Прочность и деформативность анкерного крепежа при действии статической и динамической нагрузок

За последнее десятилетие в России наблюдается значительный рост объемов строительных работ с использованием анкеров для крепления различных конструктивных элементов к стенам и другим конструкциям зданий и сооружений. Отсутствие нормативных документов и стандартов, регламентирующих методы оценки прочности анкеров и анкерных узлов при действии на них продольных и поперечных относительно их, оси усилий, повышенный уровень ответственности указанных конструктивных элементоввсе это требует от проектировщиков специальных знаний иг опыта проектирования.

Оценка несущей способности анкерных. креплений усложняется отсутствием стандартной методики проведения испытаний анкеров и нормирования расчетных величин вертикальных и горизонтальных нагрузок на анкер и соответствующих им перемещений, а также методов расчета анкерных узлов.

В настоящее время единственным документом, регламентирующим использование анкерного крепежа в строительстве, является Техническое свидетельство на анкеры, утверждаемое Росстроем РФ на, основе Технической оценки пригодности продукции для применения в строительстве, выдаваемой ФГУ ФЦС (Федеральный центр технической оценки продукции в строительстве). Методика испытаний и оценки прочностных и эксплуатационных характеристик анкерного крепежа, используемая при составлении технического свидетельства, базируется на основных положениях и рекомендациях ETAG (норматив европейского технического свидетельства) — выдаваемого ЕОТА (Европейской организацией технических допусков).

Указания этих документов по ряду позиций в части методики испытаний анкерного крепежа, установки в стеновые материалы и с требований непосредственно к стеновым материалам не соответствуют положениям отечественных нормативных и рекомендательных документов. Всё это требует проведения специальных исследований как в части методики испытания анкерного крепежа на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий, так и разработки требований к стеновым материалам, в которые устанавливается, анкерный крепеж. Кроме этого, исследования работы анкерного крепежа, используемого в строительных конструкциях, возводимых в сейсмических районах с балльностью 7−9 балов, в отечественной литературе отсутствуют.

Отсутствие или незначительный объем проведенных исследований в области анкерных креплений затрудняет решение вопросов, возникающих у инженеров-конструкторов по обеспечению необходимого уровня надежности и долговечности проектируемых конструкций и их соединений:

Актуальность диссертационной работы обусловлена существенным расширением области использования анкерного крепежа вследствие интенсивного развития рынка наружных фасадных систем в России^ а также значительно возросших объемов работ по использованию анкерного крепежа при ремонте и усилении конструкций зданий и сооружений, в том числе в районах с сейсмичностью 7−9 баллов.

Цели диссертационной работы.

На основе проведенных экспериментальных исследований необходимо:

— разработать методику статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

— разработать методику динамических испытаний анкерного, крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

— установить область применения анкеров в зависимости от их конструктивных особенностей, характера силового воздействия (статическая или динамическая нагрузки) и физико-механических характеристик стенового материала;

— исследовать прочность и деформативностъ анкерного крепежа при установке в стены из ячеистобетонных блоков с учетом степени увлажнения бетона;

— оценить влияние отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров;

— разработать рекомендации по применению анкерного крепежа в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

На защиту выносятся:

— методика проведения статических испытаний анкеров, установленных в стены из различных материалов, на действие продольных относительно оси анкера усилий и оценки несущей способности анкера при вырыве из материала основания;

— методика проведения динамических испытаний анкеров на действие продольных и поперечных относительно оси анкера усилий;

— результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений с использованием анкеров различных типов, установленных в стены из ячеистого бетона с различной влажностью;

— результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности анкерных креплений при действии на них динамических нагрузок.

— результаты экспериментальных исследований влияния различных технологических отклонений от стандартных параметров монтажа анкерного крепежа на несущую способность анкеров;

— рекомендации по применению различных типов анкеров в зданиях, возводимых в обычных и сейсмических районах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана методика статических испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер;

— разработана методика динамических испытаний анкерного крепежа на действие циклической (вырыв, срез) и ударной (вырыв) нагрузок;

— впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистого бетона с учетом его прочности и влажности;

— впервые получены экспериментальные данные о прочности и деформативности анкерного крепежа в зависимости от способа монтажа конструкций фасадных систем и о влиянии отклонений параметров монтажа от проектных требований на несущую способность анкеров при вырыве;

— впервые получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из тяжелого бетона с трещинами при действии динамических (сейсмических), в том числе импульсных (ударных) нагрузок.

Практическое значение работы.

1. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований разработана методика испытаний анкерного крепежа на действие продольных относительно оси анкера усилий с назначением величины расчетной нагрузки на анкер при статических и динамических воздействиях;

2. Получены данные о несущей способности анкерного крепежа при установке анкеров в стены из ячеистобетонных блоков с учетом их прочностных и физико-механических характеристик.

3. Даны рекомендации по выбору анкеров ведущих мировых фирм-изготовителей анкерного крепежа для крепления конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков.

4. Установлено влияние возможных отклонений параметров монтажа анкерного крепежа от проектных требований на несущую способность анкеров.

5. По заданию Ассоциации «АНФАС» (Ассоциация производителей и поставщиков фасадных систем теплоизоляции) разработан Стандарт «Анкерные крепления для фасадных систем. Общие положения, основные требования, методы испытаний», который в настоящее время прошел 4-ю редакцию.

6. Результаты исследований использованы при подборе типов анкерного крепежа для фасадных систем (Комплекс учебных зданий Академии ФСБ РФ, ЖК «Континенталь» и др.), крепления строительных лесов и конструкций (Старый Гостиный Двор, Государственный Музей Заповедник «Царицыно») и усиления стен памятников архитектуры (Государственный Академический Большой Театр России).

Апробация работы осуществлена: — в докладах выступлений на координационных совещаниях по анкерным креплениям фирмы «HLLTI» (г. Шаан, Лихтенштейн, в сентябре 2007г), фирмы.

Fischer" (г. Вальдехшталь, Германия, в декабре 2008 г.), фирмы «SORMAT» (г. Турку, Финляндия, в марте 2008 г);

— в докладе «Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при динамических воздействиях» на 12-ой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, апрель 2009 г;

— в докладе «Надежность анкерных креплений в конструкциях из автоклавного газобетона» на Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и долговечность конструкций из автоклавного газобетона «СопАег», Москва, Экспоцентр, октябрь 2009 г;

— в докладе «Исследование работы анкеров при сейсмических ударных воздействиях» «на конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли «КОМАНДА-2009», Санкт-Петербург, «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ», декабрь 2009 г.

Публикации:

Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 8-ми печатных трудах.

Структура и объем работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

В результате проведенных экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Разработана и предложена для практического применения методика испытания анкерного крепежа на действие статических и динамических (циклических и ударных) нагрузок.

2. На основе экспериментальных исследований выполнена сравнительная оценка существующих методов испытаний анкеров на действие продольных относительно их осей усилий, используемых как рубежом, так и в России. Установлены критерии для оценки величины расчетной нагрузки на анкер по результатам испытаний с использованием предложенной в диссертации методики.

3. На основе экспериментальных исследований установлены типы анкеров, которые могут быть рекомендованы для применения в зданиях и сооружениях, возводимых в районах с сейсмичностью 7-^-9 баллов.

4. Впервые получены данные о несущей способности рекомендованных для применения в сейсмических районах химических и распорных анкеров, установленных в монолитный бетон с трещиной, при действии на них динамической и ударной (импульсной) нагрузок.

5. Получены графические зависимости (гистерезисные кривые) «нагрузка-деформация» для анкерных креплений при различных параметрах воздействия динамической нагрузки (частота, количество циклов, величина нагрузки).

6. Выявлены схемы разрушения анкерных креплений при действии динамической (продольной и поперечной относительно оси анкера) нагрузки в зависимости от конструктивных особенностей (типа) анкера.

7. Впервые проведены экспериментальные исследования анкерного крепежа на действие ударной (импульсной) нагрузки при установке их в монолитный бетон с трещиной. Получены записи акселерограмм при действии ударной (импульсной) нагрузки на анкер и установлена возможность применения принятой конструкции анкера как в сейсмических районах, так и в случае использования в конструкциях атомных электростанций при ударных воздействиях, соответствующих величинам ускорений 12g.

8. На основе экспериментальных исследований установлены наиболее эффективные типы анкеров, которые могут быть использованы в строительной практике для крепления фасадных конструкций к стенам из ячеистобетонных блоков в зданиях различной этажности. Установлены требования к стенам из ячеистобетонных блоков при креплении к ним конструкций навесных вентилируемых фасадов с помощью предложенных типов анкеров. Результаты исследований были использованы при возведении высотных зданий в г. Москве и г. Казани.

9. На основе экспериментальных исследований получены данные о несущей способности при вырыве анкерного крепежа, установленного в стены из ячеистобетонных блоков при различной степени увлажнения ячеистого бетона. Проанализировано влияние степени увлажнения базового материала на несущую способность анкера.

10.Получены данные о влияния отклонений параметров монтажа анкеров от технических требований фирм-производителей анкерного крепежа на их несущую способность. По результатам экспериментальных исследований предложена эмпирическая зависимость, позволяющая определить несущую способность анкера на вырыв из материала основания в зависимости от глубины установки рабочего органа (шурупа) в полиамидный дюбель.

11.Результаты исследований были использованы при проектировании, строительстве и реконструкции многочисленных объектов г. Москвы и регионов РФ. Натурные испытания анкеров подтвердили достоверность и обоснованность предложенной методики испытаний, а также результатов экспериментальных исследований, полученных в диссертации.