автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Сейсмоусиление стен кирпичных зданий внешним армированием на основе углеволокнистой ткани

На правах рукописи

/У/

ГАСИЕВ АЗАМАТ АБДУЛЛАХОВИЧ

СЕЙСМОУСИЛЕНИЕ СТЕН КИРПИЧНЫХ ЗДАНИЙ ВНЕШНИМ АРМИРОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ УГЛЕВОЛОКНИСТОЙ

ТКАНИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени 1 1 НОЯ

кандидата технических наук

Москва-2015 г.

005564212

005564212

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В.А. Кучеренко Акционерного Общества «Научно-исследовательский центр «Строительство».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Грановский Аркадий Вульфович кандидат технических наук, доцент

Тонких Геннадий Павлович

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

Клюев Сергей Васильевич

кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической механики и сопротивления материалов ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)

Защита состоится «_»_2015 в_часов на заседании диссертационного совета Д 007.001.01 при НИИСФ РААСН по адресу: 127238, Россия, Москва, Локомотивный проезд, 21, светотехнический корпус, каб. 205, тел. 8(495) 482-40-76, факс 8(495) 482-40-60

С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИСФ РААСН и на сайте htpp://Www.niisf.nV

Дата рассылки автореферата «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Умнякова Нина Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последнее десятилетие реализованы и реализуются федеральные программы, основной целью которых является обеспечение безопасности территории нашей страны в условиях возникновения сейсмической опасности. Поручением Президента РФ от 27 декабря 2004 года № Пр.-2106 определены первоочередные мероприятия по развитию системы мониторинга сейсмической ситуации и минимизации последствий землетрясений. В настоящее время Минстроем РФ реализуется Федеральная целевая программа «Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Российской Федерации на 2009-2018 годы» (далее Программа).

Анализ структуры застройки регионов РФ, расположенных на территориях с повышенной сейсмической опасностью, по основным типам несущих конструкций показывает, что здания из каменной кладки составляют значительную долю -в среднем 30-40% от общего числа зданий. Проведенные исследования показывают, что кирпичная кладка далеко не всегда удовлетворяет требованиям отечественных норм (СП 14.13330.2014), предъявляемым к кладкам I и II категории. Все это диктует необходимость принятия мер по усилению и реконструкции таких зданий с целью обеспечения их сейсмобезопасности.

Применение существующих способов сейсмоусиления с использованием металлических и железобетонных элементов (обойм) ведет к увеличению массы здания и, как следствие этого, к увеличению сейсмической нагрузки на его конструкции.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом среди новых методов усиления стеновых конструкций активно внедряется метод с применением внешнего армирования из холстов углеволокнистой ткани. Данный способ сейсмоусиления зданий является достаточно эффективным и позволяет решать вопросы повышения сейсмостойкости эксплуатируемых зданий. В связи с этим применение данного способа сейсмоусиления с учетом современных тенденций развития индустрии строительных материалов является актуальной задачей и требует детальной проработки.

Актуальность диссертационной работы обусловлена:

- наличием высокоэффективного материала из углеволокнистой ткани, прочность при растяжении которого существенно выше аналогичной прочности металла при меньшем весе. Исследования сейсмостойкости каменных конструкций, усиленных углеволокнистой тканью, в настоящее время проведены в недостаточном объеме для составления нормативных документов, в которых должны быть представлены как конструктивные решения по усилению каменных конструкций, так и методы их расчета;

- значительным объемом строительных работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, возводимых как в обычных, так и в сейсмических районах страны, связанных с реализацией в сейсмических районах РФ Федеральной целевой Программы;

- возможностью повышения сейсмостойкости каменных конструкций зданий на основе использования углеволокнистой ткани как в процессе проектирования новых, так и при реконструкции, ремонте и усилении уже существующих зданий.

Степень разработанности темы исследования.

Экспериментально-теоретическими исследованиями сейсмостойкости каменных конструкций, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, занимались Тонких Г.П., Грановский A.B., Кабанцев О.В., Симаков O.A., Master'stheses Mi, Mohamed А., Qian GU. и другие.

Несмотря на имеющийся зарубежный опыт, в нашей стране данный вопрос изучен крайне мало. Использование углеволокнистой ткани для сейсмоусиления конструкций недостаточно обосновано методами научных исследований. Апробированной методики расчета стен, усиленных углеволокном, на действие нагрузок, моделирующих сейсмическое воздействие, не существует.

Необходимо проведение экспериментальных и теоретических исследований для выявления влияния элементов усиления из углеволокна на прочность и де-формативность кирпичных стен.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертационной работы -на основе проведенных экспериментальных исследований прочности кирпичных

конструкций, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, на действие статической и динамической нагрузок, моделирующих сейсмическое воздействие при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов по шкале М5К-64, разработать инженерную методику расчета сейсмостойкости каменных стен, усиленных углево-локном.

Поставленная цель была достигнута решением следующих задач.

1. На основе анализа существующих методов испытаний каменных стеновых конструкций на действие сдвигающих усилий выбрана экспериментальная модель, соответствующая работе конструкции при землетрясении.

2. Исследование влияния холстов из углеволокнистой ткани, используемых в качестве усиления кирпичной кладки, на ее несущую способность при действии статической и динамической нагрузок.

3. Исследование характера напряженно-деформированного состояния кирпичной кладки в зависимости от схемы ее усиления углеволокном.

4. Разработка технических и технологических решений по усилению стен и рекомендаций по их расчету при реальном проектировании.

5. Разработка методов применения холстов из углеволокнистой ткани при проектировании новых зданий в сейсмоопасных регионах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана комплексная методика проведения экспериментальных исследований кирпичных простенков и натурных образцов стен, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, на действие нагрузок, моделирующих сейсмическое воздействие при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов по шкале М5К-64;

- выявлены особенности работы кладки, усиленной внешним армированием на основе холстов из углеволокнистой ткани, при действии статической и динамической нагрузок. Установлен характер их деформирования и механизм разрушения усиленных углеволокном стеновых конструкций;

- выявлено влияние различных способов усиления кирпичных стен углеволокном на их несущую способность и деформативность;

- предложена эмпирическая зависимость для оценки прочности усиленной углеволокном кладки при перекосе;

- предложена инженерная методика расчета усиления на основе применения холстов из углеволокнистой ткани на прочность несущих кирпичных стеновых конструкций зданий при различном характере и направлении приложения нагрузок.

Практическая и теоретическая значимость исследований следующая:

- по результатам экспериментальных исследований получены данные о несущей способности кладки стен при сдвиге из керамического кирпича на цементном растворе, усиленных углеволокнистой тканью;

- по результатам экспериментальных исследований предложены конструктивные решения по усилению кирпичных стен холстами из углеволокнистой ткани с оценкой влияния способа усиления на несущую способность кладки;

- предложена эмпирическая зависимость, позволяющая определять несущую способность конструкций из каменной кладки, усиленных холстами из углеволокнистой ткани.

Методология и методы диссертационного исследования.

В работе использованы принятые в экспериментальных исследованиях методы нагружения конструкций и обработки результатов испытаний, базирующиеся на действующих нормативных документах (ГОСТ 8829-94) и данных шкалы интенсивности сейсмического воздействия МБК-64, а так же методы расчета каменных конструкций, в том числе с использованием метода конечных элементов.

При разработке инженерной методики расчета кирпичных стен на перекос использованы принятые положения и допущения в теории расчета строительных конструкций.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативно-сти кладки кирпичных стен, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, при действии статической и динамической нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов по шкале М8К-64;

- инженерная методика расчета сейсмоусиления зданий и сооружений с несущими элементами из каменной кладки на основе применения холстов из углеволокнистой ткани;

- результаты сравнительных экспериментальных исследований на сейсмо-платформе фрагментов кирпичных стен с проемами в натуральную величину, в том числе усиленных холстами из углеволокнистой ткани, в зависимости от уровня вертикального обжатия кладки;

- рекомендации и технические решения по усилению кладки стен каменных зданий с применением холстов из углеволокнистой ткани, возводимых в сейсмических районах РФ.

Степень достоверности основных научных положений, результатов экспериментальных исследований, рекомендаций и выводов диссертационного исследования подтверждается:

- проведенными экспериментальными исследованиями по изучению физических процессов деформирования и разрушения несущих элементов каменных конструкций при их усилении холстами из углеволокнистой ткани;

- применением при выполнении экспериментальных исследований современных контрольно - измерительных приборов и регистрирующего оборудования с автоматизированным программно-математическим обеспечением обработки и анализа результатов испытаний;

- сравнительным анализом и хорошей сходимостью результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов несущей способности стеновых конструкций каменных зданий, усиленных внешними элементами из углеволокнистой ткани, на основе использования предложенной формулы.

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные положения диссертационной работы представлены в следующих докладах на научно-практических конференциях.

1. Применение внешнего армирования из углеволокна для сейсмоусиления кирпичных стен. IX Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (г. Сочи, 2011 г.).

2. Проведение динамических испытаний для оценки сейсмостойкости кирпичных простенков зданий, усиленных холстами из углеволокнистой ткани. XI Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (г. Сочи,: 2015 г.).

3. Сейсмоусиление стен кирпичных зданий на основе применения современных строительных материалов и технологий. IX международная научно-практическая конференция по проблемам снижения природных опасностей и рисков «ГЕОРИСК -2015» (г. Москва: 2015).

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения, а именно: п.З «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности».

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы специалистами фирм «ВАБВ> и «КОМПОЗИТСПЕЦСТРОЙ» при разработке практических рекомендаций по проектированию и усилению кирпичных стен существующих жилых и общественных зданий в районах с интенсивностью сейсмического воздействия 7-9 баллов по шкале MSK-64, о чем имеется справка.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 научных статьях, в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы:

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

Полный объем диссертации - 196 страниц, в том числе: 72 рисунка, 22 таблицы, библиографический список использованной литературы из 133 наименований, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснована научная новизна и ее практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе проанализированы проблемы сейсмостойкости конструкций зданий, возведенных на территории РФ. На территории РФ находятся 16 рес-

публик, 6 краев, 39 областей, 8 автономных областей и округов, где согласно СП 14.13330.2014 потенциально возможны землетрясения.

На примере республики Кабардино-Балкария, одного из наиболее сейсмо-опасных регионов нашей страны, представлена структура зданий и сооружений жилищного фонда. На данной территории имеются участки земной поверхности с различной интенсивностью сейсмического воздействия от 7 до 10 баллов по шкале MSK-64. Установлено, что в связи с уточнением строительных норм значение сейсмичности строительных площадок на большей части территории республики за последние 60 лет изменилось с 7 до 9 баллов. В результате этого 80% кирпичной застройки исследованной территории нуждаются в мероприятиях по сейсмо-усилению.

С начала 50-х годов XX столетия в научных центрах нашей страны: ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИЭП Жилища, 26 ЦНИИ МО РФ, ТашЗ-НИИЭП, ФГБУВНИИ ГОЧС и др. - был выполнен большой объем исследований по оценке несущей способности кирпичных простенков, в том числе усиленных различными методами, при действии нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия.

Обзор работ показал, что объем исследований работы кирпичных стен, усиленных внешним армированием из углеволокнистой ткани, при действии нагрузок, моделирующих сейсмическое воздействие, весьма ограничен. Результаты подобных исследований представлены лишь в работах д.т.н., проф. Тонких Г.П., к.т.н. Грановского A.B. и их учеников.

Проанализированы исследования ведущих специалистов и научных центров Канады, Китая, Швейцарии, США и Греции в части применения углехолстов для усиления конструкций из различных материалов.

Отсутствие нормативной базы по усилению каменных конструкций углево-локном, эксплуатируемых в сейсмоопасных регионах РФ, связано с недостаточным объемом исследований в этой области. Выполненный обзор работ позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе изложена разработанная автором методика проведения экспериментальных исследований по оценке влияния элементов усиления на не-

сущую способность образцов каменной кладки при действии статической и динамической нагрузок.

Исследования включали в себя два этапа. I этап. Статические испытания

Статические испытания проводились по схеме (рисунок 1) было изготовлено три серии экспериментальных образцов.

I серия - эталонные образцы. Образцы кирпичной кладки размерами 103x96,5x25 см (см. рисунок 2) были изготовлены из кирпича марки Ml25 на растворе М75;

II серия. Геометрические и прочностные характеристики материалов кладки кирпичных

простенков II серии аналогичны характеристикам эталонных образцов. При этом холст из углеволокна марки MBRACE FIB CF230/4900.200g/5.100m шириной 150 мм наклеивался с одной стороны образца вдоль его растянутой диагонали с заведением на вертикальные боковые грани на величину 7-9 см (рисунок 2);

III серия. Образцы кирпичной кладки того же состава, что и эталонные, усиленные с двух сторон аналогично образцам П-ой серии холстами из углеволокна. Волокно наклеивалось на кладку как и на образцах П-ой серии.

Рисунок 2 - Образцы ЫП-ей серии Для оценки напряженно-деформированного состояния экспериментальных

образцов было проведено их компьютерное моделирование с использованием программного комплекса «SCAD». Эталонный образец 1-ой серии был смоделирован 8-ми узловым изопараметрическим конечным элементом размером 5x5x25 см. Общие размеры модели 100x100x25 см. Моделирование кладки образ-

Рисунок 1 - Схема испытания образцов с расстановкой измерительных приборов

цов П-ой и Ш-ей серии проводилось аналогично образцам 1-ой серии. При этом внешнее армирование из холста углеволокнистой ткани было смоделировано пластинчатыми элементами. Совместная работа элементов кладки и усиления обеспечивалась наличием общих узлов в местах пересечения сетки элементов. Жест-костные характеристики элементов усиления из углеволокнистой ткани были назначены в соответствии с данными производителя материала. По результатам компьютерного моделирования были определены значения разрушающих нагрузок для различных сценариев разрушения экспериментальных образцов, в том числе по материалу кладки, углеволокну и их контакту.

По результатам испытаний построены и проанализированы графики деформирования экспериментальных образцов.

Разрушение образцов всех серий носило хрупкий характер от действия в сечении конструкции главных растягивающих напряжений. Разрушение образцов произошло вдоль линии действия сжимающей силы (рисунок 3). Линия разрушения образцов проходила по камню и материалу швов. При разрушении образцов с двухсторонним усилением наблюдался разрыв материала усиления с одновременным разрушением кладки, что свидетельствовало о достаточно высоком уровне обеспечения совместной работы кладки и материала усиления.

Рисунок Э - Общий вид разрушения образцов при статических испытаниях ЫН серии По результатам проведенных испытаний предложена расчетная формула по определению несущей способности элементов каменных простенков, усиленных холстами углеволокнистой ткани, при действии сдвигающих:

Я Ы

н

(1)

где - расчетное сопротивление скапыванию кладки, обжатой расчетной силой 1М, определяемая с коэффициентом перегрузки 0,9; А - толщина стены; / - длина

усиливаемого участка стены; V - коэффициент неравномерности касательных напряжений в сечении (для прямоугольных сечений V = 1,5); тс - коэффициент условий работы слоя усиления из углеволокнистой ткани, равный 0,6 - для одностороннего усиления и 0,45 - для двухстороннего усиления (по данным проведенного анализа экспериментальных исследований); Ра /?с - соответственно площадь сечения и расчетная прочность растяжению углеволокна; Р,, Я, - соответственно площадь сечения и прочность растяжению подготовительного слоя.

Результаты проведенных испытаний, а так же результаты расчетных оценок по предложенной формуле приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты статических испытаний

№ Наименование серии образцов Экспериментальное значение горизонтальной разрушающей нагрузки, кН Повышение несущей способности, % Расчетное значение горизонтальной нагрузки по форму-ле(1), Оэазр. р-» КН Разница между расчетным и экспериментальным значениями нагрузок, % Вклад элементов усиления в несущую способность образцов

<22

кН % кН %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 I серия 124,75 94,9 24 - - - -

2 Псерия 184,88 148 164,6 11 44,95 77 13,5 23

3 1П серия 239,70 192,1 218,3 9 67,54 71 27 29

Анализ результатов экспериментальных исследований прочности и дефор-мативности кладки кирпичных стен с учетом их усиления на основе использования современных композитных материалов позволяет сделать следующие выводы.

1. Усиление кирпичных стен зданий углеволокнистой тканью с помощью конструктивных схем, предложенных в данной работе, позволяет повысить их несущую способность при совместном действии на них горизонтальной и вертикальной статических нагрузок (перекос) в 1,48 раза - при одностороннем и в 1,92 раза - при двухстороннем усилении.

2. Сравнительный анализ результатов расчета и эксперимента показал, что при заданных исходных жесткостных параметрах кладки различия в характере деформирования экспериментальных образцов и компьютерной модели связаны с несоответствием реального и расчетного модуля упругости кладки.

3. При анализе напряженно-деформированного состояния каменной кладки с определяющим влиянием главных растягивающих напряжений предложена эмпирическая зависимость (1), которая достаточно хорошо корреспондируется с результатами эксперимента.

II этап. Динамические испытания

Данный этап испытаний позволил выявить особенности работы кирпичных стеновых конструкций, усиленных углеволокнистой тканью, при динамическом нагружении и на основе сравнения с результатами испытаний неусиленного образца, оценить эффект повышения сейсмостойкости усиления.

Для испытаний было изготовлено 2 образца в натуральную величину.

I образец — кирпичная стена с проемом (рисунок 4а) из кирпича марки М125 на растворе М75. Над оконным проемом в образце устроена монолитная перемычка сечением 250x200 мм, армированная 4x012 А400С (рисунок 4а).

II образец — фрагмент кирпичной стены (аналогичный первому образцу), усиленный с двух сторон холстом из углеволокнистой ткани (рисунок 46).

лонный образец; б - усиленный образец

Для проведения испытаний была использована виброплатформа, разработанная в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко д.т.н., проф. А. М. Кургановым (рисунок 5). Возможности платформы позволяют за счет смещения центра тяжести образца относительно центра тяжести сейсмоплатформы получать как горизонтальные, так и вертикальные колебания. За счет инерционной силы, развиваемой ВИД-12, обеспечивается тот или иной частотный спектр воздействий на испытательный стенд и определенный уровень амплитуды колебаний виброплатформы.

Программа и методика испытаний включали в себя следующие этапы.

1. С помощью специальных 10-ти тонных домкратов, вертикальных тяжей и стягивающих муфт производилось обжатие опытных образцов вертикальной нагрузкой, соответствующей на начальном этапе нагружения я = 0.8* Я (где Я - расчетное со-

2. При заданной величине обжатия образца производилось его динамическое нагружение. После прохождения цикла динамического нагружения, соответствующего ускорениям 100, 200, 400 см/с2, производилась разгрузка образцов на величину, составляющую Ц, = 0.2x11. Таким образом, в процессе испытаний было выполнено 4 режима статического нагружения опытных образцов. На каждом режиме статического нагружения образцов (обжатия) осуществлялось несколько режимов динамического нагружения (таблица 2).

Таблица 2- Параметры загружения образцов при динамических испытаниях

Напряжения в Продолжительность этапа нагружения, с

кладке в долях 40-50

от расчетного Период колебаний, с

сопротивления 0,2 | 0,25 | 0,3 | 0,35 | 0,4 | 0,45 | 0,5

сжатию кладки Значение вертикального обжатия кН

0,8*11 1140

0,6хЯ 855

0,4хЯ 570

0,2*11 205

Режимы нагружения при динамическом воздействии выбирались, исходя из анализа работ, выполненных в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и других научных центров при проведении динамических испытаний конструкций:

- продолжительность динамического воздействия на конструкции на каждом этапе нагружения составляла 40-50с;

- частотный диапазон колебаний, наиболее опасных для существующих зданий, находился в пределах от 3 до 10 Гц.

Принятые параметры длительности колебательного процесса позволили определить границы изменения циклов колебаний от п = 200 до п = 500 циклов.

Рисунок 5 - Общий вид виброплатфор-

мы для динамических испытаний; противление кладки сжатию).

3. После завершения каждого режима динамического нагружения образца осуществлялось его визуальное освидетельствование на предмет определения наличия трещин в кладке.

Для измерений ускорений и частот колебаний применялись однокомпо-нентные датчики-акселерометры АТ 1105-10м. С помощью вычислительного комплекса М1С - 036 производилась обработка информации, поступающей от акселерометров, с последующим документированием результатов. Общее количество контролируемых точек на опытном образце составляло 16. В каждой точке измерялись динамические параметры системы по 3-м направлениям: вертикальные и горизонтальные - в плоскости стены и один параметр - из плоскости образца.

В точке жесткого закрепления образца устанавливался электронный датчик усилий ГМСЕЬЬ ТХ25, снятие и обработка показаний с которого осуществлялись с помощью специального устройства на ноутбуке.

Общий вид схемы проведения испытаний и схемы расстановки измерительного оборудования приведен на рисунке 6.

Результаты динамических испытаний эталонного образца

Испытания конструкции 1-го образца первой серии проводилось согласно программе нагружения, приведенной в "С таблице 2. По результатам проведенных динамических исследований прочности кирпичной стены с оконным проемам установлено следующее.

1. В процессе динамических испытаний кирпичной стены с проемом амплитуда колебаний платформы в горизонтальной плоскости изменялась от 1.0 до 48,3 мм, амплитуда колебаний стены в вертикальной плоскости - от 0.1 до 10 мм. При этом величина горизонтального ускорения по датчикам, установленным на плат-

Рисунок 6 - Общий вид: а - схема расстановки датчиков на образце; б - схема нагружения образца

форме и по высоте образца, изменялась в интервале от 0,025 м/с2 до 1,65 м/с2 (в горизонтальной плоскости) и от 0,04 м/с2 до 0,3 м/с2 (в вертикальной плоскости). Полученный в эксперименте спектр ускорений соответствовал по данным СП 14.13330.2014 площадкам с балльностью от 4 до 7,72 баллов по шкале М8К-64.

2. В процессе динамических испытаний неусиленного образца стены при напряжениях сжатия в кладке, составляющих (0,6Ч),8)хЯ, повреждений (трещин) в элементах кладки стены (кирпиче и швах) не установлено.

При снижении уровня обжатия кладки до 0,4*Я имело место появление наклонных диагональных трещин, а также раскрытие горизонтальных швов. При дальнейшем снижении статической нагрузки обжатия кладки ширина раскрытия трещин при циклических динамических нагрузках достигла 10-25 мм. При этом имело место нарушение сцепления между элементами кладки. На последних режимах динамического нагружения произошло обрушение кладки части стены. Характер повреждения разрушенного образца приведен на рисуноке 7.

3. Масса системы, включая массы фрагмента кирпичной стены, подвижной части виброплатформы и установленной на нее виброРисунок 7 - Характер разрушения неусиленного образца машины - ВИД-12 составляла =6900 кг. Максимальное усилие, полученное по датчику ОАСЕЬЬ ТХ25, на одном из этапов испытаний при Кобж = 0,8*11 составило О = 1316 кг х 9,81 м/с2 = 12910 Н = 12,91 кН. Расчетная величина инерционной силы, полученная с использованием измеренных значений ускорений, равна:

Р = щха = 6900 кг х 1,65 м/с2= 1 1385 Н= 11,4кН

Т.е. имела место достаточно хорошая сходимость величин усилий на конструкцию при динамических воздействиях, вычисленных по формуле и полученных на основе использования электронного датчика усилий. Результаты динамических испытаний П-го образца По результатам выполненных испытаний установлено следующее.

1. Частотный спектр динамических воздействий по данным акселерометра, установленного на виброплатформе, изменялся в интервале от 1 Гц до 5 Гц, амплитуда колебаний платформы в горизонтальной плоскости - от 4 мм до 35,1 мм, амплитуда колебаний в вертикальной плоскости - 1,1-15 мм. Величина горизонтального ускорения платформы изменялась от 0,5 м/с2 до 4,2 м/с2, в вертикальной плоскости - от 0,2 м/с2 до 2,1 м/с2.

2. В указанном выше диапазоне приложенной нагрузки трещин и повреждений в кладке не установлено. Участки, подвергшиеся повреждению в эталонных образцах, на усиленных образцах не имели повреждений (см. рисунок 8).

3. Масса экспериментального стенда, включая массу фрагмента кирпичной стены с усилением, подвижной части виброплатформы и установленной на ней вибромашины -ВИД-12 составляет = 6935 кг. Максимальное горизонтальное усилие, полученное по датчику ОАСЕЬЬ ТХ25, на одном из этапов испытаний при НС5Ж =0ДхЯ составило (} = 2852 кг х 9,81 м/с2 = 27978 Н = 27,98 кН. Расчетная величина инерционной силы, полученная с использованием измеренных значений ускорений, равна: И = ш х а = 6935 кг х 4,2 м/с2 = 29127 Н = 29,1 кН.

Рисунок 8 - Состояние усиленного образца после проведения испытаний

По результатам проведенных динамических испытаний можно отметить следующее.

1. В соответствии с программой экспериментальных исследований при динамических испытаниях моделировались нагрузки, соответствующие сейсмическим воздействиям 7-9 баллов по шкале МБК-64.

2. Во время испытаний эксплуатационная надежность усиленной стены не была нарушена.

3. Энергетическая оценка процесса испытаний, приведенная на диаграмме деформирования в виде петли гистерезиса, показывает, что затраты энергии на деформирование усиленного образца почти в два раза выше, чем неусиленного. Совмещенная диаграмма деформирования эталонного и усиленного образцов приведена на рисунке 9.

Согласно полученной диаграмме процесс деформирования обеих серий образцов можно считать условно линейным. Деформации обеих серий испытанных образцов в интервале приложенного динамического воздействия можно характеризовать как упругие.

В третьей главе диссертации

Рисунок 9- Совмещенная диаграмма деформирования эталонного и усиленного образцов

представлен алгоритм оценки сейсмостойкости конструкций, усиленных холстами из углевлокнистой ткани, который включает в себя этапы обследования, расчета здания по фактически установленному уровню сейсмичности площадки и выявления конструкций с дефицитом несущей способности.

Один из этапов, связанный с оценкой необходимости усиления кладки угле-волокнистой тканью, включает в себя расчетную проверку конструкций в зависимости от вида и направления действия нагрузки. В предложенной ниже расчетной модели использованы рекомендации, изложенные в зарубежных работах, работах профессора Тонких Г.П., а так же расчетная методика, предложенная автором диссертации.

1. Расчет каменной кладки при действии горизонтальной силы в плоскости кладки.

Несущую способность кладки в плоскости стены предлагается определять как сумму несущей способности кладки без усиления плюс прирост несущей способности от внешнего армирования из холстов углеволокнистой ткани:

0и = 2 + б/ • (2)

Несущая способность каменной кладки без усиления определяется как минимальное значение несущей способности при внецентренном сжатии, действии главных растягивающих напряжений и срезе:

Q%rm = min Qbis, Qdt, Qtc , (3)

где Qbis ~ предельное усилие среза по перевязанному шву; Qdt - предельное усилие при действии главных растягивающих напряжений; Qtc - предельное усилие смятия кладки в зоне приложения нагрузки.

Несущая способности простенка после усиления определяется по формуле:

Qr = Vfv х j-f

(4)

где Sf — шаг холстов из углеволокна, (см. рисунок 10); dv - эффективная глубина для расчета сдвига, определяемая по формуле:

d„ = min(tf,¿) (5)

PfV - полное усилие, приходящееся на холст, определяемое по формуле:

(6)

где Af bar - площадь сечения холста углеволокнана усиленной поверхности; Rfe -эффективное напряжение в холсте усиления из углеволокнистой ткани.

Rfe = Efx Efe (7)

где Ef - нормативное значение модуля упругости углеволокна; Efe - расчетная деформация растяжения, определяется по формуле:

Рисунок 10 - Усиление стен при горизонтальном нагруже-нии

Pfv = Af.bar х

— Cß X Efu,

(8)

Рисунок И-Усиление стен диагональными холстами

где СЕ — коэффициент условий работы, учитывающий влияние окружающей среды (0,9 - для внутренних помещений, 0,8 - для наружных конструкций и конструкций, находящихся в агрессивной среде); - предельная деформация разрыва холста.

Предел прочности на сдвиг при диагональной наклейке холстов из углеволокна (рисунок 11) может

быть определен по формуле (1), предложенной в настоящей работе: 0=

2. Расчет каменной кладки при действии момента в плоскости кладки.

Расчет по прочности усиленной каменной кладки при действии момента в плоскости кладки производится из условия: М<М„ (9)

Коэффициент надежности по нагрузке принимаем -//=0,8.

(Ю)

где - расстояние до середины ленты (рисунок 12); - коэффициент приведения эпюры напряжений к прямоугольной, принимается равным 0,7; с— высота сжатой зоны.

мп= ьъх +риХ

Горизонтальное усилие, соответствующее изгибаемому моменту, равно: <?„<■ *

<И>

В случае необходимости усиления каменной кладки при действии горизонтальной силы и изгибающего момента возможно применение схемы, приведенной на рисунке 13. При этом производятся отдельные расчеты на действие горизонтальной нагрузки и момента в плоскости кладки.

Аг=пч,'Щ

Лй/

ш -1

4

II,-с с

Сг

У.А. С-

Ч Р>»с=а Т

Рисунок 12 - Схема усиления простенка вер- Рисунок 13 - Схема усиления простенка вертикальными холстами тикальными и горизонтальными холстами 3. Расчет каменной кладки при действии момента из плоскости кладки

стены.

Расчетные предпосылки при расчете на действие момента из плоскости кладки стены приведены в тексте диссертации.

Расчет по прочности усиленной каменной кладки при действии момента из плоскости кладки производится из условия:

М<Мп, (12)

(13)

(14)

Mn=AfxRre ь-ef- + Рих

где Rfe - эффективное напряжение в холстах из углеволокна Rfe = Ef X Efe

Предельные деформации углеволокна ограничиваются следующей зависимостью:

£/е = £ти X (г~) ^ min кт X £*fu, СЕ X s'fu (15)

4. Расчет каменных столбов. Расчет кирпичных столбов проводим с учетом влияния обоймы из холстов углеволокнистой ткани на прочность кладки кирпичных столбов. Данный фактор учитывается путем введения коэффициента поверхностного армирования кладки:

(16)

/W = Т^ X 100%,

где цпов - коэффициент поверхностного армирования стен; 5арм - площадь поперечного сечения полосы (обоймы) из углеволокна толщиной 8пол, определяемое по формуле:

(17)

■^арм — 2 X 8П0Л х hn0Jl.

Рисунок 14 - Схема усиления столбов горизонтальными холстами

£ст - площадь участка длинной стороны столба, приходящаяся на одну полосу холста из углеволокнистой ткани и определяется по формуле:

5СТ = 2 х Лст х (/1П0Л + Ь) (18)

где ^ст - длина большей стороны кирпичного столба (см. рисунок 14);/1пол, 5П0Л - высота и толщина обоймы; Ь - рас-

стояние между обоймами.

Прочность кладки, усиленной обоймами из холстов углеволокнистой ткани, определяется по формуле

Eye. — Ei 4-

2XftnoBXR/

(19)

Кроме этого в третьем разделе диссертации приведены технические решения по усилению несущих каменных конструкций зданий и сооружений с применением углеволокна, подготовлены технологические решения по их устройству.

В четвертой главе на основе исследований по методике СН 509-78 выполнена технико-экономическая оценка использования внешнего армирования на основе холстов из углеволокнистой ткани при усилении кирпичных зданий.

При определении эффективности применения холстов из углеволокнистой ткани для сейсмоусиления кирпичных стен зданий за эталон для сравнения принят способ сейсмоусиления конструкций кирпичных стен с применением аппликаций из железобетона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы, позволяют подвести следующие итоги:

1. Выполнено комплексное исследование прочности и деформативности кирпичных стен с одно- и двухсторонним усилением холстами из углеволокнистой ткани при действии сдвигающих усилий, моделирующих сейсмическое воздействие на кладку стен при землетрясениях.

2. По результатам экспериментальных исследований прочности и деформативности кирпичных стен при действии сдвигающих усилий (перекос) установлено, что при одностороннем усилении стен углеволокном несущая способность конструктивных элементов из каменной кладки увеличивается по сравнению с неусиленной кладкой на 148%, при двухстороннем внешнем усилении на 192%.

3. Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований позволил разработать методику расчета кирпичных стен на действие сейсмических сил при перекосе, в том числе с учетом усиления кладки углеволокном, и предложить эмпирическую зависимость, оценивающую влияние одно и двухстороннего усиления кирпичных стен с использованием холстов из углеволокнистой ткани на прочность кладки при действии сдвиговых усилий в их плоскости.

4. По результатам экспериментальных исследований получены сравнительные данные о поведении кирпичной кладки стен с проемами с усилением на основе использования холстов из углеволокнистой ткани и без усиления при действии

динамических нагрузок, моделирующих сейсмическое воздействие, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях стен.

5. Исследовано влияние усиления кирпичной кладки стен с проемами на основе использования холстов из углеволокнистой ткани на ее сейсмостойкость в зависимости от уровня обжатия и характеристик динамического воздействия. Установлено, что неусиленный образец кирпичной стены, выполненный в натуральную величину, не получил повреждений во всем спектре динамических нагрузок при уровне обжатия кладки (0,6-0,8)xR.

По результатам проведенных экспериментально-теоретических исследований кладки, усиленной углеволокном, предложены следующие рекомендации для внесения в СП 15.13330.2012, СП 14.13330.2014, а также при формировании нового СП о применении композитных материалов для усиления каменной кладки:

1. При разработке проектов новых зданий и зданий, подлежащих сейсмо-усилению, предложены конструктивные и технологические рещения по применению холстов из углеволокнистой ткани для усиления кирпичных стен с целью повышения из сейсмостойкости.

2. Расчет кирпичных простенков на действие сдвиговой нагрузки, возникающей при сейсмическом воздействии на здание при землетрясении, рекомендуется выполнять по разработанной в диссертации формуле.

3. Предложенные конструктивные решения и методика усиления кирпичных стен углеволокном были использованы специалистами фирм «BASF» и «КОМПОЗИТСПЕЦСТРОЙ» при сейсмоусилении стен зданий.

Перспективы дальнейшей разработки темы исследования.

1. Обеспечение требуемого нормами уровня огнестойкости каменных конструкций, усиленных углеволокном.

2. Исследования в области усиления углеволокном участков кладки в зонах пересечения продольных и поперечных стен.

3. Расширение и систематизация методов усиления несущих конструкций из разных видов каменных материалов (силикатный кирпич, крупноформатные керамические блоки и др.) с применением углеволокнистой ткани.

4. Совершенствование методики расчета каменных конструкций, усиленных углеволокнистой тканью.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Айзенберг, Я.М. Сейсмостойкость конструкций с использованием системы стальной несъемной опалубки / Я.М. Айзенберг, Р.Т. Акбиев, A.A. Гасиев, А.Ю. Першин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2008. - №4. - С. 44-47.

2. Гасиев, A.A. Применение внешнего армирования из углеволокна для сей-смоусиления кирпичных стен. Журнал / A.A. Гасиев, A.B. Грановский // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2011. — №6. - С. 31-33.

3. Акбиев, Р.Т. Сейсмостойкость кирпичных стен зданий усиленных стальной несъемной опалубкой / Р.Т. Акбиев, A.A. Гасиев // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2012. - №3. - С. 48-53.

4. Гасиев, A.A. Динамические испытания образцов каменной кладки, усиленных холстами из углеволокнистой ткани / A.A. Гасиев, A.B. Грановский Ц Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. -2015. - №2. - С. 29-35.

5. Гасиев, A.A. К вопросу об оценке несущей способности кирпичных простенков, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, при действии сдвигающих усилий / A.A. Гасиев, A.B. Грановский // Промышленное и гражданское строительство. - 2015. - №6. - С. 36-42.

6. Гасиев, A.A. Эффективность применения холстов из углеволокнистой ткани для кладки стен зданий из различных каменных материалов, возведенных в сейсмоопасных регионах / A.A. Гасиев, A.B. Грановский // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2015. - №3. - С. 46-51.

7. Гасиев, A.A. Исследования кирпичных простенков, усиленных холстами из углеволокнистой ткани, при нагрузках типа сейсмических / A.A. Гасиев Ц Строительная механика и расчет сооружений. - 2015. - №5. - С. 70-77.

Подписано в печать 18.10.15 Тираж 100 экз. Заказ № 321 Отпечатано в типографии «САМРАЙ» 119517, г. Москва, ул. Матвеевская, 28 корп. 1