close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000103114

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГОЙ1САЛОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
ПРОЧНОСТЬ и ДЕФОРМАТИВНОСТЬ
С Ж А Т Ы Х ЭЛЕМЕНТОВ КЛАДКИ
ИЗ М Е Л К И Х ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ БЛОКОВ
С К О С В Е Н Н Ы М АРМИРОВАНИЕМ
05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж - 2005
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования Воронежском государственном
архитектурно-строительном университете на кафедре железобетонных и
каменных конструкций.
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Никулин Александр Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Маилян Левой Рафаэлович
кандидат технических наук, доцент
Ушаков Игорь Иванович
Ведущая организация:
0 0 0 Управляющая компания
"ЖИЛПРОЕКТ"
Защита состоится « 2 2 » d^*^>^^
2005г. в 'i^ чзлаъ на заседании
диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном
архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул.
20-летия Октября, д. 84, ауд. 20, корпус 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан « ^v» н о J L * ^ 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
В.В. Власов
2cf^
£3£2V
Z2lJt96l
,
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Подавляющее большинство современных жилых
зданий выполняется из различных видов бетонных и каменных конструкций,
сохраняющих за собой доминирующее положение на самую далекую
перспективу. За последнее время значительно возросла роль ячеистых бетонов,
которые находят все более широкое применение, не только как
тешюизоляхдаонный, но и как эффективный конструкционный материал для
несущих конструкций жилых зданий. В настоящее время при общем
сокращении объемов строительства произошло перераспределение доли
сборных бетонных и каменных стеновых конструкций в общем объеме
строительно-монтажных работ. Наметилась тенденция сокращения выпуска
продукции домостроительными комбинатами, производящими стеновые панели
для крупнопанельного домостроения. Однако, в то же самое время, большого
спада производства на предприятиях, выпускающих мелкоштучные стеновые
материалы, не наблюдается; более того, за последние годы введены в
эксплуатацию новые заводы и линии по производству мелкоштучных стеновых
изделий, в основном, мелких ячеистобетонных блоков. Такое
явление
продиктовано экономическими факторами, обусловливающими необходимость
использования наиболее эффективной продукции, исходя из ее стоимости,
теплопроводности, экологичности и т. п.
Проблема становится актуальной, особенно в настоящее время, в связи с
изменением теплотехнических требований к ограждающим конструкциям
зданий, обусловленным значительным удорожанием энергоресурсов. В свете
реализации новых общероссийских
нормативов по теплозащите
и
энергосбережению
зданий
происходит
пересмотр
традиционных
конструктивных решений наружных стен и переоценка эффективности
стеновых материалов.
Наиболее широкие исследования ячеистых бетонов производились в 1950
- 1970 г. г. в период их массового внедрения и освоения промышленного
производства, однако использовались они, в основном, как самонесущий
теплоизолирующий материал в конструкциях и элементах, исключающих
восприятие внешней нагрузки. Применение ячеистого бетона, в том числе и в
несущих конструкциях открывает широкие возможности их использования.
Создания принципиально новых и эффективных строительных конструкций
дает возможность не только з'меньшить размеры и массу конструкций, но и
одновременно уменьшить вес всего здания, что позволит значительно снизить
нагрузку на основание и уменьшить размеры фундаментов.
В действующих нормативных документах в связи с недостаточной
изученностью свойств ячеистобетонных конструкций отс)ггствует ряд
положений по их проектированию. В частности, это относится к элементам
кладки из мелких ячеистобетонных блоков с косвенным армированием, что
препятствует
их
практическому
использованию.
Опыт
применения
конструкций из кирпичной кладки показ^^^^дЩ^^й^етюе ^армирование
БИБЛИОТЕКА
Jl
iiTlS^P-
является
эффективным
средством
для
увеличения
прочности,
трещиностойкости и снижения материалоемкости сжатых элементов. В
настоящей
работе
предпринята
попытка
восполнить
этот
пробел
применительно к кладке из мелких ячеистобетонных блоков. Решение
поставленных в диссертационной работе задач позволит использовать
поперечную арматуру при проектировании сильно нагруженных наружных
стеновых элементов зданий и сооружений, выполненных в виде кладки из
мелких ячеистобетонных блоков, повысить этажность зданий и уменьшить их
общий вес.
Основная цель работы - выявление возможности использования
стеновых элементов в виде кладки из мелких ячеистобетонных блоков в
качестве не только ограждающих, но и несущих конструкций зданий высотой
до 10-ти этажей за счет использования эффекта косвенного армирования,
создаваемого стальными сетками, уложенными в горизонтальные растворные
швы кладки.
В соответствии с поставленной целью были решены следуюш^ие задачи:
- исследовано влияние процентного содержания поперечной арматуры
на прочностные и деформативные свойства кладки из мелких ячеистобетонных
блоков при осевом кратковременном сжатии;
- получены экспериментальные данные, характеризующие напряженнодеформированное состояние (НДС) элемента ячеистобетонной кладки с
поперечным армированием на различных стадиях его работы;
- определена степень включения поперечной арматуры сварных сеток в
работу элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков;
экспериментально
определен
коэффициент
эффективности
армирования сетками кладки из мелких ячеистобетонных блоков;
- разработаны рекомендации по расчету и конструированию сжатых
осевой нагрузкой стеновых элементов в виде кладки из мелких
ячеистобетонных блоков, армированной сварными сетками;
- разработана конечно-элементная расчетная схема элемента кладки из
мелких ячеистобетонных блоков с поперечным армированием, адекватно
отражающая напряженно-деформированное состояние натурной конструкции
для дальнейших исследований при внецентренном сжатии;
результаты
проведенных
экспериментальных
исследований
использованы путем организации их опытного внедрения в производство;
- оценен технико-экономический эффект внедрения результатов
проделанной работы.
Научная новизна работы определяется полученными результатами,
основными из которых являются:
- впервые получены экспериментальные данные о несущей способности
и деформативности элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков,
армированных сварными сетками;
- получены аналитические зависимости, оценивающие влияние
процентного содержания косвенной арматуры в элементе кладки на его
несущую способность и деформативность;
- разработана методика расчета коротких, сжатых осевой нафузкой и
армированных
сварными
сетками
элементов
кладки
из
мелких
ячеистобетонных блоков.
Практическая знаянмость работы заключается в разработке ранее
отсутствовавшей методики расчета и рекомендаций по конструированию
элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков, армированных
косвенной арматурой в виде сварных сеток, что позволяет повысить их
несущую способность без изменения размеров поперечного сечения
Применение конструктивных решений наружных стен, выполняющих
наряду с несущей и теплоизолирующую функцию, позволит увеличить
высотность проектируемых зданий, которая в настоящее время ограничена
пятью этажами вследствие относительно низкой прочности ячеистого бетона.
Выполнение таких специальных мероприятий, как укладка арматурных сетс>к в
горизонтальные растворные швы кладки в процессе возведения конструкции
позволяет повысить этажность возводимых зданий из ячеистого бетона. К тому
же, такой способ армирования, с производственной точки зрения, достаточно
технологичен и уже применен в реальном строительстве.
Реализация работы. Полученные экспериментальные данные и
разработанная на их основе .методика расчета и практические рекомендации
получили проверку в натурных условиях и опытном внедрении. Результаты
исследований использованы:
- при проектировании и строительстве жилого дома № 33 по ул.
Смоленская в г. Воронеже, наружные несущие стеновые конструкции которого
выполнены в виде кладки из мелких ячеистобетонных блоков, армированной
сварными сетками.
- при разработке курсовых и дипломных проектов студентами
строительного факультета Воронежского государственного архитекгурностроительного университета.
Достоверность полученных результатов и выводов по работе
обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с
использованием современных средств исследований и измерений, применением
математических методов планирования экспериментов и статистической
обработкой результатов, а также опытными испытаниями элементов кладки
натурных размеров и их положительным практическим эффектом.
Публикации
и
апробация
работы.
Основные
результаты
исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 7 печатных работах.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на ежегодных
научно - технических конференциях В Г А С У (2001 - 2005 г г.), международной
научно - практической конференции ( X V I I Научные чтения) "Современные
технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (г.
Белгород, 2005 г.).
На защиту выносятся:
- результаты экспериментально-теоретических исследований элементов
строительных конструкций, выполненных в виде кладки из .мелких
ячеистобетонных блоков с армированием поперечными сетками, анализ этих
результатов;
- методику расчета несущей способности коротких сжатых элементов
кладки из мелких ячеистобетонных блоков, армированных сварными сетками
при осевом вертикальном приложении нагрузки;
- предложения по практическому расчету и конструированию элементов
кладки из мелких ячеистобетонных блоков с косвенным армированием
сварными сетками.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре
главы, основные выводы, список использованных источников из 117
наименований и четыре приложения. Работа содержит 161 страницу сквозной
нумерации, 12 таблиц и 36 рисунков.
СТРУКТУРА РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
выбранной
темы,
сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость
работы.
В первом разделе выполнен анализ литературных и патентных работ,
посвященных состоянию вопроса и задачам диссертационной работы. В
результате проведенного анализа сложилось представление о достижениях
российских и зарубежных ученых в области исследования косвенного
армирования материалов, обладающих различным сопротивлением растяжению
и сжатию. Начало испытаниям образцов из различных хрупких материалов в
условиях ограничения поперечных деформаций было положено Кепеном,
Вайсом, а так же Киком, которые испытывали образцы из мрамора и других
материалов, заключенных в спиральную обойму. Опыты Кармана показали, что
прочностные свойства хрупких материалов, какими являются каменные
материалы, применяемые для кладки, в условиях поперечного обжатия
используются в значительно большей степени. В результате своих
экспериментов над мрамором и песчаником Карман сумел получить
бочкообразную форму образца при разрушении, характерную для пластичных
материалов.
Если начало исследования косвенного армирования тяжелого бетона
относится к 1902 -1925 г. г., то первые публикации об исследованиях ячеистого
бетона, армированного в поперечном направлении, относятся к 1978 - 1980 г. г.
Целенаправленные систематические исследования центрально- и внецентренно
сжатых конструкций с косвенным армированием на основе тяжелых и
высокопрочных цементных бетонов, как при кратковременном, так и при
длительном действии нагрузки проводились, в основном, в НИИЖБе Госстроя
СССР. Значительно меньший объем исследований в условиях трехосного
сжатия проведен для конструкций из ячеистых бетонов, результаты которых
изложены в работах К. П. Муромского, В. С. Писарева, Л . Г. Почтенко, Ю. В.
Свидзинского. Высокая эффективность применения косвенного армирования в
виде спиралей и сеток для новых видов бетонов на синтетических связующих -
полимербетонов, была доказана и исследована в работах А. В. Никулина, Ю. Ф.
Рогатнева, И. И. Ушакова.
В бывшем СССР проведен большой объем экспериментальных и
теоретических
исследований каменной кладки. Наиболее
значимые
исследования каменньк и армокаменных конструкций, результаты которьпс
положены в основу действующих норм, проведены, главным образом, в
ЦНИПСе и ЦНИИСКе под руководством Л. И. Онищика. Исследованию
прочности и деформативности каменных и армакаменных конструкций
посвящены работы А. С. Дмитриева, В. А. Камейко, И. Т. Котова, Н. И.
Кравчени, Н. И. Левина, В. П. Некрасовым, П. Л . Пастернака, С. В. Полякова,
Н. А. Попова, А. И. Рабиновича, С. А. Семенцова, А. Г. Фигарова, А. А.
Шишкина. Более поздние работы исследователей каменнЕлс конструкций
посвящены, в частности, исследованию прочностных характеристик кладки из
высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков, а также комплексной
кладки в виде композитного элемента с внутренним железобетонным каркасом.
Результаты таких исследований приводятся в работах В. В. Бабкова, А. М.
Гайсина, А. Н. Чикоты. Изучению работы каменных стен при совместном
действии вертикальных и горизонтальных сил посвящены работы Д. В.
Артюшина, Т. И. Барановой, Н. Н. Ласькова, А. В. Туманова, в которых
показано, что армирование кладки сетками наиболее эффективно, поскольку
значительно повышало прочность и трещиностойкость опытных образцов.
Результатом проведенного анализа работ вышеуказанных и ряда других
авторов были выявлены основные факторы, влияющие на прочность и
деформативность каменной кладки, армированной сварными сетками.
В данном разделе также рассмотрены основные физико-механические
характеристики ячеистых бетонов и преимущества их применения в качестве
материала для несущих и ограждающих конструкций. Автоклавный ячеистый
бетон имеет малый объемный вес, относительно высокую прочность и
морозостойкость, низкую теплопроводность, что дает возможность применять
его как эффективный конструкционный стеновой материал, совмещающий в
конструкции несущие и теплоизолирующие функции. Технологические
процессы производства силикатных ячеистых бетонов разработаны на основе
фундаментальных исследований П. И. Боженова, А. В. Саталкина, А. В.
Волженского, их последователей и учеников. Наибольшее распространение
получили автоклавные ячеистые бетоны, более половины выпуска которых
приходится на газосиликат - выбранный материал камня исследуемой в данной
работе конструкции. Благодаря научной деятельности А. А. Федина, связанной
с проблемами заводской технологии автоклавных силикатных материалов, в г.
Воронеже в 1958 г. впервые в нашей стране было организовано промышленное
производство газосиликатных блоков и панелей и начато массовое
строительство из них жилых домов, наружные стены которых в настоящее
время находятся в удовлетворительном состоянии. В дальнейшем развитие
производства газосиликата стало возможным благодаря исследованиям Е. М.
Чернышева и его школы, направленные на оптимизацию структуры и свойств
этого материала.
8
Обобщение результатов проанализированных работ свидетельствует о
полном отсутствии экспериментальных данных о несущей способности и
деформативных свойствах кладки из мелких ячеистобетонных блоков,
армированной поперечными сетками. Проведенный анализ позволил
определить цели, задачи диссертационной работы и обосновать ее
актуальность.
Во втором разделе приведен теоретический анализ работы кладки из
мелких ячеистобетонных блоков под нагрузкой, рассмотрено напряженнодеформированное состояние в элементах кладки и выполнена его
количественная оценка, учитывающая различные жесткостные характеристики
кладочных слоев и условия их работы в структуре кладки. Также рассмотрено
поведение ячеистобетонной кладки на различных стадиях ее работы с учетом
применения различной марочности и состава кладочного раствора и хрупкого
характера разрушения кладки, обусловленного применением для кладки
автоклавного силикатного материала, разрушение которого при сжатии
является
хрупким.
Установлено,
что
использование
стандартной
классификации характерных стадий работы под нагрузкой для ячеистобетонной
кладки является неприемлемой, поскольку не учитывает хрупкости материала
камня в кладке, что может привести на практике к неверной оценке запаса
несущей способности и несвоевременному принятию мер по ее усилению или
снижению действующих нагрузок.
Результатом анализа деформативных свойств ячеистобетонной кладки
стали зависимости, определяющие изменение модуля деформаций кладки Б (1)
и зависимости О — ez (2). Поскольку при расчетах по действующим нормам
учитывается усредненный коэффициент пластичности, равный 0,91 для всех
случаев, вне зависимости от вида кладки, что несколько искажает расчеты, то в
предложенных формулах (1) и (2)
вводится коэффициент пластичности,
учитывающий деформативные свойства ячеистобетонной кладки, что дает
удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.
Е = Ео(1
^ )
(1)
|xRu
^l
а
8z = - — 1 п ( 1
)
а
цКи
(2)
где 1/р, - коэффициент пластичности, характеризующий кривизну
зависимости а - Sz. Значение \х для ячеистобетонной кладки равно 1,75.
В данном разделе была подвергнута критическому анализу методика
назначения расчетного сопротивления кладки из мелких ячеистобетонных
блоков, которое, согласно действующих нормативных документов, получается
делением значения предела прочности кладки, определенного по формуле Л. И.
Онищика на коэффициент надежности по кладке, равный 2,25.
В третьем разделе, исходя из задач исследований, излагается профамма
и методика изучения влияния процента косвенного армирования на НДС
опытных элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков при осевом
кратковременном сжатии, а также приведено описание конструкщ1И опытных
элементов и технологии их изготовления. Диапазон варьирования изучаемого
фактора, количество опытных элементов, последовательность их изготовления
и испытания определялась согласно методике проведения однофакторного
эксперимента. Среди факторов, существенно влияющих на исследуемые
параметры, были рассмотрены: марка и состав раствора, марка камня
(газосиликата), шаг сеток косвенного армирования, диаметр и шаг стержня в
сетке. Так, марку по прочности газосиликата в процессе эксперимента бьшо
решено не изменять, т.к. в практике строительства в основном применяется
газосиликат М35, что также соответствует минимальной марке камня,
возможной к применению в армокаменных конструкций. Следует отметить, что
при увеличении прочности газосиликата возрастает его объемный вес, что
неблагоприятно отразится на термическом сопротивлении проектируемой
конструкции. Основное назначение наружных ограждающих конструкций
состоит
в
обеспечении
требуемого
сопротивления
теплопередаче.
Минимальный шаг сеток косвенного армирования при кладке из мелких
ячеистобетонных блоков соответствует высоте ряда кладки, т.е. 200 мм. При
расположении сеток с большим шагом, превышающим половину наименьшего
сечения элемента, эффективность косвенного армирования резко снижается,
т.к. в момент разрушения образцов образуется плоскость сдвига под углом,
примерно, 40° к вертикальной оси образца, и разрушение может произойти
между сетками. В связи с этим, шаг сеток не менялся и был принят минимально
возможным по технологическим соображениям. Процент косвенного
армирования при постоянном шаге сеток и диаметре арматуры, принятый
равньш 3мм, определялся шагом арматурного стержня в сетке косвенного
армирования. Поэтому крайние значения интервала варьирования подбирались,
исходя из минимального и максимального шага арматурного стержня в сетке,
который равен соответственно 30 и 120 мм.
Сечение опытных элементов было подобрано исходя из минимально
допустимого для несущих элементов кладки из мелких ячеистобетонных
блоков, типов и размеров стеновых ячеистобетонных блоков согласно ГОСТ
21520-89. В соответствии с этим, несущие элементы кладки из мелких
ячеистобетонных блоков толщиной 600 мм наиболее распространены в
практике строительства. Применение крупномасштабной модели в 1/2 - 1/4
натуральной величины позволяет получить качественные и количественные
показатели работы натурного элемента. Таким образом, опытные элементы
были выполнены в виде фрагмента кладки размером 300 х 300 х 1100 мм, что
соответствует требованиям крупномасштабного моделирования. Конструкция
опытных элементов и схема установки на них измерительных приборов
приведена на рисунке 1. На арматурных стержнях сеток, расположенных в двух
горизонтальных растворных швах в средней части опытных элементов,
предварительно фрезеровались пазы, в которые наклеивались тензометрические
датчики сопротивления с базой измерения 20 мм.
10
вид Б
вид А
= s
'
—
'
■
о
о
D
О
О
J
^
I
— '
tu
П^ С1'
1 1т'
1
'
■■ ^ f
гоо
=&■■
о
о
S
о
о
о
о
I
300
i
1
300
1
г-2
Ч=^
I
Jh
ЯР
й
^
и !|йО 60 6о|бО;||и
300
300
1 - вертикальный растворный шов, 2 - горизонтальный растворный шов, 3 газосиликатный блок, 4 - индикатор часового типа 1МИГ, 5 - анкера, 6 соединительная вставка, 7 - арматурная сетка, 8 - датчики сопротивления.
Рисунок 1 - Геометрические размеры и схема установки измерительных
приборов на опытных элементах.
11
Для изготовления всех опытных элементов были применены мелкие
стеновые газосиликатные блоки одной партии производства завода силикатных
стеновых материалов г. Старый Оскол Белгородской области со следующими
основными показателями:
- марка по прочности на сжатие М35;
- марка по средней плотности D600;
- марка по морозостойкости F25.
Для получения необходимых данных по прочностным и деформативным
характеристикам газосиликата были испытаны газосиликатные призмы
размерами 100 х 100 х 400 мм, которые бьши получены путем выпиливания из
массива блоков, применяемых для кладки опытных элементов. Для
установления марки по прочности при осевом сжатии газосиликатных блоков
были изготовлены и испытаны эталонные образцы-кубы с размером ребра 150
мм. При этом направление усилия при испытании контрольных образцов
соответствовало направлению усилия при испытании конструкции (опытных
элементов), поскольку предел прочности при сжатии ячеистого бетона зависит
от направления сжимающей нагрузки относительно направления запивки
ячеистобетонной смеси. Всего было испытано 18 образцов-кубов и такое же
количество призм. При испытании призм как продольные, так и поперечные
деформации измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,001
мм.
По своему механизму разрущение ячеистобетонных призм является
хрупким, развитие макротрещин и разрушение происходило, в основном, во
время выдержки образца на последней ступени нагружения. По результатам
испытаний бьши построены графики изменения коэффициента поперечной
деформации v, дифференциального коэффициента поперечной деформации v" и
относительных объемных деформатщй 6 от уровня нагружения образца. В
результате анализа вышеуказанных зависимостей можно судить не только о
происходящих изменениях в структуре бетона, механизме его разрушения, но и
о возможной степени включения поперечной арматуры в работу сжатых
элементов из ячеистого бетона. По характеру нарастания коэффициентов v и v"
с увеличением действующих напряжений а можно сделать предположение о
получении незначительного эффекта в приросте несущей способности и
использовании прочностных свойств арматуры в сжатых ячеистобетонных
элементах от их поперечного армирования, по сравнению с аналогичными
образцами из тяжелого бетона. Добавив к этому факту наличие большей
упругости у автоклавных ячеистых бетонов и отсутствие
значительных
гшастических свойств, можно заключить, что эффективность косвенного
армирования в сжатых ячеистобетонных элементах будет сравнительно
невелика даже в случае максимального конструктивно возможного содержания
поперечной арматуры. В результате анализа изменения относительных
объемных деформаций 9 установлено отсутствие увеличения относительного
объема образцов, обусловленное нарушением сплошности материала за счет
образования в нем микроразрушений, а полученная до этого уровня
прямолинейная зависимость указывает на постоянное уменьшение объема
образцов при сжатии. То есть, теоретически возможное увеличение видимого
12
объема образцов, происходящее за счет увеличения объема трещин, при сжатии
ячеистого бетона, вследствие его хрупкости и отсутствия значительных
пластических свойств, не происходит вплоть до начала лавинного
микротрещинообразования на последней ступени нагружения с последующим
появлением сквозных магистральных трещин и физическим распадом образцов,
обусловленным потерей устойчивости образовавшихся отдельных столбиков.
В каждой точке плана при выполнении эксперимента проводилось три
параллельных опыта. Таким образом, согласно плану эксперимента было
изготовлено и испытано 12 опытных элементов, армированных сварными
сетками. Так же было изготовлено 3 неармированных опытных элемента
такого же размера, с целью изучения влияния сеток на исследуемые параметры
и несущую способность опытных элементов. Опытные элементы бьши
изготовлены тремя сериями.
Испытание опыгных элементов на осевое сжатие производилось в прессе
ГРМ-2А с шарнирным опиранием торцов и предварительным центрированием
по физической оси методом пробного нагружения. Нагрузка повышалась
ступенями по 0,1 от разрушающей нагрузки неармированного элемента, с
выдержкой на каждой ступени в течение времени, необходимого на визуальный
осмотр элемента и запись показаний приборов, В стадии ожидаемого начала
трещинообразования ступени нагрузки уменьшались вдвое. Измерение
деформаций арматуры производилось электротензометрическим методом с
применением тензометрического моста ЦТМ-5 с блоком коммуникации на 100
точек. Измерение продольных и поперечных деформаций опытных элементов
осуществлялось при помощи индикаторов часового типа с ценой деления 0,001
мм, установленных на базе 200 мм как в продольном, так и в поперечном
направлениях на всех его четырех гранях. Нагружение опытных образцов
производилось до их разрушения. Полное исчерпание несущей способности
опытных элементов определялось по началу падения давления по
силоизмерительной шкале пресса. Опыты показали прирост несущей
способности опытных элементов с увеличением процента косвенного
армирования |ixy. Характер разрушения опытных элементов с косвенным
армированием также отличался от разрушения неармированных элементов.
Воздействие бокового давления, создаваемого поперечными сетками на
нагруженный опьггный элемент, меняет условия возникновения и развития
трещин.
Арматурные
стержни
сварных
сеток,
расположенных
в
горизонтальных растворных швах опытного элемента, обладая значительно
большим модулем упругости, чем кладка, препятствуют развитию деформаций
опытного элемента в поперечном направлении и, тем самым, создают
напряжения бокового обжатия. В армированных опытных элементах, на
последних ступенях загружения, по поверхностям контакта газосиликата и
растворного шва происходило отслоение мелких кусочков кладочного
раствора, которые отделялись и отлетали на расстояние 10-20 мм от массива с
характерным потрескиванием. При работе неармированных опытных элементов
ничего подобного не происходило. Этот экспериментально установленный факт
подтверждает предположение о сдерживающем влиянии сетки косвенного
13
армирования
на развитие пуассоновских явлений, возникающих в
горизонтальных растворных швах, что тем самым исключает негативное
воздействие растворного шва на камень (газосиликат). Неармированные
опытные элементы, в отличие от армированных, находятся с условиях
одноосного сжатия, а поскольку растворные швы в структуре кладки являются
наиболее уязвимым местом, то они выступают и могут рассматриваться в роли
своеобразных технологических дефектов, значительно влияющих на несущую
способность кладки. Результатом проведенного эксперимента является
величина пррфоста несущей способности опытных элементов, вследствие
введения поперечной арматуры в горизонтальные растворные швы кладки, что,
помимо возникновения всестороннего сжатия, также сводит к минимуму
отрицательное влияние кладочного раствора в горизонтальных швах.
Сдерживающее влияние поперечных деформаций опытного элемента сетками
можно проследить по характеру изменения коэффициента поперечной
деформации.
i
t
?0)
l5
300
m*
2SD
,
260
«64
КЛ
KM
240
1 220
tм ?on
Ъ \m
160
S
5
14П
Р-
120
«I
X
100
80
60
40
20
0
OOS
01
015
02
0 2S
Коэффициент поперечной деформации
КС-1 - ц«у = О, КС-3 - Илу = 0,12, КС-4 - цху = 0,19, КС-5 - рлу = 0,27,
Рисунок 2 - Влияние процента косвенного армирования \иу на
коэффициент поперечной деформации опытных элементов.
При построении расчетной формулы прочности армированной кладки
предполагалось, что основными факторами, влияющими на прирост ее несущей
способности, являются степень бокового обжатия, т.е. процентное содержание
косвенной арматуры |1ху и напряжение в арматурных стержнях сеток в момент
разрушения кладки. Таким образом, с учетом полученного из опытов
коэффициента эффективности К армирования ячеистобетонной кладки сетками
и результатов статистической обработки этих данных, расчетная формула
имеет следующий вид:
14
Rsk = R +
1,66 Rs Цху
100
(3)
где Rsk, R - расчетное сопротивление армированной и неармированной
ячеистобетонной кладки, Rs -расчетное сопротивление арматуры сеток.
Анализ
коэффициента
эффективности
армирования
сетками
ячеистобетонной кладки в результате статистической обработки показал
нелинейную зависимость от процента косвенного армирования. С увеличением
процента армирования коэффициент эффективности снижается:
2,62
К =
(4)
1+2,62 [ixy
Как было выявлено при эксперименте, введение косвенной арматуры
оказьшает влияние на модуль деформации. С увеличением процентного
содержания поперечной арматуры модуль деформации увеличивается, т.е.
стеснение поперечных деформаций за счет косвенного армирования повышает
жесткость опытных элементов уже в начальных стадиях их работы под
нагрузкой. Определение начального модуля деформации осуществлялось при
одном уровне напряжений, которое составляло 30 % от разрушающей нагрузки
для данного опытного элемента. Как показала статистическая обработка
экспериментальных данных, зависимость изменения упругой характеристики
армированной кладки as от процента косвенного армирования цху носит
линейный характер.
as =
(5)
1+0,17цху
В этом разделе предложен вариант математической конечно-элементной
расчетной схемы исследуемого фрагмента кладки. Задача возникла в связи с
широким применением метода конечных элементов ( М К Э ) в расчетах
инженерных конструкций, в том числе с учетом физической нелинейности.
Газосиликатные блоки моделировались с помощью конечных элементов иэ
библиотеки конечных элементов вычислительного комплекса М К Э . В качестве
жесткостных характеристик элементов расчетной схемы применялись
характеристики газосиликата, полученные экспериментально. Диакоптика
блока позволяла получить напряжения, продольные и поперечные деформации
в 30 точках по ширине каждой грани. Кладочный раствор горизонтальных и
вертикальных растворных швов моделировался также, но с собственными
жесткостньпли характеристиками. Элементы стальных сеток косвенного
армирования
моделировались
стержневыми
конечньпли
элементами
Результаты численного эксперимента в виде продольных и поперечньп
15
деформаций были получены как и для физической модели методом нагружения
с теми же ступенями нагрузки. Физическая нелинейность учитывалась при этом
в
виде
функциональной
зависимости,
имеющейся
в
библиотеке
вычислительного комплекса и наиболее подходящего к результатам
физического эксперимента. В результате сравнения и последующих
корректировок результатов численного эксперимента с физическим была
разработана конечно-элементная расчетная схема, адекватно отражающая
работу исследуемого фрагмента кладки под нагрузкой. Разработанная конечноэлементная расчетная схема может быть предложена для дальнейшего
исследования
НДС
элементов
армированной
кладки
из
мелких
ячеистобетонных блоков при ее внецентренном сжатии, что позволит избежать
постановки трудоемких и материалоемких физических экспериментов.
Результаты экспериментально-теоретических исследований обобщены в
четвертом разделе в виде рекомендаций по расчету и конструированию
сжатых элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков с армированием
сварными сетками. Рекомендации относятся к расчету и конструированию
элементов кладки прямоугольного поперечного сечения гибкостью lo/i < 14 В
разделе приведены конструктивные требования по косвенному армированию
ячеистобетонной кладки. Шаг сеток косвенного армирования рекомендуется
принимать не более 200 мм, что соответствует высоте ряда кладки. Процент
косвенного армирования (ixy должен находиться в пределах от 0,1 до 0,3 % . Для
изготовления арматурных сеток следует применять арматурную проволоку Вр1 диаметром стержней от 3 - 4 мм, с его шагом в сетке 30 - 120 мм. Растворы,
применяемые при кладке должны быть тяжелые, на цементных вяжущих, по
прочности на сжатие М50 и выше.
Проведенные
исследования
позволили получить
формулу
для
определения
расчетной
несущей
способности
кладки
из
мелких
ячеистобетонных блоков с армированием сварными сетками Nsk при осевом
сжатии
Nsk = mg(pRskA< 1,24 N
(6)
где: mg - коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки, (р коэффициент продольного изгиба; А - площадь сечения элемента; N расчетная несущая способность аналогичного неармированного элемента.
Расчет экономической эффективности применения газосиликатных
блоков в наружных несущих стеновых конструкциях по результатам опытного
внедрения в сравнении с кирпичной трехслойной сведен в таблице 1.
Как показали расчеты, применение газосиликатных блоков для
выполнения кладки наружных несущих стен взамен традиционной кирпичной
трехслойной с утеплителем из пенополистирола является эффективным, что
обусловлено экономией денежных средств на 10,76 % . Как видно из таблины 1,
снижение себестоимости строительства жилого дома № 33 по ул. Смоленская г.
Воронежа (рисунок 3) составило 275 тыс.р. Эффективность внедрения данного
16
варианта выразилось в повышении рентабельности предприятия, которая
определялась по формуле:
С2-С1
др =
] 00 % = 1,28 % .
(7)
Осе
где
Осе - объем строительно-монтажных работ за год, выполненных
собственными силами предприятия, тыс.р.
Ci и С2
- себестоимость вариантов конструктивных решений
наружных стеновых конструкций, тыс.р.
Рисунок 3 - Объект внедрения - жилой дом Ns 33 в осях 1-23 по ул.
Смоленская г. Воронежа с наружными несущими стенами из газосиликатных
блоков, армированных сварными сетками.
В
приложениях к диссертационной работе приведены данные
статистической обработки результатов экспериментальных исследований,
результаты расчета М К Э , данные по технико-экономическому анализу
эффективности применения мелких ячеистобетонных блоков в наружных
несущих стеновых конструкциях, а также материалы о внедрении результатов
настоящей работы.
17
Таблица 1 - Расчет экономической эффективности по вариантам на весь
объем ограждающих конструкций (1929м')
Наименование затрат
Стена из
газосиликатных
блоков
Трехслойная
кирпичная
стена с
эффективным
утеплителем
1. Материалы, тыс. р.
2.Эксплуатация машин
и механизмов, чел./ч
3. Основная заработная
плата, тыс. р.
Прямые затраты,
тыс.р.
Накладные расходы
а. Зависящие от
продолжительности
строительства, тыс. р.
Экономия (-)/
удорожание (+)
тыс. р.
%
1810,47
1601
-209,47
-11,57
174,4
137,9
-36,5
-20,93
285,46
271,47
-13,99
-4,9
2270,33
2010,37
-259,96
-11,45
177,41
187,45
б. Зависящие от
заработной плата, тыс.р.
в Зависящие от
трудозатрат, тыс. р.
Итого затрат
(себестоимость),
тыс р
Трудоемкость, чел/дн
-10,04
-5,36
42,57
40,49
-2,08
-4,89
55,48
52.51
-2,97
-5,35
2SS6
2281
-27S
-10,76
840,00
795,00
-45,00
-5,36
ОСНОВНЫЕ ВЬШОДЫ
1.
в
результате
проведенных
исследований
выявлен
эффект
увеличения несущей способности центрально сжатых элементов кладки из
газосиликатных
блоков
за счет
использования сварных
сеток
косвенного
армирования. С повышением процента косвенного армирования fixy от 0,06 до
0,27 несущая способность кладки повышается на 7,14 - 19,05 % . П р и этом
коэффициент
эффективности
снижается с 2,24 до 1,52.
2.
Установлена
3.
Напряжение
косвенного
линейная
армирования
зависимость
сетками
увеличения
при этом
расчетного
сопротивления кладки Rsk от процентного содержания косвенной арматуры цху.
в
поперечной
арматуре
сеток
при
разрушении
опытных элементов далеко от величины ее расчетного сопротивления, ч т о
вызвано относительно низкими прочностньпии характеристиками газосиликата
и хрупким характером его разрушения.
18
4. Экспериментально установлено, что косвенное армирование
сварными сетками повышает жесткость клалки из газосиликатных блоков при
осевом сжатии. При этом доказано, что, введение косвенной арматуры
оказывает влияние на начальный модуль деформации Ео кладки из
газосиликатных блоков. Так, с увеличением процентного содержания
поперечной арматуры модуль деформации Е кладки так же увеличивается.
Повышение предельной деформации ez,u при максимальном проценте
армирования составило 14 % .
5. Предложена аналитическая зависимость упругой характеристики
исследуемой кладки as, которая показывает уменьшение деформативности
кладки при увеличении процентного содержания косвенной арматуры цху.
6. Установлено, что М К Э достаточно удобен для исследования НДС
трехоснообжатых
элементов каменных
конструкций, что
позволило
предложить
конечно-элементную
расчетную
схему,
пригодную
для
дальнейших исследований внецентренно нагруженных элементов кладки из
мелких ячеистобетонных блоков численным методом.
7. Предложены
практические
рекомендации
по
расчету
и
конструированию элементов кладки из мелких ячеистобетонных блоков с
косвенным армированием стальными сварными сетками при осевом сжатии.
8. Показана
экономическая
эффективность
при
опытнопроизводственном внедрении кладки из газосиликатных блоков в сравнении с
трехслойной конструкцией стен из силикатного кирпича с эффективным
утеплителем. При этом стоимость конструкции наружных стен из
газосиликатных блоков на 10,76 % меньше, что позволило снизить
себестоимость строительства и повысить рентабельность предприятия.
9. Предложенный способ армирования кладки наружных стеновых
элементов
позволяет
повысить
этажность
возводимых
из
мелких
ячеистобетонных блоков зданий до 10-ти этажей без ущерба для архитектурной
выразительности фасадов.
Основные положения диссертации опубликованы в следзтощих работах:
1 Гойкалов, А.Н. Косвенное армирование сжатых элементов кладки из
мелких ячеистобетонных блоков [Текст] / А.Б. Грошев, А.Н Гойкадов, М.В.
Новиков, Д.А. Вишневский: материалы X V I I Научных чтений // Вестник Б Г Т У
им. В.Г. Шухова. Белгород, 2005. - (лично автором выполнено 3 с.)
2 Гойкалов, А.Н. Применение косвенной арматуры в виде сварных сеток
в кладке из мелких ячеистобетонных блоков в наружных стеновых
конструкциях зданий и сооружений [Текст]: информ. листок № 79-020-05 / А.Н.
Гойкалов, - Воронеж; Воронеж. ЦНТИ, 2005. - 2 с.
3 Гойкалов, А.Н. Применение метода конечных элементов ( М К Э ) в
расчетах кладки из мелких ячеистобетонных блоков с косвенным
армированием [Текст]: информ. листок № 79-044-05 / М.А. Никулин, А.Н.
19
Гойкалов. - Воронеж: Воронеж. ЦНТИ, 2005. - 2 с. - (лично автором выполнена
1с.)
4 Гойкалов, А.Н. Несущая способность стен из мелких ячеистобетонных
блоков с косвенным армированием [Текст] / А.Н. Гойкалов // Строительные
материалы, оборудование, технологии X X I века, 2005, №12. - С. 8-9.
5 Гойкалов, А.Н. Эффективность применения поперечной арматуры в
несущих элементах конструкций из ячеистого бетона [Текст]: информ. листок
№ 79-030-05 / А. Н. Гойкалов. - Воронеж: Воронеж. ЦНТИ, 2005. - 2 с.
6 Гойкалов, А.Н. Эффективные наружные стеновые конструкции из
мелких ячеистобетонных блоков [Текст]: информ. листок № 79-023-05 / А. Н.
Гойкалов. - Воронеж: Воронеж. ЦНТИ, 2005. - 2 с.
7 Гойкалов, А.Н. Перспективы применения мелких блоков из ячеистых
бетонов в наружных стеновых конструкциях [Текст]: информ. листок № 79-02905 / А.Н. Гойкалов. - Воронеж: Воронеж. ЦНТИ, 2005.- 2с.
Подп. в печать /8. //. OS т. Формат 60x84 1/16.
Бумага писчая Уч.-изд. л. - 1,0
Усл.-печ. л. - 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 599 ■
Отпечатано на ротапринте Воронежского государственного архитектурностроительного университета. 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84.
ВГАСУ.
II 2 3 б 6 5
РНБ Русский фонд
2006-4
23624
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
982 Кб
Теги
bd000103114
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа