Специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2010
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
доктор технических наук, профессор, Еремеев Павел Георгиевич кандидат технических наук, Гришин Андрей Сергеевич ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Государственное учреждение города Москвы «Городской координационный экспертно-научный центр «ЭНЛАКОМ»
Защита состоится «….» ……………… 2010 г. В 14-00 часов на заседании специализированного ученого совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Открытом акционерном обществе «Научноисследовательский 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.
Автореферат разослан «……» ……………. 2010 г.
Ученый секретарь Специального ученого совета Д 303.020. Кандидат технических наук Зикеев Л.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. За последнее десятилетие в России наблюдается значительный рост объемов строительных работ с использованием анкеров для крепления различных конструктивных элементов к стенам и другим конструкциям зданий и сооружений. Отсутствие нормативных документов и стандартов, регламентирующих методы оценки прочности анкеров и анкерных узлов при действии на них продольных и поперечных относительно их оси усилий, повышенный уровень ответственности указанных конструктивных элементов – все это требует от проектировщиков специальных знаний и опыта проектирования.
Оценка несущей способности анкерных креплений усложняется отсутствием стандартной методики проведения испытаний анкеров и нормирования расчетных величин вертикальных и горизонтальных нагрузок на анкер и соответствующих им перемещений, а также методов расчета анкерных узлов.
В настоящее время единственным документом, регламентирующем использование анкерного крепежа в строительстве, является Техническое свидетельство на анкера, утверждаемое Росстроем РФ на основе Технической оценки пригодности продукции для применения в строительстве, выдаваемой ФГУ ФЦС (Федеральный центр технической оценки продукции в строительстве).
Методика испытаний и оценки прочностных и эксплуатационных характеристик анкерного крепежа, используемые при составлении технического свидетельства, базируется на основных положениях и рекомендациях ETAG (норматив европейского технического свидетельства), выдаваемого EOTA (Европейской организацией технических допусков).
Указания этих документов по ряду позиций в части методики испытаний анкерного крепежа, установки в стеновые материалы и требований непосредственно к стеновым материалам не соответствуют положениям отечественных нормативных и рекомендательных документов. Всё это требует проведения специальных исследований как в части методики испытания анкерного крепежа на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий, так и разработки требований к стеновым материалам, в которые устанавливается анкерный крепеж. Кроме этого исследования работы анкерного крепежа, используемого в строительных конструкциях, возводимых в сейсмических районах с балльностью 7-9 балов, в отечественной литературе отсутствуют.
Отсутствие или незначительный объем проведенных исследований в области анкерных креплений затрудняет решение вопросов возникающих у инженеровконструкторов по обеспечению необходимого уровня надежности и долговечности проектируемых конструкций и их соединений.
Актуальность диссертационной работы обусловлена существенным расширением области использования анкерного крепежа вследствие интенсивного развития рынка наружных фасадных систем в России, а также значительно возросших объемов работ по использованию анкерного крепежа при ремонте и усилении конструкций зданий и сооружений, в том числе в районах с сейсмичностью 7-9 баллов.
Цели диссертационной работы. На основе проведенных экспериментальных исследований разработать:
– разработать методику статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;
– разработать методику динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;
– определение области применения анкеров в зависимости от их конструктивных особенностей, характера силового воздействия (статическая или динамическая нагрузки) и физико-механических характеристик стенового материала;
– исследование прочности и деформативности анкерного крепежа при установке в стены из ячеистобетонных блоков, с учетом степени увлажнения бетона;
– оценка влияния отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров;
– разработать рекомендации по применению анкерного крепежа в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.
На защиту выносятся:
– методика проведения статических испытаний анкеров, установленных в стены из различных материалов, на действие продольных относительно оси анкера усилий;
– методика проведения динамических испытаний анкеров на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий;
– результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов, установленных в стены из ячеистого бетона с различной влажностью;
– результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений при действии на них динамических нагрузок.
– результаты экспериментальных исследований влияния различных технологических отклонений от стандартных параметров монтажа анкерного крепежа на несущую способность анкеров;
- рекомендации по применению различных типов анкеров в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.
Научная новизна работы заключается в следующем.
– разработана методика статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;
– разработана методика динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;
– впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистого бетона с учетом его прочности и влажности;
– впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа в зависимости от способа монтажа конструкций фасадных систем и о влиянии отклонений параметров монтажа от проектных требований на несущую способность анкеров при вырыве;
– впервые получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из тяжелого бетона с трещинами при действии динамических (сейсмических), в том числе импульсных (ударных) нагрузок.
Практическое значение работы.
1. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований разработана методика испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер при статических и динамических воздействиях;
2. Получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из ячеистобетонных блоков с учетом их прочностных и физико-механических характеристик.
3. Даны рекомендации по выбору анкеров ведущих мировых фирм-изготовителей анкерного крепежа для крепления конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков.
4. Установлено влияние возможных отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров.
5. По заданию Ассоциации «АНФАС» (Ассоциация производителей и поставщиков фасадных систем теплоизоляции) разработан Стандарт «Анкерные крепления для фасадных систем. Общие положения, основные требования, методы испытаний», который в настоящее время прошел 4-ю редакцию.
6. Результаты исследований использованы при подборе типов анкерного крепежа для фасадных систем (Комплекс учебных зданий Академии ФСБ РФ, ЖК «Континенталь» и др.), крепления строительных лесов и конструкций (Старый Гостиный Двор, Государственный Музей Заповедник «Царицыно») и усиления стен памятников архитектуры (Государственный Академический Большой Театр России).
Апробация работы осуществлена:
- в докладах выступлений на координационных совещаниях по анкерным креплениям фирмы «HILTI»,(г. Шаан, Лихтенштейн, в сентябре 2007г); фирмы «Fischer» (г. Вальдехшталь, Германия, в декабре 2008 г.); фирмы «SORMAT» (г.
Турку, Финляндия, в марте 2008 г).
- в докладе «Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при динамических воздействиях» на 12-ой Международной межвузовской научнопрактической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2009 г.
-в докладе «Надежность анкерных креплений в конструкциях из автоклавного газобетона» на Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и долговечность конструкций из автоклавного газобетона «ConAer», Москва, Экспоцентр, октябрь 2009 г.
-в докладе «Исследование работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях» на конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2009", Санкт-Петербург, «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ», декабрь 2009 г.
Публикации:
Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 9-ти печатных трудах, в том числе один опубликован в ведущем лицензируемом научном журнале, определенном Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем работ.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
Полный объем диссертации 159 страниц, в том числе: 92 страниц печатного текста, 56 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из наименований, 2 страницы Приложений.
Диссертационная работа выполнена в 2005-2010 годах в Лаборатории сейсмостойкости конструкций ФГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством кандидата технических наук А.В. Грановского и при научной консультации заведующего кафедрой испытания сооружений, кандидата технических наук, профессора Ю.С. Кунина.
ОСНОВНОЕ СОДЕРАЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, а также приведен перечень результатов исследований, выносимых на защиту.
Первая глава работы посвящена анализу состояния исследуемого вопроса и обоснованию выбранного направления исследований. Проведен обзор теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ, выполненных отечественными и зарубежными специалистами.
Проведенный анализ отечественных и зарубежных исследований в области анкерного крепежа показал, что исследования в области анкерного крепежа в России практически отсутствуют, либо проведены в недостаточном объеме и не позволяют на этапе проектирования выполнить оценку прочности анкерных узлов в зависимости от материала основания, его технического состояния, вида воздействия и типа анкера. Испытания анкеров на динамические воздействия в России до настоящего времени не проводились.
В России исследования в области анкеровки конструкций (в основном закладных деталей) в монолитный железобетон связаны с оценкой совместной работы арматуры с бетоном при действии на арматурный стержень через закладную деталь продольных и поперечных относительно его оси усилий.
Наиболее известные исследования в этой области это работы Б.Б. Вайнера, А.П. Васильева, Б.С. Гольдфайна, С.А. Дмитриева, Г.Ж. Жунусова, В.М.
Холмянского, А.П. Широкова, Б.А. Шитикова, Г.И. Шапиро и В.И. Ягуста.
Экспериментальные исследования прочности отдельных типов анкеров для крепления фасадных конструкций в стены из различных материалов выполнены к.т.н. М.О. Павловой.
Развитие анкерной техники в Европе сопровождалось значительным объемом экспериментально-теоретических исследований в области анкерного крепежа и, как следствие этого, появлением и совершенствованием нормативной базы в этой области.
Среди зарубежных исследований следует выделить работы Eligehausenа, Malle, Silva, Ballarini, Shah, Keer, Weyerhauserа, Pusill-Wachtsmuthа, Clausnitzerа, Cedolinа, Bazantа, Ottosenа, Seghezzi, Elfgrenа, Bromsа, Cederwall, Gylltoft, Ohlsoаn, Sawade, Ozbolt и др.
В заключение главы приведен анализ существующих методик расчета несущей способности анкеров в Европе, США и РФ. Отмечены недостатки этих методик и пути их совершенствования. По результатам обзорного анализа сформулированы цели диссертационной работы и определены основные направления исследований.
Во второй главе на основе анализа существующей технической и нормативной отечественной и зарубежной литературы предлагается терминология в области анкерного крепежа. Приводится анализ влияния скорости нагружения анкеров на оценку их прочности и деформативности, а также существующих подходов к назначению количества опытных образцов, для определения их расчетных характеристик. Изложен сравнительный анализ методик испытаний анкеров в Результаты испытаний анкеров на вырыв из различных стеновых материалов по методике ETAG (по ФГУ «ФЦС») и ГОСТ 8829-94 приведены в таблице 1.
Результаты испытаний анкеров на вырыв из различных стеновых материалов SDP-KB 10S100V Ячеистый бетон FUR 10100 FUS Керамзитобетон MBRК 10100 (SORMAT) SXS 10100 FUS (FISCHER) Анализ методик и результатов испытаний анкеров и конструкций на основе применения этих методик, используемых в Европе (ЕТАG) и в России (ГОСТ 8829ТС ФГУ «ФЦС»), а также большой объем выполненных автором экспериментальных исследований в части испытаний различных марок анкеров, установленных в стены из различных материалов, позволяет рекомендовать следующую методику испытаний анкеров.
На графиках рис.1 приведены схемы испытаний анкеров по методике ТС ФГУ «ФЦС» (рис. 1а) и разработанной в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко методике испытаний анкеров (рис.1б). Предлагаемая методика испытаний анкеров, в основе которой заложены основные положения методики испытаний строительных конструкций по ГОСТ 8829-94, включает в себя следующие этапы.
1. На первом этапе (1-ый образец) испытания анкера проводятся по методике ГОСТ 8829-94. По результатам испытаний определяется величина разрушающей нагрузки при вырыве анкера.
2. На втором этапе испытаний (испытываются 5 анкеров) нагрузка на анкер прикладывается ступенями, каждая из которых не должна превышать 1/201/10 от величины разрушающей нагрузки. При этом:
на каждой ступени нагружения производится полная разгрузка анкера;
с фиксацией величины остаточных деформаций (перемещений) анкерного узла. После этого осуществляется последующий этап нагружения до величины нагрузки Pi=Pi-1+P с последующей разгрузкой.
Такое поэтапное увеличение нагрузки осуществляется до тех пор, пока либо остаточные деформации не превысят величины =0.1 мм, либо величина нагрузки на данном шаге нагружения не превысит значения равного Ni=0.5NРАЗР (где Ni величина нагрузки на i-ом шаге принимаемое предельное значение перемещений анкера =0.1 мм обусловлено тем, что как показали многочисленные экспериментальные исследования это значение перемещений анкера соответствует двум • данное перемещение соответствует полной величине обжатия применения анкеров с полиамидным (или другим) дюбелем).
После этого смещения, как показывает эксперимент, анкер • в случае применения химических или стальных анкеров при достижении указанного значения остаточных деформаций значительному увеличению остаточных деформаций (при после того, как один из указанных двух факторов будет в процессе разгрузки установлен, дальнейшее пошаговое нагружение анкера следует проводить без разгрузки до достижения предельного разрушающего 3. Как отмечалось выше, для определения несущей способности анкера проводится испытания 6 образцов анкеров.
по результатам испытаний 1-го образца определяется величина разрушающей нагрузки и, соответственно, величина нагрузки;
определяется среднее значение величины разрушающей нагрузки;
если одно из пяти значений величины разрушающей нагрузки отличается от среднего значения более чем на 20%, то производится дополнительное испытание. (Принятая величина отклонения единичных результатов от среднего значения соответствует рекомендациям нормативных документов России в области бетона и каменных материалов ГОСТ 10180-90 и ГОСТ 530-95).
4. За величину расчетной нагрузки вырыва анкера принимается нагрузка, при снятии которой величина остаточных деформаций не превышает значения Как показали многочисленные испытания анкеров, именно эта величина нагрузки соответствует упругой стадии работы анкера при вырыве.
Предложенная методика испытаний анкеров на вырыв была в течении 5 лет апробирована практически на всех марках анкеров ведущих фирм-производителей анкерного крепежа («FISCHER», «HILTI», «MUNGO», и «SORMAT») и показала свою надежность и достоверность получаемых результатов. Данная методика позволяет с достаточной степенью достоверности определить зону упругой работы анкера при вырыве.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям прочности анкерного крепежа при действии динамической нагрузки.
Как известно, сейсмические воздействия относятся к динамическим и возникают в связи с движением основания сооружения во время землетрясений.
Особенность сейсмических нагрузок состоит в том, что они могут действовать в любом направлении, вызывая в одних и тех же сечениях конструкций в один момент времени сжимающие, в другой растягивающие или срезающие усилия (нагружения). Однако любое сейсмическое воздействие характерно не только циклическим характером, но и ударными толчками, которые для конструкции могут быть опаснее, чем плавно меняющиеся нагрузки.
Исследование работы анкеров в России на динамические (сейсмические) воздействия до настоящего времени не проводились. За рубежом исследования в «FISCHER», «HILTI», «MKT». При этом методика динамических испытаний анкеров в Европейских нормах отсутствует.
Дирекцией ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко был сделан запрос представителям указанных выше фирм в России, в том числе и фирмам «SORMAT» (Финляндия), «MUNGO» (Швейцария) и «MKT. Metall-Kunstoff-Technik» (Германия), о марках анкеров, которые с их точки зрения могут быть рекомендованы для креплении конструкций, том числе навесных фасадных систем, эксплуатируемых в условиях динамических (сейсмических) воздействий.
Специалистами фирмы «FISCHER» были рекомендованы для экспериментальной проверки следующие марки анкеров: FHB II-AL, Zykon FZA, FAZ II, FH II B (рис. аг), а фирмой «MKT. Metall-Kunstoff-Technik»VMZ (рис.2д).
Рис.2 Общий вид марок анкеров, использованных при динамических испытаниях: а) FHB II-AL М12120/25; б) FAZ II 12/20; в) FH II 15/10 B; г) Zykon FZA 1250 M 8/15; д) VMZ-А 50 M8-30/95.
сейсмостойкости сооружений при консультации специалистов МГСУ (зав.
кафедрой испытаний сооружений проф., к.т.н., Кунин Ю.С.) с учетом отмеченных анкеров, включающая два этапа:
испытания анкеров на циклические воздействия сейсмической нагрузки;
испытания анкеров на ударные воздействия сейсмической нагрузки.
Динамические циклические испытания анкерного крепежа проводились в Научно-исследовательском Центре Компании «FISCHER» (обл. Вальдахталь, г.
Тумлинген, Германия). Испытания на вырыв анкеров из железобетонных стеновых фрагментов проводились на экспериментальной установке фирмы «Instron200 кН»
соответственно до 100 кН и 200 кН при максимальной амплитуде колебаний рабочего органа ±100 мм. Частотный спектр установки изменяется в интервале от до 50 Гц.
Испытания анкеров указанных выше марок, установленных в железобетонную плиту, на срез проводились на установке «SeismicPrufaulage» (рис.3б) с рабочим интервалом динамических и статических нагрузок, соответственно, до 63 кН и кН при максимальной амплитуде колебаний рабочего органа ± 50 мм и частотным спектре в пределах от 0 до 50 Гц.
«