» » Принципы моделирования опытных образцов каркасно-каменных стен

Принципы моделирования опытных образцов каркасно-каменных стен

16.04.2016

При моделировании конструкций приходится сталкиваться с задачами различной сложности. Далеко не все из них удается решить одинаково успешно. В большинстве случаев исследователь вынужден удовлетворяться приближенным подобием оригинала к модели конструкции. Получаемые при этом результаты испытаний модели характеризуют работу оригинала с определенной погрешностью. Степень этой погрешности зависит от принятых условий моделирования и точности их воспроизведения при изготовлении и испытании модели конструкции.
Чем крупнее масштаб модели, тем легче при ее изготовлении воспроизвести специфические условия технологии производства оригинала и тем меньше отразится «масштабный эффект» на результатах опытов. С другой стороны, уменьшение масштаба моделей приводит к снижению трудоемкости опытов. Оба эти обстоятельства обусловливают выбор масштаба моделей.
Обычно крупномасштабные модели выполняют из материалов оригинала, руководствуясь принципами простого подобия твердых деформируемых тел.
Фрагмент каркасно-блочной стены представляет составное тело, включающее в себя камни заполнения, растворные швы и железобетонную раму, в свою очередь состоящую из бетона и арматурных стержней. В соответствии с теорией моделирования подобие составных тел (оригинала А и модели А') выполняется при следующих условиях:
1. Для всех элементов, составляющих модель А', соответствующие множители подобия должны быть одинаковы.
2. Расположение составляющих элементов в модели А' должно полностью повторять размещение их прототипов в оригинале А, а их сопряжение должно быть таким же, как в теле А.
Из второго условия вытекают два следствия. Во-первых, в тех случаях, когда камень кладки анизотропен (например, известняк), то ориентация его слоев в модели должна быть такой же, как и в стенах зданий. Во-вторых, прочность сцепления в кладке модели и оригинала должна быть одинаковой.
При постановке описываемых опытов предполагалось провести испытания моделей стен с кладкой, характеризующейся как низкой, так и высокой прочностью сцепления. В связи с этим напомним, что прочность сцепления, раствора с камнем мало зависит от толщины растворных швов (hш), если hш меняется в пределах 5—15 мм. При толщине швов менее 5 мм прочность сцепления в кладке при прочих равных условиях снижается. В этом случае поднять ее до уровня прочности сцепления в кладке оригинала можно только путем изменения прочностных и деформативных характеристик раствора либо другими приемами, которые в той или иной мере приведут к нарушению тождественности оригинала и модели конструкции. Помимо этого, в кладке с тонкими растворными швами в большей мере проявляется непостоянство прочности сцепления по всему объему, чем в кладке со швами нормальной толщины.
Эти обстоятельства приводят нас к выводу о том, что толщина растворных швов в моделях каменных конструкций, выполняемых в соответствии с принципами простого подобия, должна быть не менее 5 мм. Поскольку в кладке из мелких и крупных блоков средняя толщина растворных швов соответственно равна 10 и 20 мм, то геометрический множитель подобия (αп) должен быть не менее 0,5 для мелкоблочной кладки и 0,25 — для крупноблочной. Исходя из этого вывода и стремления свести к минимуму влияние «масштабного эффекта», в описываемых опытах для моделей однопанельных стен геометрический множитель подобия был принят равным 0,5, а для моделей многопанельных стен — 0,25.
Принятым значениям αп были подчинены все размеры образцов стен и составляющих их элементов. Отклонение от этого принципа имело место при выборе параметров поперечного армирования железобетонных рам. Поскольку в моделях не всегда оказывалось возможным выполнить поперечную арматуру из стержней диаметром d'x = αпdx с шагом a'xαпax, приходилось применять стержни диаметром dx, располагая их с шагом а''х.
По сортаменту арматурной стали, с учетом обеспечения требуемого качества изготовления арматурного каркаса, величина dx выбиралась по возможности близкой к d'x. Значение а''x определялось из условия обеспечения равнопрочности по перерезывающей силе элементов с параметрами поперечного армирования dx, а'х и d''x, а''х.
Согласно теории моделирования:
Принципы моделирования опытных образцов каркасно-каменных стен

где q'x и qx — перерезывающая сила, воспринимаемая поперечной арматурой на единице длины железобетонных элементов, соответственно, модели и оригинала;
Q'хб и Qxб — поперечная сила, воспринимаемая бетоном и поперечной арматурой железобетонных элементов, соответственно модели и оригинала. Записав (II—2) в виде
Принципы моделирования опытных образцов каркасно-каменных стен

В формулах (II—3) и (II—4):
n — число попзречных стержней в одной плоскости;
Rix — расчетное сопротивление поперечной арматуры.
Согласно СНиП II-B. 1—62 величина а''х должна удовлетворять условию
Принципы моделирования опытных образцов каркасно-каменных стен

где h' — наибольший размер поперечного сечения железобетонного элемента модели.
На практике строительные конструкции выполняются из неоднородных материалов. Следовательно, строго говоря, в рассматриваемых опытах речь может идти не о простом подобии конструкций, изготовленных из одного и того же однородного материала, а о подобии модели и оригинала, выполненных из материалов, тождественных в статистическом смысле. По этой причине возникает закономерное желание иметь в опытах возможно большее число образцов-«близнецов». С другой стороны, необходимо учитывать высокую трудоемкость изготовления и испытаний фрагментов каркасно-каменных стен даже при выполнении их в виде моделей в 1/2—1/4 натуральной величины. Руководствуясь реальными техническими возможностями, число «близнецов» стеновых панелей в опытах было принято равным 2.