Методы расчета сейсмоусиления конструкций из каменной кладки односторонними монолитными железобетонными аппликациями

ВЕСТНИК

_2/20ГТ_МГСУ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СЕЙСМОУСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ОДНОСТОРОННИМИ монолитными ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ АППЛИКАЦИЯМИ

THE DESIGN METHODS OF MASONRY STRUCTURES SEISMIC STRENGTHENING BY MEANS OF THE CAST IN-SITU REINFORCED CONCRETE APPLICATIONS

O.B Кабанцев

O.V.Kabantsev

МГСУ

В статье изложены результаты экспериментальных исследований образцов каменной кладки, усиленных аппликациями из бетона с различными параметрами толщины, армировании и метода выполнения при действии статических нагрузок.

The results of the experimental investigations of masonry strengthened by reinforced concrete applications with different parameters of thickness, reinforcement and methods of manufacture under static loads are presented.

Исследования напряженно-деформированного состояния образцов каменной кладки, усиленной односторонней наружной железобетонной аппликацией, выполняемой из монолитного железобетона, проведены в рамках работ по научному обоснованию повышения сейсмостойкости существующих зданий с несущими стенами из каменной кладки. Преимуществом метода повышения сейсмостойкости каменных зданий путем устройства односторонних монолитных железобетонных аппликаций заключается в хорошо отработанной технологии, а также в возможности выполнения работ по наружному контуру - без прерывания эксплуатации сооружения.

Исследованиями [8,9] установлено, что повышение несущей способности образцов из каменной кладки, усиленных односторонними аппликациями, определяется (в основном) конструктивными решениями связей, обеспечивающих совместность работы каменной кладки и усиливающего элемента (аппликации).

Для аппликаций из монолитного железобетона, выполняемых с толщинами не менее 100 мм, что регламентируется требованиями технологии, конструктивные решения связей включают не только связи адгезии элемента усиления и каменной кладки, но и различные типы шпоночных соединений, а также связи из арматурных элементов.

При выполнении аппликаций из монолитного бетона в реальных условиях стройплощадки величина адгезионных связей подвержена значительным колебаниям, что подтверждается опытом практических работ по сейсмоусилению зданий в г. Петропавловске-Камчатском. По этой причине на практике применяют в основном арматурные, а также шпоночные связи элемента усиления и каменной кладки.

Исследования напряжено-деформированного состояния образцов из каменной кладки выполнены для семи серий (табл. 1).

_Таблица 1

№ серии Условное обозначение образцов Характеристика образцов

1 ОК-1 образцы из кирпичной кладки (эталоны) выполнены без усиления

2 ОК-2У кирпичная кладка усилена железобетонной аппликацией из тяжелого бетона, поверхность образцов, очищена от пыли и наплывов раствора

3 ОК-3У кирпичная кладка усилена железобетонной аппликацией из тяжелого бетона; кладка выполнена с расшивкой 50% швов (через один) на глубину 20 мм

4 ОК-4У образцы аналогичны серии 3, но с расшивкой всех горизонтальных швов

5 ОК-5У кирпичная кладка усилена железобетонной аппликацией из тяжелого бетона с устройством трех горизонтальных штраб, выполняющий роль шпонок

6 ОК-6У образцы кирпичной кладки усилены железобетонной аппликацией из тяжелого бетона, которая крепится к образцам девятью анкерами из арматуры 08 АШ с шагом стержней 400 мм

7 ОК-7У образцы аналогичны серии 6, но с диаметром анкеров 10 мм

Образцы изготовлены размером: 103 х 115 х 25 см., (ширина х высота х толщина) - в соответствии с рекомендациями работ [3]. Размеры кладки назначались как аналоги простенков зданий, с учетом влияния на прочность соотношения размеров сторон образцов [4]. Кирпичная кладка выполнялась с цепной системой перевязки швов каменщиком средней квалификации из керамического полнотелого одинарного кирпича пластического формования. Железобетонная аппликация толщиной 60 мм была изготовлена из тяжелого бетона с армированием металлической сеткой Вр-1 0 4 мм с ячейкой 100x100 мм. Толщина аппликации назначена исходя из минимальных размеров, определяемых технологическими требованиями при производстве бетонных работ. Было принято, что железобетонная аппликация при сейсмоусилении зданий со стенами из каменной кладки не воспринимает вертикальной нагрузки (т.к. распределение нагрузки в несущих конструкциях здания произошло до момента устройства элементов усиления), но участвует в восприятии горизонтальной нагрузки при сейсмических воздействиях. При испытаниях образцов установлено, что все образцы, в том числе эталонные - выполненные без усиления, имели одинаковую схему повреждения и разрушения, а именно - появление первой трещины в центре образца вдоль его сжатой диагонали с дальнейшим раскрытием вплоть до полного разрушения (в работе [3, 4] также установлен подобный характер разрушения образцов из кладки). Однако механизм разрушения опытных образцов различных серий, а также поведение образцов под нагрузкой после появления первой трещины имел существенные различия.

При испытании образцов эталонной серии 1 происходило хрупкое (практически мгновенное) разрушение после появления первой трещины и отрыва камня от раствора в вертикальных швах с последующим преодолением касательными напряжениями сопротивления кладки сдвигу вдоль горизонтальных швов - вначале в центре панели, а затем на остальных участках диагонали.

Установлено, что при испытаниях после появления первой трещины вдоль сжатой диагонали образцы серий 3, 4, 5, 6 и 7 воспринимали нагрузку 7-10 тонн с продол-

2/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

жением процесса деформирования. При этом процесс деформирования носил выраженный пластический характер (см. рис.1).

4<п sat} аоо ЮМ 13ЭД 1400 1Й№ 1ЯОО ЖЮ ЗЗВД S40O гйи>

OriHKinc.n.iiMt: :1сф<1|ммни л; til

Рис. 1. Графики деформирования экспериментальных образцов с усилением монолитными железобетонными аппликациями

Каменную кладку без усиления (эталонные образцы) рассчитывали на главные растягивающие напряжения в соответствии с указаниями [7], по формуле:

Q < RqhL.

где Q - расчетная поперечная сила; Ъ - толщина стены; 1 - длина усиливаемого участка стены;

V- коэффициент неравномерности касательных напряжений в сечении. Для прямоугольных сечений V допускается принимать 1,15;

Я щ - расчетное сопротивление скалыванию кладки, обжатой расчетной силой К, определяемая с коэффициентом перегрузки 0,9; Я ,п по формуле:

щ

Я „ Ы К

где Я ш - расчетное сопротивление главным растягивающим напряжениям определяется по формуле 2;

о о - напряжения обжатия силой N.

На основании приближенного решения задачи теории упругости о напряженном состоянии прямоугольного диска, получено, что нормальные напряжения при диагональном нагружении определяются по формуле:

0,9#

^0 =~т,

ап

где а- половина длины усиливаемого участка стены.

Полученный аналитический результат расчета на главные растягивающие напряжения образцов серии 1 расходится на 4% от экспериментальных данных.

Расчетным экспериментом (численными методами) установлено, что зона значимых величин главных растягивающих напряжений в образцах не превышает 20% общей площади образца. Таким образом, аналитическую оценку несущей способности образцов необходимо выполнять, исходя из включения в работу элементов усиления, находящихся только в указанной выше зоне, т.е .

А=0.2 А0 = 0.2 х103 х 115 = 2369 см2 .

В образцах серии 2 увеличение несущей способности обеспечивается прочностью стыка кладки и аппликации (0асд по неперевязанному шву, после преодоления которого и происходит разрушение образца. В соответствии с положениями [7], а также с учетом отсутствия фактора обжатия стыка (нагрузка прикладывалась только к телу кладки):

0аа = А ,

где ' - расчетное сопротивление кладки срезу по неперевязанному шву.

Общая величина несущей способности (0/ образцов серии 2 определяется суммой несущей способности образца кладки без усиления 0 и несущей способности стыка кладки и аппликации по неперевязанному шву усиленного образца 0аЛ

0/ = 0 + 0а*

Полученный аналитический результат несущей способности образцов серии 2 расходится с экспериментальными данными на 7,5%.

В образцах серий 3 и 4 увеличение несущей способности обеспечивается несущей способностью стыка кладки и аппликации по неперевязанному шву (0^), а также прочности стыка кладки и аппликации по перевязанному шву (0^), после преодоления которых и происходит разрушение образца. В соответствии с положениями [7]:

0sq Rsq Амш ,

где - расчетное сопротивление кладки срезу по перевязанному шву;

Амш = 0,2АМШ° - площадь контакта боковой поверхности микрошпонок с кирпичом в зоне значимых величин главных растягивающих напряжений в образцах.

Общая величина несущей способности образцов серий 3 и 4

0/ = 0 + 0ас, + ^^

Полученный аналитический результат несущей способности образцов серий 3 и 4 расходится с экспериментальными данными на 0,6% (образцы серии 3) и 1,8% (образцы серии 4).

В образцах серии 5 увеличение несущей способности обеспечивается несущей способностью шпоночного соединения аппликации и кладки (0Х), которое разрушается (как установлено экспериментом) с механизмом смятия кладки по площади контакта боковой поверхности шпонок. Вследствие высокой несущей способности шпоночного соединения доля несущей способности, формируемая за счет прочности стыка по неперевязанному и перевязанному сечениям, при нагружении образца не реализуется. В соответствии с положениями [7]:

ВЕСТНИК

_2/20ГТ_МГСУ

О* = Я Ашс.

где Я* - расчетное сопротивление кладки на смятие, принимается в соответствии с положениями п. 4.13 [7];

Ашс = 0,2 Ашс° - площадь контакта боковой поверхности шпонок с кирпичом в зоне значимых величин главных растягивающих напряжений в образцах.

Общая величина несущей способности образцов серии 5

О/ = О + О*

Полученный аналитический результат несущей способности образцов серии 5 расходится с экспериментальными данными на 1,7%.

Для образцов серии 7 отмечается характерное искривление анкерных стержней, расположенных в непосредственной близости от нагруженной диагонали. Аналогичное искривление анкерных стержней в бесшпоночных вертикальных стыках железобетонных стен установлен многими исследователями (например, [1]), что позволяет применить к оценке несущей способности стыка аппликации и кладки известный метод расчета несущей способности бесшпоночных вертикальных стыков [5].

В образцах серий 6 и 7 увеличение несущей способности обеспечивается несущей способностью стыка кладки и аппликации на анкерных арматурных стержнях (О™,). Вследствие высокой несущей способности анкерного соединения аппликации и кладки доля несущей способности, формируемая за счет прочности стыка по непере-вязанному и перевязанному сечениям, при нагружении образца не реализуется. В соответствии с положениями [5]:

От Asw,

где - расчетное сопротивление поперечной арматуры для предельных состояний первой группы;

Аплощадь поперечного сечения анкерных стержней.

Общая величина несущей способности образцов серий 6 и 7

О/ = О + От ,

Полученный аналитический результат несущей способности образцов серий 6 и 7 расходится с экспериментальными данными на 0,6% (образцы серии 6) и 27,5% (образцы серии 7). Существенное отклонение экспериментальных данных образцов серии 7 от расчетных величин обусловлено недостаточной анкеровкой анкерных стержней в кладке.

С учетом установленного расхождения экспериментальных и расчетных значений для образцов серий 6 и 7 целесообразно в формулу (11) ввести конструктивный коэффициент к* < 0,7, что позволит учесть особенности анкеровки арматурных стержней в каменной кладке.

Необходимо отметить, что в экспериментах установлено отсутствие разрушения бетонных шпонок - прочность бетона аппликаций была достаточно высокой по отношению к кирпичной кладке. Однако при применении бетонов иных марок следует выполнять проверки несущей способности бетона при шпоночном (микрошпоночном) соединении аппликации и кладки в соответствии с [2].

Сравнительный анализ проведенных расчетов по предлагаемой методике показан в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительный анализ предлагаемой методики расчета несущей способности образцов, усиленных железобетонной аппликацией

Условный номер серии Данные эксперимента Расчетное значение повышения несущей способности образца по отношению к эталону

Несущая способность образца 0/, кг Повышение несущей способности образца по отношению к эталону ^0/, кг ¿0", кг Расхождение расчетной величины по отношению к эксперименту %

ОК-1 7863 Эталон

ОК-2У 11389 3526 3790 7,5

ОК-3У 13496 5632 5664 0,6

ОК-4У 15266 7403 7271 1,8

ОК-5У 21293 13429 13658 1,7

ОК-6У 21074 13211 13137 0,6

ОК-7У 23945 16082 20503 27,5

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемые расчетные формулы (5^13) по определению несущей способности элементов из каменной кладки, усиленных монолитными железобетонными аппликациями с различными типами связей, дают результат с удовлетворительной точностью.

Учитывая объем экспериментальных исследований, представляется целесообразным ограничить условия применения предлагаемых расчетных формул (5^13) следующими рамками:

• материалы кладки - кирпич керамический полнотелый пластического и

полупластического формования; кладочный раствор - цементно-песчаный и цементно-песчаный с пластифицирущими добавками;

• материал аппликаций - бетон тяжелый и мелкозернистый класса по проч-

ности на сжатие не ниже В12,5.

Литература

1. Железобетонные стены сейсмостойких зданий. Исследования и основы проектирования. Под редакцией Г.Н Ашкинадзе и М.Е. Соколова. М. СИ. 1988 г.

2. Кабанцев О.В., Тонких Г. П. и др. Пособие по оценке сейсмостойкости и сейсмоусилению общевойсковых зданий с несущими стенами из каменной кладки. Москва, 26 ЦНИИ МО РФ, 2002 г.

3. Коноводченко В. И. Усиление стен кирпичных зданий для повышения их сейсмостойкости, Сб., «Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий», Госстройиздат, М.: 1967

4. Поляков С. В., Коноводченко В. И, Прочность и деформации квадратных виброкирпичных панелей при перекосе в плоскости стены. Прочность вертикальных стыков. Сб. «Исследования по сейсмостойкости крупнопанельных и каменных зданий», Госстройиздат, М., 1962 г.

5. Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. Конструкции жилых зданий. (К СНиП 2.08.01-85). М. СИ. 1989 г.

6. СНиП 11-7-81* "Строительство в сейсмических районах".

7. СНиП 11-22-81 "Каменные и армокаменные конструкции".

2/2011 ВЕСТНИК _2/2011_МГСУ

8. Тонких Г. П., Кабанцев О. В., Кошаев В. В. Методика экспериментальных исследований по усилению зданий из каменной кладки железобетонными аппликациями. Журнал «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений» №6, 2005 г.

9. Тонких Г. П., Кабанцев О. В., Кошаев В. В. Экспериментальные исследования несущей способности каменной кладки при главных нагрузках. Журнал «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений» №6, 2007 г.

References

1. Reinforced concrete walls of a seismic buildings. Researches and designing bases. Under edition G.N Ashkinadze and M.E.Sokolova. SI M. 1988.

2. Kabantsev O. V, Tonkich G.P., etc. The Grant according to seismic stability and to seismo-strengthening the general armies buildings with bearing walls from a stone laying. Moscow, 26 TSNII MO the Russian Federation, 2002.

3. Konovodchenko V.I. Strengthening of walls of brick buildings for increase of their seismic stability, Col., «Seismic stability of large-panel and stone buildings», Gosstrojizdat, M: 1967.

4. Polyacov S.B, Konovodchenko V. I. Durability and deformations square brickvibration panels at a warp in a wall plane. Durability of vertical joints. Col. «Researches on seismic stability of large-panel and stone buildings», Gosstrojizdat, M, 1962.

5. The grant on designing of residential buildings. Rel. 3. Designs of residential buildings. (to SNiP 2.08.01-85). SI M. 1989

6. SNiP II-7-81* "Building in seismic countries".

7. SNiP II-22-81 "Stone and ferrostone structural's".

8. Tonkikh G.P, Kabantsev O. V, Koshaev V.V. Method of experimental researches on strengthening of buildings from a stone laying reinforced concrete applications. Magazine «A seismic building. Safety of constructions» №6, 2005

9. Tonkikh G.P, Kabantsev O. V, Koshaev V.V. Experimental Research of bearing ability of a stone laying at the main loadings. Magazine «A seismic building. Safety of constructions» №6, 2007.

Ключевые слова: каменная кладка, аппликации из железобетона, вертикальный стык, анке-ровка, виброкирпичные панели, сейсмоусиление.

Key words: stone laying, reinforced concrete applications, vertical joint, anchoring brickvibra-tion panels, seism strengthening.

Почтовый адрес: г. Москва, Ярославское шоссе 26, Рецензент: Белостоцкий A.M., д-р техн. наук, проф., генеральный директор ЗАО НИЦ СтаДиО