Прочность и деформативность кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при действии на них продольных и поперечных сил тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Павлова, Марина Олеговна

• Павлова, Марина Олеговна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлова, Марина Олеговна

Введение

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования И

1.1. Обзор исследований работы анкеров в конструкциях из различных материалов

1.2. Обзор анкерных креплений, представленных зарубежными и отечественными производителями

1.3. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследования

Глава 2 Экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния кладки стен из различных материалов в зоне крепления анкеров при действии на них продольных и поперечных сил

2.1 Выбор направления экспериментальных исследований анкерных креплений. Описание экспериментальных образцов анкеров и стеновых материалов

2.2. Программа и методика испытаний

2.3. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из пустотелого керамического кирпича при действии продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.4. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из полнотелого керамического кирпича при действии продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.5. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в растворный шов кирпичной кладки стен продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.6. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в стены из бетонных камней различной прочности продольных к оси анкера сил (вырыв анкера)

2.6.1. Результаты испытаний анкерных креплений в кладку стен из ячеистобетонных камней (блоков)

2.6.2. Результаты испытаний анкерных креплений в стены из тяжелого бетона

2.7. Прочность и деформативность узлов крепления анкеров в кладку стен из керамического полнотелого кирпича при действии поперечных к оси анкера сил

Глава 3 Теоретический и численный анализ напряженно -деформированного состояния кирпичной кладки стены в зоне крепления анкера при действии продольной нагрузки

3.1 Аналитические уравнения для расчета анкерных креплений в зависимости от принятой модели разрушения анкерного узла

3.2. Численный анализ напряженно-деформированного состояния узлов крепления анкеров в стены из различных материалов

3.3. Результаты исследований прочности и деформативности анкеров в стенах из полнотелого керамического кирпича и бетона

3.4. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований

Глава 4 Результаты натурных испытаний анкеров на объектах г.

Москвы и анализ их работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность и деформативность кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при действии на них продольных и поперечных сил»

Современные проблемы градостроительства связаны как с разработкой новых архитектурно-композиционных решений зданий и сооружений, так и с реконструкцией и ремонтом существующей застройки. При этом в процессе реконструкции зданий и сооружений, восстановления и реставрации памятников архитектуры возникает необходимость крепления к существующим конструкциям новых конструктивных элементов, специального оборудования, направляющих лифтов и подъемников, металлических конструкций рекламных панелей, строительных лесов, дополнительной теплоизоляции и т.п. (рис. 1.1. -1.З.). Аналогичные ситуации возникают и при усилении существующих конструкций - каменных и железобетонных, в случае восстановления, например, арочных или сводчатых металлических затяжек.

Вопросы эксплуатационной надежности соединений существующих конструкций и вновь устанавливаемых зависят от большого числа факторов, среди которых наиболее существенными являются:

- прочностные и деформативные характеристики материала I соединяемых конструкций;

- физико-механические, геометрические и конструктивные особенности анкерных элементов;

- конструктивные особенности стен, в которые крепятся анкеры (кладка из пустотелых камней и кирпичей, положение пустот относительно оси анкера и т.д.);

- характер приложения нагрузки к анкеру - вдоль (вырыв) или перпендикулярно (срез анкера или сжатие материала под анкером) оси анкера.

В настоящее время на рынке строительных материалов отечественными и зарубежными производителями предлагается большое а) б)

1НВ;И1Ш to

И И о н hd И а я и о н

ЙП Cd Я

Cd и н и

Cd

0 О hd

Н И hd О ч W

Рис. 1.1. L

Строительные леса а) общий вид; б) анкерное соединение; в) ярус установленных лесов on

Рис. 1.2.

Лифты - подъемники а) общий вид; б) анкерное соединение; в) узел крепления о ч ев О ев

-Л S

1) а к ч к ts f- к к я в с; С

D 1) а ьа ч м св н К О

5 ^

К (о Си . „

С он св 5

О К аЗ Я

Ч О- м

S э

0) в

X )S и S

Ч 3

С ю

U о л X, « гЛ О

К СЦ количество анкеров, дюбелей, шурупов различных конфигураций, типоразмеров, выполненных из разных материалов.

В существующей нормативно - технической документации отсутствуют методы расчета металлических анкеров, заделанных в кирпичную кладку или в стены из легких бетонов, на действие силовых факторов, вызывающих смятие кладки под анкером и вырыв анкера.

Отсутствие исследований в этой области осложняет стоящую перед инженерами-конструкторами задачу по обеспечению необходимого уровня надежности проектируемых конструкций и соединений.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по реконструкции, ремонту и усилению зданий и сооружений, в том числе и памятников архитектуры, и возникающей в связи с этим проблемой рационального и надежного проектирования с использованием анкерных элементов как для усиления существующих конструкций, так и для их соединения с вновь устанавливаемыми конструктивными элементами.

Цель диссертационной работы - на основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработать рекомендации по применению металлических анкеров для крепления конструктивных элементов к кладке стен из различных материалов и методику по расчету прочности анкерных соединений при действии на анкер продольных и поперечных относительно его оси усилий.

На защиту выносятся: результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов анкеров и геометрических характеристик, установленных в стены из тяжелого и легкого бетонов, а также в кладку стен из полнотелого и пустотелого кирпича при действии нагрузки, приложенной как вдоль, так и поперек анкера; результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния кладки стен в зоне заделки анкера; методика расчета прочности анкерного соединения в зависимости от прочностных и конструктивных параметров анкера и кладки стен, в которую крепится анкер, и возможной модели разрушения анкерного узла; рекомендации по применению различных конструкций анкеров в строительной практике.

Научную новизну работы составляют:

- экспериментальные данные о прочности и деформативности кладки стен из различных материалов в зоне заделки анкеров при различных силовых воздействиях;

- данные о несущей способности анкерного узла в зависимости от конструктивных и физико-механических особенностей кладки стен и непосредственно самого анкера;

- экспериментально установленные модели работы и схемы разрушения анкерного узла в зависимости от прочностных и конструктивных особенностей стен и самого анкера и характера приложенной нагрузки;

- методика расчета прочности анкерных креплений на действие усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера в зависимости от характеристик материала стены, типа анкера, его диаметра и глубины заделки с использованием специальных графиков и таблиц;

- аналитическая модель работы анкера в кладке при действии на него продольной силы.

Практическая значимость работы.

1. На основе выполненных экспериментальных исследований впервые получены данные о несущей способности металлических анкеров, заделанных в кладку стен из различного вида кирпича и камня при действии усилий, приложенных вдоль и поперек оси анкера.

2. Получены данные о прочности анкерных узлов при местном сжатии кладки под анкером.

3. Разработаны рекомендации по определению прочности анкерных креплений в зависимости от прочностных и геометрических параметров как кладки стен, так и самих анкеров с использованием специальных таблиц и графиков. Предложенная методика рекомендована для включения в Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП П-22-81).

4. Рекомендации по расчету и предложения по проектированию анкерных креплений были использованы при монтаже строительных лесов, подъемников и системы «вентилируемых» фасадов с применением наружной системы теплоизоляции на ряде объектов в г. Москве, в т.ч. при реконструкции облицовки главного корпуса МГУ им. Ломоносова. I

5. Выбранное направление исследований связано: с планом научно-исследовательских работ Министерства науки и технологии РФ 1999 - 2000 г.г., Государственный контракт № ГНТД/ГК - 035(00) - П от 14 января 2000 года, наименование темы: «Разработать методы комплексной реконструкции и восстановления зданий и сооружений с оценкой состояния конструкций и обеспечения их долговечности». Этап 2. «Разработать методы расчета крепления конструктивных элементов (в т. ч. облицовка стен) к кирпичной кладке с использованием анкерных соединений, а также связей многослойных кирпичных стен в условиях длительного нагружения». Пункт 2.1. «Провести экспериментальные исследования и разработать методику расчета заделки анкеров в кирпичную кладку при различных силовых воздействиях», с договором о творческом содружестве между ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя РФ и Российским представительством ЗАО «Хилти Дистрибьюшн ЛТД» с целью широкого внедрения в строительство анкерных систем фирмы HILTI, расширения области их применения и разработки нормативной документации по применению анкеров HILTI на строительных объектах России.

Апробация работы осуществлена:

- в докладах на НТС Ученого Совета ГУЛ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Каменные и армокаменные конструкции» в ноябре 1998 г., ноябре 1999 г. и мае 2000 г.г.;

- в докладе на научно- технической конференции по итогам научно- исследовательских работ студентов и молодых ученых факультета ПГС в МГСУ им. В.В. Куйбышева в апреле 2000 года.

Публикации: I

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 4-х печатных трудах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и Приложений.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Павлова, Марина Олеговна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных расчетно - теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Впервые получены данные о несущей способности химических и распорных анкеров, широко применяемых в настоящее время в строительной практике для крепления конструкций к кладке стен из керамического пустотелого и полнотелого кирпича, ячеистобетонных и бетонных блоков, а также при установке анкеров в растворный шов кладки.

2. Получены графические зависимости несущей способности анкерных креплений при действии на них продольных и поперечных относительно оси анкера сил от марки кирпича, положения кирпича в кладке (ложок, тычок), глубины заделки, диаметра анкера для возможности их использования в проектной практике. Расчетные усилия, воспринимаемые анкером в зависимости от указанных выше факторов, представлены в табличной форме.

3. Для крепления конструкций к кирпичным стенам из керамического пустотелого кирпича рекомендуется использовать только химические анкеры, ёан = 8, 12 и 16 мм с глубиной анкеровки Lw = 100 и 150 мм. При меньшей глубине анкеровки (LaH = 50 мм) прочность анкерных креплений при действии продольных сил зависит от состояния поверхностного слоя лицевого кирпича (степень увлажнения, повреждения и т.д.) и трудно прогнозируема. Не рекомендуется применять распорные анкеры для крепления конструкций к стенам из пустотелого кирпича.

4. На основе экспериментальных исследований предложена модель разрушения кладки в зависимости от направления прикладываемой нагрузки.

5. Выявленные схемы разрушения кладки стен в зоне анкерных креплений при действии продольных сил вырыва отличаются от принятой классической схемы, описанной в литературных источниках. Во всех испытаниях угол наклона конуса вырыва изменялся в пределах от 16° до 30°.

6. Рассмотрена модель работы кладки при действии вертикальной нагрузки на анкер. Установлено, что предложенные в СНиП подходы к оценке прочности кладки при местном сжатии не могут быть использованы при анализе работы кладки в зоне опирания анкера при действии на него поперечных сил. Определяющим фактором при оценке несущей способности анкера при действии на них поперечной силы является не прочность кладки, как это принято в СНиП П-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции», а непосредственно прочность самого кирпича.

7. На основе экспериментальных исследований установлены реальные геометрические параметры анкера, влияющие на прочность анкерного узла при действии поперечной силы.

8. На основе экспериментальных исследований установлены данные о несущей способности анкерных узлов при вырыве анкера из стен, возведенных из легкого (ячеистого) и тяжелого бетонов.

9. Проведен численный анализ на ПЭВМ напряженно -деформированного состояния анкерного узла с учетом жесткостных характеристик элементов кладки, химического анкера и геометрических характеристик самого анкера. Предложена теоретическая модель работы анкера, заделанного в кладку при действии на него продольной силы.

10.Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и реконструкции ряда объектов г. Москвы. Натурные испытания анкеров на объектах подтвердили достоверность и обоснованность рекомендаций по оценке несущей способности различных типов анкеров, исследованных в диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павлова, Марина Олеговна, 2000 год

1. СНиП П-22-81 Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования, М., 1983.

2. Холмянский М.М. Заделка арматуры в бетоне, Журнал «Бетон и железобетон», №11, М. 1965.

3. Кольнер В.М. , Алиев Щ.А., Гольдфайн Б.С. Сцепление с бетоном и прочность заднлки стержневой арматуры периодического профиля. Журнал «Бетон и железобетон», №11, М. 1965.

4. Вайнер Б.Б. Зависимость между прочностью анкеровки арматуры в легком бетоне и прочностью бетона. Сборник трудов НИИЖБ «Новое в технологии и конструировании бетонных и железобетонных конструкций», М., 1966.

5. Холмянский М.М., Кольнер В.М., Гольдфайн Б.С. Механическое взаимодействие бетона с арматурой при разгрузке. Сборник трудов ВНИИЖелезобетона, вып. 13 под ред. К.т.н. П.К. Балатьева, М. 1967.

6. Кольнер В.М., Тевелев Ю.А. Работа арматурного стержня в бетоне при поперечном натр ужении. Сборник трудов ВНИИЖелезобетона,вып. 13. Под ред. к.т.н. П.К. Балатьева, Стройиздат. М. 1967.

7. Холмянский М.М. Закладные детали сборных железобетонных элементов. Издательство литературы по строительству, М. 1968.

8. Холмянский М.М. Контакт арматуры с бетоном. Стройиздат, М. 1981.

9. Рекомендации по проектированию стальных закладных деталей для железобетонных конструкций. НИИЖБ Госстроя СССР, М., Стройиздат, 1984.

10. Иванов С.И. Учет трещин при расчете конструкций монолитных зданий методом конечных элементов, Журнал «Бетон и железобетон», №3, М. 2000.

11. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М., «Недра», 1976.

12. Временная инструкция по применению в горных выработках анкерной крепи с закреплением быстротвердеющими химическими составами. Ордена Трудового Красного Знамени институт горного дела им. А. А. Скочинского, М. 1972.

13. U. Barlet Test Jn The Bond Behaviour In Reinforced Masonry. Papers of the C.T.B.W - 23 A Commission - meeting in Munich, 22-25 September, 1980.

14. Журнал ARRIS CRAFT INTERNATIONAL INC., «Размеры для крепления каменных конструкций», сентябрь 1997 г., Интернет сервер Internet Innovation (Канада) -http://www.in.on.ca/~arris/connectors note.html)

15. Статья WIRE-BOND ACCESSORY ITEMS, Интернет-сайт Masonry Reinforcing Corporation Of Americahttp ://www.wirebond. com/accessorv.html

16. Статья WIRE-BOND Tying Masonry To Steel (Интернет-сайт Masonry Reinforcing Corporation Of Americahttp: //www, wirebond. com/masonrvsteel. html)

17. Журнал Technical Notes On Brick Construction, США, №44, апрель1986 г. Интернет-сайт The Brick Industry Association (BIA) http://www.bia.org. Опубликована по адресу:http://www.bia. org/BIA/technotes/t44 .htm

18. CINTEC Anchor In Action, September, 2000, Интернет -сайт http: //www, cintec. com.

19. ENGINEERING, HILTI THE Magazine, June, 2000, HILTI Corporation FL 9494 SCHAAN LIHTINSHTAIN.

20. FANSTENING TECHNOLOGY MANUAL HILTI Corporation FL 9494 SCHAAN LIHTINSHTAIN, 2000.

21. Каталог изделий HILTI. Профессиональное строительное оборудование. Изделия и их применения, 2000.

22. Руководство по установке анкерных креплений HILTI, 2000*

23. ГОСТ 24258-88 РФ «Средства подмащивания. Общие технические условия»I

24. ГОСТ 1759.4-87 «Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытаний»

25. ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

26. Ю.Н. Работнов Сопротивление материалов. Государственное издательство физико математической литературы М. 1962.

27. Указания по приготовлению строительных растворов СН 290-64 Госстрой СССР, Издательство литературы по строительству, М. 1968

28. ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе».

29. ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытания».

30. ГОСТ 12852.0-77 12852.6-77 «Бетон ячеистый. Методы испытания».

31. ГОСТ 8829 85 «Конструкции и изделия бетонные и железобетонные сборные. Методы испытаний нагружением и оценка прочности, жесткости и трещиностойкости.»I