Методи оцінки технічного стану цегляних будинків, що експлуатуються в звичайних та складних умовах будівництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТІ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.012.8:618.518:620.179

МЕТОДИ ТЕХНІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ ЦЕГЛЯНИХ БУДИНКІВ,

ЩО ЕКСПЛУАТУЮТЬСЯ У ЗВИЧАЙНИХ ТА СКЛАДНИХ УМОВАХ БУДІВНИЦТВА

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТАРАН Роман Анатолійович

Макіївка - 2002



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Основи, фундаменти та підземні споруди" Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, ПЕТРАКОВ Олександр Олександрович Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри "Основи, фундаменти і підземні споруди".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, КОРОЛЬОВ Володимир Петрович Донбаська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри "Металеві конструкції".

кандидат технічних наук, доцент, ЧЕРНИХ Олег Анатолійович Донбаський гірничо-металургійний інститут, м. Комунарськ, доцент кафедри архітектури і будівельних конструкцій.

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ огороджуючих конструкцій будівель та споруд, Держбуд України, м. Київ.

Захист відбудеться "27" червня 2002 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка-23, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва й архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка-23, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус

Автореферат розісланий "23" травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.



АНОТАЦІЯ

Таран Р.А. Методи оцінки технічного стану цегляних будинків, що експлуатуються в звичайних та складних умовах будівництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. -Донбаська державна академія будівництва та архітектурі Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2002.

Дисертація присвячена розробці нових методів і приладів неруйнівного контролю для оцінки міцності і напруженого стану основних конструкцій цегляних будинків. У роботі запропоновано два методи оцінки міцності цегли, заснованих на прямому випробуванні досліджуваного матеріалу на стиск і на розтягання. Запропоновано метод оцінки наближення напруженого стану матеріалу конструкції до граничного, заснований на контролі ділатансійних параметрів. Запропоновано метод оцінки вертикальної напруги в цегляній конструкції по зусиллю висмикування, виділеного вертикальними прорізами зразка цегли з експлуатованої конструкції.

Ключові слова: кам'яна кладка, метод, міцність, граничний стан, ділатансія, метод кінцевих елементів, змішана задача теорії пружності і пластичності. міцність конструкція цегляний будинок



АННОТАЦИЯ

Таран Р.А. Методы технической диагностики кирпичных зданий, эксплуатируемых в обычных и сложных условиях строительства. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2002.

Диссертация посвящена разработке методов и приборов оценки прочности и напряженного состояния основных конструкций кирпичных зданий, эксплуатируемых в обычных и сложных условиях строительства.

На основании обобщения и анализа схем трещинообразования в бескаркасных зданиях сформулирован принцип визуальной оценки зон основания с наибольшей интенсивностью осадки в зависимости от расположения трещин в стенах. Предложен метод оценки прочности кирпича по малогабаритным кубическим образцам. Экспериментально получены переходные коэффициенты к стандартной прочности. Предложен и экспериментально апробирован экспресс-метод оценки прочности стенового материала в конструкции. Экспериментально получены переходные коэффициенты к прочности на сжатие и растяжение по стандартной методике для кирпича. Предложен метод оценки приближения напряженного состояния кладки к предельному, основанный на контроле дилатансионных процессов в материале конструкции. Экспериментально установлены критерии развития дилатансионных параметров. Предложен метод оценки вертикального напряжения в кирпичных конструкциях эксплуатируемых зданий. Экспериментальные исследования показали техническую состоятельность метода. Для всесторонней оценки технического состояния кирпичных конструкций предложен численный метод диагностики, основанный на решении смешанной упругопластической задачи. Уточнены деформационные параметры растворной части кладки.

Ключевые слова: каменная кладка, метод, прочность, предельное состояние, дилатансия, метод конечных элементов, смешанная задача теории упругости и пластичности.



ABSTRACT

Taran R.A. The Methods of technical diagnostics of the brick buildings exploited in usual and difficult conditions of construction. - the Manuscript

The thesis on the competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on a speciality 05.23.01 - Building structures, buildings and constructions. - Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2002.

The dissertation is devoted to development of the new methods and devices of not destroying control for an estimation of durability and the intense state of the basic constructions of brick buildings. In the work two methods of an estimation of durability of the brick are offered, based on direct test of a researched material for a compression and for a stretching. The method of an estimation of oncoming for the intense state of a construction material to limiting, based on the control parameters dilatation is proposed. The method of a vertical pressure estimation in the brick constructions for effort plucking brick, allocated vertical the slot from a exploited constructions is offered.

Key words: The stone laying, the method, the durability, the limiting state, the dilatation, a method of the final elements, the mixed problem of the theory of elasticity and plasticity.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕрисТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Діагностика технічного стану конструкцій і будинків у цілому є першочерговим заходом для ухвалення об'єктивного рішення про можливість нормальної експлуатації існуючого будинку, ефективних заходів відновлення чи відмовлення від експлуатації такого будинку. В даний час питання оцінки технічного стану конструкцій і будинку в цілому залишається відкритим, оскільки розвиток приладового оснащення дослідницьких лабораторій за об'єктивних причин було припинено в 90-х роках. До сьогоднішнього дня на ринку будівельної галузі немає принципово нових приладів неруйнівного контролю з механічним принципом дії. Саме приладами неруйнівного контролю механічного принципу дії можна досліджувати міцнісні характеристики кам'яної кладки. Тут варто розглядати тільки склерометричні прилади.

У практичній діяльності доводиться мати справу з будинками старого будівництва, для яких характерне значне змінювання фізичних властивостей поверхневого шару стінового матеріалу як слід тривалої взаємодії з навколишнім середовищем. Прилади склерометричного принципу дії оцінюють міцність матеріалу за пружно-пластичними характеристикам поверхневого шару, які, як уже відзначалося, можуть значно відрізняться від основної маси матеріалу конструкції. Використовуючи ці прилади, похибка оцінки міцності цегляної конструкції старої будівлі буде неприпустимо велика.

Значна частина території України може оцінюватися як територія зі складними умовами будівництва. Для оцінки технічного стану будівель, побудованих у таких умовах, необхідно проводити комплекс заходів, серед яких не останнє місце займає оцінка напруженого стану матеріалу конструкцій. Зараз відомі ряд способів і методик, що дозволяють визначати напружений стан у таких конструкцій на підставі пружних характеристик матеріалу. Для цегляної кладки складний напружений стан однієї цегли не може характеризувати напружений стан конструкції в цілому.

Рішення комплексної задачі технічної діагностики для цегляних будинків у даний час не може бути об'єктивним, оскільки існуючі прилади і методики не пристосовані для цегляної кладки. Отже, для ефективного обстеження цегляних будинків є необхідним розробка нових спеціалізованих методів і приладів, їхня апробація і впровадження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконана в межах рішення проблеми технічної діагностики експлуатованого фонду будинків і споруд, що лежить в основі Постанови Кабінету Міністрів України від 5 травня 1997 року №409 "Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будинків, споруджень і інженерних мереж".

Дисертація виконана на кафедрі "Основи, фундаменти та підземні споруди" Донбаської державної академії будівництва і архітектури і розглядає питання, що були предметом наукових досліджень з держбюджетної і господарської тематиці кафедри № К-3-04-01 "Удосконалення і розробка методів розрахунку та діагностики фундаментів підвищеної несучої здатності в умовах м. Макіївки".

Мета і задачі досліджень. Основною метою дисертації є розробка нових методів та засобів неруйнівного контролю міцності стінового матеріалу, заснованих на механічному принципу дії, методів оцінки напруженого стану матеріалу основних конструкцій цегляних будинків, удосконалення методів візуальної та чисельної діагностики цегляних будинків у складних умовах будівництва.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

проведено аналіз можливих схем тріщиноутворення для безкаркасних будівель у складних умовах будівництва і сформульовані закономірності оцінки причин тріщиноутворення в стінових конструкціях;

розроблено методику прямого визначення міцності стінового матеріалу по малогабаритним відділеним від стінової конструкції кубічним зразкам і циліндричним зразкам у конструкції, виконані експериментальні дослідження, отримані відповідні перехідні коефіцієнти до міцності за стандартною методикою;

розроблено новий спосіб і методику визначення вертикальної напруги в цегельних конструкціях у стадії їхньої експлуатації, виконана експериментальна перевірка технічної можливості застосування запропонованого способу для оцінки вертикальної напруги в основних конструкціях експлуатованих цегляних будинків;

розроблено методику моніторингу конструкцій цегляних будинків з метою оцінки наближення напруженого стану конструкції до граничного і виконані експериментальні дослідження запропонованих критеріїв оцінки наближення напруженого стану конструкції до граничного на натурних зразках у лабораторних умовах;

проведено чисельні дослідження міцності цегляної кладки в зіставленні з даними фізичних експериментів і удосконалено методику теоретичної оцінки технічного стану стінових конструкцій.

Об'єкт дослідження - експлуатовані цегляні будинки.

Предмет дослідження - методи технічної діагностики цегляних будинків, експлуатованих як у звичайних, так і в складних інженерно- і гірничо-геологічних умовах.

Наукова новизна отриманих результатів. Всі основні результати, отримані в дисертаційній роботі, є новими, а область їхнього застосування може бути розширена, наприклад, для технічної діагностики бетонних і залізобетонних конструкцій. Основними науковими результатами є:

метод оцінки міцності стінового матеріалу безпосередньо в конструкції, заснований на визначенні опору розтяганню при відділенні циліндричного зразка від кладки згинаючим зусиллям і опору стиску шляхом випробування відділеного зразка;

експериментально встановлена залежність між розмірами ребра малогабаритного кубічного зразка і стандартною міцністю стінового матеріалу;

метод визначення ступеня наближення кам'яної кладки до граничного стану, заснований на вимірі в процесі експлуатації будинку збільшень об'ємної деформації;

метод визначення рівня стискаючих напруг у кладці експлуатованого будинку, заснований на вимірі зусилля висмикання з кладки фрагмента каменю, звільненого вертикальними прорізами по висоті на всю його товщину;

кінцево-елементна розрахункова модель кам'яної кладки, заснована на використанні для кам'яного матеріалу і розчину рівнянь міцності Кулона-Мору і реалізована шляхом рішення змішаної задачі теорії пружності і пластичності кроковим безітераційним методом.

Практичне значення отриманих результатів є у наступному:

- експрес-метод оцінки міцності стінового матеріалу безпосередньо в конструкції . У основу якого покладене пряме визначення міцності матеріалу. Метод доповнений приладом, що був неодноразово апробований у лабораторних і натурних умовах;

- при реалізації експрес-методу оцінки міцності стінового матеріалу в конструкції запропоноване глибинне зондування стінової конструкції по товщині з визначенням міцності внутрішніх шарів конструкції;

оптимальні розміри малогабаритних кубічних зразків для оцінки міцності цегли;

метод оцінки наближення напруженого стану матеріалу конструкції до граничного дозволяє проводити моніторинг за будинками з кількісною оцінкою рівня напружено-деформованого стану конструкції і прогнозувати момент її руйнування;

метод оцінки вертикальної напруги в цегляній кладці дозволяє визначати абсолютні значення стискаючих напруг у кладці з будь-якого каменю і може бути класифікований як експериментальний метод розрахунку експлуатованого будинку;

кінцево-елементна розрахункова модель кам'яної кладки дозволяє підвищити вірогідність теоретичного прогнозу напружено-деформованого стану несучих конструкцій експлуатованих цегляних будинків.

Особиста участь автора в одержанні результатів експериментальних досліджень:

створення й апробування методу визначення вертикальної напруги в кладці;

дослідження залежності міцності на стиск цегли від розмірів малогабаритних зразків і на основі цього розробка методики контролю міцності цегляної кладки по зразках, відібраним з конструкції;

розробка й експериментальні дослідження методу визначення наближення напруженого стану цегляних конструкцій до граничного;

апробування кінцево-елементної розрахункової моделі кам'яної кладки і чисельні дослідження залежності міцності на стиск кладки від товщини розчинного шва.

Впровадження результатів роботи. Матеріали досліджень використані при розробці регіональних будівельних норм РБН В.3.1-01-99 "Правила оцінки технічного стану і паспортизації будинків та споруд, що експлуатуються в складних інженерно-геологічних умовах".

Метод оцінки міцності стінового матеріалу в конструкції використаний за прямим призначенням при обстеженні несучих стін першого поверху опікового центра інституту Донецького обласного лікувально-клиничного об'єднання, несучих стін першого і третього поверхів готелю "Україна" в м. Донецьку, несучих стін першого і другого поверхів середньої школи сел. Удале Червоноармійського району. Використання методики оцінки ступеня наближення кам'яної кладки до граничного стану здійснюється з 1999 р. при моніторингу за житловим будинком №6 по вул. Корнієнко в м. Зугресі Донецької області.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на: IV Української науково-технічної конференції "Механіка ґрунтів і фундаментобудування" у 2000 р.; на першій міжнародній науково-технічній конференції "Нові технології в будівництві" у 2001 р.; на всеукраїнській науково-практичній конференції "Реконструкція будинків і споруд. Досвід і проблеми" у 2001 р., м. Київ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 друкованих праць, серед яких 4 статті й одне повідомлення.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 111 найменувань, шести додатків. Робота викладена на 164 сторінках, у тому числі 106 сторінок основного тексту, 20 сторінок з малюнками і таблицями, 11 сторінок списку використаних джерел, 28 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичні результати роботи, представлена загальна характеристика роботи.

Перший розділ присвячений аналізу існуючих методів і приладів технічної діагностики безкаркасних будинків.

Проведено аналіз можливих дефектів і ушкоджень цегляної кладки, отриманих у процесі експлуатації, установлених незалежними лабораторіями і дослідниками. Особливий інтерес у методологічному плані представляють роботи наступних авторів: Бойко М.Д., Горохова Є.В., Руховича Й.Р., Корольова В.П., Ройтмана А.Г., Альбрехта Р., Мітцела А., Стахурського В. Особлива увага приділена аналізу тріщиноутворення в стінах цегляних будинків від нерівномірної деформації основи. Аналіз і узагальнення різних ситуацій тріщиноутворення в стінах цегляних будинків при відомих впливах з боку нерівномірно деформованої основи дозволив сформулювати залежність розташування зон основи з підвищеною інтенсивністю осідання від характеру розташування тріщин у стінах:

Якщо від лінії тріщини в середині її довжини провести під прямим кутом промінь до основи, то він укаже на зону з найбільшою інтенсивністю осідань.

Зазначена залежність дозволяє більш ефективно проводити дослідницькі роботи після першого ознайомлення з будинком. Залежність продемонстрована на прикладі визначення причин тріщиноутворення в поперечних цегляних стінах будинку після його реконструкції.

Велика увага в першому розділі приділяється аналізу існуючих методів неруйнівного контролю механічного принципу дії з можливістю застосування їх для оцінки міцності кам'яної кладки. При відзначеному аналізі розглядалася історія розвитку методів неруйнівного контролю де вітчизняними піонерами цього напрямку були Скрамтаєва Б.Г., Вольф І.В., Глужге П.І., Поляков Ф.Ф., Павлових Л.В. і Кочегарів П.Ф. Відзначені праці іноземних вчених, основний напрямок яких - склерометричні методи: Геде (Німеччина), Вільямс (Англія), Шмідт (Швейцарія). Основний недолік цього методу полягає в тім, що міцність стінового матеріалу оцінюється по фізичним властивостям поверхневого шару, що під впливом зовнішніх факторів може значно відрізнятися від тих же властивостей у середині конструкції. Таким чином, об'єктивно оцінити міцність зазначеними методами не представляється можливим. Оцінка міцності стінового матеріалу шляхом стандартного випробування цегли припускає відбір не менш п'яти цеглин з конструкції, що може привести до аварійної ситуації. Зі сказаного вище випливає, що більш перспективним є напрямок оцінки міцності стінового матеріалу методом, що забезпечує пряму оцінку міцності за результатами випробування без зниження експлуатаційних властивостей конструкції.

Розглядається питання актуальності оцінки напруженого стану основних конструкцій безкаркасних будинків, побудованих у складних інженерно- і гірничо-геологічних умовах. Відзначені існуючі методи оцінки напруженого стану в бетонних і залізобетонних конструкціях, серед яких компенсаційний метод і метод місцевого зняття навантаження. Зазначені методи дозволяють оцінити напружений стан у точці конструкції. Оскільки кам'яна кладка відрізняється від бетонної конструкції більшою неоднорідністю, то оцінка складного напруженого стану цегли, який обумовлений випадковим характером межі розчин-камінь, не може характеризувати напружений стан кам'яної конструкції в цілому. До того ж використовувана при цьому високоточна вимірювальна апаратура не пристосована для натурних умов проведення експериментальних робіт. Таким чином, питання оцінки напруженого стану в цегляній конструкції залишається відкритим.

Другий розділ присвячений теоретичним розробкам методів і приладів, що забезпечують більш достовірну оцінку міцності і напруженого стану кам'яної конструкції в порівнянні з існуючими методами, відзначеними в першому розділі.

Розглянуто метод оцінки міцності стінового матеріалу на малогабаритних зразках цегли, відібраних з конструкції. За аналог запропонованого методу прийнятий стандартний метод оцінки міцності бетонних конструкцій на зразках, відібраних з конструкції, згідно ГОСТ 28570-90. Особливість запропонованого методу полягає в розмірах малогабаритних зразків, що можуть змінюватися від 20 мм до 45 мм. Варто враховувати, що для цегли такий метод оцінки міцності пропонується вперше. Власне оцінка міцності виконується за результатами статичного навантаження кубічних малогабаритних зразків з урахуванням коефіцієнта переходу до стандартної міцності. Метод оцінки міцності стінового матеріалу по малогабаритним зразкам дозволяє відібрати частину цегли експлуатованої конструкції без зниження її експлуатаційної придатності. Поряд з очевидними перевагами запропонований метод має ряд недоліків, серед яких складність відбору зразка цегли з площини обштукатуреної поверхні стіни. При цьому добір зразків ударним способом, наприклад, зубилом, може змінити стан досліджуваного стінового матеріалу.

Відзначені недоліки спонукали до розвитку експрес-методу визначення міцності стінового матеріалу в конструкції. Метод також є прямим і реалізується в двох стадіях. На першій стадії відбувається виділення частини цегли у вигляді циліндричного керна кільцевим прорізом з наступним випробуванням його на розтягання при вигині. Відділення керна від конструкції здійснюється силовимірювальним пристроєм з контролем граничного навантаження. Відділений у такий спосіб циліндричний зразок на другій стадії випробується в лабораторних умовах статичним навантаженням, у результаті чого одержуємо міцність цегли на стиск. Проведення випробувань у натурних умовах дозволяє з найбільшої вірогідність оцінити міцнісні характеристики стінового матеріалу в порівнянні з розглянутими вище.

Можливість проведення багаторазового випробування стінового матеріалу конструкції в одній точці дозволяє досліджувати властивості матеріалу конструкції по її товщині, як показано на рис. 1. Глибинне зондування є відмінною рисою пропонованого методу від аналога, запропонованого ще Вольфом І.В., де випробувався бетон. Випробування матеріалу у конструкції виконувалося на стиск, осьове розтягання і зріз. На жаль запропоновані методи ще в 1936 році не знайшли практичного виконання.

Метод оцінки міцності стінового матеріалу в конструкції можна розглядати як експрес-метод, оскільки він дозволяє в натурних умовах одержувати значення шуканої міцності на розтягання при вигині.

Як відзначалося в першому розділі дисертації, для об'єктивної оцінки технічного стану будинків, побудованих на території зі складними інженерно- і гірничо-геологічними умовами, проблема оцінки напруженого стану в основних конструкціях є актуальною. Існуючими методами об'єктивно оцінити напружений стан у кам'яній кладці не можливо. У зв'язку з цим у дисертації запропоновано метод оцінки наближення напруженого стану матеріалу конструкції до граничного. Оскільки кам'яна кладка є макрозернистим анізотропним матеріалом, то для неї справедлива ділатансійна теорія руйнування, що припускає збільшення об'ємної деформації в стані, близькому до граничного. Запропонований метод заснований на контролі ділатансійних параметрів матеріалу конструкції і припускає тривалі спостереження за матеріалом основних конструкцій. Контрольованим параметром ділатансійних процесів є зміна об'ємної деформації.

Визначення зміни об'ємної деформації матеріалу здійснюється шляхом виміру компонентів тензора деформацій у точці конструкції за фіксованим напрямкам у площині і по глибині конструкції. Змінювання лінійних переміщень між точками вимірювальної системи (DL1, DL2, DL3) визначають по двох спостереженнях шляхом визначення різниці відстаней між точками (L1, L2, L3 див. рис. 2), заміряними з деяким інтервалом у часі, наприклад 30 днів. Лінійні виміри необхідно виконувати з точністю до 0,05 мм при базі вимірюваної відстані від 0,5 м до 1,0 м. Для цього можна використовувати дефермометри на базі індикаторів годинного типу чи штангенциркулі з базою більш 500 мм. По отриманій різниці відстаней можна визначити змінювання компонентів тензора деформацій матеріалу конструкції за встановлений період часу (De1, De2, De3). Далі знаходимо величину зміни об'ємної деформації за фіксований період часу De0=De1+De2+De3. У приведеному вираженні знак "мінус" відповідає збільшенню об'ємної деформації стиску, а знак "плюс" - збільшенню об'ємної деформації розтягання. Таким чином, якщо зміна об'ємної деформації за наступний період спостереження буде перевершувати в алгебраїчному розумінні значення зміни об'ємної деформації за попередній період спостережень на величину більшу, ніж похибка вимірювальної системи, то це буде свідчити про наявність ділатансійних явищ у кладці стінового матеріалу. При цьому напружений стан кладки варто класифікувати як близький до граничного.

У тому випадку, коли необхідно оцінити напружений стан основних конструкцій за короткий період часу, а рівень навантаження не досяг моменту розвитку ділатансійних процесів, запропонований метод виявляється неспроможним. Для усунення даного недоліку пропонується метод оцінки абсолютного значення вертикальної напруги в цегляних конструкціях.

Метод оцінки вертикальної напруги заснований на залежності граничного дотичного напруження в матеріалі від вертикального навантаження, запропонованою ще Кулоном, яку записують згідно з формулою:

Rср=Rсц+fЧsy (1)

де, Rср- опір кладки зрізу по неперев'язаному перетину; Rсц - дотичне зчеплення; f - коефіцієнт внутрішнього тертя; sy - нормальна напруга на площадці зрізу.

Метод припускає побудову паспорта міцності кладки (рис. 3) на більш доступній ділянці стіни, наприклад у підвіконній частині. По відомій залежності і по зусиллю, необхідному для висмикування фрагмента цегли, виділеного вертикальними прорізами на усю висоту і товщину цегли, одержуємо абсолютне значення вертикальної напруги на досліджуваній ділянці конструкції. На рис. 3 графічно показана траєкторія визначення вертикальної напруги в конструкції (sy,i) по міцності по неперев'язаному перетину (Rср,i), визначеному по зусиллю висмикування фрагмента цегли.

Запропонований метод оцінки вертикальної напруги не порушує експлуатаційної придатності досліджуваної конструкції і, насамперед, орієнтований на дослідження цегляних конструкцій.

У третьому розділі представлені експериментальні дослідження з запропонованих методів оцінки міцності і напруженого стану матеріалу основних конструкцій цегляних будинків.

Експериментальні дослідження з методу визначення міцності цегли по малогабаритних кубічних зразках були спрямовані на визначення перехідних коефіцієнтів від міцності нестандартних зразків до міцності цегли на стиск за стандартною методикою. Для визначення перехідних коефіцієнтів було випробувано 16 зразків цегли за стандартною методикою і по 16 зразків кожного запропонованого типорозміру: 20 мм, 25 мм, 30 мм, 35 мм, 40 мм, 45 мм. Кількість зразків кожного типорозміру було прийнято з умов статистичної обробки результатів випробувань на стиск. Статистичну обробку проводили за методикою ГОСТ 10180-90, що оцінює перехідний коефіцієнт за середнім значенням з восьми серій, по два зразки в кожній серії. Таким чином, у результаті статистичної обробки були отримані перехідні коефіцієнти до стандартної міцності цегли, при цьому було виділено дві групи нестандартних зразків. У кожній групі міцність нестандартних зразків не відрізнялася більш ніж на 5%. Серед типорозмірів зразків однієї групи був виділений один з найменшим значенням коефіцієнта варіації визначення перехідного коефіцієнта. Таки чином, найбільш технологічними і статистично забезпеченими виявилися кубічні зразки з розміром ребра 25 мм і 40 мм із перехідними коефіцієнтами 0,66 і 0,735, відповідно.

Основною задачею експериментальних досліджень по експрес-методу визначення міцності стінового матеріалу в конструкції є апробація запропонованого методу в технічному аспекті, а саме підбір обладнання для утворення кільцевого прорізу в стіновому матеріалі і виготовлення силовимірювального обладнання.

Аналіз існуючого обладнання для свердлення будівельного матеріалу показав, що все обладнання, що серійно випускається, придатне для реалізації поставленої мети, є імпортним. Для утворення кільцевого прорізу була виготовлена за індивідуальним замовленням кільцева фреза з внутрішнім діаметром 30 мм довжиною 350 мм яка ріже торцевою частиною. Крайка, що ріже, виконана із семи твердосплавних елементів, рівномірно розподілених по колу коронки. У рух коронка приводилася електродріллю потужністю 1 кВт. Утворення прорізу виконувалося без додаткового направляючого пристрою, при цьому позитивний результат забезпечувався в 75 % випадків. У якості силовимірювального пристрою було прийняте трубчасте захоплювання, установлюване насухо, і важіль з підвіскою для штучних вантажів. У ході проведення експериментальних досліджень з описаним обладнанням у лабораторних і натурних умовах циліндричний зразок відокремлювався по нормальному перетині в основі керна.

Для прийнятого діаметра керну 29 мм були отримані перехідні коефіцієнти до стандартної міцності цегли за методикою, описаної вище для малогабаритних кубічних зразків цегли. Так для переходу до стандартної міцності на розтягання при вигині цегли перехідний коефіцієнт склав 0,504, а для переходу до стандартної міцності цегли на стиск 0,6.

Експериментальні дослідження методів по визначенню напруженого стану в цегляній конструкції виконувалися на натурних фрагментах стінових конструкцій.

Для методу оцінки наближення напруженого стану до граничного випробувався простінок з поперечним перерізом 250ґ380 мм і висотою ”900 мм. Випробування цегляного простінка виконувалося при центральному стиску. При цьому здійснювався контроль за переміщеннями восьми контрольних точок (рис. 4) і процесом тріщиноутворення.

В результаті проведення експериментальних досліджень були випробувані п'ять цегляних простінків і побудовані графіки залежності об'ємної деформації від рівня навантаження, що представлені на рис. 5. На цих графіках видно, що до рівня навантаження 0,7 об'ємна деформація є стискаючою, а графіки мають положистий убутний характер. Від рівня навантаження 0,7 збільшення об'ємної деформації свідчить про об'ємне розтягання і залежність здобуває зростаючий характер. При досягненні рівня навантаження більш 0,85 об'ємна деформація для всіх зразків стає розтягуюча (має додатне значення). В експерименті встановлено, що рівні навантаження 0,7 і 0,8 не відрізняються візуально по зовнішніх ознаках стінового матеріалу. При рівні навантаження, що відповідає точці перетинання графіка з віссю абсцис, для кожного окремого зразка на поверхні цегляного елемента відзначені перші тріщини.

Застосування запропонованого методу з метою дослідження напруженого стану експлуатованих конструкцій припускає можливість вести спостереження в будь-який момент часу. За результатами випробування п'яти цегляних простінків були побудовані графіки залежності об'ємної деформації від рівня навантаження 0,5. Аналіз побудованих таким способом графіків і графіків на рис. 5 показує їх якісну і кількісну збіжність у контрольованих інтервалах рівня навантаження. При візуальному аналізі структури матеріалу цегляного зразка після його руйнування було встановлено, що в середній частині поперечного переріза зразка структура матеріалу стала пухкою, цегла легко тріщиться руками, у той час як у зоні, близької до поверхні, на ділянках між окремими тріщинами матеріал зберіг свою цілісність. Отже, при моніторингу за будинками, побудованими в складних умовах, необхідно виконувати контроль параметрів ділатансійних процесів шляхом інструментального виміру зміни об'ємної деформації, оскільки візуальні критерії не можуть об'єктивно оцінити початок структурного руйнування матеріалу.

По методу визначення вертикальної напруги в цегляній конструкції було проведено випробування натурного фрагмента стіни 1,0ґ0,8 м товщиною Ѕ цегли. У ході проведення експериментальних досліджень було виділено чотири фрагменти цегли вертикальними прорізами довжиною по 70 мм на всю товщину стінки. По трьох цегляних зразках були побудовані залежності міцності по неперев'язаному перетину від вертикального навантаження. Точки цих залежностей одержали послідовного шляхом вертикального навантаження стіни і горизонтального навантаження цегляного зразка для кожного ступеня. Зазначена залежність приведена на рис. 6. Для контролю точності визначення вертикального навантаження на четвертому цегляному зразку була реалізована тільки одна ступінь навантаження. Побудована точка контрольного навантаження (рис. 6) потрапила в середню область кореляційного інтервалу, що цілком може бути позитивним результатом апробації запропонованого методу.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробці чисельного методу діагностики цегляних конструкцій. Чисельні дослідження роботи кам'яної кладки розглядалися в роботах Петракова О.О., Черних О.А. Досвід проведення перевірочних розрахунків експлуатованих цегляних конструкцій показує, що в деяких випадках теоретично встановлена несуча здатність згідно СНиП II-22-81 істотно нижче фактичної міцності (див. рис. 8). При цьому досліджувана конструкція при граничному розрахунковому навантаженні не виявляє ознак руйнування. Для більш достовірної оцінки роботи кам'яної кладки з можливістю моделювання дефектів і ушкоджень, пов'язаних зі зміною міцнісних властивостей її компонентів і дефектів конструктивного характеру пропонується метод чисельної діагностики кам'яних конструкцій. Метод припускає опис цегляної кладки у вигляді кінцево-елементної розрахункової моделі, заснованої на використанні для цегли і розчину рівнянь міцності Кулона-Мору при їхній спільній роботі. При розрахунках вирішують змішану задачу теорії пружності і пластичності кроковим безітераційним методом.

Граничний стан компонентів стінового матеріалу при заданому рівні об'ємного стиску визначається по огинаючій граничних кіл Мору й описується рівнянням:

(2)

де, sz , sx , tzx - компоненти тензора напруг; c, j - приведені параметри міцності стінового матеріалу.

Оскільки рішення задачі виконується шляхом послідовного навантаження кінцево-елементної розрахункової схеми, що моделює цегляну конструкцію, то запис сумарних напруг у кожному кінцевому елементі з урахуванням історії навантаження приймається у виді:

де sz0, sx0, tzx0 - початкові напруги (сума всіх напруг на попередніх ступінях навантаження); szs, sxs, tzxs - збільшення напруг на розглянутій ступіні навантаження; k - коефіцієнт наближення до граничного стану.

На кожному ступеню навантаження за результатами обчислення сумарних напруг за (3) виконується перевірка рівняння (2). При цьому визначення коефіцієнта k виконується в наступній послідовності:

За результатами розрахунку вибирається мінімальний коефіцієнт обліку навантаження (для варіантів c1, f1 і c2, f2) і, якщо він менше чи дорівнює одиниці, то для відповідного кінцевого елемента приймається жесткість, рівна машинному нулю. Навантаження на даній ступіні навантаження коректуються шляхом множення початкового навантаження на коефіцієнт наближення до граничного стану і сумується з навантаженнями на попередніх ступінях навантаження. Переміщення на кожному ступеню навантаження визначаються з урахуванням скоректованого навантаження.

Кожний кінцевий елемент описує або розчин, або цеглу. Для опису міцнісних характеристик компонентів стінового матеріалу використовуються приведені параметри, обумовлені відповідно до діаграми на рис. 7. Діаграма описує пружну і пластичну стадію роботи цегли і розчину. Для опису представленої діаграми використовуються значення міцності цегли і розчину на одноосьовий стиск (Rc) і розтягання (Rр). У дисертації для апробації пропонованого методу чисельної діагностики прийнята цегляна конструкція простінка з поперечним перерізом 250ґ380 мм і висотою 960 мм. Аналогічний простінок був випробуваний у лабораторних умовах. Таким чином, у розрахунку використовувалися міцнісні характеристики цегли і розчину за результатами лабораторних випробувань. Деформаційні характеристики: модуль пружності і коефіцієнт Пуассона прийняті з довідкової і нормативної літератури. При рішенні поставленої задачі контролювалося граничне значення навантаження на розрахункову модель до втрати опору, а також фіксувалися схеми розвитку пластичних зон у кінцевих елементах. При початковому значенні коефіцієнта Пуассона розчину 0,2 отримане значення міцності розрахункової моделі нижче фактичної міцності цегляного простінка, установленої як середнє значення за результатами випробування п'яти простінків (рис. 8). При цьому втрата опору розрахункової моделі відбулася при перетинанні поперечного переріза зоною пластичної деформації по всіх кінцевих елементах, що моделюють горизонтальний шов. При цьому рівень розтягаючих напруг в елементах, що моделюють цеглу, не перевищували 0,5. Таким чином, було прийняте рішення про виконання серії розрахунків, де змінювався коефіцієнт Пуассона розчинної частини. Результати обчислень представлені у виді графіків на рис. 8. Аналіз представлених діаграм показує, що найбільший збіг несучої здатності розрахункової моделі і натурного цегляного простінка відзначається при застосуванні середнього коефіцієнта Пуассона розчинної частини, значення якого дорівнює 0,3. При цьому, схеми утворення зон пластичної деформації при візуальному контролі відповідали загальноприйнятій схемі руйнування кам'яної кладки, коли руйнуванню передує поділ кладки на окремі стовпчики магістральними тріщинами. У нашому випадку, у граничному стані, зона пластичних деформацій у кінцевих елементах перетинала всю розрахункову модель у подовжньому напрямку.

Практичне застосування запропонованого методу технічної діагностики цегляних конструкцій було продемонстровано на дослідженні міцності кладки в залежності від товщини розчинного шва. У результаті чисельних досліджень була встановлена кількісна залежність міцності кладки від товщини розчинного шва, що має нелінійний характер. Так, для кладки з товщиною розчинного шва 10 мм і 40 мм різниця по несучій здатності склала 10%.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Запропоновано й експериментально обґрунтовані нові методи оцінки міцності цегли стінової конструкції по малогабаритних зразках і експрес-метод оцінки міцності цегли безпосередньо в конструкції. Експериментальні дослідження з запропонованих методів дозволили виділити два найбільш оптимальні типорозміри з відповідними перехідними коефіцієнтами: для кубика з ребром 25 мм до=0,66; для кубика з ребром 40 мм до=0,735. Для практичного застосування методу визначення міцності стінового матеріалу в конструкції експериментально встановлено перехідний коефіцієнт k=0,504 від міцності на розтягання при вигині циліндричного зразка Ж29 мм до міцності на розтягання при вигині за стандартною методикою. Перехідний коефіцієнт для оцінки міцності стінового матеріалу на стиск за результатами випробування циліндричного зразка Ж29 мм отриманий експериментально і дорівнює 0,6.

2. Експрес-метод оцінки міцності матеріалу в конструкції застосований для дослідження міцнісних властивостей і ступеня однорідності матеріалу конструкції по її товщині. Глибинне зондування міцнісних властивостей є відмінною рисою запропонованого методу і додає йому нову якість у порівнянні з існуючими неруйнівними методами механічного принципу дії.

3. Запропоновано й експериментально обґрунтовано метод оцінки наближення напруженого стану конструкції до граничного в натурних умовах, заснований на вимірі параметрів ділатансійних процесів у цегляній кладці. Експериментальні дослідження ділатансійних явищ у кладці показали, що спостереження за зміною об'ємної деформації можна вести з будь-якого рівня навантаження, тобто в будь-який момент часу без викривлення результатів вимірів. При цьому було встановлено, що для проектування вимірювальної системи необхідне забезпечення точності виміру лінійних переміщень точок конструкції не нижче ніж 0,05 мм/м. Установлено, що перехід об'ємної деформації кам'яної кладки в область об'ємного розтягання відбувається при рівні навантаження 0,7ё0,8.

4. Запропоновано й експериментально реалізовано метод визначення вертикальної напруги в цегляних конструкціях. Ефективність оцінки абсолютних значень вертикальної напруги і його нерівномірність розподілу по довжині будівлі, експлуатованої в складних інженерно-геологічних умовах будівництва, розглянуто на прикладі діагностики цегляного будинку після збільшення його поверховості при реконструкції. Експериментальні дослідження з запропонованого методу підтвердили технічну можливість його застосування в натурних умовах.

5. Чисельні дослідження роботи цегляної кладки по запропонованому методу чисельної діагностики на основі кінцево-елементної розрахункової моделі показали найбільшу збіжність теоретичних результатів з результатами фізичних випробувань при використанні коефіцієнта Пуассона розчинної частини кладки рівному 0,3. У пружній стадії роботи розчину норми рекомендують значення коефіцієнта Пуассона 0,2. На підставі цього рекомендується для розрахунку цегляних конструкцій з використанням алгоритму змішаної задачі теорії пружності і пластичності застосовувати середнє значення коефіцієнта Пуассона, яке дорівнює 0,3.

6. Залежність міцності кладки від товщини розчинної частини кладки носить нелінійний характер і має межі від призменої міцності розчину при необмеженому зростанні товщини шва до призменої міцності цегли при прагненні товщини шва до нуля. Чисельними дослідженнями встановлено, що в межах коливань товщини розчинного шва від 10 мм до 40 мм міцність кладки змінюється в межах 10 %.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Таран Р.А., Петраков А.А. Визуальные методы технической диагностики // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка: ДГАСА. - 1998. вып. 98-3(11). - С. 79.

2. Таран Р.А. Натурные обследования зданий в сложных условиях строительства // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО "Лебедь". - 1999. - С. 50 - 52.

3. Петраков А. А., Таран Р.А. Диагностика технического состояния несущих конструкций кирпичных зданий // Нові технології в будівництві. - К: НДІБВ. - 2001, №1. - С. 59 - 64.

4. Таран Р.А. Техническая диагностика кирпичных зданий и их частей // Будівельні конструкції. - Київ: НДІБК. - 2001. - С. 642 - 647.

5. Таран Р.А. К вопросу оценки прочности стенового материала кирпичных зданий // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО "Лебедь". - 2001. - С. 226 - 229.

Размещено на Allbest.ru