» » Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

16.04.2016

Приведенный ранее обзор экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей свидетельствует о том, что испытания стеновых конструкций на перекос проводились по одной из двух схем, представленных на рис. II—1. Разными авторами применялись различные конструктивные варианты этих схем, причем большую популярность получила схема, предусматривающая приложение сжимающей нагрузки вдоль одной из диагоналей стеновой панели (рис. II—1, а). В известной мере это объясняется тем, что осуществление испытаний плоских конструкций на перекос по этой схеме менее трудоемко, чем при горизонтальном приложении нагрузки. Для реализации первой схемы достаточно воспользоваться гидравлическим прессом соответствующих габаритов и мощности. Вторая схема испытаний требует для своего осуществления специального стенда.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Применение первой схемы приложения нагрузки можно считать правомочным при испытании навесных стеновых панелей, простенков различной конструкции, а также заполнения каркасно-каменных стен I типа, в которых после образования контурных трещин нагрузка от рамы на кладку передается в основном через углы, соединенные сжатой диагональю. При этом работа элементов каркаса не исследуется. В каждом конкретном случае техническое выполнение этой схемы испытаний должно соответствовать условиям работы изучаемой конструкции в составе стены здания. Однако, сущностью таких испытаний остается обеспечение сдвигового характера работы конструкции под нагрузкой.
Имеющаяся информация о поведении каркасно-каменных стен зданий II типа при действии горизонтальной нагрузки свидетельствует о том, что каждая из панелей этих стен помимо сдвига претерпевает изгибные деформации.
Кроме того, в таких конструкциях условия совместной работы железобетонного каркаса и заполнения иные, чем в панелях стен I типа.
Эти обстоятельства побудили провести методические экспериментальные и теоретические исследования с целью выбора схемы испытаний на перекос панелей каркасно-каменных стен II типа. В состав этих исследований входили испытания, горизонтальной нагрузкой трехпролетной трехэтажной стоны (рис. II—2), испытания по обеим описанным выше схемам однопролетных панелей и теоретическое изучение напряженно-деформированного состояния таких панелей при перекосе методом конечных элементов с помощью ЭВМ.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Многопанельная стена была изготовлена в 1/4 натуральной величины. Кладка выполнялась из модельных камней пильного известняка марки 75 Альминского месторождения на цементно-известковом растворе марки 50 (R2=61 кг/см2) и использовалась в качестве опалубки для элементов каркаса (рис. II—3).
При возведении кладки были приняты все необходимые меры для достижения возможно более высокой прочности сцепления между раствором и камнем.
Испытания стенки проводились на стенде, конструкция которого позволяла развивать одновременно горизонтальные и вертикальные силы и ограничивала изгиб довольно тонкой стенки из плоскости, не препятствуя ее перекосу. Крепление стены в основании стенда выполнялось путем анкеровки продольной арматуры стоек каркаса и с помощью шпоночной металлической полосы, замоноличенной по подошве нижнего ригеля и соединенной болтами со стендом.
Испытания стенки начинались с загружения вертикальной нагрузкой. С помощью системы гидродомкратов и распределительных балок по длине верхнего ригеля создавалась равномерно распределенная нагрузка интенсивностью 81,5 кг/п. м. Горизонтальная нагрузка прикладывалась вдоль осей трех ригелей ступенями (рис. II—2). На всем протяжении испытаний уровень вертикальной нагрузки поддерживался постоянным.
По мере увеличения горизонтальной нагрузки одновременно со сдвиговыми деформациями наблюдался изгиб стены в плоскости. В качестве иллюстрационного материала на рис. II—2,б приведены эпюры деформаций элементов обрамления центральной панели на одном из этапов загружения стенки. Эти испытания наглядно показали, что, работая в составе стены здания, каркасно-каменная панель претерпевает более сложное напряженно-деформированное состояние, чем то, которое имеет место при сдвиге. Поэтому, прибегая в дальнейшем для краткости описания такого состояния конструкций к традиционному термину «перекос», не следует забывать о его условности в данном случае.
Разрушение стенки произошло после появления диагональной трещины в первом этаже. Заметим, что вплоть до полного исчерпания несущей способности в стенке не были отмечены контурные трещины.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Ряд моделей (αп=0,5) однопанельных стен был испытан на перекос с помощью 500-тонного гидравлического пресса при приложении сжимающей нагрузки вдоль диагонали образца (рис. II—4). Результаты этих опытов освещены в работах.
На рис. II—5 на примере двух панелей дана характерная картина деформаций элементов обрамления и заполнения при загружении панели вдоль диагонали. При такой схеме испытания элементы рамы деформируются в стороны от заполнения, что закономерно приводит к появлению контурных трещин, после чего нагрузка от рамы на заполнение передается лишь через небольшие зоны контакта, сохраняющегося вблизи загруженных узлов рамы. Другим закономерным следствием диагонального приложения нагрузки является симметричность эпюр деформаций заполнения вдоль диагоналей относительно центральной точки панели. Такая же картина деформирования элементов каркасно-каменной панели при загружании по описанной схеме была получена при расчете панели методом конечных элементов.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Сопоставление этих материалов с результатами наблюдений за деформациями железобетонных элементов и заполнения многопанельной стены при действии горизонтальной нагрузки указало на существенное различие в картинах напряженно-деформированного состояния панели, работающей в составе такой стены, и отдельной панели, загруженной сжимающей силой вдоль диагонали.
К сказанному добавим, что при испытании каркасно-каменных панелей по рассматриваемой схеме исчерпание несущей способности конструкции возможно лишь после разрушения заполнения вне зависимости от его прочности. На рис. II—6 показана после испытания на перекос панель с крупноблочным заполнением, характеризовавшимся высокой прочностью сцепления камня с раствором вертикальных швов. После появления контурной трещины и трещин в железобетонных элементах обрамления заполнение продолжало воспринимать возрастающую сжимающую нагрузку до тех пор, пока его не разрезала диагональная трещина. Разрушение панели произошло при очень высокой нагрузке, равной 70 т. При горизонтальном приложении силы разрушение таких же панелей происходило при нагрузке 25—30 т в результате среза элементов обрамления при полной сохранности высокопрочного панелей.
Этот пример свидетельствует о том, что испытания каркасно-каменных панелей по схеме с диагональным загружением могут в ряде случаев давать завышенные значения несущей способности заполнения.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Более правильно характер работы однопанельного фрагмента в составе стены здания воспроизводится при испытании его горизонтальной нагрузкой, приложенной вдоль оси верхнего ригеля, и рассредоточенном креплении нижнего ригеля по всей длине к основанию испытательной установки. Об этом, в частности, свидетельствуют эксперимеятальные данные и соответствующие результаты расчета однопанельного фрагмента стены методом конечных элементов, представленные на рис. IV—2.
Отдавая предпочтение схеме испытаний фрагментов каркаснокаменных стен II типа с горизонтальным приложением нагрузки, необходимо решить ряд технических вопросов. При реализации этой схемы требуется предотвратить опрокидывание испытываемого образца, его скольжение, изгиб из плоскости, обеспечить возможность приложения вертикальной нагрузки требуемого уровня и по заданной схеме и т. д. Все эти задачи были решены в ходе проектирования испытательного стенда (рис. II-9), который представлял собой стальную балку со стойками по концам; к одной из них крепился гидродомкрат горизонтального действия. Опорная балка стенда была жестко соединена с мощным железобетонным фундаментом. При испытании образцов большой длины и сравнительно малой толщины (10 см) изгибу конструкции из плоскости препятствовали боковые фермы стенда, которые на болтах крепились к его стойкам и проходили по обеим сторонам образца в уровне верхнего ригеля (рис. II—8). Контакт между фермами и боковыми поверхностями ригеля образца осуществлялся с помощью шаров и пластинчатых накладок.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Для предотвращения опрокидывания панели во время испытания продольная арматура стойки обрамления, к которой прикладывалась горизонтальная нагрузка от гидродомкрата, соединялась с балкой стенда. Для этого к нижним концам арматурных стержней приваривались уголки, которые болтами крепились к стенду (рис. II—9).
Чтобы избежать скольжения панели по стенду, при ее изготовлении в качестве поддона для нижнего ригеля использовалась металлическая полоса толщиной 10 мм, поперек которой приваривались стальные стержни квадратного сечения (15х15 мм) с шагом 40—50 см. Эти стержни-шпонки замоноличивались в нижнем ригеле панели при его бетонировании. После установки панели в стенд шпоночный поддон по всей длине крепился болтами к опорной балке стенда (рис. II—9).
В тех случаях, когда панель испытывалась при одновременном действии горизонтальной и вертикальной нагрузок, последняя создавалась с помощью системы гидродомкратоз, подключенных к одной насосной станции. Нижними опорами домкратов служили распределительные балки, а функции верхнего упора выполняла балка стенда, соединенная с его фундаментом шарнирными тягами (рис. II—9). Чтобы избежать перекоса домкратов в ходе испытаний, верхний ригель панели соединялся с одной парой тяг несложным приспособлением. Этим достигалась синхронность горизонтальных перемещений верха панели и верхней балки стенда.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен

Вертикальные и горизонтальные силы на панель передавались через шарнирно-центрирующие устройства, в состав которых входили стальные распределительные пластины, ролики и шары. Количество вертикальных домкратов и схема их расположения определялись длиной и конструкцией испытываемого образца.
Уровень вертикальной нагрузки в ходе каждого опыта сохранялся постоянным, а горизонтальная нагрузка прикладывалась ступенями величиной по 10—15% от разрушающей нагрузки.
Для наблюдений за деформациями железобетонных элементов и заполнения использовались индикаторы часового типа и тензометрические прогибомеры конструкции ОИСИ в комплекте с регистрирующей аппаратурой. Деформации арматурных стержней фиксировались с помощью проволочных тензодатчиков и прибора АИД-2м. Схема расположения измерительных приборов в каждом случае диктовалась характером решавшихся задач. На рис. II—10 показаны наиболее часто применявшиеся схемы расположения измерительных приборов. Во многих случаях использовались комбинации этих схем.
При проведении опытов было замечено, что деформации растворных швов обычно отличаются от деформаций камня. Чтобы избежать искажения эпюр деформаций заполнения, индикаторы располагались таким образом, чтобы в пределах базы каждого прибора всегда оказывалось одинаковое количество растворных швов (рис. II—10).
Испытаниям каждой панели предшествовало определение пределов прочности при сжатии бетона и раствора, использованных для ее изготовления. Помимо этого, шесть контрольных образцов кладки испытывались на осевое растяжение (рис. II—11). Эта образцы изготавливались из материалов заполнения соответствующем панели и хранились вместе с последней.
Методика испытаний на перекос моделей фрагментов каркасно-каменных стен