К вопросу оценки прочности тонкослойной кирпичной кладки в составе комбинированных конструкций

Развитие рынка фасадов характеризуется многообразием применяемых облицовочных материалов и конструкций. Появляются новые предложения, способные удовлетворить самые амбициозные архитектурные запросы. Параллельно с разработкой новых конструкций происходит переосмысление и доработка уже широко применяемых конструкторами решений. Одним из примеров такого развития является эволюция облицовки из кирпичной кладки. Современные конструктивные решения позволяют эффективно скрывать элементы крепления, температурные швы и применять нестандартные типы раскладки кирпича (рис. 1) [1].

Однако внесение изменений, направленных на улучшение эстетических и эксплуатационных свойств, усложняет конструкции.

С применением различных «пиксельных» поверхностей на фасадах зданий могут быть визуализированы картины, объемные виды предметов, объектов, так называемая 3D-визуализация (рис. 2). Возведение конструкций осуществляется непосредственно на строительной площадке.

Облицовка из кирпича опирается на опорные элементы, устойчивость облицовочного слоя обеспечивается за счет применения различных типов связей, устанавливаемых в растворные швы лицевого слоя с одной стороны и закрепляемые к вертикальным металлическим направляющим с другой стороны.

Выполнение подобных конструкций требует применения специальной раскладки кирпича, изменения геометрии конструкции. Нормативная база по проектированию подобных элементов облицовки отсутствует, что создает при строительстве основу для споров о прочности, о технических решениях и производстве работ.

Указанное свидетельствует о необходимости проведения испытаний и разработки требований, регламентирующих критерии оценки прочности и деформативности тонкослойной кладки и металлических направляющих в составе комбинированных фасадных конструкций, что впоследствии позволит разработать отдельный нормативный документ.

Для определения прочностных характеристик становятся вновь актуальны натурные испытания фрагментов конструкций облицовки. Результаты таких исследований позволяют определить не только прочность конструкции конкретного типа, но и подтвердить или опровергнуть предполагаемые характер работы и характеристики конструкций. Оборудование лаборатории надежности фасадов и теплоизоляционных фасадных систем (лаборатории № 25) ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко позволяет проводить испытания крупноформатных образцов высотой, соответствующей междуэтажному пролету. Методика проведения испытаний комбинированных конструкций и обработки результатов испытаний разработана с учетом положений [2]. Некоторые результаты испытаний крупноформатных экспериментальных образцов в натуральную величину приведены в публикациях [1][3–5].

В 2020–2022 гг. на базе лаборатории проведены комплексные испытания крупноформатных образцов комбинированной фасадной конструкции с облицовочным слоем из кирпича. Их отличительной особенностью была оценка влияния различных видов раскладок кирпича на прочностные характеристики экспериментальных образцов при идентичных конструктивных решениях металлической подконструкции. Можно сказать, что при прочих равных условиях выполнялась оценка влияния прочности сцепления на предел прочности конструкции.

При изготовлении образцов применялся один тип кирпича, раскладка – сплошная «тычкового типа», растворная смесь одного производителя. В конструкции выполнено чередование величины выноса кладочного элемента, что создает рельефный «пиксельный» рисунок на фасаде (рис. 1, 2). Перевязка вертикальных швов не выполнялась.

Проведенные испытания были направлены на исследование работы комбинированных конструкций с определением нагрузки, соответствующей появлению трещин в кладке защитно-декоративной конструкции. Эксперимент заключался в поэтапном приложении нагрузки на конструкцию в направлении «изнутри наружу», при котором моделировалась работа кладки на растяжение при изгибе по неперевязанному сечению – применительно к образцам по горизонтальному растворному шву. Контроль перемещений осуществлялся с применением индикаторов часового типа, которые располагались как на лицевой стороне кладки, так и с тыльной стороны – на направляющих. Дополнительно были установлены датчики контроля перемещений под опорными уголками первого ряда кладки облицовочного слоя.

Описанная выше проблема отсутствия нормативно-технической документации характерна для многих видов конструкций облицовки из кладочных элементов, при этом испытанные образцы, о которых будет идти речь ниже, имеют ряд отличий, поднимающих новые вопросы, затрагивающие задачу оценки надежности конструкций при разработке и обосновании технических решений. Попытка применить при проектировании облицовки правила расчета металлических конструкций [6] заведомо неверна, так как металлические элементы работают совместно с кладкой, и установленные нормами допустимые прогибы и деформации металла оказываются разрушительными для тонкой кладки переменной толщины. Также имеет место попытка применения существующей нормативной документации по проектированию каменных конструкций [7], однако работа кладки из кирпича на растяжение при изгибе, имеющая место в конструкции облицовки, освещена только для конструкций толщиной в кирпич и более, многократно превышающей современную однорядную облицовочную кладку. Вопросы необходимости ограничения прогибов поддерживающих кирпичную кладку конструкций поднимались основоположниками расчета каменных конструкций и ранее [8], но затрагивали конструкции промышленных объектов.

Необходимость проведения исследований обусловлена не только принимаемыми архитектурными решениями объектов строительства и необходимостью оценки прочности конструкции. При устройстве тонкослойной кладки строительные организации в некоторых случаях вынуждены выполнять с тыльной стороны вертикальные ниши, пазы, прорези для последующего «утапливания» в них направляющих (рис. 3).

Дефекты строительного основания, к которому закрепляется конструкция фасада, также являются причиной внесения изменений в конструкции как при проектировании, так и строительстве. Кроме того, устройство, например, вертикальных ниш позволяет уменьшить толщину стены, что является соблазном для застройщика с точки зрения расширения полезных площадей помещений.

В качестве примера для последующего анализа ниже приведены данные о характерных экспериментальных образцах из проведенных серий испытаний, схемы устройства ниш с указанием геометрических размеров сечения кладки приведены на рис. 4, 5:

• образец № 1 (эталон) – с вертикальной штрабой в зоне направляющих; площадь заполненной растворной смесью штрабы в горизонтальном сечении – S₁;
• образец № 2 – с вертикальной штрабой площадью S₂ без заполнения раствором;
• образец № 3 – с вертикальной штрабой площадью S₂, заполненной растворной смесью;
• образец № 4 – с вертикальной штрабой площадью S₁, заполненной растворной смесью;
• образец № 5 – с вертикальной штрабой с площадью S₁/2, заполненной растворной смесью.

Образец № 1 – эталон, на основе которого был проведен анализ влияния устройства штраб на прочность конструкции облицовки. Отличие экспериментальных образцов № 2 и 3 от образца № 1 заключалось в размерах ниш (S₂ ≈ 2S₁), образца № 3 от № 2 – в наличии заполнения прорезей (штраб) по высоте кладки раствором. На рис. 6, 7 приведены общие виды испытанных образцов. Образец № 4 представлял собой конструкцию, по габаритам аналогичную образцу № 1 с расположением кирпича на ребро. Образец № 5 – с тычковой раскладкой, аналогичной образцам № 1–3 с минимальной глубиной штрабы.

Экспериментальные образцы № 1–3 по габаритным размерам (3269 мм (H) × 1240 мм) были идентичны и состояли из 40 рядов кладки. Ширина постельного растворного шва составляла 190 мм. Толщина конструкции лицевого слоя – переменная 190 или240 мм в зависимости от положения кирпича в ряду. Высота комбинированного сечения для образцов № 1–3 – 285 мм.

При изготовлении экспериментальных образцов кладка выполнялась из клинкерного кирпича Feldhaus М400. Для изготовления растворной смеси применялась сухая строительная смесь со специальными добавками Quick-Mix М150 в мешках. Первый ряд кладки опирался на опорный уголок и фиксировался от горизонтальных перемещений закладными элементами (связями), укладываемыми в кладочный шов с одной стороны и в продольный паз-замок в направляющей с другой.

Исследования проводились на испытательном стенде ИС-4 со специально разработанной и изготовленной оснасткой, позволяющей выполнять пошаговое нагружение и замеры перемещений. При проведении испытаний анализировался характер деформирования и разрушения экспериментальных образцов.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований прочности и деформативности образцов при действии усилия, направленного перпендикулярно плоскости облицовочного слоя в направлении «от стены» (наружу), необходимо отметить следующее (табл. 1):

1. По результатам испытаний установлен характер работы тонкослойной кладки и металлических направляющих в составе комбинированных конструкций, величины прочности сцепления кирпича и раствора.

2. Работу конструкции экспериментальных образцов № 1–5 под нагрузкой следует считать идентичной, характеризующейся скачком деформаций и падением нагрузки в результате образования трещины в горизонтальном кладочном шве кладки споследующим интенсивным увеличением перемещений, образованием второй трещины и дальнейшим раскрытием горизонтальных трещин по кладочным швам. Графические зависимости по результатам испытаний образцов приведены на рис. 8.

3. Результаты испытаний показали значительную разницу в прочности образцов № 2 и 3. До появления первой зафиксированной трещины в кладке максимальная нагрузка на образец № 2 составила 2,80 кН (280 кгс), в образце № 3 первая зафиксированная трещина выявлена при нагрузке 5,50 кН (550 кгс), перемещения при нагрузках трещинообразования составили 0,44 и 0,29 мм соответственно.

Необходимо отметить, что предел прочности эталона (образца № 1) занимает промежуточное значение между пределами прочности образца № 2 и образца № 3, при этом в части деформативности образец практически был идентичен образцу № 3. По результатам замеров первая зафиксированная трещина появилась при нагрузке 4,44 кН (444 кгс) при перемещениях в середине образца 0,28 мм.

Зафиксированные перемещения в очередной раз доказывают невозможность применения при оценке деформативности металлических направляющих при совместной работе с кирпичной облицовкой по второй группе предельных состояний величин относительных прогибов, рекомендуемых в СП 20.13330 [9]. Согласно требованиям, при длине направляющей 3 030 мм допустимый прогиб составляет 15,15 мм, что в 40 раз превышает прогиб, при котором произошло трещинообразование в кладке экспериментальных образцов.

Показания датчиков, расположенных в одном уровне на направляющих и кладке, говорят о совместной работе облицовки и подсистемы. Тем не менее указанное справедливо только для принятых при изготовлении испытанных образцов кирпича, раствора, типе и количестве связей. Ранее при проведении испытаний связей «открытого» типа наблюдалось «опережение» перемещений кладки над направляющими, что сказывалось на величине предела прочности конструкции в целом, так как кладка работала совместно с металлическими направляющими лишь до определенного момента.

4. Все полученные графические зависимости имеют характерный излом на стадии образования трещины. Образование трещин зафиксировано между 20/21 и 22/23 (H = 1700 мм) рядами кирпича примерно на одной и той же высоте для образцов № 1–3.

5. Угол наклона кривых «нагрузка/перемещения» до потери сцепления кирпича с раствором для образцов № 1, 3, 4 идентичен. Угол наклона экспериментальной кривой «нагрузка/перемещения» для образца № 2 и 5 более пологий. При этом величина нагрузки, соответствующая одинаковым перемещениям для образцов № 1 и 3, превышает значения для образца № 2 не менее чем в 2,4 раза (рис. 9).

6. Согласно разработанной методике оценки результатов испытаний, предельная нагрузка при принятой схеме нагружения, соответствующая образованию трещины (эквивалентная равномерно-распределенная нагрузка при работе конструкции на растяжении при изгибе по горизонтальному неперевязанному сечению), составила:

• для образца № 1 – 105 кгс/м² (1,238 кПа);
• для образца № 2 – 67,8 кгс/м² (0,678 кПа);
• для образца № 3 – 123,8 кгс/м² (1,238 кПа).

7. При последующем нагружении происходило дальнейшее раскрытие горизонтального шва, характерное для разрушения кладки по неперевязанному сечению, смещение смежных рядов кладки в зоне трещины (рис. 10). Испытания завершались в момент потери прочности соединения связей с металлическими направляющими в «паз-замке».

8. Необходимо отметить, что вертикальные перемещения опорного уголка оказались ничтожно малы и составляли до момента образования трещины не более 0,03 мм (рис. 11). Разрушения опорной зоны облицовочного слоя в зоне подрезки первого ряда также не зафиксированы.

9. Повышение прочности образцов при увеличении площади заполненной штрабы в два раза не превысило 25 % (с 4,44 кН для образца № 1 до 5,50 кН для образца № 3), при этом в случае выполнения штраб без заполнения прочность образца № 2относительно «эталона» снизилась на 37 % (с 4,44 до 2,80 кН), а относительно образца № 5 – на 45 % (с 5,11 до 2,80 кН). Другими словами, при идентичных геометрических размерах штраб значение разрушающей нагрузки образца № 3, соответствующей образованию трещин в облицовочном слое, превышает значение нагрузки образца № 2 на 105 % (в два раза).

Указанное увеличение прочности образца № 3 по отношению к эталону (образцу № 1) может быть обусловлено заполнением штрабы с обеих сторон от стенки вертикальной направляющей, что для образца № 1 практически невозможно, так как стенка профиля при монтаже примыкала к стенке штрабы.

После образования трещин в кладке образцов происходило интенсивное увеличение перемещений на каждом шаге нагружения, что объясняется исключением облицовочного слоя из совместной работы с металлическими направляющими.

10. При увеличении перемещений и изгибе вертикальных направляющих образца № 2 происходит локальное деформирование стенки направляющих в результате потери устойчивости (вблизи трещины по высоте образца), смещение стенки направляющих в поперечном направлении, скручивание сечения профиля и последующий вырыв связей замкового типа из профиля направляющих. Тем не менее вопрос о влиянии на прочность условий, при которых происходит потеря устойчивости стенки, подлежит дополнительной проверке ввиду незначительных нагрузок, при которых происходила потеря прочности сцепления кирпича с раствором в шве кладки.

12. Очевидно, что при потере целостности конструкции лицевого слоя эксплуатационные характеристики конструкции не будут обеспечены, следовательно, «рабочая зона» конструкции должна быть ограничена величиной нагрузки, при которой происходит трещинообразование. Расчетное сопротивление тонкослойной кладки в составе комбинированной конструкции следует определять в пределах указанной зоны № 1 (рис. 8, 12).

13. Необходимо отметить и результаты определения прочности сцепления кирпича с раствором. По результатам испытания малых экспериментальных образцов прочность нормального сцепления составила 0,25 МПа (2,5 кгс/см²), что соответствует указанному в СП 15.13330 [7] значению расчетного сопротивления при работе кладки на осевое растяжение по неперевязанному сечению R = 0,08 МПа при коэффициенте запаса k ≈ 3.

14. Следует отметить, что потеря целостности металлической подконструкции, узловых и болтовых соединений, узлов крепления кладки до образования трещин не выявлена. На основе ранее проведенных испытаний [1][5] установлено, что условия, при которых конструкция не соответствует эксплуатационной надежности, наступают до возникновения в элементах связей значительных усилий. Работа комбинированной конструкции под нагрузкой в момент образования трещины характеризуется раскрытием горизонтальных швов вследствие изгиба лицевого слоя.

15. Графическая зависимость «нагрузка/перемещения» с указанием характерных зон работы конструкций в процессе испытаний приведена на рис. 13.

Основные выводы

1. По результатам испытаний установлена характерная графическая зависимость «нагрузка/перемещения» при работе тонкослойной кладки на растяжение при изгибе в составе комбинированной конструкции.
2. В пределах установленной по результатам испытаний «рабочей зоны» (зона № 1) конструкции максимальные перемещения не превышали 0,8 мм. При этом вертикальные перемещения опорных металлических элементов не превысили 0,03 мм.
3. Результатами испытаний подтверждено, что уменьшение момента инерции сечения кладки на 10 % за счет устройства штраб влечет за собой снижение прочности конструкции практически в два раза. Внесение изменений в конструкции кладки из кирпича при устройстве ниш и борозд в составе комбинированных конструкций требует дополнительного обоснования с проведением испытаний образцов.
4. Оценка проектных технических решений по устройству фасадов зданий с применением тонкослойной кладки, закрепленной на металлических вертикальных направляющих, для объекта строительства должна выполняться с учетом результатов испытаний экспериментальных образцов в натуральную величину. Несущую способность конструкции следует определять с учетом характеристик фактически применяемых материалов и архитектурных решений фасадов зданий (конфигурации стен здания).
5. На основе проведенных исследований в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработаны технические решения по усилению однопролетных конструкций из тонкослойной кладки в составе комбинированных конструкций.