автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность каменной кладки из пустотелых керамических камней при центральном сжатии

На правах рукописи

ФАБРИЧНАЯ КСЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ПРОЧНОСТЬ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ИЗ ПУСТОТЕЛЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ КАМНЕЙ ПРИ СЖАТИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061641

Ті¿013

Казань-2013

005061641

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Казанский государственный архитектурно-строительный университет"

Научный руководитель

кандидат технических наук Антаков Алексей Борисович

Официальные оппоненты:

Ласьков Николай Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Строительные конструкции»

Бедов Анатолий Иванович,

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции»

Ведущая организация:

Центральный научно - исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) имени В.А. Кучеренко, г. Москва

Защита состоится «21» июня 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, ауд. 3-203 (зал заседания Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «21» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л .А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Керамический кирпич - один из древнейших строительных материалов, прочный, долговечный, с неограниченными архитектурными возможностями. На территории Европы и Азии сохранилось множество памятников зодчества, при возведении которых использовались кладки из кирпича. На территории России кладки применялись для строительства уникальных сооружений: храмовых комплексов, кремлей, дворцов. Одним из шедевров каменного зодчества признан собор Василия Блаженного в Москве, возведенный в XVI веке из кирпичей 18 типов. С XVII века конструкции из кирпича повсеместно использовались для массового строительства. В настоящее время кладки из керамических материалов применяются по всему миру для возведения несущих и самонесущих наружных стен зданий.

В современных условиях строительства конструкции стен, помимо прочности и долговечности, должны обеспечивать высокое сопротивление теплопередаче и экономичность, что привело к эволюции материалов. Одним из основных направлений по повышению эффективности каменных конструкций является применение в кладке пустотелых керамических камней, сочетающих в себе свойства конструкционного и теплоизоляционного материалов. Номенклатура таких изделий непрерывно расширяется, а их доля в общем объеме выпускаемых стеновых материалов ежегодно возрастает по сравнению с полнотелыми. Только на территории Республики Татарстан за последние семь лет введены в действие 5 заводов суммарной мощностью до 300 млн. шт. в год, выпускающих более 20-ти наименований современных пустотелых керамических изделий.

Кладки наружных стен из вышеописанных материалов можно условно разделить на 2 группы по требованиям к отделке фасада:

1-я группа — не требующие отделки, из малоформатных элементов высотой до 138мм, позволяющие обеспечивать выразительную пластику фасадов и сложные очертания архитектурных форм, высокой прочности, но требующие проведения конструктивных мероприятий для обеспечения термического сопротивления стен;

2-я группа — требующие защиты от атмосферных воздействий, из камней крупного формата, с высокими теплотехническими показателями при достаточной прочности конструкций.

Обе группы кладок применяются как для массового гражданского строительства, так и для возведения уникальных зданий. Однако, работа новых пустотелых камней в составе кладки изучена недостаточно, поэтому проведение исследований прочности таких кладок является актуальным.

Применение новых материалов требует совершенствования методики расчета для эффективного использования их прочностных свойств при проектировании и строительстве зданий.

Целью работы является разработка методики расчета по прочности при осевом сжатии каменных кладок из современных пустотелых керамических камней на основе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующей отечественной и зарубежной научной, технической и нормативной литературы по тематике работы, на основе которого выделить основные факторы, отражающие особенности работы рассматриваемых кладок при сжатии, и разработать программы компьютерного моделирования и экспериментальных исследований;

- провести компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) пустотелых камней и кладок с учетом большого числа факторов, с оценкой их влияния и значимости для оптимизации программы экспериментальных исследований;

- провести экспериментальные исследования образцов материалов и кладок для получения опытных данных об их прочностных характеристиках, установить последовательность трещинообразования и характер разрушения;

- адаптировать существующую нормативную методику оценки прочности кладок с учетом полученных экспериментальных данных;

- определить физические и геометрические параметры модели разрушения для рассматриваемых кладок, являющейся основой теории сопротивления анизотропных материалов сжатию;

- сравнить теоретические и опытные результаты для определения достоверности предлагаемой методики расчета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета по прочности кладок из пустотелых керамических материалов, учитывающая прочностные характеристики камней на сжатие, срез и растяжение, на основе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию;

- выявлены особенности НДС кладок из керамических камней пустотностью 33-54%, заключающиеся в большей (до 15%) трещиностойкости по сравнению с кладками из полнотелых материалов;

- установлена прочность кладки на растворах марок М100 и М150 до 2-х раз превышающая величины, полученные с использованием нормативной методики;

- определено влияние наличия термовкладыша площадью от 26 до 54% в горизонтальных растворных швах на характер разрушения кладок 1-й группы, приводящее к снижению от 1,05 до 3,50 раз несущей способности по сравнению с кладками с однородным растворным швом;

- получены сопротивления трещинообразованию и разрушению для кладок первой группы на «теплом» растворе, вызывающем повышение до 15% трещиностойкости кладок и снижение до 40% временной прочности кладки при сжатии.

Автор защищает:

- методику расчета прочности кладок из пустотелых керамических материалов при осевом сжатии;

- результаты компьютерного моделирования работы и экспериментальных исследований камней и кладок;

- методику оценки прочности кладки при сжатии с использованием существующего нормативного подхода для кладок из рассмотренных материалов.

Практическая значимость работы состоит в повышении до 2-х раз расчетной несущей способности кладки и снижении материалоемкости конструкций по сравнению с нормативным подходом при проектировании зданий.

Внедрение результатов работы осуществлено при расчете строящихся зданий с несущими и ограждающими конструкциями из рассмотренных материалов, а также в учебном процессе при чтении лекций, выполнении ВКР специалистов, бакалавров и магистров.

Публикации. Основное содержание результатов работы опубликовано в 9 статьях и материалах конференций, в том числе 3 публикации - в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, 2009-2013 г.г.); на XV Академических чтениях РААСН

- Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», (Казань, 2010 г.); на IV Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Новосибирск, 2012г.); на I Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2012 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения, списка использованных источников, трёх приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц, в том числе 27 таблиц и 57 рисунков. Список литературы включает 89 наименований, в том числе 12 зарубежных авторов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Казанского государственного архитектурно-строительного университета. Представленные в диссертации материалы разрабатывались автором самостоятельно и при участии магистра Садыкова P.P. Автор благодарна коллективу кафедры, д.т.н. проф. Соколову Б.С. за поддержку и ценные замечания во время выполнения и завершения работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности исследуемых вопросов, раскрыта научная новизна и практическая значимость, кратко изложена структура диссертации.

В первой главе рассмотрена общая характеристика и конструктивные особенности кладок. Изучены работы отечественных и зарубежных ученых: Гастева В.А., Онищика Л.И., Камейко В.А., Семенцова С.А., Рохлина И.А., Гениева Г.А., Соколова Б.С., Бедова А.И., Барановой Т.И., Ласькова H.H., Пангаева В.В, Комохова П.Г., Беленцова Ю.А., Hendry A.W, PAGE A.W, Lourer>90 P и др. Выполнен обзор методик расчета прочности кладки при центральном сжатии по действующим отечественным и зарубежным нормативным документам.

Исследователи отмечают, что при сжатии материалы кладки находятся в условиях сложного напряженного состояния, одновременно подвержены сжатию, изгибу, срезу, растяжению и смятию. На физико-механические свойства каменной кладки влияет около 10 факторов, основными из которых для рассматриваемых кладок являются:

- физико - механические характеристики составляющих материалов;

- степень пустотности и геометрические параметры камней и конструктивных элементов.

Анализ выпускаемой предприятиями РТ продукции показал, что к ранее выделенным группам можно отнести кладки из следующих наиболее распространенных материалов:

- эффективных камней 1,4НФ, М100-М200, X = 0,33-0,36 Вт/(м°С);

- высокоэффективных камней 2,1НФ пустотностью 45-48%, прочностью

М100-М200 и крупноформатных камней 10.7НФ, 14.3НФ, пустотностью

54%, прочностью М75-М100Д =0,16-0,21 Вт/(м°С).

Кладки первой группы выполняются без отделки фасадной поверхности, поэтому для улучшения их теплотехнических свойств возможно использование «теплых» растворов и термовкладышей в горизонтальных швах. Данные по таким исследованиям и рекомендации по их расчету в отечественных нормативных документах отсутствуют.

Нормативные методики рассматривают кладку как однородное изотропное тело на сжатие и учитывают только три компонента прочности - раствора на сжатие, камней на сжатие и изгиб.

Кладку как ортотропное тело рассмотрел проф. Гениев Г.А. и предложил критерий прочности кладки при плоском напряженном состоянии, учитывающий различные механизмы разрушения: от раздробления, от отрыва, от сдвига и шесть независимых пределов прочности кладки. Применение данного критерия ограничено сложностью определения составляющих компонентов пределов прочности.

Теория сопротивления анизотропных материалов сжатию проф. Соколова Б.С. основана на физической модели, рассматривающей разрушение кладки как процесс сопротивления отрыву, сдвигу и раздавливанию. Условие прочности физической модели разрушения для каменных кладок записано в виде:

N < Nuh = (N, cosa + 2Nsq)/sin a + Níf (1)

где Nsq, Ngf ,N, - усилия, воспринимаемые кладкой соответственно в зонах сдвига, раздавливания и отрыва, определяемые по формулам:

N,=R,- A- N4 = R4 ■ А_,9 ; Nef = R -A<r. (2)

Из условий (2) и (3) получено выражение для определения прочности кладки с учетом геометрических размеров образцов:

R = k¡R,+k1Rsg. (3)

Физическая модель описывает все возможные механизмы разрушения материалов кладки при сжатии: от отрыва, сдвига и раздавливания, что позволяет использовать ее как теоретическую основу методики расчета для достижения поставленной в работе цели. Для уточнения геометрических и физических характеристик модели разрушения кладок из изучаемых материалов проведено компьютерное моделирование и экспериментальные исследования образцов кладок.

Вторая глава посвящена компьютерному моделированию НДС пустотелых керамических камней и кладок из них со сплошными горизонтальными растворными швами и с термовкладышами.

Программой компьютерного моделирования, информационная схема которой представлена на рисунке 1, учтены выбранные по результатам обзора факторы:

- соотношение физико - механических характеристик камня и раствора швов, модули упругости в диапазонах 7500+22000 МПа для камней и 70+10300 МПа - для раствора соответственно;

- геометрические параметры камней и кладок: размеры 250x120 мм., 250x380 мм., 250x510 мм.; высота камней 88, 138 и 219 мм; рисунок, расположение и размеры пустот; степень пустотности от 38 до 54%; толщина растворного шва от 2 до 12 мм., наличие термовкладышей, составляющих 37% от площади сечения.

В сериях 1+5 рассмотрено 3 варианта моделей исследуемых камней: фактическое сечение (рисунок 2); упрощенное сечение; сплошной элемент, с целью упрощения для моделей образцов кладки. Размеры для моделей кладки серий 6+15 приняты близкими к простенкам. Для реализации программы компьютерного моделирования выбраны программные комплексы «Лира 9.6» и «ANSYS», в которых реализован метод конечных элементов (МКЭ). В процессе исследований рассмотрены модели, состоящие из плоских и объемных конечных элементов. Всего рассмотрено 57 расчетных моделей.

Рисунок І. Информационная схема программы компьютерного моделирования а 6 в

Рисунок 2. Изополя горизонтальных напряжений (стг) в фактических сечениях камней: а - 1.4НФ, б - 2.1 НФ, в - 14.3 НФ

В результате анализа результатов расчетов моделей серий 1+5 установлено, что характер распределения напряжений для рассмотренных моделей фактических и упрощенных сечений крупноформатных камней аналогичен, что позволяет упростить задачу при исследовании НДС фрагментов кладок. На интенсивность растягивающих напряжений влияет как процент пустотности, так и геометрия пустот.

Анализ результатов моделирования фрагментов кладки серий 6+15 позволил установить влияние соотношения модулей деформаций камня и раствора на характер распределения и интенсивность вертикальных (аО, горизонтальных (о2) и касательных напряжений (т). В диапазоне рассмотренных значений Е,/Ек независимо от группы кладки, в полученных изополях напряжений четко видны области трехосного сжатия под грузовыми площадками и сжато-растянутые зоны в средних по высоте частях моделей. Высота зоны трехосного сжатия соответствует 0.5■b■ctga, высота зоны сжатия-растяжения соответствует Ь-Ь-с^а, где Ъ и И — наименьший размер поперечного сечения и высота фрагмента кладки соответственно. Угол наклона поверхностей предполагаемого сдвига а в приопорных областях составляет 40°н-46°.

Анализ влияния геометрических факторов показал, что независимо от размеров и рисунка пустот во всех моделях кладок получен схожий характер распределения напряжений и диапазон угла а 38 45°. Изменение толщины растворного шва в рассмотренном диапазоне практически не влияет на

характер распределения и интенсивность напряжений. Наличие термовкладыша оказывает значительное влияние на НДС моделей, вызывая перераспределение изополей и изменение интенсивности напряжений по сравнению с моделью со сплошным растворным швом.

Во всех рассмотренных моделях кладки растягивающие напряжения и максимальные значения касательных напряжений фиксируются только в элементах камней, в то время как элементы горизонтальных и вертикальных швов находятся в условиях сжатия, что позволило в дальнейшем определить физические параметры модели разрушения.

Усредненные эпюры распределения горизонтальных напряжений сь, независимо от пустотности камней, практически совпадают с эпюрами, полученными другими исследователями для однородных бетонных элементов и кладок из полнотелого кирпича, что показывает возможность применения теории сопротивления анизотропных материалов сжатию к описанию НДС кладок из пустотелых камней.

Проведены расчеты моделей камней и кладок с заданными пределами прочности материалов, которые позволили установить схему и последовательность виртуального разрушения конструкции. На рисунке 3 приведены выделенные стадии развития повреждений и разрушения материалов на примере кладок первой группы.

II

III

IV

Рисунок 3. Стадии НДС кладок первой группы со сплошными горизонтальными швами (1) и с термовкладышем (2)

На стадии I происходит образование вертикальных трещин в камнях. Стадия П - накопление вертикальных трещин, изгиб камней, опирающихся на термовкладыш. Стадия III характеризуется общим ростом сжимающих напряжений по граням образца. Стадия IV - разрушение материалов кладки. Анализ результатов расчетов показал, что введение термовкладыша в горизонтальный растворный шов привело к изменению последовательности образования и развития трещин, снижению сопротивления трещинообразованию в два раза и уменьшению несущей способности образца на 40%.

Проведенное компьютерное моделирование НДС кладок вплоть до разрушения позволило оптимизировать программу экспериментальных исследований.

В третьей граве представлены результаты экспериментальных исследований образцов материалов и кладок из них, целью которых ставилось определение особенностей характера разрушения, величин трещинообразующих и разрушающих усилий. Программа экспериментальных исследований, приведенная на рисунке 4, учитывала влияние следующих, наиболее значимых по результатам компьютерного моделирования, факторов: прочностных и геометрических характеристик камней; марки и вида раствора, наличия термовкладышей и их площади относительно площади поперечного сечения образцов.

2 группа кладок 1 груПпа кладок

Рисунок 4. Информационная схема экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований изготовлены и испытаны 34 опытных образца каменной кладки, более 100 образцов материалов. Испытания проводились на гидравлическом прессе ИПС-200. Подготовленный к испытанию образец и характер разрушения кладки показаны на рисунке 5.

а 6 в

Рисунок 5. Образец кладки, подготовленный к испытаниям (а). Характер разрушения кладок: со сплошными швами (б) и с термовкладышами (в)

Экспериментальные исследования камней позволили установить их прочность на сжатие, изгиб, срез, растяжение, необходимые для определения физических параметров модели разрушения

По результатам исследований образцов кладки со сплошными растворными швами, приведенным в таблице 1, определены их прочностные и деформационные характеристики.

Анализ результатов испытаний образцов кладки со сплошными горизонтальными растворными швами показал:

- хрупкий характер разрушения образцов;

- нагрузка трещинообразования составила: для кладок первой группы на тяжелом растворе - 0,62-0,Щ,тр, на теплом растворе - 0,75-0,8 ІА^,,,; для кладок второй группы - 0,75-0,8 ІЛ^,,;

- временные сопротивления кладок первой группы превышают нормативные значения до 1,3 - 2 раз. Отношения опытных и нормативных сопротивлений сжатию второй группы кладок составляют диапазон 0,9 -1,6;

- угол наклона поверхностей сдвига составляет для кладок первой группы от 61° до 75°, для кладок второй группы - от 65° до 78°.

Зависимости нормативных и фактических значений временной прочности кладки от марки раствора для камней 1,4НФ марки М200 приведены на рисунке 6.

Сравнение результатов испытаний кладок с термовкладышами и кладок со сплошными горизонтальными растворными швами показало уменьшение величины сопротивления кладки сжатию от 1,05 до 3,5 раз и снижение трещи ностойкости от 49 до 55%.

№ серии Прочность материалов кладки, МПа Трещино- образующая нагрузка N^0, кН Разрушающая нагрузка ^разр> кН Временное сопротивление кладки МПа

Камень Раствор

1 21.9 10.1 450.0 710.0 7.47

2 15.1 10.1 500.0 620.0 6.52

3 21.9 4.0 330.0 467.5 4.77

4 15.1 4.0 255.0 359.0 3.76

5 21.9 6.9 300.0 368.0 3.72

6 15.1 6.9 255.0 338.5 3.51

7 10.5 15.0 390.0 812.5 8.34

8 7.5 5.9 255.0 338.0 3.62

9 9.0 5.9 255.0 309.0 2.49

Рисунок 6. Зависимость сопротивления кладки сжатию (Д„) из камней 1.4 НФ М200 от прочности раствора (Я2)'. а - по отечественным нормам; б - по Еигососіе 6; в - по результатам испытаний кладки

Для максимального использования прочностных характеристик рассмотренных материалов при расчете по нормативной методике предлагается использование в формуле Онищика Л.И. поправочного коэффициента, полученного при анализе зависимостей, показанных на рисунке 6. Значение коэффициента к/ определяется по прочности раствора (Я2):

0,66 (4)

К формуле Еигососіе 6 предлагается введение понижающего коэффициента к2, который можно определить для кладок из камней 1.4НФ на цементно-песчаных растворах марок М25 -М100 по формуле:

к2 = 0,Ы102 2. (5)

Значения коэффициента к2 получены в пределах 0,72-0,95 в зависимости от марки раствора.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета по прочности. С учетом результатов компьютерного моделирования и полученных экспериментальных данных определены физические и геометрические характеристики расчетных схем, отражающие специфические особенности разных видов кладок (рисунок 7).

а б

Рисунок. 7. Расчетные схемы: а - для кладок со сплошными растворными швами, б - для кладок с термовкладышами

При этом физические характеристики модели в формулах (2): Я„ - предельные сопротивления камня растяжению и срезу, полученные по результатам испытаний материала;

Я - сопротивление кладки раздавливанию, определяемое по формуле:

R = R„-kt, (6)

где Ru - временная прочность кладки при сжатии, вычисляемая по формуле Онищика Л.И.;

kj - поправочный коэффициент, определяемый по формуле (4) или принятый по результатам экспериментальных исследований.

Геометрические характеристики для формул (2) принимаются:

- угол наклона поверхностей сдвига для стадии трещинообразования составляет 40°;

- угол наклона поверхностей сдвига а для стадии разрушения, определяется по модифицированной формуле:

arctga = 0.25^-^- +1.05;

R< (7)

- количество плоскостей отрыва, образующихся в элементе из малоформатных камней - 3, из крупноформатных камней — 2;

- площади поверхностей отрыва определяются с учетом перевязки кладки для кладок из малоформатных камней, для кладок из крупноформатных камней перевязка элементов не учитывается;

- расчетная высота h при определении плоскости отрыва принимается не более 4а, где а - наименьший размер поперечного сечения элемента.

С учетом вышеизложенного, расчетные площади отрыва, сдвига и раздавливания для кладок со сплошными растворными швами в общем случае определяются как:

А, = {h - Ъ / 2 • sin а ■ cos а) ■ а + (/¡ - а / 2 • sin а ■ cos а)-ЫЪ, Asq = a-6(l + sin2a)cosa, Aef = a b-sin4 a, (8)

где h, a, b — высота, меньший и больший размеры поперечного сечения столба соответственно.

Для кладок с термовкладышами (рисунок 7,6), с учетом ширины термовкладыша (t), выражения (8) записываются в виде:

А, = (h - (6 -1) / 2 ■ sin а • cos а) ■ а + (/? - а / 2 ■ sin а ■ cos a)-(b-t)/ 3, A^ = a-(b-t)-/2-(1 + sin2 a)-cosa,

Acl=a(b-t)l2-sin* а. (9)

Для однослойных теплоэффективных кладок важным показателем является сплошность материала, т.е. отсутствие трещин. Используя условие (1), можно оценить трещиностойкость кладки, которая зависит от усилий отрыва N¡, возникающих в материале камней, тогда как Nsq и .У^не реализуются:

Nm^N,=R,A;rc-ctgalrc, (10)

где R, - прочность камней на растяжение, асгс. - 40°,

А,'с- поверхность отрыва, определяемая в общем случае по формуле:

А™ = (Л - 0.246) • а + (А - 0.24а) -Ы 3. (11)

Для оценки достоверности результатов разработанной методики проведено их сравнение с опытными данными, в том числе других авторов. Установлено, что расхождения опытных и теоретических значений прочности и трещиностойкости не превышают 19% и 30% соответственно.

В приложении к диссертации на основе выражения (3) для рассмотренных кладок предложена методика определения сопротивления кладки сжатию в зависимости от прочностных характеристик камней на срез, растяжение и прочности раствора на сжатие:

Я = к, (к, ■ Я, ■ слёа + * ■ Я ■ .--1—), (12)

этот 4 '

где Я, — сопротивления камня сдвигу и растяжению соответственно; к3 - коэффициент, учитывающий влияние прочности раствора, установленный по экспериментальным данным;

к,,, кщ — коэффициенты, учитывающие отношение площадей плоскостей отрыва, сжатия и среза к поперечному сечению элемента;

« - угол наклона поверхностей клина к плоскости грузовой площадки, определяемый по формуле (7).

Значения коэффициентов к3, к,, кщ и угла а в зависимости от марки раствора и вида камня определены для всех рассмотренных видов кладки и приведены в таблице 2.

Таблица 2. Значения коэффициентов кз,к„, и угла а для исследованных кладок

Камень 1,4 НФ М200 1,4 НФ М150 2,1 НФ М100 10,7 НФ М75 14,3 НФ М75

Раствор М100 М25 ЛМ-21 М100 М25 ЛМ-21 МІ50 М50 М50

к, 0,68 0,51 0,50 0,67 0,52 0,57 0,76 0,58 0,50

к, 21,50 14,0 0 7,90 25,10 12,85 7,30 25,70 37,6 45,60

3,30 2,60 2,10 3,62 2,35 2,00 3,57 3,18 3,60

а 70 66 64 70 66 64 69 72 73

Сравнение результатов расчетов, полученных по упрощенной для практического применения формуле (12), с опытными данными показало расхождение в пределах 15-20%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор научной и технической литературы, выполненный по тематике работы, показал, что отечественные и зарубежные нормы содержат эмпирические подходы к расчету прочности каменной кладки при сжатии, не отражающие характер разрушения кладок из современных рассмотренных материалов.

2. Разработана методика расчета по прочности при сжатии кладок из пустотелых керамических камней, отражающая фактический механизм разрушения кладки, позволяющая обоснованно увеличить при расчете несущую способность кладки до 2-х раз по сравнению с отечественным нормативным подходом.

3. Сравнение несущей способности кладки, вычисленной по предлагаемой и нормативной методикам, с экспериментальными данными, в том числе других авторов, показало сходимость в пределах ±19%, что подтверждает достоверность предлагаемых расчетных выражений.

4. Получены новые экспериментальные данные для рассмотренных кладок:

- величины трещинообразующих и разрушающих нагрузок;

- прочностные и деформационные характеристики кладок, в частности временное сопротивление кладки сжатию для кладок из камней 1,4НФ на цемешно-песчаном растворе марок от М25 до М100 в диапазоне от 3,76 до 7,5 МПа.

5. Для определения прочности кладки при сжатии по методике норм получены корректирующие коэффициенты, учитывающие экспериментальные данные. Для кладки из камней формата 1,4НФ на цементно-песчаном растворе марок от М25 до М150 коэффициент к значениям отечественных норм изменяется в диапазоне от 0,9 до 1,3.

6. С использованием компьютерного моделирования НДС камней и кладок установлены основные зависимости параметров модели разрушения, в том числе угол наклона площадки сдвига а, определенный для упругой стадии, -от40° до 45°.

7. Расчетное сопротивление кладки сжатию, определенное по предлагаемой методике, дает возможность оценивать прочность конструкций при внецентренном сжатии, используя формулы действующих норм проектирования.

8. Использование предлагаемой методики расчета при проектировании зданий позволяет снизить стоимость 1м3 кладки из малоформатных камней на цементно-песчаном растворе на 5 - 9% за счет повышения расчетной прочности кладки, т.е. снижения прочности раствора и камней по сравнению с нормативным подходом.

В заключении диссертации указывается, что полученные результаты могут быть использованы при исследованиях кладок из других видов пустотелых

керамических камней с разработкой методики расчета прочности по деформационной модели.

В приложениях к диссертации приведены: оценка экономической эффективности применения предлагаемой методики при проектировании зданий; алгоритм расчета по прочности рассмотренных кладок по предлагаемой методике; справки о внедрении полученных результатов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Соколов Б.С. Исследования кладок из пустотелого кирпича 1,4 НФ/ Б.С. Соколов, А.Б. Антаков, К.А. Фабричная // Известия КазГАСУ. -2009. - № 2(12).-С.134—139.

2. Соколов Б.С. Исследования кладок из пустотелого кирпича 1,4 НФ с термовкладышами / Б.С. Соколов, А.Б. Антаков, К.А. Фабричная // Известия КазГАСУ. -2010-№1(13)-С.155- 161.

3. Соколов Б.С. Комплексные исследования прочности пустотело -поризованных керамических камней и кладок при сжатии / Б.С. Соколов, А.Б. Антаков, К.А. Фабричная // Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ. -2012-№5(34)-С. 65-71.

в других изданиях:

4. Соколов Б.С. Исследования прочности кладки из многопустотных керамических камней. / Б.С. Соколов, К.А. Фабричная // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы Шестой Всерос.конф. НАСКР-2007. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2009. -С.133- 137.

5. Фабричная К.А. Исследования прочностных характеристик пустотелых кирпичей 1,4 НФ, изготовленных заводом «Ключищенская керамика» // Сборник научных трудов КГАСУ. - Казань, 2009. - С. 41 - 45.

6. Соколов Б.С. Прочностные свойства кирпича и керамических камней, выпускаемых на вновь построенных заводах республики Татарстан. / Б.С. Соколов, А.Б. Антаков, К.А. Фабричная // Материалы конференции :ХУ Академические чтения РААСН, КГАСУ-2009 г / Казань. - 2009. № 2. С.62 -66.

7. Фабричная К.А. Исследования прочностных свойств пустотелых керамических кирпичей и камней // Научному прогрессу — творчество молодых: сборник материалов Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола,16-17 апреля 2010г.): в 3 ч. - Ч.З - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2010. - С. 220-221.

8. Фабричная К.А. Компьютерное моделирование элементов каменной кладки // «Научному прогрессу - творчество молодых», международная молодежная науч. конференция по естественнонауч. и техн. дисциплинам (15-16 апреля 2011 г.): в 3 ч. - Ч.З: Материалы и доклады - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. - С. 148 -149.

9. Фабричная К.А. Использование компьютерных технологий при исследовании НДС пустотело - поризованных керамических камней при сжатии // «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции»: материалы I Международной (VII Всероссийской) конференции. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2012. -С.157 -159.

Подписано к печати 17.05.13 Формат 60x84/16 Печать RISO

Объем 1 п.л. Заказ № 234 Тираж 100 экз.

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ 420043, Казань, ул. Зеленая, д.1.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ФАБРИЧНАЯ КСЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ПРОЧНОСТЬ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ИЗ ПУСТОТЕЛЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ КАМНЕЙ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СЖАТИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. АНТАКОВ А.Б.

КАЗАНЬ - 2013

Оглавление

Введение.............................................................................................4

1.Состояние вопроса

1.1 История возникновения пустотелой строительной керамики, применяемой для каменной кладки.................................................................................10

1.2 Обзор теоретических и экспериментальных исследований прочности кладки при сжатии........................................................................................19

1.3 Развитие методов расчета каменных кладок..........................................29

1.4 Исследования кладок из пустотелых керамических камней........................38

1.5 Нормативные подходы к определению прочности каменной кладки

при сжатии.......................................................................................43

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследований.........................................48

2. Компьютерное моделирование НДС камней и кладки

2.1 Цели и задачи исследований..............................................................51

2.2 Программа исследований..................................................................52

2.3 Методика проведения исследований....................................................55

2.4 Результаты исследований и их анализ...................................................59

Выводы по главе 2...............................................................................75

3. Экспериментальные исследования каменных кладок из пустотелых камней

3.1 Цели и задачи исследований..............................................................77

3.2 Программа экспериментальных исследований.......................................78

3.3 Методика проведения испытаний........................................................81

3.4 Результаты испытаний камней............................................................85

3.5 Результаты испытаний кладок со сплошными горизонтальными растворными швами..............................................................................................88

3.6 Результаты испытаний кладок с термовкладышами в горизонтальных растворных швах...............................................................................93

Выводы по главе 3................................................................................97

4. Методика расчета по прочности каменных кладок с использованием теории сопротивления анизотропных материалов сжатию

4.1 Основные положения.......................................................................98

4.2 Методика оценки прочности.............................................................99

4.3 Оценка трещиностойкости...............................................................102

4.4 Сравнение теоретических результатов с опытными данными...................103

Выводы по главе 4..............................................................................112

Общие выводы. Заключение..................................................................113

Список использованных источников.......................................................115

Приложение 1. Методика оценки сопротивления кладки сжатию..................125

Приложение 2. Экономическая эффективность применения

методики при проектировании...............................................................127

Приложение 3. Алгоритм расчета прочности кладки с использованием

теории сопротивления анизотропных материалов сжатию............................129

ВВЕДЕНИЕ

Керамический кирпич - один из древнейших строительных материалов, прочный, долговечный, с неограниченными архитектурными возможностями. На территории Европы и Азии сохранилось множество памятников зодчества, при возведении которых использовались кладки из кирпича. На территории России такие конструкции применялись для строительства уникальных сооружений: храмовых комплексов, кремлей, дворцов. Одним из шедевров каменного зодчества признан собор Василия Блаженного в Москве, возведенный в XVI веке из кирпича 18 типов. С XVII века конструкции из кирпича повсеместно использовались для массового строительства. В настоящее время кладки из керамических материалов применяются по всему миру для возведения несущих и самонесущих наружных стен зданий.

В современных условиях строительства конструкции стен, помимо прочности и долговечности, должны обеспечивать высокое сопротивление теплопередаче и экономичность, что привело к эволюции материалов. Одним из основных направлений по повышению эффективности каменных конструкций является применение в кладке пустотелых керамических камней, сочетающих в себе свойства конструкционного и теплоизоляционного материалов. Номенклатура таких изделий непрерывно расширяется, а их доля в общем объеме выпускаемых стеновых материалов ежегодно возрастает по сравнению с полнотелыми. Только на территории Республики Татарстан за последнее семь лет введены в действие 5 заводов, оснащенных европейскими технологическими линиями, суммарной мощностью до 300 млн. шт. в год, выпускающие более 20-ти наименований современных пустотелых керамических изделий.

Кладки наружных стен из вышеописанных материалов можно условно разделить на 2 группы по требованиям к отделке фасада:

- не требующие отделки, из малоформатных элементов высотой до 138мм, позволяющие обеспечивать выразительную пластику фасадов и сложные очертания архитектурных форм, высокой прочности, но для них необходимо

проведение конструктивных мероприятий для обеспечения термического сопротивления стен;

- требующие защиты от атмосферных воздействий, из камней крупного формата, с высокими теплотехническими показателями при достаточной прочности конструкций.

Обе группы кладок применяются как для массового гражданского строительства, так и для возведения уникальных зданий.

Фундаментальные экспериментально-теоретические исследования, выполненные в 30-е годы прошлого века под руководством проф. Л.И. Онищика, заложили основу для разработки нормативной базы по проектированию каменных и армокаменных конструкций, которая не изменилась до настоящего времени. Проектирование кладки ведется на основании СП 15.13330.2012 [61] и пособия [49]. В дополнение к существующим нормативным документам выпущен ряд пособий [48, 53-55], предлагающих введение поправочных коэффициентов к расчетному сопротивлению кладки для различных видов камня. Большинство существующих экспериментальных данных относится к полнотелому кирпичу. Работа новых пустотелых керамических материалов в составе кладки изучена недостаточно, что вызывает необходимость проведения исследований прочностных свойств каменных кладок, способствующих экономии материалов, энергосбережению и являющихся актуальными. Применение таких материалов требует совершенствования методики расчета для эффективного использования их прочностных свойств при проектировании и строительстве зданий.

Научная новизна результатов исследований автора заключается в следующем:

- разработана методика расчета по прочности на основе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию, кладок из пустотелых керамических материалов, учитывающая прочностные характеристики камней на сжатие, срез и растяжение.

- выявлены особенности НДС кладок из керамических камней пустотностыо 33 - 54%, заключающиеся в большей (до 15%) трещиностойкости по сравнению с кладками из полнотелых материалов;

- установлена временная прочность кладки на растворах марок Ml00 и Ml50, до 2-х раз превышающая величины, полученные с использованием нормативной методики;

- определено влияние наличия термовкладыша площадью от 26 до 54% в горизонтальных растворных швах на характер разрушения кладок 1 группы, приводящее к снижению от 1,05 до 3,50 раз несущей способности по сравнению с кладками с однородным растворным швом;

- получены сопротивления трещинообразованию и разрушению для кладок первой группы на «теплом» растворе, вызывающем повышение до 15% трещиностойкости кладок и снижение до 40% временной прочности кладки при сжатии.

Практическая значимость работы состоит в повышении расчетной несущей способности кладки при проектировании зданий до 2-х раз и соответствующем снижении материалоемкости конструкций.

Внедрение результатов работы осуществлено при расчете строящихся зданий с несущими и ограждающими конструкциями из рассмотренных материалов, в учебном процессе при чтении лекций, выполнении дипломных проектов, при подготовке бакалавров и магистров.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения, списка использованных источников, трех приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц, в том числе 27 таблиц и 57 рисунков. Список литературы включает 89 наименований.

В первой главе рассмотрена общая характеристика и конструктивные особенности кладок. Изучены работы отечественных и зарубежных ученых Гастева В.А., Онищика Л.И., Камейко В.А., Рохлина И.А., Гениева Г.А., Соколова Б.С., Барановой Т.И., Ласькова H.H., Пангаева В.В, Комохова П.Г.,

Беленцова Ю.А., Hendry A.W, PAGE, A.W, Louren?© P.B. и др. Выполнен обзор методик расчета прочности кладки при осевом сжатии по действующим нормативным документам, в том числе зарубежным, и с использованием теории сопротивления анизотропных материалов сжатию. По итогам изучения состояния вопроса сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена компьютерному моделированию НДС камней и кладок. Целью исследований ставилось изучение напряженно-деформированного состояния пустотелых керамических камней и кладок из них со сплошными и прерывистыми горизонтальными растворными швами при осевом сжатии.

В программе компьютерного моделирования учитывались следующие факторы: соотношение физико-механических характеристик камня и раствора швов, изменение геометрических параметров камня, рисунок, расположение и размеры пустот, степень пустотности, толщина растворного шва, наличие термовкладышей. Для реализации программы компьютерного моделирования выбраны программные комплексы «Лира 9.4» и «ANSYS», в которых реализован метод конечных элементов (далее МКЭ), отвечающий всем требованиям работы на данном этапе. В процессе исследований были рассмотрены модели, состоящие из плоских элементов - пластин и объемных конечных элементов - призм с использованием линейных и нелинейных характеристик материалов.

В результате исследований установлено общее между эпюрами распределения горизонтальных напряжений, полученными автором и другими исследователями, для однородных бетонных элементов и кладок из полнотелого кирпича, что показало возможность применения теории сопротивления анизотропных материалов сжатию к описанию НДС кладок из пустотелых камней.

Проведенное компьютерное моделирование позволило оптимизировать программу экспериментальных исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований образцов материалов и кладок, целью которых ставилось определение

особенностей характера разрушения, величин трещинообразующих и разрушающих усилий. Исследовались кладки со сплошным заполнением горизонтальных швов и с теплоэффективными включениями. Программа экспериментальных исследований учитывала влияние наиболее значимых, определенных по результатам компьютерного моделирования факторов: прочностных и геометрических характеристик камней; марки и вида раствора; наличие термовкладышей и их площади относительно площади поперечного сечения образцов. Для проведения экспериментальных исследований изготовлено 34 опытных образца каменной кладки и более 100 образцов материалов. В результате экспериментальных исследований получены:

- соотношения прочностных характеристик камней, являющиеся основой при назначении расчетных параметров модели;

прочностные и деформационные характеристики кладок, последовательность образования и развития трещин, величины трещинообразующих и разрушающих нагрузок;

- значения углов наклона поверхности сдвига клиновидных уплотнений приопорных зон;

- зависимости временной прочности кладки при сжатии от прочности камней и растворов;

- характер изменения несущей способности кладок с различными вариантами заполнения горизонтальных растворных швов.

С учетом экспериментальных данных, для рассмотренных видов кладки получены корректирующие коэффициенты к формулам оценки сопротивления кладки сжатию по действующим нормам проектирования.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета по прочности рассматриваемых кладок с использованием теории сопротивления анизотропных материалов сжатию. Главной задачей ставилось определение физических и геометрических характеристик расчетных схем с учетом полученных экспериментальных данных для рассматриваемых видов кладок, отражающих специфические особенности каждой из них.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований произведено сравнение величин несущей способности образцов кладки, показавшее удовлетворительную сходимость опытных и теоретических значений трещинообразующих и разрушающих усилий, что подтверждает достоверность предлагаемых расчетных выражений.

На основе описанной в четвертой главе методики для рассмотренных кладок предложено определение значения временного сопротивления кладки сжатию в зависимости от прочностных характеристик камней на срез, растяжение и прочности раствора на сжатие, которое можно использовать для расчета несущей способности элемента каменной кладки при осевом и внецентренном сжатии по формулам СП [61].

Публикации. Основное содержание результатов работы опубликовано в 9-ти статьях и отчете о НИР, в том числе 3-х публикациях в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях КГАСУ 2009 - 2013г.г., на Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», XV Академических чтениях РААСН, проведенных в КГАСУ в 2010г., IV Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» в июне 2012г., I Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» в ноябре 2012г. Результаты исследований вошли в отчет по гранту РААСН: «Разработка теоретических основ прочности каменных кладок из керамического пустотелого кирпича при сжатии» в 2010 году.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПУСТОТЕЛОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ КАМЕННОЙ КЛАДКИ

Кирпич, при производстве которого в глину добавлялась выгорающая добавка, образующая пустоты, известен с начала тысячелетия и использовался для строительства куполов и сводов [24]. В 1813г. англичанином Беконом изобретен пустотный кирпич. В 1836г. Н.А.Булычев, имевший гончарный завод в Казани, изобрел пустотелые керамические блоки объемом в десять кирпичей старого формата. Промышленное производство поризованных изделий началось в 1880г. в Германии, где выпускался так называемый «поризованный кирпич» с использованием в качестве добавок каменно-угольной пыли и опилок. Плотность такого кирпича составляла 1 кг/дм и достигалась сочетанием пористости материала и пустотности изделия. В 1926г. был изобретен «сотовый» кирпич, 128 отверстий которого имели форму правильного шестиугольника, а все стенки - одинаковую толщину. В 1960г. шведский инженер Фернхофф изобрел технологию Рогу1оп с использованием добавки в виде зерен полистирола. Современные технологии производства строительной керамики позволяют производить тонкостенные непоризованные керамические камни пустотностыо до 70% с толщиной стенок 1,6 и 3 мм. [58, 59].

Анализ номенклатуры керамических стеновых материалов технически развитых стран показывает, что 60-80% от общего производства представлено пустотело-пористыми изделиями со средней плотностью от 600 до 1000 кг/м3 с прочностью на сжатие от 4 до 28МПа и теплопроводностью от 0,19 Вт/м2° С.

В Германии [28] фирмами «РОЯОТОИ», «ЦМРОЯ», «ШЕЯ-МОРОК», «РОЯОКХЛМАТОМ» производятся пустотело-пористые кирпичи и камни высотой 52, 71, 113, 238мм, шириной 115, 175 240мм и длиной 240, 300, 365, 490мм, кирпич обыкновенный и лицевой - полнотелый и пустотелый с вертикальными и горизонтальными пустотами. Широко выпускаются камни с вертикальными

и

пустотами, соединяющимися между собой в паз и гребень. Средняя плотность таких камней - до 800кг/м , прочность - от 4.0МПа, а теплопроводность, в зависимости от конфигурации, изменяется от 0,18 до 0,24Вт/(м*К). При изготовлении регламентируются не только размеры и пустотность, но и средняя плотность пустотелых изделий в зависимости от пористости материала и пустотности [76].

В Италии [28] фирмами «POROTON», «S.J.L.S.», «EDILFORNACIAL» производятся пустотелые камни из пористой керамики размерами 300х250х190мм, 195x410x250мм, 250x250x300мм, 250x120x300мм, 190x250x300мм, с прочностью при сжатии 7.5-12МПа, средней плотностью изделий 700-800кг/м , причем полнотелый черепок имеет плотность 1950кг/м . Кроме то