Офіційна Facebook сторінка ВААГ
проф., д.т.н. Крістоф Бутенвег (Prof. Dr.-Ing. Christoph Butenweg), Університет прикладних наук Аахен, Німеччина
д.т.н. Дітлінде Кьобер (Dr.-Ing. Dietlinde Köber), Технічний університет Бухареста, Румунія
д.т.н. Лоренцо Мікколі (Dr. Lorenzo Miccoli), Xella Technologie- und Forschungsgesellschaft mbH, Німеччина
Маркус Гесе (Markus Heße), Xella Baustoffe GmbH, Німеччина
У рамках програми транснаціонального доступу ERIES (Інженерні дослідницькі інфраструктури для європейської синергії, 2025), проєкт ECORE (Землетрусостійкі та пружні бетонні будівлі) вивчив сейсмічну стійкість інноваційної легкої будівельної системи, що поєднує муровані стіни з АГБ із плитами та балками з легкого бетону. Зменшений двоповерховий прототип було досліджено на сейсмічному столі для оцінки структурної поведінки під час сейсмічних впливів. Система включає стіни з АГБ із вбудованими залізобетонними колонами з використанням технології блоків-опалубки, легкі перегородки з AГБ, з'єднані еластомерними профілями, та низьковуглецевий бетон для зменшення впливу на довкілля. Експериментальні результати підтвердили покращену коробчату поведінку на структурному рівні, підвищену несучу здатність при бічному навантаженні та збільшене розсіювання енергії порівняно зі звичайною неармованою кладкою. Зменшена маса конструкції знижує сейсмічні сили, тоді як ефективність матеріалів та використання екологічних компонентів допомагають мінімізувати викиди CO2. Крім того, модульний дизайн та прості техніки складання дозволяють швидке будівництво на місці. Загалом, запропонована система демонструє як практичність, так і екологічність для застосування у сейсмостійкому будівництві.
Неармоване мурування тривалий час переважало в європейському житловому будівництві завдяки його простоті, довговічності та тепловій ефективності. Однак, його сейсмічна вразливість була неодноразово продемонстрована під час землетрусів у Туреччині та Італії. Оновлена Європейська модель сейсмічної небезпеки ESHM 2020 [2] підкреслює, що ця слабкість також впливає на регіони помірної сейсмічності, де традиційне мурування часто не відповідає стандартам безпеки. Отже, мурування дедалі частіше замінюється залізобетоном, незважаючи на вищі витрати та вплив останнього на довкілля. На цьому тлі був запущений проєкт ECORE, щоб оцінити сейсмічні характеристики нової інноваційної легкої будівельної системи зі стінами з AГБ за допомогою випробувань на сейсмічному столі. Мета цієї системи — зменшити сейсмічні сили шляхом зниження маси конструкції за допомогою плит і балок з легкого бетону та автоклавного ніздрюватого бетону (AГБ) стін, мінімізуючи при цьому викиди CO2 за допомогою низьковуглецевого бетону. Сейсмічна стійкість додатково посилюється за рахунок використання блоків-опалубки з AГБ, які включають вбудовані залізобетонні колони, а також інноваційне з'єднання INODIS-P з переробленого матеріалу для перегородок. Модульний дизайн системи та прямий монтаж також дозволяють швидке та ефективне будівництво на місці. Консорціум ECORE включає багатопрофільну мережу університетів, дослідницьких інститутів та промислових партнерів з Німеччини, Греції, Румунії та Швейцарії. Технічний університет цивільного будівництва в Бухаресті координував експериментальну програму, яка була проведена на сейсмічному столі AZALEE у CEA Paris-Saclay.
Опис конструктивної системи піддослідної споруди
Модель двоповерхової піддослідної конструкції, з матеріалами та розмірами, показаними на Рисунку 1, використовує легку каркасну систему, що складається із залізобетонних колон, балок та плит, доповнену високо теплоізоляційними зовнішніми стінами з АГБ (автоклавний газобетон). Всередині конструкції ненесучі перегородки з АГБ з отворами розташовані перпендикулярно (повернені на 90°) до зовнішніх осей. Будівля має квадратний план розміром близько 3.5 х 3.5 м, з висотою поверху 2.5 м. Вона спирається на сітку із ЗБ балок, що забезпечує як транспортування, так і надійне закріплення до сейсмічного стенда за допомогою анкерних стрижнів. Поперечні балки та плити виготовлені з легкого бетону LC 25/28 на рівні нульового поверху та LC 20/22 на рівні першого поверху. Колони, виготовлені зі звичайно-важкого бетону C20/25, були відлиті у двох конфігураціях: круглі з діаметром 200 мм при інтеграції у блокову опалубку з АГБ на кутах та квадратні при звичайному відливанні. Для кладки АГБ використовується Ytong PP2-0,35 для зовнішніх стін та Ytong ThermCombi PP4-0,55 для внутрішніх перегородок, виконаних у поєднанні з тонкошаровим розчином Ytong FIX N240 [6]. Рис. 2 показує вигляд спереду та ззаду піддослідної конструкції на сейсмічному стенді.
Рис. 2: Вигляд піддослідної конструкції спереду (a) та ззаду (b)
Будівництво піддослідної конструкції
Піддослідну конструкцію було побудовано на сітці із залізобетонних балок, відлитих на сталеві плити товщиною 10 мм з анкерними стрижнями, щоб забезпечити жорстке з’єднання із сейсмічним стендом через анкерування плити. Розміри балок становлять 365/200 мм по периметру та 300/200 мм у внутрішній частині. На Рис. 3а показано опалубку, армування фундаментних балок та продовження армування колон вгору. На наступному етапі зовнішні стіни нульового поверху були зведені з блоків АГБ, використовуючи опалубні блоки з круглими отворами 200 мм на торцях стін, укладені шарами з перев'язкою. Блоки бетонувалися секціями з належним ущільненням під час зведення стін. Кінцеве бетонування вузлів "колона-балка" було виконано разом із плитою перекриття вище, використовуючи легкий бетон на обох поверхах. На нульовому поверсі віконні отвори були обладнані перемичками для підтримки кладки з АГБ вище, тоді як на верхньому поверсі отвори простягаються до рівня залізобетонної балки, тим самим усуваючи необхідність у перемичках. На Рис. 3б проілюстровано розміщення опалубних блоків, а на Рис. 3в — відливання плити на першому поверсі. Після завершення обох поверхів піддослідну конструкцію, збудовану в зоні цеху, було транспортовано на сейсмічний стенд краном. Для цього сталеві профілі були встановлені нижче плити першого поверху через отвори у зовнішніх стінах, до яких була прикріплена вся конструкція. Крім того, стіни були розкріплені дерев'яними брусками. Оскільки максимальна вантажопідйомність крана була обмежена 25 т, переміщення було здійснено до встановлення перегородок. На Рис. 3г показано конструкцію під час процесу підйому.
На останньому етапі перегородки були встановлені в перпендикулярному напрямку на нульовому та першому поверхах (Рис. 1). Більший проліт включає дверний отвір, тоді як менший проліт залишається суцільним без будь-яких отворів. Перегородки були встановлені разом із з'єднувальним профілем INODIS-P [1] для забезпечення повного заповнення шва розчином, що є важливим для розвитку аркового ефекту, необхідного для безпечної передачі сил інерції, що діють перпендикулярно до перегородок. Міцне зчеплення між бетоном і профілем досягається шляхом нанесення флісового покриття на плоску сторону профілю, яке використовується в поєднанні з тонкошаровим розчином. Завдяки своїй трикутній формі процес заповнення розчином був легко здійснений. На Рис. 4 показано процес встановлення: (a) прикріплення профілю INODIS-P [1] до плити тонкошаровим розчином, (b) встановлення останнього ряду блоків, та (c) заповнення розчином залишку зазору.
Рис. 3: Етапи будівництва піддослідної конструкції
Сейсмічне навантаження
Сейсмічне навантаження визначається лінійним пружним спектром відгуку Типу 1 з ґрунтовими умовами C, відповідно до Єврокоду 8 [4]. Було згенеровано два стохастично незалежні акселерограми, скориговані за базовою лінією та сумісні з цим спектром, із загальною тривалістю 25 с. Піддослідна конструкція піддавалася двоспрямованій сейсмічній дії з використанням двох акселерограм, масштабованих до ідентичних рівнів Пікового Прискорення Ґрунту (PGA). Як приклад, Рис. 3 показує штучні акселерограми, масштабовані до значення PGA 0.1g.
Протягом експериментального дослідження акселерограми були масштабовані до максимуму 0.9g. Щоб помістити це значення в контекст, Рис. 6 показує карту сейсмічної небезпеки для Європи, засновану на значеннях PGA з Європейської моделі сейсмічної небезпеки 2020 року (ESHM20) [3]. Модель надає оновлені, гармонізовані вірогідні карти рівнів коливання ґрунту для періоду повторюваності 475 років. Ці карти також є частиною другого покоління Єврокоду 8 [4] та першої загальноєвропейської моделі ризику землетрусів. Порівняння показує, що значення PGA, досягнуті в прототипній структурі, є дуже високими та значно перевищують ті, що вказані на карті небезпеки.
Рис. 5: Штучні акселерограми, сумісні зі спектром відгуку згідно з Єврокодом 8 [4]
Рис. 6: Карта сейсмічної небезпеки в PGA (g) для періоду повторюваності 475 років [2], [3]
Результати експерименту
Випробування на сейсмічному стенді було проведено для рівнів PGA 0.1g, 0.19g, 0.35g, 0.5g, 0.7g та 0.9g. Після застосування кожного рівня навантаження була виконана візуальна інспекція характеру пошкоджень у ЗБ елементах та стінах з АГБ. Спостерігалося, що конструкція демонструвала лінійно-пружну поведінку аж до рівня навантаження 0.35g. Лише волосяні тріщини з’явилися навколо отворів у зовнішніх та перегородкових стінах з АГБ на нульовому поверсі, тоді як балки та колони залишалися без тріщин.
Утворення тріщин у залізобетонних колонах почалося на рівнях навантаження 0.5g та 0.7g, при цьому тонкі горизонтальні тріщини в основному спостерігалися у вузлах з'єднання "балка-колона". Крім того, тріщини були виявлені у стінах з АГБ у зонах з'єднання до заглиблених колон та навколо отворів. Загалом, конструкція продемонструвала стійку поведінку та стабільну взаємодію між ЗБ каркасом та стінами з АГБ аж до 0.7g.
На рівні навантаження 0.9g пластичні шарніри розвинулися у круглих ЗБ колонах нульового поверху з видимим утворенням тріщин (Рис. 8), що згодом призвело до великих деформацій та перерозподілу навантаження на стіни з кладки. Перший поверх продемонстрував майже лінійну поведінку, діючи як жорстке тіло на гнучкому нульовому поверсі, без спостереження значних конструктивних пошкоджень. На Рис. 7 показано пошкодження піддослідної конструкції після застосування рівня навантаження 0.9g, а на Рис. 8 – спостерігалися пошкодження у вибраних елементах при рівнях навантаження 0.7g та 0.9g.
Спостережувана поведінка підтверджується виміряними значеннями дрифту, які коливалися від 0.3% до 0.43% на нульовому поверсі та 0.05% на верхньому поверсі. Пластичні шарніри утворилися в колонах, хоча, згідно з концепцією розрахунку за несучою здатністю, вони мали б розвинутися у балках. Подальше обстеження піддослідної конструкції виявило, що круглі колони постраждали від неадекватного ущільнення бетону (Рис. 8). Тим не менш, були досягнуті дуже високі значення прискорення, оскільки використання легких матеріалів зменшило результуючі сили інерції.
Отримані дані підкреслюють, що належне ущільнення та правильний гранулометричний склад заповнювача бетону в інтегрованих круглих колонах є критичними факторами для роботи конструкції. Також цікаво відзначити, що перегородки на першому поверсі не зазнали пошкоджень, навіть незважаючи на те, що прискорення поверху до моменту утворення пластичних шарнірів на нульовому поверсі досягали значень 20 та 30 м/с2 в обох напрямках. Це демонструє, що стабільна стискаюча арка розвинулася всередині тонких перегородок з INODIS-P [1].
