Формирование таблиц для предварительной оценки несущей способности центрально-нагруженного простенка из каменной кладки с упругой характеристикой 1000, 1200 и 1500

Джамуев Б.К., Малькова А.С., Кирпичникова В.А. Формирование таблиц для предварительной оценки несущей способности центрально-нагруженного простенка из каменной кладки с упругой характеристикой 1000, 1200 и 1500 // Инженерный вестник Дона, №3 (2025)

Введение

Каменная кладка по-прежнему широко используется в современном строительстве – для облицовки фасадов зданий и создания фундаментов. Традиционно используется несколько типов каменной кладки – кирпичная, блочная и бутовая [1, 2].

Каменная кладка имеет ряд преимуществ, в том числе высокую прочность и долговечность, хорошие эстетические качества, устойчивость к воздействию внешних факторов, таких, как влажность, температура и механические нагрузки. Однако, у каменной кладки имеется и ряд недостатков: высокая стоимость материалов и трудоемкость процесса укладки. Тем не менее, благодаря своим преимуществам каменная кладка остается популярным и востребованным методом строительства [3].

Техническое обследование зданий из каменной кладки, в том числе исторических объектов культурного наследия [4–6], рекомендуется проводить периодически, чтобы своевременно выявлять и устранять возможные проблемы, которые могут возникнуть в результате износа материалов, неправильного эксплуатации или воздействия внешних факторов [7, 8].

Определение несущей способности существующих конструкций – одна из ключевых задач инженерно-технического обследования. Это сложный процесс, требующий глубокого анализа состояния объекта, учитывающего воздействие множества факторов, накопившихся за период эксплуатации [9]. Конструкции, независимо от материала подвергаются постоянному воздействию агрессивных сред. Это могут быть климатические факторы: циклическое замораживание и оттаивание, атмосферные осадки, ветровые нагрузки, температурные колебания. Технологические воздействия также оказывают существенное влияние: вибрации от работающего оборудования, неравномерные осадки грунта, неправильная эксплуатация, недостаточный или избыточный уход. Все эти факторы приводят к развитию различных дефектов и повреждений, снижающих прочностные характеристики и эксплуатационные качества конструкции [10, 11].

Несущая способность каменных конструкций определяется в соответствии с указаниями СП 15.13330.2020. При этом, зачастую, оперативно определить несущую способность на объекте, например, в полевых условиях, не представляется возможным, из-за привязки к техническому обеспечению для возможности использования программного комплекса [12–14]. Таким образом, результаты исследования актуальны для инженеров-обследователей, находящихся в полевых условиях и не имеющих возможность использования программного комплекса, с целью ускоренного определения несущей способности центрально-нагруженной каменной конструкции, а также для проектировщиков, тем самым сокращая время на выполнение конкретного раздела отчетной документации.

Модели и методы

Целью исследования является формирование таблиц для ускорения процесса определения в полевых условиях несущей способности погонного метра центрально-нагруженного элемента различной толщины, высоты и прочности, выполненного из каменной кладки с упругой характеристикой α=1000, 1200, 1500.

Объектом исследования является центрально-нагруженный элемент (стена, простенок, колонна), выполненный из каменной кладки, упругая характеристика которой составляет α=1000, 1200, 1500 т.е. исследование охватывает следующие виды кладок, прочность которых находится в пределах от 0,1 МПа до 20,0 МПа:

1) кладка из полнотелого и пустотелого керамического кирпича пластического прессования, из пустотелых силикатных камней, из камней, изготовленных из бетона на пористых заполнителях и поризованного, из легких природных камней на растворах марок М25-М200;

2) кладка из крупных блоков, изготовленных из бетона на пористых заполнителях и поризованного, крупнопористого бетона на легких заполнителях, плотного силикатного бетона и из легкого природного камня на растворах марок М25-М200;

3) кладка из керамических камней (кроме крупноформатных) на растворах марок М10-М200;

4) кладка из камней, изготовленных из тяжелого бетона, тяжелых природных камней и бута на растворах марок М10-М200;

5) кладка из крупных блоков, изготовленных из тяжелого и крупнопористого бетона на тяжелых заполнителях и из тяжелого природного камня (плотностью ≥ 1800 кг/м3) на растворах марок М10-М200;

Ограничения по расчетной схеме, а именно по способам закрепления в уровнях горизонтальных опор, в данном исследовании не вводились, т.к. предполагается, что расчетная высота элемента заранее определена. В исследовании расчетная высота образцов начинается с 0,1 м и далее варьируется в пределах 1,0-5,0 м с шагом 1,0 м, фактическая длина составляет 1,0 м (погонный метр) с шагом 0,1 м, прочность кладки варьируется от 0,1 МПа до 20,0 МПа. Т.к. исследование в первую очередь направлено на инженеров, занимающихся обследованием зданий и сооружений, то в нем рассматривается кирпичная кладка толщиной в 1,5 (380 мм), 2,0 (510 мм), 2,5 (640 мм), 3,0 (770 мм), 3,5 (900 мм) кирпича, как наиболее распространённая для несущих кирпичных стен зданий, возведенных с начала XX века по настоящее время.

На рис. 1 представлены размеры объекта исследования (рис. 1а) и схема нагружения (рис. 1б).

Величина максимальной расчетной продольной силы, при которой произойдет исчерпание несущей способности в центрально-нагруженном неармированном каменном элементе, определялась согласно п.7.1 СП 15.13330.2020:

где mg – коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки и принимаемый равным единицы, если меньший из двух размеров прямоугольного поперечного сечения элемента ≥ 30 см;

R – расчетное сопротивление сжатию кладки, определяемое по таблицам раздела 6 СП 15.13330.2020 с учетом понижающих коэффициентов и коэффициентов условий работы γc (МПа). В исследовании величина расчетного сопротивления кладки варьировалась от 0,1 МПа до 5,0 МПа;

A – площадь поперечного сечения элемента (см2)

φ – коэффициент продольного изгиба.

Значение коэффициента продольного изгиба определялось по таблице 7.1 СП 15.13330.2020 [12] по предварительно найденной величине гибкости и заданной упругой характеристике кладки:

где l0 – расчетная высота (длина) элемента, определяемая согласно п.7.3 СП 15.13330.2020, в зависимости от условий опирания на горизонтальные опоры (м). В исследовании расчетная высота элемента варьировалась от 0,1 м до 5,0 м;

h – толщина элемента (м). В рамках исследования использовались толщины элементов кратные размеру кирпича, т.е.: 1,5 (380 мм), 2,0 (510 мм), 2,5 (640 мм), 3,0 (770 мм), 3,5 (900 мм) кирпича.

Результаты исследования

В соответствии с целью исследования была определена несущая способность различных вариаций центрально-нагруженного каменного элемента. Результаты расчета каменной кладки приведены в таблицах 1÷3.

Промежуточные значения следует определять путем линейного интерполирования.

Выводы

1. В процессе исследования определена несущая способность более 540 различных вариаций центрально-нагруженного каменного простенка, выполненного из различных видов камня и раствора с упругой характеристикой α=1000, 1200, 1500.

2. Разработан ускоренный способ определения несущей способности погонного метра центрально-нагруженного элемента, выполненного из каменной кладки, при имеющихся исходных данных (габаритах конструкции и прочности кладки), путем формирования таблицы для каждой рассмотренной упругой характеристики кладки.

3. Сформированные табличные данные и, как следствие этого результаты исследования, позволяют минимизировать необходимость использование программного комплекса, а в отдельных случаях практически полностью отказаться от него, что в конечном итоге сокращает время подготовки расчетного раздела отчетной документации.

4. Результаты исследования могут стать частью практического пособия инженеров, занимающихся техническим обследованием и проектированием конструкций из каменной кладки.

Литература

1. Бедов А.И., Габитов А.И. Проектирование, восстановление и усиление каменных и армокаменных конструкций: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство», «Гидротехническое строительство», «Проектирование зданий» направления подготовки «Строительство». Москва. Уфимский государственный нефтяной технический университет. 2017. 568 с.

2. Бедов А.И., Щепетьева Т.А. Проектирование каменных и армокаменных конструкций. Москва. АСВ. 2003. 240 с.

3. Бедов А.И., Знаменский В.В., Габитов А.И. Оценка технического состояния, восстановление и усиление оснований и строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. Москва. АСВ. 2014. 704 с.

4. Забелина О.Б. Выбор способа усиления кирпичных вертикальных конструкций после детального технического обследования объекта федерального государственного бюджетного учреждения культуры «Политехнический музей» // Наука и бизнес: пути развития. 2018. №11(89). С. 102-107.

5. Гойкалов А.Н. Особенности технического обследования исторических зданий при их восстановлении с учетом дефектов и повреждений каменных конструкций // XXI научно-методическая конференция ВИТУ, посвященная 90-летию со дня рождения профессора В.Т. Гроздова. Санкт-Петербург. ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». 2017. С. 334-340.

6. Ефимов В.В., Щуров Е.С. Основные проблемы обследовании объектов культурного наследия // Инженерный вестник Дона. 2022. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2022/7553.

7. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. Москва. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. 1987. 37 с.

8. Кашина И.В., Забейворота В.А., Данилейко И.Ю., Сериков Е.А. Обследование технического состояния жилого дома в городе Ростов-на-Дону // Инженерный вестник Дона. 2019. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5514.

9. Руководство по проведению натурных обследований промышленных зданий и сооружений. Москва. ЦНИИпромзданий. 1975. 102 с.

10. Ищук М.К. Влияние различных факторов на оценку прочности кладки при сжатии (к вопросу совершенствования норм по каменным конструкциям) // Строительные материалы. 2020. № 7. С. 67-72.

11. Исследование прочности и деформативности крупнопанельных и каменных конструкций. Москва. ВНИИС Госстроя СССР. 1988. 176 с.

12. Улыбин А. В. О методах контроля прочности керамического кирпича при обследовании зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 3(29). С. 29-34.

13. Деркач В.Н., Жерносек Н.М. Методы оценки прочности каменной кладки, в отечественной и зарубежной практике обследования зданий и сооружений // Вестник Белорусско-Российского университета. 2010. №3. С. 135-143.

14. Житушкин В.Г., Кучеров В.Н. Определение прочности кладки из кирпича в натурных условиях // Жилищное строительство. 2001. №9. С. 11- 12.