Зарубежный опыт армирования каменных конструкций

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Расчет конструкций

УДК 624.012.2

Р.Б. ОРЛОВИЧ, д-р техн. наук, Западно-Померанский технологический университет, Республика Польша; В.Н. ДЕРКАЧ(v-derkatch@yandex.ru), канд. техн. наук, РУП «Институт БелНИИС», Республика Беларусь

Зарубежный опыт армирования каменных конструкций

Приведены принципы армирования каменной кладки, применяемые в зарубежной практике возведения каменных конструкций, виды арматурных изделий, результаты экспериментальных исследований армированных каменных конструкций.

Ключевые слова: каменная кладка, армирование, механизмы разрушения, композитные материалы.

До конца XIX в. каменные здания, как правило, возводились из кирпича с применением известковых растворов. Геометрические параметры и форма несущих конструкций (фундаментов, стен, сводов и т. п.), а также способ передачи нагрузок назначались с учетом минимизации возникающих в кладке растягивающих напряжений. В XX столетии появились новые материалы и технологии, способствующие уменьшению сечений каменных конструкций и увеличению их жесткости. По сравнению с кладкой на известковых растворах деформативность новых кладок на цементных растворах снизилась до 5 раз. Это предопределило их повышенную чувствительность к трещинообразованию, что вызвало необходимость армирования кладок, которое начало широко использоваться со второй половины XX в. Целью армирования является восприятие возникающих в конструкциях растягивающих

напряжений, разгрузка последних и сглаживание деформаций в зонах их концентрации. Различают поперечное армирование, укладываемое в горизонтальных швах кладки с целью повышения несущей способности конструкций, работающих на сжатие (столбов, участков стен с локальным загружением и т. п.). Считается, что поперечное (сетчатое) армирование способствует также повышению трещиностойкости и прочности кладки на срез по перевязанному сечению. Последнее имеет место в соединениях продольных и поперечных стен, выполненных из материалов различной деформативности, то есть с различными модулями упругости, ползучести, усадкой, а также при значительной разнице сжимающих напряжений, возникающих в этих стенах. Последнее также относится к стенам зданий с перепадами высоты (этажности) по длине.

б

Рис. 1. Виды арматуры для горизонтальных растворных швов: а — сварная сетка лестничного типа; б — сварная сетка с продольными стержнями и диагональными элементами; в — плетеная сетка с продольными стержнями и диагональными элементами; г — просечная сетка; д — сетка из композитного материала; е —спиралевидные стержни 0 6—10мм

г

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Л

п

~г—г

III

Ш

т—г

IE

Г

П

- —— - - _ _ —— -

L

5

1 1 1 1 1 1 1 1 [ 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1111-

1— —1

I I I I 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 3 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

х

г

1,1,1,1,1

I

I. .

II

-

80 см Г

Vi'i'I'I I'I'I1?

; [;  ¡1 í  Í    i  i i;;;

"T~r

_L_I_L

"T~T

___!

rn

' 1 ' ' , '

l . I I I J_U_

i i' г i11 i-t

80 см

I . I , I, I

lili

lili

i : i . .

iiii

iiii

i i T

iiii

i'

80 см

_

цJ.

гд

r=L

80 см

Рис. 2. Способы армирования ненесущих каменных перегородок без дверного (а) и с дверным проемом (б): 1 — горизонтальная арматура; 2 — анкерные пластины; 3 — стяжка пола; 4 — железобетонный каркас; 5 — деформационный шов между перегородкой и перекрытием; 6 — перегородка

Продольное армирование в виде стержней устанавливается вертикально снаружи кладки либо внутри ее, способствует повышению несущей способности стен и столбов при их изгибе и внецентренном сжатии. Такое армирование весьма трудоемко и в зарубежной практике практически не используется. Как будет показано ниже, его альтернативой является поверхностное армирование стен сетками из композитных материалов.

Роль армирования особо возрастает при переходе на кладки с тонкими растворными швами. Достаточно отметить, что сегодня во многих странах Западной Европы до 80% каменных зданий выполняется именно с применением таких кладок. Это стало возможным благодаря технологии изготовления керамических, силикатных и пенобе-тонных блоков с размерами и формой высокой точности. Такие кладки менее трудоемки в возведении, требуют значительно меньшего расхода раствора, более теплостойки из-за отсутствия мостиков холода в виде вертикальных и горизонтальных растворных швов. По своей однородности они приближаются к монолитным неарми-рованным бетонным стенам, в связи с чем обладают пониженной трещиностойкостью. Практика эксплуатации зданий из таких кладок показывает, что они весьма чувствительны к неравномерным температурным и усадочным деформациям, локальным нагрузкам, неравномерным осадкам фундаментов, а также динамическим воздействиям технологического характера: сейсмики либо от движения транспорта.

Рис. 3. Расположение арматуры в горизонтальных растворных швах кладки перегородок с дверными проемами (а), в стенах с оконными проемами (б, в) и на участках стен с перепадами высоты (г) [4]

На рис. 1 приведены наиболее часто используемые в зарубежной практике виды арматуры с широко налаженным промышленным производством.

Такая арматура обычно изготавливается из нержавеющей стали либо с надежной антикоррозионной защитой. Размеры ее сечения зависят от толщины горизонтальных растворных швов. В последнее время все шире начинают применяться арматурные сетки из композитных материалов (рис. 1, д). Следует отметить, что армирование в виде одиночных стержней практически не применяется. Исключение составляют специальные спиралеобразные стержни, напоминающие по форме штопор, изготавливаемые из нержавеющей высокопрочной стали (рис. 1, е). Уникальность такой арматуры заключается в том, что при ее растяжении она стремится выпрямиться. При этом ее продольные деформации значительно выше деформаций обычной гладкой арматуры и приближаются к деформационным свойствам каменной кладки. Благодаря высокому сцеплению с раствором и компати-бильности с кладкой армирование такими стержнями является наиболее эффективным. Спиралеобразные стержни получили массовое применение при усилении существующих каменных зданий с повреждениями типа трещин [1].

Применение того или иного вида арматуры, способ ее расстановки (расположения) зависят от множества факторов, и прежде всего от вида напряженного состояния и ожидаемой морфологии трещин в конструкции. В последнее время актуальным стал вопрос повышения трещино-стойкости ненесущих каменных перегородок, возводимых на железобетонных перекрытиях [2]. Из-за прогибов последних от действия полезной нагрузки и ползучести бетона перегородки работают под собственным весом как поперечно изгибаемые балки - стенки с опиранием на концевых участках. При этом в средних нижних участках перегородок появляются вертикальные трещины, а на концевых участках - косые трещины. Для восприятия возникающих в нижней зоне перегородок растягивающих напряжений ее армируют в соответствии со схемой на рис. 2, а.

б

а

a

5

6

в

г

б

6

2

L

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

-

/

2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

0 0,5 1 1,5 ас

^crc/^crc 1

0,8 0,6 0,1 0,2 0

1,5

ас

Рис. 4. Механизмы разрушения стенового каменного заполнения при перекосе в плоскости стен

б

а

в

L

Высота зоны армирования перегородки в соответствии с [3] должна быть не менее С=0^ либо половины эффективной высоты сечения стены как армированного изгибаемого элемента. Как будет показано ниже, такое армирование также замедляет развитие косых трещин в крайних участках перегородок. Достаточно эффективный способ армирования перегородок с дверными проемами показан на рис. 2, б. Арматура размещается на железобетонном перекрытии под полом и анкерится в вертикальных растворных швах кладки. При изгибе плиты перекрытия такая арматура работает как затяжка. Иной способ армирования перегородок с дверными проемами показан на рис. 3, а. Арматура размещается над перемычкой, препятствуя образованию косых трещин в углах дверных проемов и в простенках, где также могут появиться косые трещины [4]. Следует отметить, что морфология трещин зависит от множества факторов: соотношения размеров перегородок L/H, размеров и расположения дверных проемов, соотношения изгибных жесткостей перегородки и перекрытия и т. д. [2].

Весьма чувствительными к трещинообразованию в современных каменных стенах являются участки с концентрацией напряжений. Это прежде всего угловые зоны оконных проемов (рис. 3, б), междуоконные пояса при опирании на них узких простенков (рис. 3, в), участки стен с перепадами высот (рис. 3, г).

Обычно арматуру располагают в таких зонах в соответствии с распределением силовых потоков, увеличивая расстояние между ее рядами по мере удаления от зоны

концентрации напряжений (рис. 3, б, г). Весьма чувствительными к трещинообразованию и требующими армирования являются самонесущие каменные стены, связанные с каркасом здания и работающие на поперечный изгиб, а также стеновые заполнения каркасов, работающие на перекос в плоскости стены от действия горизонтальных нагрузок либо неравномерных осадок фундаментов. Возможны следующие механизмы разрушения таких стен (рис. 4, а):

- растяжение перпендикулярно горизонтальным растворным швам;

- сдвиг в плоскости горизонтальных растворных швов;

- раздробление кладки в результате ее двухосного сжатия;

- растяжение перпендикулярно действию главных растягивающих напряжений ст с образованием косой диагональной трещины.

Последний механизм трещинообразования встречается наиболее часто. При этом эффективность армирования таких стен прежде всего зависит от соотношения сжимающих стс и скалывающих напряжений т.

Обширные экспериментальные исследования этого вопроса обобщены в работе [5]. Испытаниям подверглись фрагменты каменных стен размером LXHXd = 1,6X1,4X0,25 м, выполненные из кирпича класса 20 на цементно-известковом растворе класса М10. В качестве арматуры, располагаемой в горизонтальных растворных швах, использовались стержни периодического профиля и арматура, показанная на рис. 1, б. Варьируемыми параметрами являлись процент армирования |j = 0,05% и |j = 0,1%, а

Материал стен Толщина стены < 140 мм Толщина стены > 140 мм

Без армирования С армированием через 450 мм С армированием через 225 мм Без армирования С армированием через 450 мм С армированием через 225 мм

Кирпич глиняный е*<0,1 мм/м 15 20 >20 15 20 >20

Камни силикатные, бетонные, в т. ч. из легких бетонов 0,1<е*<0,4 мм/м 8 12 14 8 14 16

Камни из газосиликата, пенобетона е*>0,1 мм/м 6 10 12 6 12 14

£* - суммарные значения усадочных и температурных деформаций.

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 5. Фрагмент фасада здания с вертикальными неперевязанны-ми швами: 1 — вертикальные швы; 2 — сетки армирования

также величина сжимающих напряжений стс = 0; 0,5; 1 и 1,5 МПа. Все опытные образцы доводились до разрушения при постоянном значении стс путем возрастания горизонтальной нагрузки (скалывающих напряжений т). Все образцы разрушались в результате образования диагональной косой трещины и с перекосом на величину угла 6 (рис. 4, а). Наиболее интересные результаты испытаний представлены на рис. 4, б, в. Данные относятся для процента армирования ^ = 0,1% арматурой как на рис. 1, б (штриховые линии) и двумя стержнями периодического профиля, уложенными в горизонтальные растворные швы (сплошные линии). Параметр т*сгс/тсгс на графиках означает соотношение величин скалывающих напряжений в армированных (т*сгс) и неармированных (тсгс) образцах, при которых происходило трещинообразование, - вторая группа предельных состояний согласно норме [6]. В соответствии с обозначениями на рис. 4, а параметр 6*/6 означает соотношение углов перекоса в момент образования косых трещин армированных и неармированных образцов. Из анализа приведенных графиков можно сделать вывод, что армирование повышает не только трещиностойкость, но и сдвиговую жесткость стен. Наибольший эффект достигается, когда сжимающие напряжения стс в кладке приближаются к нулевым значениям, что соответствует работе несущего каменного заполнения каркасов на перекос в плоскости стен, Из графиков видно также, что армирование одиночными стержнями менее эффективно, чем соединенными между собой диагональными элементами. Эффективность армирования не была пропорциональна его проценту: увеличение ^ с 0,05% до 0,1% привело к возрастанию величины напряжений трещинообразования т* всего лишь на 4-8%.

Рис. 6. Армирование кладки сетками из композитных материалов: а — состав штукатурного слоя с двумя сетками армирования; б — армирование каменного свода

Часто образование трещин в каменных конструкциях является следствием влияния усадочных и температурных деформаций кладки. Наиболее чувствительны к таким деформациям кладки из газосиликатных и газобетонных (пенобетонных) камней. Обычно трещины от указанных деформаций появляются в углах дверных и оконных проемов, в углах зданий либо по их длине при недостаточном расстоянии между вертикальными деформационными швами [7, 8]. Практика показывает, что армирование кладки путем размещения арматуры в горизонтальных растворных швах позволяет увеличить расстояние между вертикальными деформационными швами в стенах до двух раз. Максимальные расстояния в метрах между вертикальными деформационными швами для армированных и неармированных каменных стен приведены в таблице [9].

Иногда вертикальные швы, непрерывные по высоте зданий, устраивают для придания архитектурной выразительности неоштукатуренных каменных фасадов зданий. Армирование таких стен является неизбежным и, как показывает практика, эффективным (рис. 5).

Как уже отмечалось, современные каменные конструкции, особенно на тонких растворных швах, весьма чувствительны к трещинообразованию при динамических воздействиях и неравномерных осадках фундаментов, например на территориях с горными выработками. В таких случаях обычно устраивают в уровне перекрытий железобетонные пояса жесткости. Последние кроме трудоемкости изготовления должны быть утеплены во избежание мостиков холода и разности температурных деформаций между ними и основной кладкой стен. В связи с этим, например в Германии, железобетонные пояса заменяются армировани-

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

ем кладки с насыщением арматуры, расположенной в горизонтальных растворных швах, в зоне перекрытий. Опыт эксплуатации зданий с такими армокаменными поясами показал их высокую эффективность.

Размещение арматуры в горизонтальных растворных швах связано с дополнительной трудоемкостью при возведении каменной кладки и практически невозможным контролем качества армирования. Кроме того, не всегда такое армирование может быть эффективным, особенно в случаях работы каменной кладки в условиях сложного напряженного состояния. В этом случае повышение трещино-стойкости и прочности кладок возможно за счет армирования поверхности стен с помощью сеток из композитных материалов.

По этой технологии увлажненная поверхность кладки покрывается трехмиллиметровым слоем раствора из неорганических минеральных материалов с модифицированными полимерными добавками, в который утапливается армирующая сетка из композитных материалов. Затем наносят защитный штукатурный слой толщиной 8-10 мм, и уже его поверхность подвергается финишной обработке. При необходимости в защитный слой может утапливаться вторая сетка, обеспечивающая повышенную прочность усиления (рис. 6, а).

Такая система усиления известна за рубежом как FRCM (Fibre Reinforced Cementitious Matrix), а ее разновидностью является система Ruredilx Mech. В них используются сетки из углеволокон, обладающие следующими механическими свойствами: прочность на растяжение 4800 МПа; модуль упругости 240 ГПа; деформативность при разрыве 1,8%. Используются также сетки из арамидных и стекловолокон. Рассматриваемая система обладает следующими достоинствами:

- простой технологии;

- высокой сцепляемостью армирующего штукатурного слоя к поверхности каменной кладки;

- высокой компатибильностью армирующего слоя с кирпичной кладкой, т. е. сближенными деформационными характеристиками, такими как модули упругости, коэффициенты температурного расширения;

- высокой огнестойкостью, коррозионной стойкостью, водостойкостью и паропроницаемостью, что позволяет производить армирование каменных конструкций как изнутри, так и снаружи зданий.

К достоинствам рассматриваемого способа следует отнести его универсальность и возможность использования для любых форм и очертаний конструкций (рис. 6, б). В зарубежной практике он успел найти широкое применение для усиления каменных зданий и сооружений, подвергающихся динамическим воздействиям, которые возникают, например, от сейсмических воздействий, движения транспорта и работы технологического оборудования. Что касается стран СНГ, в том числе и России, то у нас этот метод только начинает внедряться.

В данной ситуации кроме анализа и выявления рациональных областей применения рассматриваемого способа ремонта и усиления авторами проводятся экспериментально-теоретические исследования его эффективности. В частности, реализуется концепция рационального армирования для разных видов каменных конструкций в зависимости от вида их напряженного состояния либо морфологии трещин. Согласно этому армирующие сетки должны размещаться

так, чтобы направления их волокон были перпендикулярны трещинам, либо при отсутствии последних совпадали с траекторией главных растягивающих напряжений, которые устанавливаются расчетным путем [10].

В заключение следует отметить что, несмотря на имеющийся практический опыт и многочисленные экспериментально-теоретические исследования в зарубежной, равно как и отечественной нормативной литературе, приводятся весьма ограниченные данные относительно методов расчета каменных конструкций, которые армируются вышеперечисленными способами. Во многих случаях армирование назначается методом так называемой инженерной интуиции без должного расчетного обоснования. Известные расчетные модели армированных каменных конструкций [3, 7], построенные по аналогии с железобетонными (на основе статического равновесия внешних и внутренних сил в расчетных сечениях), позволяют получить относительно хорошую сходимость с опытами лишь для простейших случаев, например изгибаемых элементов. В более сложных ситуациях, например в случае армирования участков каменных стен, работающих в условиях сложного НДС, практические методы расчета отсутствуют вообще. Учитывая сложный характер совместной работы арматуры с каменной кладкой, обладающей неоднородной структурой и анизотропными свойствами, построение универсальных инженерных методов расчета является проблематичным. Альтернативой могут быть численные методы, в основу которых положен метод конечных элементов, реализуемый с помощью доступного программного обеспечения.

Список литературы

1. Helifix Stress Free Structural Solutions: London, 2001. www.helifix.com.

2. Деркач В.Н. О морфологии трещин, возникающих во внутренних перегородках современных зданий // Вестник Брестского государственного технического университета. Строительство и архитектура. 2010. № 1. С. 43-45.

3. EN 1996-1-1:2005 Eurocode 6- Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten. Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk. 127 s.

4. Murauer Th. Edelstahl im zweischaligen MauerwerkSicherheit im Hintergrund // Mauerwerk. № 10. 2006. S. 230-234.

5. Jasinski R. Badania zbroyonych scian ceglanych scinanych poziomo // Przeglad Budowlany. № 9. 2009. S. 28-36.

6. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР М.: ЦНИИОМТ Госстроя СССР, 1985. 34 с.

7. Brameshuber W, Schubert P., Schmidt U., Hannawald J. Rissfreie Wandiange von Porenbeton-Maurewerk// Mauerwerk. № 4. 2006. S. 132-139.

8. Schubert P. Mauerwerk. Risse vermeiden und indstandsetzen. Fraunhofer IRB Verlag: Stuttgart, 2004. S. 54-68.

9. Murfor. Zbrojenie murow. N.V.Bekaert S.A, 1999. 45 s.

10. Орлович Р., Мантегацца Д., Найчук А., Деркач В. Современные способы ремонта и усиление каменных конструкций // Архитектура, дизайн и строительство. 2010. № 1 [44]. С. 86-87.

11'2011

39