МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ

MODELING OF BUILDING STRUCTURES MADE OF GYPSUM BINDERS

Oleg Karabanov

student, department Construction of unique buildings and structures, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

Проведение активного физического эксперимента зачастую сопряжено с некоторыми, порой весьма значительными временными и материальными затратами. Поэтому важной задачей является оптимизация процесса, т.е. получение необходимых сведений при минимальном числе проведенных опытов.

ABSTRACT

Conducting an active physical experiment is often associated with some, sometimes very significant time and material costs. Therefore, an important task is to optimize the process, i.e. to obtain the necessary information with a minimum number of experiments.

Ключевые слова: физическая модель, фундамент, материал.

Keywords: physical model, foundation; material.

Повышение качества производимой строительной продукции напрямую связано с усовершенствованием методов расчета, проектирования и возведения.

При этом на стадии разработки конструктивных или технологических решений для оценки и предсказания поведения конструкции при изменении различных условий работы широко применяются методы моделирования, которые предполагают исследование объекта посредством изучения его копии с измененными (как правило упрощенными для удобства измерений) параметрами и последующий перенос (экстраполяцию) полученных данных на исходный (натурный) объект.

Одним из главных принципов моделирования является адекватность, под которой понимается соответствие всех (полное подобие) или некоторой части (неполное подобие) параметров экспериментальной модели параметрам реального или проектируемого натурного объекта.

Степень соответствия модели натуре определяется исследователем в зависимости от специфики задач исследования, и в соответствии с теорией подобия (исходя при этом из анализа размерностей).

Одними из ключевых варьируемых параметров при испытаниях строительных сооружений являются габариты созданной физической модели (масштаб, с учетом геометрического подобия) и материал, из которого она изготовлена. Габариты модели в эксперименте выбираются в основном исходя из удобства проведения измерений, или ограничений конкретного испытательного стенда. В настоящее время наибольшее распространение получили испытания на мелкомасштабных моделях, позволяющие существенно уменьшить расход времени и материалов на проведение испытаний.

Материал модели может быть по сути каким угодно, с одним ограничением, следующим из определения физического моделирования – единство физической природы (подобие) материалов модели и оригинала. Из этого следует, что эксперименты в общем случае необходимо проводить на моделях, изготовленных из того же материала, что и оригинал, что позволит достичь максимального соответствия, с учетом специфики работы рассматриваемой железобетонной, каменной, металлической или деревянной конструкции.

В геотехнических исследованиях задача выбора материала стоит для двух компонентов системы – конструкции моделируемого сооружения и грунта, находящегося в зоне его влияния, при этом стоит учитывать, что теоретические данные о напряженно-деформированном состоянии основания могут быть получены с некоторой погрешностью ввиду сложности грунта как моделируемой системы.

Наибольшее распространение в геостойком строительстве получили конструкции из железобетона, а прочность, жесткость и устойчивость железобетонной конструкции зависят не только от марки бетона и класса арматуры, но и от ряда других параметров:

• диаметра и конфигурации арматурных стержней, зависящих в свою очередь от вида исследуемой конструкции.
• Размера зерен заполнителя, т.к. он непосредственно влияет на прочность и трещиностойкость конструкции.
• Водоцементного отношения бетонной смеси
• Условий твердения бетона в конструкции

Применительно к железобетону перечисленные факторы, с учетом химического состава применяемых материалов составляют понятие конструктивного материала изделия.

Вопрос выбора и обоснования материала модели для испытаний фундаментов в частности, и строительных конструкций в целом, остается актуальным и сейчас, в связи с постоянным усовершенствованием применяемых материалов и существующих методик исследований.

С целью развития методов экспериментальных исследований с учетом выбора конструктивного материала моделей фундамента и его влияния на НДС системы «фундамент – грунтовое основание» предлагается конструкция модели столбчатого фундамента на естественном основании, размерами 200х200х30мм, выполненная из строительного гипса Г-5, армированного сеткой из медной проволоки 20х20х1.0мм (медь М1, высота защитного слоя – 6мм).

Использование гипса позволит существенно сократить затраты времени на изготовление модели, а также уменьшить.

Для получения первичной картины распределения контактных давлений под подошвой модели, а также построения градуировочной зависимости контактных давлений под подошвой фундамента запланировано проведение испытаний штампа в виде стальной пластины размерами 200х200х5мм.

Для экспериментальной проверки применимости гипсовых вяжущих для создания физической модели разработана методика выполнения опытов, позволяющая оценить влияние выбранного материала на особенности взаимодействия модели фундамента с основанием.

Модель плитного фундамента устанавливается горизонтально на послойно отсыпанное и утрамбованное трамбовкой прямоугольного сечения основание из мелкого песка (модуль деформации 38 МПа, угол внутреннего трения 32^о, удельное сцепление 2 кПа, плотность 1,4 т/м³).

В качестве пригруза предлагается использовать мелкий речной песок (размер гранул: 1,1–1,5 мм, ГОСТ 8736-2014) в мешках весом по 30 кг. Мешки укладываются горизонтально поверх предыдущих в емкости объемом 60 л, установленные друг на друга. Подобная конструкция нагрузочного устройства позволяет избежать применения дополнительных силовых и измерительных приборов, однако в таком случае особого внимания заслуживает обеспечение вертикальности равнодействующей нагрузки от груза на испытываемую модель, иначе говоря симметричности объема сыпучего груза относительно вертикальной оси, в данном случае проходящей через центр тяжести модели. Для этого используются пластиковые цилиндрические емкости объемом 60 л.

Мешки с песком укладываются симметрично относительно центра дна емкости, принимая форму емкости, т.е. цилиндрическую форму, что в совокупности с центрированием емкостей относительно стальных цилиндров, передающих нагрузку на модель, позволяет обеспечить вертикальность прикладываемой нагрузки.

Нагрузка прикладывается ступенчато с шагом в 30 кг и выдержкой до условной стабилизации осадки на каждой ступени.

Давление в грунтовом массиве под подошвой определяется в пяти расчетных точках с помощью тензорезисторов, посредством измерительного прибора ИДЦ-1. Схема плитного фундамента, а также схемы нагружения и расположения измерительных приборов и датчиков давления в грунте приведены на рисунке 1.

Вертикальные перемещения определяются в двух расчетных точках в верхней плоскости плиты на расстоянии 2 см от края модели фундамента. Для измерений используются индикаторы часового типа в исполнении ИЧ (с перемещением измерительного стержня параллельно шкале индикатора, рис.1) с ценой деления 0.01 мм и диапазоном измерений 0-10мм (ГОСТ 577-66).

Рисунок 1. Конструкция индикатора часового типа в исполнении ИЧ

Индикаторы устанавливаются в расчетных точках вертикально с креплением к Т-образной раме из дерева, расположенной горизонтально и закрепленной за стенки лотка в трех точках. Взаимодействие рамы с моделью и нагрузочным устройством исключается конструкцией последнего. Крепление приборов к раме должно обеспечивать в первую очередь вертикальность измерительной оси индикатора. Помимо этого, в подобных узлах рационально применение разъемных соединений, т.к. в ходе опыта может потребоваться корректировка положения прибора (например, при осадке модели, превышающей значение диапазона измерений индикатора). Для установки индикаторов предлагается использовать монтажные уголки, соединенные болтами и установленные в вертикальное положение на раме.

В работе предлагается конструкция физической модели фундамента, изготовленной из гипсового вяжущего марки Г-5 с армирующим элементом в виде сетки из медной проволоки в качестве альтернативы классическому варианту модели из железобетона. Также разработана методика проведения экспериментальных исследований для более детального изучения влияния выбранного материала на характер взаимодействия модели с основанием.

Список литературы:

1. Исаханов Г.В. Основы научных исследований в строительстве. К. Вища шк. Головное изд-во, 1985. – 208 с.
2. Новгородский М.А. Испытание материалов, изделий и конструкций. Изд-во  «Высш. Школа», 1971. – 326 с.
3. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1953. – 99 с.
4. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии. — Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. — 415 с.
5. ГОСТ 8736-2014 Песок для строительных работ. Технические условия. Дата введения 2015-04-01. М.: Стандартинформ, 2019. – 10 с.
6. ГОСТ 8735-88 Песок для строительных работ. Методы испытаний. Дата введения 1969-07-01. М.: Стандартинформ, 2018. – 29 с.