Материалы каменной кладки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Материалы каменных конструкций

Каменными называют конструкции, выполняемые по технологии каменной кладки, состоящей из природных или искусственных камней, соединяемых между собой раствором.

В армокаменных конструкциях с целью повышения несущей способности применяется стальная арматура.

Каменные материалы

Каменные материалы различают:

· по происхождению - природные и искусственные;

· по величине - кирпич высотой 65, 88 и 103 мм, крупные блоки и панели высотой 500 мм и более;

· по структуре - сплошные, пустотелые, пористые;

· по пределу прочности:

- камни малой прочности, марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35 и 50 (кгс/см²) (сырцовый кирпич, слабые известняки, легкий кирпич);

- камни средней прочности, марки: 75, 100, 125, 150, 200 (кгс/см²) (обычный кирпич, бетонные и природные камни);

- камни высокой прочности, марки: 250, 300, 400, 500, 600, 800 и 1000 (кгс/см²) (клинкерный кирпич, бетонные и тяжелые природные камни);

· по морозостойкости: F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300.

Морозостойкость определяется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживает образец без снижения прочности более чем на 25 % от первоначальной.

· по долговечности каменных материалов зависит от морозостойкости и определяется сроком службы конструкций без снижения эксплуатационных свойств.

Арматура каменных конструкций

При сетчатом армировании горизонтальных швов кладки применяется арматура классов Вр-I и А-I.

Для продольной и поперечной арматуры, анкеров и связей - арматура классов А-I, A-II и Вр-I.

2. Напряженное состояние каменной кладки

При сжатии кладки в кирпиче возникают не только напряжения сжатия, но и изгиба, растяжения и среза. Это происходит из-за того, что кирпич опирается не всей поверхностью, а только участками по причине неровности поверхностей кирпича и разной толщины раствора. Сжимающие силы, действующие через раствор на кирпич сверху и снизу, не совпадают. Поэтому в кирпиче возникают напряжения изгиба и среза.

Вертикальные швы кладки хуже заполняются раствором. Кроме того, сцепление раствора с кирпичом в вертикальных швах меньше прочности кирпича на растяжение. Поэтому над и под вертикальными швами в кирпиче возникают трещины от концентрации напряжений.

От момента загружения кладки до ее разрушения различают четыре стадии напряженного состояния (рис. 1).

В первой стадии трещины в кладке отсутствуют. При переходе во вторую стадию появляются небольшие трещины в кирпичах над и под вертикальными швами кладки, которые являются концентраторами напряжений (рис. 1).

Величина нагрузки, при которой появляются трещины, зависит от прочности кирпича, системы перевязки кладки и деформативных свойств раствора.

При оценке запасов прочности поврежденной кладки должно учитываться повышение ее хрупкости с увеличением возраста кладки и с применением малодеформируемых цементных растворов. При большом возрасте кладки, выполненной на цементном растворе, резервы ее прочности снижаются и составляют всего 40…20 % от разрушающей нагрузки.

Во второй стадии трещины не растут без повышения нагрузки. Далее, при увеличении нагрузки, наступает третья стадия. Трещины пересекают несколько рядов кладки, разбивая ее на отдельные столбики шириной в половину кирпича. При этом разрушение может произойти без увеличения нагрузки.

Рис. 1. Четыре стадии напряженного состояния каменной кладки при сжатии.

Концом третьей стадии является стадия разрушения, когда отдельные кирпичные столбики, на которые расслоилась кладка, теряют устойчивость.

3. Факторы, влияющие на прочность кладки

Прочность кладки тем больше, чем толще камень, так как увеличивается сопротивление камня изгибу и срезу.

Чем правильнее форма камня, тем больше прочность кладки, так как происходит более равномерная передача нагрузки. Например, для кладки из природных камней марки М400, выполненной на растворе марки М25, прочность составляет: а) 10 МПа - при правильной форме камней; б) 2,4 МПа - при постелистом бутовом камне; в) 1,6 МПа - при рваном бутовом камне.

Прочность кладки понижается при увеличении толщины горизонтальных швов раствора, так как увеличиваются усилия, растягивающие кирпич. Нормальной по нормам считается толщина швов в пределах 10…15 мм (средняя толщина - 12 мм) [3]. При увеличении толщины швов от 10 до 25 мм прочность кладки снижается на 25…30 %.

4. Средний предел прочности кладки при центральном сжатии

При испытаниях каменных материалов и растворов в соответствии с государственными стандартами получаемые результаты принимаются как среднеэкспериментальные величины и называются средними пределами прочности.

Для расчетной оценки предела прочности кладки при центральном сжатии были предложены эмпирические формулы. Результаты, наиболее соответствующие экспериментам, показала формула Л.И. Онищика [5] для определения среднего значения предела прочности каменной кладки

(МПа) из кирпича, обыкновенных камней, кирпичных блоков и бута на растворе марки М10 и выше:

где R₁ - средняя прочность камня;

R₂ - средняя прочность раствора;

A - конструктивный коэффициент, равный



где m и n - коэффициенты, зависящие от вида камня;

a и b - эмпирические коэффициенты (табл. 1);

- коэффициент, зависящий от прочности раствора

Таблица 1. Эмпирические коэффициенты для расчета прочности кладки

Вид камня и высота ряда кладки	Коэффициент
Из кирпича с высотой ряда 50…150 мм	0,2	0,3	1,25	3
Из сплошных камней правильной формы с высотой ряда 180…360 мм	0,15	0,3	1,1	2,5
Из сплошных блоков с высотой ряда более 500 мм	0,09	0,3	1,1	2,0
Из рваного бутового камня	0,2	0,25	2,5	8,0

Как видно из формулы (1), при увеличении прочности раствора, прочность кладки не превышает прочности камня

:

Зная предел прочности кладки

, можно найти расчетное сопротивление кладки R, принимая коэффициент безопасности k=2

Строительные нормы представляют расчетные сопротивления R сжатию кладки в табличной форме. Строительные нормы для кирпичной кладки на тяжелом растворе при марках кирпича от М75 до М150 и в полном диапазоне марок растворов приведены в табл. 2.



Таблица 2. Расчетные сопротивления кирпичной кладки сжатию

Марка кирпича	Расчетные сопротивления сжатию кирпичной кладки, R (МПа)
	при марке раствора	при прочности раствора
	200	150	100	75	50	25	10	4	0,2	0
150	2,6	2,4	2,2	2,0	1,8	1,5	1,3	1,2	1,0	0,8
125	-	2,2	2,0	1,9	1,7	1,4	1,2	1,1	0,9	0,7
100	-	2,0	1,8	1,7	1,5	1,3	1,0	0,9	0,8	0,6
75	-	-	1,5	1,4	1,3	1,1	0,9	0,7	0,6	0,5

5. прочность каменной кладки при растяжении, изгибе и срезе

Прочность кладки при растяжении и срезе значительно ниже прочности на сжатие и зависит от сцепления раствора с камнем в горизонтальных швах. Раствор вертикальных швов мало влияет на прочность кладки, и в расчетах это влияние не учитывают.

Различают нормальное и касательное сцепления раствора швов с камнем (рис. 2). При нормальном сцеплении сила N действует перпендикулярно плоскости шва (вертикально), а при касательном сцеплении сила направлена параллельно плоскости шва (горизонтально).

Рис. 2. Сцепление раствора швов с камнем:а - нормальное, ; б - касательное,



Прочность нормального и касательного сцеплений зависит в основном от марки раствора. Оказывает влияние шероховатость поверхности камня, его пористость и влажность, а также подвижность раствора.

Например, силикатный кирпич, имея гладкую поверхность граней, обладает низким сцеплением с раствором в кладке по сравнению с обжиговым керамическим кирпичом. Поэтому строительными нормами ограничивается его применение в сейсмостойком строительстве.

Если растягивающее усилие направлено вертикально, кладка разрушается по неперевязанному сечению, а если усилие действует горизонтально, разрушение происходит по перевязанному сечению: по зигзагообразной трещине через швы кладки или по вертикальной трещине с разрывом кирпичей (рис. 3). В соответствии с этим различают три вида прочности кладки при растяжении:

Рис. 3. Разрушение: а - по неперевязанному сечению; б - по перевязанному сечению; сечение 1-1 - разрушение по швам кладки; сечение 2-2 - разрушение с разрывом кирпичей

по неперевязанному сечению

по перевязанному сечению (сечение 1-1, рис. 5.2)



Рис. 4. Сопротивление: а - по неперевязанному сечению; б - по перевязанному сечению

Сопротивление кладки при изгибе по нормальным сечениям различается по неперевязанным и перевязанным сечениям (рис. 5.3).

Сопротивление кладки растяжению при изгибе по неперевязанному сечению

Сопротивление кладки растяжению по перевязанному сечению

Кладка при действии горизонтальной силы может быть срезана по неперевязанному шву. При этом прочность составляет .

Для расчета по перевязанному сечению принимают наименьшее значение или . Прочность относят при расчете к единице площади горизонтального сечения, а и - к единице площади вертикального сечения кладки.

Строительные нормы приводят в табличной форме расчетные сопротивления кладки по неперевязанным и перевязанным сечениям в зависимости от вида напряженного состояния кладки и от марки раствора.

6. Деформативные свойства каменной кладки

Каменная кладка деформируется как упругопластический материал. Полная деформация состоит из упругой и пластической составляющих. В течение первых трех лет рост пластической деформации затухает, если напряжения в кладке не превышают 80…90 % от прочности кладки. В противном случае происходит ее разрушение.

При испытании кладки загружением до разрушения получают график зависимости напряжений от деформаций (рис. 5.4).

При малых напряжениях график прямолинеен, а напряжения можно получить по деформациям через модуль упругости (начальный модуль деформаций):

При повышении напряжений график искривляется, и модуль деформации кладки уменьшается . Если график экстраполировать после момента разрушения кладки до точки, где то на оси ординат напряжения будут примерно равны 1.1 R_u.



Рис. 5. График деформаций кладки

В нормах принята линейная зависимость модуля деформаций от напряжений (см. рис. 5.4):

Начальный модуль упругости E₀ может быть выражен через предел прочности: , где - упругая характеристика кладки, зависящая от вида кладки и марки раствора [1, табл. 15].

Например, при марках раствора М25 … М200:

а) для кладки из кирпича глиняного пластического прессования

б) для кладки из силикатного кирпича

в) для кладки из крупных бетонных блоков .

В соответствии с [1] модуль деформации кладки E должен приниматься:

а) при определения усилий в кладке при расчете конструкций по прочности кладки

б) при определении деформаций кладки, периода колебаний и жесткости каменных конструкций .

7. Основные положения проектирования по предельным состояниям

Каменные конструкции рассчитываются по двум расчетным предельным состояниям: I - по несущей способности (прочность и устойчивость), II - по пригодности к нормальным условиям эксплуатации (деформации, перемещения и трещиностойкость).

Строительные нормы устанавливают величины нормативных нагрузок, которые соответствуют нормальным условиям эксплуатации [4].

Отклонение нормативных нагрузок в большую или меньшую сторону учитывается коэффициентами надежности по нагрузке _f.

Расчетные нагрузки принимаются равными произведению нормативных на коэффициенты _f и, как правило, превышают величины нормативных нагрузок, а соответствующие им расчетные усилия являются максимально вероятными.

Нагрузки, в зависимости от продолжительности их действия, делятся на длительные и кратковременные [4].

К постоянным нагрузкам относится вес частей здания, перекрытий, перегородок, стен.

К длительным нагрузкам относятся: вес временных перегородок, вес стационарного оборудования, нагрузки на перекрытия от складируемых материалов в складах, холодильниках, книгохранилищах; нагрузки от людей на перекрытиях с понижающими значениями [4, табл. 3]; снеговые нагрузки с учетом понижающих коэффициентов [4, п. 1.7].

К кратковременным нагрузкам относятся: нагрузки от людей на перекрытиях зданий с полными нормативными значениями, нагрузки от подъемно-транспортного оборудования, снеговые нагрузки с полным нормативным значением, ветровые нагрузки.

К особым нагрузкам относят сейсмические и взрывные воздействия и аварийные.

Расчет каменных конструкций следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Различают два основных и одно особое сочетания нагрузок.

В первое основное сочетание входят постоянные и одна временная нагрузка с коэффициентом сочетаний

.

Во второе основное сочетание, кроме постоянных, входит не менее двух временных нагрузок, которые умножаются на коэффициенты, равные: для длительных нагрузок , для кратковременных -

В особое сочетание нагрузок включаются постоянные, временные нагрузки и одна из особых. При этом для длительных коэффициент сочетаний принимается равным для кратковременных -

При расчете конструкций следует учитывать коэффициенты надежности , принимаемые, согласно Правилам учета степени ответственности зданий и сооружений, которые, как правило, вводятся множителями на величины нагрузок.

Расчет усилий , возникающих в элементах конструкции от внешней нагрузки, производится в предположении упругой работы кладки.

Расчет несущей способности выполняется с учетом неупругих свойств кладки и с учетом образования трещин на действие расчетных нагрузок.

В расчетах каменных конструкций возможное снижение прочности, связанное с естественным разбросом механических свойств, учитывается коэффициентом безопасности К. Для всех видов кладок, работающих на сжатие, К=2, за исключением кладки из блоков ячеистого бетона, для которой К = 2.25. Расчетное сопротивление принимается равным

Факторы, которые отражают особенности формы и размеров сечений, а также материала конструкций, особенности зимней кладки, влияние срока набора прочности и др., учитываются коэффициентами условий работы Например, при расчете столбов и простенков площадью сечения 0,3 м² и менее множителем к расчетному сопротивлению вводится , а при расчете кладки из крупных блоков и камней

Коэффициенты условий работы могут учитываться одновременно и независимо друг от друга.

Итак, расчетная прочность кладки равна произведению среднего (ожидаемого) предела прочности на коэффициенты , деленному на коэффициент безопасности :

Расчетные сопротивления арматуры R_s, принимаемые в соответствии с главой СниП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций следует умножать в зависимости от вида армирования конструкций на коэффициенты условий работы , приведенные в [1, табл. 13].

По величинам расчетной прочности кладки, расчетных сопротивлений арматуры, геометрических характеристик сечения, гибкости и другим параметрам определяется минимальная расчетная несущая способность каменной конструкции.

Поэтому смысл расчета по первому предельному состоянию заключается в том, что максимально вероятное усилие в конструкции не должно превышать минимально вероятной несущей способности.

Расчет по деформациям выполняется для случая действия нормативных нагрузок, например, при расчете армокаменных перекрытий для проверки их прогиба или при проверке горизонтальных перемещений самонесущей стены каркасного здания с целью ограничения деформаций, при которых в кладке стены могут возникнуть недопустимые трещины.

Расчеты по образованию и раскрытию трещин выполняются для каменных конструкций, в которых по условиям эксплуатации образование трещин недопустимо или их раскрытие должно быть ограничено. Например, при расчете неармированной кладки при больших эксцентриситетах продольной силы необходимо ограничить ширину раскрытия трещины в горизонтальных швах кладки. Несмотря на то, что прочность кладки при этом определяется сжатой зоной, допущение превышения расчетного сопротивления на растяжение по неперевязанному сечению может привести к значительному раскрытию трещин, опасных по причине развития больших поперечных деформаций, и возможности размораживания кладки по наружной поверхности стен.

Расчет на раскрытие трещин внецентренно сжатых конструкций выполняется на действие расчетных нагрузок.

8. Расчёт на центральное сжатие

К центрально сжатым относятся внутренние столбы и простенки каменных зданий.

Расчет выполняется по формуле [1, (10)]



где - усилие от расчетных нагрузок;

- расчетное сопротивление сжатию кладки, определяемое в зависимости от вида кладки, марки камня и раствора по [1, табл. 2-9];

- площадь сечения элемента;

- коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости и упругой характеристики кладки ;

- коэффициент, учитывающий влияние на прочность длительного действия нагрузки,

где и - усилия от длительной и полной нагрузки соответственно;

- коэффициент, зависящий от гибкости сжатого элемента и вида кладки, определяемый по [1, табл. 20]. При высоте сечения элемента см или радиусе инерции сечения см коэффициент .

Рассмотрим вывод формулы коэффициента продольного изгиба. Для упругих материалов известно, что напряжения в момент потери устойчивости конструкции (критические напряжения) не достигают предела текучести, что учитывается введением коэффициента , меньшего единицы:.

Коэффициент присущ и для каменной кладки, если модуль упругости материала принять равным модулю деформации кладки, а предел текучести принять равным (на том основании, что пределу текучести соответствует модуль деформаций ).



Для кладки

По Эйлеру, с учетом формулы (4.1)

.

Обозначив, получаем.

Решив это уравнение относительно , имеем

Выполнив подстановку (5.2) в (5.1), получим



где: - упругая характеристика кладки.

После подстановки полученного значения в (5.3) окончательно получаем величину коэффициента продольного изгиба:

.

Изменение коэффициентов и по высоте центрально сжатого элемента учитывается в расчете по следующим правилам (рис. 5.5):

а) при шарнирном закреплении концов наиболее напряженным участком является средняя треть длины сжатого элемента. В этой трети коэффициенты и принимаются постоянными, а в крайних третях - изменяющимися по линейному закону до и в верхнем и нижнем сечениях;

б) в упруго опертых наверху элементах наиболее напряженной считают нижнюю зону высотой, равной ;

в) в свободно стоящих конструкциях напряженная зона равна

Для верхних сечений этих элементов в расчете принимаются и , затем по линейному закону коэффициенты уменьшаются до минимальных значений (по расчету) на границе напряженной зоны, где остаются постоянными до нижних сечений.

Пример. Определить несущую способность центрально сжатого кирпичного столба сечением 0,64 x 0,51 м, высотой Н = 3,8 м. Кладка выполнена из глиняного кирпича пластического прессования марки М100 на растворе марки М50. Здание имеет жесткую конструктивную схему (перекрытия являются неподвижными горизонтальными опорами).

Решение:

1. Площадь поперечного сечения столба .

2. По табл. 2 определяем расчетное сопротивление кладки: = 1.7 МПа.

Так как площадь сечения , коэффициент условия работы [1, п. 3.11] и

3. По [1, табл. 15] находим упругую характеристику кладки:

4. Вычисляем наибольшую гибкость столба

где - при шарнирно неподвижных опорах.

По [1, табл. 18] определяем коэффициент продольного изгиба: .

Несущая способность столба при (так как h = 0.51 м > 0.3 м) равна:

каменный кладка прочность сжатие



Библиографический список

1. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. - Л.: Стройиздат, 1975.

2. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. - М.: Стройиздат, 1986.

3. СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. - М.: Стройиздат, 1983.

4. Хило Е.П., Попович Б.С. Усиление железобетонных конструкций с изменением расчетной схемы и напряженного состояния. - Львов: Высш. школа, 1976.

5. Ануфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1965.

6. Гильман Я.Д., Гильман Е.Д. Усиление и восстановление зданий на лессовидных просадочных грунтах. - М.: Стройиздат, 1989.

7. Далматов Б.И., Бронин Б.Н. и др. Особенности устройства фундаментов на пылевато-глинистых грунтах в условиях реконструкции // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1986. № 5. С.16.

8. Кутуков В.Н. Реконструкция зданий. - М.: Высш. школа, 1981.

9. Соколов В.К. Реконструкция жилых зданий. - М.: Московский рабочий, 1982.

10. Ануфриев Н.М. Исправление дефектов изготовления и монтажа сборных железобетонных конструкций промышленных зданий. - Л. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

11. Рекомендации по восстановлению и усилению полносборных зданий и полимеррастворами. - М.: Стройиздат, 1990.

12. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989.

13. Рекомендации по обеспечению надежности и долговечности железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений при их реконструкции и восстановлении. - М.: Стройиздат, 1990.

14. Правила оценки физического износа жилых зданий. ВСН 53-86 (р). - М.: Гражданстрой, 1988.

15. Комиссарчик Р.Г. Методы технического обследования ремонтируемых зданий. - М.: Стройиздат, 1975.

16. Швецов Г.И., Носков И.В. и др. Справочник: Основания и фундаменты. - М.: Высш. школа, 1991.

17. Альбрехт Р. Дефекты и повреждения строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1979.

18. Анпилов В.Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях. - М.: Недра, 1984.

19. Покровский В.М. Гидроизоляционные работы: Справочник строителя. - М.: Стройиздат, 1985.

20. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1982.

21. Попов Г.Т., Бурак Л.Я. Техническая экспертиза жилых зданий старой постройки. - Л.: Стройиздат, 1986.

22. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1984.

23. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. В 2-х ч. Ч. 2. - М.: Высшая школа, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...