3286

Для определения прочности сцепления гипсового раствора на растяжение при изгибе проводились испытания образцов в виде призм, состоящих из четырех кубов с ребрами 10см, соединенных между собой гипсовым раствором толщиной 10мм. Образцы испытывались на изгиб двумя сосредоточенными силами, расположенными в третях пролета, по ГОСТ 10180-78.

Согласно проведенным экспериментальным исследованиям прочность сцепления кладочного раствора на гипсе растяжению при изгибе может быть определена по формуле

(2) В результате статистической обработки опытных данных длительных испытаний установлено, что для количественной оценки снижения во времени прочности сцепления гипсового раствора растяжению при изгибе может быть использован коэффициент длительного сопротивления, определяемый по

формуле

η(τ)=1,02-0,041gC τ .

(3)

Для оптимального срока службы зданий из древесных бетонов τ = 50 лет

(1,58 .109с; lgτ = 9,2) значение η(τ) = 0,65.

В четвертой главе приводятся результаты исследований прочности и деформативности кладки из гипсоопилочных камней. Экспериментальные исследования проводились на образцах - столбах размерами 390*390*1188мм, 390*390*988мм, 390*390*788мм и 190*390*788мм. Опытные образцы кладки испытывались на центральное сжатие ступенчато - возрастающей нагрузкой. Всего было испытано 44 образца - столба (одиннадцать серий), отличающихся прочностью камня R1 и раствора R2 .Установлено, что для расчетной оценки предела прочности кладки может быть применена формула Л.И. Онищика (4)

(4)

10

с использованием экспериментально установленных значений эмпирических коэффициентов. Сравнительный анализ опытных данных с расчетными показал, что относительная разница находится в пределах 1,12.. .13,96%.

Разрушение образцов сечением 390*390мм начиналось с появления вертикальных трещин в отдельных камнях над вертикальными швами. Дальнейшее увеличение нагрузки приводило к развитию первых трещин и появлению новых, которые, объединяясь друг с другом, расслаивали образцы кладки на отдельные элементы. Установлено, что характер разрушения кладки из гипсоопилочных камней соответствует физической модели разрушения каменных кладок при сжатии, предложенной Б.С. Соколовым.

Для всех испытанных образцов определялись значения начального модуля деформаций кладки. Установлено, что между начальным модулем деформаций E0 и пределом прочности кладки сжатию Ru существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции г = 0,966). В результате

регрессионного анализа получено эмпирическое уравнение вида
E0 =508/R u	-161 , МПа.	(5)
Испытаниями опытных образцов с	периодической разгрузкой,	по мере

возрастания нагрузки, установлено наличие для кладки двух областей деформирования: неполной упругости и интенсивного развития деформаций. В первой области упругая деформация линейно зависит от напряжений, а во второй - эта зависимость нелинейна. Остаточная деформация появляется с самого начала загружения и непропорциональна напряжениям на всем протяжении деформирования. Однако в первой области (неполной упругости) остаточные деформации настолько незначительны, что принята линейная зависимость упругой деформации от напряжения. Границей между двумя этими областями является напряжение σ1-2 = 0,65Ru .

В свете физической теории прочности О.Я. Берга проводились исследования структурных изменений в кладке при сжатии простенков размером 390*590* 1388мм, с определением изменения дифференциального коэффициента поперечной деформации Δν и дифференциального изменения

I !

объема Λθ. Характер изменения этих величин с ростом напряжения σ[σ(Δ ν), σ( θ)] демонстрирует разделяющий процесс микроразрушений кладки на два этапа: уплотнение и разуплотнение. Граница между двумя этапами соответствует напряжению, совпадающему с величиной σ1-2. При σ>σ1-2

происходит интенсивный процесс разрушения кладки, малому приращению напряжения соответствует большое приращение деформаций, что указывает на переход кладки в новое качественное состояние. Выполненные исследования позволили установить новый для кладки из гипсоопилочных камней критический параметр - момент начала необратимо прогрессирующего развития микроразрушений, который назвали пределом конструктивной

прочности кладки Rклпр.к =σ1-2 = 0,65R u. Этот параметр отождествляется с пределом длительной прочности кладки при сжатии.

Численные исследования напряженно - деформированного состояния кладки простенков проводились на основе вычислительного комплекса УПАКС, разработанного в НИИ механики ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Описание поведения материалов исследуемых конструкций в этом комплексе строится на основе составной иерархической модели поврежденного материала. Взаимодействие различных видов поврежденности и влияние их на процесс деформирования строится на основе инвариантной по отношению к природе этих повреждений скалярной мере поврежденности ω, впервые введенной Качановым и Работновым. Задача численного исследования НДС и процессов разрушения гипсоопилочных простенков решалась с использованием семейства изопараметрических квадратичных конечных элементов. Конструкция из семи слоев камней, вертикальных и горизонтальных швов описывалась 41-й подконструкцией, конечно - элементная сетка которых представлена на рис. 1.

Необходимые для моделирования поведения материала кладки механические характеристики камня и раствора определялись по результатам стандартных испытаний. Деформационные и прочностные характеристики

12

a)

б)

Рис. 1. Конструкция образца - простенка: а - общий вид; б - разбиение на подконструкции; в - конечно-элементная сетка

материала кладки были получены с помощью методики, разработанной для кусочно - однородных материалов и апробированной при расчете реальных конструкций кирпичной кладки в работах С.А. Капустина и С.Ю. Лихачевой, Численные исследования показали несколько завышенные данные по сравнению с экспериментальными (разница в значениях разрушающих напряжений составляет 15%, а деформационных характеристик - 18%). Однако при этом необходимо отметить почти полную идентичность в динамике развития поврежденности. При численных исследованиях резкое нарастание значений функции поврежденности ω происходило при значениях нагрузок, составляющих 60 — 70% от разрушающих, что подтверждает экспериментальные данные о интенсивном процессе разрушения кладки при напряжении σ > σ1-2 = 0,65Ru .

Качественная картина поврежденности конструкции, история развития этой поврежденности также хорошо совпадает с реальной картиной трещинообразования простенков. Появления в подконструкциях, описывающих камень из гипсоопилкобетона или раствор, значений функции поврежденности,

13

отличных от нуля, соответствуют появлению трещин в составляющих кладки при испытаниях.

Эпюры параметра разрушения, соответствующие потери несущей способности конструкции по глобальному критерию, хорошо повторяют очертания трещин, видных на фотографии столба (рис.2). На рис.3 на схеме конструкции темным цветом выделен наиболее поврежденный участок и показаны эпюры параметра разрушения подконструкций этого участка, максимальные значения скалярной меры поврежденности ω в которых превысили значение 0.9.

Исследования деформаций ползучести кладки из гипсоопилочных камней позволили изучить закономерности их развития в зависимости от величины напряжения σ(τ). Для аналитического описания деформаций ползучести кладки в области линейного деформирования επ(τ) может быть использована

зависимость
επ(τ)=σ(τ)·С(τ),	(6)

где С(τ) = φ(τ)/Е0 - некоторая удельная по отношению к абсолютным значениям

напряжений относительная деформация ползучести (мера ползучести).

В результате обработки экспериментальных данных получено выражение для определения характеристики ползучести кладки φ(τ) в виде

где τ - время наблюдения, сут.

Пятая глава посвящена нормированию расчетных характеристик кладки из гипсоопилочных камней.

Для статистической оценки распределения предела прочности кладки при сжатии проводились испытания 27 образцов - столбов. Анализ результатов испытаний показал, что в виде функции распределения предела прочности кладки сжатию может быть принят нормальный закон распределения. Для обеспечения представительности испытаний дополнительно рассматривались

Эпюры параметра разрушения по границам п/к

min = .000Е+00,

max = .999Ε+00

Рис. 2. Разрушение образца - простенка

Рис. 3. Эпюры поврежденности участка конструкции с наиболее выраженной картиной трещинообразования

15

результаты экспериментальных исследований 30 образцов — столбов из цементноопилочных камней типа "Крестьянин", выполненных В.А. Цепаевым и И.Н. Шурышевым. Результаты испытаний рассматривались как малые выборки из генеральных совокупностей. С помощью двустороннего F — критерия Фишера было доказано, что обе рассматриваемые выборки принадлежат генеральным совокупностям с равными относительными дисперсиями. В этом случае по двум выборочным дисперсиям выполнялась

оценка генеральной дисперсии σ 2ОТ. В результате интервального оценивания

параметра σ 2ОТ c использованием распределения "хи - квадрат" были

установлены границы доверительного интервала для генерального коэффициента вариации, оценкой которого служит среднее значение выборочного коэффициента вариаций VR , u = 0,23.

Установленные в данной работе закономерности прочности и деформативности кладки из гипсоопилочных камней послужили принципиальной основой нормирования её расчётных характеристик.

Условное нормативное сопротивление кладки при сжатии Run и условное нормативное сопротивление кладки растяжению при изгибе по неперевязанному сечению Rtb,n определяются с обеспеченностью 0,98 по формулам

(8)

(9)

где Ru - предел прочности кладки сжатию, определяемый по формуле Л.И. Онищика с учётом значений коэффициента γ, принимаемого для кладки на растворах низких марок по справочным данным; Rt b — предел прочности раствора растяжению при изгибе, определяемый по формуле (2) через прочность осевому растяжению R t (1).

Расчетное сопротивление кладки сжатию R и расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе Rtb определяется из выражений

16

(10)

(11)

где Кь = 1,4 - коэффициент безопасности кладки при сжатии; Kb ,t = 1,575 - коэффициент безопасности кладки при растяжении и изгибе; η(τ) = 0,65 —

установленное в диссертации значение коэффициента длительного сопротивления.

Упругая характеристика кладки α определялась с учетом зависимости (5) по формуле

(12)

Вдиссертации в табличной форме представлены значения расчётных характеристик кладки из гипсоопилочных камней типа "Крестьянин" для нормальных температурно - влажностных условий эксплуатации жилых и общественных зданий.

Вшестой главе приводится методика расчета каменных стен зданий с учетом влияния фактора времени на прочность и деформативность кладки.

Всоответствии с общей теорией предельных состояний расчёт каменных элементов предлагается выполнять по предельному состоянию первой группы на прочность и по предельному состоянию второй группы - по пригодности к нормальной эксплуатации. Предполагается, что при действии эксплуатационных нагрузок кладка стеновых конструкций работает в первой

области деформирования при напряжениях σ < Rклпр.к , т.е. не превышающих

установленного в работе предела конструктивной прочности кладки.

Для учета влияния фактора времени в методике расчёта каменных элементов зданий использовалась предельно низкая диаграмма деформирования кладки, полученная по результатам испытаний на ползучесть. Эта диаграмма характеризует зависимость между напряжениями и полными

17

относительными деформациями для конечного установившегося состояния кладки в условиях длительного загружения.

С использованием длительного модуля деформаций кладки

получено выражение для определения граничной гибкости каменных элементов

				(14)
При гибкости	λ	h	h	жесткость, а при
			< λ гρ элементы имеют высокую
λh > λ hгρ относятся к	гибким. Расчет на устойчивость			гибких каменных

элементов при центральном сжатии выполняется с использованием коэффициента продольного изгиба

(15)

Для внецентренно сжатых элементов каменных конструкций с высокой жесткостью справедлив принцип независимости действия сил, и расчет на прочность выполнялся по недеформированной схеме. Для таких элементов условие прочности выглядит следующим образом:

(16)

где N - расчетная продольная сила в расчетном сечении площадью А; т* - относительный эксцентриситет приложения сжимающей силы N в расчётном сечении; к* = R/Rt b - переходной коэффициент (для двузначной эпюры нормальных напряжений в сечении элемента).

Расчёт гибких сжато — изгибаемых каменных элементов по деформированной схеме выполняется с учетом изгибающего момента, определяемого по формуле

М Д =Μ· e* . β* ,

(17)

18

где М- расчетный изгибающий момент; е* >1 - коэффициент, учитывающий дополнительный изгибающий момент от продольной сжимающей силы, определяемый из выражения

(18)

где Νκρ(τ) = φ(τ) .А·R - критическая сила с учетом фактора времени; β* -

коэффициент, учитывающий форму эпюры изгибающих моментов, для определения которого рассматривалось общее решение дифференциального уравнения изогнутой оси в тригонометрических рядах.

В результате было получено следующие выражение:

(19)

где ан - коэффициент, принимаемый в зависимости от формы эпюры изгибающих моментов.

Расчетная формула для оценки прочности гибких сжато - изгибаемых элементов каменных конструкций может быть представлена в виде

(20)

Расчет сжато - изгибаемых каменных элементов по предельному состоянию второй группы (по пригодности к нормальной эксплуатации) выполняется по формуле

fД < fu ,

где fД -значение перемещения от нормативных нагрузок с учетом деформаций кладки, развивающихся во времени, вычисленное по формуле

(22)

fu - предельное перемещение, устанавливаемое действующими нормами.