальные исследования н разработать методику расчета заделки анкеров в кирпичную кладку при различных силовых воздействиях»;

- с договором о творческом содружестве между ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и Российским представительством ЗАО «Хилти Дистрибьюшн ЛТД» с целью широкого внедрения в строительство анкерных систем фирмы Ш1Л1, расширения

области их применения и разработки нормативной документации по применению анкеров HILTI на строительных объектах России.

Апробация работы осуществлена:

- в докладах на НТС Ученого Совета ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Каменные и армокаменные конструкции» в ноябре 1998 г., ноябре 1999 г. и мае 2000 г.г.;

- в докладе на научно- технической конференции по итогам научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС в МГСУ им. В.В. Куйбышева в апреле 2000 года.

Публикации:

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 4-х печатных трудах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, глав, основных выводов, списка

литературы и Приложений.

Полный объем диссертации 210 страниц, в том числе: 123 страниц печатного текста, 83 рисунков, 31 таблиц, список использованной литературы из 34 наименований и 24 страниц Приложений.

Диссертационная работа выполнена в 1997-2000 годах в Лаборатории кирпичных, блочных и панельных зданий ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством кандидата технических наук A.B. Грановского и при научной консультации кандидата технических наук С.А. Воробьевой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

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

Анализ публикаций, посвященных исследованиям работы анкерных узлов показал, что в отечественной литературе практически отсутствуют работы по оценке прочности и деформативности анкерных креплений конструкций к кладке стен из

различных материалов. В связи с этим в нормативно - технической документации отсутствуют методы расчета, а также нормативные и расчетные характеристики прочности креплений анкеров в кладку. Указанное обусловлено рядом факторов, среди которых, с нашей точки зрения, главными являются невостребованность в строительной практике данных типов анкеров, отсутствие технической базы по производству анкеров и проектных разработок по применению анкерных креплений.

Вместе с тем следует также отметить, что в России и за рубежом проведено много экспериментальных исследований по изучению напряженно-деформированного состояния и характеристик сцепления арматуры с бетоном при действии горизонтальных (вырывающих) усилий на арматурный стержень. Среди исследований в этой области следует выделить работы Ш.А. Алиева, Б.Б. Вайнера, А.П. Васильева, B.C. Гольдфайна, Н.И. Катина, В.М. Кольнера, Л.П. Серовой, Ю.А. Тевелева, М.М. Холмянского и других авторов. Проводились также научно - исследовательские работы по изучению напряженно - деформированного состояния бетонных стен в зоне крепления анкеров, установленных в «построечных» условиях.

Интенсивное развитие за рубежом «анкерной техники» привело к появлению специализированных фирм, занимающихся исключительно внедрением анкеров в промышленность и строительство: фирмы HILTI, MUNGO, FISHER, SORMAT. Специалистами этих фирм были разработаны практические рекомендации по использованию металлических анкеров при монтаже и усилении конструкций. Однако подробные исследования работы анкерных узлов с учетом прочностных, конструктивных и геометрических параметров анкеров и материала стен, в которые они монтировались, в зарубежной литературе отсутствуют.

В данном разделе дан подробный анализ с описанием анкерных креплений, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. По результатам обзорного анализа сформулированы цели диссертационной работы и определены основные направления исследований.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований напряженно - деформированного состояния кладки стен из различных материалов в зоне крепления анкеров при действии на них продольных и поперечных сил.

Современные конструкции стен проектируются из различных типов керамических и бетонных камней и кирпичей, отличающихся по конструктивным

(пустотаость и различные геометрические характеристики), физико - механическим характеристикам и применяемому материалу (кирпичная кладка, блоки из тяжелого и легкого бетонов). Анкеры, используемые для установки в стены из различных материалов, отличаются между собой по конструкции (распорные, химические, клеевые, универсальные и др.) диаметру и глубине заделки в стену. Кроме этого, особое влияние на работу анкеров оказывает характер нагрузки: способ приложения и направление действующего усилия относительно оси анкера.

Отбор конструкции анкеров для испытаний производился исходя из надежности анкерного крепления, простоты установки, наличия аналогов на строительном рынке России и с учетом экономических показателей. В связи с указанным, для испытаний были отобраны два типа анкеров: химические и распорные анкеры.

Химический анкер (рис. 1, а) состоит из металлической резьбовой шпильки, сетчатой металлической гильзы и клея. Технология установки данного типа анкера зависит от материала стен. Так в случае применения кладки из пустотелых камней (кирпичей) в просверленное отверстие предварительно устанавливается сетчатая гильза. Наличие сетки в зоне пустоты обеспечивает оптимальный расход клея и качественное сцеплении его со стенками кирпича.

При заделке анкеров в кладку из полнотелого кирпича и бетона технология их установки аналогична описанной выше. При этом в просверленное в кирпиче и бетоне отверстие производится нагнетание клеевого состава без установки сетчатой гильзы, а) б)

Рис. 1 Применяемые типы анкеров а) химический; б) распорный

Распорный анкер с «рубашкой» (рис. 1, б) состоит из болта с уширенным основанием и металлической «рубашки» с расклинивающимися лепестками. При установке анкера в кладке просверливается отверстие диаметром, соответствующим диаметру металлической «рубашки». В отверстие на проектную глубину вставляется

анкер с «рубашкой», и с помощью силовой гайки производится «вытягивание» болта из кладки. При этом металлические лепестки «рубашки» раскрываются и происходит защемление анкера в кладке.

Технология установки этого типа анкеров не зависит от материала стены и включает следующие этапы: сверление отверстия; прочистку отверстия от пыли с помощью насоса и щеточек и установку анкера.

В таблице 1 приведены характеристики кладочного материала и анкеров, использованных в эксперименте.

Анализ проектных решений крепления конструкций к стенам с помощью анкеров показал, что все силовые воздействия на анкер могут быть сведены к двум схемам приложения нагрузки: действие продольных сил, приложенных по оси анкера, и поперечных сил, приложенных перпендикулярно оси анкера. В связи с этим, для каждого варианта нагружения были разработаны экспериментальные установки (рис. 2 а, б), включающие в себя:

- экспериментальные образцы;

- установку для вырыва анкера с максимальным усилием 3 - 6 тс;

- установку ДГР - домкрат гидравлический со станцией подачи давления на 10 тс;

- комплект измерительной аппаратуры.

Приборы (индикаторы часового типа и прошбомеры) устанавливались в плоскостях, позволяющих измерять горизонтальные и вертикальные деформации кладки и перемещения анкера в направлениях, перпендикулярных образцу (испытания на выдергивание) и вдоль образца, (испытания на смятие).

Исследования работы анкерного крепления при действии продольных относительно оси анкера сил.

I. Образцы из пустотелого керамического кирпича. Кладка экспериментальных образцов столбов осуществлялась из пустотелого кирпича М 125 на растворе М 100. Указанные прочностные параметры кладки широко применяются при проектировании несущих наружных и внутренних стен зданий. Пустотелый кирпич имеет размеры 88 х 120 х 250 мм; расположение пустот в кирпиче и геометрические размеры показаны на рис. 3.

Характеристики экспериментальных образцов и испытываемых анкеров

Таблица 1

№ Тип материала JfeJfe Прочность Тип анкера Диаметр Глубина заделки

серии образца п.п. р-ра в шве анкера, D, мм анкера, Ц„, мм

1 2 3 4 5 б 7

Испытания на вырыв

1 Пустотелый 1 100 Химический 8* 50/100

кирпич M125 2 8" 50/100

3 12* 50/100/150

4 12»* 50/100/150

5 16* 50/100/150

6 16** 50/100/150

7 Распорный 12* 56/100

8 12** 56/100

9 20* 60/100

10 20** 60/100

2 Полнотелый И 150 Химический 8 50/100

кирпич M100 12 12 50/100/150

13 16 50/100

14 Распорный 12 56/100

3 Полнотелый 15 100 Химический 8 50/100

кирпич М150 16 12 50/100/150

17 16 100/150

18 Распорный 12 56/100

19 16 56/100

20 20 60/100

4 Полнотелый 21 150 Химический 8 50/100/150

кирпич М200 22 12 50/100/150

23 16 50/100/150

24 Распорный 12 56/100

5 Растворный шов 25 75 Химический 8 50/100/150

кладки 26 12 50/100/150

27 16 50/100/150

6 Тяжелый бетон 28 - Химический 16 50/100

МЗОО 29 20 50/100

30 Распорный 16 56/100

31 20 60/100

7 Ячеистый бетон М25 32 - Распорный MUNGO 8 50

33 Распорный HILTI 10 85

Испытания на смятие

8 Полнотелый 34 50 Химический 8 100

кирпич M 100 35 12 100

36 16 100

Примечание: в шестой колонке в строках 1 - 10: * - установка анкера в ложковую грань кирпича, ** -установка анкера в тычковую грань кирпича.

ч р- ч

а

>Т

1-маврамишм4обривц 2-анер 3-гт«ссП-500 ^•рюдаите'ммтвспм

ДГР 6-стст (спор») 7-гфогибоирМшми а-ыкэдм 10-сгм|«поан1»шрум1 11-миоы«р

б)

Ц-

(-жларитлямДсбрыЧ 2-пар«<ойрвиц }.цж£П-1000 4-крт>апмстпшдп«гир«мусмммаэч>ми^ $-Ив«в(|К2} в-рсгде<М№м«тспш 7-мар г-ушмпрлпвммфнипна 9-игшл (О-прй^ДТ 11-првгабомр Мошна 12-исся« и-авщмладммгум И-ыноыир 15 - опор»

Рис. 2 Схема испытаний анкерного крепления при действии

А) продольных сил (вырыв); б) поперечных сил (смятие)

При заделке в ложковую грань кирпича анкер устанавливался в его средней части как непосредственно в пустоту, так и в отверстие, высверленное в ребре (перегородке). Установка анкера в тычковую грань кирпича осуществлялась по центру пустоты со смещением относительно геометрической оси кирпича на 30 мм.

[ ооооооогг JOOODDDLL t 'г Ч 35 Ф

-€54 г г

Рис. 3 Схема расположения пустот в кирпиче

На основе обработки результатов экспериментальных исследований прочности крепления химических и распорных анкеров в кладку стен из пустотелого кирпича при действии на них продольных относительно оси анкера сил установлено следующее.

1.При увеличении длины заделки химических анкеров в ложковую или тычковую грани кирпича с LM = 50 мм до Lj„ = 150 мм несущая способность анкерного крепления изменяется в зависимости от диаметра следующим образом: при использовании анкеров dM = 8 мм в указанном интервале La„, несущая способность анкера на вырыв изменяется практически линейно, достигая при Lra = 150 мм значения предела прочности металла на растяжение (рис. 4, а). Аналогичный характер носит зависимость несущей способности анкерного крепления при вырыве от глубины анкеровки для анкеров dm = 12 и 16 мм. При этом усилие вырыва при увеличении длины анкеровки с = 50 мм до L„ = 150 мм возрастает в 2.2 - 3.1 раза - для анкеров d^, = 8 мм, в 2.0 - 2.4 раза - для анкеров с1ш = 12 мм и в 3.8 - 4.5 раза - для анкеров d„, = 16 мм.

2.При Ьщ, = 50 мм изменение диаметра анкера с du, = 8 мм до daH = 16 мм практически не влияет на величину усилия вырыва в случае заделки анкера в ложковую грань кирпича и ведет к резкому снижению усилия вырыва (почти в 2 раза) при заделке анкера в тычковую грань кирпича при переходе от анкера dm = 8 (12) мм к анкеру d№ = 16 мм.

и

Анализ структуры кирпича до и после испытаний показывает, что причинами снижения прочности анкерного крепления являются следующие факторы:

- в процессе сверления отверстий под анкеры d„ = 8 и 12 мм разрушение лицевой перегородки тычкового ряда по площади меньше, чем при устройстве отверстия под анкер dM, = 16 мм;

- площадь обжатия кирпичной перегородки клеевой массой, выступающей из сетчатой гильзы анкера d^ = 16 мм, меньше (из - за соотношения диаметра отверстия и площади вертикальной грани перегородки), чем в случае установки анкеров dj,, = 8 и 12 мм.

3.Резкое увеличение несущей способности анкера d^ = 16 мм при = 100 мм в ложок связано с тем, что в процессе сверления происходит разрушение поперечных перегородок в кирпиче (поскольку йш = \6 мм, больше dt^c[tmJ = 12 мм), и прочная клеевая масса проникает в соседние пустоты. При этом площадь обжатия клеевой массой поверхности продольной (достаточно прочной) перегородки кирпича значительно увеличивается, и соответственно увеличивается сопротивление анкера вырыву.

4.При установке в тычковую грань кирпича анкеров d^, - 8, 12, 16 мм и LaH = 100 мм изменение несущей способности анкера при вырыве не выявлено. Указанное связано с тем, что при сверлении кирпича на глубину 100 мм имело место разрушения кирпичных перегородок. В результате этого из-за малой площади сцепления с клеевой массой и отсутствием опорных ребер (перегородок) несущая способность анкерного крепления при вырыве при различных диаметрах анкеров была практически одинаковой. Аналогичная картина наблюдалась при Ц,, = 150 мм: резкое увеличение усилия вырыва при использовании анкера d^, = 16 мм, заделанного в ложок, по сравнению с величинами усилий при анкерах dm = 8 и 12 мм и практически одинаковые усилия вырыва при заделке в тычок (N = 8 мм)= 23.1 кН, N (da„ = 16 мм)= 26.0 кН).

5.Несущая способность крепления распорного анкера в кладку из пустотелых кирпичей в значительной степени зависит от ряда случайных факторов, связанных с геометрией и жесткостью участка «расклинки» распорной рубашки анкера (т.е. попадает ли распор «рубашки» анкера на поперечное сечение узкого ребра перегородки - при установке анкера в тычковую грань кирпича, упирается ли "рубашка" в тонкую стенку поперечной перегородки или жесткое продольное ребро кирпича - при установке анкера в ложковую

б) при <1ан*12 им

Рис. 4 Графики зависимости глубины заделки (Ьш) от величины нагрузки (К) при действии продольных усилий относительно оси анкеров, установленных в образцы из пустотелого керамического кирпича а, б, в) химический анкер, г) распорный анкер

грань кирпича). Анализ графиков зависимостей диаметра и глубины заделки от продольных сил относительно оси анкера позволяет отметить следующее:

- изменение глубины анкеровки (LaH) с 56 до 100 мм в пустотелом кирпиче практически не влияет на несущую способность анкера. Усилие вырыва зависит от размеров и жесткости участка «расклинки» распорной рубашки;

- при данной геометрии пустот кирпича наиболее эффективным является анкерное крепление с использованием анкера с1ш = 20 мм при заделке его в тычковую грань на глубину анкеровки L„, = 100 мм (рис. 4,г).

По результатам экспериментальных исследований на вырыв прочности и деформативности узлов крепления анкеров в кладку стен из пустотелого кирпича можно сделать следующие выводы.

1.Для крепления конструкций к кирпичным стенам из керамического пустотелого кирпича рекомендуется использовать только химические анкеры. Для крепления конструкций к кирпичным стенам рекомендуется использовать химические анкеры daa = 8,12 и 16 мм с глубиной анкеровки L^, = 100 и 150 мм. При меньшей глубине анкеровки (Lj,, = 50 мм) прочность соединения при вырыве зависит от состояния поверхностного слоя лицевого кирпича (степень увлажнения, повреждения и т.д.) и может существенно колебаться.

2. Не рекомендуется применять распорные анкеры для крепления конструкций к стенам из пустотелого кирпича.

3.Расчетные величины несущей способности химического анкера, заделанного в кладку стен из пустотелого кирпича, рекомендуется принимать с учетом dM и LM из таблицы 2.

Таблица 2.

№п.п. Диаметр анкера. Глубина анкеровки, Расчетная величина вырыва анкера N (кН) при установке

d», мм L,„, мм в ложок/ в тычок

1 8 100 5.0/5.4

150 15.6*

2 12 100 8.0/7.0

150 9.0/10.0

3 16 100 15.0/6.5

150 16.0/13.0

*) С учетам данных испытаний анкеров коэффициент изменчивости по материалу (коэффиг{иент надежности) для стали анкера принят равным 1.3.

11. Образцы из полнотелого кирпича. В соответствии с программой исследований были изготовлены экспериментальные образцы столбов сечением 510 х 510 мм из керамического

полнотелого кирпича марок М 100, М 150 и М 200 на растворе М 100 и М 150.

Параметры образцов кладки и анкеров приведены в Таблице 1.

Анализ результатов экспериментальных исследований узлов креплений анкеров в

кирпичную кладку стен из керамического полнотелого кирпича на действие продольных

относительно оси анкера сил показал следующее.

При использовании химических анкеров:

1. В зависимости от глубины заделки и диаметра анкера разрушение конструкции анкерного узла может происходить по следующим трем схемам:

- 1-я схема: разрушение кирпича по длине с вырывом прямоугольного участка. Такая схема разрушения узла характерна для варианта заделки анкера в тычковую грань кирпича марки М 150 - М 200. При этом прочность анкерного узла регламентируется прочностью кирпича на растяжение. Указанная величина не нормируется существующим СНиП Ц-22-81;

- 2-я схема: выкол кирпичной лещадки конической формы с высотой конуса от 16 до 50 мм. Указанная схема разрушения узла характерна для варианта заделки анкера в ложковую грань кирпича;

- 3-я схема: разрыв анкера при отсутствие каких - либо повреждений кирпича.

2. Характер деформаций и разрушения анкерного узла в процессе его нагружения позволяет выделить следующие этапы его работы:

- на 1-ом этапе анкерный узел работает в упругой стадии. Как показали испытания при продольной нагрузке на анкер, составляющей (1/3 - 1/2.5) Npalp, с последующей разгрузкой кривые деформаций кладки практически совпадают;

- на 2-ом этапе нагружения до величины горизонтального усилия, составляющего 60 -70 % от предельной разрушающей нагрузки, происходит концентрация напряжений с образованием микротрещин в кирпиче в зоне контакта с анкером на глубине 25 - 85 мм от внешней поверхности стены. В момент образования трещин в процессе испытаний фиксировался скачок деформаций узла и отмечалось незначительное падение нагрузки;

- на 3-ем этапе работы анкерного узла из-за развития трещин в поперечном сечении кирпича и снижения его жесткости практически большая часть усилия передавалась через конец анкера (за поверхностью выкола) на контактную поверхность клеевого заполнителя и кирпича. В результате, из-за малой площади контакта происходил

вырыв конца анкера из кладки с одновременным выколом кирпичной лещадки, имеющей, в основном, коническую форму.

3. Угол наклона граней конических лещадок, вырванных из кладки, к плоскости, перпендикулярной анкеру изменялся от 16° до 32 Т.е. «классической формы» разрушения материала при вырыве анкера из тела кладки не было получено ни в одном из более чем 100 экспериментальных испытаний.

4. При увеличении марки кирпича с М 100 до М 200 несущая способность анкерного узла при вырыве анкера зависит от глубины заделки и диаметра анкеров и увеличивается в среднем на 30 - 35% (рис. 5):

При использовании распорных анкеров:

1. При увеличении марки кирпича с М 100 до М 200 несущая способность анкерного узла на вырыв анкера из кладки зависит от глубины заделки анкера и его диаметра следующим образом:

- при глубине заделки анкера Ь,„ = 50 мм усилие вырыва анкера из кладки возрастает на 60% - для анкеров 12 мм, на 56 % - для анкеров = 16 мм;

- при глубине заделки = 100 мм усилие вырыва анкера из кладки возрастает на 50% - для анкеров 6т = 12 мм, на 46% - для анкеров (!„, = 16 мм и на 63% -для анкеров (!„, = 20 мм.

Таким образом, при изменении прочности кирпича с М 100 до М 200 предельное

горизонтальное усилие вырыва для анкеров с!ш = 12, 16 и 20 мм возрастает в среднем на

50%.

2. Снижение несущей способности при вырыве распорного анкера из кладки по сравнению с вариантом применения химического анкера на 20 —40% обусловлено механизмом работы распорного анкера в кладке. Зона контакта «рубашки» распорного анкера с поверхностью кирпича внутри отверстия значительно меньше, чем при использовании химического анкера. Кроме этого, усилие вырыва в распорном анкере существенно зависит от величины распора. При использовании малопрочных материалов (кирпич М 100) после закрепления распорного анкера в отверстии кирпича имеет место релаксация нагрузки, что обусловлено деформациями смятия кирпича на участке распора.

При проектировании узлов крепления конструктивных элементов к кирпичной ^ кладке стен расчетные усилия вырыва анкеров рекомендуется назначать согласно '< приведенным в таблице 3 величинам.

Таблица 3.

Тип анкера Диаметр и глубина заделки анкера (С/Ц, (мм) Расчетные усилия вырыва анкера из кирпичной кладки, кН

М100 М 150 М 200

8/50* 5.0 6.0 7.0

8/100»

«с 8/150» 10.0 10.0 14.0

| 12/50 6.0 7.0 8.0

ё 12/100 11.0 15.0 18.0

12/150 15.0 20.0 22.0

й 16/50 8.0 10.0 12.0

16/100 15.0 19.0 21.0

16/150 20.0 25.0 30.0

12/50 4.2 5.3 6.5

ГЕ § В- 12/100 5.5 8.0 10.0

16/50 5.0 6.5 10.0

§ IX 16/100 7.3 9.0 10.5

20/50 5.4 6.3 -

20/100 9.0 10.6 14.8

Примечание: * - прочность химических анкеров с!*,** 8 мм определяется прочностью металла на разрыв С учетом данных испытаний анкеров коэффициент надежности принят равным ].3.

ицн кирпича

График зависимости марки кирпича от величины нагрузки при действии продольных сил Рис. 5 относительно оси анкера, установленного в образцы из полнотелого кирпича (химический анкер)

111. Растворный шов кладки. На основе анализа результатов экспериментальных исследований прочности и деформативности узлов крепления анкеров различного диаметра (ёш = 8, 12, 16 мм) в

растворный шов кладки стен с глубиной заделки (Ьая = 50, 100, 150 мм) при марке раствора М 75 установлено следующее.

1. При глубине анкеровки = 50 мм несущая способность анкерного узла при вырыве не зависит от используемого диаметра анкера и изменяется в интервале от 10.6 до 11.4 кН.

2. При глубине анкеровки Ь,„ = 100 мм усилие вырыва существенно зависит от наличия или отсутствия контакта анкера с кирпичом. Так при использовании анкеров (!„ = 8 и 12 мм и толщине шва 12 - 13 мм величины несущей способности анкеров при вырыве незначительно разнятся между собой и составляют соответственно 12.84 кН и 16.43 кН. При вырыве анкера образуется конус вырыва глубиной 20 - 25 мм с отслоением в отдельных случаях лещадок кирпича толщиной до 3 - 5 мм.

3. При использовании анкеров <!„, = 16 мм усилие вырыва резко увеличивается (в среднем в 2.5 раза), по сравнению с несущей способностью анкерного узла с анкером (1Ш = 12 мм. (рис.6, а). При вырыве анкера <1ш = 16 мм образуется выкол конической формы, высотой 40 - 50 мм, включающий в себя участки кирпича в зоне контакта с раствором.

4. При ёщ = 8 и 12 и 16 мм и Ьш = 150 мм несущая способность анкерного узла увеличилась в 1.6 - 2.0 раза по сравнению с вариантом Ь,„ = 100 мм (рис.6, а).

5. При Ь„н = 50 мм разрушение анкерного узла происходит по цилиндрической поверхности анкера по зоне контакта клеевого состава и раствора шва, при = 100 (150) мм разрушение анкерного узла происходит либо по металлу (разрыв анкера), либо с образованием конического выкола с высотой конуса от 20 до 40 мм.

При заделке анкеров в растворный шов кладки стен при марке раствора М 75 - М 100 рекомендуется:

- глубину заделки анкеров (Ц„) принимать равной 100 - 150 мм;

- при толщине швов 12 - 14 мм расчетное усилие на вырыв для анкеров <!„ = 8 и 12 и 16 мм из растворного шва принимать в соответствии с таблицей 4.

- при толщине растворного шва с!,,, > 16 мм расчетное усилие вырыва для анкеров (!„ = 8 и 12 мм принимать по таблице 4, для анкеров с1ан = 16 мм необходимо проведение контрольных испытаний.

Расчетное усилие вырыва анкера при заделке его в

растворный шов (М 75-М100) >

Таблица 4. !

№ п.п. Днаыетр и глубина заделки анкера в кладку &J L„ (мы/мм) Толщина и иарка раствора в шве <им Расчетное усилие на анкер при вырыве из кладки стен, N, (кН)

1 8/100 6.2

2 8/150 17.0

3 12/100 8.2

А 12/150 П-14 17.0

5 16/100 17.0

6 16/150 М75-М100 27.0

Примечание: С учетом данных испытаний анкеров коэффициент надежности принят равным 1.3.

IV. Образцы из ячеистого бетона Для испытаний были использованы образцы блоков из ячеистого бетона марки М 25 - М 35 с размерами 200 х 300 х 400 мм и металлические распорные анкеры диаметром 8 - 10 мм, глубиной заделки анкеров 50 и 85 мм. Результаты испытаний показали следующее:

1. Имеет место «хрупкий» характер вырыва анкера из ячеистобетонного камня. При этом в процессе нагружения анкера деформирование кладки практически до момента «вытягивания» анкера из камня носит упругий характер, что соответствует материалам, обладающим хрупким разрушением (рис. 6,6).

2. Независимо от глубины заделки анкера зона выкола при вырыве анкера имеет конусообразную форму с высотой в пределах 15-25 мм.

3. Предельная расчетная нагрузка вырыва анкера = 8 и 10 мм из ячеистобетонных камней марки М 25 - М 35 при глубине их заделки в кладку Ц„ = 50 - 85 мм составляет N = 0.8 кН.

V. Образцы из тяжелого бетона Объем испытаний, прочностные и геометрические параметры образцов приведены в Таблице 1.

Одновременно с экспериментальными исследованиями анкерных узлов в лабораторных условиях были проведены испытания на вырыв анкеров = 12 мм непосредственно на объекте.

Анализ результатов экспериментальных исследований прочности узлов

крепления анкеров <1а„ = 12, 16 и 20 мм в бетонные образцы позволяет отметить

следующее:

1. При длине заделки химических анкеров Ьи =50 мм увеличение диаметра анкера с <1,„ = 12 до 20 мм практически не влияет на величину усилия вырыва и возрастает при переходе от анкеров (!„ = 12 мм к анкерам дш = 16 мм и далее к = 20 мм соответственно в среднем на 10 - 12 % (рис. 6, в).

2. При длине заделки химических анкеров Ът =100 мм существенное увеличение несущей способности анкера при вырыве достигается при переходе от анкера с1,„ = 16 мм к йт = 20 мм (более 50 %).

3. Схемы разрушения бетона в зоне выкола при различной длине заделки анкеров (!„, = 16 мм и (!„ = 20 мм практически не отличаются между собой.

4. Прочность на вырыв распорных анкеров, заделанных в бетон стен, выше, чем у химических анкеров того же диаметра. Характер разрушения бетона в зоне вырыва близок по конфигурации характеру разрушения бетона при использовании химических анкеров.

5. При изменении глубины заделки анкера с Ьа„ = 50 мм до Ьан = 100 мм несущая способность анкера на вырыв увеличивается на 8 - 10% - при использовании анкера <!„, = 12 и 16 мм; на 32 % - при переходе к анкеру с!ш = 20 мм (рис. 6, в).

6. При проектировании узлов крепления конструкций к стенам из тяжелого бетона класса по прочности на сжатия В 20 - В 25 с помощью химических или распорных анкеров расчетные горизонтальные усилия вырыва следует принимать по таблице 5.

Расчетное усилие вырыва анкера при заделке его в стены из тяжелого бетона классов В 20-В 25

Таблица 5.

Тип анкера № п.п. Диаметр и глубина заделки анкера в кладку id L,, (мм/мм) Расчетное усилие на анкер при вырыве га кладки стен, N, (кН)

Химический 1 16/50 18.0

2 16/100 27.5

3 20/50 20.0

4 20/100 40.0

Распорный 5 16/50 25.0

6 16/100 28.0

7 20/50 35.0

8 20/100 45.0

Исследования работы анкерного крепления при действии поперечных относительно оси анкера сил.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2,6, характеристики

образцов кладки стен и анкеров приведены в Таблице 1.

Анализ результатов экспериментальных исследований работы анкера, заделанного в кладку, на действие поперечной силы позволяет отметить следующее: 1. Механизм разрушения анкерного узла при действии поперечной силы может быть описан двумя схемами (рис. 8):

- при использовании анкеров <1Ш = 8 и 12 мм в предельном состоянии происходит искривление (изгиб) выступающей консольной части анкера и его разрушение. Анализ конфигурации зоны излома анкера показал, что разрушение анкера начинается с изгиба стержня с последующим проявлением эффекта среза. При этом для стержней <1Ш = 8 мм преобладающим является разрушение от среза;

- разрушение кладки под анкером с образованием лещадки скола толщиной « 10 мм.

Рис. 8 Схема разрушения анкерного соединения при испытаниях на смятие

а) срез анкера с небольшим видимым изгибом; б) разрушение кирпича с образованием школа конической формы ,

2. Длина зоны разрушения кладки под анкером при глубине его заделки 100 мм изменяется от 20 - 25 мм - для анкеров = 8 и 12 мм до 35 - 40 мм - для анкеров (1ая=;16мм.

3. При местном сжатии кладки связь между диаметром анкера и несущей способностью анкерного узла имеет параболическую зависимость, (рис. 7).

4. Если при действии продольных и поперечных сил определяющим при оценке несущей способности анкерного крепления является прочность кирпича при местном сжатии рекомендуется устанавливать анкеры в уровне верхней грани кирпича, непосредственно в растворный шов.

К)

Рис. 6 График зависимости глубины заделки (Ь„,) от величины нагрузки при Рис. 7 График зависимости диаметра анкера (<1ан) от

действии продольных сил относительно оси анкера, установленного в: величины нагрузки (>Г) при испытаниях анкерного

а) растворный шов кладки; б) ячеистый бетон; в) тяжелый бетон крепления на действие поперечных сил (смятие)

5. Результаты исследований показали, что прочность кладки на смятие под анкером определяется не прочностью самой кладки, как это рекомендовано при расчете кладки на местное сжатие (смятие), (СНиП 11-22-81), а прочностью кирпича.

С учетом принятых коэффициентов надежности для металлических анкеров - 1.3, для кирпича при плотности у =1800 кг/м3, - 1.6, а также принимая в качестве допускаемых предельных величин деформаций кирпича ДЮ.05 мм, предельные расчетные усилия на анкер при местном сжатии кладки стен из кирпича при марке М 100, рекомендуется определять по таблице 6.

Предельные усилия на анкер при смятии кладки (местном сжатии)

Таблица 6

№ п.п. Диаметр и глубина заделки анкера /Ц, (мм) Расчетное предельное усилие на анкер N, кН при Л пзх ** 1 ММ

1 8/100 6.5

2 12/100 8.5

3 16/100 11.1

В третьей главе изложена методика статического расчета анкерных соединений с использованием программного комплекса MicroFE. Предложена аналитическая модель для расчета прочности анкерных соединений в зависимости от схемы разрушения анкерного узла.

Расчет анкерного узла на ПЭВМ выполнен для кладки из полнотелого кирпича М 150 (раствор М 100), при заделке анкера в ложок и тычок кирпича, а также для образцов из тяжелого бетона класса В 25.

Обобщенный анализ напряженно - деформированного состояния кладки из различных материалов в зоне анкерного крепления показал, что при вырыве химических анкеров имеют место три основные вида разрушения, (рис. 9).

Первый вид разрушения характеризуется разрушением клеевого соединения по цилиндрической поверхности анкера, что сопровождается срезом «клеевого состава» (по границе «клей - материал кладки» или «клей - металл») и выдергиванием анкера.

Второй вид разрушения характеризуется разрушением окружающего материала при появлении растягивающих напряжений в зоне расположения анкера. При этом виде разрушения происходит частичное повреждение окружающего хрупкого материала путем отрыва его части с последующим срезом «клеевого состава» и извлечением анкера. Здесь существенно то, что конечным результатом разрушения соединения, как и

в первом виде, является срез «клеевого состава» по цилиндрической поверхности анкера (рис. 9, б).

Третий вид разрушения - обрыв анкера по металлу, т.е. срез металлической шпильки. При этом материал образца не разрушается (рис. 9, в).

Представлено сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований. Приведены диаграммы распределения нормальных и касательных напряжений по продольным и поперечным сечениям, проходящим по анкерному креплению (рис. 11-13).На рис. 13 приведены графики распределения нормальных и касательных напряжений в кладке из полнотелого кирпича в зоне заделки анкеров при действии на них продольных нагрузок (вырыв анкера).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований прочности креплений конструкций к кладке стен из различных материалов на ряде строительных объектов в г. Москве.

Рис. 9 Схемы разрушения анкерного соединения: а) по границе «клей - материал», б) образование конического скола, в) разрыв анкера

Результаты экспериментальных исследований были использованы проектировщиками при разработке проектов крепления различных типов конструкций с использованием анкеров к стенам реконструируемым зданий в г. Москве.

- при реставрации фасадов главного корпуса МГУ им. Ломоносова на Воробьевых горах;

- при строительстве жилого комплекса в «Кунцево»;

0 1.|-»3.84).**е

3« .

15

â

« г 4< 1пвиамавн*аяиккя

о,. iojn.nt¡jHba

"fT'l'TYi j4t Vi M \ \ if

*«jr !-всс.аБ4|,мв

2 * ^ i» аил* an мкхикит «« «« • i

- при креплении металлических конструктивных элементов рекламных транспарантов к несущим кирпичным стенам жилых домов (Кутузовский проспект д.19 - 32). Сравнение результатов натурных испытаний с данными эксперимента показали, что предложенные в диссертации графические зависимости достаточно точно позволяют оценить несущую способность анкерных узлов в зависимости от материала и конструкции кладки, типов анкеров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных расчегно - теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Впервые получены данные о несущей способности химических и распорных анкеров, широко применяемых в настоящее время в строительной практике для крепления конструкций к кладке стен из керамического пустотелого и полнотелого кирпича, ячеистобетонных и бетонных блоков, а также при установке анкеров в растворный шов кладки.

2. Получены графические зависимости несущей способности анкерных креплений при действии на них продольных и поперечных относительно оси анкера сил от марки кирпича, положения кирпича в кладке (ложок, тычок), глубины заделки, диаметра анкера для возможности их использования в проектной практике. Расчетные усилия воспринимаемые анкером в зависимости от указанных выше факторов представлены в табличной форме.

3. Для крепления конструкций к кирпичным стенам из керамического пустотелого кирпича рекомендуется использовать только химические анкеры, <!„, = 8,12 и 16 мм с глубиной анкеровки Ь„н = 100 и 150 мм. При меньшей глубине анкеровки (Ьш = 50 мм) прочность анкерных креплений при действии продольных сил зависит от состояния поверхностного слоя лицевого кирпича (степень увлажнения, повреждения и т.д.) и трудно прогнозируема. Не рекомендуется применять распорные анкеры для крепления конструкций к стенам из пустотелого кирпича.

4. На основе экспериментальных исследований предложена модель разрушения кладки в зависимости от направления прикладываемой нагрузки.

5. Выявленные схемы разрушения кладки стен в зоне анкерных креплений при I действии продольных сил вырыва отличаются от принятой классической схемы,

описанной в литературных источниках. Во всех испытаниях угол наклона конуса вырыва изменялся в пределах от 16° до 3 0°. '

6. Рассмотрена модель работы кладки при действии вертикальной нагрузки на анкер. Установлено, что предложенные в СНиП подходы к оценке прочности кладки при местном сжатии не могут быть использованы при анализе работы кладки в зоне опирания анкера при действии на него поперечных сил. Определяющим фактором при оценке несущей способности анкера при действии на них поперечной силы является не прочность кладки, как это принято в СНиП Н-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции», а непосредственно прочность самого кирпича.

7. На основе экспериментальных исследований установлены реальные геометрические параметры анкера, влияющие на прочность анкерного узла при действии поперечной силы.

8. На основе экспериментальных исследований установлены данные о несущей способности анкерных узлов при вырыве анкера из стен, возведенных из легкого (ячеистого) и тяжелого бетонов.

9. Проведен численный анализ на ПЭВМ напряженно - деформированного состояния анкерного узла с учетом жесткостных характеристик элементов кладки, химического анкера и геометрических характеристик самого анкера. Предложена теоретическая модель работы анкера, заделанного в кладку при действии на него продольной силы.

10. Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и реконструкции ряда объектов г. Москвы. Натурные испытания анкеров на объектах подтвердили достоверность и обоснованность рекомендаций по оценке несущей способности анкерного узла, представленных в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Gorpinchenko V.M., Pavlova М.О. Requirements of Masonry Walls in Severe Climatic

Conditions to Meet the New Russian Codes for Thermal Resistance.// Proceedings of the Fifth

International Masomy Conference, Proceedings of the British Masonry Society, Ks8, October

1998

2. Грановский A.B., Павлова M.O., Ласкевич В.Ч. Экспериментальные исследования

прочности заделки металлических анкеров в кирпичную кладку.// Министерство

образования РФ МГСУ Научно - техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС, М., 2000 г.

3.Грановский A.B., Павлова М.О., Ласкевич В.Ч. Экспериментальные исследования прочности заделки металлических анкеров в кирпичную кладку.// ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство, М. №4,2000 г.

4.Насонкин В.Д., Грановский A.B., Павлова М.О. Расчет несущей способности анкерных соединений к стенам из различных материалов.// ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство, М. №5, 2000 г.

Введение

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования И

1.1. Обзор исследований работы анкеров в конструкциях из различных материалов

1.2. Обзор анкерных креплений, представленных зарубежными и отечественными производителями

1.3. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследования

Глава 2 Экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния кладки стен из различных материалов в зоне крепления анкеров при действии на них продольных и поперечных сил

2.1 Выбор направления экспериментальных исследований анкерных креплений. Описание экспериментальных образцов анкеров и стеновых материалов

2.2. Программа и методика испытаний

2.3. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из пустотелого керамического кирпича при действии продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.4. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из полнотелого керамического кирпича при действии продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.5. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в растворный шов кирпичной кладки стен продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.6. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в стены из бетонных камней различной прочности продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.6.1. Результаты испытаний анкерных креплений в кладку стен из ячеистобетонных камней (блоков)

2.6.2. Результаты испытаний анкерных креплений в стены из тяжелого бетона

2.7. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из керамического полнотелого кирпича при действии поперечных к оси анкера сил

Глава 3 Теоретический и численный анализ напряженно -деформированного состояния кирпичной кладки стены в зоне крепления анкера при действии продольной нагрузки

3.1 Аналитические уравнения для расчета анкерных креплений в зависимости от принятой модели разрушения анкерного узла

3.2. Численный анализ напряженно-деформированного состояния узлов крепления анкеров в стены из различных материалов

3.3. Результаты исследований прочности и деформативности анкеров в стенах из полнотелого керамического кирпича и бетона

3.4. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований

Глава 4 Результаты натурных испытаний анкеров на объектах г.

Москвы и анализ их работы.

Современные проблемы градостроительства связаны как с разработкой новых архитектурно-композиционных решений зданий и сооружений, так и с реконструкцией и ремонтом существующей застройки. При этом в процессе реконструкции зданий и сооружений, восстановления и реставрации памятников архитектуры возникает необходимость крепления к существующим конструкциям новых конструктивных элементов, специального оборудования, направляющих лифтов и подъемников, металлических конструкций рекламных панелей, строительных лесов, дополнительной теплоизоляции и т.п. (рис. 1.1. -1.З.). Аналогичные ситуации возникают и при усилении существующих конструкций - каменных и железобетонных, в случае восстановления, например, арочных или сводчатых металлических затяжек.

Вопросы эксплуатационной надежности соединений существующих конструкций и вновь устанавливаемых зависят от большого числа факторов, среди которых наиболее существенными являются:

- прочностные и деформативные характеристики материала I соединяемых конструкций;

- физико-механические, геометрические и конструктивные особенности анкерных элементов;

- конструктивные особенности стен, в которые крепятся анкеры (кладка из пустотелых камней и кирпичей, положение пустот относительно оси анкера и т.д.);

- характер приложения нагрузки к анкеру - вдоль (вырыв) или перпендикулярно (срез анкера или сжатие материала под анкером) оси анкера.

В настоящее время на рынке строительных материалов отечественными и зарубежными производителями предлагается большое а) б)

1НВ;И1Ш to

И И о н hd И а я и о н

ЙП Cd Я

Cd и н и

Cd

0 О hd

Н И hd О ч W

Рис. 1.1. L

Строительные леса а) общий вид; б) анкерное соединение; в) ярус установленных лесов on

Рис. 1.2.

Лифты - подъемники а) общий вид; б) анкерное соединение; в) узел крепления о ч ев О ев

-Л S

1) а к ч к ts f- к к я в с; С

D 1) а ьа ч м св н К О

5 ^

К (о Си . „

С он св 5

О К аЗ Я

Ч О- м

S э

0) в

X )S и S

Ч 3

С ю

U о л X, « гЛ О

К СЦ количество анкеров, дюбелей, шурупов различных конфигураций, типоразмеров, выполненных из разных материалов.

В существующей нормативно - технической документации отсутствуют методы расчета металлических анкеров, заделанных в кирпичную кладку или в стены из легких бетонов, на действие силовых факторов, вызывающих смятие кладки под анкером и вырыв анкера.

Отсутствие исследований в этой области осложняет стоящую перед инженерами-конструкторами задачу по обеспечению необходимого уровня надежности проектируемых конструкций и соединений.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, в том числе и памятников архитектуры, и возникающей в связи с этим проблемой рационального и надежного проектирования с использованием анкерных элементов как для усиления существующих конструкций, так и для их соединения с вновь устанавливаемыми конструктивными элементами.

Цель диссертационной работы - на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработать рекомендации по применению металлических анкеров для крепления конструктивных элементов к кладке стен из различных материалов и методику по расчету прочности анкерных соединений при действии на анкер продольных и поперечных относительно его оси усилий.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов анкеров и геометрических характеристик, установленных в стены из тяжелого и легкого бетонов, а также в кладку стен из полнотелого и пустотелого кирпича при действии нагрузки, приложенной как вдоль, так и поперек анкера; результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния кладки стен в зоне заделки анкера; методика расчета прочности анкерного соединения в зависимости от прочностных и конструктивных параметров анкера и кладки стен, в которую крепится анкер, и возможной модели разрушения анкерного узла; рекомендации по применению различных конструкций анкеров в строительной практике.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные о прочности и деформативности кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при различных силовых воздействиях;

- данные о несущей способности анкерного узла в зависимости от конструктивных и физико-механических особенностей кладки стен и непосредственно самого анкера;

- экспериментально установленные модели работы и схемы разрушения анкерного узла в зависимости от прочностных и конструктивных особенностей стен и самого анкера и характера приложенной нагрузки;

- методика расчета прочности анкерных креплений на действие усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера в зависимости от характеристик материала стены, типа анкера, его диаметра и глубины заделки с использованием специальных графиков и таблиц;

- аналитическая модель работы анкера в кладке при действии на него продольной силы.

Практическая значимость работы.

1. На основе выполненных экспериментальных исследований впервые получены данные о несущей способности металлических анкеров, заделанных в кладку стен из различного вида кирпича и камня при действии усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера.

2. Получены данные о прочности анкерных узлов при местном сжатии кладки под анкером.

3. Разработаны рекомендации по определению прочности анкерных креплений в зависимости от прочностных и геометрических параметров как кладки стен, так и самих анкеров с использованием специальных таблиц и графиков. Предложенная методика рекомендована для включения в Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП П-22-81).

4. Рекомендации по расчету и предложения по проектированию анкерных креплений были использованы при монтаже строительных лесов, подъемников и системы «вентилируемых» фасадов с применением наружной системы теплоизоляции на ряде объектов в г. Москве, в т.ч. при реконструкции облицовки главного корпуса МГУ им. Ломоносова. I

5. Выбранное направление исследований связано: с планом научно-исследовательских работ Министерства науки и технологии РФ 1999 - 2000 г.г., Государственный контракт № ГНТД/ГК - 035(00) - П от 14 января 2000 года, наименование темы: «Разработать методы комплексной реконструкции и восстановления зданий и сооружений с оценкой состояния конструкций и обеспечения их долговечности». Этап 2. «Разработать методы расчета крепления конструктивных элементов (в т. ч. облицовка стен) к кирпичной кладке с использованием анкерных соединений, а также связей многослойных кирпичных стен в условиях длительного нагружения». Пункт 2.1. «Провести экспериментальные исследования и разработать методику расчета заделки анкеров в кирпичную кладку при различных силовых воздействиях», с договором о творческом содружестве между ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя РФ и Российским представительством ЗАО «Хилти Дистрибьюшн ЛТД» с целью широкого внедрения в строительство анкерных систем фирмы HILTI, расширения области их применения и разработки нормативной документации по применению анкеров HILTI на строительных объектах России.

Апробация работы осуществлена:

- в докладах на НТС Ученого Совета ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Каменные и армокаменные конструкции» в ноябре 1998 г., ноябре 1999 г. и мае 2000 г.г.;

- в докладе на научно- технической конференции по итогам научно- исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС в МГСУ им. В.В. Куйбышева в апреле 2000 года.

Публикации: I

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 4-х печатных трудах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и Приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных расчетно - теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Впервые получены данные о несущей способности химических и распорных анкеров, широко применяемых в настоящее время в строительной практике для крепления конструкций к кладке стен из керамического пустотелого и полнотелого кирпича, ячеистобетонных и бетонных блоков, а также при установке анкеров в растворный шов кладки.

2. Получены графические зависимости несущей способности анкерных креплений при действии на них продольных и поперечных относительно оси анкера сил от марки кирпича, положения кирпича в кладке (ложок, тычок), глубины заделки, диаметра анкера для возможности их использования в проектной практике. Расчетные усилия, воспринимаемые анкером в зависимости от указанных выше факторов, представлены в табличной форме.

3. Для крепления конструкций к кирпичным стенам из керамического пустотелого кирпича рекомендуется использовать только химические анкеры, ёан = 8, 12 и 16 мм с глубиной анкеровки Lw = 100 и 150 мм. При меньшей глубине анкеровки (LaH = 50 мм) прочность анкерных креплений при действии продольных сил зависит от состояния поверхностного слоя лицевого кирпича (степень увлажнения, повреждения и т.д.) и трудно прогнозируема. Не рекомендуется применять распорные анкеры для крепления конструкций к стенам из пустотелого кирпича.

4. На основе экспериментальных исследований предложена модель разрушения кладки в зависимости от направления прикладываемой нагрузки.

5. Выявленные схемы разрушения кладки стен в зоне анкерных креплений при действии продольных сил вырыва отличаются от принятой классической схемы, описанной в литературных источниках. Во всех испытаниях угол наклона конуса вырыва изменялся в пределах от 16° до 30°.

6. Рассмотрена модель работы кладки при действии вертикальной нагрузки на анкер. Установлено, что предложенные в СНиП подходы к оценке прочности кладки при местном сжатии не могут быть использованы при анализе работы кладки в зоне опирания анкера при действии на него поперечных сил. Определяющим фактором при оценке несущей способности анкера при действии на них поперечной силы является не прочность кладки, как это принято в СНиП П-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции», а непосредственно прочность самого кирпича.

7. На основе экспериментальных исследований установлены реальные геометрические параметры анкера, влияющие на прочность анкерного узла при действии поперечной силы.

8. На основе экспериментальных исследований установлены данные о несущей способности анкерных узлов при вырыве анкера из стен, возведенных из легкого (ячеистого) и тяжелого бетонов.

9. Проведен численный анализ на ПЭВМ напряженно -деформированного состояния анкерного узла с учетом жесткостных характеристик элементов кладки, химического анкера и геометрических характеристик самого анкера. Предложена теоретическая модель работы анкера, заделанного в кладку при действии на него продольной силы.

10.Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и реконструкции ряда объектов г. Москвы. Натурные испытания анкеров на объектах подтвердили достоверность и обоснованность рекомендаций по оценке несущей способности различных типов анкеров, исследованных в диссертации.

1. СНиП П-22-81 Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования, М., 1983.

2. Холмянский М.М. Заделка арматуры в бетоне, Журнал «Бетон и железобетон», №11, М. 1965.

3. Кольнер В.М. , Алиев Щ.А., Гольдфайн Б.С. Сцепление с бетоном и прочность заднлки стержневой арматуры периодического профиля. Журнал «Бетон и железобетон», №11, М. 1965.

4. Вайнер Б.Б. Зависимость между прочностью анкеровки арматуры в легком бетоне и прочностью бетона. Сборник трудов НИИЖБ «Новое в технологии и конструировании бетонных и железобетонных конструкций», М., 1966.

5. Холмянский М.М., Кольнер В.М., Гольдфайн Б.С. Механическое взаимодействие бетона с арматурой при разгрузке. Сборник трудов ВНИИЖелезобетона, вып. 13 под ред. К.т.н. П.К. Балатьева, М. 1967.

6. Кольнер В.М., Тевелев Ю.А. Работа арматурного стержня в бетоне при поперечном натр ужении. Сборник трудов ВНИИЖелезобетона,вып. 13. Под ред. к.т.н. П.К. Балатьева, Стройиздат. М. 1967.

7. Холмянский М.М. Закладные детали сборных железобетонных элементов. Издательство литературы по строительству, М. 1968.

8. Холмянский М.М. Контакт арматуры с бетоном. Стройиздат, М. 1981.

9. Рекомендации по проектированию стальных закладных деталей для железобетонных конструкций. НИИЖБ Госстроя СССР, М., Стройиздат, 1984.

10. Иванов С.И. Учет трещин при расчете конструкций монолитных зданий методом конечных элементов, Журнал «Бетон и железобетон», №3, М. 2000.

11. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М., «Недра», 1976.

12. Временная инструкция по применению в горных выработках анкерной крепи с закреплением быстротвердеющими химическими составами. Ордена Трудового Красного Знамени институт горного дела им. А. А. Скочинского, М. 1972.

13. U. Barlet Test Jn The Bond Behaviour In Reinforced Masonry. Papers of the C.T.B.W - 23 A Commission - meeting in Munich, 22-25 September, 1980.

14. Журнал ARRIS CRAFT INTERNATIONAL INC., «Размеры для крепления каменных конструкций», сентябрь 1997 г., Интернет сервер Internet Innovation (Канада) -http://www.in.on.ca/~arris/connectors note.html)

15. Статья WIRE-BOND ACCESSORY ITEMS, Интернет-сайт Masonry Reinforcing Corporation Of Americahttp ://www.wirebond. com/accessorv.html

16. Статья WIRE-BOND Tying Masonry To Steel (Интернет-сайт Masonry Reinforcing Corporation Of Americahttp: //www, wirebond. com/masonrvsteel. html)

17. Журнал Technical Notes On Brick Construction, США, №44, апрель1986 г. Интернет-сайт The Brick Industry Association (BIA) http://www.bia.org. Опубликована по адресу:http://www.bia. org/BIA/technotes/t44 .htm

18. CINTEC Anchor In Action, September, 2000, Интернет -сайт http: //www, cintec. com.

19. ENGINEERING, HILTI THE Magazine, June, 2000, HILTI Corporation FL 9494 SCHAAN LIHTINSHTAIN.

20. FANSTENING TECHNOLOGY MANUAL HILTI Corporation FL 9494 SCHAAN LIHTINSHTAIN, 2000.

21. Каталог изделий HILTI. Профессиональное строительное оборудование. Изделия и их применения, 2000.

22. Руководство по установке анкерных креплений HILTI, 2000*

23. ГОСТ 24258-88 РФ «Средства подмащивания. Общие технические условия»I

24. ГОСТ 1759.4-87 «Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний»

25. ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

26. Ю.Н. Работнов Сопротивление материалов. Государственное издательство физико математической литературы М. 1962.

27. Указания по приготовлению строительных растворов СН 290-64 Госстрой СССР, Издательство литературы по строительству, М. 1968

28. ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе».

29. ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытания».

30. ГОСТ 12852.0-77 12852.6-77 «Бетон ячеистый. Методы испытания».

31. ГОСТ 8829 85 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Методы испытаний нагружением и оценка прочности, жесткости и трещиностойкости.»I