КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ШАПОРЕНКО Юрій Іванович

УДК 624.012.2

НЕСУЧІ СТІНИ БУДИНКІВ

З ДРІБНОШТУЧНИХ БЕТОННИХ КАМЕНІВ

05.23.01 "Будівельні конструкції, будівлі та споруди"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському зональному науково-дослідному та проектному інституті по цивільному будівництву (КиївЗНДІЕП) Державного комітету будівництва архітектури та житлової політики України (Держбуду України).

Науковий керівник:

Доктор техн. наук, професор

Коляков Маркус Йосипович,

КиївЗНДІЕП, заст. директора

по науковій роботі.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Шмуклер Валерій Семенович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій.

Кандидат технічних наук, доцент Черних Олег Анатолійович, Науково-дослідний та проектний інститут реконструкції будинків та споруд, м. Луганськ, заст. директора по науковій роботі.

Провідна установа – Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, кафедра залізобетонних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "6" жовтня 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Пофітрофлотський пр., 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, Київ-37, Пофітрофлотський пр., 31.

Автореферат розісланий “_31_” серпня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кобієв В.Г.

к.т.н., с.н.с.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. В даний час в масовому будiвництвi житлових та цивiльних будинкiв на Українi, однаково як i в країнах СНД, пе-реважає повнозбiрне будiвництво. В значно меншiй мiрi застосовуються бу-динки з повнотiлої цегли та дрiбноштучних бетонних каменiв. Таким чином, повнозбiрне будiвництво практично не має альтернативи, що суттєво ускладнює створення рiзноманiтних систем та конкуренцiю на ринку житла. Альтернатива великопанельному будiвництву житлових та цивiльних будинкiв пов'язана, в першу чергу, зi створенням будiвельної iндустрiальної бази мiсцевих матерiалiв та дрiбноштучних багатопорожнинних каменiв зокрема. Крiм того, це питання стає актуальним в зв'язку з пiдвищенням, в ос-таннiй час, вимог до архiтектурно-будiвельних показникiв будинкiв, особливо в частинi енергозбереження.

Однак створенню iндустрiальної бази дрiбноштучних каменiв повинна передувати конструктивна розробка, яка б мiстила номенклатуру дрiбноштучних каменiв, з наступним науковим обгрунтуванням конструктивних рiшень для масового будiвництва, iнакше кажучи, iндустрiальна база повинна базуватися на основi широкого спектру конструктивних рiшень стiнових конструкцiй для будинкiв висотою до дев'яти поверхiв, котрi будуть зводитися з використанням єдиної унiфiкованої номенклатури каменiв. Дана робота присвячена створенню необхiдних умов для розвитку однiєї з гiлок iндустрiальної бази будiвництва з мiсцевих матерiалiв - бази дрiбноштучних каменiв, чим i визначається її актуальнiсть.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у вiдповiдностi з тематичним планом науково-дослідних робіт КиївЗНДIЕП (теми № 382-93-95 та № 827.95-95), які фiнансуються з коштiв держбюджету Держбуду України та виконуються у вiдповiдностi з Постановою Кабміну України та Державною програмою по розробці нової архітектурно-конструктивно-технологічної системи з дрібноштучних каменів (АКТС "Строммашина"). Автор приймав безпосередню участь у виконанні цих науково-дослідних робіт як співвиконавець.

Мета i задачi дослiдження. Метою дослiдження є розробка та наукове обгрунтування технiчних рiшень стiн з дрiбноштучних бетонних каменiв, якi мiстять номенклатуру каменiв для стiн житлових та цивiльних будинкiв. Для досягнення поставленої мети необхiдно розв’язати наступнi задачi:

- розробити конструктивні рішення кладок для несучих зовнішніх та внутрішніх стін з дрiбноштучних каменiв із рiзноманiтними системами перев'язок для будинкiв висотою до 9 поверхiв з диференцiюванням їх по тем-пературних зонах України;

- розробити єдину унiфiковану номенклатуру дрiбноштучних каменiв для стiнових зовнiшнiх та внутрiшнiх конструкцiй;

- провести експериментальнi дослiдження окремих каменiв та натурних фрагментів стiн з оцiнкою їх фізико-механічних характеристик, напружено-деформованого стану та руйнуючих навантажень;

- провести чисельні дослідження багатопорожнинних та багатошарових кам’яних стін з виявленням характеру їх роботи при центральному та позацентровому стиску;

- розробити методику оцiнки впливу теплопровiдних включень ( в тому числі вiконних прорiзiв) на теплофiзичнi характеристики зовнiшнiх стiн та конструктивнi заходи щодо його усунення.

Об’єкт дослідження – несучі стіни житлових та цивільних будинків висотою до 9 поверхів.

Предмет дослідження – фізико-механічні та теплофізичні властивості несучих стін будинків з дрібноштучних бетонних каменів.

Методи дослідження – експериментально-теоретичні (теоретичний аналіз та конструктивна розробка технічних рішень конструкцій каменів та стін з них, натурний експеримент та порівняння його результатів з результатами дослідження скінченноелементних моделей, теоретичні дослідження в частині теплофізичних характеристик зовнішніх стін).

Наукова новизна одержаних результатів міститься в наступному:

- одержані нові експериментальні дані про співвідношення кубикової міцності бетону і міцності порожнистих каменів. При цьому встановлено, що різниця значень щільності каменів та кубів не відповідає вимогам чинних стандартів, в зв’язку з чим надані рекомендації по коригуванню згаданих стандартів;

- встановлено співвідношення міцностей порожнистих каменів при стиску та розтягу при розколюванні;

- встановлено вплив умов зберігання каменів на їх міцність;

- одержані нові дані про вплив порожнистості каменів кладки на її характеристики на основі чого надані рекомендації по коригуванню розрахункової моделі кам’яної кладки, прийнятої в нормах, за допомогою введення системи коефіцієнтів надійності;

- побудовані математичні моделі деформування кладок з порожнистих каменів при центральному стиску;

- встановлено характер розподілу напружень по перерізах багатопорожнинної кладки при центральному та позацентровому стиску, на основі чого надані рекомендації по розрахунках міцності при цих видах напружено-деформованого стану (НДС);

- встановлено оптимальне значення ексцентриситету опирання перекриттів на багатошарові кам’яні стіни.

Крiм того, в роботi наявна i конструктивна новизна в номенклатурi ви-робiв, технiчних рiшеннях конструкцій стiн та особливостях конструювання окремих еле-ментiв кам'яних стiн.

Практичне значення одержаних результатів мiститься в розроблених рекомендацiях по розрахунку та конструюванню несучих стiн будинкiв при практичному проектуваннi. Результати представлених в роботi дослiджень реалiзованi при розробцi нормативно-технiчної документацiї, при проекту-ванні та будiвництві будинкiв з дрiбноштучних каменiв згідно Державної програми експериментального будiвництва.

Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертаційній роботі результати отримані здобувачем самостійно. Ці результати базуються на iдеях щодо конструктивно-тех-нологiчних систем будинкiв з дрiбноштучних елементiв, котрі були започаткованi Коляковим М.Й., Санниковим I.В. (КиївЗНДIЕП) i Савицьким М.В. (ПДАБiА) та були розвинутi автором. Зокрема особисто автором виконані:

- розробка технічних рішень несучих стін та уніфікованої номенклатури дрібноштучних бетонних каменів для їх зведення;

- розробка методик натурного експерименту та чисельних досліджень;

- експериментальні та чисельні дослідження окремих дрібноштучних каменів та фрагменів кладок з них;

- аналіз та узагальнення результатів експерименту та чисельних досліджень з розробкою відповідних аналітичних залежностей.

Апробацiя результатів дисертації. Результати роботи розглядалися на розширеній Колегiї Дер-жбуду України (протокол № 12 вiд 15.11.1995 р.), на НТР Держбуду України (протокол № 4 вiд 10.04.1996 р.) та на НТР КиївЗНДIЕП в 1996 – 1999 р.р., на засіданні кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій КНУБА (протокол №. 2 від 13.09.1999 р.), а також на “Звітній науково-технічній конференції співробітників ЛДАУ (Луганська державна архітектурна академія) за підсумками науково-дослідних робіт за 1999 р.” (17.01.2000 р. – 27.01.2000 р., м. Луганськ)

Публiкацiї. Результати дослiджень опублiкованi в 5 наукових статтях.

0бсяг і структура роботи. Дисертацiя складається з вступу, чотирьох роздiлiв, за-гальних висновкiв, списку використаних джерел, що мiстить 84 наймену-вання, мiстить 153 сторiнки, в тому числi 98 машинописного тексту, 28 рисункiв, 19 таблиць та 5 додатків на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

В першому роздiлi розглянуто стан питання, розглянутi види дрiбноштучних бетонних каменiв та стiнових кладок з них, якi застосову-ються в Українi та iнших країнах. Наведено результати огляду робiт, при-свячених дослiдженням фiзико-механiчних та теплофiзичних характеристик кам'яних кладок та методам розрахункiв цих конструкцiй за граничними ста-нами. При цьому особлива увага звернена на кладки з порожнистих каменiв та багатошаровi стiни. На основі аналізу робіт Онищика, Камейко, Семен-цова, Полякова, Пільдіша та інших авторів, присвячених дослідженням міцності та деформативності різних видів кам’яних кладок, а також робіт Санникова І.В., Колякова М.Й. та Савицького М.В. в галузі архітектурно-конструктивних систем будинків з дрібноштучних каменів зроблено наступні висновки:

- широке впровадження дрiбноштучних бетонних каменiв та ар-хiтектурно-конструктивних систем на їх основi в Українi стримується в першу чергу занадто вузькою iснуючою номенклатурою стiнових виробiв, яка не вiдповiдає умовам комплектної поставки та не дозволяє зводити стiни, котрi б вiдповiдали сучасним вимогам до зовнiшнього вигляду фасадiв та те-плозвукоiзоляцiї примiщень. Крiм того, недостатньо повно пропрацьованi самi конструктивнi системи з дрiбноштучних каменiв;

- в зарубiжнiй практицi будiвництва накопичено значний досвiд по ви-робництву та застосуванню дрiбноштучних каменiв. Пiдприємства бу-дiндустрiї України освоїли випуск формуючих установок для виробництва дрiбноштучних каменiв;

- для задоволення пiдвищених в останнiй час вимог до архiтектурно-бу-дiвельних показникiв зовнiшнiх стiн будинкiв необхiдна розробока нових та вдосконалення наявних конструкцiй зовнiшнiх стiн з дрiбноштучних ка-менiв;

- належить уточнити фiзико-механiчнi характеристики порожнистих кладок. Необхідно встановити вплив порожнистості на міцність, пружну характеристику та модуль пружності кладок;

- необхiдне вдосконалення методики розрахунку стiн з висо-копорожнистих дрiбноштучних каменiв при центральному та позацентро-вому стиску з урахуванням фактичного характеру розподілу напружень по перерізу;

- вузли опирання перекриттів на багатошарові кам’яні стіни слід конст-руювати з ексцентриситетом, який забезпечує рівномірне деформування шарів та при котрому увесь переріз стіни стиснений;

- в частинi вдосконалення теплофiзичних властивостей зовнiшнiх стiн бу-динкiв необхiдна оцiнка впливу теплопровiдних включень (в тому числi вiконних прорiзiв) на теплофiзичнi характеристики прилеглих до них дiлянок стiн та розробка конструктивних заходiв щодо його усунення.

З врахуванням стану питання визначена мета та основнi задачi дослiджень.

Другий роздiл присвячено розробці конструктивних рішень несучих стін з дрібноштучних бетонних каменів. Згадані конструктивні рішення базую-ються на чотирьох основних принципах:

- забезпечення необхідної міцності стін та їх елементів;

- забезпечення потрібного опору теплопередачі при використанні в різних температурних зонах України;

- забезпечення задовільного зовнішнього вигляду фасадів будинків;

- комплектне постачання елементів стін (каменів) на будмайдан-чик.

Виходячи з цих принципів, розроблено типи стiнових кладок, що мiстять: кладки суцiльнi типу Е (див. рис.1 (а)); кладки багатошаровi з ефективним плитним утеплювачем та з'єднанням шарiв гнучкими в'язями типу В (рис. 1 (б, в)); кладки багатошаровi з застосуванням зовнiшнiх теплоiзоляцiйно-оздоб-лювальних систем (ЗТОС) (рис. 1 (г)); кладки багатошаровi з ефективним плитним або сипучим утеплювачем зi з'єднанням шарiв тичковими рядами каменiв типу А (рис.1 (д)).

Показники мiцностi та теплопровiдностi запропонованих типiв кладок були проаналiзованi на предмет виявлення областi їх використання, в результатi чого кладки були диференцiйованi за призначенням для будинкiв висотою до 9 поверхiв та для рiзних температурних зон України.

З аналізу розроблених конструктивних рішень кладок з дотриманням принципу комплектного постачання одержано необхідний набір елементів для їх зведення - унiфiковану номенклатуру каменів, яка базується на по-переднiх технiчних рiшеннях стiнових каменiв та мiстить наступнi їх типи: каменi стiновi порожнистi рядовi типу СБ-ПР (з крупними порожнинами) та типу СБ-ЩР (з щiлевими порожнинами); каменi стiновi повнотiлi рядовi 

типу СБ-Р; каменi стiновi порожнистi лицевi фасоннi типу СБ-ПЛФ, призначенi для облицювання стiн. Камiнь має на бокових поверх-нях спецiальнi ребра, якi мають висоту, що дорiвнює висотi кладочних швiв, що дозволяє створювати ефект "роз-шивки швiв" по фасаду стiни; каменi стiновi спецiальнi типiв: СБ-СР (ка-менi для влаштування схованого залiзобетонного каркасу або засипки сипу-чим утеплювачем); СБ-СРЖ (каменi з жолобом для влаштування перемичок та поясiв); СБ-СРВ (каменi для влаштування вентканалiв); СБ-М, СБ-К, СБ-П (вiдповiдно каменi мауерлатнi, коньковi та парапетнi). Крiм розробки власне конструктивних рiшень каменiв, визначенi також їх характе-ристики за геометрiєю, вагою, мiцнiстю та теплопровiднiстю.

В третьому розділі описано експериментальні дослідження дрібноштучних каменів та фрагментів кладок з них, оброблено та оцінено ре-зультати випробувань. Загальна мета експерименту – визначення фізико-ме-ханічних характеристик порожнистих дрібноштучних каменів та кладок з них. У відповідності з метою, розроблено методику експерименту, яка мiстить: зразки для проведення випробувань та вимоги до них; номенклатуру показникiв якостi зразкiв, якi встановлюються при випробуваннях; випро-бувальнi стенди, обладнання та пристосування; рекомендацiї по органiзацiї

та проведенню випробувань; порядок обробки результатiв та оцiнки показ-никiв якостi зразкiв. Всього було виготовлено та випробувано бiльш як 60 зразкiв окремих каменiв та 6 натурних фрагментiв кам'яних стiн.

Дослiдження мiцностi окремих каменiв виконувалося на чотирьох дос-лiдних серiях порожнистих каменiв з рiзним процентом порожнистостi. Крiм того, мiцнiсть бетону каменiв визначалася випробуванням контрольних зразкiв-кубiв розмiрами 100х100х100 мм, що виготовлялися з сумiшi ро-бочого складу для кожної марки каменю. Випробування окремих каменiв та кубiв виконувалися на гiдравлiчному пресi згiдно чинних ГОСТ та ДСТУ.

Результати випробувань окремих каменiв оброблялися та оцiнювалися згiдно чинних стандартiв на методи випробувань за середнiми значеннями по ви-борках з статистичною їх оцiнкою за допомогою коефiцiєнтiв варiацiї.

За результатами випробувань окремих каменiв на стиск визначалася гра-ниця мiцностi на стиск. Було також встановлено невiдповiднiсть по-рiвняльних значень щiльностi бетону каменiв i бетону контрольних зразкiв-кубiв вимогам чинних стандартів. Рiзниця в значеннях щiльностi становила в середньому 19% проти дозволених 3%. Очевидно, що подiбна ситуацiя ха-рактерна для бiльшостi випадкiв виготовлення бетонних каменiв вiбропресуванням, коли куби, на вiдмiну вiд каменiв, ущiльнюються вручну. При цьому значення перехiдного коефiцiєнта вiд кубикової мiцностi бетону контрольних зразкiв до марки каменю склало kb.06.

За даними випробувань, мiцнiсть каменiв на розтяг при розколюваннi склала в середньому 12.9% вiд значення мiцностi при стиску. В процесi проведення експерименту перевiрено, в якiй мiрi впливають умови збе-рiгання дрiбноштучних шлакобетонних каменiв на їх мiцнiсть. З цiєю метою було випробувано на стиск двi додатковi серiї зразкiв, якi вiдрiзнялися умовами зберiгання: каменi додаткової серiї 1 зберiгалися пiд навiсом, а каменi додаткової серiї 2 - на вiдкритому складсь-кому майданчику на протязi 30 днiв. Випробування додаткових серiй зразкiв виявили, що втрата мiцностi при цьому може скласти 29,6 %.

Для експериментальних дослiджень кам'яних кладок виготовлено три серiї натурних фрагментiв стiн: серiя 1 - 2 одношаровi простiнки; серiї 2 та 3 - 4 двошаровi простiнки з рiзною кiлькiстю в'язей мiж шарами. Для випробувань фрагментiв була змонтована випробувальна установка наведена на рис.2.

Виходячи з передбачуваних руйнуючих навантажень (Nсnt) при випробу-ваннях фрагментiв стiн використовувався гiдравлiчний домкрат вантажнiстю 1000 КН та ручна насосна станцiя до нього з манометром, котрий мав цiну подiлки 2,5 кг/cм2. Вимiрювання лiнiйних змiщень здiйснювалося iндикаторами годинникового типу з цiною подiлки 0,01 мм, встановленими

на базi 400 мм. Ширина розкриття трiщин замiрялася мiкроскопом МБП-2 з цiною подiлки 0,05 мм. Для покращення фiксацiї моменту появи трiщин в кладцi боковi поверхнi фрагментiв були покритi рiдким розчином крейди. Границя мiцностi на стиск кладки Ru,ob  визначалася по повному перерiзу зразка без вирахування площi порожнин каменiв, виходячи зi спостережених значень руйнуючого навантаження. З аналiзу результатiв експерименталь-ного визначення мiцностi кладок встановлено, що мiцнiсть кладки зни-жується при збiльшеннi значення проценту порожнистостi каменiв кладки вiд 23% до 40 % вiдповiдно на 7.2% та 9.12 %. Виходячи з цього, надані рекомендації по визначенню міцності таких кладок. Так, розрахунковi опори стиску кладок рекомендовано приймати за вказiвками чинних норм, з ураху-ванням порожнистостi каменiв шляхом множення на коефiцiєт надiйностi по матерiалу  gm,h, значення якого слiд призначати наступними: при значеннi проценту порожнистостi каменiв кладки ks,b = 0 -  gm,h = 1; при ks,b = 23% -  gm,h= 0.93; при ks,b = 40% -  gm,h0.906; при ks,b = 52% - gm,h = 0.841. При промiжних значеннях ks,b значення gm,h слiд приймати за лiнiйною iнтерполяцiєю.

Пружна характеристика кладки визначалася, виходячи зi значення гра-ничних спостережених деформацiй кладки при стиску по формулi:

a = 1000 eoeu,ob   (1)

де  eo = 2.64 мм/м - гранична вiдносна деформацiя стиску кладки при  a= = 1000;  eu,ob - одержане значення граничної вiдносної деформацiї.

Встановлено, що значення пружної характеристики кладок з порожнистих каменiв в значнiй мiрi залежать вiд проценту порожнистостi. Для неармиро-ваної кладки з каменiв з процентом порожнистостi 23% воно склало в серед-ньому 1259, а з каменiв з процентом порожнистостi 40% - 1357. Значення пружних характеристик кладок з сiтчатим армуванням виявилось дещо ниж-чими аналогiв для неармованих кладок. Так, для армованої кладки з каменiв з порожнистiстю 23 та 40 % значення пружної характеристики вiдповiдно склали 1145 та 1223.

Для бiльшої достовiрностi результатiв модуль пружностi кладки o визна-чався двома методами:

- виходячи з визначених значень Ru,ob  та a по формулi:

Еo =  aRu,ob  ; (2)

- по методицi ГОСТ 24452-80 при напруженнi 0.3R u,ob, при цьому зна-чення пластичної деформацiї при короткочасному завантаженнi прийнято рiвним 0.15 eu,ob.

Значення модулiв пружностi кладок, визначенi по двох рiзних методиках, вiдрiзнялись мiж собою в середньому на 5 %, що свiдчить про можливiсть за-стосування методики визначення пружної характеристики та модуля пруж-ностi через значення граничних вiдносних деформацiй стиску. З спiвставлення значень модулiв пружностi уточнено значення частки вiдносних пластичних деформацiй стиску кладки при короткочасному заван-таженнi в загальному полi деформацiй, котра виявилась дещо бiльшою за-гальноприйнятої та склала 23 %.

Для математичного моделювання процесу деформування кладки при сти-ску було використано результати iнструментальних вимiрiв деформацiй, якi оброблялися за допомогою методу найменших квадратiв, при цьому як iнтерполяцiйний полiном використано квадратний трьохчлен. Вибiр квад-ратного трьохчлена як функцiї вiдносних деформацiй не випадковий. Харак-тер деформування фрагментiв кладок, спостережений в процесi проведення випробувань, виявив, що крива "s-e вiд початку завантаження до руйну-вання може мати один екстремум. Цiй умовi повнiстю вiдповiдає квадратний трьохчлен. Побудована за ре-зультатами iнструментальних вимiрiв деформацiй кладок при центральному стиску математична модель деформування кладок з дрiбноштучних порож-нистих каменiв має наступний вигляд

e =9.08008 H10 (s/Ru)2+9,97243H10-4(s/Ru.01162H10-5 ,  (3)

де  e - повна вiдносна деформацiя стиску; s - напруження, при яких визначаються вiдноснi деформацiї; Ru - границя мiцностi кладки.

Наведена залежнiсть адекватно вiдображає динамiку деформування кладки, що видно з спiвставлення значень вiдносних деформацiй стиску, обчислених по запро-понованiй залежностi та по загальноприйнятiй логарифмiчнiй залежностi Л.I.Онищика, коли середнє вiдхилення результатiв розрахунку склало 7%. Графiк залежностi (3) та його спiвставлення з iншими залежностями наве-дено на рис.3 (а).

За результатами випробувань багатошарових фрагментiв стiн побудованi математичнi моделi деформування окремих шарiв, аналогiчнi за видом за-лежностi (3) (див. рис. 3 (б,в)). Одержанi залежностi спiвставлялися мiж со-бою. Це спiвставлення показує, що зразки серiї 3, якi мають додаткове з'єднання шарiв посерединi висоти простiнкiв деформуються бiльш рiвномiрно та спiльно порiвняно зi зразками серiї 2. Деформування шарiв фрагментiв серiї 2 проходить окремо практично з самого початку заванта-ження зразка, в той час як шари фрагментiв серiї 3 деформуються порiвняно спiльно до рiвня напружень, що приблизно дорiвнює 0.5Ru, а при подаль-шому зростаннi навантаження рiзниця деформацiй шарiв починає зростати, при цьому бiльш деформативним є лицевий шар. Вищенаведене свідчить, що прийнята в зразках серії 3 кількість гнучких в’язів між шарами (2.6 см2/м2) достатня для їх надійного з’єднання.

В четвертому роздiлi проведено чисельні дослідження порожнистих ка-менів та кладок з них. Дослідження в основному базуються на лінійних роз-рахунках скінченноелементних моделей каменів та кладок на ЕОМ за допомо-гою програми “Міраж” (розроблений НДІАСБ Держбуду України).

При дослідженні напружено деформованого стану кладок з каменів з мак-симальним відсотком порожнистості (камені СБ-СР, ks,h = 52%) було поставлено за мету визначити повну картину розподілу нормальних напружень по перерізу кладки при центральному та позацентровому стиску, а

також визначити модуль пружності та пружну характеристику такої кладки при відомих параметрах міцності та деформативності каменя та розчину.

Грані каменів моделювалися чотирикутним скінченним елементом типу “оболонка нульової гаусової кривини”. Розчинні шви моделювалися таким же елементом, але опертим на пружну вінклерівську основу. В кожному вузлі моделі приймалося по 6 ступенів свободи – за лінійним зміщенням та кутом повороту по кожній осі глобальної системи координат. Числові значення навантажень на модель приймалися з умови досягнення границі міцності матеріалу.

Одержані в результаті розрахунків епюри відносних деформацій та нормальних напружень наведені на рис. 4. Як показує їх аналіз, навіть при рівномірному розподілі навантаження на модель спостерігається нерівномірність деформування стінок каменів, яка зростає з ускладненням його форми. Кількісний аналіз напружень та деформацій дає значення модуля пружності кладки. При відомому значенні Ео та заданому значенні Ru з формули (2) визначено пружну характеристику кладки a = 1405. Спі-вставляючи дані експерименту щодо пружної характеристики порожнистих кладок, отримуємо ще одне підтвердження висновку – зі зростанням порожнистості зростають і значення a, а отже і модуля пружності кладки. Знаючи низку значень a при різних значеннях ks,h, побудуємо залежність

a = f (ks,h, R2) (деR2 – міцність при стиску розчину). Метод найменших квадратів дає наступну залежність в діапазоні міцності розчину R2=(1–20) МПа:

a = 1004 + 7.27ks,h . (4)

Нерівномірність розподілу нормальних напружень по перерізу при розрахунках міцності таких кладок запропоновано враховувати шляхом введення в розрахункові залежності коєфіцієнта повноти епюри напружень g. Значення цього коєфіцієнта, визначене як віднощення об’єму фактичної епюри напружень до об’єму прямокутної з ординатою s = smax, склало 0.97. Для зменшення нерівномірності епюри напружень конструкція каменя типу СБ-СР була оптимізована шляхом зменшення товщини центральної діафрагми. При цьому вага каменя зменшилась на 17 % при відповідності інших показників.

Розрахунки скінченноелементних моделей порожнистих кладок на позацентровий стиск виявили, що при значенні відносного ексцентриситету ео /yO0.3 весь переріз кладки стиснений, тобто має місце випадок малих ексцентриситетів. Зі збільшенням ексцентриситету до ео /y=0,35 в перерізі з’являється розтягнена зона. При цьому форма епюри s в стисненій зоні перерізу за формою близька до трикутника, однак з площини дії згинального моменту характер епюри залишається досить нерівномірним.

Дослідження скінченноелементної моделі багатошарової кладки з дрібноштучних каменів мало на меті надати науково-обгрунтоване конструктивне вирішення вузла опирання перекриття на багатошарову несучу стіну з тим, щоб запобігти появі розтягуючих напруг в перерізі та забезпечити максимально рівномірне деформування шарів при впливі вертикальних та горизонтальних навантажень. Деформування шарів стіни при різних значеннях ексцентриситету поздовжньої сили показано на графіку рис. 5. Звідси отримано значення оптимального відносного ексцентриситету ео/b =0.173. Розрахунки, проведені для простінків 9 поверхового будинку, показали, що горизонтальні (вітрові) навантаження майже не впливають на отримане значення оптимального ексцентриситету, однаково як і зміна фізико-механічних характеристик матеріалу шарів.

В частинi полiпшення теплофiзичних характеристик зовнiшнiх кам'яних стiн розроблено методику оцiнки впливу теплопровiдних включень та вiконних прорiзiв на теплофiзичнi характеристики прилягаючих дiлянок стiн. Суть методики полягає в аналiзi iзотерм на внутрiшнiй поверхнi огород-ження, побудованих для зони включення та стiни. Аналiтичнi вирази для iзотерм, запозиченi з роботи Е.I. Сидорова, де були одержанi з розв’язання диференцiального рiвняння Лапласа при граничних умовах 2-го, 3-го и 4-го роду та адаптованi для розв’язання даної прикладної задачi у виглядi: 

q1 (y=0) = u в,1 - nC1,n b1,n b1,n   (5)

q 2 (y=0) = uв,2 - nC2,n b2,n x b 2,n,  (6)

де q1 , q2  вiдноснi температури вiдповiдно в зонi теплопровiдного вклю-чення та в зонi стiни; uв,1uв,2 С1,nС2,n, b1,n  та  b2,n  величини, що ви-значаються з граничних умов, поставлених при розв’язанні диференцiального рiвняння Лапласа для зони включення та зони стiни.

З аналiзу iзотерм можна визначити довжину дiлянки пониженого термо-опору та, шляхом застосування конструктивних заходiв, таких як збiльшення товщини утеплювача на цiй дiлянцi, створювати стiновi конст-рукцiї зi значенням опору теплопередачi не ничже нормативного практично по всьому полю стiни.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено широкий спектр конструктивних рішень несучих стін з дрібноштучних каменів та уніфіковану номенклатуру каменів, що відповідають сучасним вимогам щодо міцності, теплопровідності та зовнішнього вигляду фасадів будинків.

2. На основі натурного та чисельного експериментів вивчені характери-стики міцності та деформативності окремих порожнистих каменів та кладок з них. Досліджено вплив порожнистості кладки на її міцність та деформативність. Встановлено, що міцність кладок зменшується при збільшенні відсотку порожнистості, а пружна характеристика кладки при цьому навпаки зростає. Запропонована система коефіцієнтів для диференційованого врахування порожнистості при визначенні границі міцності, нормативних та розрахункових опорів кладки при стиску. Побудована ап-роксимуюча залежність для описання зв’язку пружної характеристики та порожнистості каменів кладки.

3. Встановлені співвідношення міцностей бетону каменя та власне каменя при стиску. Розроблено рекомендації по коригуванню чинних стандартів в частині каменів, що виготовляються методом вібропресування.

4. На основі чисельного експерименту вивчено напружено-деформований стан порожнистих та багатошарових кладок при центральному та поза-центровому стиску, надані рекомендації по розрахунках міцності по-рожнистих кладок з врахуванням фактичного характеру розподілу нор-мальних напружень по перерізу. Побудована апроксимуюча залежність для визначення висоти стисненої зоні перерізу порожнистої кладки при позацентровому стиску з великими ексцентриситетами в залежності від значення відносного ексцентриситету поздовжньої сили.

5. Розроблена оптимальна конструкція каменя з максимальним відсотком порожнистості, вага якого зменшена на 17% при відповідності інших показників.

6. Отримана науково-обгрунтована конструкція вузла спирання пере-криття на багатошарові стіни з оптимальним ексцентриситетом при якому весь переріз стиснений, а шари деформуються рівномірно.

7. Розроблена методика оцiнки впливу теплопровiдних включень (в т.ч. вiконних прорiзiв) на прилеглi дiлянки стiн. Методика дозволяє визна-чити довжину дiлянки пониженого термiчного опору та, шляхом конст-руктивних заходiв, вирiвнювати його до значень не нижчих за норма-тивнi.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Муляр Л.Х., Приймак В.В., Санников І.В., Шапоренко Ю.І., Бонерт Н.О. Досвід проектування, будівництва та експлуатації житлового будинку // Будівництво України. - 1997.-N 2.- C.2-6.

Здобувачем виконано аналіз проектних рішень та їх порівняльної техніко-економічної ефективності при будівництві кам'яного житлового будинку.

2. Трофимович Н.В., Санников І.В., Бонерт Н.О., Шапоренко Ю.І., Абрамов О.О. Впровадження спалюваних та важкоспалюваних матеріалів в огороджуючих конструкціях цивільних будинків з метою підвищення їх опору теплопередачі// Будівництво України.- 1998.- N2. - С.14-17.

Здобувачем розроблено технічні рішення теплоізоляції зовнішніх стін будинків.

3. Шапоренко Ю.І., Коляков М.Й., Санников І.В. Експериментальні дослідження дрібноштучних бетонних каменів та кладок з них //Перспективні напрямки проектування житлових та громадських споруд. Збірник наукових праць - К.: КиївЗНДІЕП, 1998. -С. 98-105.

Здобувачем розроблено методику експерименту, проведені випробування окремих каменів і натурних фрагментів стін, оброблено та оцінено їх результати.

4. Санников І.В., Шапоренко Ю.І. Фактори та динаміка зношення цегляного житлового будинку баштового типу// Будівництво України.- 1998.- N4.-С.8-12.

Здобувач приймав участь в обстеженні кам'яного житлового будинку по вул. Солом'янськўй 16-б в м. Києві і в аналізі причин передчасного зношення несучих стін.

5. Шапоренко Ю.І., Коляков М.Й., Санников І.В. Дослідження впливу віконних прорізів на теплофізичні характеристики зовнішніх стін // Перспективні напрямки проектування житлових та громадських споруд. Збірник наукових праць - К.: КиївЗНДІЕП, 1998.- С. 128-139.

Здобувачем адаптовано та апробовано математичний апарат методики визначення теплофізичних характеристик зовнішніх стін на ділянках біля теплопровідних включень та віконних прорізів.

АНОТАЦІЯ

Шапоренко Ю.I. Несучi стiни будинкiв з дрiбноштучних бетонних каменiв. Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальністю 05.23.01 - "Будiвельнi конструкцiї, будівлі та споруди". Київський національний університет будівництва і архітектури (КНУБА), Київ, 2000 рiк.

Роботу присвячено проблемам вдосконалення кам'яних конструкцiй. В роботi одержанi експериментальнi та теоретичнi данi про фiзико-механiчнi та теплофiзичнi властивостi порожнистих каменiв та кладок. Побудованi ма-тематичнi моделi деформування кладок. Наданi рекомендацiї по застосуванню дрiбноштучних каменiв в конструкцiях будинкiв з розробкою номенклатури виробiв та рекомендацiй по розрахунку стiн. Розробленi методика визначення теплофiзичних характеристик на дiлянках стiн, прилеглих до теплопровiдних включень та вiкон i конструк-тивнi заходи щодо усунення негативного впливу включень та вiкон.

Основнi результати дисертацiї знайшли вiдображення в нормативних до-кументах та використані при експериментальному будiвництвi.

Ключові слова: несучi стiни будинкiв, дрiбноштучнi бетонні каменi, кладка, порожнистiсть, фiзико-механiчнi та теплофiзичнi характеристики, ма-тематичнi моделi деформування.

АННОТАЦИЯ

Шапоренко Ю.И. Несущие стены зданий из мелкоштучных бетонных камней. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооруже-ния". Киевский национальный университет строительства и архитектуры (КНУСА), Киев, 2000 год.

Работа посвящена проблемам совершенствования каменных конструкций. В работе разработан широкий спектр конструктивных решений наружных и внутренних стен из мелкоштучных камней и предложена унифицированная номенклатура камней, разработанные на основе анализа существующих решений и требований к ним и позволяющие возводить наружные и внутренние стеновые конструкции, отвечающие современным требованиям по прочности, сопротивлению теплопередаче и внешнему виду фасадов зданий. При этом установлено, что для зданий, возводимых в I-II температурных зонах Украины, по условию обеспечения требуемого термосопротивления возможно применение только многослойных кладок с эффективным утеплителем или сплошных кладок толщиной 490 и 590 мм из камней СБ-ЩР плотностью не более 600 кг/м3. Дифференцированное по температурным зонам Украины применение таких кладок позволит повысить сопротивление теплопередаче наружных стен зданий в 2-2.5 раза (о чём свидетельствуют проведенные расчеты), что в свою очередь гарантирует уменьшение расхода условного топлива на отопление зданий на 20%.

На основе натурного и численного экспериментов установлены прочностные и деформативные характеристики отдельных пустотелых камней и кладок из них. Исследовано влияние пустотности кладки на ее прочность и деформативность.

Установлены соотношения прочностей бетона камня и прочности собственно камня при сжатии. Разработаны рекомендации по корректировке действующих стандартов в части камней, изготавливаемых методом вибропрессования.

Установлено, что прочность кладок из пустотных камней снижается при увеличении значения процента пустотности от 23% до 40 % соответственно на 7.2 % и 9.12 %. Предложена система коэффициентов для дифференцированного учета пустотности при определении предела прочности, нормативных и расчетных сопротивлений кладки при сжатии.

Установлено, что с ростом пустотности значения упругой характеристики и модуля упругости кладки возрастают, что подтверждено как натурным, так и численным экспериментом. Получена аппроксимирующая зависимость для описания связи упругой характеристики и процента пустотности камней кладки.

На основе численного эксперимента исследовано напряженно-де-формированное состояние пустотелых и многослойных кладок при цент-ральном и внецентренном сжатии. Разработаны рекомендации по расчету прочности пустотелых кладок с учетом фактического характера распределения напряжений в сечении при центральном сжатии и при внецентренном сжатии с малыми эксцентриситетами. Неравномерность распределения напряжений предложено учитывать введением в расчетные зависимости коэффициента полноты эпюры напряжений.

Получена конструкция камня с оптимальной геометрией, вес которого ниже веса имеющегося аналога на 17% при соответствии других показателей.

Получена аппроксимирующая зависимость для определения высоты сжатой зоны сечения пустотелой кладки при внецентренном сжатии с большими эксцентриситетами в зависимости от значения относительного эксцентриситета продольной силы.

Разработана конструкция узла опирания перекрытия на многослойную стену. Перекрытие опирается на распределительный полнотелый камень с фиксированным эксцентриситетом, значение которого составляет 0,17 от расстояния между осями слоев. При таком эксцентриситете слои деформируются равномерно без возникновения растягивающих напряжений в них.

Разработана методика оценки влияния теплопроводных включений (в т.ч. и оконных проёмов) на теплофизические характеристики прилегающих к ним участков стен. которая позволяет производить анализ температурных полей на границах сред. Это дает возможность обоснованно назначать геометрические параметры теплоизоляции на участках, прилегающих к включениям и доводить сопротивление теплопередаче до значения не ниже нормативного по всему полю стеновой конструкции, что позволит в свою очередь, сократить теплопотери по зданию в целом на 7-12% в зависимости от конструкции стены, этажности здания, проёмности наружных стен и типа применяемой конструкции окон.

Основные результаты диссертации отображены в нормативних докумен-тах и использованы при экспериментальном строительстве.

Ключевые слова: несущие стены зданий, мелкоштучные бетонные камни, кладка, пустотность, физико-механические и теплофизические харак-теристики, математические модели деформирования.

Shaporenko Y.I. The bearing house walls of small-size concrete stones. Manuscript.

Thesis for competition of scientific degree of the Candidatе of Technical Sciences by speciality 05.23.01 - Building constructions, buildings and structures. - The Kyiv National Univerof Construction and Architectura, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to problems of improvment the stone structures. Physical properties of hollow stones and masonry have been obtained experimentally and theoretically. Mathematical model of flexibility of masonry is build up. Recomendations how to use the small-size stones in structures of house with different types of stones, masonry and recomendations how to calcule the wall bearing capacity are worked out. The mathod for analysis of thermo-physical properties of ranges of walls conjointed to thermo-conduction parts including windows is worked out also and measures towards removal negativ effect of these parts and windows.

The main results of dissertation have been adopted and are in use in Building Code and experimental building.

Key words: bearing house walls, small-size concrete stones, masonry, hollow, physico-mechanical and thermo-physical properties, mathematical model of flexibility.

Підписано до друку 21.06.2000 р. Формат 60х90/16. Папір типографський.

Офсетний друк. Умовн. друк.арк. 1. Тираж 100 прим. Замовлення №

Видавництво КиївЗНДІЕП,

01133, м. Київ, бул. Лесі Українки, 26