Оценка напряженного состояния конструкци й реставрируемых исторических кирпичных зданий с применением разнопрочных материалов для вычинки

ВЕСТНИК 1/2009

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

КОНСТРУКЦИЙ РЕСТАВРИРУЕМЫХ ИСТОРИЧЕСКИХ КИРПИЧНЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗНОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЫЧИНКИ

Перунов А.С.

МГСУ

Существующие памятники истории и архитектуры в подавляющем своем большинстве изготавливались из полнотелого красного кирпича на известковом и сложном растворах. Известно, что значительная их часть расположена в крупных городах, таких, как Москва, Санкт Петербург и др. Современная агрессивная экология, а также другие негативные разрушающие факторы серьезно ухудшают физико-механические свойства кирпичной кладки конструкций исторических зданий. Это говорит о том, что кирпичные здания и сооружения архитектурного наследия сегодня очень остро нуждаются в их защите и своевременной реставрации. Известно, что практически все исторические здания, в процессе своей эксплуатации многократно меняли свое функциональное назначение, что зачастую требовало, например, закладывать старые дверные и оконные проемы и выполнять новые отверстия различных размеров в несущих кирпичных стенах. Конструкции перекрытий исторических зданий для обеспечения общей жесткости здания изначально также часто выполнялись из кирпичных сводов и сводиков. Известны случаи выполнения отверстий, без усиления ослабленных участков в сводах перекрытий. Прогрессирующие неравномерные осадки фундаментов исторических зданий также значительно снижают общую несущую способность кирпичных зданий.

Все перечисленные и другие внешние факторы довольно часто ставят перед реставраторами довольно сложную задачу по замене поврежденных частей несущих конструкций памятников истории и архитектуры. Известно, что кирпич и раствор кладки являются материалами неоднородными как при отдельном их изучении, так и при их совместной работе, в какой либо конструкции.

Одной из важнейших задач реставрации является замена поврежденных участков конструкций современными материалами со свойствами, обладающими максимальной идентичностью с материалами старой кладки. В связи со всем вышеперечисленным следует отметить важность подбора соответствующих материалов для восстановления элементов кладки в исторических и реставрируемых зданиях. В настоящее время при реставрации зданий исторического наследия часто пренебрегают этими тонкостями работы конструкции кирпичной кладки. Часто основным критерием для подбора материалов является не идентичность новых и старых материалов кладки, а экономическая целесообразность применения тех или других материалов при вычинке. Сжатые сроки выполнения работ влекут за собой применение имеющихся в наличии материалов, зачастую значительно отличающихся по свойствам от существующих материалов кладки здания. Так, например, в результате проведенных автором инженерных обследований некоторых зданий исторической застройки и памятников архитектуры, выполненных в про-

1/2009 ВЕСТНИК

цессе или после реставрации, показали, что достаточно часто при вычинке используется многощелевой керамический кирпич на цементно-песчаном растворе при существующей кладке из красного полнотелого кирпича на известковом растворе.

Ниже приведены случаи и последствия использования разнотипных материалов при вычинке в реставрируемой кладке на простейшем примере равномерного сжатия участка стены. В этих примерах следует сразу отметить, что при вычинке какого либо участка конструкции из кирпичной кладки, производится замена не одного или двух кирпичей, а достаточно большого объема конструкции, так как замене подвергаются, как правило, аварийные места конструкции, находящиеся на четвертой стадии разрушения, когда N = Ыразр или места с серьезными повреждениями от совокупного воздействия внешних факторов на кладку (биологические поражения, коррозия и выветривание кладки, агрессивное воздействие атмосферных явлений и т.д.).

Анализ напряженного состояния массива кладки с применением различных материалов проводился с помощью программного комплекса Cosmos/M, основанного на методе конечных элементов. Для анализа и расчета выбрана классическая схема, максимально приближенная к действительной работе конструкции в целом: кирпичная стена толщиной 51см, длиной 2,6м и высотой 1,25м. В верхней плоскости стены приложена равномерно распределенная нагрузка, близкая к разрушающей. Нижняя часть стены жестко закреплена. Особенностью данного расчета является и то, что кирпичи и раствор задавались раздельно, как материалы с различными физико-механическими свойствами. Однако, современные строительные нормы (СНиП II-22-81*. Каменные и армо каменные конструкции) рассматривают кладку в целом, поэтому в наших расчетах рассматривались свойства кладки, а не кирпичи и раствор по отдельности. Целью данных расчетов был анализ поведения массива кладки с применением различным материалов с общей оценкой сложного напряженного состояния.

В связи с тем, что при вычинке обычно заменяют участок стены, в данном расчете изучались свойства массивов с различными физико-механическими свойствами.

Рассматривалось два случая применения материалов для вычинки относительно старой кладки (см. рис. 2-3):

1. Замена поврежденных элементов кладки более прочными материалами.

2. Замена поврежденных элементов кладки менее прочными материалами.

Для машинного расчета прочностные и деформационные свойства кладки изменялись с помощью различных модулей упругости Ex, Ey, Ez. Ниже перечислены следующие материалы, рассматриваемые в расчетах.

Основная (старая) кладка (рис. 1):

- кирпич марки М75, раствор марки М25;

- прочность кладки по СНиП II-22-81*: R=1.1МПа;

- плотность материала =1800кг/м3 (DENS = 2000);

- коэффициент Пуассона =0,25 (NUXY,NUXZ, NUYZ = 0.25);

модуль упругости по СНиП II-22-81*: Е=1100МПа (EX, EY, EZ = 1.1E+09).

Новая кладка с меньшими прочностными свойствами, относительно старой кладки (рис.2):

- кирпич марки М50, раствор марки М4;

- прочность кладки по СНиП II-22-81*: R=0.6МПа;

- плотность материала =1800кг/м3 (DENS = 2000);

- коэффициент Пуассона =0,25 (NUXY,NUXZ, NUYZ = 0.25);

модуль упругости по СНиП II-22-81*: Е=210МПа (EX, EY, EZ = 2.1E+08).

ВЕСТНИК МГСУ

1/2009

Рис.1. Расчетная схема участка стены

Lin STRESS Lc=1

Зоны концентраций сжимающих напряжений в старой кладке, в которых наиболее вероятно появление трещин и разрывы связей общего массива

Напряжения, Па

Рис. 2. Изолинии напряжений вдоль вертикальной оси У. Вариант расчета на применение менее

прочных материалов для выиинки.

1/2009

ВЕСТНИК _МГСУ

Рис. 3. Изолинии напряжений вдоль вертикальной оси Y. Вариант расчета на применение более

прочных материалов для вычинки.

Новая кладка с большими прочностными свойствами, относительно старой кладки (рис. 3):

- кирпич марки М150, раствор марки М50;

- прочность кладки по СНиП II-22-81*: Я=1.8МПа;

- плотность материала =1800кг/м3 (DENS = 2000);

- коэффициент Пуассона =0,25 (NUXY,NUXZ, NUYZ = 0.25);

модуль упругости по СНиП II-22-81*: Е=1800МПа (EX, EY, EZ = 1.8E+09). Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы относительно использования различных материалов для вычинки.

В случае вычинки с применением материалов кладки с меньшей

прочностью

при прочих равных условиях материалы кладки работают весьма неравномерно. При приложении равномерной сжимающей нагрузки участок кладки с более низкой прочностью разрушается быстрее основного массива, что устройство вычинки делает неэффективным. Общее различие деформационных свойств старой и новой кладок приводит к раздельной работе материалов. Характер напряжений в старой кладке аналогичен с тем, что обычно мы имеем в простенке. Происходит разрыв связей старой и новой кладок с образованием трещин и пустот, а также концентраторов напряжений в зонах примыкания новой кладки и старой, особенно по вертикальным плоскостям (см. рис.2).

В случае вычинки с применением материалов кладки с большей прочностью ма-

териал основной (старой) кладки при прочих равных условиях разрушается быстрее новой кладки. В зонах примыкания старой кладки к новой со стороны старой кладки образуются трещины из-за концентраторов напряжений. Как и в первом случае наблюдается резкий перепад напряжений в вертикальной плоскости примыкания старой и новой кладок, что может привести к разрыву связей (вертикальным трещинам). Материалы новой кладки являются более жесткими, что также может привести к дальнейшему разрушению материалов основной кладки, особенно в местах концентрации напряжений (см. рис.3).

ВЕСТНИК 1/2009

В обоих рассмотренных случаях также важными являются и различия, физико-механических характеристик, коэффициентов температурного расширения старых и новых материалов, различия модулей упругости материалов, что при больших объемах вычинки имеет существенное значение. Все вышеуказанные различия приводят к нарушению сплошности, монолитности конструкции и эффективности ее работы в целом.

Пространственные расчеты показали, что последствия работы центрально-сжатой кирпичной стены, выполненной из разнотипных материалов, могут привести к разрушениям, сосредоточенным преимущественно на границах сопряжения этих материалов. Это объясняется работой разнородных материалов, их различными де формативными свойствами (модулем упругости Е) и прочностью. При наступлении некоторой предельной нагрузки эти материалы начинают работать раздельно, что приводит к неизбежному образованию трещин, разрушению отдельных частей кладки в первую очередь в местах концентраций напряжений.

Для обеспечения длительной и успешной работы конструкций реконструируемых зданий из кирпичной кладки необходимо выполнять вычинку из материалов, идентичных старым. Важно подбирать материалы не только с близкими прочностными свойствами, но и с идентичными температурно-деформационными и физико-механическими характеристиками. В противном случае результаты реставрации приведут не только к экономическим потерям, но и к общему изменению напряженно-деформированного состояния реставрируемого здания в сторону ухудшения с появлением новых очагов образования трещин и дальнейшим разрушениям исторического объекта.

Ключевые слова: кирпич, раствор, реконструкция, реставрация, вычинка, инженерное обследование, МКЭ, памятники архитектуры.

Рецензент: Шмаков Геннадий Борисович, к.т.н., профессор МГСУ