Зарубежный опыт армирования каменных конструкций

До конца XIX века каменные здания, как правило, возводились из кирпича с применением известковых растворов. Геометрические параметры и форма несущих конструкций (фундаменты, стены, своды), а также способ передачи нагрузок назначались с учетом минимизации возникающих в кладке растягивающих напряжений. В XX столетии появились новые материалы и технологии, способствующие уменьшению сечений каменных конструкций и увеличению их жесткости. По сравнению с кладкой на известковых растворах деформативность новых кладок на цементных растворах снизилась до 5 раз. Это предопределило их повышенную чувствительность к трещинообразованию, что вызвало необходимость армирования кладок, которое начало широко использоваться со второй половины XX века.

Целью армирования является восприятие возникающих в конструкциях растягивающих напряжений, «разгрузка» последних и «сглаживание» деформаций в зонах их концентрации. Различают поперечное армирование, укладываемое в горизонтальных швах кладки в целях повышения несущей способности конструкций, работающих на сжатие (столбов, участков стен с локальным загружением). Считается, что поперечное (сетчатое) армирование способствует также повышению трещиностойкости и прочности кладки на срез по перевязанному сечению. Последнее имеет место в соединениях продольных и поперечных стен, выполненных из материалов различной деформативности, то есть с различными модулями упругости, ползучести, усадкой, а также при значительной разнице сжимающих напряжений, возникающих в этих стенах. Последнее также относится к стенам зданий с перепадами высоты (этажности) по длине.

Продольное армирование в виде стержней, которое устанавливается вертикально с наружной стороны кладки либо внутри ее, способствует повышению несущей способности стен и столбов при их изгибе и внецентренном сжатии. Такое армирование крайне трудоемко и в зарубежной практике практически не используется. Его альтернативой является поверхностное армирование стен сетками из композитных материалов.

Роль армирования особо важна при переходе на кладки с тонкими растворными швами. Следует отметить, что сегодня во многих странах Западной Европы до 80% каменных зданий выполняется именно с применением таких кладок. Это стало возможным благодаря технологии изготовления керамических, силикатных и пенобетонных блоков, имеющих высокоточные размеры и форму. Такие кладки менее трудоемки в возведении, требуют значительно меньшего расхода раствора, более теплостойки, так как отсутствуют «мостики холода» в виде вертикальных и горизонтальных растворных швов. По своей однородности они приближаются к монолитным неармированным бетонным стенам, и в связи с этим обладают пониженной трещиностойкостью. Практика эксплуатации зданий из таких кладок показывает, что они высокочувствительны к неравномерным температурным и усадочным деформациям, локальным нагрузкам, неравномерным осадкам фундаментов, а также к динамическим воздействиям технологического характера, сейсмики либо от движения транспорта.

 

На рис. 1 приведены наиболее часто используемее в зарубежной практике виды арматуры с широко налаженным промышленным производством.

Такая арматура обычно изготавливается из нержавеющей стали либо с надежной антикоррозионной защитой. Размеры ее сечения зависят от толщины горизонтальных растворных швов. В последнее время все шире начинают применяться арматурные сетки из композитных материалов (см. рис. 1‑д). Следует отметить, что армирование в виде одиночных стержней практически не применяется. Исключение составляют специальные спиралеобразные стержни, напоминающие по форме штопор. Они изготавливаются из нержавеющей высокопрочной стали (см. рис. 1‑е). Уникальность такой арматуры заключается в том, что при ее растяжении она стремится выпрямиться. При этом ее продольные деформации значительно выше деформаций обычной гладкой арматуры и приближаются к деформационным свойствам каменной кладки. Благодаря высокому сцеплению с раствором и компатибильности с кладкой армирование такими стержнями является наиболее эффективным. Они часто применяются при усилении существующих каменных зданий с повреждениями типа трещин [1].

 

Применение того или иного вида арматуры, способ ее расстановки (расположения) зависит от множества факторов, прежде всего от вида напряженного состояния и ожидаемой морфологии трещин в конструкции. В последнее время актуален вопрос о повышении трещиностойкости ненесущих каменных перегородок, возводимых на железобетонных перекрытиях. По причине прогибов последних от действия полезной нагрузки и ползучести бетона перегородки работают под собственным весом как поперечно изгибаемые балки-стенки с опиранием на концевых участках. При этом в средних нижних участках перегородок появляются вертикальные трещины, а на концевых участках – косые трещины. Для восприятия возникающих в нижней зоне перегородок растягивающих напряжений ее армируют в соответствии со схемой, представленной на рис. 2‑а.

Высота зоны армирования перегородки в соответствии с [3] должна быть не менее C=0,5L либо половины эффективной высоты сечения стены как армированного изгибаемого элемента. Такое армирование также замедляет развитие косых трещин в крайних участках перегородок. Достаточно эффективный способ армирования перегородок с дверными проемами показан на рис. 2‑б. Арматура размещается на железобетонном перекрытии под полом и анкерится в вертикальных растворных швах кладки [2]. При изгибе плиты перекрытия такая арматура работает как затяжка. Иной способ армирования перегородок с дверными проемами показан на рис. 3‑а. Арматура размещается над перемычкой, препятствуя образованию косых трещин в углах дверных проемов и в простенках, где также могут появиться косые трещины [4]. Следует отметить, что морфология трещин зависит от множества факторов: соотношения размеров перегородок L⁄H, размеров и расположения дверных проемов, а также соотношения изгибных жесткостей перегородки и перекрытия и т.д [5].

 

Высокочувствительными к трещинообразованию в современных каменных стенах являются участки с концентрацией напряжений. Это, прежде всего, угловые зоны оконных проемов (см. рис. 3‑б), междуоконные пояса при опирании на них узких простенков (см. рис 3‑в), участки стен с перепадами высот (см. рис. 3‑г).

Обычно арматуру располагают в таких зонах в соответствии с распределением силовых потоков, увеличивая расстояние между ее рядами по мере удаления от зоны концентрации напряжений (см. рис. 3‑б, г). Высокочувствительными к трещинообразованию и требующими армирования являются самонесущие каменные стены, связанные с каркасом здания и работающие на поперечный изгиб, а также стеновые заполнения каркасов, работающие на перекос в плоскости стены от действия горизонтальных нагрузок либо неравномерных осадок фундаментов. Возможны следующие механизмы разрушения таких стен (см. рис. 4‑а):

• растяжение перпендикулярно горизонтальным растворным швам (1),
• сдвиг в плоскости горизонтальных растворных швов (2),
• раздробление кладки в результате ее двухосного сжатия (3),
• растяжение перпендикулярно действию главных растягивающих напряжений σ, с образованием косой диагональной трещины (4).

Последний механизм трещинообразования встречается наиболее часто. При этом эффективность армирования таких стен прежде всего зависит от соотношения сжимающих σс, и скалывающих напряжений τ.

 

Обширные экспериментальные исследования по данной теме обобщены в работе [6]. Испытаниям подверглись фрагменты каменных стен размером L×H×d= 1,6×1,4×0,25 м, выполненные из кирпича класса 20 на цементно-известковом растворе класса М10. В качестве арматуры, располагаемой в горизонтальных растворных швах, использовались стержни периодического профиля и арматура, показанная на рис. 1‑б. Варьируемыми параметрами являлись процент армирования µ=0,05% и µ=0,1%, а также величина сжимающих напряжений σс=0; 0,5; 1,0 и 1,5 МПа. Все опытные образцы доводились до разрушения при постоянном значении σс путем увеличения горизонтальной нагрузки (скалывающих напряжений τ). Все образцы разрушались в результате образования диагональной косой трещины, с перекосом на величину угла θ (см. рис. 4‑а). Наиболее интересные результаты испытаний представлены на рис. 4‑б, в. Данные относятся к проценту армирования µ=0,1%; применяемая арматура показана рисунке 1‑б (штриховые линии): два стержня периодического профиля укладываются в горизонтальные растворные швы (сплошные линии). Параметрτ*crc/τcrc на графиках означает соотношение величин скалывающих напряжений в армированных (τ*crc)и неармированных (τcrc) образцах, при которых происходило трещинообразование – вторая группа предельных состояний согласно нормы [7]. В соответствии с обозначениями на рис. 4‑а параметр θ*/θ означает соотношение углов перекоса в момент образования косых трещин армированных и не армированных образцов. Из анализа приведенных графиков можно сделать вывод, что армирование повышает не только трещиностойкость, но и сдвиговую жесткость стен. Наибольший эффект достигается, когда сжимающие напряжения σс в кладке приближаются к нулевым значениям, что соответствует работе несущего каменного заполнения каркасов на перекос в плоскости стен. Графики показывают также, что армирование одиночными стержнями менее эффективно, чем армирование соединенными между собой диагональными элементами. Эффективность армирования не была пропорциональна его проценту – увеличение µ с 0,05% до 0,1% привело к возрастанию величины напряжений трещинообразования τ*crc всего лишь на 4–8%.

 

Часто образование трещин в каменных конструкциях является следствием влияния усадочных и температурных деформаций кладки. Наиболее чувствительны к таким деформациям являются кладки из газосиликатных и газобетонных (пенобетонных) камней. Обычно трещины от указанных деформаций появляются в углах дверных и оконных проемов, в углах зданий либо по их длине при недостаточном расстоянии между вертикальными деформационными швами [8, 9]. Практика показывает, что армирование кладки путем размещения арматуры в горизонтальных растворных швах позволяет увеличить расстояние между вертикальными деформационными швами в стенах до двух раз (см. табл. 1).

 

Иногда вертикальные швы, непрерывные по высоте зданий, устраивают для придания архитектурной выразительности неоштукатуренным каменным фасадам зданий. Армирование таких стен является неизбежным и, как показывает практика, эффективным (см. рис. 5).

Как уже отмечалось, современные каменные конструкции, особенно на тонких растворных швах, высокочувствительны к трещинообразованию при динамических воздействиях и неравномерных осадках фундаментов, например, на территориях с горными выработками. В таких случаях обычно устраивают в уровне перекрытий железобетонные пояса жесткости. Изготовление последних крайне трудоемко, к тому же они должны быть утеплены во избежание появления «мостиков холода» и разности температурных деформаций между ними и основной кладкой стен. В связи с этим в Германии, например, железобетонные пояса за­меняются армированием кладки с насыщением арматуры, расположенной в горизонтальных растворных швах, в зоне перекрытий. Опыт эксплуатации зданий с такими армокаменными поясами показал их высокую эффективность.

Размещение арматуры в горизонтальных растворных швах связано с дополнительной трудоемкостью при возведении каменной кладки и практически невозможным контролем качества армирования. Кроме того не всегда такое армирование может быть эффективным, особенно в случаях работы каменной кладки в условиях сложного напряженного состояния. В этом случае повышение трещиностойкости и прочности кладок возможно за счет армирования поверхности стен с помощью сеток из композитных материалов.

По этой технологии увлажненная поверхность кладки покрывается 3‑миллиметровым слоем раствора из неорганических минеральных материалов с модифицированными полимерными добавками, в который утапливается армирующая сетка из композитных материалов. Затем наносят защитный штукатурный слой толщиной 8–10 мм, и его поверхность подвергается финишной обработке. При необходимости в защитный слой может утапливаться вторая сетка, обеспечивающая повышенную прочность усиления (см. рис. 6‑а).

Такая система усиления известна за рубежом как FRCM (FibreReinforcedCementitiousMatrix), а одной из ее разновидностей является система RuredilxMech. В ней используются сетки из углеволокон, обладающие следующими механическими свойствами: прочность на растяжение – 4 800 МПа; модульупругости – 240 ГПа; деформативность при разрыве – 1,8%. Используются также сетки из стекло- и арамидных волокон. Рассматриваемая система обладает следующими достоинствами:

• простой технологией;
• высокой сцепляемостью армирующего штукатурного слоя с поверхностью каменной кладки;
• высокой компатибильностью армирующего слоя с кирпичной кладкой, то есть сближенными деформационными характеристиками, такими как модули упругости, коэффициенты температурного расширения;
• высокой огнестойкостью, коррозионной стойкостью, водостойкостью и паропроницаемостью. Таким образом, возможно производить армирование каменных конструкций как внутри, так и снаружи зданий.

 

К достоинствам рассматриваемого способа следует отнести его универсальность и возможность использования для любых форм и очертаний конструкций (см. рис. 6‑б). В зарубежной практике он успел найти широкое применение для усиления каменных зданий и сооружений, подвергающихся динамическим воздействиям, которые возникают, например, в результате сейсмики, движения транспорта и работы технологического оборудования. В странах СНГ данный метод только начинает внедряться.

В данной ситуации, кроме анализа и выявления рациональных областей применения рассматриваемого способа ремонта и усиления, авторами настоящей статьи проводятся экспериментально-теоретические исследования его эффективности. В частности, реализуется концепция рационального армирования для разных видов каменных конструкций в зависимости от вида их напряженного состояния либо морфологии трещин. Согласно этому армирующие сетки должны размещаться так, чтобы направления их волокон были перпендикулярны трещинам либо, при отсутствии последних, совпадали с траекторией главных растягивающих напряжений, которые устанавливаются расчетным путем [11].

В заключение следует отметить, что, несмотря на имеющийся практический опыт и многочисленные экспериментально-теоретические исследования, в зарубежной нормативной литературе приводятся крайне ограниченные данные относительно методов расчета каменных конструкций, которые армируются выше­перечисленными способами. Во многих случаях армирование назначается методом так называемой «инженерной интуиции» без должного расчетного обоснования. Известные расчетные модели армированных каменных конструкций [3, 7], построенные по аналогии с железобетонными (на основе статического равновесия внешних и внутренних сил в расчетных сечениях), позволяют получить относительно хорошую сходимость с опытами лишь для простейших случаев, например для изгибаемых элементов. В более сложных ситуациях, например в случае армирования участков каменных стен, работающих в условиях сложного НДС, практические методы расчета отсутствуют вообще. Учитывая сложный характер совместной работы арматуры с каменной кладкой, обладающей неоднородной структурой и анизотропными свойствами, построение универсальных инженерных методов расчета является проблематичным. Альтернативой, по мнению авторов, могут быть численные методы, основу которых составляет метод конечных элементов, реализуемый с помощью доступного программного обеспечения.

Р. Б. ОРЛОВИЧ, доктор технических наук, профессор (Западно-Померанский технологический университет, Республика Польша), В. Н. ДЕРКАЧ, кандидат технических наук (РУП «Институт БелНИИС», Республика Беларусь)

Список литературы

1. Helifix Stress Free Structural Solutions: London, 2001.

2. Деркач В. Н., Найчук А. Я. Повышение трещиностойкости внутренних перегородок с проемами при возведении современных зданий. Ресурсоекономнi материали, конструкцii, будiвлi та споруди. Збiрникнауковихпраць.: Мiнiстерствоосвiтиi науки Украiни, Академiя будiвництваУкраiни, Нацiональнийунiверситет водного господарства та природокористовання, Рiвне, 2009.- С. 276–283.

3. ЕN 1996–1-1:2005 Eurocode 6‑Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten. Teil 1–1: AllgemeineRegelnfürbewehrtesundunbewehrtesMauerwerk.-127s.

4. MurauerTh.EdelstahlimzweischaligenMauerwerk-SicherheitimHintergrund//Mauerwerk.-№ 10.-2006.-S.230–234.

5. Деркач В. Н. О морфологии трещин, возникающих во внутренних перегородках современных зданий//Вестник Брестского государственного технического университета – Строительство и архитектура.- 2010.-№ 1.-С. 43–45.

6. Jasinski R. Badaniazbroyonychscianceglanychscinanychpoziomo//PrzegladBudowlany.- № 9.- 2009.-S.28–36.

7. СНиП 2.01.07–85* Нагрузки и воздействия/Госстрой СССР- М: ЦНИИОМТ Госстроя СССР, 1985.-34 с.

8. W. Brameshuber, P. Schubert, U. Schmidt, J. HannawaldRissfreieWandiange von Porenbeton-Maurewerk//Mauerwerk.-№ 4.-2006.-S.132–139.

9. SchubertP. Mauerwerk. Rissevermeiden und indstandsetzen. Fraunhofer IRB Verlag: Stuttgart, 2004.

10. Murfor. Zbrojeniemurow. N. V. Bekaert S.A, 1999.

11. Орлович Р., Мантегацца Д., Найчук А., Деркач В. Современные способы ремонта и усиление каменных конструкций//Архитектура, дизайн и строительство, Санкт-Петербург. – 2010.- №-1 [44].- С. 86–87.

Статья была опубликована в журнале «Жилищное строительство» (2011 г., № 11, с. 35–39).