Усиление кладки через базальтовые канаты

Уплотнение и усиление несущих панелей является одной из наиболее важных операций по улучшению сейсмических характеристик существующего каменного здания, особенно когда они повреждены или сделаны ненадлежащим образом, вдали от практических законов «правил техники».

Идея техники укрепления, способной соединять элементы каменной кладки, сшивая их, основанная на использовании канатов из базальтового волокна (базальтовая кладочная сетка), возникает из осознания того, что одним из худших структурных дефектов исторической каменной стены является отсутствие монолитного поведения. Базальт — это природный материал, который содержится в вулканических породах, происходящих из замороженной лавы. Непрерывные базальтовые волокна получают путем плавления базальта и, по-видимому, являются хорошей альтернативой стеклянным и углеродным волокнам. Предложенная методика позволяет соединять элементы каменной кладки таким образом, чтобы они имели монолитное поведение и улучшали механические свойства несущих панелей с использованием огнестойкого и химически стойкого материала, который обладает высокой совместимостью с каменной кладкой (каменные швы). Более того, оно является обратимым, в соответствии с принципом минимального вмешательства (а значит, и экономическими преимуществами), и, если веревки из базальтового волокна вставляются в швы раствора, предварительно частично обработанные канавкой, оно невидимо и, таким образом, способно сохранять первоначальный вид каменной кладки. Для оценки эффективности предложенного метода были проведены экспериментальные (лабораторные и in-situ тесты) и FEM-анализ.

Как показали некоторые авторы [1, 2], исторические каменные здания, подвергшиеся землетрясению, не демонстрируют глобального структурного поведения. Если здание было построено из каменной кладки хорошего качества, оно имеет тенденцию разделяться на несколько частей, называемых макроэлементами, которые реагируют как сейсмическое воздействие как отдельные элементы, и для которых основные характеристики механизмов разрушения, по крайней мере, приблизительно известны. Таким образом, реакция исторических каменных зданий на землетрясение зависит от количества макроэлементов. После того, как макроэлементы и их наиболее вероятные механизмы разрушения определены, можно предсказать возможные повреждения и принять контрмеры. Качество каменной кладки определяет, можно ли считать такой подход разумным: фактически только качественная кладка способна гарантировать монолитное поведение. Напротив, если использовалась кладка низкого качества, ожидался хаотический сбой, и это неверное рассуждение об активации механизма отказа. Более того, слабого землетрясения может быть достаточно, чтобы определить катастрофические обвалы, как это было видно при землетрясении в Аквиле в 2009 году. Эффективность конструкции кирпичной кладки напрямую зависит от ее качества, и когда она была сделана в соответствии с предписаниями «правила искусства» кладку можно считать «хорошего качества» (рис. 1).

Рис. 1 Эффективность конструкции каменной кладки напрямую зависит от ее качества: кладка хорошего качества, подверженная нагрузкам вне плоскости, реагирует как монолитное тело (слева), в то время как кладка низкого качества характеризуется хаотическим отказом (справа). Для каменной кладки среднего качества (в центре) можно ожидать среднее поведение.

Существенными признаками являются: наличие поперечных соединительных элементов, горизонтальность ходов, расстановка вертикальных швов, форма и размеры отдельных узлов, качество раствора и прочность материала отдельных узлов [3]. Если можно было бы признать отсутствие этих признаков, каждая структурная оценка является достаточно надежной, и первое, что нужно сделать, — это улучшить качество кладки. В настоящее время существует множество различных способов укрепления кладочных панелей. Некоторые из них являются традиционными (и, как правило, наиболее распространенными), такими как инъекционный раствор, кожух из железобетона или использование искусственных соединителей (металлических стержней), а некоторые другие могут считаться инновационными, например использование композитных полос [4]. Но когда требуется сохранить оригинальный аспект кладки кирпича, все эти методы не могут быть применены. Эту возможность можно представить повторным назначением кладочных швов, которое заключается в замене поврежденного раствора на поверхностях стен, вставляя также в стальные стержни в стыках основания раствора в качестве арматуры, которая может обеспечить значительное увеличение прочности [5, 6, 7]. В последнее время в сфере строительства появляются инновационные армирующие волокна и изделия, такие как базальтовые. Идея техники укрепления, способной соединять элементы каменной кладки и сшивать их канатами из базальтового волокна, возникает из осознания того, что одним из худших структурных дефектов исторической каменной стены является отсутствие монолитного поведения. Для оценки эффективности предлагаемой методики был проведен экспериментальный (лабораторные и полевые испытания) и FEM-анализ.

Базальт и базальтовые волокна

Базальт — это природный материал, который содержится в вулканических породах, происходящих из замороженной лавы. Непрерывные базальтовые волокна получают путем плавления базальта и характеризуются высоким модулем, термостойкостью, хорошей стойкостью к химическому воздействию и, по-видимому, являются хорошей альтернативой стеклянным волокнам [8, 9, 10]. В области строительства базальт предлагается в виде коротких волокон для изоляционного материала (базальтовая вата), для железобетона (рубленое волокно) или аналогичного армирующего материала при реставрации и восстановлении бетонных [10] и каменных конструкций [11] или подобных армирующих элементов. материал для стержней из армированного волокном полимера (FRP), используемый в бетонной технологии [12]. Также важно применение в области пассивной противопожарной защиты [13]. Непрерывные базальтовые волокна могут быть обработаны с помощью классического текстильного преобразования для получения также веревок, в отличие от других видов армирующих волокон. В этой экспериментальной программе были использованы канаты из базальтовых волокон номинальным диаметром 4 мм (заявленные производителем) (рис. 2). Механическая характеристика этого продукта была разработана и описана в [14].


Рис. 2 Канат из базальтового волокна.

Использованные источники

[1] Giuffrè A. Letture sulla meccanica delle murature storiche. Kappa Editore, (1991).

[2] Doglioni F. et al. Le chiese e il terremoto (a cura di), LINT, (1994).

[3] Donà C., De Maria A. (a cura di). Manuale delle murature storiche. Analisi e valutazione del comportamento strutturale, DEI, (2011).

[4] Corradi M., Borri A., Vignoli A. Strengthening techniques tested on masonry structures struck by the Umbria–Marche earthquake of 1997–1998. Construction and Building Materials 16, (2002), pp.
229–239.

[5] Modena C. et al. Design choices and intervention techniques for repairing and strengthening of the Monza cathedral bell-tower. Construction and Building Materials 16, (2002), pp. 385–395.

[6] Tinazzi D. et al. FRP-Structural Repointing of Masonry Assemblages. Proc. 3rd Inter. Conf. on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, Ottawa, Canada, J. Humar and A.G.
Razaqpur, Editors, (2000), pp. 585-592.

[7] Valluzzi M.R., Binda L., Modena C. Mechanical behaviour of historic masonry structures strengthened by bed joints structural repointing. Construction and Building Materials 19, (2005), pp. 63–73.

[8] Van de Velde K. et al. Basalt Fibres as Reinforcement for Composites. Proc. 10th Int. Conf. on Composites/Nano Engineering, University of New Orleans, New Orleans, LA, USA, (2003).

[9] Wei B., Cao H., Song S. Environmental resistance and mechanical performance of basalt and
glass fibers. Materials Science and Engineering A 527, (2010), pp. 4708-4715.

[10] Sim J., Park C., Moon D.Y. Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures. Composites: Part B 36, (2005), pp. 504-512.

[11] Papanicolaou C., Triantafillou T., Lekka M. Externally bonded grids as strengthening and seismic retrofitting materials of masonry panels. Construction and Building Materials 25, (2011), pp. 504–514.

[12] Brik V.B. Advanced concept concrete using basalt fiber composite reinforcement. Final report for Highway-IDEA Project 86 submitted to NCHRP-IDEA, (2003).

[13] Landucci G. et al. Design and testing of innovative materials for passive fire protection, Fire Safety Journal 44, (2009), pp. 1103–1109.

[14] Quagliarini E. et al. Tensile characterization of basalt fiber rods and ropes: A first contribution.
Construction and Building Materials 34, (2012), pp. 372–380.

[15] Santa-Maria N., Alcaino P. Repair of in-plane shear damaged masonry walls with external FRP
Construction and Building Materials 25, (2011), pp. 1172–1180.

[16] UNI EN 1015-11. Methods of test for mortar for masonry – Determination of flexural and compressive strength of hardened mortar.

[17] UNI EN 772-1. Methods of test for masonry units. Determination of compressive strength.

[18] Sacchi A. L’economia del fabbricare. Milano, 1879.

[19] Rondelet J.B. Trattato teorico e pratico dell’arte di edificare. Parigi, 1817.

[20] UNI EN 12390-1. Testing hardened concrete. Shape, dimensions and other requirements for specimens and moulds.

[21] UNI EN 12390-2. Testing hardened concrete. Making and curing specimens for strength tests.

[22] UNI EN 12390-3. Testing hardened concrete. Compressive strength of test specimens.

[23] P.B. Lourenço, Computational strategies for masonry structures, Delft University Press (1996).

[24] A. Borri et al. Shear behavior of unreinforced and reinforced masonry panels subjected to in situ diagonal compression tests, Construction and Building Materials 25, (2011), pp. 4403–4414.

[25] ASTM E 519-02. Standard Test Method for Diagonal Tension (Shear) in Masonry Assemblages.

[26] Brignola A. et al. Identification of shear parameters of masonry panels through the in-situ
diagonal compression test, International Journal of Architectural Heritage 3 (2009), pp. 1–22.