Напружено-деформований стан та міцність кам’яних конструкцій при зрізі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Напружено-деформований стан та міцність кам'яних конструкцій при зрізі

Чернєва Олена Станіславівна

Одеса - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Клименко Євгеній Володимирович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри будівельних конструкцій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Савицький Микола Васильович, державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій;

- кандидат технічних наук, доцент Довженко Оксана Олександрівна, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, доцент кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та опору матеріалів.

Заступник голови спеціалізованої вченої ради Д41.085.01, доктор технічних наук, професор В.М. Вировой

Анотація

цегляний кладка стінка

Чернєва О.С. Напружено-деформований стан та міцність кам'яних конструкцій при зрізі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Одеська державна академія будівництва та архітектури. - Одеса, 2009.

Дисертацію присвячена дослідженню напружено-деформованого стану стиків цегляних стін при зрізі. У роботі проаналізовані передумови експериментально-теоретичних досліджень даної проблеми.

Експериментально досліджені особливості роботи цегляних стінок при зрізі і стовпчиків при центральному прикладанні навантаження. Встановлено, що на міцність цегляної кладки при зрізі впливають товщина стіни, система перев'язки та міцність цегли і розчину.

Запропонована методика визначення міцності цегляних конструкцій при зрізі, яка враховує фактичний НДС, характер руйнування, основні геометричні параметри та характеристики міцності елемента. Вдосконалена традиційна методика шляхом урахування різновиду перев'язки швів кладки. Розроблені рекомендації щодо практичного (інженерного) застосування запропонованої методики.

Ключові слова: цегляні стінки, кам'яні конструкції, зріз, напружено - деформований стан (НДС), міцність, центральне прикладання навантаження, товщина стіни, система перев'язки.

Аннотация

Чернева Е.С. Напряженно-деформированное состояние и прочность каменных конструкций при срезе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Одесская государственная академия строительства и архитектуры. - Одесса, 2009.

Диссертация посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния стыков кирпичных стен при срезе.

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первом разделе приведен обзор и анализ исследований каменных конструкций в целом, а также особенности их работы на срез. Выявлены преимущества и недостатки существующих методик расчета каменных конструкций. Изложены основные задачи исследований.

Второй раздел посвящен методике проведения эксперимента, определению физико-механических свойств кирпича и раствора. Представлены конструкции экспериментальных образцов и описана технология их изготовления и методика испытания.

В соответствии с планом эксперимента было изготовлено 15 кирпичных стенок и 6 столбиков. В разделе описана методика измерения деформаций кирпичных элементов при помощи индикаторов часового типа и тензорезисторов.

Третий раздел диссертационной работы содержит анализ результатов экспериментальных исследований кирпичных стенок и столбиков. Экспериментально установлено, что несущая способность стен при срезе превышает полученную при расчете по СНиП ІІ-22-81 в 1,08…3,15 раз. Характер разрушения образцов хрупкий. Построены графики зависимости деформаций и напряжений от уровня загружения. Проведение эксперимента позволило оценить степень влияния на прочность кирпичной кладки при срезе системы перевязки, толщина стены, прочностных характеристик материалов.

Четвертый раздел посвящен теоретическим исследованиям НДС и прочности кирпичной кладки при срезе на основании данных, полученных экспериментально и с использованием метода конечных элементов.

В результате предложена методика расчета прочности кирпичных конструкций при срезе вариационным методом теории пластичности, которая учитывает характер разрушения таких конструкций, влияние характеристик прочности кладки на растяжение и сжатие,а также размеров конструкций и площади приложения нагрузки. Усовершенствована существующая методика расчета каменных конструкций на срез.

В пятом разделе представлены практические предложения относительно усовершенствования существующей методики расчета сечений на срез путем учета системы перевязки.

Результаты диссертации. Выявлены основные факторы, влияющие на несущую способность кирпичной кладки при срезе. Предложена методика расчета прочности каменных конструкций при срезе вариационным методом, которая учитывает фактическое НДС, характер разрушения, основные геометрические параметры и прочностные характеристики элемента. Даны практические рекомендации по использованию коэффициента перевязки, что приводит к усовершенствованию действующей методики расчета каменных конструкций на срез.

Ключевые слова: кирпичные стены, каменные конструкции, срез, напряженно-деформированное состояние (НДС), прочность, центральное приложение нагрузки, толщина стены, система перевязки.

Abstract

Chernieva O.S. Stressed - deformed state and durability of stone constructions under the shear. - Manuscript.

The thesis is for the Doctoral Degree in the specialty 05.23.01 - Вuilding constructions, buildings and structures. The Odessa State Academy of Building and Architecture. - Odessa, 2009.

The dissertation is devoted to investigation of stressed and deformed state of brick walls' units under the shear. The preconditions of experimental and theoretical researches of the problem were analyzed. The peculiarities of brick walls functioning under the shear and columns under the central pressure were experimentally investigated. Influences of the wall's thickness, types of bonding and the brick's and solution's durability on the durability of brick work under the shear were determined. The technique of the definition of brick structures' durability under the shear which takes into account the actual SDS, the character of destruction, main geometrical parameters and characteristics of the unit's durability was proposed. The traditional technique was improved by taking into account the type of masonry bonding. The recommendations about engineering application of the proposed methodology were developed.

Key words: brick walls, stone constructions, shear, stressed - deformed state (SDS), durability, central pressure, wall's thickness, types of bonding.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У практиці будівництва досить широко розповсюджені конструкції із цегли та їхні елементи, руйнування яких виникає від зрізу кладки (через довантаження окремих ділянок стін та постійну зволоженість підземної частини будівлі).

Одним із резервів зниження матеріалоємності, енергоємності, трудовитрат і вартості цегляних конструкцій є вдосконалення методів їхнього розрахунку. Модель Л.І. Оніщика, яка лежить в основі чинних норм проектування, дає досить точні результати лише для традиційної кладки на розчинах середньої міцності. Для інших видів кладки (на високоміцних розчинах, з тонким швом, з порожнистої цегли) похибки при її застосуванні досить суттєві.

При дослідженні роботи кам'яних конструкцій, в основному, застосовували повнотілу цеглу. Застосування саме високоміцної порожнистої цегли маркою М100 та вище призводить до економії питомих витрат цегли в 1,5…2 рази та зменшує теплопровідність стіни. Отже, випробування несучих конструкцій з використанням саме такої цегли є актуальним у зв'язку з широким її попитом на ринках України.

Неоднорідність кладки викликає складність при визначенні її напружено-деформованого стану. Отже, актуальним є також моделювання роботи кладки з метою дослідження її НДС та подальшого порівняння з експериментальними даними.

Недоліком розрахунку кам'яної кладки на зріз за перев'язаними перерізами згідно чинних норм є неврахування системи перев'язки, якою виконана кладка. При цьому, площа зрізу визначається досить приблизно: А_зр=0,5А. Окрім зрізу такі конструкції зазнають одночасно і згину, оскільки точка прикладання сили дещо віддалена від площини стіни. При цьому, слабким місцем, як правило, виявляється опір верхнього ряду кладки розтягу при згині. Формула за чинними нормами не враховує опору кладки розтягу та систему перев'язки, а, отже, є недосконалою.

Викладене вище вказує на необхідність в експериментальному дослідженні цегляної кладки на зріз та створенні методики розрахунку, яка б ураховувала всі фактори, що впливають на міцність кладки при зрізі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі “Будівельні конструкції” Одеської державної академії будівництва та архітектури в рамках науково-дослідної програми “Структуроутворення, міцність та руйнування будівельних композиційних матеріалів” (№ державної реєстрації 0105U000867).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є подальший розвиток методики розрахунку міцності цегляної кладки при зрізі на основі уточненої моделі напружено-деформованого стану, яка базується на експериментально виявлених параметрах НДС з урахуванням площі прикладання навантаження (товщини стіни), системи перев'язки стику стін та характеристик міцності матеріалів.

Для досягнення зазначеної мети поставлені наступні задачі:

Проаналізувати стан вивчення роботи кам'яних конструкцій вітчизняними та закордонними вченими.

Експериментально дослідити НДС, характер руйнування та визначити граничне навантаження дослідних зразків стінок при зрізі.

Виявити вплив на міцність при зрізі наступних факторів: співвідношення геометричних розмірів стінок, характеристик міцності та варіанту перев'язки стиків стін.

Розробити метод розрахунку міцності цегляної кладки на зріз без залучення складних комп'ютерних програм та проаналізувати збіжність отриманих розрахункових рішень з результатами експерименту.

Теоретично дослідити НДС стін при зрізі за допомогою МСЕ (методу скінчених елементів) та порівняти поля розподілу напружень з експериментально визначеними.

Розробити практичні пропозиції щодо розрахунків міцності елементів при зрізі.

Впровадити отримані результати роботи у практику проектування і будівництва та в навчальний процес ОДАБА.

Об'єкт дослідження - стики цегляних стін, які працюють на зріз.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан та несуча здатність цегляної кладки при зрізі.

Методи дослідження - системний аналіз літературних джерел (для формулювання мети та задач роботи), експериментальні дослідження, методи чисельного моделювання для складання розрахункових схем, обчислювальні методи з використанням багатофакторного експерименту для отримання експериментально-статистичних моделей, варіаційний метод теорії пластичності бетону, порівняльний аналіз отриманих розрахункових і експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

Отримані нові експериментальні дані про НДС, характер руйнування та несучу здатність цегляної кладки при зрізі.

Вперше на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону розв'язано задачу з визначення граничного навантаження на стики цегляних стін при їхньому зрізі з урахуванням площі прикладання навантаження та опору кладки стиску та розтягу.

Розроблена нова система перев'язки кладки.

Доведений вплив характеристик міцності кладки, варіанту перев'язки та площі прикладання навантаження на несучу здатність кладки зрізу.

Вдосконалено методику розрахунку міцності кам'яних елементів із цегляної кладки на зріз, яка враховує систему перев'язки кладки.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонована методика розрахунку дозволяє більш точно визначати міцність конструкцій, що зазнають зрізу, у порівнянні з методикою чинних норм. Вона дає можливість ураховувати вплив характеристик міцності кладки на розтяг і стиск, розмірів конструкцій та площі прикладання навантаження. Розроблений інженерний метод дозволяє розраховувати кам'яні конструкції, що зазнають зрізу, з урахуванням системи перев'язки швів.

Результати дослідження впроваджені:

при будівництві комплексу житлових будинків по вул. Старицького, 20 у м. Одесі ПП “Моноліт” (м.Одеса);

при проектуванні житлових об'єктів (у розрахунках міцності цегляних елементів на зріз) ТОВ “Прогресс - Строй” проектною групою “СтройНИИпроект” (м. Одеса);

у навчальний процес Одеської державної академії будівництва та архітектури при підготовці бакалаврів та магістрів напрямку будівництво.

Особистий внесок здобувача:

Розроблено та реалізовано програму проведення експериментальних досліджень.

Експериментально отримано залежність “напруження - деформації” для кладки за короткочасної дії стискаючого навантаження.

Експериментально і теоретично визначено основні фактори, які характеризують НДС цегляної кладки при зрізі.

За допомогою варіаційного методу теорії пластичності бетону отримані теоретичні рішення задачі з визначення несучої здатності цегляних стін при зрізі.

Проаналізовано збіжність розрахункової міцності (за розробленою методикою) з дослідною та міцністю, визначеною за існуючими нормами.

Запропоновано інженерний метод розрахунку міцності елементів із цегляної кладки при зрізі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на: 63…65-их науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Одеської державної академії будівництва та архітектури (м. Одеса, 2007…2009 рр.); V-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (Київ - Полтава, 2007 р.); ІІІ-ій Міжнародній науковій конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (м. Харків, 2007 р.); Міжнародному науково-практичному форумі “Екологічні, технологічні та соціально-економічні аспекти ефективного використання матеріально-технічної бази АПК” (м. Львів, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Динаміка та міцність машин, будівель, споруд” (м. Полтава, 2009 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології і методи розрахунків у будівництві” (м. Луцьк, 2009 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 8 статей у фахових виданнях, внесених до переліку ВАК України (6 з них написані в співавторстві). Отриманий патент на корисну модель № 28855 “Спосіб підсилення стику стін” від 25.12.2007 р. Під керівництвом здобувача студентами ОДАБА написані дві статті у збірках студентських наукових праць.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, трьох додатків, списку використаних джерел із 142 найменувань. Робота викладена на 207 сторінках, зокрема: 145 сторінок основного тексту, 175 рисунків, 20 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, викладена мета та задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі здійснений огляд літературних джерел, у яких викладені результати теоретичних й експериментальних досліджень роботи кам'яної кладки на зріз.

Проблемам дослідження кам'яних конструкцій (умови роботи, НДС, міцність, експлуатація та реконструкція, підсилення тощо) присвячені роботи вітчизняних вчених: Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Бірюкова А.Н., Бліхарського З.Я., Вахненка П.Ф., Довженко О.О., Дорофєєва В.С., Єременка П.Л., Єременка І.П., Камейка В.А., Клименка Є.В., Копейка А.Є., Міщенка Р.А., Митрофанова В.П., Оніщика Л.І., Погрібного В.В., Полякова С.В., Савицького М.В., Семенцова С.А., Семка О.В, Стороженка Л.І., Тюпіна Г.А., Фомиці Л.М., Шагіна О. Л., Шишкіна О.О., Яременка О.Ф. та ін.

Кам'яна кладка в чинних нормах розглядається як ізотропний матеріал, через що не враховується механізм руйнування кладки від роздроблення, відриву, зрізу та відповідні розрахункові схеми.

За обставин, коли матеріал кладки працює в умовах плоского напруженого стану, міцність кладки цегляних елементів залежить не тільки від опору кладки при одноосному стиску , але й від інших характеристик (,- відповідно розрахунковий опір на осьовий розтяг та зріз), що не враховуються в чинних нормах. Сучасні програмні комплекси не дозволяють чітко оцінити несучу здатність цегляних конструкцій на зріз, оскільки не враховують способу перев'язки кладки.

Необхідно провести ряд експериментів з цегляними стінами і дослідити їхню міцність, характер руйнування та НДС при зрізі, на основі проведених експериментів розробити загальну методику розрахунку кам'яних конструкцій на зріз або вдосконалити чинну.

Другий розділ представляє експериментальні дослідження роботи кам'яних конструкцій на зріз. Експериментальна частина роботи складалася із випробування шістьох цегляних стовпчиків, з розмірами поперечного перерізу (25Ч25) см та висотою 100 см, на центральний стиск з метою визначення межі міцності цегляної кладки, а також п'ятнадцяти стиків цегляних стінок таврового в плані перерізу з метою отримання зрізу кладки та визначення її несучої здатності при зрізі. Розміри дослідних зразків-стінок наведені у табл. 1.

Для виготовлення зразків використовували цеглу з щілиноподібними порожнинами марки М100 та цеглу марки М175 на цементному розчині марок М50 та М75. Змінними параметрами були: міцність каменю та розчину, виражені через нормативний опір кладки стиску; варіант перев'язки стику стін, виражений через коефіцієнт перев'язки; товщина стіни, яка зрізається, виражена через відношення . Для дослідження міцності цегляних стін на зріз не доцільно було використовувати послаблені види перев'язки (трирядну, багаторядну), оскільки чинні норми дозволяють виконувати стики стін лише з ланцюжковою перев'язкою. В даній роботі використовується посилений варіант перев'язки стику стін. В роботі прийняті три варіанти перев'язки стику стін: однорядна (ланцюжкова) - утворюється чергуванням ложкових та тичкових рядів (при перетині стін тичковий ряд пропускають через іншу суміжну стіну); трирядна посилена перев'язка, утворюється чергуванням трьох тичкових рядів та одного ложкового; багаторядна (п'ятирядна) посилена, яка матиме ложковий ряд через п'ять тичкових рядів.

Випробування цегляних стовпчиків проводилося з метою експериментального визначення розрахункового опору кладки й отримання залежності “напруження - деформації” за короткочасної дії стискаючого навантаження. Зразки виготовляли в лабораторії кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій Одеської державної академії будівництва та архітектури. На момент випробувань вік дослідних зразків-стовпчиків становив 48 діб. Випробування проводили на 500-тонному гідравлічному пресі типу 2ПГ-500 № 37 (м. Армавір), шкала на 200тс, ціна поділки 666 кгс. Для вимірювання деформацій використовували індикатори годинникового типу ИЧ-10 із ціною поділки 0,01 мм.

За критерій руйнування зразка приймали нездатність дослідного стовпа сприймати зростаюче навантаження.

Таблиця 1. Характеристика експериментальних зразків цегляних стінок

№ серії	Шифр зразка	Розміри зразка, м (b=0,25м)	kпер.	R, МПа	А2=, м2
		h	H	Н1
I	С1.1-1	1,015	0,77	0,705	0,12	0,505	0,09	3,24	0,06
	С1.3-1	1,02	0,76	0,695	0,12	0,5	0,45		0,06
	С2.2-1	1,02	0,8	0,735	0,25	0,502	0,27		0,13
	С3.1-1	1,01	0,76	0,695	0,38	0,498	0,09		0,19
	С3.3-1	1,014	0,755	0,69	0,38	0,5	0,45		0,19
II	С1.2-2	1,015	0,77	0,705	0,12	0,505	0,27	3,51	0,06
	С2.1-2	1,02	0,8	0,735	0,25	0,502	0,09		0,13
	С2.2-2	1,02	0,8	0,735	0,25	0,502	0,27		0,13
	С2.3-2	1,02	0,8	0,735	0,25	0,502	0,45		0,13
	С3.2-2	1,01	0,76	0,695	0,38	0,498	0,27		0,19
III	С1.1-3	1,0	0,79	0,725	0,12	0,505	0,09	4,65	0,06
	С1.3-3	1,0	0,78	0,715	0,12	0,5	0,45		0,06
	С2.2-3	1,02	0,79	0,725	0,25	0,505	0,27		0,13
	С3.1-3	1,01	0,79	0,725	0,38	0,507	0,09		0,19
	С3.3-3	1,01	0,79	0,725	0,38	0,505	0,45		0,19

Зразки-стінки піддавали рівномірно розподіленому навантаженню через металеві штампи (плити розміром в мм: 25020020, 51012020, 51025020, 51038020) та траверсу (двотавр № 20, l = 1000 мм). На зразки встановлювались прилади для вимірювання вертикальних та горизонтальних деформацій - тензорезистори КФ5П1 - 50 - 200А12 на паперовій основі з базою 50 мм і опором 200 Ом. Зразки-стінки випробовувались на 1000 тонному гідравлічному пресі типу ЗІМ 200 № 1 (м. Армавір), шкала на 200тс, ціна поділки 400 кгс.

Теоретичну міцність цегляної кладки (табл.1) визначали за формулою Л.І. Оніщика. Теоретичну несучу здатність кладки на зріз визначали за формулою чинних норм

Q_u^СНиП R_squA_НТ, (1)

де R_squ -- розрахунковий опір зрізу для дослідних зразків-стінок;

А_НТ -- розрахункова площа перерізу, яка визначається за виключенням площі швів та приймається наближено А_НТ ? 0,5А.

В третьому розділі дисертаційної роботи зроблено аналіз результатів експериментальних досліджень. Межа міцності кладки , отримана експериментально при випробуванні цегляних стовпчиків, несуттєво відрізняється від теоретичної , визначеної за формулою Оніщика, на величину . За даними експериментальних досліджень було визначено функціональну залежність “”.

Якщо порівняти несучу здатність зразків на зріз, отриману експериментально, з теоретичною, визначеною за чинними нормами за формулою (1), то Q_u^екс/Q_u^СНиП = 0,77…3,15 (табл. 2).

Таблиця 2. Результати випробувань цегляних стінок

Серія	Шифр зразка	Навантаження, кН.		Зусилля зрізу, кН.		Характер руйнування
		Ncrc	Nuekc		Quekc	QuСНиП
1	2	3	4	5	6	7	8	9
І	С1.1-1	108	108	1,0	94	114,6	0,82	Зріз
	С1.3-1	128	200	0,64	174,4	112,9	1,54	Розколювання
	С2.2-1	80	196	0,41	153	119,4	1,28	Зріз
	С3.1-1	104	164	0,63	109,3	112,9	0,97	Зріз - розколювання
	С3.3-1	204	244	0,84	163	112,1	1,45	Зріз
ІІ	С1.2-2	308	324	0,95	271,2	114,6	2,37	Зріз
	С2.1-2	120	260	0,46	180	119,4	1,51	Зріз
	С2.2-2	208	280	0,74	194	119,4	1,62	Зріз
	С2.3-2	100	276	0,36	191,2	119,4	1,60	Розколювання
	С3.2-2	120	224	0,54	121,5	112,9	1,08	Розколювання
ІІІ	С1.1-3	300	400	0,75	348	163,1	2,13	Зріз
	С1.3-3	236	364	0,65	316	160,9	1,96	Зріз
	С2.2-3	168	660	0,25	514	163,1	3,15	Зріз
	С3.1-3	124	188	0,66	125,3	163,1	0,77	Зріз
	С3.3-3	240	480	0,5	320	163,1	1,96	Зминання

Щодо характеру руйнування виявлено наступне:

- для першої серії стінок виявлено три характери руйнування: руйнування внаслідок зрізу-розколювання, зрізу та розколювання;

- для другої серії стінок виявлено два характери руйнування: руйнування внаслідок зрізу та внаслідок зрізу - розколювання;

- для третьої серії стінок виявлено два характери руйнування: зріз, зминання.

За результатами експериментальних досліджень були побудовані графіки розподілу деформацій і напружень у горизонтальних та вертикальних перерізах зразків.

Напруження у_у стиску поступово зростають від верхнього і до нижнього шару кладки біля стику на відстань у=670 мм від верхнього обрізу стіни, та поступово зменшуються та виникають напруження розтягу на ділянці від стику стін і до найбільш віддаленого від стику перерізу. Зміна напружень у_х з розтягу на стиск вказує на утворення площини вигину а, як наслідок, утворення похилої тріщини.

Четвертий розділ дисертаційної роботи містить теоретичні дослідження роботи цегляної кладки при зрізі. Теоретичні дослідження НДС зразків виконані методом скінченних елементів (МСЕ) за допомогою ПК Ліра 9.4, що дало можливість визначити поля розподілу напружень і порівняти їх з отриманими експериментально за допомогою тензорезисторів. Згідно результатів зрозуміло, що експериментально визначене значення зусилля зрізу є суттєво більшим від розрахункового, визначеного за допомогою ПК Ліра 9.4. Це свідчить про некоректність прийняття умов міцності для плоского напруженого стану. Кладка вважалась монолітним, пружно-пластичним тілом, а критерії міцності були введені як для одноосного стиску - розтягу. Але отримані поля розподілу напружень чітко відповідають експериментальним.

Для отримання несучої здатності кладки при зрізі з урахуванням її НДС був застосований варіаційний метод теорії пластичності бетону, який можна віднести до інженерних методів розрахунку, що знаходять широке застосування у практиці проектування та не потребують залучення складних комп'ютерних програм. Застосування цього методу при розв'язанні задач міцності кам'яних конструкцій та їх елементів при неодноосних неоднорідних НДС можна вважати доцільним. Для його розробки використовувалися наступні передумови:

1. Для кам'яної кладки у стадії руйнування застосовується передумова про пластичність і використовується модель жорстко-пластичного тіла.

2. Приймається умова міцності Баландіна - Генієва

F(у_ij)=T²+mу-T_sh², (2)

де m=R-R_t; T_sh²=RR_t/3;

T - інтенсивність дотичних напружень;

у - середнє напруження.

3. Зв'язок швидкостей деформацій з напруженнями знаходиться із асоційованого закону текучості

о_ij =лдF/ду_ij, (3)

де л=о/m, о- швидкість деформацій.

4. Використовується спосіб розв'язання задач у розривних функціях швидкостей.

Функціонал методу при відсутності інерційних і масових сил має вигляд

(4)

де - питома потужність пластичного деформування матеріалу.

Функціонал методу для кам'яного елемента в умовах плоского напруженого стану має вигляд

(5)

де B²=(1+ч/(1-ч)²)/3,,

- дотична та нормальна складові швидкості на поверхні руйнування.

При теоретичному розв'язанні задачі міцності стиків цегляних стін використовується можлива кінематична схема руйнування зразка, що включає два диски. Диск І переміщується відносно диска ІІ зі швидкістю V(V_x, V_y). Диски розмежовані між собою поверхнею руйнування АВС (поверхнею розриву швидкостей). На площадці ВС діють граничні нормальні _u та дотичні _u напруження, які визначаються згідно умови міцності бетону Баландіна-Генієва (3). Площадку АВ вважаємо за головну з напруженнями розтягу _u = R_t.

Невідомими даної задачі є: граничне навантаження зрізу q_u, кут нахилу площадки АВ до вертикалі, кут нахилу площадки ВС до вертикалі, відношення швидкостей (при розв'язанні задачі оперуємо відносними швидкостями, а не їх абсолютними значеннями). Розв'язання задачі здійснюється у наступній послідовності:

1. Знаходяться розриви (стрибки) нормальної і дотичної складових швидкості на поверхні руйнування

,,

,

2. Площі площадок АВ та ВС дорівнюють

,.

3. Записується функціонал (4) із урахуванням (5) для плоского напруженого стану та прирівнюється до нуля.

Знаходимо граничне навантаження q_u:

. (6)

6. Додатковою умовою при пошуках приймаємо умову рівноваги рівності нулю суми моментів усіх зовнішніх та внутрішніх зусиль відносно осі, яка проходить через точку В та суми проекцій всіх зовнішніх та внутрішніх зусиль на осі Х та У: ?M_B=0 та ?X=0 ?Y=0. Задача легко вирішується за допомогою Microsoft Office Excel (Пошук рішення).

За вихідні дані використовуємо розрахункові опори стиску та розтягу, отримані експериментально, оскільки результати (табл.3), при цьому, мають кращу збіжність, ніж при підстановці R та R_t, визначених згідно чинних норм.

Таблиця 3. Зусилля зрізу зразків-стінок, отримані варіаційним методом

Шифр зразка	Rекс	Rt	Теоретично визначене qu, МПа (кН/см2)	A=, см2	Qu1теор= =quА, кН	Quекс, кН
С1.1-1	3,2	0,32	2,36(0,236)	606	143,0	94	0,66
С1.3-1			2,34(0,234)	600	140,4	174,4	1,24
С2.2-1			0,89(0,089)	1255	111,7	153	1,37
С3.1-1			0,41(0,041)	1892,4	77,6	109,3	1,41
С3.3-1			0,41(0,041)	1900	77,9	163	2,09
С1.2-2	4,6	0,46	3,39(0,339)	606	205,4	271,2	1,32
С2.1-2			1,28(0,128)	1255	160,6	180	1,12
С2.2-2			1,28(0,128)	1255	160,6	194	1,21
С2.3-2			1,28(0,128)	1255	160,6	191,2	1,19
С3.2-2			0,60(0,060)	1892,4	113,5	121,5	1,07
С1.1-3	5,9	0,59	4,51(0,451)	606	273,3	348	1,27
С1.3-3			4,47(0,447)	600	268,2	316	1,18
С2.2-3			1,60(0,160)	1262,5	202	514	2,54
С3.1-3			0,81(0,081)	1926,6	156,0	125,3	0,80
С3.3-3			0,81(0,081)	1919	155,4	320	2,06

Для вдосконалення розрахунків на зріз пропонується скористатися інженерним методом - ввести коефіцієнт перев'язки , оскільки площа зрізу, визначена за чинними нормами, відповідає дійсності лише при ланцюжковій перев'язці кладки та значно відрізняється при інших варіантах перев'язки. При цьому, площа зрізу буде визначатися

А_зр=k_перА_пер, (7)

де k_пер - коефіцієнт перев'язки, який визначається за формулою

, (8)

де n_{пер. рядів} - кількість перев'язаних рядів в одному сегменті кладки;

n_рядів - загальна кількість рядів в одному сегменті.

Застосування експериментально-статистичного моделювання (ЕСМ), при аналізі отриманих експериментальним шляхом даних, дозволило виявити ступінь сумісного впливу , R (табл. 4) на несучу здатність цегляної кладки при зрізі та отримати рівняння (9) (при рівні ризику 0,2), з вісьмома ненульовими коефіцієнтами та двома нульовим.

=5,39-0,174x₁-0,175x₁²-0,134x₁x₃+0,193x₂-

-0,185x₂²+0,394x₃+0,215x₃² (9)

Таблиця 4. Фактори варіювання для трифакторної моделі експерименту

Фактори Yсерії, що досліджуються	Рівні варіювання	Інтервал варіювання
Код	Натуральні значення	«-1»	«0»	«+1»
X1	Відношення	120/1000 0,12	250/1000 0,25	380/1000 0,38	0,13
X2	Варіант перев'язки kпер	0,096	0,288	0,48	0,192
X3	Опір стиску R, МПа	3,2	4,6	5,9	1,4…1,3

Ефективним варіантом є стіна товщиною 250 мм, виконана трирядною посиленою перев'язкою з цегли марки М175 та розчину марки М50 з розрахунковим опором кладки стиску 5,9МПа. Використання п'ятирядної посиленої системи перев'язки стику стін є неефективним, оскільки руйнування виникає по послабленому швами перерізу кладки та несуча здатність таких стін на зріз не збільшується порівняно зі зразками-стінками, виконаними іншими варіантами перев'язки.

При значній товщині стіни - 380 мм, руйнування від зрізу відбулось при меншому навантаженні, ніж при товщині 250 мм (при цьому площина зрізу обох зразків була однаковою), що пояснюється дією згинального моменту.

Аналіз збіжності експериментальних даних в порівнянні з результатами, отриманими за нормативною і запропонованими методиками вказує на те, що найкращі статистичні характеристики мають інженерний (; н=0,387) та варіаційний методи розрахунку(;н=0,364).

У п'ятому розділі дисертації наведені приклади розрахунку цегляних стін на зріз варіаційним та інженерним методами, виконане порівняння отриманих результатів з експериментальними даними. Надані практичні пропозиції щодо вдосконалення методики розрахунку перерізів на зріз (табл. 5).

Таблиця 5. Коефіцієнт перев'язки для різних видів перев'язки стиків кладки

Вид перев'язки	nпер.рядів	nрядів
Однорядна (дворядна*)	1	2	0,5
Дворядна (трирядна*)	1	3	0,33
Чотирирядна (п'ятирядна*)	1	5	0,2
П'ятирядна (шестирядна*)	1	6	0,17
Трирядна посилена**	3	4	0,75
П'ятирядна посилена**	5	6	0,83

* різновиди назв систем перев'язки в деяких довідниках;

** варіанти перев'язки, запропоновані автором.

Загальні висновки

Існуючі норми розрахунку міцності перерізів цегляних конструкцій на зріз не враховують фактичного НДС та систему перев'язки кладки і суттєво занижують несучу здатність.

Досліджено особливості НДС цегляних зразків при зрізі. Характер руйнування зразків крихкий.

Для підвищення міцності перерізів на зріз необхідно використовувати трирядну посилену перев'язку стику стін (утворену чергуванням трьох тичкових рядів та одного ложкового), оскільки несуча здатність таких зразків на зріз за результатами випробувань найвища.

На основі варіаційного методу теорії пластичності бетону запропонована вдосконалена методика розрахунку міцності на зріз стиків цегляних стін, яка ураховує характер руйнування та вплив основних визначальних факторів: характеристик міцності кладки на розтяг (R_t) і стиск (R), геометричних розмірів конструкцій та площі прикладання навантаження.

ПК Ліра 9.4. достовірно прогнозує НДС кладки, а отримані значення несучої здатності зразків на зріз відрізняються від експериментальних через некоректність прийняття умов міцності для плоского напруженого стану.

Запропонований інженерний метод розрахунку уточнює чинні норми шляхом урахування системи перев'язки кладки та є простим для широкого використання. Порівняння розрахункових даних з результатами дослідів вказує на те, що найкращі статистичні характеристики мають інженерний (=1,176; х = 0,387) та варіаційний методи розрахунку(=1,37; х = 0,364). Необхідна точність досягається за рахунок використання кінематичної схеми руйнування та урахування перев'язки швів кладки.

Результати досліджень впроваджені в практику проектування й будівництва та в навчальний процес.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Чернева Е.С. К вопросу расчета каменных конструкций на срез / Е.С. Чернева // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2007. - № 25.- С. 290-295.

2. Клименко Є.В. Застосування комплексу МСЕ ANSYS при дослідженні НДС елементів з кам'яної кладки / Є.В. Клименко, О.С. Чернєва, С.Л. Шаповал // Будівельні конструкції: міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць: статті / НДІБК. - 2007. - № 67. - С. 162-168. (Особистий внесок: виявлення характеру руйнування цегляних стін).

3. Чернева Е.С. Математическое моделирование каменной кладки при срезе / Е.С. Чернева, Е.В. Клименко, А.Д. Довгань // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2007. - № 26.- С. 314-320. (Особистий внесок: обрані дослідні фактори та план експерименту, розраховане граничне навантаження в ПК Ліра 9.4 для 15 дослідних зразків стін).

4. Чернєва О.С. Безпека експлуатації кам'яних стін при їх руйнуванні від зрізу / О.С. Чернєва, Є.В. Клименко // Науковий вісник будівництва / ХДТУБА. - Х., 2007. - № 43. - С. 275-279. (Особистий внесок: оцінено вплив розмірів конструкцій та міцності кладки на граничне значення зрізаючої сили. Запропоновано метод підсилення стін при такому характері деформування).

5. Вплив різних факторів на міцність цегляної кладки при зрізі / Є.В. Клименко, О.С. Чернєва, О.Д. Довгань [та ін.] // Екологічні, технологічні та соціально-економічні аспекти ефективного використання матеріально-технічної бази АПК. - Львів, 2008. - С. 535-541. (Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень зразків-стовпчиків, визначення впливу дослідних факторів на міцність цегляної кладки при зрізі).

6. Чернева Е.С. Исследование прочности каменной кладки / Е.С. Чернева // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2008. - № 29, ч. 2.- С. 367-373.

7. Чернєва О.С. Напружено-деформований стан зразків-стінок при зрізі / О.С. Чернєва, Є.В. Клименко, О.Д. Довгань // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса, 2009. - № 34, ч. 1.- С. 68-71. (Особистий внесок: визначення напружено-деформованого стану стику цегляних стін при зрізі).

8. Чернєва О.С. Розрахунок міцності цегляної кладки на зріз варіаційним методом / О.С. Чернєва, Є.В. Клименко // Ресурсоекономічні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наук. праць. - Рівне, 2009. - № 19. - С. 253-258. (Особистий внесок: запропоновано розрахунок міцності цегляної кладки на зріз варіаційним методом).

9. Пат. 28855 Україна, МПК⁶ Е 04 В 1/00. Спосіб підсилення стику стін / Клименко Є.В., Чернєва О.С.; заявник та власник Одеська державна академія будівництва та архітектури. - № u 2007 08908; заявл. 02.08.2007; опубл. 25.12.2007, Бюл. № 21. (Особистий внесок: запропоновано та доведено доцільність способу підсилення стику стін при зрізі).

Размещено на Allbest.ru

...