XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Строительство и реконструкция зданий и сооружений каменных кладок требует детального анализа и прогнозирования осадочных и деформационных процессов. Определение закономерностей процессов деформирования и разрушения кладок является перспективным научным направлением, результат которого поможет оценивать деформационные процессы, происходящие в имеющихся зданиях и сооружениях без использования больших капиталовложений и экспертиз, а также открыть новые возможности для применения инновационных строительных стеновых материалов.

Моделирование разнообразных процессов нагружения конструкций каменных кладок позволяет оценивать степень влияния конкретных факторов на процессы деформирования и разрушения их под действием эксплуатационных нагрузок, выявлять зоны, наиболее опасные для конкретного вида нагружения.

Кладка из керамического и силикатного кирпича зачастую используется в качестве основного объекта исследований с использованием разработанных программных средств. Поведение кладок из камней на естественных заполнителях, к которым относятся разнообразные виды опилкобетона, при этом на данный момент мало изучены.

Для правильного понимания работы каменных конструкций из деревобетонов и определения их расчетных характеристик необходимо использовать модели, учитывающие анизотропию, разномодульность, физическую нелинейность и ползучесть опилкобетонных кирпичей.

Сравнение результатов численных исследований процессов деформирования и разрушения конструкций каменных кладок с данными идентичных натурных экспериментов позволяет оценить достоверность результатов, полученных с помощью разработанных моделей, методик и программных средств.

Основой данной работы послужило исследования опилкобетонных кирпичей, проводимых в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете [1].

Для получения характеристик модели большое значение имеет правильный выбор стандартного фрагмента и его конечно-элементного разбиения. В качестве стандартного фрагмента рассматриваются 4 кирпича, соединенных раствором (рис. 1). При моделировании процесса деформирования периодического элемента каменной кладки в условиях кратковременного сжатия методом конечных элементов с помощью вычислительного комплекса ANSYS.

Рисунок 1. Типовой фрагмент кирпичной кладки.

Для моделирования была выбрана КЭ сетка с размерами 5мм х 5мм (рис. 2). Такой выбор основан на следующих положениях:

разбиение не должно быть излишне мелкое, чтобы не нарушать оптимизацию численного процесса;

разбиение обязано учитывать реальную структуру.

Габариты растворных швов имеют небольшие размеры, поэтому есть необходимость подробного конечно-элементного разбиения для учета специфического характера процессов деформирования и разрушения раствора.

Рисунок 2. Расчетная модель структурного элемента кирпичной кладки.

Для стандартного фрагмента опилкобетонной кирпичной кладки будет решаться ряд краевых задач. Необходимое количество таких задач определяется характером поведения исследуемого материала, таким как учет анизотропии или разномодульности. В случае использования модели материала, со свойствами, зависящими от вида НДС, их должно быть как минимум три. Обычно, это - одноосное сжатие, одноосное растяжение и двуосное сжатие, но возможны и другие виды элементарных нагружений, характерные для поведения изучаемого материала.

На данном этапе исследования была смоделирована рабочая модель и рассмотрено поведение опилкобетонной кладки при одноосном сжатии. При анализе результатов исследования было выявлено, что элементы модели находятся в весьма сложном напряженном состоянии, что приводит к значительной разнице между прочностью кладки и составляющих её кирпича и растворах.

Численное моделирование напряженного состояния сжатия типового объекта подтвердило возникновение ни только напряжений сжатия, но и растяжений, изгиба, сдвига как в кирпичах, так и в растворах швов.

Уменьшение несущей способности образца кирпичной кладки происходит, в основном, не за счёт меньших, чем у кирпича пределов прочности, а из-за возникновения высоких напряжений растяжения в кирпичах кладки.

Под нарушением прочности в нашем исследовании понимается не только разрушение конструкции, но и возникновение в ней больших пластических деформаций. Говоря о достаточной прочности конструкции, полагают, что прочность будет обеспечена не только при заданном значении нагрузки, но и при некотором увеличении нагрузки, то есть конструкция должна иметь определенный запас прочности.

Если постепенно увеличивать нагрузку на кладку до величины, превышающей предел прочности ее, то сначала в отдельных кирпичах появятся вертикальные трещины преимущественно под вертикальными швами, там, где концентрируются напряжения растяжения и изгиба. При росте нагрузки трещины увеличатся, разделяя кладку на столбики. Окончательное разрушение кладки происходит из-за выпучивания этих столбиков в результате потери ими устойчивости. Напряженное состояние при осевом сжатии кладок из других каменных материалов аналогично напряженному состоянию кирпичной кладки.

Характерная особенность деформирования древесных бетонов, состоит в том, что при возрастании напряжения последовательно наблюдаются две ярко выраженные области деформирования: первая – неполной упругости и вторая – интенсивного развития деформаций. В первой области упругая деформация линейно зависит от напряжений, а во второй - эта зависимость нелинейна. Остаточная деформация появляется с самого начала загружения и непропорциональна напряжениям на всём протяжении. Аналогично у кладок на древесных заполнителях, остаточная деформация появляется с самого начала загружения и непропорциональна напряжениям на всем протяжении. Поэтому первая область деформирования должна считаться областью неполной упругости аналогично конструкционной древесине и деревобетонам.

В заключении можно отметить, что все проведённые исследования подтверждают основные теоретические положения об особенностях работы кирпичной кладки при сжатии.

Литература:

Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Исследования процессов деформирования кладок на древесных заполнителях при одноосном кратковременном сжатии//Приволжский научный журнал. 2011. №1. С21-25.

Лихачева С.Ю., Кондрашкин О. Б., Лебедев М.А. «Экспериментально-теоретические исследования НДС опилкобетонных и гипсоопилочных кладок» // Вестник МГСУ 2012. №12.

ГОСТ 379-2015 Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия

ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний

ГОСТ 24544 - 81 "Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести".

СП 15.13330.2012 Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81* (с Изменениями N 1, 2)