ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕСТКОСТЕЙ АНКЕРОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИЦЕВОГО КИРПИЧНОГО СЛОЯ НАРУЖНЫХ СТЕН ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

АННОТАЦИЯ

В статье приводится анализ напряженно-деформированного состояния лицевого кирпичного слоя двухслойных ограждающих стен зданий с железобетонным каркасом в зависимости от температурных климатических воздействий, жесткости гибких связей лицевого слоя и каркаса. Построены расчетные модели в программном комплексе ANSYS.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, анкер, жесткость, ANSYS.

1.Введение

Достаточно долгое время в отечественной практике строительства наружные стены выполнялись из кирпича, совмещая несущую и ограждающую функцию. В конце 20 века возросли требования к термическому сопротивлению наружных стен, и в результате толщина конструкции, выполненной из сплошной кладки, должна была возрасти в разы и достигнуть несоизмеримо больших значений. Отечественные инженеры переняли опыт западных коллег – в европейских странах давно использовалась конструкция из несущего железобетонного каркаса, наружного облегченного облицовочного слоя из кирпича и утеплителя между ними [7]. Однако, вскоре было выявлено несовершенство данной технологии: облицовочный слой довольно быстро выходил из строя, в нем образовывались трещины, происходила деструкция кладки [4-5,8,10]. Не была учтена разница климатических условий России и Запада.

Часто можно обнаружить видимые дефекты облицовочной кирпичной кладки уже на ранних сроках службы здания. Это происходит из-за воздействия определенных факторов, а также их комплекса. Повреждения от разных видов воздействия представлены на рисунках 1-2.

Заранее предупредить появление разрушений кладки необходимо еще на начальных этапах строительства [11,12,17,19]. Повреждения наружного лицевого слоя и различные факторы, способствующие этому, рассматриваются в статьях [2,9,13-15]. Для объектов, сильно зависящих от температурно-влажностных характеристик, необходимо предусмотреть устройство естественной или искусственной вентиляции, пароизоляции стен и перекрытий, использовать кирпич большей марки по морозостойкости [6]. Непосредственное влияние оказывают конструктивные особенности ограждающих стен, например, наличие гибких связей (рис. 3).

Рисунок 3. Конструкция многослойной ограждающей стены с гибкими связями.

Наличие зависимости напряженно-деформированного состояния (НДС) гибких связей от шага установки анкеров в многослойных стенах облегченной кладки с наружным облицовочным слоем из кирпича при внешнем температурном воздействии было показано при использовании метода конечных элементов [16].

2. Методы и результаты

Анкера представляют из себя элемент, предназначенный для фиксации элементов конструкции (рис. 4). Существуют несколько основных видов: забивной; клиновый; MSA; химический (клеевой); с кольцом; двухраспорный.

Применение конкретного вида анкера зависит от особенностей монтажа и технических характеристик кирпича. Забивной анкер является наиболее подходящим вариантом для конструкции из полнотелого кирпича, он монтируется непосредственно в просверленное отверстие в кирпичной кладке, предварительно очищенное от пыли, и закрепляется болтом [3].

Рисунок 4. Модель многослойной стены с кирпичным лицевым слоем и гибкими связями.

Определяющим фактором при выборе крепежной системы выступает и материал, из которого изготовлен анкер. Стальной анкер обладает хорошими прочностными характеристиками, но не так устойчив к химическим воздействиям, как латунный [1]. От выбора материала зависят не только его характеристики, но и стоимость изделия.

Для исследования НДС лицевого кирпичного слоя было проведено компьютерное моделирование в программе ANSYS. Была создана расчетная конечно-элементная модель лицевого кирпичного слоя угловой зоны здания с гибкими связями - анкерами:

Рисунок 5. Конечно-элементная модель

Были заданы: перепад температуры на 10̊С, что соответствует нагреванию кирпичного слоя в реальных условиях; начальный диаметр анкеров – 2 мм и начальная длина – 20 мм. С целью установить зависимость поведения НДС лицевого слоя от диаметра анкера. было произведено варьирование диаметра гибких связей при постоянной длине. Были получены зависимости нормального и касательного напряжения (рис. 6, 7).

Рисунок 6. График нормального напряжения в НДС лицевого слоя при нагревании в зависимости от диаметра

Рисунок 7. График касательного напряжения в НДС лицевого слоя при нагревании в зависимости от диаметра

Проанализировав графики, можно сказать, что вне зависимости от диаметра, напряжение достигало своего максимума на определенной величине: 0,12 МПа – для нормального напряжения, 0,06 МПа – для касательного. И при дальнейшем увеличении диаметра анкера происходило ослабление НДС. Точки экстремумов на графиках соответствуют критическим значениям напряжений, которых можно избежать, применяя анкер определенной длины.

Далее была рассмотрена зависимость НДС кирпичного слоя при постоянном диаметре жесткой связи и варьируемой длине (рис. 8).

Рисунок 8. График нормального напряжения в НДС лицевого слоя при нагревании в зависимости от длины

Рисунок 9. График касательного напряжения в НДС лицевого слоя при нагревании в зависимости от длины

Исходя из анализа графиков, можно сделать вывод, что нормальные и касательные напряжения также имеют свой максимум при определенном сочетании длины и диаметра анкера.

Рассмотрим изополя нормальных напряжений.

Рисунок 12. Векторы нормальных растягивающих и сжимающих напряжений.

Угловая зона лицевого слоя кирпичного облицовочного слоя является концентратором напряжений, как нормальных растягивающих и сжимающих, так и касательных. При изменении (увеличении) температуры окружающей среды внешние слои кладки подвергаются растяжению, а внутренние – сжатию. При действии касательных напряжений кладка работает на срез, образуются вертикальные трещины (рис.1).

2.Обсуждение

Проведя компьютерное моделирование НДС лицевого кирпичного слоя, были выявлены некоторые зависимости:

• Существуют некоторые точки экстремумов напряжения при определенных значениях диаметра и длины анкера.
• По совокупности напряжений кладка работает на срез.
• Осевые усилия в угловых связях, расположенных вне зоны влияния опорного элемента, могут достигать предельных значений в теплый период времени.
• Горизонтальные растягивающие напряжения в кладке могут превышать прочность кладки на растяжение в холодный период времени.
• Растягивающие усилия в угловых связях, попадающих в зону влияния опорного элемента, могут возрасти за счет перераспределения дополнительных усилий с опорного элемента в случае, если температурно-влажностные деформации этого элемента в теплый период времени выше, чем кладки лицевого слоя.
• Горизонтальные растягивающие напряжения в кладке могут возрасти за счет перераспределения дополнительных усилий с опорного элемента в случае, если температурно-влажностные деформации этого элемента в холодный период времени меньше, чем кладки лицевого слоя

3.Заключение

В условиях наших климатических параметров влияние перепада температур, как суточного, так и годового, является огромной проблемой для нормального функционирования лицевого слоя кирпичной кладки. Для сокращения межремонтных сроков и обеспечения нормальной тепловой защиты зданий необходимо тщательнее подходить к выбору параметров анкеров. Подбор следует осуществлять исходя из оптимальных условий, для этого следует принимать во внимание графики 6-9. Подобрав определенную длину, можно подобрать так же диаметр, не попадая в зону максимальных нормальных и касательных напряжений.

Список литературы:

1. Анкера для кирпичной кладки: технология монтажа , виды крепежных элементов [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://klademkirpich.ru/operacii/osobennosti-kladki/472-ankera-dlya-kirpichnoj-kladki (дата обращения 01.03.17)
2. Бондаренко И. Н., Малашкин Ю. Н., Качков Н. А., Бондаренко В. И. О работе кирпичной облицовки современных высотных зданий // Вестник МГСУ. – 2010. – № 4. – С. 43-48.
3. Виды и методы использования анкеров для кирпичной стены [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://postroystenu.ru/vozvodim/vidy-i-metody-ispolzovaniya-ankerov-dlya-kirpichnoj-steny.html (дата обращения 01.03.17)
4. Гроздов В.Т. О недостатках существующих проектных решений наружных навесных стен в многоэтажных монолитных железобетонных зданиях // Труды ВИТУ «Дефекты зданий и сооружений». – 2006. – С. 15–21.
5. Зимин С.С., Романов Н.П., Романова О.В.  Механизмы образования вертикальных трещин в угловой зоне на пересечении наружных стен // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2015. – №9(36). – C. 33-43.
6. Зимин С.С., Романова О.В., Романов Н.П. Причины деструкции кладки наружных стен технического этажа // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2014. – №12(27). – С. 112-122.
7. Ищук М.К. Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки. – М.: Стройматериалы, 2008. – 53 c.
8. Ищук М.К. Причины дефектов наружных стен с лицевым слоем из кирпичной кладки // Жилищное строительство. – 2008. – №3. –  C. 28–31.
9. Кнатько М. В., Пестряков И. И., Горшков А. С., Рымкевич П. П. Опыт испытания стеновой конструкции в лабораторных и натурных условиях с целью прогнозирования ее эксплуатационного срока службы // II Всероссийская научно-техническая конференция «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий». – СПб., 2009. – С.56-66.
10. Лобов О. И., Ананьев А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий // Жилищное строительство. –  2008. – №8. – С. 48–52.
11. Малахова А.Н. Дефекты наружных стен здания в многослойной кирпичной кладке // Вестник МГСУ. – 2014. – № 10. – C. 87-94.
12. Оганджанян Г.С., Оганджанян Д.Г. Основные проблемы наружных многослойных кирпичных стен с плиточным эффективным утеплителем в массовом бюджетном жилищном домостроении РФ и инновационные возможности их решения // Приволжский научный вестник. – 2015. – №5-1 (45). – C. 93-98.
13. Обозов В. И., Давидюк А. А. Напряженно-деформированное состояние кирпичной облицовки фасадов здания // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. –  2010. –  № 2. – С.34-37.
14. Обозов В. И., Давидюк А. А. Анализ повреждений кирпичной облицовки фасадов многоэтажных каркасных зданий // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2010. – № 3. –  С. 51-56.
15. Павлова М. О., Захаров В. А. Оценка надежности проектных решений многослойных наружных стен зданий с кирпичной облицовкой // Промышленное и гражданское строительство. – 2012. – № 3. – С. 38-40.
16. Пузырников А.А., Петренева И.В. Выявление зависимости напряжённо-деформированного состояния анкера от шага установки при температурном воздействии // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. – 2015. –  №3(113). – C. 11-14.
17. Турчаненко А.К., Смирнов С.И. Особенности проектирования трехслойных ограждающих конструкций // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2014. – №10(25). – C. 108-122.
18. Улыбин А.В., Старцев С.А., Зубков С.В. Контроль влажности при обследовании каменных конструкций // Инженерно-строительный журнал. – 2013. – №7. – С. 32–39.
19. Халтурин Ю. В. Проблемы многослойных наружных стен с наружной облицовкой кирпичом // Вестник АтлГТУ им И.И. Ползунова. – 2010. – №1-2. – C. 78-81.