Сейсмостойкость перегородок из пазогребневых плит, усиленных композитной сеткой.

В настоящее время вопросы проектирования перегородок из гипсовых пазогребневых плит (далее ПГП) плотностью от 1100 до 1250кг/м3 в зданиях, возводимых в сейсмических регионах, регламентируются СП 55-103-2004. Согласно указанному нормативному документу допускается применять в сейсмических районах перегородки длиной до 6,0м и высотой до 3,6м.

При бὸльших размерах перегородок согласно требованиям Норм требуется выполнять разбивку их на фрагменты, габариты которых не должны превышать указанные выше, с установкой, в случае необходимости, каркаса, закрепляемого к несущим конструкциям здания. При этом для оценки сейсмостойкости перегородок из ПГП рекомендуется производить их расчет для районов с сейсмичностью 7,8 и 9 баллов на действие горизонтальной нагрузки, составляющей, соответственно, 65, 128 и 256 Н/м².

Поскольку никаких конструктивных ограничений кроме указанных выше в части геометрических размеров перегородок и их соотношений СП 55-103-2004 не устанавливает, при проектировании перегородок в сейсмоопасных районах используются рекомендации СП 15.13330.2012. В связи с широким применением ПГП при возведении перегородок в сейсмических районах в 1990г. в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко были разработаны рекомендации [1], позволившие ЦНИИПРОМЗДАНИЙ [2] расширить область применения перегородок из ПГП в т.ч. в зданиях, возводимых в сейсмоопасных районах РФ. Однако, при этом были установлены ограничения, связанные с их применением только в зданиях высотой до 5 этажей в районах с сейсмичностью 7,8 баллов. Следует отметить, что указанные в [1] ограничения на область применения перегородок из ПГП носят чисто субъективный характер, поскольку экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки из ПГП на основе гипсового вяжущего при действии нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов по шкале MSK-64, не проводились.

Необходимость решения вопроса о расширении области применения перегородок из стеновых элементов на гипсовом вяжущем обусловлена, как отмечается в работе [4] тем, что "половина запасов мировых разведанных месторождений гипса находится на территории России. Однако потребление его в 5.7 раз ниже, чем в Европе и в 7 раз — чем в Америке".

Проведенные в России исследования позволили не только оценить проблему безопасности зданий при таких техногенных воздействиях как взрыв, пожар, землетрясение и т.д. [5], но и при этом учесть фактор совместной работы каменного заполнения с каркасом здания при указанных воздействиях[6,7].   

В Центре исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно с НИУ МГСУ выполнены, экспериментальные исследования по оценке сейсмостойкости перегородок из гипсовых ПГП, выпускаемых фирмой КНАУФ под маркой «КНАУФ-гипсолит» толщиной 80мм и 100мм с размерами в плане 667x500 (Н)мм, смонтированных на клеевой растворной смеси «КНАУФ-Фуген».

Учитывая характер обрушения внутренних несущих и ненесущих стен и перегородок в зданиях, зафиксированный при землетрясениях как в России, так и за рубежом, в ЦНИИСК были проведены сравнительные динамические испытания перегородок из ПГП с усилением и без композитной сеткой на основе базальтовых волокон.

Программа экспериментальных исследований сейсмостойкости перегородок из ПГП включала в себя следующие испытания:

• определение класса гипсобетона и марки клеевой растворной смеси «КНАУФ-Фуген» по прочности на сжатие по результатам испытаний, соответственно, кубов с размерами граней 10см (выпиленных из гипсовых плит) и растворных кубов с размерами 7,07×7,07×7,07см;

• определение прочности гипсобетона на растяжение при изгибе (Rtb), для возможности сравнения прочностных характеристик составной конструкции с прочностью при изгибе материала конструкции;

• определение прочности кладки при осевом растяжении по неперевязанному сечению с целью определения величины нормального сцепления (Rt) раствора с плитами и, соответственно, согласно СП 14.13330.2014 категории кладки, принятой в нормах для оценки сейсмостойкости конструкций;

• определение прочности кладки перегородок на растяжение при изгибе по неперевязанному (Rtb1) и перевязанному (Rtb2) сечениям с целью определения предельной величины расчетной горизонтальной нагрузки на перегородку;

• оценка сейсмостойкости перегородок из ПГП, выполненных в натуральную величину с и без усиления композитными сетками из базальтового волокна, закрепленными в штукатурный слой толщиной до 20мм. Результаты испытания позволят оценить сейсмостойкость перегородок из ПГП при действии динамических нагрузок, а в случае использования композитных сеток – характер их разрушения и возможность предотвращения прогрессирующего обрушения перегородок при землетрясениях.

        Результаты исследований и их анализ. По результатам испытаний I этапа испытаний установлено, что марке гипсобетона ПГП М50 и средней прочности клеевой растворной смеси 1.6 МПа расчетные характеристики стен из ПГП имеют следующие значения:

• прочность кладки при осевом растяжении (нормальное сцепление) – 0.146 МПа. При этом полученные из эксперимента значения нормального сцепления кладки перегородок на 22% выше нормируемого СП 14.13330.2014 нормативного временного сопротивления осевому растяжению по неперевязанному шву для кладки стен II категории (Rut = 0.12 МПа);

• прочность кладки при изгибе по неперевязанному и перевязанному сечениям следует принимать равным Rtb1 = 0.13 МПа и Rtb2 = 0.19 МПа. При этом средняя прочность на растяжение при изгибе гипсобетона ПГП составила 1.27 МПа.

На II этапе испытаний были проведены экспериментальные исследования прочности и деформативности перегородок из ПГП, смонтированных в натуральную величину размером 2.5×3.0 м, на действие динамической нагрузки, моделирующей сейсмические воздействия при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов. Для испытаний было установлено 2 опытных образца стен:

• эталонный образец – фрагмент перегородки без внешнего усиления (рисунок 1);

• образец, усиленный с 2-х сторон базальтовой штукатурной сеткой и оштукатуренный гипсовым раствором «КНАУФ-Ротбанд» по грунтовке «КНАУФ-Мультигрунт» (рисунок 2).

Динамические испытания опытных образцов проводились на двухкомпонентной виброплатформе, возбуждение колебаний которой осуществлялось с помощью вибромашины ВИД-12, закрепленной на маятниковой виброплатформе. На рисунке 1 показан общий вид виброплатформы с установленным на ней эталонным образцом.

Режимы нагружения виброплатформы выбирались, исходя из следующего:

• период колебаний изменялся в пределах 0.1-1.5 с при продолжительности колебательного процесса 40-50 с;

• частотный диапазон колебаний, исходя из наиболее опасных значений существующих зданий, находился в пределах от 3 до 10 Гц.

Для измерения ускорений, частот колебаний и перемещений опытного образца использовались однокомпонентные датчики-акселерометры АТ 1105-10м. Датчики были установлены на виброплатформе и в уровне верха образца.

Результаты испытаний и их анализ.  Анализ результатов динамических испытаний опытных образцов перегородок позволяет отметить следующее. 

Эталонный образец.

1. В процессе испытаний ускорение виброплатформы изменялось в интервале от 0.3 до 13.6 м/с2 – в горизонтальном и 0.1 до 5.4 м/с2 – в вертикальном направлениях, частотный спектр – в интервале от 1 до 8.1 Гц. При этом максимальная амплитуда горизонтальных колебаний виброплатформы составила 20.7 мм, вертикальных – 5.1 мм. Следует отметить, что максимальные значения вертикальных и горизонтальных ускорений были зафиксированы после появления в конструкции перегородки вертикальных и горизонтальных трещин.

2. На 3-м режиме нагружения при частоте колебаний 2.8 Гц (интенсивность воздействия 7 баллов по шкале MSK-64) имело место образование волосяных трещин, проходящих по вертикальным и горизонтальным швам кладки стены.

3. На 17-м режиме нагружения при частоте 5.0 Гц имело место разрушение угловых зон перегородки (рисунки 3 и 4). При дальнейших режимах нагружения произошло обрушение отдельных зон перегородки. 

4. Согласно рекомендациям ЦНИИСК [1] применение не усиленных перегородок толщиной 80 и 100 мм в зданиях высотой до 5 этажей допускается в сейсмических регионах РФ с балльностью площадок до 7 баллов по шкале MSK-64.

Образец, усиленный базальтовой сеткой. 

1. В процессе испытаний ускорение виброплатформы изменялось в интервале от 0.8 до 18 м/с2 – в горизонтальном и 0.1 до 8.4 м/с2 – в вертикальном направлениях, частотный спектр – в интервале от 1.2 до 8.4 Гц. При этом максимальная амплитуда горизонтальных колебаний виброплатформы составила 74.7 мм, вертикальных – 22 мм. Следует отметить, что максимальные значения вертикальных и горизонтальных ускорений были зафиксированы после появления в конструкции перегородки вертикальных и горизонтальных трещин.

2. На 10-м режиме нагружения при частоте колебаний 4 Гц и ускорении виброплатформы 5.8 м/с2 имело место обрушение штукатурного слоя в угловых зонах перегородки (рисунки 4). Повреждений и трещин в кладке перегородки до данного режима нагружения не было установлено. Указанный этап нагружения соответствовал интенсивности воздействия, превышающей 9 баллов по шкале MSK-64 (4м/с2).

3. При дальнейших режимах нагружения произошло разрушение кладки в угловых зонах перегородки (рисунок 6). Именно на этих участках отсутствовали металлические связи, соединяющие перегородку с несущим каркасом. В таблице 1 приведены параметры динамического нагружения виброплатформы в горизонтальной плоскости.

4. Применение базальтовой сетки производства фирмы «ВЗТМ» для усиления перегородок из ПГП позволяет исключить прогрессирующее обрушение перегородок и, как следствие этого, гибель людей при землетрясениях.

Выводы  

1. По результатам динамических испытаний допускается применение гипсовых перегородок толщиной 80-100 мм из ПГП производства ООО «КНАУФ ГИПС» на клеевой растворной смеси «КНАУФ-Фуген» в сейсмоопасных регионах с балльностью площадки до 7 баллов. При этом этажность зданий не должна превышать 5 этажей. Соединение перегородок с железобетонным каркасом должно осуществляться по типовой серии с применением Г-образных металлических связей (рисунок 5).

2. В сейсмоопасных регионах с балльностью площадок 8, 9 баллов допускается применять перегородки «КНАУФ-гипсолит» в зданиях различной этажности и назначения при усилении их с двух сторон штукатурным слоем из «КНАУФ-Ротбанд» по технологии «КНАУФ», армированным базальтовой сеткой с расположением связей согласно схеме на рисунке 6.

Список литературы

1. Рекомендации по проектированию и применению перегородок из гипсовых пазогребневых плит для строительства в сейсмических районах. Шифр темы С-259, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 1990.

2. Альбом рабочих чертежей КНАУФ по «КНАУФ – гипсоплитам». Комплектные системы КНАУФ.  Внутренние стены из гипсовых пазогребневых плит для жилых, общественных и производственных зданий. Шифр М8, 10/07-П3. ОАО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ», г. Москва, 2007г.

3. Пустовгар А.П. Опыт применения гипсовых вяжущих при возведении зданий. // Строительные материалы. 2008. №3. C. 78-80. 

4. Деркач В.Н. Совместная работа каменного заполнения и железобетонного монолитного каркаса // Инженерно-строительный журнал. 2013. №5. C. 20-27.

5. Колчунов В.И., Моргунов М.В. и др. К вопросу алгоритмизации задачи расчета живучести железобетонных конструкций при потере устойчивости // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №10. C. 9-12.

6. Клюева Н.В., Тамразян А.Г. К влиянию ограничения температурных деформаций железобетонных изгибаемых элементов на живучесть зданий и сооружений.// Промышленное и гражданское строительство. 2012. №10.C. 9-12.

Подрисуночные подписи

1. Рисунок 1 – Общий вид виброплатформы с установленным эталонным образцом панели.

2. Рисунок 2 – Общий вид панели, усиленной композитной сеткой.

3. Рисунок 3 – Характер разрушения панели.

4. Рисунок 4 – Характер разрушения угловых зон панели.

5. Рисунок 5 – Характер разрушения штукатурного слоя усиленного образца.

6. Рисунок 6 – Узел крепления панели к элементам стен.

7. Рисунок 7 – Схема расположения элементов крепления перегородки к каркасу.

Сведения об авторах

1. Грановский Аркадий Вульфович, кандидат технических наук, доцент, Заведующий Лабораторией Центра исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО НИЦ «Строительство». arcgran@list.ru,  +7(499)174-77-87.

2. Доттуев Аскер Исмаилович, инженер Центра исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО НИЦ «Строительство». natakrik@mail.ru., +7 926 571-25-15.

3. Львова Дарья Владимировна, магистр ИСА 1-3,  НИУ МГСУ  

          dlvova95@mail.ru, +7 967 138-26-95

Абстракт

Проанализированы результаты экспериментальных исследований по оценке сейсмостойкости перегородок из пазогребневых плит производства фирмы «КНАУФ» марки «КНАУФ-гипсолит», смонтированных на клеевой растворной смеси «КНАУФ-Фуген». Проведены динамические испытания двух серий перегородок в натуральную величину размером 2.5×3.0 м на двухкомпонентной виброплатформе. Для испытаний было использовано два опытных образца перегородок: один образец – без внешнего армирования, второй образец, усиленный с двух сторон базальтовой штукатурной сеткой, установленной в штукатурный слой на основе гипсового раствора марки «КНАУФ-Ротбанд». Частотно-амплитудный спектр при динамических воздействиях на образцы изменялся в интервале от 1 до 8,4 Гц. При этом амплитуда колебаний в процессе испытаний изменялась в интервале от 2 до 74.7 мм по горизонтали и до 22 мм – по вертикали. Ускорение платформы изменялось в интервале от 0.1 до     5.8 м/с2. По результатам испытаний показана эффективность применения базальтовой сетки для исключения прогрессирующего обрушения перегородок при землетрясениях интенсивностью 7-9 баллов по шкале MSK-64. Даны рекомендации по схеме расстановки связей, соединяющих перегородки с несущими элементами здания. 

Ключевые слова

Эксперимент, сейсмическая нагрузка, частотно-амплитудный спектр воздействий, перегородка из пазогребневых плит, композитная сетка на основе базальтового волокна.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

а)

б)

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 7

Таблица 1