Гибридная кладка — это новый тип строительной системы, которая использует спроектированную, армированную кладку для укрепления каркасных конструкций. Обычно гибридная кладка реализуется с помощью бетонных каменных панелей, используемых для укрепления стальных каркасных конструкций. Основная концепция заключается в прикреплении железобетонной каменной панели к каркасу из конструкционной стали таким образом, чтобы некоторая комбинация сил тяжести, сдвигов этажей и опрокидывающих моментов могла передаваться на кладку. Инженер-строитель может выбрать из трех различных типов гибридной каменной кладки (I, II или III) и двух различных типов крепления арматуры (a и b). В обычных системах стальных каркасных зданий вертикальная система стального каркаса, сопротивляющаяся силе, поддерживается в боковом направлении стальными связями или эквивалентной системой. Когда архитектурные планы требуют размещения бетонных каменных стен внутри каркаса, требуются дополнительные трудозатраты, чтобы гарантировать, что каменная кладка прилегает к стальному каркасу. Обычно такое размещение не использует преимущества структурных свойств каменных панелей. В гибридной кладке каменные панели заменяют обычные стальные распорки, используя структурные свойства железобетонных стен.
Система была впервые представлена Дэвидом Биггсом, PE, в 2007 году на 10-й Североамериканской конференции по каменной кладке и была основана на исторической каменной конструкции и практике крепления каменных стен в стальных каркасах для обеспечения прочности вне плоскости.
Типы
Существует пять различных конфигураций гибридной кладки. Они состоят из трех основных типов с двумя подмножествами; однако первый тип не допускает оба подмножества. Три типа состоят из различных условий ограничений внутри стального каркаса, а два подмножества основаны на креплении вертикальной арматуры к каменной панели.
Тип I
Гибридная кладка типа I не имеет прямого контакта с объемным стальным каркасом. По этой причине не существует двух подмножеств этой конфигурации. Боковые усилия передаются на каменную панель через стальные пластины, которые соединяются с балками перекрытия и крепятся к стене сквозным болтом. Отверстие в пластине для сквозного болта прорезается, чтобы на кладочную панель не передавалась сила тяжести; вертикальные нагрузки передаются исключительно через стальную раму. Таким образом, каменная панель принимает только сдвиг этажа от верхних этажей и действует как одноэтажная стена сдвига.
Стальные пластины могут быть изготовлены двумя способами. Если инженер-конструктор желает, чтобы стальная пластина была слабым местом, пластину можно спроектировать как предохранитель. Предохранитель будет рассеивать энергию после срабатывания, и его можно будет легко заменить в случае чрезвычайной ситуации. Альтернативно, пластина может быть сконструирована таким образом, чтобы она не поддалась до того, как каменная панель подвергнется значительному повреждению. Прочная пластина локализует повреждение каменной кладки.
Тип II
Гибридная кладка типа II ограничена вертикально стальной рамой; однако стороны панели все еще имеют зазор между сталью и кладкой. Вертикальный контакт передает гравитационную нагрузку от балки на панель кладки, увеличивая ее прочность на изгиб и сдвиг. Вместо того, чтобы пластины передавали боковую силу от стали к кладке, к нижней стороне балки привариваются срезные штифты. Затем для заполнения пространства между кладкой и стальной балкой используется затирка. При таком контакте стена подвергается сдвигу этажа, гравитационным нагрузкам, а также опрокидывающим моментам, как и сплошная стена сдвига.
Двумя подгруппами гибридной кладки типа II являются тип IIa и тип IIb. Разница между двумя системами заключается в том, крепится ли вертикальная арматура к основанию или к стальной балке. В типе IIa вертикальная арматура закреплена и может создавать силы растяжения по всей длине. Вертикальная арматура не закреплена в гибридной кладке типа IIb, и, следовательно, арматура не может воспринимать силу на растянутой стороне стены. Вместо этого верхняя часть стены подвергается сжатию.
Тип III
Аналогичная гибридная кладка типа II, гибридная кладка типа III имеет вертикальное ограничение. Помимо вертикального контакта с балкой, контакт с колоннами также используется для горизонтального удержания. Срезные шпильки приварены к внутренней стороне колонн для передачи вертикальных сил, возникающих в результате осевой нагрузки в колоннах, а также сдвига в стене. Стеновая система напоминает каменную кладку с точки зрения заключения в сталь, но отличается тем, что она залита цементным раствором и армирована, что обеспечивает более пластичную реакцию.
Исследовать
Профессор Ян Робертсон из Гавайского университета в Маноа (UHM) разработал и испытал соединения стальных пластин между каменной кладкой. Результатом стал метод проектирования пластины предохранителя, которая поддается деформации по всей длине, с целью создания пластичного предохранителя, рассеивающего энергию. В UHM также были проведены испытания на выдергивание болтов для проверки прочности кладки со сквозными болтами. Исследовательская группа из Университета Райса разрабатывает вычислительные модели для изучения структурных систем гибридной кладки. проф. Ларри А. Фансток и Дэниел П. Абрамс проводят полномасштабные экспериментальные испытания гибридной кладки на площадке Сети инженерного моделирования землетрясений (NEES) в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.
