На правах рукописи

ДЖАМУЕВ Булат Калсынович

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СТЕН ИЗ

ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ БЛОКОВ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ И

ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23.01 Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012 2

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство»

Научный руководитель: кандидат технических наук, Грановский Аркадий Вульфович.

Официальные оппоненты:

– Чернов Юрий Тихонович, доктор технических наук, профессор, ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко – ОАО «НИЦ «Строительство», советник директора института по научной работе.

– Кунин Юрий Саулович, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Испытания сооружений» МГСУ.

Ведущая организация ФГУП «ЦНИИпроектлегконструкция»

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИЦ «Строительство».

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО «НИЦ» Строительство» http://www.cstroy.ru.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6, ОАО «НИЦ «Строительство», отдел подготовки кадров Зикееву Л.Н. тел./факс 8 (499) 170-68e-mail: [email protected] Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Зикеев Леонид Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Производство автоклавного газобетона является в настоящее время одним из самых привлекательных направлений для инвестиций. По данным «Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков» ежегодно в России выпускается около млн. м3 стеновых блоков из ячеистого бетона, причем потенциальная емкость рынка составляет приблизительно 30 млн. м3. Ежегодные темпы спроса на стены из ячеистого бетона до 2010 г. находились на уровне 40-45%.

Главным образом этот резерв связан с двумя факторами: во-первых, с реализацией национальной программы «Жилище», а во-вторых, с ужесточением требований тепловой защиты зданий и сооружений, принятых в свое время Госстроем в СНиПах и Правительством России в новой редакции федерального закона №261 - ФЗ «Об энергосбережении». В связи с этим теплые, дешевые и технологичные материалы, к числу которых относится ячеистый бетон, являются самыми перспективными.

В 2007 году в России в структуре домостроения по материалам стен на долю ячеистого бетона приходилось 7.5% в жилом и около 10 % - в нежилом строительстве. Между тем, в большинстве развитых европейских стран этот показатель достигал 30-40%.

Применение стен из ячеистобетонных блоков в сейсмоопасных регионах сдерживается по следующим причинам:

– в настоящее время в России кладка стен из ячеистобетонных блоков осуществляется, в основном, на цементных растворах. Кладка несущих и самонесущих стен из ячеистобетонных блоков различной прочности и плотности на цементных растворах из-за низкого значения величины нормального сцепления не позволяет обеспечить требования Актуализированной редакции СНиП II-7-81* предъявляемые к кладкам I-ой и II-ой категорий.

Согласно Актуализированной редакции СНиП II-7-81* допускается применение:

а) для кладки несущих стен – ячеистобетонных блоков классов по прочности на сжатие не ниже В5 и марок по средней плотности не менее D700;

б) для кладки самонесущих стен – ячеистобетонных блоков классов по прочности на сжатие не ниже В2.5 и марок по средней плотности не менее D500;

в) для кладки ненесущих стен – ячеистобетонных блоков классов по прочности на сжатие не ниже В1.5 и марок по средней плотности не менее D500.

Указанные ограничения связаны с отсутствием исследований работы кладки стен из ячеистобетонных блоков при действии динамических нагрузок. При этом:

– отечественная технология производства ячеистобетонных блоков не обеспечивает гарантированный класс бетона В3.5 В4.5 при марки по средней плотности D500-D600. Стабильность показателей отечественного автоклавного ячеистого бетона по прочности на сжатие характеризуется партионным коэффициентом вариации равным 18%. Для сравнения, по данным НИИЖБ им.

А.А.Гвоздева (к.т.н. Т.А.Ухова) коэффициент вариации ячеистобетонных блоков, выпускаемых под брендом YTONG, равен 6%;

– как у нас в стране, так и за рубежом отсутствуют или имеются в незначительном объеме исследования кладки стен из ячеистобетонных блоков (из бетона марки по средней плотности D500-D600 при классе по прочности на сжатие В3.5 В4.5), смонтированных на клеевых составах, на действие динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия различной интенсивности.

Отсутствие исследований в части оценки возможности применения кладки стен из ячеистобетонных блоков на клеевых составах в сейсмоопасных регионах осложняет стоящую перед проектировщиками задачу по использованию эффективного стенового материала из ячеистого бетона в сейсмических районах.

Диссертационная работа посвящена выявлению особенностей работы кладки стен из ячеистобетонных блоков класса В3.5 В4.5 при марке по средней плотности D500 D600 на клеевых составах, в том числе усиленных композитными материалами на основе углеволокнистой ткани и ремонтными бетонными составами, при действии статических и динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия.

Цели диссертационной работы:

– на основе проведенных экспериментальных исследований оценить возможность использования ячеистобетонных блоков, изготавливаемых по широко применяемым в РФ технологиям YTONG и Masa-Henke, в сейсмоопасных регионах России;

– разработка рекомендаций по применению ячеистобетонных блоков из автоклавного бетона для кладки несущих и самонесущих стен, а также в качестве заполнения каркасов зданий, возводимых как в обычных, так и в сейсмических регионах РФ;

– на основе проведенных экспериментальных исследований установить эффективность применения для ремонта и усиления стен из ячеистобетонных блоков композитных материалов на основе углеволокна и ремонтных бетонных составов.

На защиту выносятся:

– результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки стен из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения класса В3.5 В4. при марке по средней плотности D500 D600 на клеевом растворе при действии статических и динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия;

– результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки стен, усиленных углеволокном и с помощью специальных ремонтных бетонных аппликаций, при действии на них статических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия;

– результаты экспериментальных исследований на виброплатформе фрагментов стен из ячеистобетонных блоков в натуральную величину, усиленных (и без усиления) углеволокнистой тканью при различных уровнях вертикального обжатия кладки стен.

– рекомендации по применению ячеистобетонных блоков автоклавного твердения для кладки стен зданий, возводимых в обычных и сейсмических районах РФ, с учетом их усиления специальными ремонтными бетонными смесями и углеволокнистой тканью.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– получены расчетные характеристики кладки из ячеистобетонных блоков на клеевом растворе для различных видов ее напряженного состояния;

– впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности кладки стен из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения, смонтированных на клеевых растворах, изготовленных в заводских условиях, при различных схемах нагружения кладки, моделирующих различные варианты сейсмических воздействий;

– впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности кладки стен из ячеистобетонных блоков на клеевом растворе, усиленных с помощью холстов из углеволокнистой ткани и бетонной аппликации на основе специальных ремонтных смесей, при различных схемах нагружения стен;

– экспериментально исследована эффективность различных схем усиления в зависимости от вида напряженного состояния кладки стен.

– получены и проанализированы схемы разрушения фрагментов стен с проемами в натуральную величину при их динамических испытаниях на виброплатформе в зависимости от уровня обжатия кладки и схемы усиления стены;

– по результатам экспериментальных исследований даны предложения по применению ячеистобетонных блоков для кладки несущих и самонесущих стен, возводимых как в обычных, так и в сейсмических регионах РФ.

Практическое значение работы:

– по результатам экспериментальных исследований получены данные о несущей способности кладки стен из газобетонных блоков при классе бетона В3.5 В4.5 и марке по средней плотности D500-D600, смонтированных на клеевых растворах заводского изготовления, и даны предложения о возможности их применения в несущих и самонесущих стенах здания, а также в качестве стенового заполнения каркасов зданий, возводимых в сейсмических районах.

– по результатам экспериментальных исследований даны предложения по повышению несущей способности стен из газобетонных блоков путем усиления их холстами из углеволокнистой ткани или набетонкой из ремонтных бетонных смесей.

– даны предложения по включению в действующие нормы значений расчетных характеристик кладки из ячеистобетонных блоков на клеевых растворах в зависимости от вида напряженного состояния кладки.

Апробация работы осуществлена:

– в докладе «Пути повышения сейсмостойкости стен из ячеистобетонных блоков» на Международной научно-практической конференции. Москва, РУДН, 6апреля 2010 г.

– в докладе «Прочность и деформативность ячеистобетонных стен зданий, усиленных углеволокном, при возведении их в сейсмических районах» на Международной научно-практической конференции. Москва, РУДН, ноябрь 2010 г.

– в докладе «Применение стен из ячеистобетонных блоков в сейсмических районах» на семинаре «Комплексная безопасность в строительстве» в рамках выставки на 1-ом Национальном конгрессе. Москва, 18-19 мая 2010 г.

– в докладе «Применение ячеистобетонных блоков для фасадных стен крупнопанельных зданий, возводимых в обычных и сейсмоопасных регионах РФ»

на 1-ой Международной научно-практической конференции «Модернизация крупнопанельного домостроения – локомотив строительства жилья экономического класса». Москва, «Президент-Отель», 19-20 апреля 2011г.

– в докладе «Пути повышения эксплуатационной надежности стен из ячеистобетонных блоков при строительстве зданий в обычных и сейсмических районах РФ» в рамках проводимого III Международного Конгресса «Комплексная безопасность при строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских объектов Юга России». Краснодар, 4-6 октября 2011 г.

– в докладе «Исследования стеновых конструкций из ячеистобетонных блоков на сейсмические воздействия» на научно-практической конференции «Современное производство автоклавного бетона» в рамках конференции «Технология YTONG для энергоэффективного строительства». Москва, 10 ноября 2011 г.

– в докладе «Исследования стеновых конструкций из ячеистобетонных блоков на сейсмические воздействия» на Научно-практической конференции «Современное производство автоклавного бетона». Санкт-Петербург, 16-18 ноября 2011г.

Публикации Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 7 научных статьях, в том числе 4 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и Приложения.

Полный объем диссертации - 232 страницы, в том числе: 121 страниц печатного текста, 98 рисунков, 24 таблицы, библиографического списка использованной литературы из 105 наименований (позиций), 11 страниц Приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Дана краткая характеристика выполненной работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу состояния исследуемого вопроса и обоснованию выбранного направления исследований. Выполнен обзор теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ по тематике диссертации отечественных и зарубежных ученых. Особое внимание уделено вопросам исследования сейсмостойкости кладки стен из ячеистобетонных блоков.

В Европе газобетон появился в 1882 г., в России ячеистый бетон стал широко применяться в середине 30-х годов XX столетия благодаря работам И.Т.Кудряшева, Н.Н.Лессига.

Проблемам прочности и деформативности стен из ячеистобетонных блоков, в том числе при использовании их в сейсмоопасных регионах РФ, посвящены работы Г.Н.Ашкинадзе, А.Т.Баранова, А.В.Волжанского, В.П.Вылегжанина, О.П.Винокурова, Н.И.Левина, С.В.Полякова. В.А. Пинскера, Т.А.Уховой и др.

По результатам выполненных проф. С.В.Поляковым и его учеников исследований установлено, что хрупкий характер разрушения ячеистого бетона и отсутствие у этого материала в процессе нагружения пластических деформаций является неблагоприятным фактором, ограничивающим область применения ячеистых бетонов в сейсмоопасных регионах. Повышение сейсмостойкости стен из ячеистобетонных блоков связано с обеспечением монолитности кладки за счет увеличения нормального и касательного сцепления блоков и использования конструктивных методов повышения прочности кладки.

Широко применяемые для кладки стен составы цементных растворов в случае их использования в сейсмических регионах не обеспечивают требуемого уровня нормального и касательного сцепления раствора с блоками. В связи с чем большая часть исследований российских специалистов была связана с разработкой добавок в цементные растворы, изменяющих ее водоудерживающую и абсорбционную способность, удобоукладываемость и другие прочностные и деформационные характеристики, влияющие на монолитность кладки.

За рубежом большая часть этих проблем была исключена из рассмотрения специалистами за счет применения специальных клеев.

Исследования по оценке сейсмостойкости стен из ячеистобетонных блоков проводились в России на фрагментах стен при действии знакопеременных циклических нагрузок. На основе этих работ были предложены конструктивные мероприятия (усиление бетонными аппликациями, устройство вертикальных железобетонных сердечников, горизонтальное и вертикальное армирование кладки), позволяющие повысить сейсмостойкость кладки из каменных материалов, в т.ч. из ячеистобетонных блоков.

Среди зарубежных исследований в области ячеистых бетонов следует отметить работы Ц.А. Сирмакециса и А.А Софоклеуса (Греция), М.Tomazevicа (Хорватия), В.Рейхеля (Германия), М Дмитрова (Болгария), Н.П.Сажнева (Беларусь) и R.E.Klingera (США). Динамические испытания проводились на натурных образцах стен и моделях зданий со стенами из ячеистобетонных блоков. В работе A.Aprile, A.Benedetti, E.Steli, E.Mangoni впервые рассмотрены проблемы уменьшения сейсмического влияния на конструкции из каменной кладки за счет усиления ее композитными материалами.

Во второй главе изложены результаты экспериментальных исследований монолитности кладки из ячеистых бетонов. Для исследований таких параметров кладки, характеризующих ее монолитность, как нормальное и касательное сцепление были использованы ячеистобетонные блоки, изготовленные по технологии «YTONG» и «Masa-Henke». Кладка экспериментальных образцов была выполнена на клеевых растворах, широко применяемых за рубежом и поставляемых на строительный рынок РФ:

– клеевая смесь «YTONG-эконом»: прочность на сжатие – 12 МПа; адгезия к бетону – 0.55 МПа; морозостойкость – 50 циклов;

– клеевая смесь «Церезит»: прочность на сжатие – 7 МПа; адгезия к бетону – 0.5 МПа; морозостойкость – 75 циклов;

– клеевая смесь «Евро-Л»: прочность на сжатие – 10 МПа; адгезия к бетону – 0.8 МПа; морозостойкость – 25 циклов;

– цементный раствор марок М50 и М100.

Испытания кубов, выпиленных из ячеистобетонных блоков, показали следующее.

1. Прочность на сжатие ячеистого бетона, изготовленного по технологии «YTONG», составила 3.8 МПа при марке по плотности D500.

2. Прочность на сжатие ячеистого бетона, изготовленного по технологии «Masa-Henke», составила 4.6 МПа при марке по плотности D600.

Величины нормального и касательного сцепления указанных выше клеевых смесей с ячеистобетонными блоками являются, соответственно, характеристиками прочности кладки при осевом растяжении и срезе по неперевязанному шву. Для оценки прочности нормального и касательного сцепления блоков было изготовлено по пять серий образцов-двоек и образцов-троек, выпиленных из ячеистобетонных блоков (рис.1) Рисунок 1. Размеры опытных образцов и схема испытаний на осевое В таблицах 1 и 2 приведены результаты испытаний опытных образцов, соответственно, на осевое растяжение (нормальное сцепление) и на сдвигающее усилие – срез (касательное сцепление). Помимо лабораторных испытаний в ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко кладки из ячеистобетонных блоков на сдвиг слоев относительно друг друга были проведены аналогичные испытания с участием автора в Лаборатории завода ячеистых бетонов (г.Эмсталь, Германия) по методике EN1052-3 с использованием специальной испытательной установки, принятой в европейских нормах (рис.2). В табл.3 приведены результаты испытаний образцов на срез по шву по методике ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко и европейским нормам.

Таблица 1. Результаты испытаний опытных образцов из ячеистобетонных блоков ЗАО «Кселла-Аэроблокцементны класс бетона В3. Анализ результатов экспериментальных исследований монолитности кадки стен из ячеистобетонных блоков, изготовленных по технологиям YTONG и MasaHenke и смонтированных на клеевых растворах марок «YTONG-эконом», «Церезит» и «Евро-Л», позволяет сделать следующие выводы:

1. С учетом установленных в процессе испытаний значений временного сопротивления осевому растяжению по неперевязанным швам (Rut – нормальное сцепление) кладка стен из ячеистобетонных блоков классов В3.5 В4.5 и марки по плотности D500 и D600 на указанных выше клеевых растворах согласно указаниям СНиП II-7-81* соответствует I-ой категории и может применяться в сейсмоопасных регионах РФ.

2. Принятое в СНиП II-22-81расчетное значение сопротивления кладки осевому растяжению по неперевязанным швам (нормальное сцепление) Rt = 0.08 МПа (при марке раствора в швах кладки М50) для зданий, возводимых в обычных условиях, соответствует аналогичной величине расчетного сопротивления осевому растяжению кладки I-ой категории стен зданий, возводимых в сейсмоопасных регионах РФ: Rt = 0.450.18 = 0.081 МПа. По результатам испытаний Rut = 0. МПа, Rt = 0.18 МПа.

Для возможности применения каменной кладки из ячеистобетонных блоков в стенах зданий, возводимых в сейсмоопасных регионах РФ, и повышения сопротивляемости сейсмическим воздействиям, рекомендуется в Актуализированной редакции СНиП II-7-81* значение временного сопротивления Таблица 2. Результаты испытаний опытных образцов из ячеистобетонных блоков на срез Аэроблок-Центр»

класс бетона В3. ЗАО «КселлаYTONG класс бетона В4. ЗАО «АэроБел»

осевому растяжению по неперевязанному шву для кладки стен I категории из ячеистобетонных блоков принять Rut 0.22МПа. При этом класс бетона ячеистобетонных блоков может приниматься В3.5, марка по плотности D 500.

Характеристики ячеистого 3. По результатам экспериментальных исследований расчетное сопротивление срезу (касательное сцепление) кладки из ячеистобетонных блоков на указанных клеевых составах изменяется в интервале 0.172 0.245 МПа, что существенно выше (более чем в 1.5 раза) установленного для кладки I-ой категории аналогичного расчетного значения От данной прочностной характеристики существенно зависит сопротивляемость кладки таким сейсмическим воздействиям как усилия, действующие при землетрясениях вдоль плоскости стены и вызывающие сдвиг слоев кладки относительно друг друга в плоскости стен.

Как показали результаты динамических испытаний фрагментов стен при указанных величинах касательного сцепления существенно возрастает сопротивляемость кладки срезу по неперевязанным швам при действии на нее динамических нагрузок в плоскости стены.

В третьей главе диссертации изложены результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки стен из ячеистобетонных блоков на цементных и клеевых растворах при различных видах силовых воздействий на кладку.

Программа экспериментальных исследований прочности кладки при сдвиге включала в себя испытания 8 серий образцов фрагментов стен:

– образцы I и II серий – фрагменты стен, смонтированные, соответственно, на цементном и различных составах клеевых растворов (рис.3а);

– образцы III VI серий – фрагменты стен из ячеистобетонных блоков, изготовленных по технологии YTONG (класс бетона В3.5, марка по плотности D500) и Masa-Henke (класс бетона В4.5, марка по плотности D600) и смонтированных на клеевых растворах «YTONG-эконом» и «Евро-Л». Усиление опытных образцов осуществлялось с помощью холстов из углеволокнистой ткани по различным конструктивным схемам (рис.4);

– образцы VII VIII серий – фрагменты стен из ячеистобетонных блоков из бетона класса В4.5 при марке по плотности D600, усиленных одно- и двухсторонней набетонкой толщиной 30 мм (рис.3б). В качестве материала набетонки использовалась ремонтная бетонная смесь с металлической фиброй марки Emaco S170 CFR (фирма «BASF»).

При усилении образцов использовались следующие материалы:

– углеволокнистая ткань марки MBrace FIB CF 230/4900.200g/5.100m, имеющая следующие характеристики: прочность волокна на растяжение – 4900 МПа;

модуль упругости волокна – 230000 МПа; удельный вес – 200 г/м2; толщина волокна – 0.11 мм.

– безусадочная быстротвердеющая ремонтная бетонная смесь тиксотропного типа, содержащую гибкую стальную и полимерную фибру, имеющая следующие характеристики: прочность на растяжение при изгибе – 12 МПа; прочность на сжатие – 60 МПа; прочность сцепления с бетоном – 2.5 МПа; морозостойкость – циклов; модуль упругости – 30000 МПа.

Экспериментальные образцы были смонтированы из ячеистобетонных блоков размерами 625*300*250(Н) на клеевом и цементном растворах и выдержаны суток в помещении лаборатории в нормальных температурно-влажностных условиях (температура 20 С и относительная влажность воздуха 75%). Толщина клеевого шва составляла 1 3мм (рекомендации завода-изготовителя), растворного шва - 10 12мм. На рис.5 показаны схема испытаний опытного образца на перекос, геометрия образца и расположение измерительных приборов на образце.

Анализ результатов испытаний опытных образцов на перекос позволяет отметить следующее.

1. Разрушение образцов I серии на цементном растворе из-за низкого уровня величин нормального и касательного сцеплений между блоками происходило по горизонтальным и вертикальным швам, в образцах II серии – по «телу» образца, т.е.

по перевязанному шву.

При фиксированных аналогичных уровнях нагружения деформации растяжения в кладке на клеевых растворах почти в два раза меньше, чем в образцах на цементном растворе.

Таблица 4. Результаты испытаний на перекос фрагментов стен на цементном Таблица 5. Результаты испытаний на перекос фрагментов стен из ячеистобетонных блоков «YTONG» на клеевом растворе, усиленных углеволокном 2. Как видно из таблицы 4 прочность при срезе стен, смонтированных на клеевом растворе в 1.7 1.9 раз выше, чем в образцах на цементном растворе.

3. В образцах III и IV серий, усиленных с одной и с двух сторон тремя холстами из углеволокнистой ткани величины поперечных деформаций в кладке в 1.3 1.5 раз меньше, чем в неусиленных образцах II серии на клеевом растворе. При этом, на односторонне усиленных углеволокном образцах III серии поперечные деформации растяжения на неусиленной поверхности на 30-40% выше чем на усиленной углеволокном. В связи с этим в процессе нагружения кладки имеет место изгиб стены в сторону неусиленной поверхности.

4. Как видно из таблиц 5 и 6, одно- и двухстороннее усиление кладки на клеевых растворах с помощью холстов из углеволокнистой ткани (тремя холстами по площади стены) ведет к повышению прочности кладки при срезе в 1.1 1.9 раза.

5. Усиление кладки односторонней наклейкой одного диагонального холста из углеволокнистой ткани не оказывает какого-либо эффекта на прочность кладки при изгибе (таблица 6).

6. Несущая способность опытных образцов кладки стен из ячеистобетонных блоков, усиленных путем нанесения двухсторонней набетонки толщиной 30 мм на 25-30% выше, чем у неусиленных образцов. При односторонней набетонке из-за существенного различия в жесткости слоев (с Еяч.бет. = 2 000 МПа, Ебет. = МПа) эксцентриситет приложения нагрузки возрастает в 2-3 раза (е0 = 6 10 см в усиленном образце и е0 = 2 3 см в эталонном) ширина сжатой зоны низкопрочного ячеистого бетона существенно уменьшается, что и ведет к более раннему, по сравнению с эталонными образцами, разрушению кладки.

Для определения расчетного сопротивления кладки стен из ячеистобетонных блоков на клеевом растворе при изгибе по неперевязанному шву, а также влияния эффекта усиления изгибаемых балок (перемычек) путем их внешнего армирования на основе использования углеволокнистой ткани было испытано четыре серии Таблица 6. Результаты испытаний на перекос фрагментов стен из ячеистобетонных блоков «MasaHenke» на клеевом растворе, усиленных углеволокном и набетонкой № серии образцов по три образца-близнеца в каждой серии. На рис.6 показан общий вид опытных образцов при испытании на изгиб.

На основе анализа результатов испытаний четырех серий образцов кладки из ячеистобетонных блоков на клеевом растворе, установлено следующее.

1. Прочность кладки из ячеистобетонных блоков на клеевом растворе при изгибе из плоскости в 1,7 раза выше, чем при использовании кладки на цементных растворах.

2. Расчетное сопротивление растяжению при изгибе по неперевязанному шву кладки стен из ячеистобетонных блоков класса В3.5 В4.5 при плотности бетона D500 и D600 следует принимать равным Rbt = 0.2 МПа. Установленное значение Rbt рекомендуется для включения в СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции».

3. Усиление кладки с помощью углеволокнистой ткани позволяет более чем в раза увеличить значение прочности образцов при изгибе по неперевязанному шву (Rbt н = 1.63 МПа) по сравнению с неусиленным образцом (Rbt н = 0.45 МПа). При этом, схема разрушения образцов IV серии характерна для сплошных балок при действии на них поперечных сил.

№ серии * Значения временного сопротивления растяжения при изгибе и относительной прочности в момент появления трещин Для оценки влияния эффекта усиления кладки простенков из ячеистобетонных блоков с помощью бандажей и обойм из углеволокнистой ткани было проведено испытание двух серий образцов на центральное и внецентренное сжатие (рис.7).

Анализ результатов экспериментальных исследований прочности кладки стен (столбов, простенков) с учетом их усиления полосами из углеволокнистой ткани позволяет отметить следующее.

1. Разрушение эталонных (неусиленных) опытных образцов кладки стен (простенков, столбов) из ячеистобетонных блоков при внецентренном сжатии в зависимости от расположения центра приложения (смещения) нагрузки относительно геометрического центра тяжести сечения носит хрупкий характер и характеризуется появлением вертикальных и горизонтальных трещин.

2. Разрушение образцов, усиленных вертикальными и горизонтальными полосами из углеволокнистой ткани, характеризуется местным разрушением ячеистобетонных блоков от сжатия между горизонтальными полосами из углеволокна.

При этом, в момент разрушения величины напряжения сжатия достигают значений R = 3.84 МПа, что соответствует среднему значению кубиковой прочности ячеистого бетона. В отдельных случаях значения напряжения сжатия бетона образцов превышают средние значения кубиковой прочности ячеистого бетона приблизительно на 10 %, R = 4.09 МПа.

По данным исследований проф. Г.А. Гениева предельные значения напряжений при двухосном сжатии возрастают на 10-40% по сравнению с одноосным сжатием в зависимости от соотношений главных напряжений ( 2/ 1) и класса ячеистого бетона.

3. В опытных образцах, усиленных вертикальной обоймой и горизонтальными бандажами из углеволокнистой ткани, увеличение прочности кладки из ячеистобетонных блоков составило 30% по сравнению с неусиленными образцами.

4. Предложена схема усиления кладки простенков и столбов из ячеистобетонных блоков, позволяющая оптимально использовать прочностные параметры кладки.

По результатам выполненных в разделе 2 и 3 диссертации экспериментальных исследований прочности стен из ячеистобетонных блоков класса В3.5 В4.5 и марки по плотности D500 D600 при различных напряженных состояниях кладки (в зависимости от характера силового воздействия на нее) рекомендовано включить в табл.10 СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции» следующие данные по расчетным сопротивлениям кладки стен из ячеистых бетонов (см.

табл.8).

Таблица 8. Расчетные сопротивления кладки стен из ячеистых бетонов А. Осевое растяжение сечению (нормальное сцепление) В. Растяжение при изгибе 3. По неперевязанному сечению (главные растягивающие напряжения при изгибе) * Примечание: состав I – «YTONG – эконом» и состав II – «YTONG – зимний» по данным исследований имеют одинаковые прочностные и деформативные характеристики.

В четвертой главе изложены экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки стен с проемами, изготовленными в натуральную величину, из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения из бетона класса В3.5 при марке по плотности D500 на действие динамической циклической нагрузки в плоскости стены. Экспериментально исследовано влияние усиления кладки стен углехолстами на их прочность и деформативность. Для кладки опытных образцов использовались ячеистобетонные блоки размерами 625х300х250(Н) мм производства ЗАО «Кселла -Аэроблок-Центр» и клеевой раствор «YTONG-эконом». Для испытаний было изготовлено два опытных образца стен с проемами:

– I образец – эталон – фрагмент стены в натуральную величину без усиления (см. рис. 8а). Размер образца 3125х300х2250(Н) мм;

– II образец – аналогичный образец, усиленный с двух сторон холстами из углеволокнистой ткани (рис.8б). Кроме этого образец армировался стержнями мм из базальтового волокна через два ряда по высоте.

Для возбуждения колебаний фрагмента стены с проемом был использован испытательный стенд, возбуждение колебаний которого осуществляется в помощью вибромашины ВИД-12, закрепленной на маятниковой платформе. Испытательный стенд был разработан под руководством д.т.н., проф. А.М.Курзанова. За счет инерционной силы, развиваемой ВИД-12, обеспечивается тот или иной частотный спектр воздействий на испытательный стенд и определенный уровень амплитуды колебаний платформы. На рис 9 показан общий вид платформы (рис.9а) с установленным на ней опытным образцом (рис.9б). На рис. 10а показана схема крепления и передачи нагрузки на опытный образец. Один угол (точка «А») стеновой панели жестко крепился к опорной неподвижной раме стенда. В точке «В»

устанавливался специальный упор (шарнир), который позволял панели совершать поступательные горизонтальные и вертикальные перемещения, включая поворот конца панели, при этом исключалось смещение панели из ее плоскости.

Программа и методика испытаний включали в себя следующие этапы:

1. С помощью специальных 10-ти тонных домкратов, вертикальных тяжей и стягивающих муфт (рис.10б) производилось обжатие опытных образцов вертикальной нагрузкой, соответствующей на начальном этапе нагружения q = 0.8Rb. До начала этапа обжатия на II образце производилось усиление кладки с помощью полос шириной 300 мм из углеволокнистой ткани марки MBrace FIB CF 230/4900.200g/5.100m.

Рисунок 9. Общий вид платформы с установленным образцом 2. При заданной величине обжатия образца производилось его динамическое нагружение. После прохождения цикла динамического нагружения опытного образца, соответствующего ускорениям 100, 200, 400 см/с 2, производилась разгрузка образцов на величину, составляющую qi = 0.2Rb. Разгрузка образца осуществлялась по схеме, аналогичной процессу обжатия образца. Таким образом, в процессе испытаний было выполнено 4-е режима нагружения опытных образцов.

При этом на каждом режиме статического нагружения образцов осуществлялось несколько режимов динамического нагружения.

Рисунок 10. Схема динамического (а) и статического (б) нагружения Режим нагружения при динамическом воздействии выбирался исходя из следующих основных условий:

– как показал анализ работ в области сейсмических исследований период колебаний грунтового основания в зависимости от расстояния до эпицентра интенсивности землетрясения изменяется в пределах 0,1 1,5с. При этом, продолжительность колебательного процесса составляет 10 50 с. При испытаниях продолжительность динамического воздействия на конструкции на каждом этапе нагружения составляло 40 50с;

– частотный диапазон колебаний, наиболее опасных для существующих зданий, находится в пределах от 3 до 10 Гц. При динамических испытаниях опытных образцов частотный диапазон колебаний платформы и опытного образца, установленный с помощью специальных приборов, изменялся от 1 до 9.9 Гц.

Принятые параметры длительности колебательного процесса позволили определить границы изменения циклов колебаний от n = 200 до n = 500 циклов.

3. После завершения каждого режима динамического нагружения образца осуществлялось визуальное освидетельствование образца на предмет определения наличия трещин в блоках или в швах кладки.

Для измерений ускорений, частот колебаний, динамических перемещений применялись однокомпонентные датчики-акселерометры АТ 1105-10м. С помощью измерительно-вычислительного комплекса MIC – 036 производилась обработка информации, поступающей от акселерометров, с последующим документированием результатов. Общее количество контролируемых точек на опытном образце составляло 16. В каждой точке измерялись динамические параметры системы по 3м направлениям: вертикальные и горизонтальные в плоскости стены и один параметр из плоскости образца.

В точке жесткого закрепления образца (точка «А») устанавливался электронный датчик усилий DACELL TX25, снятие и обработка показаний с которого осуществлялось с помощью специального устройства на ноутбуке.

По результатам динамических испытаний стен из ячеистобетонных блоков с проемами установлено следующее:

Эталонный образец:

1. В табл.9 приведены режимы динамических испытаний стены при различных уровнях ее обжатия. Характеристики ускорений и соответствующие им параметры балльности по цветовой гамме соответствуют зонам сейсмичности на карте сейсмического районирования территории РФ.

Таблица 9. Параметры динамического нагружения платформы 2. В процессе динамических испытаний при напряжениях в кладке, составляющих (0.6 0.8)Rb, повреждений (трещин) в элементах кладки (блоках и швах) стены не установлено.

3. При снижении уровня обжатия до 0.4Rb в кладке стены появились вертикальные трещины, а также имело место раскрытие горизонтальных швов.

Дальнейшее снижение статической нагрузки обжатия привело к появлению вертикальных и горизонтальных трещин в образце, а после демонтажа верхней балки произошло обрушение конструкции (рис.11).

4. В процессе динамических испытаний стены с проемом частотный спектр динамических воздействий по данным акселерометра, установленного на виброплатформе, изменялся в интервале 1.4 до 6.2 Гц, амплитуда колебаний платформы в горизонтальной плоскости – от 1.0 до 13.8 мм, амплитуда колебаний стены в вертикальной плоскости – от 0.1 до 9.5мм.

При этом величина горизонтального ускорения по датчикам, установленным на платформе и по высоте образца изменялась в интервале от 0.08 м/с 2 до 6.51 м/с2 (в горизонтальной плоскости) и от 0.04 м/с2 до 3.19 м/с2 (в вертикальной плоскости).

Таким образом, полученный в эксперименте спектр ускорений соответствовал по данным СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» площадкам с балльностью от 4 до 9,8.

5. Максимальное горизонтальное усилие на образец по данным электронного датчика усилий составило 24.8 кН. Расчетная величина инерционной силы с использованием данных, приведенных в табл. 9 (строка 6), равна Т.е. имеет место достаточно хорошая сходимость величин усилий на конструкцию при динамических воздействиях, вычисленных по формуле и полученных на основе использования электронного датчика усилий.

Рисунок 11. Общий вид опытного образца I серии после испытаний Усиленный образец:

1. В табл.10 приведены режимы динамических испытаний усиленной стены при различных уровнях ее обжатия.

2. В процессе динамических испытаний усиленного образца стены при напряжениях, составляющих (0.4 0.8)Rb повреждений (трещин) в элементах (блоках и швах) кладки стены не установлено.

3. При снижении уровня обжатия до 0.2Rb в конструкции стены появились трещины: имело место раскрытие горизонтальных швов и разрушение блоков в верхней части стены в зоне над перемычкой. При этом произошло отслоение в верхней части стены полос из углеволокнистой ткани от поверхности ячеистобетонных блоков. Кроме этого, произошло разрушение U-образных блоков, в которых устраивалась монолитная железобетонная перемычка. На рис.12 показано состояние кладки стены после испытаний. Однако обрушение стены при снятии нагрузки и опорной балки, как это имело место в эталонном образце, не произошло.

4. Максимальное усилие, полученное по датчику DACELL TX25, на одном из этапов испытаний при Rобж = 0.8Rb максимальное горизонтальное усилие на образец составило N = 72900 Н = 72.9 кН. Расчетная величина инерционной силы с использованием данных, приведенных в табл. 10 (строка 5), равна Т.е. имеет место достаточно хорошая сходимость величин усилий на конструкцию при динамических воздействиях, вычисленных по формуле и полученных на основе использования электронного датчика усилий.

Таблица 10. Параметры динамического нагружения платформы 5. В процессе динамических испытаний усиленной стены с проемом частотный спектр динамических воздействий по данным акселерометра, установленного на виброплатформе, изменялся в интервале от 2.2 Гц до 9.9 Гц, амплитуда колебаний платформы в горизонтальной плоскости – от 04 мм до 43.8 мм, амплитуда колебаний в вертикальной плоскости от 1.1 мм до 15 мм.

При этом, величина горизонтального ускорения платформы изменялась от 1. м/с2 до 15.5 м/с2, в вертикальной плоскости – от 0.2 м/с2 до 4.1 м/с2.

Рисунок 12. Общий вид опытного образца II серии после испытаний 6. В процессе испытаний был зафиксирован момент, при котором имел место резонанс (при 0.4Rв: f=7.6 Гц, А=2.1 мм). При этом, каких либо трещин и повреждений в кладке не установлено.

Анализ результатов экспериментальных исследований (динамические испытания) сейсмостойкости кадки стен из ячеистобетонных блоков, изготовленных по технологии YTONG и смонтированных на клеевом растворе марки «YTONG-эконом» позволяет сделать следующие выводы:

1. При величине вертикального обжатия неусиленных стен из ячеистобетонных блоков, составляющей не менее 0.6Rв, несущая способность стен при действии горизонтальных сдвигающих сейсмических сил в плоскости стены достаточна для восприятия усилий, соответствующих 9 балльной сейсмике.

2. Стены из ячеистобетонных блоков толщиной 25 см при классе бетона В3. и марки по плотности D500, смонтированных на клеевых растворах марки «YTONG-эконом» могут быть рекомендованы для использования в качестве заполнения каркаса в районах с сейсмической активностью до 0.3g.

3. Полученный в эксперименте спектр ускорений для усиленного образца соответствовал по данным СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах»

площадкам с балльностью более 10 баллов, т.е. динамические воздействия на образец были превышены по сравнению с нагрузками при а = 0.4 g (9 баллов):

– на 1-м этапе нагружения (Rв = 0.8Rв) – в 2.7 раза;

– на 2-м этапе нагружения (Rв = 0.6Rв) – в 2.5 раза (на одном из режимов 15-го этапа нагружения, при f=7.6 Гц, А=2.1 мм, имел место резонанс);

– на 3-м этапе нагружения (Rв = 0.4Rв) – в 2.7 раза;

– на 4-м этапе нагружения (Rв = 0.2Rв) – в 2.8 раза.

4. Армированные стены из ячеистобетонных блоков толщиной 25 см при классе бетона В3.5 и марки по плотности D500, смонтированных на клеевых растворах марки «YTONG-эконом» и усиленных холстами из углеволокнистой ткани могут быть рекомендованы в качестве несущих стен малоэтажных зданий (до 2-х этажей) в районах с сейсмической активностью 0.1 0.4g. (7 9 баллов).

5. Как показывают результаты динамических и статических (изгиб) испытаний стен усиление кладки из ячеистобетонных блоков с помощью углеволокнистой ткани может быть рекомендовано как при проектировании стен зданий, возводимых в сейсмоопасных регионах с целью повышения их прочности и жесткости в плоскости действия сейсмических нагрузок, так и в качестве дополнительного этапа усиления стен с трещинами после их инъектирования специальными составами.

В пятой главе даны рекомендации, разработанные в дополнении к Актуализированной редакции СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» с целью уточнения действующих требований к кладке стен из ячеистобетонных блоков в случае их применения в сейсмоопасных регионах РФ.

Рекомендации включают в себя следующие разделы:

1. Общие положения. В этом разделе определена область применения стен из ячеистобетонных блоков на клеевых растворах.

2. Материалы для кладки стен. В этом разделе устанавливаются основные документы и данные, которые должны иметь Потребитель и Изготовитель изделий.

3. Физико-механические и геометрические характеристики ячеистобетонных блоков. Установлены требования по допускам к геометрическим размерам блоков, к прочностным характеристикам кладки стен в зависимости от состава клеевого раствора, категории качества блоков и категории кладки. Предложена таблица расчетных сопротивлений кладки стен из ячеистобетонных блоков в зависимости от вида напряженного состояния кладки.

4. Проектирование конструкций из ячеистобетонных блоков. В данном разделе установлены конструктивные требования к кладке стен из ячеистобетонных блоков на клеевых растворах. Даны технические решения конструкций стен для зданий, возводимых в сейсмических регионах 5. Деформационные швы. В данном разделе установлены требования по устройству деформационных швов и указаны участки их расположения в зданиях со стенами из ячеистобетонных блоков.

Рекомендации разработаны с учетом требований Актуализированной редакции СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах», результатов настоящих экспериментальных исследований и зарубежного опыта строительства зданий из ячеистобетонных блоков в сейсмических регионах.

В заключительном разделе приводятся основные выводы и результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые получены данные о прочности кладки стен из ячеистобетонных блоков при действии нагрузок, моделирующих сейсмические, которые позволили обозначить область применения ячеистобетонных блоков в сейсмостойком строительстве при возведении жилых и общественных зданий на площадках с расчетной сейсмичностью 7 9 баллов.

2. Разработаны «Рекомендации по проектированию зданий с несущими стенами из ячеистобетонных блоков в сейсмических регионах РФ» и даны предложения в Актуализированную редакцию СНиП II-7-81* (CП 14.13330.2011) «Строительство в сейсмических районах» по назначению расчетного сопротивления кладки растяжению при проектировании зданий из ячеистого бетона.

3. Впервые получены экспериментальные данные о прочности кладки стен из ячеистых бетонов автоклавного твердения при усилении их внешним армированием на основе использования холстов из углеволокнистой ткани и бетонных ремонтных смесей. При этом установлено, что применение предложенных вариантов усиления позволяет:

– в зависимости от схемы усиления углеволокном увеличить прочность и жесткость стеновых конструкций из ячеистобетонных блоков при действии сейсмических сил в плоскости стен (перекос) в 1,1 1,93 раза;

– при двухсторонней набетонке толщиной 30 мм (без армирования) несущая способность стеновых конструкций из ячеистого бетона увеличивается на 25%;

– по результатам испытаний установлено, что применение односторонней набетонки на стены из ячеистобетонных блоков может привести к снижению прочности стены на 20 25%.

Это отличие по сравнению с усилением кирпичных стен набетонкой связано (как показала обработка результатов эксперимента) с существенной разномодульностью материалов кладки и набетонки и тем, что набетонка «не успевает» включиться в работу конструкции при росте нагрузки на стену.

Предложенные для кладки стен из ячеистобетонных блоков клеевые растворы позволяют увеличить прочность сцепления кладки по сравнению с широко применяемыми в настоящее время в строительстве цементными растворами в Экспериментально установлены критерии прочности элементов кладки, которые обеспечивают надежную работу конструкции при сейсмических воздействиях:

– установлены составы клеевых растворов, которые обеспечивают высокие показатели прочности при нормальном (R 0.2МПа) и касательном (R 0.4МПа) и тем самым удовлетворяют требованиям действующих норм, предъявляемых к кладке стен зданий, возводимых в сейсмических регионах;

– установлены нижние границы классов бетонов ячеистобетонных блоков, которые могут использоваться в качестве несущих стен зданий, возводимых как в обычных, так и в сейсмических районах РФ. По результатам испытаний рекомендовано применять блоки из ячеистого бетона класса по прочности не По результатам выполненных в настоящей работе экспериментальных исследований прочности стен из ячеистобетонных блоков класса В3.5 В4.5 и марки по плотности D500 D600 при различных напряженных состояниях кладки (в зависимости от характера силового воздействия на нее) предложено включить в табл.10 СНиП II-22-81 данные по расчетным сопротивлениям кладки стен из ячеистых бетонов, которые получены в диссертационной работе и отсутствуют в действующих нормах по каменным конструкциям.

Экспериментально установлено, что прочность кладки стен из ячеистобетонных блоков при изгибе из плоскости по неперевязанному шву на предложенном в работе клеевом растворе более чем в 1,5 раза выше, чем аналогичная прочность кладки стен на цементных растворах, рекомендуемая в действующих нормах (СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции») для применения при проектировании здания из ячеистобетонных блоков. Увеличение этого прочностного параметра кладки стен позволяет использовать ячеистобетонные блоки для самонесущих наружных стен при поэтажной разрезке в монолитных (сборных) железобетонных зданиях высотой более 20 этажей.

На основе экспериментальных исследований предложен способ усиления стен из ячеистобетонных блоков при их изгибе из плоскости на основе использования холстов из углеволокнистой ткани. Прочность усиленной углеволокном кладки при изгибе из плоскости более чем в 3 4 раза выше, чем неусиленной кладки.

8. Впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности центрально- и внецентренно сжатых простенков и столбов из ячеистобетонных блоков, усиленных полосами из углеволокон, при различных эксцентриситетах приложения сил к образцам. Предложена схема усиления столбов и простенков из ячеистобетонных блоков с использованием углеволокна, позволяющая создать объемно напряженное состояние в кладке, и тем самым, наиболее полно использовать прочностные параметры ячеистого бетона. При испытаниях опытных образцов, усиленных углеволокном, разрушение кладки произошло при напряжениях, соответствующих кубиковой прочности ячеистого бетона.

9. Впервые выполнены исследования поведения кладки стен из ячеистобетонных блоков с проемами при действии динамической нагрузки, возбуждаемой виброплатформой маятникового типа. По результатам динамических испытаний фрагментов стен в натуральную величину с усилением и без усиления углеволокном даны рекомендации по применению внешнего армирования из углеволокнистой ткани как при проектировании новых конструкций (с целью увеличения их несущей способности), так и в процессе их усиления после землетрясений.

10. Результаты настоящих исследований использованы рядом российских фирм при разработке рекомендаций по использованию ячеистобетонных блоков автоклавного твердения для кладки несущих и самонесущих стен, а также в нормативных документах.

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях рекомендованных ВАК:

1. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. К оценке сейсмостойкости стен из ячеистобетонных блоков. Журнал «Сейсмостойкое строительство и безопасность сооружений». №1, с. 37-38, январь 2011 г.

2. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. К вопросу о возможности применения стен из ячеистобетонных блоков в сейсмических районах. Журнал «Промышленное и гражданское строительство». №4, с. 37-39, апрель 3. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. Применение внешнего армирования из углеволокна для усиления стен из ячеистобетонных блоков. Журнал «Строительные материалы». №7, с. 68-69, август 2011 г..

4. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. Повышение прочности стен из ячеистобетонных блоков. Журнал «Жилищное строительство». №9, с. 39сентябрь 2011 г.

В прочих изданиях:

5. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. Исследования стеновых конструкций из ячеистобетонных блоков на сейсмические воздействия. Сборник докладов НПК «Современное производство автоклавного газобетона». С.102- Санкт-Петербург, ноябрь 2011 г.

6. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. Сейсмостойкость стен, усиленных композитными материалами. Сборник докладов НПК «Современное производство автоклавного газобетона». С.108-116 Санкт-Петербург, ноябрь 2011 г.

7. А.В.Грановский, Б.К.Джамуев. Экспериментальные исследования по оценке сейсмостойкости стен из ячеистобетонных блоков. Сборник докладов VIII Научно-практической конференции «БЪДЕЩИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ - 2012». С.80-86 София, 2012 г.