Сегментный способ определения прочности ограждающих конструкций
Владельцы патента RU 2622007:
федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) (RU)
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в строительстве при расчете ограждающих конструкций зданий. Способ заключается в том, что в исследуемом месте ограждающей конструкции на всю глубину кирпичной кладки отбирают два керна, первый керн отбирают по центру ложковой стороны наружного ряда кирпичей, второй керн отбирают так, чтобы слой раствора находился в центре керна. Каждый из полученных кернов разрезают на цилиндры, каждый из цилиндров испытывают на прочность ударно-импульсным методом, при этом для цилиндров первого керна удары производят только по поверхности кирпича, а для цилиндров второго керна удары производят только по поверхности раствора. После проведения испытаний цилиндры с помощью раствора укладывают в места их отбора в ограждающей конструкции. По измеренным значениям прочности рассчитывают сопротивление сжатию кирпичной кладки в каждом слое конструкции, соответствующем расположению цилиндров. Достигается повышение точности расчета прочностных характеристик ограждающей конструкции из кирпичной кладки путем обеспечения возможности определения прочности во всех ее слоях по всему сечению конструкции за счет измерения прочности образцов, взятых на всю глубину кладки, и без потери прочности конструкции. 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в строительстве при определении расчетных прочностных характеристик ограждающих конструкций зданий.
Прочность несущей ограждающей конструкции является основной характеристикой при новом строительстве и реконструкции зданий. Кирпичные ограждающие конструкции занимают значительное место в зданиях, построенных более полувека назад - в то время это был основной строительный материал. Многие из построенных кирпичных зданий представляют собой исторически ценные здания, другие используются для проведения ремонта или реконструкции с возможным увеличением этажности. В этих условиях определение прочностных характеристик несущих стен здания требует максимальной точности и надежности полученных результатов.
В настоящее время действуют два основных стандарта, регламентирующих проведение испытаний каменной кладки на прочность при сжатии (ГОСТ 32047-2012 «Кладка каменная. Метод испытания на сжатие». - М.: Стандартинформ, 2014[1]; ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Методы определения прочности при сжатии и изгибе». - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001 [2]). Действующие стандарты в основном направлены на определение прочности кирпича при выпуске партии на заводе. Кроме того, что данные методы не позволяют исследовать прочность ограждающей конструкции по сечению, проводить испытания этими методами для контроля прочности кладки при обследовании построенных строений затруднительно по следующим причинам:
- подготовка образцов представляет собой длительный процесс, не менее 3-х суток, и требует громоздкого оборудования в виде пресса;
- количество необходимых для испытания кирпичей достаточно велико: если в [2] требовалось два кирпича для одной партии, а количество образцов стандартом не регламентировалось, то [1] требует минимум трех образцов с использованием минимум 10 кирпичей стандартного размера в каждом образце, что не может быть выбрано из несущей стены здания без ее ослабления, а для исторических зданий, имеющих охранные требования, вообще невозможно.
Для решения первого вопроса, представляющего собой методику проведения эксперимента, возможно использовать методы неразрушающего контроля. Так, например, стандарт контроля прочности бетона допускает применение таких методов при условии построения градуировочной кривой на соответствие данного метода неразрушающего контроля основному (ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости». - М.: Стандартинформ, 2014 [3]).
ВСП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» (Госстрой России). - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004 [4] говорится о целесообразности предварительно любым оперативным (экспертным) методом (молотком Фидзеля, ультразвуковым поверхностным прозвучиванием и пр.) обследовать бетон по его поверхности в расчетных сечениях конструкций и их элементов с целью выявления возможного наличия зон с различающейся прочностью бетона.
Вопрос ослабления несущей способности ограждающей конструкции при изъятии из нее значительного количества кирпичей (причем целых, как предписывают [1, 2]) решается по-разному. В [4] рекомендуется «отбор кирпича, камней и раствора из стен и фундаментов производить из ненесущих (под окнами, в проемах) или слабонагруженных элементов или конструкций, подлежащих разборке и демонтажу». Хотя в том же пункте говорится, что «прочность определяют испытанием образцов и проб, взятых непосредственно из тела обследуемой конструкции или близлежащих участков, если имеются доказательства идентичности применяемых на этих участках материалов». Идентичные нагруженные и разгруженные участки в конструкции несущей стены обнаружить достаточно сложно. Подоконные участки, которые обычно используются для отбора кирпичей, находятся в другом температурно-влажностном режиме, так как обычно за ними установлены батареи, а следовательно, идентичными материалу простенка признаны быть не могут.
В 1988 году ЦНИИСК им. Кучеренко разработал Рекомендации (Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. М.: ЦНИИСК им В.А. Кучеренко, 1988. 36 с. [5], в которых допускалось (п.3.12) «прочность (марка) природных камней правильной и неправильной формы, а также мелких и крупных блоков из тяжелого, силикатного, ячеистого бетонов и бетонов на пористых заполнителях определять путем испытания на сжатие образцов-кубов или цилиндров, выпиленных или высверленных из камней, целых изделий или монолита». Предел прочности природных камней и мелких и крупных блоков из указанных бетонов вычисляется умножением результатов испытаний образцов-кубов или цилиндров на масштабные коэффициенты. При этом отдельно отмечалось, что коэффициенты могут использоваться и при определении предела прочности обыкновенного глиняного и силикатного кирпича по данным испытаний кубиков и цилиндров с высотой ребра или диаметром 40-80 мм. Данный способ определения прочности строительных изделий принят за прототип изобретения.
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет определить и учесть прочность кирпичной кладки во всех ее слоях по сечению кладки.
Исследования показали, что прочность старой кирпичной кладки по ее сечению неоднородна. Наличие зоны максимального увлажнения кладки в зоне отрицательных температур, а также разное число циклов замораживания - оттаивания внутри ограждающей конструкции и на ее поверхности приводит к неравномерному снижению прочности наружной ограждающей конструкции по сечению. Встает вопрос о необходимости определения и учета прочности по сечению при обследовании и проектировании реконструируемых зданий.
Целью изобретения является разработка способа исследования прочности несущей ограждающей конструкции, который позволяет уточнить прочностные характеристики ограждающей конструкции за счет определения ее прочности с достаточной точностью в любом месте несущей стены по всему ее сечению без потери прочности конструкции.
Цель изобретения решается способом определения прочности ограждающей конструкции из кирпичной кладки, заключающимся в том, что в исследуемом месте ограждающей конструкции на всю глубину кирпичной кладки отбирают два керна, первый керн отбирают по центру ложковой стороны наружного ряда кирпичей, второй керн отбирают так, чтобы слой раствора находился в центре керна, каждый из полученных кернов разрезают на цилиндры, каждый из цилиндров испытывают на прочность ударно-импульсным методом, при этом для цилиндров первого керна удары производят только по поверхности кирпича, а для цилиндров второго керна удары производят только по поверхности раствора, измеряют прочность кирпича и раствора в цилиндрах, после проведения испытаний соединяют цилиндры с помощью раствора и укладывают полученные керны в места их отбора в ограждающей конструкции, а по измеренным значениям прочности рассчитывают сопротивление сжатию кирпичной кладки в каждом слое конструкции, соответствующем расположению цилиндров.
Технический результат, достигаемый предложенным способом, заключается в повышении точности определения прочностных характеристик ограждающей конструкции из кирпичной кладки путем обеспечения возможности определения прочности во всех ее слоях по всему сечению конструкции за счет измерения прочности образцов, взятых на всю глубину кладки, и без потери прочности конструкции за счет того, что взятые образцы скрепляются раствором и устанавливаются после испытаний на прежнее место.
На фиг. 1 приведена схема отбора кернов из кирпичной кладки.
Предложенный способ определения прочности ограждающей конструкции осуществляли следующим образом.
В каждом назначенном для контроля прочности месте несущей стены 1 на всю глубину кирпичной кладки с помощью дрели 2 с керноотборником 3 отбирали два керна 4 и 5. Рекомендуется использовать керноотборники 3 с диаметром керна 50 или 80 мм. Один керн 4 отбирали по центру ложковой стороны наружного ряда кирпичей, второй керн 5 отбирали таким образом, чтобы слой раствора приходился на центр керна 5. Первый керн 4 использовался для определения прочности кирпича, второй керн 5 - для определения прочности раствора.
При невозможности отбора керна с одой стороны (при большой толщине наружной стены) методика отбора кернов следующая: для центровки отбора кернов, вначале сверлом диаметром 12-20 мм стена просверливается насквозь с образованием сквозного направляющего отверстия 6. Далее на дрель 2 с керноотборником 3 крепится направляющая в виде арматуры AI или AIII длиной в 1,5 раза больше толщины стены и диаметром 10-12 мм. Использование направляющего прута 7 позволяет с высокой точностью выполнить отбор кернов 4 и 5 навстречу друг другу.
Полученные керны разрезали на цилиндры высотой 50 мм. Каждый цилиндр с двух плоских поверхностей проверяли на прочность неразрушающим ударно-импульсным методом с количеством ударов не менее 5. Плоскости первого и последнего цилиндров, представляющие собой наружную и внутреннюю поверхности исследуемой ограждающей конструкции, контролировали 10 ударами. При определении прочности плоскостей цилиндров первого керна удары производили только по поверхности кирпича, для второго керна удары производили только по поверхности раствора. Таким образом прочность сечения через каждые 50 мм представляла среднее арифметическое из 10 ударов. Другая статистическая обработка проводится при необходимости.
Для проверки цилиндров на прочность ударно-импульсным методом использовали измеритель прочности Интерприбор ОНИКС-2.5 (http://www.geobrand.ru/nerazrush-control/proch/interpribor/oniks.html#tabCertificates), Руководство пользователя (инструкция) на измеритель прочности Интерприбор ОНИКС-2.5 (http://www.geobrand.ru/images/pnk/beton%20hammers/manual-interpribor-Oniks-25.pdf). Могут быть использованы и другие известные методики определения прочности неразрушающими методами.
После проведения исследования готовили раствор марки не ниже максимальной прочности кирпича, полученной при исследовании, и керны укладывали в стену на прежнее место. При этом наружная стена здания не теряет своей прочности и сохраняет внешний вид.
Расчет прочностных характеристик кирпичной стены в целом при проведении обследования по разработанной методике проводили в соответствии с СНиПП-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции» (Госстрой России). - М.: ФГУП ЦПП, 2004 [6]. Зная прочность кирпича и раствора в каждом сечении кладки, определяли расчетные сопротивления R сжатию кладки по таблицам 2-9.
Таким образом определяли прочность кладки в каждом отдельном слое многослойной стены.
При расчете прочностных характеристик ограждающую конструкцию рассматривают как многослойную стену с жесткими связями, в которой жесткие связи обеспечивают распределение нагрузки между конструктивными слоями. При расчете многослойных стен различную прочность и упругие свойства слоев, а также неполное использование их прочности при совместной работе в стене следует учитывать путем приведения площади сечения к материалу основного несущего слоя (слоя с максимальной прочностью). При этом за основной несущий слой при решении нашей задачи следует принимать слой с наибольшей прочностью. Эксцентриситеты всех усилий должны определяться по отношению к оси приведенного сечения.
В соответствии с [6] при приведении сечения стены к одному материалу толщина слоев должна приниматься фактической, а ширина слоев (по длине стены) изменяться пропорционально отношению расчетных сопротивлений и коэффициентов использования прочности слоев по формуле
где bred - приведенная ширина слоя, м;
b - фактическая ширина слоя, м;
R, m - расчетное сопротивление сжатию, кгс/см2 и коэффициент использования прочности слоя, к которому приводится сечение (максимальное значение);
Ri; mi - расчетное сопротивление сжатию, кгс/см2 и коэффициент использования прочности любого другого слоя стены.
Коэффициенты использования прочности слоев m и mi, в связи с тем, что рассматриваемая нами многослойная конструкция состоит из одного материала целесообразно принимать равными 1.
В таблице представлены результаты измерений прочности цилиндров и расчета их прочностных характеристик: сопротивление сжатию кладки в сечении Ri, приведенная ширина слоя bred, приведенная площадь слоя Fi.
Предложенный сегментный способ исследования прочности ограждающей конструкции позволяет определить прочность несущей стены здания по сечению в любой точке конструкции и не нарушить при этом прочность и исторический внешний вид здания.
Сегментный способ определения прочности ограждающей конструкции из кирпичной кладки, отличающийся тем, что в исследуемом месте ограждающей конструкции на всю глубину кирпичной кладки отбирают два керна, первый керн отбирают по центру ложковой стороны наружного ряда кирпичей, второй керн отбирают так, чтобы слой раствора находился в центре керна, каждый из полученных кернов разрезают на цилиндры, каждый из цилиндров испытывают на прочность ударно-импульсным методом, при этом для цилиндров первого керна удары производят только по поверхности кирпича, а для цилиндров второго керна удары производят только по поверхности раствора, после проведения испытаний цилиндры с помощью раствора укладывают в места их отбора в ограждающей конструкции, по измеренным значениям прочности рассчитывают сопротивление сжатию кирпичной кладки в каждом слое конструкции, соответствующем расположению цилиндров.
