CC BY
78
S.V. KLYUYEV, A.V. KLYUYEV, R.V. LESOVICK
THE OPTIMAL DESIGNING OF STEEL SPATIAL GIRDER
The optimal designing technique based on evolution strategies has been suggested. The designing of a steel spatial girder was considered here as an example. The best variant corresponding to the minimum of volume of girder material was revealed.
УДК 693.22+624.012.8
М.А. МУРЫЙ,
ДВГУПС, Владивосток
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ВЛАЖНОЙ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ
В статье приводится методика и результаты экспериментального определения коэффициента линейного температурного расширения кирпичной кладки. Разность коэффициентов температурного расширения кирпича и льда приводит к увеличению температурных деформаций влажной кладки при отрицательных температурах. При влажности кладки 12 % увеличение температурных деформаций в замороженном состоянии составило от 56 до 92 % для кладок из различных видов кирпича.
Для совершенствования методики расчета каменных зданий на температурно-влажностные воздействия необходимо точно определить коэффициенты собственных деформаций кладки. По строительным нормам [1] коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) глиняного кирпича и керамических камней следует принимать 5-10-6 град-1, силикатного кирпича и бетонных блоков - 10-10-6 град-1. Тем не менее очевидно, что температурные деформации каменных материалов даже одного типа не могут оставаться стабильными и меняются в зависимости от технологии изготовления, качества сырья, условий окружающей среды.
В области отрицательных температур на КЛТР кладки влияет её влажность и наличие криофазы. Основная причина этого - увеличение объема воды при замерзании и то, что КЛТР льда составляет 50-10-6 1/К, что примерно в 10 раз больше, чем у красного кирпича.
Если поры кирпича и раствора заполнены водой не полностью, что соответствует нормальной эксплуатации ограждающих конструкций, то при медленном образовании льда происходит не расширение материала за счет фазового перехода, а наоборот, сжатие и увеличение КЛТР кладки за счет связи льда и скелета материала. Значение КЛТР пористых материалов в зоне отрицательных температур зависит, в первую очередь, от количества замерзшей воды при данной температуре, соотношения КЛТР материала и льда и их модулей упругости [2]:
© М.А. Мурый, 2008
а
'к
(1)
где Ул, Уск - объем льда и скелета материала; Кл, Кск - модули объемного сжатия льда и скелета материала; ал, аск - коэффициенты температурного расширения льда и скелета материала.
Основная проблема использования формулы (1) в том, что она предполагает абсолютное сцепление льда со стенками капилляров. Кроме того, модуль упругости скелета материала будет, очевидно, намного больше «макроскопического» модуля упругости материала. В результате эта формула, отражая общий характер зависимости, дает сильно завышенные значения КЛТР пористого материала. Поэтому необходимы экспериментальные зависимости КЛТР от влажности для различных пористых материалов.
В нашей стране уже проводились экспериментальные исследования влияния влажности материала на его деформации при отрицательных температурах [2]. Исследовался газобетон, пенобетон, раствор на небольших образцах (высотой порядка 50-200 мм). При этом обнаружились расхождения экспериментальной дилатометрической кривой с теоретической, различные для разных материалов. Подобных исследований кирпича нами в литературе не найдено, поэтому решено было исследовать температурные деформации кирпичной кладки из различного кирпича при различном уровне влажности в зоне положительных и отрицательных температур.
Температурные деформации кладки измерялись на образцах в виде стеночек толщиной 120 мм, длиной 1300 мм, высотой 920-1050 мм с цепной перевязкой. Такие размеры выбраны для увеличения базы измеряемых деформаций, т. к. при меньших размерах образцов трудно оценить влияние перевязки рядов на КЛТР в различных направлениях и существенно влияние неоднородностей материала. В образцах большей толщины трудно добиться равномерности увлажнения и охлаждения. Кроме того, образцы толщиной в половину кирпича адекватно отражают работу кладки с многорядной перевязкой, её наружной версты и кирпичной облицовки. Моделирование работы этих участков каменных конструкций особенно важно, т. к. они испытывают наибольшие температурно-влажностные воздействия.
Исследования проводились на пяти образцах из четырех видов кирпича, широко используемых в строительной практике г. Хабаровска. Это силикатный одинарный и силикатный полуторный кирпич марок М125 по ГОСТ 379-95, глиняный лицевой с щелевыми пустотами М125 по ГОСТ 7484-78, два образца из глиняного кирпича пластического формования М125 по ГОСТ 530-95 Хабаровского кирпичного завода № 3. При кладке образцов использовался сложный цементно-известковый раствор марки 75 состава 1:0,7:4.
Собственные деформации образцов определялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 1/100 мм. Точность индикаторов этого типа при непосредственной установке оказалась недостаточной, и решено бы-
ло использовать рычажные умножители деформаций. В результате минимальные фиксируемые перемещения уменьшились до 1/400 мм.
Индикаторы устанавливались снаружи холодильной камеры. В образцах по углам устанавливались закладные детали, к которым крепились стальные тяги диаметром 8 мм, выведенные наружу. Рычажные умножители деформаций с индикаторами часового типа определяли относительные перемещения тяг ДТ . Эта величина определяет разницу между температурными деформациями кладки и стальной тяги на одной и той же базе В . Тяги перед экспериментом тарировались по принципу абсолютного дилатометра. Деформации кладки определялись следующим образом:
ДК = ДТ - ая ■ Т ■ В , (2)
где ая - КЛТР стали; Тя - температура тяги.
На каждом образце деформации определялись на четырех участках: горизонтальные - вверху и внизу, вертикальные - слева и справа (рис. 1). Температуры тяг и образцов определялись при помощи хромель-копелевых термопар. Термопары устанавливались: по одной на каждой тяге, 3 в середине образца, и 6 на поверхности образца. Точность измерения температур составила 0,2 °С.
Рис. 1. Схема установки приборов на кирпичный образец (показана также часть обшивки холодильной камеры)
Влажность образцов измерялась с помощью взвешивания образцов до и после увлажнения. При этом использовались силоизмерители в виде стальной пластины, изгибаемой при изменении веса образца как балка на двух опо-
рах с приложенной по центру силой, прогибы пластин измерялись с помощью индикаторов часового типа.
Температура в холодильной камере опускалась до -25 °С. Перед снятием отсчётов холодильная установка выключалась для выравнивания температуры по сечению образца. Распределение температуры по сечению считалось равномерным, когда разность температур между поверхностью образца и его центром не превышала 0,5 °С.
После 28 суток твердения фрагменты стен испытывались при четырех ступенях влажности: в воздушно-сухом состоянии « 1,2 %) и при влажно-
сти, равной 4, 8 и 12 %. Образцы равномерно увлажнялись с помощью ручного распылителя за несколько приемов, после чего выдерживались в течение трех дней для равномерного распределения влаги по толщине.
Снятие отсчётов производилось как при прямом ходе температуры (охлаждение), так и при обратном (медленное нагревание образцов при выключенной установке). При этом прямой и обратный графики температурных деформаций практически совпадали.
Результаты определения КЛТР для кладки из различного вида кирпича в горизонтальном и вертикальном направлениях приведены в табл. 1, в ней же показан процент увеличения КЛТР влажной замороженной кладки по сравнению с сухой. Примеры полученных экспериментальных зависимостей между температурой и деформациями кладки приведены на рис. 2.
Таблица 1
Коэффициент линейного температурного расширения кладки из кирпича
Направление Влажность Красный полнотелый Красный щелевой Силикатный одинарный Силикатный полуторный
По горизонтали Возд. сухой 7,4 7,2 8,9 9,4
4 % 8,4 14 % 8,1 13 % 10,1 13 % 9,5 1 %
8 % 9,6 30 % 11,6 61 % 12,4 39 % 11,7 24 %
12 % 10,3 39 % 11,9 65 % 12,9 45 % 13,5 44 %
По вертикали Возд. сухой 7,2 6,5 9,3 9,3
4 % 9,2 28 % 10,9 68 % 12,2 31 % 12,8 38 %
8 % 10,0 39 % 11,9 83 % 14,3 54 % 15,2 63 %
12 % 11,3 57 % 12,5 92 % 15,7 69 % 15,6 68 %
Проведенные экспериментальные исследования показали, что КЛТР влажной кладки значительно увеличивается при ее замораживании. При влажности 12 % увеличение КЛТР составило от 39 % для красного кирпича в горизонтальном направлении до 92 % для красного щелевого в вертикальном направлении.
а) г, °С
Є-103
6) г, °С
е-103
Рис. 2. Графики температурных деформаций влажной кирпичной кладки в вертикальном направлении (по неперевязанному сечению):
а - из силикатного одинарного кирпича; б - из глиняного полнотелого кирпича; влажность: о - в воздушно-сухом состоянии; ▲ - 4 %; А - 8 %; • - 12 %
Кривая температурного деформирования кладки имеет различный наклон на участках положительных и отрицательных температур (рис. 3). Этот излом приводит к тому, что суммарные температурные деформации материала больше, чем по расчету по существующим методикам, и усложняет расчет строительных конструкций на температурные воздействия, т. к. необходимо рассматривать два участка деформирования с различным а{ - до и после замерзания влаги в порах материала.
Для того, чтобы упростить расчет и иметь возможность воспользоваться существующими программными комплексами и традиционными методиками для расчета каменных конструкций на температурные воздействия, попытаемся учесть увеличение температурных деформаций кладки при помощи увеличения расчетной отрицательной температуры конструкции.
Рассмотрим наиболее распространенный на практике случай понижения температуры конструкции от положительной температуры замыкания ^пол до расчетной отрицательной температуры tOJр , приведенную отрицательную температуру обозначим как ^прив . Приведение расчетной температуры осуществляем исходя из условия, что температурные деформации материала в результате воздействия приведенной температуры при неизменном at пол должны быть
равны температурным деформациям при реальном температурном воздействии и переменном коэффициенте линейного температурного расширения:
Априв " Щ пол = Апол " at пол + Аотр " Щ отр .
Здесь at пол - коэффициент линейного температурного расширения материала при положительных температурах, at отр - при отрицательных; А^прив -
приведенный температурный перепад; АПрИв = ^прив - ^ам '; А(пол = 0 - tпол - перепад температур, пришедшийся на область положительных температур;
At = t - 0 - перепад температур, пришедшийся на область отрицательных
температур. С учетом приведенных выше выражений преобразуем формулу (3) к виду:
t • а — t • а = t • а — t • а
пол **t пол отр **t отр пол ^t пол прив ^t пол’
откуда tПpИв = ^ . (4)
а t пол
Таким образом, увеличение коэффициента линейного температурного расширения влажной кладки при отрицательных температурах можно учесть, понизив расчетную отрицательную температуру конструкции.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования показали, что коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) влажной кладки в замороженном состоянии значительно больше, чем той же кладки в воздушносухом состоянии (табл. 1). При влажности 12 % увеличение КЛТР составило от 39 % для красного кирпича в горизонтальном направлении до 92 % для красного щелевого в вертикальном направлении. При положительных температурах влажность кладки не оказала влияния на её температурные деформации. Увеличение КЛТР влажной кладки при отрицательных температурах можно учесть, понизив расчетную отрицательную температуру конструкции.
Библиографический список
1. СНиП II-22-81. Каменные и армокаменные конструкции / Госстрой СССР. - М. : Стройиздат, 1983. - 40 с.
2. Горчаков, Г.И. Коэффициенты температурного расширения и температурные деформации строительных материалов / Г.И. Горчаков. - М. : Изд-во Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совмине СССР. - 1968. - 165 с.
M.A. MURIY
THERMAL DEFORMATION OF THE HUMIDIFIED BRICKWORK
The method and the results of the experimental work of measuring the linear thermal deformation coefficient of the brickwork are given in the paper. Under the condition of subzero temperature the difference between thermal deformation of the brickwork and the ice results in the increase of the thermal deformations of humidified brickwork. At the humidity level of the brickwork 12% the increase of the thermal deformations of frozen brickwork was within 56-92 % depending on the type of the bricks.
