Прочность, деформации при перекосе составных преднапряженных блоков из пильного камня и их расчет

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных ХХУ1 съездом Коммунистической: партшг Советского Союза, предусмотрено:" Повысить уровень индустриализации строительного производства и степень заводской готовности конструкций и деталей, расширить применение новых эффективных конструкций. Полнее использовать местные строительные материалы" [I ].

Одним из самых распространенных местных строительных материалов является природный и искусственный камень. В настоящее время в стране около 50 $ жилых, общественных и промышленных зданий возводятся с каменными стенами. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев кладка стен выполняется вручную. Следствием этого являются высокая трудоемкость и значительные сроки возведения каменных зданий, неэффективное-использование грузоподъемного оборудования/ Помимо этого ручная кладка сопряжена с большим объемом мокрых «процессов, а качество ее заставляет желать лучшегог Последнее*обстоятельство является причиной того, что стены жз блоков’пильного известняка приходится оштукатуривать с-двух сторон, при-этом толщина штукатурных слоев достигает 6−8 см.

Закономерным следствием плохого качества кладки являются её низкие прочностные показатели. Это в первую очередь ощущается в сейсмических районах, многие из которых (Азербайджан, Армения, Молдавия, Крым и др.) богаты природным камнем. Только з Молдавии для нужд каменного домостроения ежегодно добывается свыше 1,2 млн. м^ природного камня-пильного известняка.

Все перечисленные негативные аспекты, характеризующие современные каменные здания, являются следствием ручной кладки стен. Все остальные конструкции каменных зданий — фундаменты, перекрытия и покрытия, лестничные марши и площадки, сан-техкабины, вентблоки, а зачастую и перегородки монтируются из крупноразмерных элементов. Из этого следует, что задачи полной индустриализации каменного домостроения по существу сводится к замене ручной кладки стен на монтаж крупноразмерных элементов. Расчеты, выполненные ГПИ «Молдгипрострой», показывают, что при этом условии каменные здания по трудоемкости возведения станут равноценны крупнопанельным зданиям (3 чел.-дня на I и? общей приведенной площади).

Наиболее простым способом решения поставленной задачи при применении природного камня является возведение стен зданий из крупных монолитных блоков. Такой опыт накоплен в Крыму, где из пильного известняка марки 75−200 выпиливают крупные блоки высотой «на этаж» здания. К сожалению, этот путь индустриализации каменного домостроения далеко не всегда возможен в силу высокой трещиноватости и относительно низкой прочности природного камня. Так, попытка выпиливать крупные блоки из пильного известняка в Молдавии привела к тому, что выход готовой продукции достигал.

Этот результат объективно указал на то, что решение задачи индустриализации каменного домостроения должно идти по пути создания крупных стеновых элементов составной конструкции, исходным материалом для которых являются мелкие (для условий Молдавии также «средние» «'блоки природного камня, ж) К «средним» в Молдавии относят блоки высотой 39 см, шириной 39(49) см и длиной 102 см и более. производство которых налажено на камнедобывающих предприятиях страны. Условимся такие конструкции в дальнейшем называть составные блоки. Понятно, что производство их должно быть организовано в заводских условиях.

На индустриализацию каменного домостроения (в первую очередь в сейсмических районах) путем перехода-от ручной-кладки к крупноразмерным составным конструкциям *изкирпича жтгрирод-ного камня ориентируют действующие строительные згормы ж правила.

Необходимость развития тшдустриального каменного домостроения на территории" Молдавии*подчеркивается б постановлении й 100 ПК КПМ от 4 марта 1980 г. и в 'постановлении: $ 253″ Совета Министров МССР от 30 июня 1982 г.

Среди различных предложенийпо теотструктивно-техн (c)логическому решению составных блоков наиболее перспективными являются крупные преднапряженные блоки. Они рекомендованы Гос-' строем МССР для производства и «применения в строительстве Молдавии.

Поскольку массовому внедрению таких: блоков в строительное производство должно предшествовать изучение их прочностных ж деформативных свойству то такое исследование было про-веденогв рамках настоящей диссертационной работы.

Исследования выполнялись в отраслевой лаборатории сейсмостойкого строительства Кишиневского политехнического института им. С.Лазо по комплексной целевой программе 0.55.04Р «Провести исследования и разработать рекомендации по индустриализации каменных зданий обычной и повышенной этажности в сейсмических районах Молдавской ССР», утвержденной Госстроем СССР 28.01.1981 г.

Актуальность работы заключается в том, что она направлена на широкое применение в каменном домостроении индустриальных стеновых конструкций — крупных стеновых блоков из природного камня, запасы которого в СССР практически неисчерпаемы. Это позволит значительно поднять производительность труда при возведении каменных конструкций, существенно повысить их качество и прочностные характеристики, а также улучшить экономические показатели каменного домостроения — одного из ведущих видов строительства.

Цель и задачи работы.

Диссертация посвящена изучению прочностных и деформатив-ных свойств преднапряженных составных блоков из мелких и «средних» блоков пильного известняка с целью определения эффективной области применения таких конструкций и разработки методов их расчета.

Из поставленной цели вытекали следующие задачи:

1. Провести теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния составного блока, работающего в составе стены здания, и на основе этого разработать метод его расчета при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.

2. Экспериментально изучить прочность, деформации и характер разрушения составных блоков указанной выше конструкции при центральном сжатии и перекосе в своей плоскости.

3. Разработать практические рекомендации по проектированию и строительству зданий из преднапряженных составных блоков.

Научная новизна работы.

I.Усовершенствована методика проведения испытаний на перекос крупных стеновых конструкций, обеспечивающая имитацию уеловий, в которых они работают в составе стены здания, воспринимающего наряду с вертикальными нагрузками и горизонтальные, например сейсмические.

2. Разработана методика теоретического исследования с помощью метода конечных элементов (МКЭ) напряженно-деформированного состояния стеновых конструкций с первичными повреждениями (в виде трещин в опорных сечениях) при перекосе.

3. Экспериментально изучены прочность, деформации и характер разрушения составных преднапряженных блоков при центральном сжатии и перекосе.

4. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований выявлено влияние на несущую способность при перекосе крупных составных блоков величины вертикальной нагрузки, продольного армирования и прочности камня кладки.

5. Получено аналитическое выражение для расчета несущей способности составных блоков при перекосе.

Практическое значение и реализация работы.

Установленные в результате проведенных исследований прочностные и деформативные характеристики преднапряженных составных блоков позволили разработать рекомендации по проектированию и строительству зданий со стенами из таких блоков. Эти рекомендации были включены в республиканские строительные нормы РСН 10−83, утвержденные Госстроем MCGP и применяемые с января 1983 года проектными институтами Молдавии при разработке проектов каменных зданий.

За последние годы на базе этих норм при участии автора был переработан проект серии 115−102-Ic, исходя из условия замены ручной кладки стен на крупные преднапряженные блоки, разработаны проекты школы, детского сада, жилых зданий повышенной этажности (7−9 эт.).

Апробация и публикация работы.

Основное содержание диссертации доложено на:

1. Всесоюзном совещании «Снижение материалоемкости и трудоемкости сейсмостойкого строительства» (Алма-Ата, октябрь 1982 г.) ;

2. Республиканской конференции «Комплексное использование отходов производства и их применение в строительстве и. промстройматериалов в свете решений ХХУ1 съезда КПСС» (Кишинев, декабрь 1982 г.) ;

3. Республиканском совещании «Совершенствование организации и проведения учебного процесса в системе повышения квалификации» (Кишинев, октябрь 1983 г.);

4. Республиканском совещании «Проблемы разработки и использования природного стенового камня» (Кишинев, февраль 1984 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в шести статьях.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 96 наименований и приложение. Полный объем диссертации 165 стр., включая 25 таблиц и Ш рисунка.

ВЫВОДЫ.

1. Каменное домостроение является одним из ведущих видов строительства во многих районах страны. Однако этой форме строительства наряду с общеизвестными достоинствами присущи серьезные недостатки: высокая трудоемкость и значительные сроки возведения зданий, большой объем мокрых процессов, общее низкое качество каменных конструкций и др. Эффективным средством устранения этих недостатков и-как следствие, серьезного совершенствования каменного домостроения является его индустриализация.

2. Рациональным конструктивно-технологическим решением крупноразмерных стеновых конструкций из природного камня являются составные преднапряженные блоки. Из известных аналогов они характеризуются наилучшими экономическими показателями.

3. Изготовление составных блоков в заводских условиях позволяет обеспечить высокое качество растворных швов кладки, за счет чего значительно повышаются ее прочностные показатели: предел прочности при сжатии на 40*50 $, прочность сцепления в 10−12 раз (соответственно и несущая способность при перекосе широких простенков и сплошных стен).

4. В составе стены здания, работающего при особом сочетании нагрузок, крупный стеновой блок претерпевает перекос, то есть одновременно сдвиг, изгиб и поворот в своей плоскости.

По мере роста горизонтальной нагрузки он проходит три стадии напряженно-деформированного состояния. На 1-й стадии деформации блока носят упругий характер, какие-либо повреждения в нем отсутствуют. П-я стадия знаменуется появлением в опорных сечениях блока горизонтальных кососишетричных трещин. Ш-я стадия — стадия разрушения — начинается с появления косой трещины в кладке блока.

5. Образование косой трещины в неармированном блоке, означает исчерпание его несущей способности при работе на перекос. Такие блоки демонстрируют хрупкий характер разрушения. Смягчить его можно за счет поперечного армирования блока.

6. Армирование крупного блока вертикальными стержнями (с обеспечением совместности их работы с кладкой) препятствует повороту блока при перекосе и, как следствие, ограничивает развитие горизонтальных трещин в его опорных сечениях.

Появление этих трещин обусловливает существенное изменение напряженного состояния блока. Если в стадии I траектория? гл (тах) ориентируется вдоль его растянутой диагонали, то после образования трещин в опорных сечениях траектория (?гл (мох) изменяет направление, соединяя концы этих трещин. Изменяется и направленность площадок, по которым действуют главные растягивающие напряжения.

При отсутствии связи между вертикальными стержнями и кладкой совместность работы этих элементов не обеспечивается] и стержни по существу не участвуют в работе блока при перекосе.

7. Расчетным предельным состоянием крупного стенового блока при перекосе следует считать появление в нем косой трещины.

Очагом ее зарождения является центр блока, где фиксируются максимальные главные растягивающие напряжения.

Изучение с помощью МКЭ напряженного состояния крупного стенового блока в этой точке, позволяет рекомендовать расчет его несущей способности при перекосе выполнять по формуле (2.17).

8. Загружение стенового блока вертикальной нагрузкой препятствует его повороту и перекосу под воздействием горизонтальных сил. Это обстоятельство следует учитывать при проек тировании зданий для сейсмических районов, выбирая в качестве несущих, как правило, продольные стены зданий, которые обычно наиболее сильно изрезаны проемами.

9. Крупные составные преднапряженные блоки могут изготавливаться со стационарной арматурой (продольной или поперечной) либо со съемными инвентарными стяжками.

Выбор варианта армирования блоков должен производиться в соответствии с результатами расчета здания на основные и особые сочетания нагрузок и с учетом рекомендаций строительных норм РСН 10−83.

10. Крупные составные блоки должны изготавливаться в заводских условиях, причем, если они выполняются из мелких блоков, то обязательно с применением вибрации.

Во всех случаях раствор для составных блоков должен быть литым.

11. Интенсивность предварительного обжатия кладки составного блока следует назначать, исходя из условия обеспечения его прочности при изготовлении, транспортировании и монтаже.

При расчете стен зданий из крупных составных блоков преднапряжение кладки можно не учитывать.

12. Для превращения каменного домостроения в индустриала ный вид строительства с высокими технико-экономическими показателями необходима организация соответствующих домостройтельных комбинатов. Без этого изготовление крупных стеновых конструкций может превратиться в кустарное производство, а каменному домостроению останутся присущи многие из тех недостатков, которые свойственны ему сегодня.