3286

На правах рукописи

Кондрашкин Олег Борисович

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КЛАДКИ ИЗ ГИПСООПИЛОЧНЫХ КАМНЕЙ ТИПА "КРЕСТЬЯНИН"

И РАСЧЁТ КАМЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЁТОМ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2004

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор Цепаев Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук,

профессор Капустин Сергей Аркадьевич,

кандидат технических наук,

доцент Михайлов Василий Васильевич

Ведущая организация

МП ИРГ "НижегородгражданНИИпроект"

Защита состоится 2004г. часов

на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А к т у а л ь н о с т ь р а б о т ы В настоящее время государственными программами предусматривается

решение жилищной проблемы страны за счет увеличения объёма малоэтажного строительства на основе применения эффективных строительных материалов, позволяющих экономить материальные и топливо - энергетические ресурсы, максимально использовать местное сырье и отходы различных производств. Именно к таким материалам, имеющим повышенные экологические свойства, относятся опилочные бетоны на гипсовом вяжущем. Экологическая и экономическая целесообразность производства опилочных бетонов на гипсе обоснована в работе В.А. Цепаева и др.

Гипсоопилочные бетоны являются эффективным строительным материалом для производства камней типа «Крестьянин», размером 188*190*390 мм. Как отмечали в своей работе С.М. Ицкович и О.С. Первачук, путь от кирпича до стеновых панелей был пройден слишком решительно, без оглядки на свои возможности и мировой опыт. В результате этого оказались в забвении различного рода стеновые камни, которые с успехом применялись в

прошлом. Согласно исследованиям А.С. Багдасарова, М.А. Джазиева и

Р.А. Джанибекова, применение гипсоопилочных камней с устройством облицовочного слоя в наружных стенах позволяет уменьшить массу 1м стены примерно в 3 - 4 раза по сравнению с кирпичной кладкой. Это очень актуально в современных экономических условиях.

Современный технический уровень промышленности позволяет обеспечить рациональное использование древесных опилок и гипса для изготовления стеновых камней типа «Крестьянин», качество которых на современном этапе может быть значительно выше прежнего. Однако уровень научных разработок, посвященных проблеме прочности, деформативности и

долговечности кладки из гипсоопилочных камней, пока не соответствует требованиям практики. Следовательно, задача исследований кладки из гипсоопилочных камней типа «Крестьянин» при действии кратковременных и длительных статических нагрузок является весьма актуальной и своевременной.

Ц е л ь ю д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы является исследование деформационно-прочностных свойств кладки из гипсоопилочных камней и разработка метода расчёта каменных элементов с учётом фактора времени.

В соответствии с поставленной целью в представленной диссертационной работе решаются следующие о с н о в н ы е з а д а ч и :

исследование прочности сцепления кладочного раствора на гипсе с гипсоопилочным камнем на одноосное растяжение и на растяжение при изгибе при действии кратковременных и длительных нагрузок; исследование прочности кладки из гипсоопилочных камней при кратковременном загружении; изучение процессов деформирования кладки при различных режимах

кратковременного и длительного загружении; исследование структурных изменений, происходящих в кладке, на всем протяжении нагружения;

исследование картины НДС и разрушения каменных простенков из гипсоопилочных камней с учётом реальных физических характеристик кладки; нормирование расчётных характеристик кладки из гипсоопилочных камней;

разработка методики расчёта каменных элементов зданий с учётом влияния фактора времени на прочность и деформативность кладки; внедрение результатов исследований в процесс строительства и в учебный процесс.

3

Н а у ч н а я н о в и з н а работы :

впервые получены зависимости для определения прочности сцепления кладочного раствора на гипсе при одноосном растяжении и растяжении при изгибе; впервые установлены общие закономерности процессов сопротивления и

деформирования кладки из гипсоопилочных камней при действии кратковременных и длительных нагрузок; выполнен вероятностный анализ статистического распределения прочности рассматриваемой кладки;

на основе прямого численного моделирования проведено исследование картины НДС и разрушения каменных простенков из гипсоопилочных камней с учётом реальных физических характеристик кладки;

-впервые определены значения нормируемых характеристик прочности и деформативности кладки из гипсоопилочных камней с учётом влияния длительности действия нагрузок;

-разработан метод расчёта элементов каменных конструкций из гипсоопилочных камней типа "Крестьянин" с учётом влияния фактора времени на прочность и деформативность кладки. Разработан алгоритм и программа расчёта каменных элементов зданий.

П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь д и с с е р т а ц и и Разработанный метод расчёта позволяет с помощью персональной ЭВМ

рассчитать стеновые конструкции зданий из гипсоопилочных камней типа "Крестьянин". Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность зданий со стенами из гипсоопилочных камней на стадии проектирования при полном и рациональном использовании свойств кладки.

Р е з у л ь т а т ы д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы в н е д р е н ы :

- при выполнении хоздоговорной работы "Исследование прочности и деформативности кладки из камней типа "Крестьянин" на органических заполнителях" (№ г.р. 01.20.0300233) для ЗАО ПУ "Энергия";

-при экспериментальном строительстве зданий из гипсоопилочных камней, изготовленных в ООО Пешеланском гипсовом заводе "Декор-1" Нижегородской области;

-в учебный процесс Нижегородского государственного архитектурностроительного университета.

А п р о б а ц и я р а б о т ы Основные положения диссертационной работы доложены на

международной научно-технической конференции "Итоги строительной науки - 2003" в г. Владимире (октябрь 2003г.); на международной научно-технической конференции "Эффективные строительные конструкции: теория и практика" в г. Пензе (ноябрь 2003г.); на научно-технической конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и студентов Нижегородского архитектурно—строительного университета (январь 2004г.) и на IX Нижегородской сессии молодых ученых в г. Дзержинске (февраль 2004г.); на международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" в г. Йошкар - Оле (май 2004г).

Н а з а щ и т у в ы н о с я т с я :

-результаты экспериментальных исследований прочности сцепления кладочного раствора на гипсе с гипсоопилочным камнем при кратковременном и длительном действии нагрузок;

-результаты экспериментальных исследований закономерностей сопротивления и деформирования кладки при кратковременном загружении;

5

-численный расчёт напряженно-деформированного состояния кладки простенков;

-результаты исследований деформаций ползучести кладки при сжатии;

-определение прочностных и деформационных характеристик кладки из гипсоопилочных камней типа "Крестьянин";

-метод расчета элементов каменных конструкций из гипсоопилочных камней с учетом влияния фактора времени на прочность и деформативность кладки.

П у б л и к а ц и и По теме диссертации опубликовано 16 работ.

С т р у к т у р а и о б ъ ё м р а б о т ы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных

выводов, библиографического списка и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 202 страницы, в том числе 49 рисунков в виде схем, графиков и фотографий, 31 таблица, библиографический список, включающий 143 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность проблемы, сформулирована цель исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненной диссертационной работы.

В первой главе приводится краткий обзор сведений о применении в строительстве гипсоопилочных камней и блоков.

Отмечается, что прочность кладки при сжатии является её основной характеристикой наряду с надёжностью и долговечностью. В результате многочисленных исследований кладки различных видов рядом авторов (Крейгер, Граф и др.) были предложены эмпирические зависимости для определения прочности кладки при сжатии. Фундаментальные исследования в

области изучения механических свойств кладок, изготовленных из кирпичей, камней, блоков разной формы и материалов, выполнены Л.И. Онищиком, они нашли отражение в его монографии. На основании проведенных экспериментальных исследований с учетом анализа ранее полученных зависимостей Л.И. Онищиком была получена общая формула для определения предела прочности кладки при сжатии. Полученная зависимость использовалась в более поздних исследованиях кладки из разных материалов многими авторами (А.С. Дмитриев, В.А. Камейко, А.А. Шишкин, С.В. Поляков, И.Т. Котов, С.А. Воробьева, А.Г. Фигаров и д.р.). Экспериментальные исследования кладки из опилкобетонных камней типа "Крестьянин" на цементном вяжущем выполнены В.А. Цепаевым и И.Н. Шурышевым.

Детальные исследования деформаций ползучести кирпичной кладки на различных растворах выполнены С.В. Поляковым и им же выполнен анализ эмпирических зависимостей для описания деформаций ползучести кладки, предложенных Штраубом, Шенком, Фрейденталем, Томасом, Я.В. Столяровым. В действующих нормах проектирования относительная деформация сжатия кладки с учетом ползучести определяется с использованием коэффициента длительной деформативности v. Согласно нормам, коэффициент v для кладки из камней, изготовленных из тяжелого бетона на пористых заполнителях и поризованного, составляет 2,8 и 3,0. По данным В.А. Цепаева и И.Н. Шурышева, для кладки из опилкобетонных камней на цементном вяжущем v=4,5.

Однако до последнего времени отсутствовали научно обоснованные данные о прочности и деформативности кладки из гипсоопилочных камней, сведения по изучению деформаций ползучести, а также нормативные документы по расчету каменных элементов на их основе. Вследствие этого оказывается невозможным достоверно прогнозировать прочность кладки для заданного срока эксплуатации, наталкивается на ряд серьезных трудностей расчет стен при увеличении этажности зданий, а также гибких стен небольшой

7

толщины. Все это в конечном счете препятствует широкому внедрению в практику проектирования и строительства гипсоопилочных камней.

В результате проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводятся сведения о материалах, опытных образцах, оборудовании, методике проведения экспериментальных исследований и

методах обработки опытных данных.

Экспериментальные исследования проводились с использованием сплошных и пустотелых гипсоопилочных камней типа "Крестьянин". Опытные образцы сплошных камней изготавливались в лаборатории ННГАСУ на малогабаритном универсальном вибротрамбующем прессе ВФП-2, разработанном в лаборатории специальных строительных и дорожных машин Нижегородского государственного технического университета. Пустотелые камни с объёмом пустот, равным 15%, изготавливались на карусельной установке Пешеланского гипсового завода "Декор - 1" Нижегородской области методом литья. При изготовлении камней использовался гипс марок Г6 и Г7 по ГОСТ 125-79.

Проведенные Г.Ф. Кузнецовым исследования показали, что применение высокопрочного гипса перспективно только в условиях полного использования его повышенных прочностных свойств, например в покрытиях или перекрытиях. Для изготовления стеновых конструкций малоэтажных зданий с марочной прочностью М25...М50 может быть использовано наиболее распространенное гипсовое вяжущее марок Г6 и Г7. Для кладки камней применялись растворы из гипса, гипса и опилок с различными замедлителями схватывания.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований прочности сцепления кладочного раствора на гипсе с гипсоопилочным камнем.

Натурными обследованиями зданий из древесных бетонов, выполненными под руководством А.С. Щербакова, установлено, что

образование трещин в конструкциях с последующим увлажнением материала приводит к химической деструкции древесины заполнителя. Поэтому расчет стен зданий необходимо выполнять с учетом работы кладки на растяжение.

С целью определения прочности сцепления гипсоопилочных камней и раствора на гипсовом вяжущем при одноосном растяжении Rt , когда усилие действует нормально к плоскости шва, были проведены испытания образцов при кратковременном загружении. Опытные образцы изготавливались в виде растянутого элемента, состоящего из двух кубов, с размером ребра 10см, соединенных между собой гипсовым раствором с толщиной шва 10... 12мм, В геометрических центрах кубов при их изготовлении устанавливались арматурные стержни периодического профиля диаметром 16мм. Прочность кладки растяжению при изгибе определяется через прочность осевому растяжению Rt . В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что при определении прочности гипсового раствора осевому растяжению по формуле Л.И. Онищика точность определения Rt с увеличением прочности раствора сжатию R2 значительно снижается. С использованием корреляционного и регрессионного анализа опытных данных автора получена статистически обоснованная зависимость для определения Rt (МПа)

Теснота стохастической связи между Rt и R2 подтверждается высоким значением выборочного коэффициента корреляции (г = 0,992).

Анализ вариационного ряда значений Rt показал, что в виде функции распределения предела прочности осевому растяжению может быть использован нормальный закон распределения. При интервальном оценивании результатов нормально распределенной совокупности значений Rt

использовалось нецентральное распределение Стьюдента и "хи-квадрат" распределение. Проведенными вычислениями установлен выборочный коэффициент вариации прочности осевому растяжению VR,t = 0,20, используемый в дальнейшем при нормировании расчетного сопротивления кладки.