Введение к работе
Актуальность работы.
Керамический кирпич – один из древнейших строительных материалов, прочный, долговечный, с неограниченными архитектурными возможностями. На территории Европы и Азии сохранилось множество памятников зодчества, при возведении которых использовались кладки из кирпича. На территории России кладки применялись для строительства уникальных сооружений: храмовых комплексов, кремлей, дворцов. Одним из шедевров каменного зодчества признан собор Василия Блаженного в Москве, возведенный в XVI веке из кирпичей 18 типов. С XVII века конструкции из кирпича повсеместно использовались для массового строительства. В настоящее время кладки из керамических материалов применяются по всему миру для возведения несущих и самонесущих наружных стен зданий.
В современных условиях строительства конструкции стен, помимо прочности и долговечности, должны обеспечивать высокое сопротивление теплопередаче и экономичность, что привело к эволюции материалов. Одним из основных направлений по повышению эффективности каменных конструкций является применение в кладке пустотелых керамических камней, сочетающих в себе свойства конструкционного и теплоизоляционного материалов. Номенклатура таких изделий непрерывно расширяется, а их доля в общем объеме выпускаемых стеновых материалов ежегодно возрастает по сравнению с полнотелыми. Только на территории Республики Татарстан за последние семь лет введены в действие 5 заводов суммарной мощностью до 300 млн. шт. в год, выпускающих более 20-ти наименований современных пустотелых керамических изделий.
Кладки наружных стен из вышеописанных материалов можно условно разделить на 2 группы по требованиям к отделке фасада:
1-я группа – не требующие отделки, из малоформатных элементов высотой до 138мм, позволяющие обеспечивать выразительную пластику фасадов и сложные очертания архитектурных форм, высокой прочности, но требующие проведения конструктивных мероприятий для обеспечения термического сопротивления стен;
2-я группа – требующие защиты от атмосферных воздействий, из камней крупного формата, с высокими теплотехническими показателями при достаточной прочности конструкций.
Обе группы кладок применяются как для массового гражданского строительства, так и для возведения уникальных зданий. Однако, работа новых пустотелых камней в составе кладки изучена недостаточно, поэтому проведение исследований прочности таких кладок является актуальным.
Применение новых материалов требует совершенствования методики расчета для эффективного использования их прочностных свойств при проектировании и строительстве зданий.
Целью работы является разработка методики расчета по прочности при осевом сжатии каменных кладок из современных пустотелых керамических камней на основе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ существующей отечественной и зарубежной научной, технической и нормативной литературы по тематике работы, на основе которого выделить основные факторы, отражающие особенности работы рассматриваемых кладок при сжатии, и разработать программы компьютерного моделирования и экспериментальных исследований;
- провести компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) пустотелых камней и кладок с учетом большого числа факторов, с оценкой их влияния и значимости для оптимизации программы экспериментальных исследований;
- провести экспериментальные исследования образцов материалов и кладок для получения опытных данных об их прочностных характеристиках, установить последовательность трещинообразования и характер разрушения;
- адаптировать существующую нормативную методику оценки прочности кладок с учетом полученных экспериментальных данных;
- определить физические и геометрические параметры модели разрушения для рассматриваемых кладок, являющейся основой теории сопротивления анизотропных материалов сжатию;
- сравнить теоретические и опытные результаты для определения достоверности предлагаемой методики расчета.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика расчета по прочности кладок из пустотелых керамических материалов, учитывающая прочностные характеристики камней на сжатие, срез и растяжение, на основе теории сопротивления анизотропных материалов сжатию;
- выявлены особенности НДС кладок из керамических камней пустотностью 33-54%, заключающиеся в большей (до 15%) трещиностойкости по сравнению с кладками из полнотелых материалов;
- установлена прочность кладки на растворах марок М100 и М150 до 2-х раз превышающая величины, полученные с использованием нормативной методики;
- определено влияние наличия термовкладыша площадью от 26 до 54% в горизонтальных растворных швах на характер разрушения кладок 1-й группы, приводящее к снижению от 1,05 до 3,50 раз несущей способности по сравнению с кладками с однородным растворным швом;
- получены сопротивления трещинообразованию и разрушению для кладок первой группы на «теплом» растворе, вызывающем повышение до 15% трещиностойкости кладок и снижение до 40% временной прочности кладки при сжатии.
Автор защищает:
- методику расчета прочности кладок из пустотелых керамических материалов при осевом сжатии;
результаты компьютерного моделирования работы и экспериментальных исследований камней и кладок;
методику оценки прочности кладки при сжатии с использованием существующего нормативного подхода для кладок из рассмотренных материалов.
Практическая значимость работы состоит в повышении до 2-х раз расчетной несущей способности кладки и снижении материалоемкости конструкций по сравнению с нормативным подходом при проектировании зданий.
Внедрение результатов работы осуществлено при расчете строящихся зданий с несущими и ограждающими конструкциями из рассмотренных материалов, а также в учебном процессе при чтении лекций, выполнении ВКР специалистов, бакалавров и магистров.
Публикации. Основное содержание результатов работы опубликовано в 9 статьях и материалах конференций, в том числе 3 публикации - в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, 2009–2013 г.г.); на XV Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», (Казань, 2010 г.); на IV Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Новосибирск, 2012г.); на I Международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (Чебоксары, 2012 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, заключения, списка использованных источников, трёх приложений. Общий объем работы составляет 130 страниц, в том числе 27 таблиц и 57 рисунков. Список литературы включает 89 наименований, в том числе 12 зарубежных авторов.
Диссертационная работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Казанского государственного архитектурно-строительного университета. Представленные в диссертации материалы разрабатывались автором самостоятельно и при участии магистра Садыкова Р.Р. Автор благодарна коллективу кафедры, д.т.н. проф. Соколову Б.С. за поддержку и ценные замечания во время выполнения и завершения работы.
