Повномасштабні дослідження стін жорсткості, виготовлених з автоклавного газобетону

Автоклавний газобетон успішно використовується для виробництва кладочних блоків для будівництва одно- та багатоквартирних будинків. Такі житлові будинки переважно зводяться як несучі конструкції. Хоча проектувальники зазвичай перевіряють кладочні конструкції переважно на вертикальні навантаження, деякі елементи повинні виконувати роль жорсткості будівлі. Горизонтальні навантаження на будівлю можуть бути спричинені не лише тиском та впливом вітру, але й нерівномірним осіданням ґрунту або впливом гірничих робіт. Роль стін жорсткості полягає в забезпеченні геометричної незмінності будівлі та безпечної передачі горизонтальних навантажень на фундаменти. Сілезький технологічний університет проводить широкі дослідження стін жорсткості на повномасштабних моделях одноповерхових будівель. Експериментальні аналізи дозволяють описати поширення та морфологію тріщин. Визначення фаз поведінки стін жорсткості є основою для розробки методології розрахунку елементів жорсткості.

Елементи жорсткості в будівлях забезпечують безпечну передачу горизонтальних сил на фундамент. Бічні впливи спричинені вітром, а також нерівномірним осіданням або негативними наслідками гірничих робіт. Муровані стіни жорсткості спроектовані для забезпечення загальної жорсткості конструкції будівлі, обмеження горизонтального зміщення конструкції та гарантування комфорту використання.

Сучасна тенденція проектування полягає в зменшенні товщини стін. Інженери найчастіше перевіряють несучу здатність стін на основі вертикальних навантажень, але оминають перевірку стін на зсув. Такий підхід не тільки небезпечний, але й може спричинити проблеми при експлуатації, коли на стінах з’являються тріщини. Одним із недоліків поширених жорстких стін з автоклавного газобетону є поява тріщин навіть при низькому рівні горизонтальних навантажень.

Термін "стіна жорсткості" використовується як синонім до "стіна на зсув". Стіна без отворів називається суцільною стіною, а стіна з отворами описується як перфорована (рис. 1) згідно з канадськими нормативами [1]. Крім того, стіни на зсув можна класифікувати за аспектним відношенням, що означає співвідношення між висотою (h_w) і довжиною (l_w) жорсткої стіни. Значення цього коефіцієнта є важливим, оскільки воно інформує про те, які деформації стіни є домінуючими - вигин або зсув.

Рис. 1: Стіна на зсув з отворами (перфорована стіна):
1 – дверний проріз, 2 – віконний проріз, A, B, C – простінки, V – горизонтальна сила, що діє на стіну

Якщо значення аспектного відношення менше одиниці, то домінують зсувні деформації (рис. 2а). Значення аспектного відношення, що перевищує 1, свідчить про значний внесок деформацій на вигин стіни жорсткості (рис. 2б).

Рис. 2: Класифікація стін на зсув згідно з канадськими нормативами [1] на основі аспектного відношення:
а) короткі стіни, б) стіни на вигин

Поширеність стін жорсткості і їхня важлива роль у будівлі не збігаються з теоретичним і експериментальним вивченням їх поведінки. Дослідницькі прогалини включають вплив прорізів на жорсткість стіни, перерозподіл внутрішніх сил і врахування обертання будівлі внаслідок різної жорсткості та геометрії жорстких конструктивних елементів.

Більшість досліджень стін на зсув зводяться до випробувань на циклічне навантаження [2-5], тоді як випробування на монотонне навантаження є рідкісними. Одне з небагатьох досліджень стін на зсув, навантажених статичним навантаженням, наведено у [6]. Вплив обмежуючих елементів і різних типів армування на поведінку стін на зсув визначено у [7]. Результати конструктивної роботи кладки на сухих швах за різних нормальних напружень стиску та горизонтальних навантажень описані у [8].

Хоча дослідження моделей стін дало знання про поведінку окремої стіни, існує брак повномасштабних досліджень будівель. Дослідження моделей будівель дозволяє вивчити просторову роботу конструкції та перевірити ефект кручення будівлі з асиметричним розподілом жорстких елементів. Ця стаття представляє останні результати широкомасштабного дослідження, проведеного в Сілезькому технологічному університеті в рамках програми випробувань мурованих стін жорсткості.

Кшиштоф Гжиб — дослідник кафедри будівельних конструкцій Сілезького технологічного університету з досвідом досліджень кладочних та залізобетонних конструкцій. Автор публікацій щодо автоклавного газобетону, жорстких та обмежуючих кладок, а також випробувань залізобетонних плит. Захоплюється реставрацією історичних будівель та активно займається структурними аспектами втручання, збереження та ремонтних робіт. Співавтор проектів та численних технічних експертиз, що охоплюють залізобетонні, попередньо напружені, сталеві, дерев'яні та кладочні конструкції. krzysztof.grzyb@polsl.pl

Радослав Ясінський — кандидат наук, доктор наук, інженер-будівельник, доцент Сілезького технологічного університету, завідувач лабораторії будівельного факультету. Випускник будівельного факультету Сілезького технологічного університету в Глівіце, спеціалізується на мостах. Його наукові інтереси включають: кладочні конструкції, залізобетонні конструкції, діагностику конструкцій (НДТ, МДТ), чисельне моделювання конструкцій. Він є автором понад 350 книг, посібників, статей у технічних журналах та на національних і міжнародних конференціях. З 2010 року є членом Міжнародного товариства кладки. radoslaw.jasinski@polsl.pl

Матеріали та методи. Повномасштабна дослідна модель

Повномасштабна модель будівлі була виготовлена з блоків автоклавного газобетону (AНБ). Ширина одного блоку становить 180 мм, довжина — 590 мм, а висота — 240 мм. Густина блоків — 600 кг/м³. Стіни зведені на тонкому шарі розчину з заповненими горизонтальними швами та незаповненими вертикальними швами. Вертикальні з'єднання між елементами виконані за принципом "паз-гребінь" – рис. 3. Клас розчину — M5.

Рис. 3: Геометрія одного блоку (система Solbet Smart):
1 – блок, 2 – гребінь, 3 – паз

Модель будівлі була виконана на квадратному плані з розмірами 4,0x4,0 м. Товщина стін відповідає товщині блоку і становить 180 мм. Загальна висота моделі — 2,85 м. Стеля була виконана як частково збірна конструкція у вигляді плит, які монолітно з'єднані бетонною накладкою. Плита була спроектована як жорстка діафрагма в її площині.

Стіни жорсткості позначені літерами A і B, а перпендикулярні стіни — номерами 1 і 2. У стіні A зроблено дверний проріз розмірами 1,0x1,92 м, а у перпендикулярній стіні 1 зроблено віконний проріз розмірами 1,0x1,0 м. Модель випробуваної будівлі показана на рис. 4.

Рис. 4: Повномасштабна модель кладочної будівлі:
a) вид стіни жорсткості A та перпендикулярної стіни 1,
b) вид стіни жорсткості B та перпендикулярної стіни 2

Стенд для випробувань

Було спроектовано власний стенд для випробувань стін жорсткості на повномасштабних моделях. Будівлю закріпили на міцній підлозі. Поруч з моделлю був розміщений сталевий стовп з розпіркою. Горизонтальна сила утворювалася гідравлічним приводом з діапазоном 1000 кН, підтримуваним сталевою конструкцією, встановленою на сталевому стовпі – рис. 5. Для створення початкових напружень стиску s_c = 46,26 кН/м² = 0,05 Н/мм², що відповідають власній вазі та корисному навантаженню, використовувалися бетонні ваги, підвішені до плити. Всього було підвішено 36 ваг по 204 кг кожна – рис. 6.

Рис. 5: Модель будівлі на випробувальному стенді

Рис. 6: Вертикальне навантаження здійснене шляхом підвішування бетонних ваг

Методи вимірювання

Для вимірювання переміщень використовувалися датчики лінійного змінного диференціального трансформатора (LVDT). З цією метою на стінах були встановлені прямокутні вимірювальні бази – рис. 7. Датчики LVDT з діапазоном вимірювання 20 мм (PJX-20) були встановлені по діагоналях, а датчики LVDT з діапазоном 10 мм (PJX-10) – на вертикальних та горизонтальних рамах. Роздільна здатність показів становила 0,002 мм. Завдяки математичним правилам і результатам від датчиків було можливо розрахувати кут зсуву в еластичному діапазоні та кут деформації в нелінійному діапазоні.

Під час випробувань також вимірювалися переміщення плити. На підлозі були розміщені контрольні точки для цифрової кореляції зображень – рис. 8. Цифрова камера була підвішена над моделлю будівлі, і фотографії робилися послідовно під час процесу навантаження. Роздільна здатність показів DIC становила 0,01%, а вимірювання горизонтальної сили здійснювалося за допомогою силоміра.

Рис. 7: Кут вимірювальної бази з LVDT сенсором

Рис. 8: Орієнтири на плиті для цифрової кореляції зображень

Результати випробувань. Поведінка стін жорсткості

Результати представлені на графіках нормалізованої горизонтальної сили (H_i/H_u) до кута зсуву Θ_i (еластичний діапазон) або кута деформації зсуву (нелінійний діапазон). Поведінка стін жорсткості A і B показана на рис. 9a, а поведінка перпендикулярних стін 1 і 2 — на рис. 9b.

Рис. 9: Зв’язок між горизонтальною силою та кутом деформації зсуву для моделі MB-AAC-010/3:
а) результати для стін А і В, б) для 1 і 2 стін

Рис. 10: Діаграма нормованого поперечного навантаження – горизонтального переміщення для моделі MB-AAC-010/3:
а) результати для стін А і В, б) для 1 і 2 стін

Крім того, значення горизонтальних переміщень були розраховані на основі відомих значень кутів деформації зсуву за формулою (1). Результати представлені на графіках нормалізованої горизонтальної сили до горизонтальних переміщень на рис. 10.

u_i= Θ_i x h

де:
u_i– горизонтальне переміщення в напрямку x уздовж навантаження (u_x) або в напрямку y перпендикулярно до навантаження (u_y);
Θ_i – кут деформації зсуву в лінійній фазі та кут деформації зсуву в нелінійній фазі;
h – висота моделі, яка дорівнює h = 2,63 м (висота будівлі без нижнього залізобетонного кільця).

Максимальна горизонтальна сила під час випробувань становила 74,1 кН, а максимальні горизонтальні переміщення стіни жорсткості A досягли значення понад 21 мм. Горизонтальні переміщення перпендикулярних стін 1 і 2 були значно меншими і становили близько 1-2 мм.

Прогресування тріщин та схема тріщин

Прогресуючі тріщини на стінах моделі будівлі були позначені під час випробувань. На рисунках 11 і 12 представлено схему тріщин випробуваної моделі.

Ініціація тріщин відбувається в напруженому куті прорізу — стіна жорсткості A (рис. 11). Діагональні тріщини з’являються при навантаженні будівлі. У суцільній стіні жорсткості B діагональна тріщина поділила стіну на дві частини, і після досягнення граничної несучої здатності стіни, частина над тріщиною зазнає значних горизонтальних переміщень (ковзне руйнування). Через відносно невеликі початкові стискаючі напруження тріщини виникали переважно між швами. У перпендикулярних стінах спостерігали менші пошкодження (рис. 12). Є горизонтальна тріщина на половині висоти стіни 2 з боку прикладеного навантаження. Це пошкодження є результатом розтягування та підйому стіни. Пошкодження конструкції призводить до зниження жорсткості стіни та збільшення горизонтальних переміщень.

Рис. 11: Схема тріщин стіни жорсткості A і перпендикулярної стіни 1

Рис. 12: Схема тріщин стіни жорсткості B і перпендикулярної стіни 2

Ефект кручення будівлі

Різна жорсткість стін спричиняє кручення будівлі. Аналіз векторів переміщень показав, що на початковій фазі, коли жорсткість будівлі найвища, будівля обертається. Зі збільшенням навантаження стіни тріскаються, і внутрішні сили перерозподіляються. Вирівнювання внутрішніх сил між стінами призводить до того, що обертання поступається місцем переміщенню будівлі.

На заключному етапі випробування обертання мінімальне, і горизонтальне переміщення, узгоджене з дією бокового навантаження, домінує (переміщення з невеликим обертанням).

Обговорення

Аналіз залежностей, показаних у розділі 3.1, дозволяє виділити фази поведінки стін жорсткості. Для жорсткої стіни з дверним отвором (стіна A) можна виділити чотири етапи – початкова фаза, еластична фаза, нелінійна фаза та залишкова фаза після піка. У стінах без отворів (стіна B) початкової фази немає.

Характеристичні значення горизонтальної сили та відповідних кутів деформації зсуву наведені в таблиці 1. На основі емпіричного методу визначення жорсткості стін жорсткості [9] була розрахована жорсткість стін A і B – таблиця 2. Використовуючи пропорцію між кутами деформації зсуву, були розраховані горизонтальні сили, що діють на стіни – таблиця 3.

Зі збільшенням горизонтального навантаження наступні тріщини спричиняють значне зниження жорсткості стіни (таблиця 2). Після досягнення максимальної сили, сили що діють на стіни, вирівнюються через перерозподіл внутрішніх сил (таблиця 3). У залишковій фазі горизонтальні переміщення швидко збільшуються.

Висновки

Стіни жорсткості є важливими конструктивними елементами, роль яких полягає у безпечній передачі горизонтальних сил на фундамент. Експериментальне вивчення мурованої стіни при монотонному статичному навантаженні досі є мінімальним. Повномасштабне дослідження моделі будівлі, виготовленої з автоклавного газобетону, було проведено в Сілезькому технологічному університеті. На основі досліджень було встановлено, що:

ініціація тріщин відбувається в напруженому куті прорізу;
прогресуюче утворення тріщин у мурованих стінах спричиняє значне зниження їх жорсткості;
поведінка стін жорсткості з отворами може бути описана чотирма фазами (початкова фаза, еластична фаза, нелінійна фаза та залишкова фаза після піка);
у суцільних стінах жорсткості початкової фази немає, поведінку можна визначити на трьох етапах (еластична фаза, нелінійна фаза та залишкова фаза після піка);
на початковій фазі, коли жорсткість будівлі найвища, будівля має тенденцію до обертання;
у залишковій фазі обертання мінімальне, і домінує горизонтальне переміщення (переміщення з невеликим обертанням).

Таблиця 1: Значення горизонтальних сил і кутів деформації на основі результатів випробувань

Стіна	Початкова фаза		Еластична фаза		Нелінійна фаза		Залишкова фаза після піку
Стіна	H_cr,1 кН	Θ_cr,1 mrad	H_cr, кН	Θ_cr, mrad	H_u, кН	Θ_u, mrad	H_res, кН	Θ_res, mrad
А	20.768	0.034	60.385	0.202	74.048	2.967	61.455	3.202
В	-	-	67.631	0.098	-	0.410	61.455	0.436

Таблиця 2: Жорсткість стін жорсткості на основі випробування

Стіна	Початкова фаза	Еластична фаза	Нелінійна фаза	Залишкова фаза після піку
	_Kcr,1 кН/мм	K_cr, кН/мм	_Ku, кН/мм	_Kres, кН/мм
А	254.6	124.4	10.4	8.0
В	-	287.4	75.3	58.7

Таблиця 3: Горизонтальні сили, що діють на стіни жорсткості

Стіна	Еластична фаза	Нелінійна фаза	Залишкова фаза після піку
	H_cr, кН/мм	_Hu, кН/мм	_Hres, кН/мм
А	32.6	37.0	30.7
В	31.4	37.0	30.7

Представлені результати є частиною широкої програми досліджень стін жорсткості, проведеної авторами статті.

Подяка

Кшиштоф Гжиб є стипендіатом Європейського Союзу за рахунок Європейського соціального фонду, грант InterPOWER (POWR.03.05.00-00-Z305).
Автори висловлюють подяку компаніям Konbet та Solbet S.A. за їхні цінні поради та надання блоків автоклавного газобетону для мурування, розчину, плит перекриття та елементів балок, використаних для підготовки тестових моделей і проведення випробувань.

Ви є тут