а - кирпич пластического прессования сплошной и дырчатый; б - кирпич полусухого

Прессования; в, г - керамические пустотелые камни; д, е - бетонные пустотелые камни

По плотности растворы разделяются на тяжелые – объемным весом в сухом состоянии более 1500 кгс/м3 и легкие – при меньшем объемном весе. Прочность растворов характеризуется их маркой от 4 до 200. Марка раствора определяется по прочности на сжатие кубического образца с ребром 70,7 мм, после 28 суточной выдержки при нормальных условиях твердения.

Типы перевязки кладки стен. Для того, чтобы обеспечить прочность стен, кладку из мелкоштучных камней и кирпича выполняют с перевязкой швов. При этом ложковые ряды (при укладке кирпича вдоль фронта стены) перекрываются тычковыми рядами (при укладке кирпича поперек фронта стены) с перекрытием вертикальных швов раствора. Сплошная кирпичная кладка может выполняться по однорядной или по многорядной системам перевязки. При однорядной системе, тычковые ряды чередуются через один с ложковыми, а при многорядной тычковые ряды укладываются через три, пять, или более, ложковых рядов. На рис. 10.2 представлены некоторые варианты перевязки кладки стен толщиной в полтора кирпича - 38 см, и в два кирпича - 51 см.

Рис. 10.2 Примеры систем перевязки кладки из кирпича:

а - цепная перевязка из кирпича толщиной 65 мм; б - то же из кирпича 88 мм;

В, г - многорядная перевязка из кирпича соответственно 65 мм и 88 мм

Прочность каменной кладки, в основном, зависит от прочности камня и раствора и наличия косвенного армирования. При сжатии кладки из камней правильной формы, нагрузка от вышележащих рядов кладки на нижележащие, передается через горизонтальные швы. В горизонтальном шве плотность и другие механические свойства отвердевшего раствора неоднородны, а поверхность прилегающих камней не строго горизонтальна, поэтому передача усилий от камня к камню происходит не по всей поверхности контакта, а по отдельным зонам. В результате этого камни подвержены не только усилиям сжатия, но и изгибу и срезу. При сжатии в кладке возникают поперечные деформации, они передаются как на кирпич, так и на раствор в швах. Благодаря сцеплению между кирпичом и раствором эти деформации совместны, но поскольку, модуль упругости кирпича больше, чем модуль упругости раствора (раствор более податлив) кирпичи растягиваются в горизонтальном направлении.

Различают четыре стадии работы кирпичной кладки при сжатии ( рис. 10.3).Первая стадия соответствует нормальному эксплуатационному состоянию кладки, когда в ней не происходит никаких структурных изменений. С увеличением нагрузки в отдельных кирпичах возникают вертикальные трещины, которые могут распространяться до трех рядов по высоте. Это соответствует II стадии деформирования кладки.

Рис. 10.3. Стадии поведения кирпичной кладки при сжатии

Трещины в этой стадии не опасны, поскольку при постоянной нагрузке они не развиваются и не влияют на общую прочность кладки. Однако, появление этих трещин свидетельствует, что увеличение нагрузки недопустимо. Если нагрузку увеличивать, то вертикальные трещины, развиваясь, соединяются между собой, разделяя стену на отдельные вертикальные пластины. Наступает III стадия деформирования, при которой напряжения в кладке достигают 80 - 90 % предела прочности. Последняя IV стадия характеризуется разрушением образовавшихся пластин от потери устойчивости.

Предел прочности (временное сопротивление) R_u кладок всех видов при сжатии определяется по формуле проф. Л.И. Онищика

R_u = K_k R₁ ( 1 - ( a / ( b + 0,5 R₂ / R₁))), (10.1)

где: R₁ и R₂ - соответственно временное сопротивление камней кладки и раствора;

K_k - конструктивный коэффициент, зависящий только от вида кладки и прочности камня (для кирпичной кладки K_k = 0,5…0,6,для бутовой K_k = 0,15…0,25); а,b - эмпирические коэффициенты. Анализ формулы показывает, что прочность кладки не может быть больше прочности камня: при прочности раствора стремящейся к бесконечности прочность кладки определяется только ее видом и прочностью камня R_u = K_k R₁ .

Расчет элементов каменных конструкций производится по двум группам предельных состояний: а) по несущей способности - по прочности и устойчивости; б) по деформациям и по образованию и раскрытию трещин. Расчет по первому предельному состоянию выполняют для всех видов конструкций, по второму - только для конструкций, в которых не допускается появление трещин или ограничена ширина их раскрытия. При расчете решаются задачи поверочного расчета или прямого проектирования. Наиболее распространенным напряженным состоянием каменных конструкций в составе стен или столбов является центральное или внецентренное сжатие.

Проверка прочности элементов неармированных каменных конструкций при центральном сжатии производится по соотношению

N ≤ m_g φ γ_c R A , (10.2)

где: m_g - коэффициент учитывающий влияние длительной части нагрузки; φ- коэффициент продольного изгиба; R - расчетное сопротивление кладки; γ_c - коэффициент условий работы,A - площадь поперечного сечения элемента.

Все эти величины вычисляются в соответствии с нормами проектирования каменных конструкций, например [ 5,9 ].

Внецентренное сжатие возникает при передаче вертикальной нагрузки не по оси сечения элемента, а с эксцентриситетом e₀ (рис. 10.4), который возникает при изменении толщины стен от этажа к этажу, или при опирании на наружные стены плит перекрытий, или при действии изгибающего момента М, вызванного горизонтальными усилиями. Тогда эксцентриситет определяется по известному соотношению

e₀ = M / N + e_a , (10.3)

где случайный эксцентриситет e_a = 2 см учитывается только при расчете стен толщиной 25 см и менее. При внецентренном сжатии кладки часть сечения, расположенная ближе к линии действия силы более сжата, а противоположная может быть даже растянута. Если все сечение сжато, рис. 10.4 а, имеем случай малых эксцентриситетов,в противном случае имеем случай больших эксцентриситетов. рис. 10.4 б,в. И в том и в другом случаях эпюра напряжений в сечении имеет криволинейный характер. В предельном состоянии в растянутой зоне по горизонтальным швам образуются трещины, и эта часть сечения выключается из работы. В сжатой зоне нагрузка воспринимается частью сечения, в пределах которой для упрощения расчетов эпюра сжимающих напряжений принимается прямоугольной, рис. 10.4.г.

Проверка прочности элементов неармированных каменных конструкций при внецентренном сжатии производится по соотношению

N ≤ m_g φ₁ γ_c R A_с ω , (10.4) где: φ₁ - коэффициент продольного изгиба при внецентренном сжатии; A_с - площадь сжатой части сечения; ω - коэффициент, зависящий от вида кладки и формы поперечного сечения рассматриваемого элемента. Все эти величины вычисляются по указаниям норм [5, 9].

Рис. 10.4. Напряженное состояние вне- центренно сжатого элемента: а - при сжатии по всей площади сечения; б, в - при наличии сжатой и растянутой зон, соответственно в момент образования трещин и момент разрушения; г - расчетное предельное состояние кладки

Например, для прямоугольного сечения высотой h

А_с = А ( 1 - 2 e₀ / h ), (10.5)

φ₁ = 0,5 (φ + φ_с ), (10.6)

где: φ_с - коэффициент продольного изгиба, вычисляемый только по высоте сжатой зоны сеченияh_с (рис. 10.4, г).

Армирование и усиление каменной кладки применяют для увеличения ее несущей способности. Применяются следующие виды армирования и усиления каменных конструкций: поперечное армирование в виде арматурных сеток, расположенных в горизонтальных рядах кладки; продольное армирование, с арматурой, расположенной снаружи кладки или в специальных бороздах; усиление кладки железобетонными элементами; усиление каменной кладки методом взятия в обойму железобетонным или металлическим каркасом.

Поперечное армирование каменной кладки выполняют закладкой арматурных сеток с квадратной или прямоугольной ячейками в горизонтальные швы, (рис. 10.5). Усиливающее действие сеток состоит в том, что они препятствуют развитию в кладке поперечных деформаций и тем самым увеличивают ее прочность. Исключение составляют случаи продольного изгиба с большими эксцентриситетами, так как при этом сопротивление внешним усилиям оказывает не все сечение элемента, а только его сжатая часть и поперечное армирование становится неэффективным. Размер ячеек сетки выбирается в пределах от 30 до 120 мм, диаметр проволоки не должен превышать 5 мм. Обычно сетки по вертикали располагают через каждые пять рядов кладки, так как при расстоянии между слоями армирования более 45 см эффективность армирования резко снижается. Сама сетка должна быть полностью покрыта раствором (защитный слой должен быть не менее 4 мм). Если применяется арматура в виде отдельных стержней или проволока в виде зигзага, диаметр может быть увеличен до 8 мм. При армировании кладки марка раствора должна быть не ниже 50.

Проверка прочности кладки при поперечном армировании производится по соотношениям (10.2) и (10.4), как и для обыкновенной кладки, с заменой расчетного сопротивления Rна R_sk , которое зависит от объемного коэффициента армирования µ

R_sk = R + 2 µ R_s , (10.7)

где: R_s – расчетное сопротивление арматурной стали на растяжение;

µ = V_s / V_k , (10.8)

V_s и V_k – соответственно объемы арматуры и кладки.

При этом должны соблюдаться условия:

R_sk ≤ 2R и 0,1 ≤ 100 µ ≤ 1. (10.9)

Для квадратной сетки с одинаковой арматурой сечением А_s в двух направлениях и ячейкой размером С,при расстоянии по высоте между сетками S коэффициент армирования равен µ = 2 А_s / (C S). (10.10)

Рис.10.5. Армирование каменной кладки сетками:

1 - арматурная сетка; 2 - контрольный выпуск арматурной сетки;

а, б - сетки с квадратными и прямоугольными ячейками

Продольное армирование каменных конструкций применяется в отдельных конструктивных элементах: межоконных простенках, колоннах, столбах и т.п., подверженных воздействиям с возникновением растягивающих напряжений. Такое армирование обеспечивает монолитность и устойчивость, как отдельных элементов, так и всего сооружения в целом (рис. 10.6). Для обеспечения совместного деформирования и сопротивления продольные арматурные стержни и кладку связывают хомутами. Хомуты располагают с шагом не большим 15 диаметров продольной арматуры, что соответствует на практике их расположению через два - три ряда кирпичной кладки. Рабочая арматура, расположенная по внешним граням элементов, связывается хомутами не реже чем через 80 диаметров арматурных стержней и не более чем через 50 см.

Рис. 10.6. Продольное армирование кирпичных стен и столбов:

а - наружное расположение арматуры; б - расположение арматуры в штрабе кладки;

1 - хомуты; 2 - продольная арматура

Усиление каменной кладки способом устройства обойм из металлических уголков или железобетона выполняется обычно в процессе реконструкции или ремонта зданий для восстановления или увеличения несущей способности колонн, межоконных столбов или других подобных элементов и в пределах данного курса рассматриваться не будет.

О статическом расчете зданий из каменных конструкций. В зданиях из каменных конструкций продольные и поперечные стены образуют систему, воспринимающую вместе с перекрытиями действующие нагрузки. При расчете на горизонтальные нагрузки каменные стены и столбы зданий рассматриваются как стержни и пластины, опертые в горизонтальном направлении на перекрытия и поперечные конструкции (стены, диафрагмы, связи и т.п.).В многоэтажных зданиях при расчете на вертикальные нагрузки, стены в пределах каждого этажа рассматриваются как стержни шарнирно закрепленные в уровне перекрытий. В качестве расчетных, в стенах рассматриваются сечения в уровне верха оконных проемов. Отметим также, что независимо от результатов расчетов при назначении размеров стен и столбов необходимо руководствоваться конструктивными требованиями к приведенной гибкости элементов, т.е. к соотношению высоты и толщины стен и столбов. Максимальные приведенные гибкости в зависимости от вида каменных конструкций и способов опирания на перекрытия и поперечные стены приводятся в строительных нормах [5,9]. Расчет элементов каменных конструкций, усиленных продольным армированием на внецентренное сжатие или

изгиб выполняется по правилам расчета комплексных конструкций. При этом работа различных материалов в конструкции сводится к сопротивлению приведенного сечения элемента с учетом различных модулей упругости, расчетных сопротивлений кладки и арматуры и коэффициентов условий работы материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Инженерные конструкции. Учебник, под редакцией В.В. Ермолова. – М.:

«Архитектура--С», 2007.

2. Архитектурное конструирование. Учебник, В.А. Пономарев. – М.:

«Архитектура-С», 2008.

4. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции. Общий курс.

- М.: Стройиздат, 1985.

5. Цай Т. Н., Бородич М. К., Мандриков А. П. Строительные конструкции.

- М.: Стройиздат, 1984.

6. СНиП 2.03.01 - 84*. Бетонные и железобетонные конструкции - М.:

«Госстрой России», 2003.

7. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия – М.: «Госстрой России»,2003.

8. СНиП 2.02.01 - 83* Основания зданий и сооружений – М.: «Госстрой России»,1999.

9. СНиП II - 22 - 81 Каменные и армокаменные конструкции – М.:

«Госстрой России», 2002.

10. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций

из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры

(к СП 52-101-2003) - М: 2005.