Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технического состояния каменных зданий исторической застройки (КЗИЗ) 13
1.1. Функциональное и архитектурно-градостроительное назначение зданий 13
1.2. Объёмно-планировочные решения зданий 15
1.3. Строительно-конструктивные решения зданий
1.3.1. Фундаменты 19
1.3.2. Стены и перегородки 22
1.3.3. Перекрытия
1.4. Основные результаты визуально-инструментального мониторинга 29
1.5. Региональные условия эксплуатации 37
Выводы по главе 40
ГЛАВА 2. Исследование механических свойств материалов старинных каменных кладок
2.1. Современные представления о работе каменных кладок 42
2.2. Методика проведения испытаний 46
2.3. Результаты микроструктурного анализа 47
2.4. Результаты испытания бутового камня на водопоглощение 50
2.5. Конструктивные свойства каменных кладок 51
Выводы по главе 63
ГЛАВА 3. Экспериментальная и модельная (расчётная) оценка сейсмостойкости КЗИЗ 65
3.1. Методы оценки ресурса сейсмостойкости 65
3.2. Краткий анализ существующих шкал классификаций зданий по сейсмостойкости 71
3.3. Оценка сейсмостойкости КЗИЗ 74
3.3.1. Расчётно-аналитический метод 75
3.3.2. Методы имитационного микросейсмического воздействия
3.4. Оценка динамических параметров зданий методом численного моделирования 78
3.5. Экспериментальные исследования КЗИЗ на микросейсмические воздействия 91
Выводы по главе 95
ГЛАВА 4. Модельная (расчётная) оценка эффективности усиления кзиз 97
Выводы по главе 107
Заключение 108
Литература
- Строительно-конструктивные решения зданий
- Основные результаты визуально-инструментального мониторинга
- Результаты испытания бутового камня на водопоглощение
- Методы имитационного микросейсмического воздействия
Введение к работе
Актуальность темы. Федеральный закон №73-ФЗ «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» от 25 июня 2002 г. определяет объекты культурного наследия как непреходящую ценность – примеры цивилизации, культурных предпочтений, умения и опыта предшествующих поколений. В соответствии с ним установлен единый государственный реестр объектов культурного наследия, находящихся под государственной охраной, включая и здания-памятники. Число последних на территории Восточной Сибири (Иркутская область и Республика Бурятия) превышает пять тысяч наименований. При этом около объектов исторического наследия являются образцами каменного зодчества.
К настоящему времени возраст этих зданий превышает сто лет и их техническое состояние характеризуется наличием большого количества дефектов, повреждений и неисправностей, свидетельствующих о прогрессирующем физическом износе. Кроме сугубо временного фактора, имеется ряд обстоятельств, способствующих интенсификации деструктивных процессов в несущих элементах зданий. При этом, на наш взгляд, объективными факторами могут быть признаны сложные и неблагоприятные климатические условия региона, а также существенное несоответствие использованных типов объёмно-планировочных и строительно-конструктивных решений зданий исторической застройки современным представлениям и требованиям обеспечения их сейсмостойкости.
Степень разработанности. Исследования каменных строительных конструкций берут своё начало с 30-х годов прошлого столетия. Основной вклад внесли фундаментальные работы Онищика Л. И., Камейко В. А., Котова И. Т., Кравчени Н. И., Полякова С. В., Семенцова С. А., Пангаева В. В., Соколова Б. С., Савина С. Н., Котляревского В. А. и др. Среди зарубежных исследователей известны работы Д. Парсонса, Дж. Пирсона, Л. Пальмера и др.
Изучению дефектов и повреждений каменных зданий, сооружений и методам их устранения посвящены исследования: Бойко М. Д., Бессонова Г. Б., Грабаря И. Э., Мартемьянова А. И., Левинсона Н. Р., Физделя И. А. и др. Из последних научных исследований по анализу технического состояния применительно к каменным зданиям исторической застройки (далее КЗИЗ) следует отметить работу Лукова А. В., в которой (на примере г. Москва) подробно описаны и систематизированы основные дефекты, повреждения, факторы-причины появления, влияющие на регрессивное состояние.
Вместе с тем, следует отметить, что результатом ранее проведенных исследований отечественными и зарубежными учёными являются разработанные и апробированные методы повышения несущей способности отдельных конструктивных элементов. Вопросы оценки сейсмостойкости, восстановления и усиления КЗИЗ с учётом региональных условий актуальны и требуют своего решения.
Объект исследования - каменные здания исторической застройки, эксплуатируемые 100 и более лет на территории Восточной Сибири (Иркутская область и Республика Бурятия).
Цель работы - разработка комплексного системного подхода к проблеме оценки сейсмостойкости и восстановления каменных зданий исторической застройки.
Задачи исследования:
на основании анализа и обобщения результатов технического мониторинга каменных зданий исторической застройки (КЗИЗ) теоретически обосновать необходимость совершенствования методики обследования для оценки их сейсмостойкости;
оценить соответствие объёмно-планировочных и строительно-конструктивных решений КЗИЗ современным нормативным требованиям сейсмостойкого строительства;
определить и проанализировать данные прочностных и деформативных свойств материалов несущих элементов рассматриваемых зданий;
выполнить натурный и численный эксперимент для определения сейсмостойкости зданий с использованием статистически обоснованных данных сопротивляемости материалов несущих элементов КЗИЗ;
определить приемлемые для рассматриваемой категории зданий методы восстановления и усиления;
выполнить экспериментально-аналитическую оценку технической эффективности предложенных методов усиления.
Научная новизна работы.
-
Разработана научная концепция оценки сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки, учитывающая региональные условия и специфику объёмно-планировочных и строительно-конструктивных решений.
-
Статистически обоснованы данные прочностных и деформативных свойств старинных каменных кладок из рваного бута, кирпича и горных пород, длительно эксплуатируемых в сейсмоактивных районах и суровых климатических условиях, позволяющие использовать их для практических численных расчётов.
-
Модернизированы расчётно-динамические модели каменных зданий исторической застройки, учитывающие особенности их объёмно-планировочных и конструктивных решений и полученные данные прочностных и деформативных показателей свойств материалов, которые позволяют достоверно оценить сейсмостойкость объектов КЗИЗ.
-
Разработан метод усиления КЗИЗ, основанный на создании более жёстких пространственных конструктивных систем, учитывающих сохранность атрибутов исторической ценности объекта.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан и реализован на практике технический и технологический регламент обследования, восстановления, усиления и реконструкции каменных зданий исторической застройки.
Выполнены и практически реализованы проекты усиления и восстановления зданий-памятников: застройка улицы Урицкого, усадьба Аксенова Я.В., торговое здание по ул. Урицкого, 2 (2008 г.), культурно-бытовой комплекс завода по ул. Карла Маркса, 53 (2007 г.), здание-памятник: «Жилой дом» ул. Лапина, 8 в г. Иркутске (2010 г.) и др.
Теоретическая и методическая основа исследования. Поставленные задачи решены с использованием общенаучных методов исследования (идеализация объекта, численное моделирование, вероятностно-статистический анализ), выполнением представительного объёма экспериментов в аккредитованной лаборатории «испытание строительных материалов и конструкций» Иркутского национального исследовательского технического университета на современном поверенном испытательном оборудовании.
Достоверность результатов исследований обеспечивается
использованием фундаментальных положений теории прочности каменных конструкций; исходными теоретическими предпосылками, принятыми на основании анализа многочисленных исследований о поведении каменных конструкций при динамических воздействиях; представительным объёмом экспериментальных работ, выполненных по нормативной методике с использованием новейшего поверенного испытательного оборудования; применение апробированных методов вероятностно-статистического анализа и обобщения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических совещаниях при Министерстве культуры и архивов Иркутской области (2008-2012 г. г.), Службе по охране объектов культурного наследия Иркутской области (2006, 2008-2013 г. г.), на Восточно-Сибирской региональной научно-практической конференции по вопросам сейсмобезопасности в строительстве (Иркутск, 2011 г.), VII Международной научно-практической конференции «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия» (Россия, г. Новосибирск, 12-13.12.2014 г.), на конференциях ИрНИТУ (Иркутск, 2009-2012 г. г.), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2015, 2016 г. г.).
На защиту выносятся:
-
Комплексный системный подход к проблеме оценки сейсмостойкости, восстановления и периодического мониторинга КЗИЗ.
-
Объективные обобщённые данные мониторинга технического состояния
КЗИЗ, расположенных на территории Восточной Сибири (Иркутская область, Республика Бурятия) с анализом основных факторов их деструкции.
-
Статистически обоснованные характеристики прочностных и деформативных свойств различных старинных каменных кладок, длительно эксплуатируемых в сейсмоактивных районах.
-
Результаты расчётно-аналитической и экспериментальной оценки сейсмостойкости КЗИЗ и способы её восстановления.
Внедрение результатов исследования. Теоретические положения, результаты экспериментальных исследований и производственной апробации использованы при разработке проектных решений по восстановлению и реставрации объектов культурного наследия, расположенных на территории Восточной Сибири и Забайкалья. При разработке расчётных динамических моделей учтена специфика объёмно-планировочных и строительно-конструктивных решений зданий, а также статистически достоверные характеристики конструктивных свойств материалов несущих конструкций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ: в журналах, сборниках научных статей и материалах научно-технических конференций, в том числе четыре статьи в журналах, рецензируемых ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации 152 страницы текста, в том числе 23 рисунка, 27 таблиц, 145 наименований литературных источников и Приложения.
Строительно-конструктивные решения зданий
Функциональное и архитектурно-градостроительное назначение зданий В начале XIX века Строительным комитетом при Министерстве внутренних дел России были разработаны образцовые архитектурные проекты каменных зданий, в которых наблюдалась известная преемственность от деревянных домов предшествующего периода (пятистенок, шестистенок и т.п. [2, 3, 4, 5, 6, 7]). Это нашло отражение в объёмно-планировочных решениях зданий каменной застройки. Для крупных городов Восточной Сибири, в частности для города Иркутска, были отобраны образцовые проекты домов, часть которых была выполнена столичными архитекторами В. Стасовым, Руска и Гёсте. Типовые решения представляли обычно дома из кирпича в один этаж без подвала, с полуподвалом, с мезонином и в два этажа на каменных (бутовых) фундаментах. В отличие от проектов конца XVIII века эти решения, в значительной части, корректировались с учётом различных возможностей и вкусов местных застройщиков и, как уже результат своеобразного коллективного творчества народных мастеров, местных проектировщиков (зодчие А. Я. Алексеев, А. И. Лосев, Я. А. Кругликов, А. Е. Разгильдеев, А. И. Кузнецов, А. П. Артюшков, Н. И. Бойков, А. В. Васильев и многие др.) и видных столичных архитекторов, определили общее направление и характер всего массового строительства на территории Восточной Сибири.
Каменная застройка поражает своим разнообразием, где ярко выраженным, где скромным, нюансным и причиной того являлось то, что она не достигла уровня канонизации, сохранив во многом свой переходный характер: от дерева к камню, от усадебного дома к доходному, от деревенского типа к городскому. Характерной особенностью застройки было совмещение в них различных жилых, торговых и казённых функций.
К концу первой половины XIX столетия в городских застройках вырабатываются три основных направления по объёмно-планировочным решениям зданий, развитие которых проходило на протяжении почти целого столетия. К первому направлению относятся дома антресольного типа (17%), выстроенные по образцовым фасадам, которые хотя и не носили массового характера, тем не менее, заняли значительное место в застройке городов. Второе -представляют дома-особняки (15%), выстроенные по индивидуальным заказам, в архитектуре и планировке которых отражено влияние стиля ампир многочисленных жилых домов и особняков провинциальных городов России в сочетании с местными декоративными мотивами и приёмами планировки. Характерной особенностью данного направления является чёткость симметричного построения. Третье – многоквартирного типа (68%), наиболее распространённое, получили дома с полуподвалом или с пониженным первым этажом, получившим развитие от подклети. Планировка таких домов в большинстве не симметрична, помещения, выходящие на главный фасад, имеют большую высоту (более 4,0 метров) и размеры, чем со стороны двора.
Архитекторы, моделируя форму дома, всегда учитывали месторасположение объекта: центральная улица или второстепенная, угловое положение на пересечении улиц или в глубине участка, характер окружающей застройки. Угловая постановка здания обуславливала Г-образный план со скошенным внешним углом и развитыми боковыми крыльями без каких-либо конструктивных мероприятий (деформационных швов) по разделению его на отдельные блоки.
В конце XIX века возводится значительное количество 2х, 3х этажных каменных зданий. На центральных улицах в основном сосредоточиваются крупные административные и доходные дома, отличающиеся проработанностью фасадов. Их композиционное решение - включить большее число квартир с относительно равными условиями для жильцов, что предопределило равную высоту этажей, протяжённость фасадов, равномерный частый ритм одинаковых оконных проёмов верхних этажей, при ширине рядовых простенков 0,27 – 1,1 м. Более детально и выразительно проработан первый этаж, предназначавшийся для общественных нужд и требующий большего объёмного пространства – расстояние между поперечными несущими стенами на отдельных объектах достигает 12,48 и более метров.
По результатам обследования более ста каменных зданий были выделены наиболее часто встречающиеся их объёмно-планировочные решения (Приложение 1). Полученные обобщённые данные позволяют считать, что каменная застройка представлена: а) одноэтажными - 21%, 2х этажными - 52%, трёхэтажными - 27% зданиями; б) зданиями несимметричной формы в плане (около 85%); в) высокими (более 12 м), преимущественно, двухэтажными зданиями (42%).
В таблице 2 приведены выборочные данные по объёмно-планировочным решениям (далее ОПР), которые регламентированы действующими нормативными документами по строительству в сейсмических районах [12] и имеющих принципиальное значение с точки зрения оценки их сейсмоуязвимости. Из их анализа следует: 1) несимметричность и относительная сложность конфигурации зданий в плане с преобладанием Г-образных решений, что противоречит одному из основных принципов обеспечения сейсмостойкости – равномерному и симметричному распределению масс и жесткостей [п. п. 4.1] (здесь и далее ссылка на [12]); 2) отсутствие деформационных швов в местах примыкания блоков [п. п. 6.1.2], различающихся по высоте, массе и направлению, что предопределяет возможность возникновения крутящих моментов при горизонтальных сейсмических воздействиях; 3) превышение нормируемых величин: фактических высот зданий и помещений, расстояний между несущими поперечными стенами, ширины простенков и проёмов, отношения ширины простенка к ширине проёма, выноса
Основные результаты визуально-инструментального мониторинга
По результатам технического мониторинга 125 объектов КЗИЗ была отобрана представительная (по количеству, типу объёмно-планировочных и строительно-конструктивных решений) группа для сопоставительной оценки сейсмостойкости расчётно-аналитическими и экспериментальными методами. Образцы материалов кладок несущих конструкций подготовлены и испытаны согласно нормативно регламентированных методик [26, 27, 29, 43].
Цель этих исследований состояла не только в объективной оценке механических свойств старинных каменных кладок в настоящее время, но и в максимально доступном (возможном) анализе прошедших структурных изменений, позволяющем прогнозировать их ожидаемую динамику в процессе дальнейшей эксплуатации. Кроме того, комплексность испытаний даёт возможность сопоставить фактические и расчётные параметры сопротивляемости и, как следствие, приемлемость аналитических, модельных и конструктивных процедур СП 15.13330.2012 [14] для "старинных" кладок.
При этом, минерало-петрографическую характеристику пород рваного и постелистого бута определяли путём макро- и микроскопического изучения шлифов под лупой. Структура и категория пород оценивалась по размерам зёрен и классифицировалась согласно установленным стандартным группам. Одновременно, с использованием прибора Ле-Шателье, определены показатели средней и истинной плотности, позволяющие вычислить пористость исследуемой породы.
Прочность бута в естественном и водонасыщенном состоянии устанавливалась путём технических испытаний на сжатие кубических образцов с размером грани 4050 мм, подготовленных с использованием камнерезного оборудования в соответствии с нормативными требованиями. Нагружение осуществлялось непрерывно со скоростью 0,30,5 МПа/с. Водопоглощение горной породы по массе определялась путём обработки результатов взвешивания испытываемых образцов в сухом и водонасыщенном состоянии.
Прочность карбонатного раствора определена путём испытаний на сжатие кубиков с ребрами 2,04,0 см, изготовленных из пластинок, взятых из бутовой кладки. Выравнивание их поверхностей и склеивание осуществлялось гипсовым тестом с последующим 1-2-ух суточным твердением. Нагружение образцов производилось непрерывно со скоростью 0,60,4 МПа/с. Полученные результаты корректировались умножением опытных показателей на коэффициенты, регламентированные в Приложении 1 ГОСТ 5802-86 [27].
Отбор образцов кирпича осуществлялся, как правило, из внутренних рядов кладок под оконными проёмами и чердачных участков стеновых конструкций. Их поверхности тщательно очищались, выравнивались в соответствии с требованиями ГОСТ 8462-85 [26] и ГОСТ 24992-81 [29].
Предел прочности кирпича при сжатии определяли на образцах, полученных путём склеивания цементным раствором двух половинок, образованных после его испытания на изгиб. Подготовка образцов к испытанию производилась в последовательности, приведённой в Приложении 2 к вышеуказанному стандарту.
Прочность нормального сцепления определена путём испытания на осевое растяжение образцов – двоек, подготовленных в соответствии с нормативными требованиями [29]. Нагружение образцов осуществлялось непрерывно со скоростью 0,006 МПа/с. За величину предельной нагрузки принято максимальное усилие, достигнутое к моменту отрыва кирпича.
Бутовая кладка КЗИЗ выполнена, преимущественно, из разноразмерных рваных камней мелко- и среднезернистых песчаников, и алевролитов кварц-полевошпатового состава осадочных пород юрского периода [10, 11]. Полные и подробные результаты микроструктурного анализа вышеупомянутых пород приведены в Приложении 2. Ниже (Таблица 8) представлены типичные и характерные фрагменты исследований песчаников и алевролитов, позволяющие обобщить и систематизировать экспериментальные данные.
Структура песчаников мелко- и среднезернистая, текстура – однородная и слойчатая. В минеральном отношении порода содержит кварц (20 55%), полевой шпат (20 55%) и различные примеси (15 60%), включая обломки слюды.
Первичный цемент песчаников практически отсутствует, а образовавшиеся пустоты заполнены глинистыми пылеватыми частицами.
Алевролит состоит из обломков кварца (до 25%), полевого шпата (до 35%) и примесей. Поровый цемент сохранился в небольшом количестве (менее 1%) и представлен иллит-хлоритом.
Структура пород характеризуется высокой пористостью: у песчаников до 40%, алевролитов – 35%. Пустоты песчаника представлены порами (размер менее 1,0 мм), кавернами (более 1,0 мм) и микропорами шириной 0,05 мм и глубиной до 1,0 мм. Породы пронизаны трещинами раскрытием до 3 мм и глубиной до 1,5 2,0 мм.
Алевролиты, при мало отличающейся общей пористости, характеризуются преимущественно мелкими (0,05 0,1 мм) порами и сравнительно большой плотностью.
Бутовая кладка зданий выполнена с использованием карбонатных (известковых и известково-песчаных) растворов. В минералогическом аспекте они характеризуются содержанием кварца (до 35%), полевого шпата (до 45%) и других пород. Структура растворов мелкозернистая с содержанием пустот 25 30%. Пустоты преимущественно из мелких пор и каверн шириной до 10 мм, заполненных мелкими кристаллами кальцитов.
Результаты испытания бутового камня на водопоглощение
Приведенные выше данные обследования показывают, что здания исторической застройки объективно должны быть отнесены к категории объектов, выполненных без антисейсмических мероприятий и соблюдения рекомендаций норм сейсмостойкого строительства. Поэтому их восстановление при обнаружении дефектов и неисправностей, как правило, может ограничиваться доведением до "первоначального состояния" и проведением работ по усилению, снижающих риски возникновения наиболее опасных повреждений для зданий подобных конструктивных решений при землетрясениях. При этом все ремонтно-восстановительные работы должны выполняться без нанесения ущерба фрагментам (элементам), составляющих историческую ценность объектов -предметов охраны.
Опыт изучения исследований многочисленных разрушительных землетрясений [105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 113, 123] показывает, что наиболее значительная повреждаемость наблюдается у зданий с жёсткой конструктивной схемой, со стенами из кирпича и различными типами перекрытий. Все наблюдаемые в них повреждения закономерны, предсказуемы и объяснимы: - использованием несимметричных и нерегулярных конструктивных схем при недостаточной обеспеченности пространственной жёсткости зданий; - естественной физической изношенностью материалов и конструкций; - накоплением деформаций и разрушений при системных микросейсмических проявлениях; - наличием других объёмно-планировочных, конструктивных и качественных несовершенств и издержек, сказывающихся на сопротивляемости зданий динамическим воздействиям.
В зависимости от причин возникновения и возможных последствий вероятные разрушения целесообразно дифференцировать по следующим группа: 1) повреждения, образовавшиеся из-за недостаточной прочности материалов, слабого или полного отсутствия связей между несущими элементами здания; 2) деформации, свидетельствующие о недостаточной устойчивости несущих конструкций в одном или двух направлениях (частичное нарушение связей); 3) повреждения (трещины) или разрушения в несущих элементах. Из перечисленного выше, наиболее опасной является первая группа, так как она сопряжена с потерей геометрической изменяемости здания и практической нецелесообразностью их восстановления.
Наблюдаемые неисправности и дефекты в КЗИЗ позволяют отнести эти здания ко второй и третьей группе, восстановление объектов которой может быть достаточно с помощью устройства дополнительных связей (конструктивных мероприятий). При этом основной целевой задачей усиления является не только поддержание "первоначального состояния", но и снижение вероятности возникновения разрушений первой группы.
Как отмечалось ранее на территории Восточной Сибири (Иркутской области и Республики Бурятии) расположено около 3000 объектов недвижимости, являющиеся образцами каменного зодчества. Наряду с положительными конструктивными свойствами каменные конструкции имеют ряд недостатков, основным из которых является малая сейсмостойкость здания со стенами из обычной неармированной кладки.
Анализ последствий сильных землетрясений [16, 18, 19], опыт эксплуатации зданий с несущими каменными конструкциями, многочисленные исследования статической и динамической прочности каменных конструкций, выполненные в СССР и за рубежом, указывает на необходимость выполнения специальных мероприятий по повышению надёжности и сейсмостойкости кирпичных и каменных зданий [74, 88].
Краткий анализ существующих методов усиления каменных зданий в сейсмических районах Существующие методы усиления каменных зданий в сейсмических районах связаны, преимущественно, с решением вопроса ликвидации последствий землетрясений различной интенсивности. При этом инженерная задача при усилении-восстановлении состоит в обеспечении необходимой несущей способности поврежденных конструктивных элементов здания и связей между ними, повышение пространственной жёсткости и способности оказывать сопротивление расчётным сейсмическим нагрузкам.
Применительно к зданиям КЗИЗ конструктивные мероприятия по усилению предусматривают их восстановление до состояния, предшествующего землетрясению. Технологически это связано с введением конструктивных антисейсмических мероприятий, отвечающих требованиям, предъявляемым современными нормами сейсмостойкого строительства, но учитывающих сохранность атрибутов их непреходящей ценности. При этом, в первую очередь к таким мероприятиям следует отнести армирование кладки, устройство антисейсмических поясов, ограничение предельных размеров и т.п.
Методы имитационного микросейсмического воздействия
Наряду с вышеприведенным следует отметить некоторые результаты проведенных исследований несущей способности и деформативности кирпичной кладки, усиленной армированными бетонными аппликациями – пневмобетоном, динамических характеристик зданий, усиленных этим методом, выполненных различными научно-исследовательскими институтами.
Например, в ЦНИИСКе им. В. А. Кучеренко [35] проводились испытания образцов кирпичной кладки, усиленной арматурными сетками в растворных и бетонных слоях. По результатам повторных испытаний усиленной кладки установлено, что её прочность превышает прочность эталонного (не усиленного) образца почти в два раза. Анализируя выполненные экспериментальные исследования и полученные при них результаты, специалисты ЦНИИСКа пришли к единому мнению, что метод усиления стен с помощью нанесения на них армированных штукатурных и бетонных слоёв, с точки зрения повышения их сейсмостойкости, не вызывает сомнения и может быть рекомендован к применению с предварительно расчётным обоснованием. В последующем этот метод был доработан (развит) и нашёл широкое применение при производстве работ по восстановлению поврежденных в результате землетрясений зданий и приобрёл самостоятельное направление как метод торкретирования или пневмобетонирования.
В тоже время в институте механики и сейсмостойкости сооружений АН Узбекской ССР проводились исследования эффективности усиления конструкций каменных зданий в лабораторных условиях и замерах динамических параметров колебательных процессов натурных зданий [133]. Испытания выполнялись на эталонных образцах каменной кладки на совместное действие вертикальной и горизонтальной (сдвиговой) нагрузки. После первых испытаний, во время которых образцы были доведены до разрушения горизонтальной силой, производилось их усиление с предварительной подготовкой поверхности образцов, выполняющаяся с целью обеспечения лучшего сцепления торкретбетона с кирпичом. Анализ данных экспериментов показал, что усиление разрушенных кирпичных стен торкретбетоном не только восстанавливает прочность и несущую способность стен, но и значительно повышает первоначальную прочность не усиленной кладки в 1,83,0 раза. Используя данный метод усиления при восстановлении зданий, получивших значительные повреждения каменных стеновых конструкций после землетрясений, с последующим их динамическими испытаниями было выяснено, что периоды собственных колебаний зданий уменьшаются в 1,52,0 раза. По результатам проведенных исследований специалистами института механики и сейсмостойкости сооружений АН Узбекской ССР был сделан вывод о высокой эффективности описанного метода усиления каменной кладки.
В Институте сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН Таджикской ССР с целью улучшения влияния различных факторов на эффективность усиления кирпичной кладки были проведены опыты по определению несущей способности и деформационных характеристик кладки в лабораторных условиях и определены динамические параметры натурных кирпичных зданий до производства усиления и после. По результатам выполненных работ установлено, что предварительно разрушенная, а затем усиленная пневмобетоном каменная кладка, в зависимости от конструкции усиления и состояния кладки, способна выдерживать горизонтальную нагрузку в 1,54,5 раза большую, чем обычная кладка – эталон.
Более детально, с практической точки зрения, основные методы усиления кирпичных зданий пневмобетоном и штукатурными слоями в сейсмических районах Таджикской ССР изложены в работе Джабарова М. [35]. По мнению автора при назначении конструкции усиления поврежденной кладки в недостаточной мере учитываются факторы, влияющие на прочность и эффективность рекомендуемой конструкции усиления. Однако проведенные им исследования отдельных образцов и двухэтажного фрагмента здания в натуральную величину подтверждают возможность полного восстановления несущей способности поврежденных каменных конструкций при помощи одностороннего усиления кирпичной кладки пневмобетоном. Им же была разработана методика усиления зданий пневмобетоном и штукатурными слоями.
Обобщая результаты многолетних экспериментальных испытаний по усилению, восстановлению каменных зданий с целью повышения их сейсмостойкости можно сделать вывод о том, что предложенный технологический процесс усиления зданий армированными торкретбетоном может быть рекомендован для широкого применения в зонах с высокой сейсмичностью.
Расчётно-аналитическая оценка технической эффективности усиления КЗИЗ
Практическая реализация вышеизложенного метода применена для нашей рассматриваемой категории зданий исторического наследия, где рассмотрен, в качестве наиболее приемлемого, вариант усиления, основанный на устройстве односторонних (для наружных стен) и объёмных (для внутренних стен, перегородок и столбов) аппликаций (рисунок 20, 22), формируемых нанесением торкретбетона по арматурным сеткам, обеспечивающим совместность деформирования примыкающих элементов [23, 51, 88]. Также использована и фрагментарная замена примыкающих к несущим элементам участков деревянных перекрытий на железобетонные (рисунок 21, 22).
Жесткостные характеристики применяемых конечных элементов назначались в зависимости от предложенных вариантов усиления. Так, например, для моделирования многослойной усиленной каменной кладки (торкретбетон-кирпичная стена; торкретбетон-кирпичная стена-торкретбетон) назначалась "приведённая жёсткость" с корректировкой толщины и модуля упругости конструкции. Это позволяет нам определить расчётное армирование элемента усиления, которое распределяется в торкретбетоне в зависимости от схемы его устройства (рисунок 20).
Расчётно-аналитические значения динамических параметров объекта реставрации до и после его усиления приведены в таблице 27 и наглядно свидетельствуют об ощутимом (более чем в 2,5 раза) увеличении жёсткости здания.