ПРОЧНОСТЬ АРМОКИРПИЧНОЙ КЛАДКИ ПРИ СМЯТИИ

Довженко Оксана Александровна

канд. техн. наук, доцент, ПолтНТУ имени Юрия Кондратюка, г. Полтава, Украина

Пинчук Наталия Михайловна

канд. техн. наук, ст. преподаватель, ПолтНТУ имени Юрия Кондратюка, г. Полтава, Украина

E-mail:

Благодаря высокой прочности, долговечности, архитектурной выразительности каменные конструкции широко применяются в строительстве промышленных, гражданских и сельскохозяйственных зданий, а значит, требуют глубокого изучения.

Проблемам исследования таких конструкций (напряжённо-деформированное состояние (НДС), прочность, эксплуатация, реконструкция и усиление) посвящены работы: А. Я. Барашикова, П. Ф. Вахненко, О. А. Довженко, В. С. Дорофеева, Е. В. Клименко, А. Е. Копейко, И. Т. Котова, В. П. Митрофанова, Р. А. Мищенко, Г. А. Молодченко, Л. И. Онищика, С. В. Полякова, Н. В. Савицкого, Л. И. Стороженко, А. В. Семко, Б. С. Соколова, Л. Н. Фомицы, А. Л. Шагина, С. Л. Шаповал, В. С. Шмуклера, А. А. Шишкина, А. Ф. Яременко, Е. А. Яременко, A. Hendry, A. Page, P. Schubert, H. Glitza, и др.

Исходя из экспериментальных данных на прочность армокаменных конструкций при смятии влияют: место приложения нагрузки; геометрические размеры элементов и площадки загружения, их соотношение; прочностные характеристики кирпичной кладки; количество и характер расположения арматурных сеток по высоте элемента; условия на опорных поверхностях.

Методика расчета прочности каменной и армокаменной кладки при местном сжатии по нормам [3, 4] базируется на результатах обработки экспериментальных исследований и не учитывает характер разрушения элементов, а также полную совокупность указанных факторов.

Альтернативным эмпирическому направлением решения задач прочности кирпичных и армокирпичных элементов при сложных НДС, является применение вариационного метода на основе теории пластичности, который разработан в ПолтНТУ [2] и апробирован на бетонных и железобетонных элементах [1]. Его можно отнести к инженерным методам расчета, которые приводят к действительно простым зависимостям, не требуют сложных компьютерных программ и могут найти широкое распространение в практике проектирования.

Функционал метода в условиях плоского напряженного состояния:

,                         (1)

где , ; ,

 – силы и скорости, заданные на участках  поверхности тела;

 – поверхность разрушения;

 – разрывы касательной и нормальной к  составляющих скорости.

Расчет выполняется в такой последовательности:

1. для случая смятия, который рассматривается, принимается кинематически возможная схема разрушения, т. е. очертание поверхности разрушения, разделяющей ранее целый элемент на части, которые считаются абсолютно жесткими и совершают в стадии разрушения взаимное движение с определенными скоростями. При этом вводятся геометрические параметры , определяющие поверхность разрушения, и скорости движения частей элемента . Принятая кинематически возможная схема разрушения отображает специфику НДС в стадии разрушения рассматриваемых элемента или конструкции;
2. на поверхности разрушения  находятся разрывы нормальной  и касательной  к  составляющих скорости, которые выражаются через параметры  и ;
3. записывается функционал (1), который положителен на действительном НДС и достигает минимума равного 0;
4. находится выражение предельной нагрузки  через параметры  и отношение , где  – скорость точки приложения внешней нагрузки;
5. из условия  находятся неизвестные величины  и  и вычисляется предельная нагрузка.

Кинематически возможные схемы разрушения и зависимости для определения предельной нагрузки для кирпичных и армокирпичных элементов при смятии в случае приложения нагрузки на всю ширину по центру и на край стены представлены в табл. 1.

Для подтверждения принятых кинематически возможных схем разрушения были изготовлены и испытаны три серии образцов [5]. В рамках первой серии исследовались кирпичные и армокирпичные стенки , при местном сжатии для случая приложения нагрузки на всю ширину сечения образца по середине его длины и на край. В пределах серии варьировался параметр  ( l  длина площадки нагружения, h   высота образца). Армирование образцов было однотипным: сетками из проволоки Ø 4 Вр-І с размерами ячейки , которые укладывались через 3 ряда кладки равномерно по всей высоте образца. Во второй серии размеры образцов  и площадки загружения  были постоянными (параметр ), при этом изменялся диаметр арматуры сеток (Ø 3 Вр-І и Ø 5 Вр-І), а также характер их размещения по высоте образца (равномерно или 1, 2, 3 сетки в каждом шве кладки непосредственно в зоне смятия). Образцы 3-й серии были изготовлены с целью получения дополнительной информации о характере работы арматуры при угловом смятии. Их размеры и местоположение сеток не отличались от образцов 2-й серии. Все сетки изготовлялись из арматурной проволоки Ø 4 Вр-І с размерами ячейки . Нагружение осуществлялось штампами двух размеров  и , что соответствовало  и .

Таблица 1

Кинематически возможные схемы разрушения и выражения для определения сопротивления смятию

Характер разрушения кирпичных и армокирпичных образцов принципиально не отличался: под поверхностью штампа образовывался клин уплотнения, от вершины которого начинались трещины раскалывания. С увеличением отношения  уменьшалась несущая способность элемента и увеличивались размеры зоны сжатия под штампом. При равномерном расположении сеток через 3 ряда кладки по высоте образца в опытах наблюдалась неравномерность работы арматуры, которая учитывается введением к пределу текучести арматурных сеток в зоне отрыва коэффициента условий работы . При расположении сеток непосредственно под площадкой загружения все сетки работают равномерно и напряжения в них на момент разрушения достигают предельных. Наиболее эффективным можно считать расположение арматурных сеток непосредственно в зоне смятия на глубину до  (не меньше 3-х).

При одностороннем угловом смятии в опытах наблюдалось два характерных вида разрушения кирпичных образцов: путем среза и в результате разрушения столбика под поверхностью штампа, который предварительно условно отделяется от массива кладки. Характер разрушения армокирпичных элементов зависел от параметра , армирования и условий на опорных поверхностях ( ). В пределах выполненного эксперимента при  разрушение происходило путем среза, при  – в результате разрушения столбика, при  наблюдались как срез так и раскалывание. Независимо от характера расположения сеток арматура по высоте работает неравномерно – лишь в верхней сетке напряжения достигают предела текучести, поэтому усилие в других сетках нужно учитывать с коэффициентом . Нецелесообразно армирование только одной сеткой под площадкой загружения. Наиболее эффективным является размещение арматурных сеток в пределах клина уплотнения на глубину до .

Сравнительный анализ теоретической прочности, рассчитанной согласно предложенной методике, с экспериментальной для 95 образцов (39 из которых принадлежат авторам), показал их достаточную сходимость. Статистические характеристики для кирпичных и армокирпичных элементов при местном одностороннем центральном и угловом смятии следующие: , , .

Для анализа были использованы экспериментальные данные с сопротивлением кирпичной кладки сжатию , соотношением  и процентом армирования .

На основе вариационного метода теории пластичности предложена к применению методика расчета прочности армокирпичной кладки при смятии, которая базируется на рассмотрении характера разрушения элементов и учитывает влияние обеих прочностных характеристик кладки (на сжатие  и растяжение ), параметра , сил трения на опорных поверхностях и характера армирования. В отличие от норм, осуществляется раздельный учет рабочей арматуры, расположенной в пределах зон отрыва и сдвига. Для арматуры, расположенной в зоне сдвига, учитывается кроме растяжения, изгиб, влиянием которого действующие нормы пренебрегают.

Список литературы:

1. Довженко О. А. Прочность бетонных и железобетонных элементов при местном приложении сжимающей нагрузки: Дис. … канд. техн. наук: 05.23.01 /Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка.– Полтава: ПДТУ, 1993. – 222 с.
2. Митрофанов В. П. Теория идеальной пластичности как элементарная механика псевдопластического предельного состояния бетона: основы, ограничения, практические аспекты, совершенствование / В. П. Митрофанов // Комунальное хозяйство городов Республиканский межведомственный научно-технический сборник. – Вып. 72. – К.: Техніка. – 2006.– С. 6—26.
3. СНиП ІІ – 22 – 81. Каменные и армокаменные конструкции. – М.: Стройиздат. – 1983. – 39 с.
4. ДБН В.2.6 162:2010 Кам’яні та армокам’яні конструкції. К.: Мінрегіонбуд. 2011. 98 с.
5. Пінчук Н. М. Міцність армоцегляної кладки при місцевому прикладанні стискаючого навантаження: дис. … канд. техн. наук: спец. 05.23.01 / Н. М. Пінчук – Полтава: ПолтНТУ, 2009. – 168 с.