Эффективность армирования каменных сводов композитными материалами

Рассматриваются каменные своды исторических зданий, которые из-за снижения несущей способности требуют ремонтно-восстановительных работ. Дается анализ механизмов разрушения цилиндрических сводов в зависимости от соотношения их высоты к пролету. Анализируются преимущества усиления сводов с помощью армирования композитными материалами. Дается описание технологии поверхностного армирования каменных конструкций с помощью композитных материалов на полимерцементной матрице FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). Приводится методика экспериментальных исследований моделей армированных и не армированных сводов. На основе эксперимента показано, что эффективность армирования сводов предопределяется особенностями их напряженно-деформированного состояния и механизмов разрушения. В частности, эффективность армирования возрастает с увеличением отношения высоты сводов к его пролету. Данные результаты обоснованы тем, что в высоких сводах доминирующее значение имеет соотношение изгибающих моментов и продольных сил, а в случае пологих сводов в их сечениях доминируют продольные и поперечные силы, а разрушение происходит в виде скалывания по наклонным сечениям. Также эффективность армирования возрастает при их несимметричном нагружении относительно середины пролета. По результатам исследования построены графики зависимости максимальных вертикальных перемещений сводов, показывающих существенное влияние армирования на увеличение их жесткости. Кроме этого подчеркивается, что к настоящему моменту существует необходимость в устойчивой теории прочности сложных каменных конструкций – криволинейных, сводчатых и других, находящихся в сложном напряженном состоянии. Ее появление может существенно упростить и унифицировать расчеты, производимые при обследовании каменных зданий, составлении проектов их реставрации и реконструкции, решить проблемы прочности кладки современных фасадных систем.

1. Исследование деформаций, расчет несущей способности и конструктивное укрепление древних распорных систем. Методические рекомендации. М., 1989.

2. Бернгард В.Р. Арки и своды [Текст]: Руководство по устройству и расчету арочных и сводчатых перекрытий. С-Петербург: Типография Ю.Н. Эрлих. 1901. 128 с.

3. Физдель И.А. Дефекты в конструкциях, сооружениях и методы их устранения [Текст]. 3-е издание. М.: Стройиздат, 1987.

4. Павлов В.В., Харьков Е.В. Восстановление работоспособности каменных арок и сводов. Вестник гражданских инженеров. 2017. № 6(65) Стр. 65-70.

5. Ahnert R., Krause K. H. Typische Baukonstruktionen von 1860 bis 1960 zur Beurteilung der vorhandenen Bausubstanz. Band 1,2. Berlin, 2009.

6. Jasieńko J., Tomasz Ł., Rapp P. Naprawa, konserwacja i wzmacnianie wybranych, zabytkowych konstrukcji ceglanych; Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne: 2006.

7. Nowak R., Orłowicz R. Selected problems of failures and repairs of historic masonry vaults. MATEC Web Conf. 2019. 284. 05008.

8. Biolzi L.; Ghittoni C.; Fedele R.; Rosati G. Experimental and theoretical issues in FRP-concrete bonding. Construction and Building Materials. 2013. 41. 182–190.

9. Hojdys Ł. Wpływ wzmocnienia materiałami kompozytowymi sklepień murowych na ich nośność. Kraków, 2010.

10. Орлович Р.Б., Деркач В.А. Зарубежный опыт армирования каменных конструкций [Текст]. Жилищное строительство. 2011. №11.

11. Papanikolaou C., Triantafillou T., Fabregat P.R. Increase of load-carrying capacity of masonry with textile reinforced rendering [Text]. Mauerwerk. № 19/2015. Pp. 40-51.

12. Van Parys L., Noel J., D. Lamblin, Bultot E., Delehouzee L. FE "Block & Interaction" Approach for Computing the Impact of Tower Inclinations on the Safety of a Masonry Arch System in the Our Lady Cathedral of Tournai (BE). Structural Analysis of Historical Constructions. Wroclaw, 2012.

13. Alecci V., De Stefano M., Focacci F., Luciano R., Rovero L., Stipo G. Strengthening Masonry Arches with Lime-Based Mortar Composite. Buildings 2017. 7. 49.

14. Bednarz Ł., Jasieńko J., DiTommaso A. Experimental Investigations into Collapse of Masonry Arches Reinforced Using Different Compatible Technologies. In Proceedings of Mechanics Of Masonry Structures Strengthened With Composite Materials. In Proceedings of the MuRiCo., Venice, Italy, 22-24, 2009.

15. Briccoli Bati S.; Rovero S.; Tonietti U. Experimental analysis on scale models of CFRP reinforced arches. In Proceedings of Mechanics Of Masonry Structures Strengthened With Composite Materials. In Proceedings of the MuRiCo., Venice, Italy, 22-24, 2009.

16. Castori G., Borri A., Ebaugh S., Casadei P. Strengthening masonry arches with composites. In Proceedings of Third International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2006), Miami, Florida, USA, 13-15, 2006.

17. Corradi M., Borri A., Castori G., Coventry K. Experimental Analysis of Dynamic Effects of FRP Reinforced Masonry Vaults. Materials 2015, 8, 8059-8071.

18. Oliveira D., Basílio I., Lourenco P. FRP strengthening of masonry arches towards an enhanced behaviour. In Proceedings of The Third International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, Porto, Portugal, 16–19, 2006.

19. Pantò B., Cannizzaro F., Caddemi S., Caliò I., Chácara C., Lourenço P.B. Nonlinear Modelling of Curved Masonry Structures after Seismic Retrofit through FRP Reinforcing. Buildings, 2017. 7. 79.

20. Triantafillou T.C. Strengthening of Masonry Structures Using Epoxy-Bonded FRP Laminates. Journal of Composites for Construction, 1998. 2. 96-104.

21. Luciano R., Sacco E. Damage of masonry panels reinforced by FRP sheets. International Journal of Solids and Structures 1998. 35. 1723-1741.