CC BY
59
УДК 624
doi 10.24411/2077-6896-2019-10013
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ
Чылбак А.А.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
THE RESEARCH OF THE STRESS-STRAIN STATE OF MASONRY WITH REINFORCED CONCRETE CORES
Chylbak A.A. Tuvaт State University, Kyzyl
Кирпичная кладка - один из традиционных материалов, широко применяемых в строительстве зданий различного назначения, что обусловлено повсеместным распространением сырья для их изготовления и рядом качеств, особенно ценных для стен зданий и сооружений. К их числу можно отнести долговечность, хорошую сопротивляемость атмосферным воздействиям, высокую механическую прочность, а так же теплотехнические качества. Не-армированная кладка хорошо работает при действии вертикальных сжимающих усилий с небольшим эксцентриситетом. При землетрясении в кирпичной кладке возникают самые разнообразные нагрузки, наиболее неблагоприятные для нее - динамические: изгиб, сдвиг и растяжение. В стенах образуются самые разнообразные повреждения: при одновременном действии вертикальных и горизонтальных сил образуются косые трещины, в связи с недостаточным сопротивлением главным растягивающим напряжениям; горизонтальные трещины возникают в связи с действием вертикальных нормальных напряжений. Сейсмостойкость каменных стен достигают за счет введения в кладку железобетонных стержневых конструкций (комплексная конструкция).
В данной работе рассматривается напряженно-деформированное состояние кирпичной кладки при действии сейсмической нагрузки с различными схемами усиления. Ключевые слова: кирпичная кладка; сейсмостойкость; прочность; напряжения
Brickwork-one of the traditional materials widely used in the construction of buildings for various purposes, due to the widespread distribution of raw materials for their manufacture and a number of qualities, especially valuable for the walls of buildings and structures. These include durability, good resistance to atmospheric influences, high mechanical strength, as well as thermal qualities. Non-reinforced masonry works well under the action of vertical compressive forces with a small eccentricity. When an earthquake in the brickwork there are a variety of loads, the most unfavorable for it - dynamic: bending, shear and stretching. The walls are formed by a variety of damage: the simultaneous action of vertical and horizontal forces are formed slant cracks due to insufficient resistance to main tensile stresses; horizontal cracks arise in connection with the operation of
the vertical normal stresses. Seismic resistance of stone walls is achieved by the introduction of reinforced concrete core structures (complex construction) into the masonry. In this paper we consider the stress-strain state of brickwork under the action of seismic load with different amplification schemes.
Keywords: masonry; seismic resistance; durability; stress
Анализ последствий многочисленных сильных и разрушительных землетрясений [1, 2, 4] показал, что одной из наиболее уязвимых конструкций кирпичных зданий с точки зрения сейсмостойкости являются междуоконные простенки.
Сейсмостойкость каменных стен здания следует повышать сетками из арматуры, созданием комплексной конструкции, отдельными вертикальными стержнями или каркасами, размещаемыми в теле кладки или штукатурных слоях. В уровне перекрытий и покрытий следует устраивать антисейсмические пояса по всем продольным и поперечным стенам, выполняемые из монолитного железобетона или сборные с замоноличиванием стыков и непрерывным армированием [6, 8, 9].
Размеры элементов несущих и самонесущих стен каменных зданий (ширина простенков, проемов, выступов стен в плане и т.д.) установлены нормами СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах».
В настоящее время при строительстве зданий и сооружений в г. Кызыле проектами строительства предусмотрено обрамление каждого проема железобетонными сердечниками, что вызывает трудоемкость работы. Таким образом, в данной работе выполнен сравнительный расчет кирпичного здания при различных вариантах усиления при действии сейсмической нагруз-
ки:
1. Работа кирпичной кладки при обрамлении каждого проема железобетонными сердечниками;
2. Работа кирпичной кладки, усиленной железобетонными сердечниками, установленных в углах здания и в местах пересечения несущих наружных и внутренних стен.
Для начальной оценки напряженно-деформированного состояния кирпичной кладки было проведено их компьютерное моделирование с использованием конечно-элементной модели. Для моделирования применялся сертифицированный программный комплекс «STARK ES». Исходя из имеющегося опыта моделирования кирпичной кладки с применением метода конечных элементов [3,5,7] были проанализированы способы моделирования и назначения жесткостных характеристик кирпичной кладки. Из изученных материалов не обнаружено исследований по оценке напряженно-деформированного состояния кладки с применением численного компьютерного моделирования. Для решения данной задачи было предложено провести моделирование кирпичной кладки объемными элементами с введением характеристик материала кирпича. Фундаменты - ленточные из бетона класса В 20. Перекрытия и покрытия задаются пластинами толщиной 200 мм из бетона класса В 20. Геометрия здания задается в виде про-
странственнои конечно-элементной модели, состоящей из 33398 элементов и 33544 узлов (рис.1).
Был выполнен динамический расчет здания на действие сейсмической нагрузки, заданной в виде реальной акселлеро-граммы (рис. 3).
В расчете учитывалось 3 формы собственных колебаний, так как исследуемое здание двухэтажное. Согласно СП 14.13330.2018 при расчете на собственные колебания для зданий до 5 этажей достаточно учесть первые три формы. Результаты расчета приведены в таблице 1 (исходный вариант). На рис. 2 приведены первые три формы свободных колебаний в предположении, что зданиежестко защемлено к основанию. Период собственных колебаний основного тона характеризует здание как достаточно жесткое.
При анализе форм собственных колебаний выявлен поступательно-вращательный характер колебаний.
Рис. 1 - Конечно элементная модель здания Рис. 2 - Формы собственных колебаний здания
Далее был выполнен расчет на действие сейсмической нагрузки. В качестве исходных данных для проведения динамических расчетов и дальнейшего анализа напряженно-деформированного состояния была
использована акселерограмма реального землетрясения с максимальным ускорением 3,5 м/с2 , что равно силе землетрясения 9 баллов.
Рис. 3 -Акселерограмма землетрясения с максимальным ускорением 3,49 м/с2
Был выполнен анализ напряжений в стенке, так как они являются наиболее уяз-кирпичной стене вблизи проемов и в про- вимыми местами в кирпичной кладке.
Рис. 4 - Усилия на разных точках простенка
Рис. 5- Правило знаков для балок-стенок: Зх иБу нормальные и Бху касательные напряжения, положительные значения соответствуют растяжению, отрицательные - сжатию
Результаты расчета и нормальные напряжения (растяжение, сжатие) по непе-ревязанному сечению в элементе № 27573 (вблизи проема) показаны в таблице 2.
Далее для сравнительного расчета были смоделированы здания с сейсмоусиления-ми, а именно (рис. 6):
1) обрамление дверных и оконных проемов железобетонными сердечниками;
2) усиление кладки железобетонными сердечниками в углах и местах пересече-
ния стен.
Железобетонные сердечники задавались 3D - стержнями сечением 300х300 мм. Материал - бетон класса В 20.
Предварительно был проведен расчет на собственные колебания. В расчете учитывалось 3 формы собственных колебаний. В таблице 1проведен анализ динамической реакции здания (частота и период собственных колебаний) с различными схемами усиления и исходного варианта.
Таблица 1 - Анализ динамической реакции разных схем здания
Схемы Собственные колебания
Первая форма Вторая форма Третья форма
Схема № 1 - с обрамлением проемов W=62,88 рад/с F=10,01 Гц Т=0,09 с W=69,94 рад/с F=11,13 Гц Т=0,089 с W=89,39 рад/с F=14,23 Гц Т=0,0703 с
Схема № 2 - с железобетонными сердечниками в углах и местах пересечения стен W=61,57 рад/с F=9,77Гц Т=0,102 с W=68,47 рад/с F=10,9 Гц Т=0,09177 с W=87,26 рад/с F=13,89 Гц Т=0,07201 с
Исходный вариант без усиления W=60,19рад/c F=8,33 Гц Т=0,12 с W=62,12рад/c F=9,01 Гц Т=0,11 с W=85,94 рад/с F=12,16 Гц Т=0,082 с
Рис. 6 - Расчетные схемы здания: схема № 1 - с обрамлением дверных и оконных проемов железобетонными сердечниками; схема № 2 - с железобетонными сердечниками в углах и местах
пересечения стен
Формы собственных колебаний не из- реакции на 3-5 %, т.е. незначительно уве-менились, выявлен также поступатель- личилась жесткость здания, по сравнению но-вращательный характер. Из анализа со схемой без усиления. форм собственных колебаний видно, что Далее проведен расчет на действие при усилении здания железобетонными сейсмической нагрузки и были проанали-сердечниками в виде обрамления дверных зированы усилия в контрольных элементах и оконных проемов и в углах и местах пе- (рис. 4): в элементе № 27573 (вблизи прое-ресечения стен увеличились динамические ма)и в простенке (элемент № 8060).
Таблица 2 - Сравнение усилий при различных схемах
Схемы Напряжения в элементе № 27573, кН/м2 (вблизи проема)
S / S . S /S .
Схема № 1 - с обрамлением проемов 176,88 / -154,97 139,08 / -98,96
Схема № 2 - с железобетонными сердечниками в углах и местах пересечения стен 193,82 / -180,31 140,69 / -105,61
Без сейсмоусилений 241,52 / -213,4 142,34 / -128,22
Таким образом, проведены сравнительные расчеты кирпичного здания при усилении его железобетонными сердечниками:
- обрамление оконных и дверных проемов;
- усиление здания сердечниками в углах и местах пересечения стен.
Выявлено, что при усилении здания железобетонными сердечниками снижа-
ются нормальные напряжения по непере-вязанным швам на 20-27 % по сравнению со схемой без усиления. Если сравнивать напряжения между схемами №1 (обрамление проемов) и № 2 (усиления в углах и местах пересечения стен), то напряжения в схеме № 1 незначительно ниже, т.е. на 8 %, по сравнению со схемой № 2. Это можно объяснить тем, что при применении схемы
усиления № 1 обрамляется каждый проем, т.е. увеличивается число вертикальных стержней, что увеличивается суммарная жесткость вертикальных элементов и, следовательно, повышается общая жесткость здания. Но, тем не менее, устройство железобетонных сердечников в каждом проеме создает разную жесткость по высоте здания. Суть в том, что монолитные сердечники и сейсмопояс призваны превратить кладку в комплексную конструкцию. В зданиях без монолитных включений, все конструкции работают сами по себе, за счет
разной жесткости. Однако, для того, чтобы сердечники улучшали работу кладки, а не ослабляли ее, необходимо грамотно их расположить. Слишком частое расположение сердечников не только не улучшает прочность стен, но может, наоборот, ослабить кладку, разрезая ее на отдельные простенки. Таким образом, горизонтальный сейсмопояс и вертикальные сердечники призваны объединить стены, перекрытия и фундамент в единую конструкцию. Такая комплексная конструкция лучше сопротивляется сейсмическим нагрузкам.
Библиографический список
1. Айзенберг Я. М. Инженерный анализ последствий Нефтегорского землетрясения 27 (28) мая 1995 г. / Я.М. Айзенберг, А.М. Мелентьев, С.А. Минаков, Б.А. Кириков, М.А. Клячко. - Текст: непосредственный // ФССН. Информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск. - Москва, 1995. - С.155-166.
2. Андреев О.О. Уроки землетрясения. Предложения для учета в нормативных документах. / О.О. Андреев, В.И. Ойзер-ман; под ред. А.В. Друмя, Н.В.Шебалина, Н.Н. Складнева, С.С. Графова, В.И. Ойзермана. - Текст: непосредственный // Карпатское землетрясение 1986 г. -Кишинев, 1990. - С. 325-329.
3. Иевенко В. Г. Применение метода конечных элементов при расчете каменных стен с учетом появления и раскрытия трещин / В.Г. Иевенко. - Текст: непосредственный // ЦНИИСК Госстроя СССР, серия ХГУ«Сейсмостойкое
строительство» (реферативная информация), вып. 1. - Москва, 1977.
4. Коноводченко В. И. Исследования сейсмостойкости кирпичной кладки и виброкирпичных панелей / В. И. Коноводченко. - Текст: непосредственный // Сейсмостойкость крупнопанельных и каменных зданий. - Москва, 1967. - С. 171-180.
5. Научные основы формирования пористой структуры керамических стеновых материалов на основе вскрышных пород угледобычи / Кара-сал Б.К., Стрельников А.Н., Сандан А.С., Биче-оол Н.М.
- Текст: непосредственный // Естественные и технические науки. - № 2(128), 2019. - С. 229-234.
6. Ондар Э-Д. В. Геологическое строение актуальной перспективной угленосной площади / Э.-Д. В. Ондар, О.А. Чооду.
- Текст: непосредственный // Научные труды Тувинского государственного университета. Материалы ежегодной научно-практической конференции пре-
подавателей, сотрудников и аспирантов ТувГУ, посвященной Году экологии в Российской Федерации и Году молодежных инициатив в Туве. 2017. С. 151-154.
7. Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD / А.В. Теплых. - Текст: непосредственный // Материалы семинара «SCADsoft». - М.: 2008.
8. Чылбак А.А. Оценка прочности простенка на срез при действии горизонтальной сейсмической нагрузки / А. А. Чылбак. - Текст: непосредственный // Вестник ВСГУТУ, 2018. - № 2 (69). - С. 87-93.
9. Кара-сал Б.К. Влияние поверхности кирпича на несущую способность каменных стен при сейсмическом воздействии. / Б.К. Кара-сал, А.А. Чылбак. - Текст: непосредственный // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (APCSCE 2018) программа и тезисы докладов. - 2018. - С. 199.
References
1. Ajzenberg YA.M. Inzhenernyj analiz posledstvij Neftegorskogo zemletryaseniya 27 (28) maya 1995 g. / YA.M. Ajzenberg, A.M. Melent'ev, S.A. Minakov, B.A. Kirikov, M.A. Klyachko. - Текст: непосредственный // FSSN. Informacionno-analiticheskij byulleten'. Special'nyj vypusk. - Moskow, 1995. - S. 155-166.
2. Andreev O.O. Uroki zemletryaseniya. Predlozheniya dlya ucheta v normativnyh dokumentah / O.O. Andreev, V.I. Ojzerman; pod red. A.V. Drumya, N.V.SHebalina, N.N. Skladneva, S.S. Grafova, V.I. Ojzermana. - Текст: непосредственный
// Karpatskoe zemletryasenie 1986 g. -Kishinev, 1990. - S. 325-329.
3. Ievenko V.G. Primenenie metoda konechnyh elementov pri raschete kamennyh sten s uchetom poyavleniya i raskrytiya treshchin / V.G. Ievenko. - Текст: непосредственный // CNIISK Gosstroya SSSR, seriya HIV«Sejsmostojkoe stroitel'stvo» (referativnaya informaciya), vyp. 1. - Moskow, 1977.
4. Konovodchenko V.I. Issledovaniya sejsmostojkosti kirpichnoj kladki i vibrokirpichnyh panelej / V.I. Konovodchenko. - Текст: непосредственный // Sejsmostojkost' krupnopanel'nyh i kamennyh zdanij. - Moskow, 1967. - S. 171-180.
5. Nauchnye osnovy formirovaniya poristoj struktury keramicheskih stenovyh materialov na osnove vskryshnyh porod ugledobychi / Kara-sal B.K., Strel'nikov A.N., Sandan A.S., Biche-ool N.M. -Текст: непосредственный // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. - № 2(128), 2019. -S. 229-234.
6. Ondar E-D. V. Geologicheskoe stroenie aktual'noj perspektivnoj uglenosnoj ploshchadi / E.-D. V. Ondar, O.A. Choodu. - Текст: непосредственный // Nauchnye trudy Tuvinskogo gosudarstvennogo universiteta. Materialy ezhegodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii prepodavatelej, sotrudnikov i aspirantov TuvGU, posvyashchennoj Godu ekologii v Rossijskoj Federacii i Godu molodezhnyh iniciativ v Tuve. - 2017. - S. 151-154.
7. Tekhnologii postroeniya raschetnyh modelej kirpichnyh zdanij v sisteme SCAD / A.V. Teplyh. - Текст: непосредствен-
ный // Materialy seminara «SCADsoft». -Moskow: 2008.
8. Chylbak A.A. Ocenka prochnosti prostenka na srez pri dejstvii gorizontal'noj sejsmicheskoj nagruzki / A.A. Chylbak. - Текст: непосредственный // Vestnik VSGUTU, 2018. - № 2 (69). - S. 87-93.
9. Kara-sal B.K. Vliyanie poverhnosti kirpicha
na nesushchuyu sposobnost' kamennyh sten pri sejsmicheskom vozdejstvii / B.K. Kara-sal, A.A. Chylbak. - Текст: непосредственный // V knige: Aktual'nye problemy komp'yuternogo modelirovaniya konstrukcij i sooruzhenij (APCSCE 2018) programma i tezisy dokladov. - 2018. - S. 199.
Чылбак Алдынай Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: [email protected]
Chylbak Aldynai Alexandrovna - Candidate of technique, assistant professor, Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: [email protected]
Дата поступления статьи в редакцию 31.08.2019
