Исследование хризотилцементных фасадных систем для надежного строительства в сейсмических районах Казахстана

Последствия землетрясений свидетельствуют, что разрушения ненесущих стеновых конструкций, даже при сохранении целостности несущих конструкций зданий, могут представлять прямую угрозу безопасности людей, а затраты на восстановление и усиление поврежденных ненесущих элементов, зачастую, наносят обществу и владельцам зданий меньший ущерб, чем повреждения несущих конструкций. Разрушения и повреждения навесных фасадных систем и не всегда позволяет пояснять именно отсутствием или некачественным строительством антисейсмических мероприятий. Во многих случаях они обусловлены неэффективностью проектных решений, принимаемых в условиях дефицита объективных данных о действительной работе фасадных систем в системах зданий и сооружений. Экспериментальные исследования по уязвимости навесных фасадных систем при воздействиях типа сейсмических всегда в меньшей степени уделялось внимания, чем испытаниям несущих конструкций. В большей степени это связано с недооценкой значимости навесных фасадных систем в обеспечении антисейсмической безопасности людей, а в некоторой степени – с проблематичностью моделирования взаимодействия данных конструкций с несущими стеновыми конструкциями при реальных сейсмических воздействиях. В 2019 году с АО КазНИИСА (Казахстан) по заказу ОсОО «ТШП КАНТ» (Кыргызстан) выполнило ряд исследований хризотилцементных листов на фасадных системах в строительствев.

Основной целью эксперимента являлась проверка возможности применения плоских хризотилцементных листов непрессованных окрашенных и неокрашенных с гладкой и рельефной поверхностью для наружной отделки стен и вентилируемых фасадов зданий производства ОсОО «ТШП КАНТ» (Кыргызстан), возводимых в районах с высокой сейсмичностью.

Данная научно-исследовательская работа включала в себя подготовку к проведению испытаний, проведение экспериментальных (вибродинамических) испытаний, обработку и анализ полученных данных, составление отчета с основными выводами и рекомендациями.

Инструментальные записи колебаний зданий и сооружений и их фасадных систем, зафиксированные при реальных землетрясениях и экспериментальных исследованиях, показывают, что интенсивность колебаний ненесущих стеновых конструкций в плоскости и из плоскости, в определенных условиях, может существенно (в 1,5…2,0 раза и более) превышать интенсивность колебаний точек их закрепления к несущим конструкциям (перекрытиям, стенам, колоннам).

Метод испытаний

Экспериментальные исследования фасадных элементов из хризотилцементных листов проводились на специальном стенде, представляющем собой ячейку двухэтажного стального каркаса размерами 6х6м, и высотой этажа 3,3 м. Общий вид стенда до и после установки навесных фасадных систем показаны на рис.1.

Рисунок 1. Общий вид стенда до и после установки навесных фасадных систем

Динамические колебания стенда выполнялись вибромашиной инерционного действия типа В-2, установленной на покрытии стенда. Схема и общий вид вибромашины показаны на рис.2.

Рисунок 2. Схема и общий вид вибромашины

Комплект оборудования для вибрационных испытаний включал в себя:

-двигатель постоянного тока мощностью 110 кВт;

-четыре двухвальных виброблока с горизонтальными осями вращения рычагов;

-доборные грузы-дебалансы, навешиваемые на рычаги вибраторов;

-пульт управления, позволяющий плавно регулировать частоту вращения вала двигателя.

При испытаниях виброблоки были установлены на покрытии стенда таким образом, чтобы равнодействующая возбуждаемых ими сил совпадала с геометрической осью стенда в направлении цифровых осей.

Виброблоки и двигатель жестко крепились при помощи сварки и болтовых соединений к стальной раме, расположенной в уровне покрытия. Применение вибрационной машины позволило реализовать при испытаниях динамический характер нагружения исследуемых ненесущих стеновых конструкций и смоделировать основные особенности их поведения в системе здания при нагрузках типа сейсмических.

Конструктивные решения

Фасадные элементы из плоских непрессованных хризотилцементных листов, предназначенные для выполнения вентилируемых фасадов, были закреплены на алюминиевых подконструкциях.

При проведении испытаний изучалось поведение четырех фрагментов из хризотилцементных листов с различными видами креплений.

Первый фрагмент (далее – фрагмент 1) был выполнен с фасадными элементами, представляющими собой хризотилцементные плоские листы с размерами 1200х600х10 (t) мм и 600х600х10 (t) мм и с гладкой поверхностью. Вес панелей составлял 18,1 кг/м².

На втором фрагменте (далее – фрагмент 2) крепились плоские хризотилцементные листы с размерами 1200х600х8 (t) мм и 600х600х8 (t) мм и с гладкой поверхностью. Вес панелей составлял 14,4 кг/м².

Общий вид листов фрагмента 1 и фрагмента 2, показаны на рис.3.

Рисунок 3. Общий вид листов фрагмента 1 и фрагмента 2

На третий фрагмент (далее – фрагмент 3) крепились листы хризотилцементные плоские с размерами 1800х200х8 (t) мм и 900х200х8 (t) с рельефной поверхностью. Вес панелей составлял 14,4 кг/м².

На четвертом фрагменте (далее – фрагмент 4) крепились листы хризотилцементные плоские с размерами 1800х200х6 (t) мм и 900х200х6 (t) с рельефной поверхностью. Вес панелей составлял 10,9 кг/м².

Общий вид фрагментов 3 и 4 показан на рис.4.

Рисунок 4. Общий вид фрагментов 3 и 4

Алюминиевые подконструкции навесной фасадной системы (НФС), использовавшиеся для установки хризотилцементных листов, состояли из следующих основных элементов:

-спаренных П-образных кронштейнов;

-несущих П-образных кронштейнов;

-опорных П-образных кронштейнов;

-вертикальных направляющих коробчатого сечения;

-горизонтальных Н-образных направляющих (рис.5).

Рисунок 5. Алюминиевые подконструкции навесной фасадной системы

Горизонтальные профили (на фрагментах 1,3 и 4) крепились к стойкам заклепками. Шаг горизонтальных профилей по высоте составлял 600 мм на фрагменте 1 и 200 мм на фрагментах 3,4.

На фрагментах 1,3 и 4 хризотилцементные листы устанавливались в горизонтальные профили и имели между собой вертикальные зазоры шириной 5-8 мм. Горизонтальные зазоры между плитами и горизонтальными профилями каждого яруса заполнялись сверху и снизу силиконом (см. рис.6а).

На фрагменте 2 хризотилцементные листы крепились на вертикальные профили с помощью заклепок (с широким бортиком) – на первом этаже без втулок, а на втором этаже с втулками. Хризотилцементные листы имели между собой вертикальные и горизонтальные зазоры шириной 5-8 мм (см. рис.6б).

Рисунок 6а. Горизонтальные и вертикальные зазоры

Рисунок 6б. Горизонтальные и вертикальные зазоры

На фрагменте 4, в углу сопряжения навесных панелей, были установлены вертикальные стойки ограничители, предотвращающие горизонтальные перемещения плит в своей плоскости относительно номинального положения. По торцам и в стыках между листами, были загнуты горизонтальные профили (рис.7)

Рисунок 7. Горизонтальные профили

Результаты и выводы

На I этапе испытаний изучалось поведение экспериментальных объектов при относительно малых перекосах этажей стенда. На II этапе – при перекосах, близких к расчетным. На ІІІ этапе – при перекосах, близких к предельно допустимым.

Принятая методика вибродинамических испытаний позволяла выполнять следующие задачи:

-возбуждать колебания стенда в широком диапазоне частот и амплитуд;

-обеспечивать длительность колебаний, достаточную для оценки влияния малоцикловой усталости на состояние исследуемых конструкций;

-оценивать состояние ненесущих стеновых конструкций при разных амплитудах колебаний стенда.

При проведении вибрационных испытаний осуществлялись: регистрация колебаний и предварительная обработка данных, визуальное обследование конструкций, фотофиксация возникших повреждений, а также видеосъемки колебаний стенда и экспериментальных объектов. На этапах испытаний, помимо поступательных колебаний, стенд совершал крутильные колебания. Данные, полученные в результате опыта, свидетельствуют, что при проведении вибродинамических испытаний стенд и установленные на нем экспериментальные объекты подвергались весьма интенсивным динамическим нагрузкам. Местные динамические нагрузки, действовавшие при испытаниях на вентилируемые фасады в плоскости и из плоскости, в 2-4 раза превышали расчетные значения сейсмических нагрузок, отвечающих сейсмичности 9 баллов и соответствовали прогнозируемым реальным сейсмическим воздействиям интенсивностью 9 и более баллов.

Максимальные горизонтальные перекосы этажей стенда, имевшие место при вибродинамических:

-превышали предельно допускаемые нормами расчетные перекосы этажей сейсмостойких зданий в 2,0…3,0 раза;

-были близки к предельно допускаемым перекосам этажей сейсмостойких зданий при реальных сейсмических воздействиях.

Общее состояние всех фрагментов навесных фасадов после испытаний не представляло угрозы безопасности людей и соответствовало концепциям, положенным в основу действующих норм, регламентирующих правила проектирования в сейсмических районах. В соответствии с результатами испытаний, хризотилцементные плоские непрессованные листы толщиной от 6 до 12 мм могут применяться при устройстве навесных фасадов в зданиях, возводимых на площадках сейсмичностью 7-10 баллов. При этом в качестве несущих элементов фасадных систем следует применять алюминиевые подконструкции, прошедшие экспериментальную проверку или аналогичные им.