Марина Олеговна Павлова, канд. техн. наук, заведующий лабораторией надежности фасадов и теплоизоляционных фасадных систем
2-я Институтская ул., д. 6, к. 1, г. Москва, 109428
Marina O. Pavlova, Cand. Sci. (Technical), Head of the Laboratory for Reliability of Facades and Thermal Insulation Facade Systems
2nd Institutskaya str., 6, bld. 1, Moscow, 109428
Владимир Андреевич Захаров, заместитель заведующего лабораторией надежности фасадов и теплоизоляционных фасадных систем
2-я Институтская ул., д. 6, к. 1, г. Москва, 109428
Vladimir A. Zakharov, Deputy head of the Laboratory for Reliability of Facades and Thermal Insulation Facade Systems
2nd Institutskaya str., 6, bld. 1, Moscow, 109428
Сергей Викторович Кушнир, заведующий сектором облицовочных изделий и материалов
2-я Институтская ул., д. 6, к. 1, г. Москва, 109428
Sergei V. Kushnir, Head of the department of facing products and materials
2nd Institutskaya str., 6, bld. 1, Moscow, 109428
Максим Николаевич Павленко, заведующий сектором фасадных конструкций и креплений
2-я Институтская ул., д. 6, к. 1, г. Москва, 109428
Maksim N. Pavlenko, Head of the department of facade structures and fastenings
2nd Institutskaya str., 6, bld. 1, Moscow, 109428
Приведены результаты лабораторных испытаний экспериментальных образцов на механическую безопасность, направленных на получение данных о характере работы фасадных защитно-декоративных конструкций из кирпича на металлических подконструкциях. Конструкции образцов – нетиповые, с различным расположением кирпича в лицевом слое, с наличием уступов, равномерно распределенных по полю образца. По результатам испытаний установлен характер работы конструкции под нагрузкой, абсолютные значения перемещений облицовочного слоя, величины прочности сцепления кирпича и раствора. В процессе испытаний зафиксированы перемещения защитно-декоративной конструкции в направлении прикладываемой нагрузки и величины усилий, соответствующие пределу прочности. Основной проблемой, затрагиваемой в статье, является отсутствие в нормативно-технической документации Российской Федерации правил проектирования и испытаний навесных фасадных систем из кирпича на металлических подконструкциях.
The article presents the results of laboratory tests of experimental samples for mechanical safety, aimed at obtaining data pertaining to the performance of protective and decorative brick facade structures on metal substructures. The designs of the samples are atypical, with a different arrangement of bricks in the face layer and with ledges evenly distributed over the surface of the sample. Based on the test results, structure behavior under load, the absolute values of the displacement of the cladding layer, and the values of the bond strength between bricks and mortar were established. During the tests, the displacement of the protective and decorative structure in the direction of the applied load and the values of the forces, corresponding to the strength limit, were recorded.
The article addresses the issue of the lack of rules for the design and testing of suspended facade systems made of bricks on metal substructures in the regulatory and technical documentation of the Russian Federation.
Современные здания жилой застройки и административных комплексов отличаются архитектурной выразительностью, достигаемой индивидуальным подходом к проектированию несущих и ограждающих конструкций инженерами, конструкторами и архитекторами.
Декоративная отделка фасадов зданий является основополагающей при визуальном восприятии фасадов зданий жилой квартальной застройки.
К современным тенденциям относится устройство фасадных конструкций с применением навесных фасадных систем (систем крепления) с облицовкой из кирпича, камня и штучных керамических изделий различных габаритов, выполненных в сочетании различных цветовых решений, форм и вариантах исполнения. Функции защиты и декора типовой отделки зданий объединены в единую конструкцию, выход из работоспособного состояния, т. е. отказ которой может привести к значительным негативным социально-экономическим последствиям.
Модным трендом в настоящее время является внедрение в практику строительства различных типов раскладок кирпича в конструкции облицовочного слоя.
К основным типам необходимо отнести (рис. 1):
Рис. 1. Общий вид фасада здания с раскладкой кирпича в виде «пикселей» и выпуклостей фрагментов, создающих объем, 3D-визуализация (из открытых источников всемирной сети Интернет)
Fig. 1. General view of the facade of a building with the brick layout in the shape of “pixels” and protuberances that create a volume and 3D-visualization (Photo: open internet sources)
Специалистами лаборатории надежности фасадов и теплоизоляционных фасадных систем ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (далее – ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) в 2020–2021 гг. проведен комплекс испытаний, направленных на исследование совместной работы кирпичной облицовки и металлических несущих подконструкций навесных фасадных систем. Работы по исследованной тематике начаты в 2009 г. Первые экспериментальные (лабораторные) исследования проведены в 2015 г.
Благодаря слаженной работе коллектива специалистов лаборатории, технического заказчика и подрядчика в лабораторном корпусе института смонтирован и запущен стенд для испытаний крупноформатных образцов фасадных конструкций (рис. 2).
Рис. 2. Стенд ИС-4 по испытанию крупноформатных образцов фасадных конструкций со смонтированными образцами различных защитно-декоративных конструкций из кирпича
Fig. 2. Stand IS-4 for testing large facade elements with mounted samples of various protective and decorative structures made of brick
Стенд запроектирован сотрудниками ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. Разработка выполнена с учетом перспективы развития рынка, современных тенденций к методам испытаний крупногабаритных фасадных, ограждающих и светопрозрачных конструкций.
Конструкция стоек и ригелей позволяет обеспечивать подачу нагрузки в трех плоскостях, применять поворотные платформы, производить монтаж экспериментальных образцов высотой «на этаж» до 4,5 м, имеет необходимый конструктивный запас для модернизации. Стенд позволяет визуализировать деформации при испытаниях фасадных конструкций.
Необходимость проведения механических испытаний в лабораторных условиях обусловлена отсутствием в настоящее время правил проектирования конструкций облицовки из штучных кладочных элементов [1–6, 8], принятых в проекте устройства наружных стен на жилом комплексе в Москве.
Отличительной особенностью испытаний является возможность установки в лабораторных условиях дополнительных элементов, оснастки и измерительных приборов. Указанное актуально при современном многообразии и вариативности фасадных конструкций, применяемых на объекте, который запроектирован в составе восьми корпусов различной этажности (от 16 до 100 м), и сложном сочетании секций зданий различной конфигурации в плане.
Проектом предусмотрено использование двадцати двух типов облицовки из кирпича при устройстве наружных защитно-декоративных конструкций и более пятидесяти вариаций архитектурного расположения штучных элементов на фасадах, в конструкциях наружных стен жилого комплекса.
При постановке задачи для экспериментальных исследований специалистами лаборатории была выполнена унификация и типизация основных конструкций устройства облицовки из кирпича. Отобраны основные типы конструкций, с различным расположением кирпича в конструкциях, требующие проведения лабораторных испытаний.
Отобранные восемь типов фрагментов с различным расположением кирпича на фасадах, переменной толщиной и разным типом кирпича были изготовлены в лабораторных условиях:
Рис. 3. Основные типы фасадных защитно-декоративных конструкций: а) тип 1-й – ложковая, раскладкой кирпича на постель с цепной перевязкой вертикальных растворных швов, с уступами; б) тип 1-й – ложковая, раскладкой кирпича на постель с цепной перевязкой вертикальных растворных швов, без уступов; в) тип 2-й – тычковая, раскладкой кирпича на ложок без перевязки вертикальных кладочных швов, с уступами; г) тип 2-й – тычковая, раскладкой кирпича на ложок без перевязки вертикальных кладочных швов, без уступов; д) тип 3-й – тычковая, раскладкой кирпича на постель без перевязки вертикальных кладочных швов, с уступами; е) тип 3-й – тычковая, раскладкой кирпича на постель без перевязки вертикальных кладочных швов, без уступов; ж) тип 4-й – ложковая, раскладкой кирпича на тычок без перевязки вертикальных кладочных швов, без уступов; з) тип 5-й – ложковая, раскладкой кирпича на постель с цепной перевязкой вертикальных кладочных швов («перфорированная»)
Fig. 3. The main types of facade protective and decorative structures: a) Type 1 – stretcher bond, bricks laid on the bed with the chain bonding of vertical mortar joints, with ledges; б) Type 1 – stretcher bond, bricks laid on the bed with the chain bonding of vertical mortar joints, without ledges; в) Type 2 – header bond, bricks laid on a row of stretchers without bonding of vertical mortar joints, with ledges; г) Type 2 – header bond, bricks laid on a row of stretchers without bonding of vertical mortar joints, without ledges; д) Type 3 – header bond, bricks laid on the bed without bonding of vertical mortar joints, with ledges; е) Type 3 – header bond, bricks laid on the bed without bonding of vertical mortar joints, without ledges; ж) Type 4 – stretcher bond, bricks laid on a row of headers without bonding of vertical mortar joints, without ledges; з) Type 5 – stretcher bond, bricks laid on the bed with the chain bonding of vertical mortar joints (“perforated”)
Толщина лицевого слоя в зависимости от типа раскладки находилась в пределах от 70 до 250 мм. Вид кирпича – клинкерный, пустотелый и полнотелый. Марка раствора по прочности на сжатие устанавливалась по результатам испытаний растворных кубов и соответствовала М150, марка кирпича – М400.
Работы выполнялись поэтапно, монтаж образцов высотой 3,3 м осуществлялся по проекту разработчика при контроле заказчика в лабораторном корпусе института. В процессе монтажа образцов решены вопросы, связанные с технологией ведения кладки, установлена предельная высота ярусов, обеспечивающая максимально эффективное ведение работ. Даны рекомендации по доработке технологической карты.
Широкая номенклатура кирпича, раствора, раскладок и металлических подконструкций, а также выявленные проблемы технологии свидетельствуют о необходимости разработки дополнительных требований при подборе и разработке проектов экспериментальных образцов, ведении кладочных работ на объекте.
При выборе типов защитно-декоративных конструкций для проведения испытаний учитывалась возможность обоснования безопасности конструкции согласно требованиям, действующих стандартов, сводов правил и № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Однако в действующей нормативной документации отсутствуют указанные требования соответствия проектных значений и характеристик здания требованиям безопасности. Согласно главе 3, статье 15 п. 6 № 384-ФЗ «…проектируемые мероприятия по обеспечению его безопасности должны быть обоснованы одним или несколькими способами из следующих способов:
1) результаты исследований;
2) расчеты и (или) испытания, выполненные по сертифицированным или апробированным иным способом методикам…»
Программой лабораторных испытаний предусматривалось исследование работы конструкции экспериментального образца при изгибе из плоскости стены, т. е. из плоскости облицовочного слоя. Примеры схем экспериментальных образцов приведены на рис. 4.
Рис. 4. Монтажная схема экспериментального образца (вид «на фасад»)
Fig. 4. Assembly drawing of an experimental sample (view of the “facade”)
Целью проведения испытаний являлся анализ совместной работы конструкции навесной фасадной системы с облицовочным слоем с определением:
Общий вид экспериментального образца перед испытаниями приведен на рис. 5. Особенности экспериментального образца: высота – двадцать шесть рядов кладки, т. е. 3,3 м, ширина – 1,3 м, толщина конструкции лицевого слоя – переменная (от 70 до 240 мм).
Рис. 5. Общий вид экспериментального образца, смонтированного в лабораторном корпусе ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко перед испытаниями
Fig. 5. General view of an experimental sample mounted in a laboratory of the Kucherenko Central Research Institute before running the tests
Испытания проводились по специально разработанной в ЛНФ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко методике [
По результатам испытаний определен коэффициент эффективности применения опорной металлической подконструкции фасадной системы при различной толщине облицовочного слоя и переменной величине опорной зоны.
В процессе испытаний подача нагрузки на образец осуществлялась в пяти точках по высоте образца (рис. 6). Для замеров деформаций выполнялась установка двадцати двух датчиков, индикаторов часового типа для фиксации перемещений конструкции. Индикаторы устанавливались по высоте экспериментального образца симметрично относительно вертикальной оси конструкции (по одиннадцать индикаторов справа и слева образца).
Рис. 6. Схема распределенного нагружения экспериментального образца с применением РГСУ-30
Fig. 6. Distributed loading of an experimental sample using an RGSU-30
Замеры деформаций выполнялись пошагово, определялись перемещения конструкции облицовочного слоя, металлических подконструкций несущих элементов системы НФС и опорных уголков в уровне опорной зоны защитно-декоративной конструкции.
На первом начальном этапе испытаний после предварительного нагружения образца до величины 0,5 % от предполагаемой разрушающей нагрузки для исключения погрешности при снятии показаний на приборах выполнялась корректировка расстановки приборов.
На втором этапе нагружение испытуемой конструкции осуществлялось пошагово до нагрузки Nmax, при достижении которой фиксировалась потеря несущей способности конструкции.
Шаг нагружения составлял 2–5 % от предполагаемой максимальной нагрузки. В процессе испытаний контроль целостности металлической подконструкции выполнялся визуально. На рис. 7 приведен общий вид экспериментального образца на металлических подконструциях после проведения испытаний.
Рис. 7. Общий вид экспериментального образца на металлических подконструкциях после проведения испытаний
Fig. 7. General view of the experimental sample on metal substructures after the tests
За разрушающую нагрузку Nmax принята величина усилия на шток прибора, при котором выполняется одно из условий: раскрытие шва кладки – Ncr; разрушение связи, соединения связи в замке направляющей, узла заделки в растворном шве – Ns.
Разрушения образцов сопровождались ростом деформаций – падением давления в гидравлической системе, контролируемым по показаниям манометра, и скачком перемещений на индикаторах (рис. 8).
Рис. 8. График зависимости перемещений от прикладываемой нагрузки (вид сбоку) – индикаторы М1–М10
Fig. 8. Dependence of displacements on the applied load (side view) – indicators M1–M10
На рис. 9 приведены графики, построенные по теоретическим расчетам (кривая 1) и по результатам испытаний (кривая 2) оценки эффективности применения металлического каркаса исследуемой системы крепления при толщине облицовочного слоя от 50 до 250 мм.
Рис. 9. Форма графика зависимости несущей способности экспериментальных образцов при изгибе в зависимости от толщины лицевого слоя
Fig. 9. Dependence of bearing capacity of experimental samples in bending on the thickness of the face layer
Установлено, что коэффициент эффективности (kэ) снижается при увеличении толщины защитно-декоративной конструкции (кладки). Для исследуемой конструкции kэ находится в интервале от 2,4 до 1. Изменение коэффициента обусловлено конструктивными особенностями систем крепления и величиной опорной зоны облицовочного слоя. Эффект применения металлической опорной конструкции наблюдается при расположении центра тяжести лицевого слоя в пределах опорной зоны, что для исследуемой конструкции составляет 180 мм.
При увеличении толщины облицовочного слоя эффективность применения металлической конструкции в составе фасадной системы снижается и, как следствие, металлический каркас не участвует в работе фасадной конструкции. Полученная зависимость основана на результатах испытаний, получена впервые и будет доработана после завершения эксперимента.
В настоящее время в лаборатории продолжается комплекс исследований, в рамках НИОКР проводится работа по исследованию серии образцов с оценкой влияния прочности раствора на несущую способность конструкций облицовки.
Необходимо отметить, что испытания крупноформатных экспериментальных образцов фасадных конструкций являются наиболее эффективным методом оценки работы конструкции под нагрузкой.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.