Расчетно-конструктивные особенности восстановления каменных сводчатых перекрытий зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Хорьков Евгений Владимирович

• Хорьков Евгений Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Хорьков Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ конструктивных решений распорных конструкций

1.2. Анализ результатов обследования технического состояния исследуемых конструкций

1.3. Виды и причины разрушения каменных арок

1.4. Существующие зарубежные и отечественные методы усиления каменных сводчатых распорных перекрытий

1.5. Обзор зарубежных и отечественных методик расчета каменных арок

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УСИЛЕННЫХ И НЕ УСИЛЕННЫХ СВОДОВ

2.1. Методологические основы компьютерного моделирования

2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния сводов

2.3 Общая характеристика расчетной модели

2.4. Результаты численных исследований

2.5. Анализ полученных результатов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАМЕННЫХ СВОДОВ ПРИ УСИЛЕНИИ КОМПОЗИЦИОНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

3.1. Опытные образцы и приборы, методика проведения эксперимента

3.1.1 Опытные образцы

3.1.2. Приборы и измерительные приспособления

3.1.3. Методика проведения эксперимента

3.1.4. Обработка результатов испытаний

3.2. Характер образования и развития трещин

3.2.1. Характер образования и развития трещин серии СБН

3.2.2. Характер образования и развития трещин серии СБУ

3.2.3. Характер образования и развития трещин серии СБУ-0

3.2.4. Характер образования и развития трещин серии СБР

3.2.5. Характер образования и развития трещин объекта С-1

3.2.5.1. Характер образования и развития трещин серии СБУ-1

3.2.5.2. Характер образования и развития трещин серии СУ-1

3.2.6. Характер образования и развития трещин объекта С-2

3.2.6.1. Характер образования и развития трещин серии СБУ-2

3.2.6.2. Характер образования и развития трещин серии СУ-2

3.3. Вертикальные перемещения

3.3.1. Вертикальные перемещения серии СБН

3.3.2. Вертикальные перемещения серии СБУ

3.3.3. Вертикальные перемещения серии СБУ-0

3.3.4. Вертикальные перемещения серии СБР

3.3.5. Вертикальные перемещения объекта С-1 (серии СБУ-1, СУ-1)

3.3.6. Вертикальные перемещения объекта С-2 (серии СБУ-2, СУ-2)

3.4. Напряжено-деформированное состояние кладки сводов

3.4.1. НДС кладки сводов серии СБН

3.4.2. НДС кладки сводов серии СБУ

3.4.3. НДС кладки сводов серии СБУ-0

3.4.4. НДС кладки сводов серии СБР

3.4.5. НДС кладки сводов объекта С-1 (серии СБУ-1, СУ-1)

3.4.6. НДС кладки сводов объекта С-2 (серии СБУ-2, СУ-2)

3.5. Результаты испытаний объектов СТ1-2, АКМ, АКБ, ЖК1, СВ1, ПР1-5

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КАМЕННЫХ

СВОДОВ

4.1. Сопротивление кладок сводов без усиления при внешних воздействиях

4.1.1. Сопротивление кладок сводов при вертикальной нагрузке

4.1.1.1. Описание круговой арки и теоретические основы расчета

4.1.1.2. Первая стадия НДС сводов без усиления. Двухшарнирный свод

4.1.1.2.1. Усилия возникающие в своде от внешних воздействий

4.1.1.2.2. Усилия, возникающие в своде от горизонтальной подвижки опоры

4.1.1.2.3. Усилия в своде от нагрузки и горизонтальной подвижки опоры

4.1.1.2.4. Анализ НДС свода от начала нагружения до образования трещин в щелыге

4.1.1.2.5. Анализ НДС после образования трещин в щелыге

4.1.1.3. Вторая стадия НДС сводов без усиления. Трехшарнирная арка (с

образованием одной трещины в щелыге)

4.1.1.3.1 Усилия, возникающие в своде от внешних воздействий

4.1.2. Расчетная модель сопротивления не усиленных сводов внешним

воздействиям. Расчет несущей способности

4.2. Сопротивление кладок сводов с усилением при внешних воздействиях

4.2.1. Расчетная модель сопротивления усиленных сводов внешним воздействиям. Расчет несущей способности

4.2.2. Уточнение усилий от действительного распора

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1 Приложение

182

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-конструктивные особенности восстановления каменных сводчатых перекрытий зданий»

Актуальность тематики исследования.

Каменные сводчатые перекрытия являются историческими конструкциями и возводятся сегодня крайне редко. Несмотря на это, своды часто встречаются в кирпичных зданиях старой постройки, которые находятся в эксплуатации достаточно продолжительное время, в связи с чем в них отмечаются различные дефекты и повреждения. Одним из наиболее уязвимых мест в этих зданиях являются каменные сводчатые перекрытия.

В последнее время при усилении строительных конструкций все чаще применяют композиционные материалы, как материалы, обладающие целым рядом полезных свойств, к примеру, как легкость и высокая прочность. В России статистика применения таких материалов при усилении сводов уступает зарубежным странам. Это связано с высокой стоимостью материалов, а также отсутствием рекомендаций по усилению сводов.

В связи с этим возникает необходимость разработки конструктивно-технологических рекомендаций по усилению каменных сводов, что несомненно должно привести к снижению финансовых затрат за счет рационального расположения усиливающих элементов, а также снизить количество ошибочных принимаемых инженерами решений, поэтому исследования направленные на изучение работы каменных сводчатых перекрытий и разработка конструктивных мероприятий по их усилению являются актуальными.

Степень разработанности темы исследования.

Исследованиями каменных сводчатых перекрытий, а также арочных мостов занимались такие ученые как: В.В. Павлов, С.С. Зимин, Р.Б. Орлович, L. Garmendia, I. Marcos, Е. Garbin, M. R. Valluzzi, S. Briccoli Bati, L. Rovero, M. DeJong, J. Ochsendorf, M. Como, M. Ricamato, P. Block, J.F. Chen, H. Tao, L. Nobile, V. Bartolomeo, M. Bonagura, D.V. Oliveira, C. Lemos, P.B. Lourenco, S.W. Garrity, C. Melbourne, J. Wang, A. K. Tomor. Большой объем теоретических исследований в области проектирования каменных распорных систем в России был проведен во

второй половине XIX - начала XX веков В.Р. Бернгардтом, Н.К. Кривошеином, Н.К. Лахтиным. Исследованиями поврежденных сводов и методами их усиления занимался главный конструктор НИПМ «Союзреставрация» Г.Б. Бессонов.

Исследованиями каменной кладки занимались: Л.И. Онищик, Т.И. Баранова, О.В. Кабанцев, Г.Г. Кашеварова, М.К. Ищук Р.Б. Орлович, В.Н. Деркач, А.Б. Антаков, В.И. Коноводченко, С.А. Семенцов, В.В. Пангаев, М.Я. Пильдиш, C.B. Поляков, Д.Г. Копаница, С.М. Сафаргалиев, Г.А. Тюпин, Г.П. Тонких, Б.Н. Фалевич, Р. Мели, Г.А. Гениев, R. Capozucca, S. Fattal, A. W. Hendry, A.W.Page.

Цель работы: разработка новых конструктивных решений восстановления несущей способности каменных сводчатых перекрытий зданий и методов их расчета.

Задачи исследования:

1. Систематизировать имеющиеся данные по конструктивным решениям усиления и методам расчета каменных сводчатых перекрытий и выявить область малоисследованных вопросов в изучаемом направлении.

2. Исследовать НДС каменных сводов, выявить механизм их работы и разрушения и дать оценку влияния различных факторов на НДС этих конструкций.

3. Разработать новые конструктивные решения усиления каменных сводчатых перекрытий с помощью композиционных материалов и последовательность их выполнения.

4. Определить факторы, оказывающие влияние на напряженное состояние усиливаемых конструкций.

5. Исследовать НДС каменных сводов численным методом и дать оценку влияния рассматриваемых факторов на механизм разрушения.

6. Разработать программу экспериментальных исследований с учетом результатов проведенных теоретических и численных исследований и провести экспериментальные исследования для разработки методики расчета каменных сводов.

7. Разработать методику поверочных расчетов усиленных сводов разработанным методом, основанном на внедрении в тело кладки

однонаправленных углеволоконных жгутов.

8. Подтвердить достоверность предлагаемой методики поверочного расчета путем сравнения теоретических и экспериментальных данных.

Объектом исследования являются распорные каменные сводчатые перекрытия без усиления, а также поврежденные и с элементами усиления.

Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние (НДС) каменных сводчатых перекрытий, механизм работы и разрушения, прочность нормальных сечений свода.

Гипотеза. Предполагается, что изгибная жесткость сечения свода из кладочного материала при усилении оказывает влияние на величину распорного усилия, что позволит разработать методику оценки несущей способности сводов.

Научная новизна:

1. Выявлены особенности трещинообразования каменных сводов, усиленных разработанным методом. Определено, что трещины по нижней части центра свода и верхней части пят свода имеют более развитый характер распространения, чем в сводах не усиленных. Определено, что трещины в верхней части свода, перед его разрушением, стремятся к менее армированному сечению свода.

2. Получены расчетные выражения для определения действительного распора в усиленных и не усиленных сводах, которые приводят к снижению значений усилий в сечениях каменных сводов.

3. Получено упрощенное расчетное выражение для определения глубины трещин, подтвержденное экспериментальными данными и позволяющее оценить действительную работу внецентренно-сжатого сечения, поврежденного трещиной.

4. Разработана методика оценки несущей способности каменных сводов, учитывающая горизонтальную подвижку опоры, геометрическую изменяемость и поврежденность свода с учетом предыстории его загружения.

Теоретическая значимость. Дополнены и расширены теоретические представления о работе распорных систем из кладочных материалов, в том числе усиленных разработанным методом.

Практическая значимость.

1. Разработаны принципиально новые конструктивных решения усиления каменных сводчатых перекрытий, что подтверждено патентами, свидетельствующими об отсутствии отечественных и зарубежных аналогов;

2. Разработаны методики поверочного расчета не усиленных, поврежденных и усиленных каменных сводов, позволяющих обеспечить их дальнейшую нормальную эксплуатацию;

3. Разработаны рекомендации по усилению каменных сводчатых перекрытий, обеспечивающих: последующую нормальную эксплуатацию усиленных элементов; использование при выполнении реконструкционных и реставрационных работ; безопасность производства работ; снижение трудоемкости.

Методология и методы исследования.

На основе результатов проведенных визуальных обследований конструкций перекрытий в зданиях г. Казани были определены основные типы и геометрические параметры каменных сводов и арок. Выявлены основные повреждающие факторы, а также определено действительное значение распора в каменных сводах. Проведены численные и физические эксперименты не усиленных, поврежденных и усиленных каменных сводов, что позволило описать напряжено-деформированное состояние на каждом этапе исследования и предложить методику расчета. Компьютерное моделирование осуществлялось с использованием ПК «Лира-САПР» и ПК «АЫ^УБ». Способ нагружения сводов принят с соблюдением положений ГОСТ 8829-2018.

Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием основных законов строительной механики, механики твердого тела и теории каменных конструкций, стандартных методов испытаний, сертифицированных расчетно-вычислительных комплексов, аттестованного и поверенного измерительного оборудования, достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих получение необходимого объема информации по исследуемой теме. Проведенная обработка полученных данных показала удовлетворительную

сходимость экспериментальных и теоретических результатов. Выводы и рекомендации, полученные в работе, в достаточной мере апробированы на конференциях и опубликованы в научных журналах.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Разработанный способ усиления каменного свода с использованием композиционных материалов в качестве армирующих элементов.

2. Особенности НДС каменных сводов при воздействии горизонтальной подвижки опоры, основанные на результатах физических и численных исследований.

3. Результаты теоретических исследований НДС каменных сводов на всех стадиях работы.

4. Методика расчета несущей способности усиленного каменного свода при действии статических нагрузок, основанная на реальном механизме разрушения.

5. Рекомендации по усилению каменных сводчатых перекрытий, обеспечивающих последующую нормативную эксплуатацию.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 185 страниц, в том числе 21 таблицы и 195 рисунков. Список литературы включает 159 наименований.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на 62 и 63 Всероссийской научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГ АСУ, 2010 и 2011); IV и V Международной студенческой научно-практической конференции «Традиции, тенденции и перспективы в научных исследований» (г. Чистополь, 2011 и 2012); 64 Всероссийской научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГ АСУ, 2012); Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции (НАСКР-2012)» (г. Чебоксары, ЧГУ, 2012); Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, «Научному прогрессу -творчество молодых», (г. Йошкар-Ола, ПГТУ, 2012); 65 и 66 Всероссийской

научной конференции по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2013 и 2014); Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции (НАСКР-2014)» (г. Чебоксары, ЧГУ, 2014); 67, 68 и 69 Всероссийских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2015, 2016 и 2017); Международной научной конференции (МНК) посвященной 85-летию кафедры ЖБК и 100-летию со дня рождения профессора, д.т.н. H.H. Попова (г. Москва, МГСУ, 2016); 70 и 71 МНК по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2018 и 2019); Всероссийской научно-технической конференции «Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций», посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, д.т.н., профессора В.П. Селяева, (г. Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева, 2019); I МНК «Социотехническое гражданское строительство» (STCCE-2020) (г. Казань, КГАСУ, 2020); 72 и 73 МНК по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2021 и 2022); III МНК «Социотехническое гражданское строительство» (STCCE-2022) (г. Казань, КГАСУ, 2022); 74 и 75 МНК по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2023 и 2024); МНК «Железобетонные и каменные конструкции: настоящее и будущее» (г. Казань, КГАСУ, 2024); 76 МНК по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2025).

Личный вклад автора состоит в участии на всех этапах процесса выполнения диссертационной работы, формулировании цели, постановке задач работы, непосредственном участии в проведении экспериментальных и численных исследований распорных конструкций из кладочного материала, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов исследований. Подготовка и публикация статей выполнена совместно с научным руководителем.

Публикации. Основное содержание результатов работы опубликовано в 6 статьях, в том числе 4 в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией России для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата и доктора наук, 2 статьи в изданиях, входящих

в базу Scopus и 3 патента на полезную модель.

Внедрение результатов исследований. Разработанная методика расчета применялась ООО «НТЦ «Аудитстрой» в ходе проектирования усиления каменных арок подземного этажа здания расположенного по адресу: г. Казань, ул. Камала, 7. Акт внедрения представлен в приложении 2.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ конструктивных решений распорных конструкций

Арки и своды в России на сегодняшний день относят к историческим конструкциям и их применение в новом строительстве встречается редко, но такие конструкции присутствуют во многих зданиях старой постройки.

Наиболее часто такие конструкции перекрытия встречаются в зданиях, построенных до начала 20 века. Большинство современных архитекторов и дизайнеров [26, 37, 50, 76, 94] предпочитают оставлять их в естественном виде, стараясь избегать видимые методы усиления, и при этом, в большинстве случаев, нарочито подчеркивая их кладочную структуру, отличающуюся от современных кладок как с точки зрения применяемого раствора, так и размеров кирпича [42] (рисунок 1.1, 1.2).

Рисунок 1.1- Книжный магазин Рисунок 1.2- Выставочный зал в

"Буквоед", площадь Восстания, государственном музее "Эрмитаж",

Санкт-Петербург Санкт-Петербург

Согласно [3,73] арки и своды представляют собой конструкции криволинейного очертания, перекрывающие пространства между отдельными опорами или несколькими стенами, ограничивающими помещение. Распору сводов как опрокидывающей силе противостоит устойчивость стен или сопротивляемость материала, из которого сделаны затяжки.

Арки и своды по принципу работы относятся к распорным системам и включают большое количество элементов, работающих совместно [3].

В зависимости от характера и величины действующих усилий описанных в [41] арки и своды можно разделить на две группы:

1) легкие или архитектурные своды, служащие только для перекрытия определенного пространства; эти своды не имеют или имеют очень незначительную внешнюю нагрузку (например: своды перекрытые сверху деревянными стропильными системами);

2) тяжелые, или инженерные своды, которые, перекрывая определенное пространство, несут еще и некоторую внешнюю (полезную) нагрузку.

Арки являются частным случаем сводчатых конструкций [3,10], в связи с этим на рисунке 1.3 представлена классификация только сводчатых конструкций. Своды, по их геометрическим формам разделяются на две основные группы: цилиндрические своды и сферические своды.

Основные группы сводов подразделяются в свою очередь на несколько производных форм.

Цилиндрические своды делятся на:

1) простые цилиндрические, или коробовые своды; бывают полные, повышенные, пологие и плоские;

2) сложные цилиндрические своды — сомкнутые и парусно-сомкнутые, лотковые, зеркальные и крестовые;

3) переходные — от цилиндрических крестовых сводов к группе сферических сводов; это готические, звездообразные, сетчатые и веерные своды [3].

Сферические своды делятся на купольные, парусные (полные и плоские, или богемские) и бочарные. На рисунке 1.3 представлены основные типы сводов.

Из проведенного обзора отечественной литературы [39] были определены конструктивные схемы представленных на рисунке 1.4 и особенности каменных сводчатых перекрытий зданий постройки до начала XX века.

26 27 28 29 30

Рисунок 1.3 - Основные типы сводов 1— коробовый; 2— четверть цилиндрический; 3— купольный; 4 —купольный на парусах без барабана; 5 — купольный на барабане; 6 —конха; 7—двухскатный; 8 — крестовый; 9 — шатровый; 10—12 —ступенчато-арочный; 13 — вспарушенный крестовый; 14,15 — сомкнутый на распалубках, сходящихся к углу; 16, 17 — сводчатое перекрытие на распалубках, сходящихся к углу; 18 — сомкнутые на распалубках, отступающие от угла; 19 — сомкнутые со свободным расположением распалубок; 20— сомкнутый на граненом основании («граненый купол»); 21 — парусный; 22 — купол на тромпах; 23 — крещатый с горизонтальными шелыгами распалубок; 24 — крещатый с наклонными шелыгами распалубок; 25 — крещатый со ступенчатыми распалубками; 26 — сомкнутый без распалубок; 27 и 28 — полулотковый и лотковый; 29 —сводчатое перекрытие распалубок; 30 — лотковый на распалубках; 31 и 32— варианты Светового пятиглавия бесстолпного храма [39].

Тонкие кирпичные своды

-мыпмишои

ЭАВУТКА ТТЧЦ1Ч' БС70Н0М ниргминыи свод 65 -затирка'

Рисунок 1.4 - Конструкции сводчатых перекрытий

В России на сегодняшний день использование сводов в качестве перекрытий редкое явление, и чаще всего работа с такими конструкциями сводится к определению оставшейся несущей способности и усилению. Основными источниками, по которым велось строительство таких конструкций в России были труды выпущенные с середины XIX до начала XX веков, а именно труды В.Р.Бернгардта, Н. К. Кривошеина, Н. К. Лахтина [8, 40, 43, 93, 78].

1.2. Анализ результатов обследования технического состояния исследуемых

конструкций

Цель - определение распространенных форм свода и отношение параметров.

Задачи - определить основные геометрические характеристики, путем проведения визуального осмотра, замеров, фото фиксации сводчатых и арочных конструкций, расположенных на улицах города Казани.

Одной из важных задач обследования, существующих каменных распорных систем, несомненно является диагностика с определением причино следственной связи появления дефектов и повреждений. Автором диссертации проведена такая работа [63] на экспериментальных образцах с введением фактора образования дефекта и установления влияния воздействия на общую картину трещинообразования объекта. В работах других авторов [1, 2, 23, 27, 44, 71, 72] затронуты вопросы появления дефектов и методики их диагностики.

Проведены осмотры технического состояния каменных сводчатых перекрытий зданий и надпроемных арок в г. Казани: гостиница «Казань» по ул. Баумана 9, кафе «Сказка» по ул. Баумана 58, аптеки «Татхимфармпрепараты» по ул. Баумана 49, зданий по ул. Профсоюзная 5 и ул. Мусы Джалиля, а также объектов представленных на рисунках 1.5-1.11. По результатам осмотра были выявлены основные параметры арок и сводов, такие как высота подъема (стрела), ширина, форма. Результаты представлены в таблице 1.1. Также по результатам осмотра определены дефекты и повреждения конструкций, дана оценка их появления.

Результаты осмотров объектов представлены в таблице 1.1.

Рисунок 1.5 - Сводчатое перекрытие, Казань, Ул. Кави Наджми, д.4

Рисунок 1.6 - Сводчатое перекрытие, Казань, ул. Московская, д. 40

Рисунок 1.7 - Сводчатое перекрытие, Казань, ул. Островского, д. 16

Рисунок 1.8 - Сводчатое перекрытие, Казань, ул. Миславского, д. 9

Рисунок 1.9 - Обрушенный свод, Татарстан, Село Змеево

Таблица 1.1- Обследованные объекты города Казани

Адрес объекта в г.Казани Характеристика пролет 1, мм стрела подъема f, мм

Ул. Право-Булачная, 45 арка над воротами 1003 547

Ул. Кави Наджми, 4 свод над проездом 3230 935

Ул. Право-булачная, 37 арка над проездом 3032 1195

Ул. Право-Булачная, 25 арка над проездом 2693 750

Ул. Право-Булачная, 17 арка над воротами 3079 295

Ул. Лево-булачная, 44 арка над воротами 3790 1970

Ул. Габдуллы Тукая 14 арка 1540 665

Ул. Габдуллы Тукая, 9 арка над проемом 1235 255

Ул. Московская, 52 арка над проемом 2072 280

Ул. Московская, 58 арка над проемом 1300 650

Ул. Московская 60 арка над проездом 4025 670

Ул. Московская, 60 арка над проемом 1950 200

Ул. Лобачевского, 12 арка над проездом 2820 1375

Ул. Лобачевского, 14 арка над воротами 3000 790

парк «Черное озеро» арка над воротами 7565 4896

Ул. Лобачевского, 2 арка над проездом 3842 275

Ул. Лобачевского, 3 арка над проездом 2850 950

Ул. Лобачевского, 1 арка над проемом 2233 1350

Ул. Кремлевская, 27 В арка над проездом 3130 810

Ул. Кремлевская 23 арка над проемом 2545 485

Ул. Кремлевская, 21 арка над проемом 2420 1375

Ул. Кремлевская, 21 арка над проемом 4125 570

Ул. Кремлевская, 9 арка над проемом 2250 850

Ул. Кремлевская, 2а арка над проездом 3800 1330

Ул. Кремлевская, 2 арка над проездом 3235 1540

Ул. Кремлевская, 2 арка над проездом 3200 1760

ул. Пушкина, 8 арка над проездом 3300 250

ул. Щапова,6/1 арка над проемом 2500 780

ул. Щапова, 1 арка над проемом 1040 200

ул. Пушкина,26 арка над проемом 910 100

ул. Пушкина,25 арка над проемом 910 450

ул. Горького,4 арка над воротами 3040 380

ул. Профессора Нужина,29 арка над проемом 2000 200

ул. Профсоюзная,40 арка над проемом 910 225

ул. Профсоюзная,34 арка над проездом 2800 380

ул. Профсоюзная, 12 арка над проемом 4770 1425

ул. М. Джалил,25 арка над проездом 3000 450

ул. Баумана ,78к2 арка над проездом 4000 2000

ул. Островского ,6/39 арка над воротами 2500 1700

ул. Островского,25 своды по балкам 1500 380

ул. Островского,20 своды по балкам 3000 600

Рисунок 1.10- Сводчатое перекрытие, Рисунок 1.11- Сводчатое перекрытие Казань, ул. Профсоюзная, д. 5 здания, Казань, ул. Баумана, д. 9

Проведено детальное обследование конструкций перекрытий нижнего этажа гостиницы "Казань" который состоит из 37 помещений. На рисунке 1.12 представлена объемная модель подземного этажа. Ни одно сводчатое перекрытие входящих в состав

Результаты проведенного обследования конструкций распорных перекрытий зданий показали, что категорию их технического состояния большей части распорных конструкций (80 %) перекрытий можно охарактеризовать как ограниченно-работоспособное состояния (ГОСТ 31937-2011), отдельных конструкций как работоспособное (15 %), а отдельные из них находятся в аварийном состоянии (5 %).

Статистические данные, полученные при проведении осмотров, позволили систематизировать основные дефекты и повреждения исследуемых конструкций, а также выдвинуть возможные причины их возникновения, описанные в п. 1.3.

Основные виды дефектов и повреждений каменных арок и сводов представлены в таблице 1.2:

Таблица 1.2 — Основные виды дефектов и повреждений каменных арок и сводов

Тип арки

Направление и внешний признак деформации

Возможные

причины деформации

Нсп Ц-|у«ЛсЧШ ..МЛ

Полуциркульная арка. Трехшарнирная арка.

Деформация при подвижке опоры

■•*!' I ш1шс пащщц

Полуциркульная арка. Неявная двухшарнирная арка.

Деформация под нагрузкой.

Ня»»рс цсныН уК'Л

Полуциркульная

арка. Двухшарнирная арка.

Результат просадки и подвижки опоры.

НсП"ЫЧ-,».Д1ТЦ>ЦиР"Д

Полуциркульная полуарка. Половина одношарнирной арки.

" У-Г-К'ШННЫП Щ.Ц'НЩ'

11«>нрс.«асиы11ушц

|'мсшснн.1шчиц>.ив":п

Деформация при опускании замка

Продолжение таблицы 1.2

Тип свода

Направление и внешний признак деформации

Возможные причины деформации

Цилиндрический (коробовый) свод, "чистый" или с лотком

Усадка пластичного раствора, перегрузка свода, равномерная подвижка опор (раскрытие трещин на нижней поверхности)

Цилиндрический свод

1 - стадии просадки или просадки с подвижкой угловой части опорного контура. 2 - местная просадка (с подвижкой)

Цилиндрический свод с распалубками

1 - стадии просадки с подвижкой угловой части опорного контура. 2, 2а -последовательная просадка или подвижка простенков между распалубками

Цилиндрический свод с распалубками

/

Стадии просадки с наклоном торцевой части опорного контура

Цилиндрический свод

Я*

Просадка с поворотом торцевых частей, просадка подвижка (при перегрузке) центральной части опорного контура

Продолжение таблицы 1.2

Тип свода Направление и внешний признак деформации Возможные причины деформации

Плоский крестовый свод на столбчатых опорах Просадка опоры

Крестовый вспарушенный свод с замкнутым опорным контуром 1 4 щ / Последовательная подвижка угла опорного контура

Крестовый вспарушенный свод на подпружных арках 1 Щ а Подвижка смежных столбчатых опор

Крестовый вспарушенный свод с жестким замкнутым опорным контуром , 4 % / Сдвиг части объема

Система двух крестовых вспарушенных сводов с общей подпружной аркой И f /Г Ч Подвижка "слабой" опоры центральной подпружной арки

Продолжение таблицы 1.2

Тип свода или системы сводов

Направление и внешний признак деформации

Возможные причины деформации

Цилиндрический свод

/

Поперечный сдвиг части объема (свода) при жесткой кладке

Цилиндрический свод

Последовательная подвижка слабой опоры подпружной арки

Цилиндрический свод с распалубками

Последовательная просадка стены-опоры смежных сводов

Цилиндрический свод с распалубками

Подвижка двух соседних стоечных опор

наружного ряда

Цилиндрический свод

/Ж%а>__¿А

У> А

7 / ' I

р

V

Симметричная подвижка при перегрузке

центральной зоны, общая седлообразная деформация

Результаты осмотров и детального обследования исследуемых конструкций подтверждают предположения, описанные в методических указаниях [10], что:

1) большинство построенных сводов в силу технологических и эксплуатационных причин, а также из чисто эстетических соображений не являются абсолютно рациональными, их сечения обжаты несимметрично или испытывают напряжения разных знаков.

2) многочисленные повреждения, имеющиеся как в самих перекрытиях, так и в остальных конструкциях мало влияют на общее состояние здания, что подтверждает факт о существовании резерва пространственных распорных систем и кладочной структуры.

3) каменные распорные системы способны к частичным изменениям или полной перестройке начальной рабочей схемы за счет своих скрытых резервов.

1.3. Виды и причины разрушения каменных арок

Согласно [10], а также результатам проведенного автором детального обследования технического состояния конструкций перекрытий, было выявлено, что все виды разрушений и деформаций сводов являются невыполнением одного или нескольких условий обеспечения нормальной эксплуатации распорных конструкций.

Арки и своды разрушаются при потере устойчивости арочных форм, причиной чего может явиться:

1. Горизонтальная подвижка опор (опорного контура), как следствие:

а) недостаточной начальной жесткости стен, столбов, диафрагм и других вертикальных конструкций, несущих своды, — их податливости действию распора:

б) снижения общей начальной жесткости при расчленении единой объемной конструкции на отдельные деформационные блоки;

в) подвижки (с просадкой) вертикальных несущих конструкций при смещении, наклоне или местном разрушении фундаментов;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хорьков Евгений Владимирович, 2025 год

- )

Этапы подвиж«и опоры (мм)

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 11-11 в •х серии СБН

[88838338883833|11|§

I л <ТХ1?П У-0,00015 | О 00010 ^ С 00005

10 00000 0 00005 0.00010 0 00014

/\

1 и - VI л. Ь1 тл 1.« Ш •Ч

Л "С

\ V

т Г*1

Этапы подвижки опоры (мм) Этапы подвижми опоры (мм)

Рисунок 3.81 - Диаграммы относительных деформаций серии СБН

3.4.2. НДС кладки сводов серии СБУ

Свод серии СБУ при воздействии равномерной нагрузки, а также при горизонтальной подвижке опоры испытывает в нижней зоне свода растяжение в области щелыги и сжатие в области пят, что подтверждается полученными данными на базе шести датчиков, установленных на поверхности свода.

Максимальные значения растяжения и сжатия наблюдаются преимущественно в области пят. Наблюдение за тензометрами велось до подвижки 17,5 мм, разрушение произошло на подвижке 199 мм.

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 1-1,2-2,3-3 в серии СБу

I 00001 X

I 0 00005

! •

« -0.00005

W

I

J -0.0001

с

tr

X -0.00015 | -0.0002 -О 00025

zlen

■u Nslla

ЦХИИИ>

оо №2 I

ижний!

срез ист

'Р nu? IB

рХНИИ)

ор (МУЭ [

\

\ч

V

V

-0 0003

^ «?' Р ^ V* ^ ^ / ^ V / У / чл/

$ Этапы зэгружения (кН) и этапь подвижки опоры (мм)

Рисунок 3.82 - Диаграмма относительных деформаций серии СБУ

3.4.3. НДС кладки сводов серии СБУ-0

Напряжено-деформированное состояние серии СБУ-0 оценивалось на базе установленных шести датчиков на нижней и верхней поверхности свода (схема установки показана на рисунке 3.16). Диаграмма представлена на рисунке 3.83 в виде совмещенной диаграммы. Принципиальная схема работы в зонах пят и щелыги серии СБУ-0 схожа с СБУ, но картина развития существенно отличается от серии СБУ. Максимальная концентрация напряжений сжатия наблюдается в верхней зоне щелыги (датчик №3), и напряжений растяжения в области одной из пят (датчик №5). На подвижке 7,5 мм было замечено снижение напряжение на датчике № 2.

г г

i

£

х *

п

5 а.

о «

6

о л г

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 1-1, 2-2, 3-3 в серии СБу-0

0.0005 0.00045 0.0004 0.00035 0.0003 0.00025 0.0002 0.00015 0.0001 0.00005

о

-0.00005 0.0001 -0.00015 -0.0002 -0.00025 -0.0003 -0.00035 -0.0004 -0.00045 -0.0005

То ¿»г

1ё±зс

Течзс

ое

ь-г; оп

ИС 00 №

Ш

Ш

<ВВР>НИ|И

0>НИ'|)

рц I П Г гтг

стс р Г 04

стс о ^ йб

I нь

жь

ни ни

1 |Ш

щ

ххххххххх

«ххххххххххххххххххххх

я £ 5. ь

5 % 5 5

2 £ 5 5

»н т г^. <п

о. *

Этапы загружения (кН) и этапы подвижки опоцы (мм) §

Рисунок 3.83 - Диаграмма относительных деформаций серии СБУ-0

3.4.4. НДС кладки сводов серии СБР

г £ о

Напряжено-деформируемое состояние серии СБР оценивалось на базе установленных шести датчиков на нижней и верхней поверхности свода (схема установки показана на рисунке 3.16).

Общая диаграмма для шести датчиков показана на рисунке 3.84.

0.003

£

X

5

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 1-1, 2-2, 3-3 в серии

СБе

г

5

£ £

*0.0015

£ а.

0.0025

0.002

0.001

■I Э.0005

■0.0005

-0.001

-0.0015

I х х х

Щ СО О гм

го го ч

щ ч-

гп

Этапы загружэния (кН)

Рисунок 3.84 - Диаграмма относительных деформаций серии СБР

о

Максимальные деформации растяжения и сжатия в своде были определены на нижней поверхности щелыги в сечении 2-2 и на верхней поверхности одной из пят в сечении 1-1.

14.2

13.7

13.2

12.7

12.2

11.7

11.2

10.7

10.2

X 9.7

* 9.2

Я 8.7 О.

Значение распора

8.2 7.7

о с и

2 7.2

О) X X 01

3-

<п

X

ГО

6.7 6.2 5.7 5.2 4.7 4.2 3.7 3.2 2.7 2.2

/

-»—Экспериментальный распор, п зи нагрузи и разгруэке-

Рисунок 3.85 -Диаграмма величины распора серии СБР

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

НАГРУЗКА, кН

3.4.5. НДС кладки сводов объекта С-1 (серии СБУ-1, СУ-1)

НДС объекта С-1 состоящий из серии СБУ-1 и СУ-1, представлен на диаграмме 3.86 - 3.89, построен на базе шести датчиков, установленных на нижней и верхней поверхности каменной кладки и трех датчиков, установленных на элементах усиления. При этом датчики, установленные на каменной кладке серии СБУ-1 использовались те же, что и для СУ-1, что позволило полностью описать работу свода на всех стадиях испытания, учитывая остаточные деформации после разгрузки.

В процессе усиления, в тело свода были внедрены стержни (жгуты) на основе углеволокна, к которым устанавливались новые датчики № 7, 8, 9, поэтому диаграммы деформаций выполнены отдельно от общей и представлены на рисунках 3.87 - 3.89.

hd к

0

1

o «

U)

00 00

к %

p

p o

H

и o o

к

H O)

tr и

a ■ я ■

to I

O) ~

o

к

SC и o

O)

л

O)

к £

к

м

К) о

О)

к к

Относительные деформации, мм/мм

о о о о р р

F о о о о о о

о о о О о о о

J Л

Л

<

3AÍ РУЖЕНИЕ 0.67 кН 1.27 иН 1.87 иН 2.47кН 3.07 кН 3.34 кН

3 .64 кН

4 04 мН 4.44 нН 4.84 ИН 5.24 кН 5.64 КН

6.04 кН 6.44 кН 6.79 кН 7.19 КН

подвижка опоры

0.3 мм 0.6 мм

1 мм

1.5 мм

2 мм

3 мм

4 мм

5 мм

6 мм 10 мм

15 мм

16 мм 20 мм 25 мм 30 мм 35 мм 40 мм 45 мм 50 ММ 55 мм 60 мм 65 мм 70 мм 75 мм 80 ММ 85 ММ 90 мм 35 мм 100 мм 110 мм 120ММ

130 мм 140 ММ 150 ММ 160 мм РАЗРУШЕНИЕ

■е-о т> 2

ь ■

л

X X

■о X

п <

о <<

Огностельные деформации, мм/мм

Ьр о о _ о

Ь о Р Я Р Я °

Э О О О О О О О

Э О OOl-OfoO

Отмостеяьные деформации, мм/мм

ЗАГРУЖЕНИЕ 0.67 кН 1,27 КН 1.87 иН 2.47кН 3.07 кН 3.24 кН 3.64 кН 4 04 кН 4.44 кН 4 84 кН 5.24 КН 5.64 кН б 04 кН 6.44 кН 6.79 КН 7.19КН ПОДВИЖКА ОПОРЫ 0.3 мм ш 0.6 мм ш 1 мм 5? 1.5 мм " 2 мм

3 мм

4 мм

5 мм

6 мм 10 мм

15 мм

16 мм 20 мм 25 мм 30 мм 35 мм 40 мм 45 мм 50 мм 55 мм 60 мм 65 мм 70 мм 75 мм 80 мм 85 мм 90 мм 95 мм

| 100 мм — 110 мм 120 мм 130 мм 140 мм 150 мм 160 мм РАЗРУШЕНИЕ

<

г

п>

I

JT

S

u>

н 0> э Е

1 ■

S £ X S

о э о

-О

/

<

J

X

\

\

1э

S 01

Г.

ь <г X 7

X

Л п

-е-о

7J §

•I

Л S S! X

ь ■

Ь

X S

т>

■О

S

S

п ч:

hd к

о

Я

о «

U)

00 On

К

Щ

|ТЗ i» Р

2 i

2 i

Р í

о i

н 1

я I

° 1

о -

К 1

н а

О) 2

^ Я

tr 1

я 1

а I

X 3

о

to 1

О) 7

ф I о

к »

о о\

О) р

о

ЗАГРУЖЕНИЕ

0 67 КН

1 34 иН

1 94 ИИ

2 24 «Н

г 54 «н 2м«н

3 14 >11

3 31 КН

3 71 кН 11 КН

4 51 кН

4 91 кН

5 31 «Н 5 61 »11

5 Щ КН

6 01«Н 6 21 КН 6 41 кн 6 61 «Н

6 31 КН

7 01 иН 7 II КН 7 41 кН

подеижкд опоры

0.4 мм

| (треиика е ц,«лыге) 1.6 мм 2мм 2.5 мм

РАЗГРУЗКА 6 41 кН 5 31 кН 4 31 КН 3 31 кН

2 24 кН 1 34 КН

УСИЛЕНИЕ ЗАГРУЖЕНИЕ

0 57 кН

1 27 КН 1 17 кН 2.4/кН

3 07 КН 3 24 кН

3 64 КН

4 04 кН с 44 кН

4 34 кН

5 24 кН 564 .Н

6 04 кН 6 44 кН

6 79 кН

7 19 КН ПОДВИЖКА СПЭ=Ы

С 3 мм

С .6 мм

1 мм 1.5 мм

2 мм

3 мм

4 мм 5мм 6 мм

10 ММ

15 мм

16 мм 20 мм 25 мм 30 мм 35 мм 40 мм 45 мм 50 мм 55 мм 60 мм 65 мм 70 мм 75 мм ВО мм 85 мм 90 мм 95 мм

100 мм 110 мм 120 мм 130 мм 140 мм 150 мм 160 мм РАЗРУШЕНИЕ

0.0007 | 0.0006 5 0.0005

х

Ь 0.0004 п

§■ 0.0003 t

« 0.0002

ш

2

5 0.0001 с

«I

; о

и о

| -0.0001 о

-0.0002

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 3-3 в серии СУ-1

-Тензорезистор №5 (верхний)

-Т»и1ппчагтпп МОК (и»»Ч||й)

-Тензорезистор №8 (верхний| КОМПОЗИТ

7У_Т /

^ V

Х1П.1Г11ГХ11<1<Г1!П5!!!5 г5! 5!5гг55?!5!!Пг!5И

Ё 2 * < х Этапы загружена я (кН) и этапы подвижки опоры (мм) <

"> 5 о.

3 в О

с

Рисунок 3.89 - Диаграмма относительных деформаций в сечении 3-3 серии СУ-1

Полученные результаты, представленные на диаграммах, позволили наглядно отразить участие элементов усиления в работе своде. Максимально напряженным участком усиления оказалась нижняя зона щелыги, при нагрузке 4,84 кН деформации в жгуте совпадали с деформациями в кладке. При нагрузке 6,79 кН датчик № 4 исчерпал свои предельные возможности измерения и не позволил наблюдать за дальнейшими деформациями.

Деформации на элементах усиления, установленные на пятах свода, значительно ниже, чем в щелыге. Наибольшие деформации они приобрели только перед разрушением свода, при этом деформации в кладке в несколько раз превышали их значения.

3.4.6. НДС кладки сводов объекта С-2 (серии СБУ-2, СУ-2)

НДС объекта С-2 состоящий из серии СБУ-2 и СУ-2, представлен на рисунках 3.90-3.93, построен на базе шести датчиков, установленных на нижней и верхней поверхности каменной кладки и семи датчиков установленных на элементах усиления. При этом датчики, установленные на каменной кладке серии СБУ-2 использовались те же, что и для СУ-2, что позволило полностью описать работу каменной кладки свода на всех стадиях испытания, учитывая остаточные деформации после разгрузки.

Диаграммы относительных деформаций каменной кладки в трех изучаемых сечениях на всех стадиях испытания представлены на рисунках 3.90-3.91.

Диаграмма относительных деформаций кладки в сечении 1-1 в серии СБу-2

хххххххххххххххххтз гУ1?1«<ххххххо^ххххххххххххххххххххз5$гг?г$$5г?ггг2гггггг25$5г1^

»» £ * * * Д Д * " * * Д * * г 2 г * * * * * * 5

— — —

Этапы загружения (кН) и этапы подвижки опоры (мм)

Рисунок 3.90 - Диаграмма относительных деформаций в сечении 1 серии СБУ-2

36

Диаграмма относительных деформации кладки в сечении 2-2 в серии

2 5

с

.. о

2 I 3

£ ™ В

М1П1Г *ГГГгГГШ11П111111Г5.

СБу-2