автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил

/ /" t / l: / / { (

/ /

/ ^ '

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЮССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Артюшин Дмитрий Викторович

ПРОЧНОСТЬ СТЕН ИЗ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ

Специальность 05.23.01. - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Т.И. Баранова

кандидат технических наук, доцент H.H. Ласьков

ПЕНЗА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение.......................................................................................................5

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований................................9

1.1. Обзор проведенных экспериментальных исследований

стен из каменной кладки...............................................................9

1.2. Методы расчета стен из каменной кладки...............................22

1.3. Анализ и оценка экспериментальных исследований..............38

1.4. Анализ и оценка методов расчета.............................................49

1.5. Задачи исследований...................................................................53

2. Экспериментальные исследования стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил............54

2.1. Рабочая программа экспериментальных исследований стен из каменной кладки.....................................................................54

2.2. Определение физико-механических свойств

каменной кладки..........................................................................56

2.2.1. Физико-механические свойства камней и раствора....56

2.2.2. Испытание стандартных призм

из каменной кладки........................................................62

2.3. Испытание фрагментов стен........................................................66

2.3.1. Проектирование и изготовление

опытных образцов...........................................................66

.3.2. Проектирование и изготовление

силовой установки...........................................................66

2.3.3. Методика испытаний.......................................................69

3. Результаты экспериментальных исследований фрагментов стен

из каменной кладки..............................................................................73

3.1. Стены из каменной кладки при различных соотношениях

вертикальных и горизонтальных сил........................................73

3.1.1. Образование и развитие трещин,

формы разрушения стен..................................................73

3.1.2. Напряженно-деформированное состояние каменной кладки..............................................................83

3.1.3. Усилия образования трещин,

разрушающие усилия......................................................85

3.2. Стены из каменной кладки при различном соотношении сторон.............................................................................................88

3.2.1. Образование и развитие трещин,

формы разрушения стен..................................................88

3.2.2. Напряженно-деформированное состояние каменной кладки..............................................................97

3.2.3. Усилия образования трещин,

разрушающие усилия.................................................... 101

3.3. Анализ результатов испытаний................................................101

3.3.1. Оценка напряженно-деформированного состояния стен................................................................. 101

3.3.2. Классификация трещин,

квалификация схем разрушения..................................105

3.3.3. Влияние исследуемых факторов на характер работы

и разрушения фрагментов стен....................................108

Выводы по главе 3..................................................................................113

4. Исследования напряженно-деформированного состояния фрагментов стен численным методом при разных схемах нагружения и соотношениях сторон..................................................114

4.1. Программа исследований стен численным

методом.......................................................................................114

4.2. Расчетные схемы, методика расчета........................................114

4.3. Результаты расчета....................................................................116

4.4. Анализ результатов расчета.....................................................116

Выводы по главе 4..................................................................................133

5, Совершенствование методов расчета стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и

горизонтальных сил............................................................................135

5.1. Теоретические основы моделирования

каменной кладки........................................................................135

5.2. Разработка расчетных моделей и расчетных зависимостей для стен из каменной кладки при различных соотношениях вертикальных и горизонтальных сил и сторон......................143

5.2.1. Принцип построения расчетной модели.....................143

5.2.2. Разработка расчетных зависимостей..........................146

5.2.3. Учет предлагаемым методом расчета влияния исследуемых факторов..................................................151

5.2.4. Учет особенностей сопротивления

каменной кладки............................................................152

5.2.5. Корректировка расчетных зависимостей на основе метода обратного моделирования..............................153

5.3. Оценка предлагаемого инженерного метода расчета стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил......................................157

Выводы по главе 5..................................................................................161

Общие выводы........................................................................................164

Список использованной литературы....................................................167

Приложение............................................................................................. 177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Известно, что кирпичная кладка является элитным строительным материалом. В нашей стране ежегодно выпускается и применяется на стройках более 40 млрд. шт. кирпича. В последние годы из кирпича и керамики возводилось около 35 % жилых, гражданских и промышленных зданий. По мере развития производства и применения в строительстве изделий из различных видов бетонов и других новых материалов, следует ожидать некоторого снижения относительной доли применения кирпича как традиционного стенового материала. Однако абсолютный объем его использования практически не изменится. Активному строительству различных зданий и сооружений из каменной кладки препятствует целый ряд проблем, которые существуют почти на всех стадиях строительства - на стадии проектирования, изготовления и монтажа конструкций. Одной из основных проблем является несовершенство методов расчета кирпичной кладки, в том числе кирпичных стен, несовершенство конструктивных решений стен, связанное с новыми теплотехническими требованиями, а также сложность монтажа армированной кирпичной кладки, осложнение возведения стен в зимних условиях и др.

Данная диссертация посвящена развитию методов расчета прочности кирпичных стен на основе комплексных экспериментально-теоретических исследований. Несовершенство методов расчета заключается в том, что существующие теория прочности и методика расчета каменных конструкций разработаны на основе экспериментальных исследований каменной кладки в условиях одноосного напряженного состояния. В то время как несущие кирпичные стены в результате пространственной работы зданий и различных схем нагружения подвергаются совместному действию вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Вопросы исследования сложного напряженного состояния каменной кладки обретают особое значение при существующей тенденции строительства многоэтажных зданий из кирпича и тонкостенных кир-

личных панелей е одновременным стремлением к уменьшению толщины несущего слоя стен.

Проведенный анализ существующих методов расчета каменной кладки, позволяет сделать вывод о том, что эти методы являются весьма приближенными, не описывают работу каменной кладки, не позволяют обеспечить степень безопасности и нуждаются в значительном совершенствовании. Одной из основных причин несовершенства методов расчета является то, что экспериментальное изучение сопротивления каменной кладки по объему работ в значительной степени уступает исследованиям железобетонных стеновых панелей. В связи с этим, тема диссертации является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в разработке расчетной модели и нового метода расчета прочности стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил на основе новых данных о сопротивлении стен, полученных путем проведения физического и численного эксперимента.

Для осуществления поставленных целей выполнена следующая работа:

• проведен анализ результатов отечественных и зарубежных исследований стен из каменной кладки;

• разработана программа экспериментально-теоретических исследований стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил;

• проведены экспериментальные исследования стен, в которых соотношения сторон и вертикальных усилий изменялись в широких пределах Н/Ь-0,5+2,5; ЛМЪЛ^;

• определены физико-механические характеристики каменной кладки на основе испытания стандартных призм;

• проведен анализ напряженно-деформированного состояния, характера образования и развития трещин и схем разрушения стен;

• проведены исследования стен численным методом на основе ППП АП ЖБК;

• проведен анализ характера распределения нормальных, касательных и главных напряжений.

Научную новизну диссертации составляют:

• новые данные о сопротивлении стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил, полученные на основе физического и численного эксперимента;

• закономерность образования и развития трещин и схемы разрушения стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил при изменении соотношения сторон и вертикальных усилий в широких пределах Н/Ь—0,5+2,5; N=-0^

• принцип построения расчетной каркасно-стержневой модели стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил различного уровня;

• система аналитических зависимостей, идентифицирующих расчетные и опытные величины;

• новый метод оценки прочности стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил.

Практическое значение диссертации заключается в развитии теории сопротивления стен из каменной кладки, испытывающих сложное напряженно-деформированное состояние, а также в разработке нового метода расчета стен на основе каркасно-стержневой модели, которые значительно совершенствуют процесс проектирования стен из каменной кладки.

Предлагаемый метод расчета неоднократно использовался проектными институтами при разработке рабочих чертежей жилых и производственных зданий с кирпичными стенами в масштабах страны, в том числе в Пензенском регионе.

Результаты исследований используются в учебном процессе при разработке курсовых и дипломных проектов студентами строительного факультета Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Работа выполнялась в Пензенской ГАСА в 1995-1998 г. в рамках комплексной целевой программы исследований стен под руководством заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, члена-корреспондента РААСН, доктора технических наук, профессора Т.И. Барановой и кандидата технических наук, доцента H.H. Ласькова.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 102 наименований и приложения. Полный объем диссертации 179 страниц, включая 8 таблиц и 94 рисунка.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор проведенных экспериментальных исследований стен

из каменной кладки

В настоящее время вопросы прочности каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил не нашли отражения ни в отечественных ни в зарубежных нормах. В нашей стране изучением сложного напряженного состояния каменной кладки занимались C.B. Поляков, Г.Г. Морозов, Ю.В. Измайлов, Г.А. Гениев, Г.А. Тюпин, Г.Н. Брусенцов, Т.И. Баранова, H.H. Ласьков, А.К. Чар-мадов, А.Н. Воронов, В.Г. Иевенко, C.B. Кожаринов, В.И. Коновод-ченко и др. За рубежом самые крупные исследования проводили A.W. Page, W. Samarasinghe, A.W. Hendry, B.P. Sinha, F. Jokel, S. Fattal, С. Carter, J.G. Borchelt, S.C. Anand, C. Saw, D.T. Young, B.S. Smith и др.

В ЦНИИСК им. Кучеренко Поляковым C.B. и Коноводченко [39, 57] были проведены экспериментальные исследования виброкирпичных панелей на перекос. Изучались виды армирования панелей, в частности наружное и внутреннее расположение продольной арматуры.

В работе [67] приводятся результаты экспериментальных исследований вибрированной и для сравнения ручной кладки. Испытания проводились по двум схемам плоского напряженного состояния: сжатие-сжатие и сжатие-растяжение. В свою очередь, две основные схемы подразделялись на восемь вариантов загружения образцов, рис. 1.1.

Испытанию подвергались образцы вибрированной и ручной кладки в виде стенок размерами соответственно 0,79x0,14x0,78 м и 0,79x0,12x0,78 м, изготовленные из глиняного кирпича пластического прессования с пределом прочности на сжатие 14,1 МП а на цементно-известковом растворе состава 1:0,46:4,6. Для образцов стенок принималась цепная перевязка с толщиной горизонтальных швов 12 мм и вертикальных - 10 мм. Образцы вибрированной кладки изготавливались в металлических опалубках на вибростоле.

л

Ш

¥

Тру

0.5Р,

, 0,5Р

х X

ш

рл * V

Рис. 1.1. Варианты загружения образцов, [67].

Все испытания проводились в установке, разработанной автором. Чтобы уменьшить при испытании влияние на прочность образцов сил трения, возникающих при сжатии на опорных гранях образцов, между гранью и распределительной балкой укладывались два слоя технического целлулоида толщиной по 0,8+1 мм с графитовой смазкой между ними.

Нагрузка на образцы подавалась ступенями, равными 0,1 ожидаемой разрушающей нагрузки, с выдержкой на каждой ступени 3-5 мин. При испытаниях на сжатие-сжатие и сжатие-растяжение, нагрузка поднималась до заданного уровня сначала по одной оси, а затем сразу же по другой, после чего снимались показания с приборов. Результаты испытаний приведены в табл. 1.1.

В ТИС С АН Таджикской ССР Кожариновым C.B. проведены испытания образцов стен из каменной кладки комплексной конструкции [38] (рис. 1.2 и 1.3) на перекос. Образцы размерами 1,5x2,7x0,38 м и 1,55x1,55x0,38 м выполнялись из глиняного и силикатного кирпича и кладки с различными усилениями.

Испытания проводились при четырех уровнях вертикального обжатия кладки. Для образцов высотой 2,7 м сг0 принималось сго=0,2 МП а и ег0=0,5 МПа, для образцов высотой 1,55 м - £7^=0 и г%=0,21 МПа. Горизонтальная нагрузка прикладывалась ступенями, равными 6-10 кН, до разрушающей величины.

В работах [31, 32] приводятся результаты испытаний на перекос панелей из мелких бетонных блоков и пильного известняка при различном уровне вертикального обжатия кладки (от 0 до 0,814 МПа) за счет натяжения продольной арматуры. Основная часть опытов была проведена на фрагментах каркасно-блочных стен в 1/2 натуральной величины с размерами 3,255х 1,58x0,2 м, сечение железобетонных элементов - 0,2x0,2 м. Загружение проводилось по двум схемам. Первая - при действии статической диагонально направленной силы. По второй схе-

Таблица 1.1

Результаты испытаний образцов вибрированной и ручной кладки, [67]

Варианты Вид Предел Предел прочности

загружения кладки прочности образца, Мпа

образца раствора, МПа Обозначение Числ. Значения

1 2 3 4 5

I ВК 7,6 Ríe 7,5

РК 7,2 R¡c 6,3

II ВК 93 Rh.c 10,4/3,7

РК 10,4 R н.с 8,9/3,1

III ВК 9,5 R2p 0,46

РК 12,0 R2p 0,31

IV ВК 11,0 Rcp 0,34/5,3

РК 10,4 RcP 0,19/3,4

V ВК 10,7 R2c 6,5

РК 5,8 R 2c 4,95

VI ВК 9,9 Rcp,0.5 0,38/3,6

РК 10,8 R cp,0.5 0,28/2,5

VII ВК 10,2 RiP 0,43

РК 11,4 R'ip 0,14

VIII ВК 9,6 Re.c 10,5/10,5

РК 9,8 R C.C 9/9

Примечание. Принятые обозначения: ВК - вибрированная кладка;

РК - ручная кладка; у данных вариантов II и VIII в числителе - сжимающие напряжения по оси о-у, в знаменателе - по оси о-х; у данных вариантов IV и VI в числителе - растягивающие напряжения по оси о-х, в знаменателе - сжимающие напряжения по оси о-у.

А

Общий вид

А-А

Ф

©

Б

41_ 50x50 й/ 1=500 1200 200 1550 (2700)

1550 о VI

(1500)

Б

120

140

120

380

380

—-

о'

1200

380 о' V, .—1

Б-Б

ф хом.0 6,8, 10

<3)

Г) 2хом. 0 8А-1.

Г

2 хом, 0 8 А-1

сшь

65

65

тг 1 1. —, 1/1 М 1 ! сэ

1 со Ф-! „ оо

...... I 1

1290 1410

65 65

35

35

35

<4>

I I I

и

т

35

1550

2 хом. 0 8 А-1

| о оо

1 1 II 1 1

1550

а

1>Д

1300

12.5

о оо

СП

(|ь<

(Ж) 2 хом. 0 8 А-1т

[——-(4>

Г

125

Т

о оо

<41

1

1290

130

130

1, 2, 3 - вертикальная арматура; 4 - стержни горизонтального армирования каменной кладки через 3-5 рядов по высоте.

Рис. 1.2. Конструкции образцов: 1, Г, 4 - комплексной конструкции;

2, 2а - усиленных вертикальной арматурой; 3 - без усиления, [38].

о о г-гг>

ш

4[№30

Ш

2С№20

у,

(/С №18 !

300

15

и

1500 3850 1500

1 - испытываемый образец;

2 - анкера крепления;

3 - упор;

4 - распределительная плита;

5 - вертикальный домкрат;

6 - шариковая опора;

7 - горизонтальный домкрат.

Рис. 1.3. Схема испытания фрагментов стен, [38].

ме стены испытывались при одновременном действии вертикальной и горизонтальной нагрузки. Помимо панелей с заполнением в виде кладки были испытаны отдельно рамы без заполнения и с заполнением монолитным мелкозернистым известняковым бетоном. Авторами были получены данные о работе различного рода заполнения в составе рамного железобетонного каркаса.

В Пензенском ИСИ [5, 12, 13] Т.Н. Барановой и H.H. Ласьковым были проведены эксперименталь