Натурное и численное моделирование НДС кладок на древесных заполнителях

НАТУРНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС КЛАДОК НА ДРЕВЕСНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

NATURAL AND NUMERICAL SIMULATION OF STRESSSTRAIN STATE OF BLOCKWORK WITH WOOD FILLERS

С.Ю.Лихачева, М.А.Лебедев

S. Yu.Likhacheva, M.A. Lebedev

ННГАСУ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований столбов, выполненных из опилкобетонной и гипсоопилочных кладок, при кратковременном и длительном сжатии, а также численных исследований этих столбов на основе МКЭ.

The results of the tests of the columns executed from wood-concrete and wood-gypsum concrete block work at short-term and long compression are given in the paper. Also some results of numerical researches of these columns on the basis of МКЭ are given.

История применения в строительной индустрии деревобетонов насчитывает более 50 лет, но если ранее использовались плиты из этого композиционного материала, то на данный момент все большое распространение в малоэтажном строительстве получают кладки из камней и кирпичей на древесных заполнителях. Такое строительство ориентировано главным образом на частных застройщиков, предъявляющих повышенные требования к эксплуатационным свойствам здания (экологическая чистота материалов, комфортность проживания) и к экономичности (меньшая стоимость процесса возведения, низкие затраты на обогрев здания).

Опилкобетонные камни и кирпичи представляют собой искусственный безобжиговый стеновой строительный материал, изготовленный методом вибропрессования из легкого бетона, песка, модифицирующих добавок и опилок хвойных пород крупностью 2 - 5 мм, и отвердевший в естественных условиях или в условиях тепловлажно-стной обработки при атмосферном давлении.

При изготовлении опилкобетонных камней и кирпичей старые, долго пролежавшие опилки и те, которые во время эксплуатации могут быть подвергнуты действию влаги, следует подвергать специальной обработке. Но в тоже время практика применения опилкобетона в нашей стране показывает, что в присутствии цемента свежие опилки не подвержены гниению, и их обработка необязательна. Это обстоятельство подтверждается и собственным опытом - при исследовании технического состояния стен здания в Нижнем Новгороде, эксплуатируемого в течение 9 лет без наружной отделки, проведенного специалистами кафедры конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс ННГАСУ, не было выявлено признаков гниения опилок в структуре опилкобетонных кирпичей, изготовленных без минерализации опилок.

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Гипсоопилочные камни отличаются от опилкобетонных тем, что в их состав помимо бетона входит еще и строительный гипс с различными замедлителями схватывания.

Основная причина, препятствующая широкому внедрению таких камней в массовое строительство, - полное отсутствие сведений о механических и прочностных характеристиках кладок на их основе.

В лабораториях деревянных конструкций Нижегородского архитектурно-строительного университета были проведены масштабные натурные экспериментальные исследования кратковременной и длительной прочности кладок из опилкобетонных и гипсоопилочных камней, сплошных и пустотелых, а также столбов из опилкобетонных кирпичей [2, 4, 6].

При исследованиях кратковременной прочности было испытано 36 опытных образцов кладки из опилкобетонных камней типа «Крестьянин», 44 - из таких же гипсоопилочных и 40 - из опилкобетонных кирпичей. Испытания проводились сериями, в которых менялась прочность камней и растворов, высота столбов и размеры поперечных сечений. В каждой серии испытывалось по 4 столба.

По результатам проведенных испытаний в каждой серии были определены средние значения предела прочности камня, раствора и кладки, также начального модуля деформаций, а для некоторых серий - коэффициента поперечного расширения. Все результаты кратковременных и длительных испытаний подвергались тщательному статистическому анализу.

Разрушение образцов из всех исследуемых видов кладок начиналось с появления вертикальных трещин в отдельных камнях над горизонтальными швами (рис. 1). Нагрузка, при которой появлялись первые трещины Лр находилась в пределах 0,68.. .0,78 от разрушающей Лр ив среднем составила Лр = 0.75 Лр.

—

1т

В)

Рис.1. Фотографии разрушения столбов из опилкобетонных (а) и гипсоопилочных (б) камней и из опилкобетонных кирпичей (в) при кратковременном сжатии

Для расчетной оценки предела прочности кладок на древесных заполнителях согласно была использована формула Л.И. Онищика. Определяющие коэффициенты, входящие в эту формулу, до описываемых исследований для всех видов кладок были не определены. На основе результатов испытаний методом последовательных приближений они были получены и представлены в табл.1.

Таблица 1

Вид кладки а Ь т п

Гипсоопилоч- из сплош- 0,1 0,3 1,0 1,5

ная ных камней

из пусто- 0,15 0,3 1,5 2,5

телых камней

Опилкобетон- из пусто- 0,08 0,3 1,0 1,95

ная телых камней

из кирпи- 0,2 0,3 1,0 2,0

чеи

Проведенное для всех 20 серий сравнение экспериментальных значений пределов прочности кладки при сжатии с расчетным , вычисленными по формуле Л.И. Онищика, показало хорошее совпадение. Максимальное отличие экспериментального значения предела прочности кладки от расчетного составило 11%.

Из анализа кривых деформирования всех изученных кладок из опилкосодержа-щих камней и кирпичей был сделан вывод, что при величине напряжения а > ст1.2 = 0,65Яи происходит интенсивное развитие продольных и особенно поперечных деформаций кладки. Предлагается считать значение ст1.2 = 0,65Яи пределом конструктивной прочности любой кладки из камней и кирпичей на древесных заполнителях.

Для получения экспериментальных данных о характере изменения деформаций ползучести кладки также были проведены длительные испытания образцов - столбов из сплошных гипсоопилочных камней и пустотных опилкобетонных, а также - из опилкобетонных кирпичей. Результаты анализа полученных экспериментальных данных подробно описаны в работах [3, 5, 7]. Для всех проведенных исследований выявлены следующие закономерности:

а) линейная зависимость между относительными деформациями ползучести и начальным относительным уровнем напряжений;

б) процесс ползучести каждой кладки в отдельности может быть описан одной кривой - графиком зависимости характеристики ползучести от времени измерения деформаций.

Проведенные исследования позволили определить предельно низкое критическое напряжение сжатых элементов с учетом влияния фактора времени, а также получить зависимость для определения граничного значения гибкости столбов изучаемых кладок в любой момент времени.

Появление мощных ЭВМ сделало возможным проведение расчетов элементов строительных конструкций, в том числе и каменных, на основе использования современных математических моделей. Среди различных численных методов, реализующих эти модели, особое место занимает метод конечных элементов (МКЭ), благодаря своей универсальности в программной реализации и естественности механической природы.

В численных исследованиях кладок на древесных заполнителях были использованы: программный комплексы УПАКС [2] (созданный в НИИ механики при Нижегородском Государственном университете им. Н.И.Лобачевского) и АКБУБ версия 11.0

1/2011

ВЕСТНИК МГСУ

(работа проводилась совместно с кафедрой кафедры информатики и прикладной математики МГСУ)[1].

Некоторые результаты численного моделирования представлены на рис.2, 3.

Эгшры плрАмстрк ^алщисчии лс гцнипцхн г/х

¿Б9 -и 55А0 45!) гв :Г!В Л ¿59-в

15В-В

„¡п - ЩГ1Е>Я1Г, № =

ч

и.н 1ВВ.в \>т ъ №(1 и Бю.е ьва в

Рис. 2. Эпюры поврежденности участка с трещиной столба, представленного на рис.1, б, полученные с использованием ПК УПАКС

а)

б)

Рис. 3. Моделирование поведения столба, представленного на рис. 1 в, выполненного с использованием ПК АЫБУБ а) конечно-элементное разбиение столба и плиты; б) распределение продольных перемещений

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, финансируемых за счет средств федерального бюджета, выделяемых по направлению расходов «НИ-ОКР», мероприятию 1.3 «Проведение научных исследований молодыми учеными -

кандидатами наук и целевыми аспирантами в научно-образовательных центрах» (ГК № П1186 от 27.08.09) .

Литература

1. Дубинский С.И. Лихачева С.Ю., Численное моделирование разрушения кладки из опилкобетонных кирпичей с использованием программного комплекса ЛЫ8У8//Приволжский научный журнал. 2010. №2. с.7-10.

2. Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Численные исследования деформационно-прочностных свойств кладки из гипсоопилочных камней // Приволжский научный журнал. 2007. №3. с.68-75.

3. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Ползучесть кладки из опилкобетона // Жилищное строительство.2010, № 3, С.25-27.

4. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Экспериментальные исследования прочности и деформативности кладки из опилкобетонных кирпичей при кратковременном сжатии// Вестник РААСН Волжского регионального отделения.2009. Вып.12. с.203 - 210.

5. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Длительная прочность кладки из гипсоопилочных камней// Приволжский научный журнал. 2009. №4. с.39-42.

6. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Шурышев И. Н. Кратковременная прочность кладки из опилкобетонных камней при одноосном сжатии //Приволжский научный журнал. 2009. №4, с.13-18.

7. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Шурышев И. Н. Длительная прочность кладки из опилкобетонных камней при одноосном сжатии //Приволжский научный журнал. 2010. №2, с.19-26.

The literature

1. Dubinsky S. I., Likhacheva S. Yu. Numerical modelling of wood-concrete brick work destruction using ANSYS// Volga scientific journal. 2010. №2.p.7-10.

2. Likhacheva S. Yu., Kondrashkin O.B. Numerical investigations of the deformation-strength properties of wood-gypsum concrete block work // Volga scientific journal. 2007. №3. p.68-75

3. Tsepaev V.A, Lebedev M.A. , Likhacheva S. Yu. Creep of the wood concrete// Housing bilding.2010, № 3, p.25-27

4. Tsepaev V.A, Lebedev M.A. , Likhacheva S. Yu. Experimental tests of the strength and deformability of wood-concrete masonry for short compression//Bulletin of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences of the Volga regional office.2009. №.12. p.203 - 210.

5. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Kondrashkin O.B. Durability of wood-gypsum concrete block work// Volga scientific journal. 2009. №3, p.39-42.

6. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Shuryshev I.N.Short-term strength of sawdust concrete block work under uniaxial compression// Volga scientific journal. 2009. №4, p.13-18.

7. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Shuryshev I.N. Durability of sawdust concrete block work under uniaxial compression// Volga scientific journal. 2010. №2, p.19-26.

Ключевые слова: испытания, опилкобетонные камни, кладка из гипсоопилочных камней, опил-кобетонные кирпичи, кратковременная прочность, длительная прочность, ползучесть, метод конечных элементов, численное моделирование.

Key words: tests, wood concrete blocks, wood-gypsum concrete block work, wood-concrete brick, short-term strength, strength under sustained load, creep, the finite element method, numerical simulation.

E-mail авторов: lihsvetlana@yandex.ru

Рецензенты: А.К.Ломутов доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник НИИМ ННГАСУ, С.В.Зефиров кандидат технических наук ведущий научный сотрудник НИИМ ННГАСУ