Результаты исследований каменных и армокаменных кладок

УДК 693.2:624.012

Б.С. Соколов, А.Б. Антаков

ФГБОУВПО «КазГАСУ»

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КЛАДОК

Приведены обзорные результаты исследований в области прочности и трещи-ностойкости каменных кладок. Разработанная методика расчета на основе теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии, отражающей особенности напряженно-деформированного состояния и характера разрушения, позволяет выполнять оценку прочности и трещиностойкости сжатых элементов и конструкций из каменной кладки. Результаты исследований могут быть использованы при доработке или корректировке существующих нормативных документов.

Ключевые слова: каменная кладка, прочность, керамический кирпич, армо-каменная кладка, напряженно-деформированное состояние.

На кафедре железобетонных и каменных конструкций Казанского ГАСУ (КИСИ) проводятся исследования в области прочности анизотропных материалов при сжатии. Результатом работы является теория сопротивления анизотропных материалов сжатию [1], на основе которой разработаны теоретические основы подхода к оценке прочности бетонных и железобетонных конструкций на основе физической модели разрушения анизотропных материалов в сжимающем силовом потоке, методики расчета, учитывающие все возможные схемы и механизмы разрушения, в т.ч. при местном действии нагрузки, двух- и трехосном сжатии с построением соответствующих критериев прочности. Обоснованность и актуальность разработанной теории подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями учеников и последователей данной научной школы Г.П. Никитина, И.И. Мустафина, А.Б. Антакова, В.В. Павлова, А.Н. Седова, Р.Р. Латыпова и др., проведенных и выполняемых применительно к узлам, элементам и конструкциям из тяжелого, легкого и ячеистого бетонов [1—4].

Кроме бетонных и железобетонных конструкций, ведутся исследования каменных и армокаменных кладок с участием К. А. Фабричной [5]. Целью исследований является совершенствование методик расчета каменных и армока-менных кладок. Актуальность работы связана с появлением и необходимостью внедрения новых эффективных материалов, в т.ч. высокопустотных и пори-зованных. В соответствии с методологией научного поиска выполнены комплексные исследования каменных и армокаменных кладок, включающие сбор, анализ и обобщение существующих данных по тематике с определением значимых факторов и диапазонов их значений. Проведены компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) и экспериментальные исследования, которые показали соответствие характера напряженного состояния и схем разрушения образцов кладки из полнотелого керамического

и силикатного кирпичей, полученных ранее на элементах из бетонов. В результате произошло расширение области применения теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии с распространением на каменные кладки, собственно и применяющиеся в основном для сжатых и внецентренно сжатых конструкций [2].

В рамках исследований выполнены работы по изучению особенностей каменных кладок из полнотелых и пустотелых керамических и силикатных кирпичей, камней различной размерности, в т.ч. бетонных на различных растворах (рис. 1).

Рис. 1. Каменные материалы, применявшиеся при изготовлении опытных образцов: 1 — полнотелый одинарный керамический кирпич; 2 — полнотелый одинарный кирпич полусухого прессования; 3 — полнотелый полуторный силикатный кирпич; 4 — поризованный пустотелый керамический камень 2НФ; 5 — пустотелый керамический кирпич 1,4 НФ по ГОСТ 530—2007; 6 — пустотелый керамический кирпич 1,4НФ по ТУ5741-001-72646104—2008; 7 — пустотелые камни Poroterm 38 и РогОегт 51; 8 — вибропрессованные бетонные камни

На рис. 2 приведена информационная схема программы численных исследований, включающая 11 серий расчетных моделей для исследования влияния геометрических характеристик камня и растворных швов, жесткостных параметров материалов камня и кладочного раствора, факторов моделирующих влияние обойм усиления, в т.ч. напрягаемых. В результате моделирования НДС получены основные взаимосвязи компонент НДС с величинами перечисленных факторов, изменявшихся в диапазонах, соответствующих реальным параметрам современных каменных кладок.

VESTNIK

JVIGSU

Рис. 2. Программа численных исследований

Компьютерное моделирование НДС методологически предшествует соответствующим этапам экспериментальных исследований, позволяя выполнить предварительную оценку влияния того или иного фактора, оптимизировать диапазон значений и получить количественные характеристики, не определяемые опытным путем. На рис. 3 приведена укрупненная схема программы экспериментальных исследований, включающая 12 серий опытных образцов.

Рис. 3. Программа экспериментальных исследований

Результаты описанных исследований опубликованы и подробно освещались на конференциях различного уровня. Получены ранее отсутствовавшие данные о характере НДС, трещинообразования и разрушения каменных кладок из различных материалов под влиянием широкого спектра факторов — от влажности до конструктивных особенностей энергоэффективных ограждающих стеновых элементов. Учитывая, что исследования и анализ результатов в части расчетных предпосылок велись с позиций теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии на каждом этапе работы определялись параметры НДС необходимые для использования, приспособления и модификации физической модели разрушения для описания механизмов разрушения камен-

ных кладок — относительные размеры областей двухосного сжатия под грузовыми площадками, углы наклона поверхностей сдвига клиновидных уплотнений, уровни напряжений трещинообразования, влияние перевязки на характер трещинообразования, разрушения и т.п. Численными исследованиями и данными многочисленных экспериментов подтверждается общая гипотеза теории, подтвержденная и обоснованная для бетонов, о формировании в объеме сжатой каменной кладки напряженных областей: клиновидной, трехосно сжатой в приопорных зонах и сжато-растянутой в средней зоне короткого элемента либо в зоне, ограниченной 2-3 минимальными размерами поперечного сечения.

Подтверждение общего соответствия характера напряженного состояния каменных кладок под нагрузкой полученному ранее для бетонов позволяет воспользоваться математическим аппаратом теории для оценки их трещиностой-кости и прочности. Разработан ряд методик, позволяющих производить оценку трещиностойкости и несущей способности элементов и конструкций, в т.ч.:

сжатых элементов и конструкций из полнотелых и пустотелых кирпичей и камней;

то же с учетом косвенного армирования и наличием пустотообразующих вкладышей;

то же с учетом усиления обоймами различных видов: стальными, железобетонными, штукатурными и композитными. Разработан алгоритм, позволяющий определять механизм разрушения кладки — традиционный и многократно описанный — или компрессионное раздавливание в трехосно сжатых областях, выполнять расчет элементов обойм;

выполнять оценку трещиностойкости и несущей способности с учетом степени влажности кладки;

распорных систем: арочных перемычек, сводов и т.п.

Отличительными особенностями разработанных методик от существующих [3, 4, 6, 7] являются учет большего количества факторов как прочностных, так и геометрических, вариативность в выборе и обосновании схемы разрушения. Расчетный аппарат теории, модифицированный для оценки прочности и трещиностойкости, позволяет в полной мере учесть особенности характера работы сжатых каменных кладок, двухстадийность процесса разрушения. Стадия 1 — трещинообразование при уровнях напряжений ст1/сти ~ 0,5.. .0,7 с возникновением и развитием вертикальных трещин в сжато-растянутой средней зоне элемента или конструкции (рис. 4, а). Стадия 2 — разрушение, сопровождающееся потерей устойчивости отслоившихся фрагментов, дроблением (компрессионным раздавливанием) материала выделяющегося ядра сжатия, сдвигом приопорных уплотнений — «клиньев» (рис. 4, б). Кроме того, ранее упомянут алгоритм, позволяющий выполнять обоснованный выбор механизма разрушения и эксплуатационной пригодности кладки в зависимости от уровня поперечного обжатия. Речь идет о компрессионном раздавливании материалов кладки в условиях трехосного сжатия под влиянием напряжений с1 и реактивного давления обойм ст^, стесняющего поперечные деформации. Оценка прочности элемента или конструкции в данном случае может выполняться с применением деформационных критериев, ограничивающих предельные деформации кладки в направлении действия ст1.

а б в

Рис. 4. Характер трещинообразования (а) и разрушения (б) каменной кладки при сжатии без ограничения поперечных деформаций. Реализация поверхности сдвига по границе трехосно сжатой области под грузовой площадкой образца, усиленного стальной обоймой (в), — угол наклона около 60°

Анализ результатов расчетов по предлагаемым методикам показывает удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными и большую степень точности по сравнению с существующими подходами [3, 4, 6, 7].

Результаты работ по исследованиям каменных и армокаменных конструкций опубликованы в 7 статьях, 2 монографиях, апробированы на 8 конференциях. С целью популяризации и внедрения результатов работ в учебный процесс вузов в 2007 г. разработан и издан Издательством АСВ автоматизированный учебный комплекс «Каменные и армокаменные конструкции», предназначенный для освоения материалов дисциплины в рамках государственного образовательного стандарта и объеме исследований авторов студентами и слушателями всех форм обучения, в т.ч. дистанционной. В состав комплекса входят теоретические материалы в объеме программы ГОС, обзор результатов исследований авторов и автоматизированная мультимедийная часть. Автоматизированная часть комплекса представляет собой программный продукт, содержащий управляющий модуль и набор из 28 подпрограмм, включающих практические и лабораторные занятия, тестирование и справочные материалы по тематике. На выставке учебно-методических изданий РАЕ в 2007 г. комплекс получил высокую оценку и диплом лауреата. Б.С. Соколов, А.Б. Антаков, С.Ю. Лихачева, А.Н. Седов, Р.Р. Латыпов, О.В. Радайкин, Н.С. Лизунова участвовали в разработке раздела «Каменные и армокаменные конструкции» справочника инженера-конструктора [8].

Расширением области внедрения результатов исследований кафедры может стать использование разработанных методик для создания современного, теоретически актуального нормативного документа, способствующего широкому внедрению новых эффективных материалов и технологий в строительную отрасль.

Библиографический список

1. Соколов Б.С. Теория силового сопротивления анизотропных материалов сжатию и ее практическое применение : монография. М. : Изд-во АСВ, 2011. 160 с.

2. Соколов Б.С., Антаков А.Б. Исследования сжатых элементов каменных и армо-каменных конструкций. М. : Изд-во АСВ, 2010. 104 с.

3. Онищик Л.И. Каменные конструкции. М. : Гос. Издательство строительной литературы, 1939. 208 с.

4. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования / Минрегион России. М., 2012. 78 с.

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

6. Eurocode 6. Design of Masonry Struktures. Part. 1-1: General Rules for Buildings. Rules for Reinforced and Unreinforced Masonry. Brussels. 1994, 200 p.

7. Zuccyini A., Lourengo P.B. Mechanics of masonry in compression. Result from a homogenization approach // Computers and structures. 2007, vol. 85, no. 3—4, pp. 193—204. DOI: 10.1016/j.compstruc.2006.08.054.

8. Жилые и общественные здания : краткий справочник инженера-конструктора. Т. 1. / под. ред. Ю.А. Дыховичного и В.И. Колчунова. М. : Изд-во АСВ, 2011. 360 с.

Поступила в редакцию в январе 2014 г.

Об авторах: Соколов Борис Сергеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой железобетонных и каменных конструкций, член-корреспондент РААСН, Казанский государственный архитектурно-строительный университет (ФГБОУ ВПО «КазГАСУ»), 420043, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, (843)238-25-93, zips03@mail.ru;

Антаков Алексей Борисович — кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций, Казанский государственный архитектурно-строительный университет (ФГБОУ ВПО «КазГАСУ»), 420043, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, (843)273-03-22, antakof@mail.ru.

Для цитирования: Соколов Б.С., Антаков А.Б. Результаты исследований каменных и армокаменных кладок // Вестник МГСУ 2014. № 3. С. 99—106.

B.S. Sokolov, A.B. Antakov

THE RESULTS OF MASONRY AND REINFORCED MASONRY RESEARCH

In the article the survey results of durability and crack resistance investigation of masonry are presented. The aim of the investigations is improving calculation methods of masonry and reinforced masonry. The relevancy of the problem is determined by the necessity of new efficient materials implementation. In accordance with scientific search methodology complex investigations were carried out, which includes gathering, analyzing and revising the existing data on the topic together with determining essential factors and their value rate.

Within the framework of the investigations the features of masonry have been studied. The developed calculation method on the basis of the theory of resistance of anisotropic materials at the compression, which reflects the stress-strain state features and nature of destruction, allows to carry out an assessment of durability and crack resistance of the compressed members and structures made of masonry. The research results can be used at revising or updating the existing normative documents.

Key words: masonry, strength, ceramic brick, reinforced masonry, stress-strain state.

References

1. Sokolov B.S. Teoriya silovogo soprotivleniya anizotropnykh materialov szhatiyu i ee prak-ticheskoe primenenie: monografiya [Theory of Strength Resistance to Compression of Anisotropic Materials and its Practical Application. Monograph]. Moscow, ASV Publ., 2011, 160 p.

2. Sokolov B.S., Antakov A.B. Issledovaniya szhatykh elementov kamennykh i armoka-mennykh konstruktsiy [Study of Compressed Elements of Masonry and Reinforced Masonry Structures]. Moscov, ASV Publ., 2010, 104 p.

3. Onishchik L.I. Kamennye konstruktsii [Masonry Structures]. Moscow, Gosudarstven-noye Izdatel'stvo stroitel'noy literatury Publ., 1939, 208 p.

4. SP 15.13330.2012. Kamennye i armokamennye konstruktsii. Normy proektirovaniya [Regularities 15.13330.2012. Masonry and Reinforced Masonry Structures. Design Norms]. Minregion Rossii Publ.. Moscow, 2012, 78 p.

5. Sokolov B.S., Antakov A.B., Fabrichnaya K.A. Kompleksnye issledovaniya prochnosti pustotelo-porizovannykh keramicheskikh kamney i kladok pri szhatii [Complex Investigations of Hollow Porous Ceramic Masonry under Compression]. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov [Proceedings of Civil Engineers]. 2012, no. 5(34), pp. 65—71.

6. Eurocode 6. Design of Masonry Struktures. Part. 1-1: General Rules for Buildings. Rules for Reinforced and Unreinforced Masonry. Brussels, 1994, 200 p.

7. Zuccyini A., Lourengo P.B. Mechanics of Masonry in Compression. Result from a Ho-mogenization Approach. Computers and Structures. 2007, vol. 85, no, 3—4, pp. 193—204. DOI: 10.1016/j.compstruc.2006.08.054.

8. Dykhovichnyy Yu.A., Kolchunov V.I., editors. Zhilye i obshchestvennye zdaniya: krat-kiy spravochnikinzhenera-konstruktora [Residential and Public Buildings: Quick Reference of Design Engineer]. Moscow, 2011, ASV Publ., vol. 1, 360 p.

About the authors: Sokolov Boris Sergeevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, corresponding member of the Russian academy of architecture and building sciences, head, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Kazan State University of Architecture and Engineering (KazGASU), 1 Zelyonaya St., Kazan, 420043, Republic of Tatarstan; (843) 238-25-93;

Antakov Aleksey Borisovich — Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Kazan State University of Architecture and Engineering (KazGASU), 1 Zelyonaya St., Kazan, 420043, Republic of Tatarstan; (843)273-03-22.

For citation: Sokolov B.S., Antakov A.B. Rezul'taty issledovaniy kamennykh i armoka-mennykh kladok [The Results of Masonry and Reinforced Masonry Research]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 99—106.