Конструктивные свойства каменных кладок зданий исторической застройки

УДК 624.012.45

КОНСТРУКТИВНЫЕ СВОЙСТВА КАМЕННЫХ КЛАДОК ЗДАНИЙ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

© А.С. Чесноков1, Б.И. Пинус2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Исследовались конструктивные свойства каменных кладок зданий исторической застройки. Приведены данные вероятностно-статистического анализа результатов комплексных испытаний бутовой и кирпичной кладок старинных каменных зданий. Установлена достаточная сходимость экспериментальных и нормативно регламентируемых значений.

Ключевые слова: бут; кирпич; каменная кладка; прочность; деформативность.

CONSTRUCTIVE PROPERTIES OF HISTORICAL BUILDING MASONRY A.S. Chesnokov, B.I. Pinus

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article investigates the constructive properties of the masonry of historical buildings. It presents the data of the probabilistic and statistical analysis of the results of complex tests of rubble and brick masonry of old stone buildings. Sufficient convergence of experimental and normative regulated values has been determined. Keywords: rubble; brick; masonry; strength; deformability.

Актуальность и постановка вопроса. Непреходящая ценность старинной застройки состоит не только в позиционировании ее объектов как опыта и истории развития цивилизации и культуры. Более чем столетний период их сохраняемости в сложных природно-климатических (низкие температуры, высокая влажность, сейсмика) и технических (обводненность территорий и агрессивность грунтовых вод) условиях являются наглядным примером грамотных и эффективных технических решений. И это несмотря на то, что объемно-планировочные и строительно-конструктивные решения подавляющего большинства зданий исторического наследия не соответствуют современным представлениям [1] и нормативным требованиям [2] сейсмостойкого строительства.

Государственный статус и существенные конструктивные отличия от современной застройки затрудняют использование общепринятых методов и расчетных моделей таких объектов при оценке их долговечности и сейсмоуязвимости, поэтому возникает необходимость инженерной оценки эксплуатационной пригодности зданий. Приемлемая надежность такого подхода достигается при использовании фактических (достоверных) показателей прочностных и деформа-тивных свойств материалов несущих элементов. Применительно к рассматриваемой категории зданий это относится к каменным кладкам фундаментов и несущих стен.

Цель исследования - установление физических свойств и статистических закономерностей прочности

и деформативности материалов бутовых и кирпичных кладок.

Объектами исследования являются каменные здания исторической застройки Восточной Сибири. Их подземная часть выполнена бутовой кладкой «врас-пор» («под залив») из камней неправильной формы и различных размеров с высотой отдельных рядов 150+300 мм. Бутовая кладка цокольных участков стен выполнена «под лопатку» из камней постелистой («правильной») формы с высотой ряда 150+700 мм. Глубина заложения фундаментов существенно отличается и колеблется от 60 до 470 см. Причем уровень оснований в пределах одного здания неодинаков и объясняет необходимость дискретного устройства подвальных участков.

Существенным является и большой разброс толщины вертикальных (5+25 мм) и горизонтальных (5+40 мм) швов. Коэффициент вариации указанных величин превышает 30+40%. При этом кладочный раствор зачастую деструкциирован и на глубинах 100+120 мм представляет собой сыпучую увлажненную массу, свободно извлекаемую из швов.

Каменной кладкой из полнотелого глиняного кирпича пластического формования на известково-песчаных растворах возведены наружные и внутренние несущие стены исторических зданий. При этом наиболее часто (78%) применены цепная (двухрядная) и римская (многорядная) системы; размер кирпича 260x130x80 мм, толщина швов 3+10 мм, а общая толщина стен - 420+1500 мм. Кирпичная кладка стен

1 Чесноков Аркадий Сергеевич, соискатель, тел.: 89500603990, e-mail: profi-grad@mail.ru Chesnokov Arkady, Competitor for a scientific degree, tel.: 89500603990, e-mail: profi-grad@mail.ru

2Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, тел.: (3952) 405467, e-mail: pinus@istu.edu

Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Structures, tel.: (3952) 405467, e-mail: pinus@istu.irk.ru

различного направления не имеет связей, обеспечивающих совместность их работы, и характеризуется устройством многочисленных внутренних каналов различного назначения. Устойчивость стен высотой более 3 м повышена устройством контрфорсов и пилястр.

Каменные кладки рассматриваемых объектов характеризуются наличием существенных дефектов и повреждений, в том числе трещин, сколов, расслоений и др. Для зон конструкций вероятного повышенного увлажнения (цоколь, карнизы, кровля) это объяснимо интенсивной морозной деструкцией. Неисправности в стеновых наружных и внутренних ограждениях являются результатом физического износа, вызванного сейсмическими воздействиями. По данным, представленным в работе [1], за анализируемый период эксплуатации зданий вероятность землетрясений интенсивностью 5+6 баллов превышает 30%.

Методика проведения испытаний. По результатам технического мониторинга более 110 объектов исторической застройки была отобрана представительная (по количеству, типу объемно-планировочных и строительно-конструктивных решений) группа каменных зданий для сопоставительной оценки ресурса сейсмостойкости экспериментальными и расчетно-аналитическими методами. При их обследовании были взяты образцы материалов кладок несущих конструкций, комплексные испытания которых выполнены с использованием нормативно регламентированных методик [3, 4]. При этом минерало-петрографическую характеристику пород рваного и постелистого бута определяли путем макро- и микроскопического изучения шлифов под лупой.

Структура и категория пород оценивалась по размерам зерен и классифицировалась согласно установленным стандартным группам. Одновременно с использованием прибора Ле-Шателье получили показатели средней и истинной плотности, позволяющие вычислить пористость исследуемой породы.

Прочность бута в естественном и водонасыщен-ном состоянии устанавливалась путем технических испытаний на сжатие кубических образцов с размером грани 40+50 мм, подготовленных с применением камнерезного оборудования в соответствии с нормативными требованиями. Нагружение осуществлялось непрерывно со скоростью 0,3+0,5 МПа/с.

Прочность карбонатного раствора определена путем испытаний на сжатие кубиков с ребрами 2+4 см, изготовленных из пластинок, взятых из бутовой кладки. Выравнивание их поверхностей и склеивание осуществлялось гипсовым тестом с последующим одно-двухсуточным твердением. Нагружение образцов производилось непрерывно со скоростью 0,6+0,4 МПа/с. Полученные результаты корректировались умножением опытных показателей на коэффициенты, регламентированные в приложении 1 ГОСТ 5802-86 [4].

Отбор образцов кирпича осуществлялся, как правило, из внутренних рядов кладок под оконными проемами и чердачных участков стеновых ограждений. Их поверхности тщательно очищались, выравнивались в

соответствии с требованиями ГОСТ 8462-85 [3]. Предел прочности кирпича при сжатии определяли на образцах, полученных путем склеивания цементным раствором двух половинок, образованных после его испытания на изгиб. Подготовка образцов к испытанию производилась в последовательности, приведенной в приложении 2 к вышеуказанному стандарту.

Основные результаты микроструктурного анализа. Бутовая кладка зданий, как правило, выполнена из разнозернистых песчаников и алевролитов кварц-полевошпатового состава. Структура пород мелко- и среднезернистая, текстура - однородная и слойчатая. В минеральном отношении порода содержит кварц (20+55%), полевой шпат (20+55%) и различные примеси (15+60%), включая обломки слюды.

Первичный цемент песчаников практически отсутствует, а образовавшиеся пустоты заполнены канифолью.

Алевролит состоит из обломков кварца (до 25%), полевого шпата (до 35%) и примесей. Поровый цемент сохранился в небольшом количестве (менее 1%) и представлен иллит-хлоритом.

Структура пород характеризуется высокой пористостью: у песчаников - до 40%, алевролитов - 35%. Пустоты песчаника представлены порами (размер менее 1,0 мм), кавернами (более 1,0 мм) и микропорами шириной 0,05 мм и глубиной до 1,0 мм. Породы пронизаны трещинами раскрытием до 3 мм и глубиной до 1,5+2,0 мм.

Алевролиты при мало отличающейся общей пористости характеризуются преимущественно мелкими (0,05+0,1 мм) порами и сравнительно большой плотностью.

Бутовая кладка зданий выполнена с использованием карбонатных (известковых и известково-песчаных) растворов. В минералогическом аспекте они характеризуются содержанием кварца (до 35%), полевого шпата (до 45%) и других пород. Структура растворов мелкозернистая с содержанием пустот 25+30%. Пустоты состоят преимущественно из мелких пор и каверн шириной до 10 мм, заполненных мелкими кристаллами кальцитов.

Обобщая результаты микроструктурного анализа, следует отметить, что процесс структурной деградации камня и раствора довольно активен и для его стабилизации необходимо принятие защитных конструктивно-технологических мер.

Основные результаты механических испытаний. Изложенное выше основывается на представлениях, что каменная кладка является комплексным материалом, конструктивные свойства которого определяются многими факторами. Их прямая экспериментальная проверка для зданий исторического наследия практически исключена. Это предопределяет необходимость косвенной, с достаточной для практических целей точностью оценки прочностных и деформатив-ных свойств различных типов каменных кладок. Используемые при этом аппроксимирующие аналитические зависимости содержат средние значения показателей прочности, определяемые экспериментальным

путем в соответствии с упомянутыми методиками.

Кроме того, при экспериментально-аналитических расчетах безопасности и сейсмоуязвимости зданий такого типа требуются более точные оценки конструктивных свойств материалов каменных кладок. Это возможно при наличии данных вероятностно-статистического обобщения результатов выборочных испытаний в предположении их нормального распределения. При этом значения рассматриваемого параметра х с вероятной обеспеченностью не менее 95% будут находиться в диапазоне (х ± 2а), где х - его средняя величина, а а - среднеквадратическое отклонение:

,_>/( -х- - х )2 1 '

а

n

— I

Выборка опытных величин прочности каменной кладки сформирована с использованием аналитической модели Л.И. Онищика и частных экспериментальных значений прочности камней и растворов швов:

_ __а

Я = ЛЯ1 -

- 14 Ь + Я/2Я

100 + R

-^ и

250 + 8R

кирпич )

100 + R 125+3R

_ 0,02^ + 2,75R2 1(бут) ~ 0,081 + 2\ И

кирпич)

0,03R + 2,25 R^

0,04Я + 2Я2 где значения а, Ь принимаются в соответствии с предложением [5].

Выборка значений начального модуля деформаций была получена по нормативной зависимости [6]:

Я = с - Я.

Результаты статистической обработки экспериментально-аналитических данных представлены в табл. 1 и 2.

Значимая представительность анализируемых экспериментальных выборок позволяет считать полученные статистические данные вполне достоверными показателями конструктивных свойств испытываемых материалов. При этом следует отметить, что прочность камней и кладок с их использованием характеризуется приемлемой изменчивостью, то есть хорошей плотностью распределения. Существенно больший разброс наблюдается в показателях прочности растворов и деформативности кладок. На наш взгляд, это объяснимо спецификой стандартной методики их контроля, содержащей сложные (не адекватные целевой задаче) процедуры по изъятию из кладок и изготовлению опытных образцов раствора. В совокупности они влияют на сохранение структуры, однородности испытуемого материала и его тождественности реальным условиям работы.

Используя общепринятые преобразования^], были определены экспериментальные значения расчетных параметров прочности кладок на сжатие и начальные модули деформаций (табл. 3).

Бутовая кладка*

Таблица 1

Нормируемый параметр Обозначение Значения статистик распределения

Среднее, МПа Дисперсия, МПа2 Коэффициент изменчивости, % Доверительный интервал значений 95% обеспеченности, МПа

max min

Прочность камня R1 8,05 2,330 19 11,1 5,0

Прочность раствора R2 0,23 0,008 39 0,4 0,05

Прочность кладки R 0,47 0,014 26 0,71 0,23

Модуль деформаций E0 280 13862 42 515 44,5

* Выборка из 457 измерений.

Таблица 2

Каменная кирпичная кладка*_

Нормируемый параметр Обозначение Значения статистик распределения

Среднее, МПа Дисперсия, МПа2 Коэффициент изменчивости, % Доверительный интервал значений 95% обеспеченности, МПа

max min

Прочность кирпича R1 5,88 1,440 20 8,28 3,48

Прочность раствора R2 1,10 0,250 45 2,09 0,11

Прочность кладки R 2,07 0,108 16 2,73 1,41

Модуль деформаций E0 1488 192610 29 2366 610

*Выборка из 378 измерений.

Таблица 3

Прочность и деформативность кладок_

Вид кладки Расчетные значения, МПа

экспериментальные по СНиП II-22-81

R E0 R E0

Бутовая 0,258 235 0,398 398

Кирпичная 1,138 1552 0,847 1270

Здесь же представлены расчетные величины этих показателей, принятые по СП для средних значений прочности раствора и камней. Из их сопоставления следует, что расчетные параметры бутовой кладки существенно ниже нормируемых величин и даже превышают уровни минимальных значений 95% обеспеченности (порога достоверности).

Что касается кирпичной кладки, то ее прочность и модуль деформации выше нормативно ожидаемых значений и порога 95% обеспеченности.

Таким образом, установлено, что аналитическую оценку ресурса сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки целесообразно производить на моделях, учитывающих фактические показатели прочности и деформативности кладок. Кроме того, авторами экспериментально подтверждена значимая деградация бутовых кладок фундаментов и цокольной части зданий, что указывает на необходимость принятия мер по их усилению и защите от дальнейшего ускоренного износа.

Статья поступила 02.12.2014 г.

Библиографический список

1. Чесноков А.С., Пинус Б.И. К вопросу обеспечения сейсмостойкости каменных зданий культурного наследия // Вестник ИрГТУ. 2011. № 12. С. 152-155.

2. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП N-7-81*. M.: Минре-гионразвития РФ, 2011. 29 с.

3. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. М.: Издательство стандартов, 1985. 90 с.

4. ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1986. 17 с.

5. Онищик Л.И. Каменные конструкции промышленных и гражданских зданий: учебник. М.: Гос. изд-во строит. лит-ры, 1939. 398 с.

6. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП N-22-81*. М.: Мин-регионразвития РФ, 2012. 73 с.

УДК 518.5:532.54

МЕТОДИКА НАЛАДОЧНОГО РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

© З.И. Шалагинова1, В.В. Токарев2, О.А. Гребнева3

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Предложена новая методика для наладочных расчетов распределительных сетей централизованного горячего водоснабжения, учитывающая реальное потокораспределение и остывание теплоносителя по длине трубопроводов. Методика реализована в информационно-вычислительном комплексе «АНГАРА-ТС» и обеспечивает возможность организации режимов и разработки наладочных мероприятий в теплоснабжающих системах любой структуры и сложности, в том числе с нестандартными схемными решениями. Показаны возможности комплекса «АНГАРА-ТС» при организации режимов и разработке наладочных мероприятий на примере реальных систем теплоснабжения.

Ключевые слова: централизованные системы горячего водоснабжения; организация режимов; остывание теплоносителя; циркуляционный расход; методика расчета; наладочные мероприятия.

1Шалагинова Зоя Ивановна, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник отдела трубопроводных систем, тел.: 89041504335, e-mail: shalaginova@isem.sei.irk.ru

Shalaginova Zoya, Candidate of technical sciences, Leading Researcher of the Department of Pipeline Systems, tel.: 89041504335, e-mail: shalaginova@isem.sei.irk.ru

2Токарев Вячеслав Вадимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела трубопроводных систем, тел.: 89016543579, e-mail: tslava@isem.sei.irk.ru

Tokarev Vyacheslav, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Department of Pipeline Systems, tel.: 89016543579, e-mail: tslava@isem.sei.irk.ru

3Гребнева Оксана Александровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела трубопроводных систем, тел.: 89501252029, e-mail: oksana@isem.sei.irk.ru

Grebneva Oksana, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Department of Pipeline Systems, tel.: 89501252029, e-mail:oksana@isem.sei.irk.ru