Пособие к СНиП : II-22-81 Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II-22-81)

размещено: 08 Сентября 2004

Комментарии

СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ — 1
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ — 1
2. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ — 2
Общие требования — 2
Кирпич и камни керамические — 2
Кирпич и камни силикатные — 3
Кирпич и камни керамические и силикатные лицевые — 3
Камни бетонные стеновые — 3
Блоки из ячеистых бетонов стеновые мелкие — 3
Блоки стеновые бетонные — 3
Камни стеновые из горных пород — 3
Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней — 3
Блоки бетонные для стен подвалов — 4
Плиты ленточных фундаментов железобетонные — 4
Фасадные изделия — 4
Ковровые облицовочные материалы — 4
Плитки керамические фасадные — 4
Перемычки железобетонные для зданий с кирпичными стенами — 4
Панели гипсобетонные для перегородок — 4
Бетон и арматура — 5
РАСТВОРЫ СТРОИТЕЛЬНЫЕ ДЛЯ КАМЕННЫХ КЛАДОК И МОНТАЖА КРУПНОБЛОЧНЫХ И КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ СТЕН — 5
3. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕАРМИРОВАННОЙ И
АРМИРОВАННОЙ КАМЕННОЙ КЛАДКИ — 6
Основные положения — 6
Предел прочности кладки — 7
Расчетные сопротивления — 9
Сцепление раствора с камнем и прочность каменных кладок при растяжении и срезе
Деформации кладки
ОБЪЕМНАЯ МАССА (ПЛОТНОСТЬ) КЛАДКИ
4. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПЕРВОЙ ГРУППЫ (ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ)
Общие положения
Центрально и внецентренно сжатые элементы
Косое внецентренное сжатие
Смятие (местное сжатие
Изгиб, центральное растяжение и срез
Многослойные стены
Устойчивость положения
5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ АРМИРОВАННЫХ, КОМПЛЕКСНЫХ И
УСИЛЕННЫХ ОБОЙМАМИ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Общие указания
Элементы с сетчатым поперечным армированием (столбы, простенки, отдельные участки)
Элементы с продольным армированием
Комплексные элементы (элементы из каменной кладки,
усиленные железобетоном)
Элементы, усиленные обоймой
6. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ВТОРОЙ ГРУППЫ
(ПО ОБРАЗОВАНИЮ И РАСКРЫТИЮ ТРЕЩИН И ДЕФОРМАЦИЯМ)
7. УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОНСТРУКЦИЙ

Общие указания
Конструктивные схемы зданий
Расчет стен зданий с жесткой конструктивной схемой
Расчет стен зданий с упругой конструктивной схемой
Расчет стен многоэтажных зданий из кирпича или керамических камней на вертикальную нагрузку по раскрытию трещин при различной загрузке или разной жесткости смежных участков стен
Учет заполнения (стен) каркасных зданий при расчете каркасов
Допустимые отношения высот стен и столбов к их толщинам
Стены из кирпича, камней, кирпичных панелей и крупных блоков
Наружные кирпичные и каменные стены облегченной кладки
Стены из кирпичных и керамических панелей
Комбинированные конструкции стен из камней ручной кладки и сборных элементов
Стены из крупных блоков
Стены с облицовками
Стены производственных и сельскохозяйственных зданий
Расчет узлов опирания элементов на кирпичную кладку
Карнизы и парапеты

Перемычки
Висячие стены
(стены, опирающиеся на рандбалки)
Анкеровка стен и столбов
Фундаменты и стены подвалов
Подпорные стены

Деформационные швы
Осадочные швы
Тонкостенные своды двоякой кривизны
8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Перечень
государственных стандартов, нормативных и справочных документов по каменным конструкциям, материалам, изделиям, растворам, отделочным и теплоизоляционным материалам, действующих на 1 января 1987 г.

1. Государственные стандарты
2. Строительные нормы и правила
3. Нормативные и справочные документы
ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСКУССТВЕННЫХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПЛОТНОСТЬ И ПРЕДЕЛЫ ПРОЧНОСТИ ПРИРОДНЫХ КАМНЕЙ ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД
ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ВЯЖУЩИЕ И СОСТАВЫ РАСТВОРОВ
Таблица 1

СОСТАВЫ РАСТВОРОВ ПО ОБЪЕМУ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЯЖУЩИХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Таблица 2

РАСХОД ВЯЖУЩИХ, КГ НА 1 м ПЕСКА/РАСТВОРА
Таблица 3

МИНИМАЛЬНЫЙ РАСХОД ВЯЖУЩИХ

СОСТАВЫ ИЗВЕСТКОВЫХ РАСТВОРОВ
Таблица 5

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Андрей Бедарев 2 лет назад Просмотров:

1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет А.П. ЕРЕМИН, М.В. ФЕДОРОВ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Учебное пособие по курсу «Железобетонные и каменные конструкции» для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» Саратов 2009

2 УДК ББК 38.5 Е 70 Рецензенты: Кафедра строительных конструкций и гидротехнических сооружений Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова Доктор технических наук, генеральный директор ЗАО НППП «Геотехника-СПИ» А.В. Савинов Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета Еремин А.П. Е 70 Проектирование каменных и армокаменных конструкций: учеб. пособие / А.П. Еремин, М.В. Федоров. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, с. ISBN В учебном пособии излагаются основные физико-механические свойства каменных кладок, расчеты элементов каменных и армокаменных конструкций по предельным состояниям первой и второй групп и вопросы проектирования каменных зданий. Для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство». Саратовский государственный технический университет, 2009 ISBN Еремин А.П., Федоров М.В.,

3 ВВЕДЕНИЕ Каменные конструкции это конструкции, выполненные из естественных или искусственных каменных материалов. Сегодня каменные конструкции это главным образом стены и столбы. Кроме этого, из камня выполняются фундаменты, подпорные стены, сводчатые перекрытия и другие конструкции. Каменные конструкции, усиленные стальной арматурой, называют армокаменными, а усиленные железобетонными элементами комплексными. Каменные конструкции могут быть как однослойными, так и многослойными. Каменные конструкции получили широкое применение благодаря своим достоинствам: долговечности, огнестойкости, теплоизоляционной и звукоизоляционной способности, относительно невысокой стоимости. Каменные конструкции применяются человеком с древних времен. Постройки из больших каменных глыб и плит дольмены, крепостные стены из почти необработанных камней и пирамиды уже из больших тесаных камней. Позднее появились удобный для ручной кладки глиняный кирпич сырцовый (в странах с жарким климатом) и кирпич обожженный. Из сырцовых материалов известны строения в Египте, выполненные более 6 тыс. лет назад. Кирпич-сырец и кирпич обожженный являлись основным строительным материалом в Древней Греции и Древнем Риме. Использование металла в каменной кладке отмечено в XI веке в Грузии при сооружении одного из соборов и в XVI веке при строительстве сводов Храма Василия Блаженного в Москве. В начале XIX века в Англии была построена впервые железокирпичная фабричная труба и была выполнена армокирпичная кладка при строительстве Лондонского метрополитена. Прекрасные дворцы, храмы и многоэтажные здания из каменных материалов в России XVIII и XIX веков являют собой и сегодня образцы творческой мысли и высочайшего умения мастеров практически всех народов нашей страны. 3

4 1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ. КАМЕННЫЕ КЛАДКИ 1.1. Каменные материалы и изделия Для каменных конструкций применяются как искусственные, так и естественные каменные материалы (рис. 1). Строительные камни Естественные Искусственные тяжелые р > 1600 легкие р 1600 легкие р > 1600 ячеистые р 5 2. Кирпич пустотелый пластического прессования, показанный на рис. 2, а и полусухого прессования, показанный на рис. 2, б ( = кг/м 3 ). Применение пустотелого кирпича уменьшает теплопроводность, что дает возможность уменьшить толщину наружных стен на 1/2 кирпича, а это уменьшает вес стен на 30 % и экономичнее решается фундамент. 3. Камни это изделия, по размеру большие, чем кирпич, но допускающие ручную кладку. Керамические пустотелые ( = 1400 кг/м 3 ) показаны на рис. 3, а. 4. Камни бетонные сплошные и пустотелые (рис. 3, б) из легкого бетона ( = 1800 кг/м 3 ); вес камня не должен превышать 32 кг. Пустотелые камни наиболее эффективны в наружных ограждающих конструкциях зданий. 5. Камни из автоклавных и безавтоклавных ячеистых бетонов ( = кг/м 3 ). 6. Камни из местных природных материалов, = 1800 кг/м 3. а) б) Рис. 2. Кирпич пустотелый: а пластического формирования; б полусухого прессования а) б) Рис. 3. Камни: а керамические пустотелые; б бетонные пустотелые К крупным блокам относятся: 1. Крупные блоки бетонные и силикатные из плотного бетона, показанные на рис Крупные блоки бетонные и силикатные из ячеистых бетонов. 3. Крупные блоки из кирпича и керамических камней, изготовленные в специальных цехах. 5

6 4. Крупные блоки из природного камня ( = 1800 кг/м 3 ). Рис. 4. Крупные блоки бетонные и силикатные из плотного бетона К стеновым панелям относятся: 1) панели кирпичные; 2) панели из керамических камней. Эти панели армируются сварными каркасами и сетками и изготавливаются в специальных цехах. Наружная керамическая панель показана на рис. 5. Панели могут быть одно-, двух-, трехслойными, чаще всего с жестким утеплителем. Рис. 5. Наружная керамическая панель К фасадным изделиям, которые улучшают внешний вид здания и увеличивают долговечность стен, относятся: 1. Керамические фасадные изделия в виде лицевого кирпича или камня, закладных плит (рис. 6), облицовочных прислонных плиток (глазурованных и неглазурованных). 2. Бетонные фасадные изделия в виде фасадных плит из цементного или силикатного бетона. 3. Облицовочные плиты из природного камня. 4. Ковровые облицовочные материалы в виде керамических или стеклянных плиток, наклеенных лицевой поверхностью на бумажную основу и используемые при бетонировании панелей и блоков. 6

7 Рис. 6. Керамические фасадные изделия в виде закладных плит Основной характеристикой прочности камня является его марка, то есть предел прочности образца установленной формы при испытании на сжатие в кгс/см 2. ( Марка кирпича устанавливается из испытаний на сжатие и изгиб). По маркам камни бывают: — малой прочности марки 7, 10, 15, 25, 35, 50; — средней прочности марки 75, 100, 125, 150, 200; — высокой прочности марки 250, 300, 400, 500, 600, 80С, К каменным материалам, применяемым для кладки наружных стен, кроме требования по прочности, предъявляется требование морозостойкости (F). Морозостойкость каменных материалов определяется числом циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которое выдерживает образец при снижения прочности не более чем на 25 %. Приняты марки по морозостойкости от F10 до F300. Показатель морозостойкости очень важен, так как фактически он оценивает долговечность каменного материала и, таким образом, срок службы здания Растворы Каменная кладка состоит из камней, соединенных раствором. Раствор для кладки это правильно подобранная смесь вяжущего, мелкого заполнителя, воды и специальных добавок (в необходимых случаях) с последующим твердением после укладки в дело. Классификация растворов показана на рис. 7. Назначение раствора в кладке: — служить постелью для камней кладки, чтобы создавать более равномерное распределение давления в кладке; — осуществлять связь между камнями; — уменьшать продуваемость и влагопроницаемость кладки. 7

8 Строительные растворы тяжелые р > 1500 на кварцевых песках легкие р 1500 кг/м 3 ) на кварцевых песках; — легкие ( 9 По виду вяжущего растворы бывают: — цементные; — известковые; — смешанные. Наиболее прочные растворы цементные, но они и наиболее жесткие. Для повышения пластичности растворов в них вводят пластифицирующие добавки (глину или известь). Пластификаторы других видов следует применять в соответствии со специальными указаниями. Вяжущие делятся на воздушные и гидравлические: — воздушные вяжущие способны твердеть и сохранять свою прочность только на воздухе (воздушная известь, гипсовые вяжущие); — гидравлические вяжущие способны твердеть и на воздухе и в воде (цемент, гидравлическая известь). Цементные растворы, широко применяемые как в сухих, так и во влажных условиях, приготавливаются на портландцементе. Для подземных кладок при агрессивных грунтовых водах применяют растворы на пуццолановых цементах Арматура Для армирования каменных конструкций следует применять: — для сетчатого армирования арматуру А240 (А-I) и В500 (Вр-I); — для продольной и поперечной арматуры, анкеров и связей арматуру классов А240 (А-I), А300 (А-II), В500 (Вр-I) Каменные кладки При возведении каменных конструкций применяются следующие виды кладок: А. Кладки из камней правильной формы: — сплошная кладка из кирпича и камней; — сплошная кладка из крупных блоков; — облегченные кладки из кирпича и камней. Б. Кладки из камней неправильной формы: — бутовые; — бутобетоны. Главное требование, предъявляемое к кладке, это ее прочность на сжатие. Но установление марки кладки по пределу прочности на сжатие носило бы слишком условный характер, поскольку такая марка не смогла бы характеризовать такие показатели, как прочность кладки при растяжении, срезе, изгибе. Как показывают исследования, кладки одинаковой прочности на сжатие отличаются друг от друга прочностью 9

10 при растяжении, срезе и другими показателями, зависящими, главным образом, от различных конструктивных факторов. Поэтому в действующих нормах нет марки кладки. Для расчетов каменных конструкций пользуются расчетными сопротивлениями кладки при сжатии, растяжении, изгибе и срезе, которые определяются в зависимости от марки камня и марки раствора. Обеспечение оптимальной прочности кладки из камней правильной формы достигается следующими требованиями к перевязке кладки: 1) для кладки из полнотелого кирпича толщиной 65 мм один тычковый ряд на шесть рядов кладки, из кирпича толщиной 88 мм и пустотелого толщиной 65 мм один тычковый ряд на четыре ряда кладки, а для кладки из камней при высоте ряда до 200 мм один тычковый ряд на три ряда кладки; 2) тычки могут располагаться как в отдельных тычковых рядах, так и чередоваться с ложками; 3) следует учесть, что уменьшение количества тычков против требуемого в два раза снижает прочность кладки на 25 %. Наиболее часто в практике строительства применяются две системы перевязки: цепная (рис.8, а) и многорядная (рис.8, б) а) б) Рис. 8. Системы перевязки: а цепная; б многорядная При цепной перевязке чередуются тычковые и ложковые ряды, а при многорядной перевязке один тычковый ряд чередуется через пять ложковых рядов. Необходимо отметить, что прочность кладки на сжатие для всех систем перевязки практически одинакова. Однако многорядная система перевязки имеет ряд преимуществ против цепной: 1. Так как ложковые ряды придают кладке прочность в продольном направлении, а тычковые в поперечном, то многорядная перевязка придает кладке большую сопротивляемость в продольном направлении, а это весьма существенно для конструкций, имеющих значительную протяженность. 10

11 2. При многорядной перевязке вертикальные швы обладают большим сопротивлением образованию трещин, так как вертикальные швы перекрываются в 1/2 кирпича (рис. 8, б), а при цепной перевязке только в 1/4 кирпича (рис. 8, а). 3. Многорядная система перевязки улучшает сопротивляемость кладки растяжению и срезу, поскольку здесь раствор горизонтального шва перекрыт в 1/2 кирпича, а в цепной системе перевязки только на 1/4 кирпича. 4. Многорядная система перевязки создает внутренние вертикальные швы в кладке, что уменьшает ее теплопроводность по сравнению с цепной системой перевязки кладки: на рис. 8 видно, что «мостики» холода в кладке с многорядной перевязкой идут через 5 рядов кладки, а при цепной перевязке через один. 5. Кладка с многорядной системой перевязки более технологична, производительна и менее трудоемка (на 15-20%), требует менее квалифицированных мастеров, так как эта система перевязки имеет больший объем забутки против цепной системы перевязки. Эти преимущества и обеспечили кладке с многорядной системой перевязки больший объем каменных работ по сравнению с кладкой при цепной системе перевязки. 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЛАДКИ 2.1. Прочность кладки при сжатии Каменная кладка является монолитным неоднородным упругопластическим материалом. Даже при центральном приложении нагрузки к кладке камень и раствор могут одновременно испытывать и внецентренное сжатие, и изгиб, и растяжение, и срез, и смятие. Основные причины такого сложного напряженного состояния: 1. Неоднородность растворного шва вследствие недостаточно идеального перемешивания, различной толщины слоя и т.п. 2. Различие деформативных свойств камня и раствора, вследствие чего в плоскостях контакта камня и раствора возникают касательные напряжения. 3. Наличие пустот в вертикальных швах кладки и отверстий в пустотелых камнях, что приводит к концентрации напряжений в зоне этих отверстий. 4. Неоднородность камней и их геометрические несовершенства, приводящие к концентрации напряжений на выступающих частях камней. Проведенными экспериментальными исследованиями с различными видами кладок установлено, что при сжатии кладки можно выделить три стадии разрушения, для кладки из кирпича эти стадии показаны на рис

12 Первая стадия характеризуется появлением первых волосных трещин в отдельных кирпичах (рис. 9, а). Эта стадия наступает при нагрузках (0,6-0,8) N при цементных растворах, при нагрузках разруш (0,5-0,7) N разруш при сложных растворах и при нагрузках (0,4-0,6) N разруш при известковых растворах. Появление волосных трещин свидетельствует о том, что действующие нагрузки превзошли допустимые пределы. Вторая стадия характеризуется соединением трещин в отдельных кирпичах и образованием трещин, проходящих через несколько кирпичей (рис. 9,б). Эта стадия наступает при нагрузках порядка (0,8-0,9) N разруш. Третья стадия соответствует саморазрушению кладки в результате ее расслоения на отдельные столбики шириной примерно по 1/2 кирпича, раздавливания отдельных кирпичей в этих столбиках и, наконец, потери устойчивости отдельных столбиков всей кладки. Третья стадия наблюдается в лабораторных условиях при быстром нарастании деформаций. В естественных условиях вторая стадия является началом окончательного разрушения кладки, поскольку возникшие в этой стадии сквозные трещины не стабилизируются, а продолжают развиваться и увеличиваться без увеличения нагрузки. Поэтому действительная разрушающая нагрузка составляет % от экспериментальной разрушающей нагрузки. Многочисленные эксперименты помогли раскрыть причины возникновения первых трещин в кладке из кирпича. Рис. 9. Три стадии разрушения кладки из кирпича Установлено, что возникновение первых трещин в кладке вызывается напряжениями изгиба и среза отдельных кирпичей, в то время как напряжения сжатия составляют % от предела прочности кирпича на сжатие. Деформации изгиба отдельных кирпичей достигают значительных величин 0,1-0,4 мм (рис. 10), которые при учете хрупкости кирпича являются чрезмерными. Причиной изгиба и среза кирпича в кладке при сжатии является неравномерная плотность раствора в швах. 12

13 Разрушение кирпича в кладке от сжатия происходит только в последней стадии после расслоения кладки на столбики вследствие перегрузки отдельных столбиков и кирпичей. Анализ результатов экспериментов позволил установить ряд факторов, влияющих на прочность кладки при сжатии. Рис. 10. Деформация изгиба отдельных кирпичей 1. Прочность кладки зависит от марки камня и марки раствора, но прочность кирпича на сжатие используется незначительно, с ростом прочности кирпича и раствора прочность кладки возрастает, но до определенного предела. 2. При сжатии отдельные кирпичи в кладке работают на изгиб и срез, поэтому марка кирпича устанавливается из его прочности на сжатие и изгиб. Изгиб и срез отдельных кирпичей происходят вследствие неравномерной плотности раствора в шве: причем это в большей степени проявляется при слабых растворах, что подтверждается просвечиванием рентгеновскими лучами растворного шва кладки. 3. На прочность кладки влияют форма поверхности кирпича и толщина шва; чем ровнее кирпич и тоньше шов, тем прочнее кладка. 4. На прочность кладки влияют размер сечения кладки (толщина стены): при уменьшении размеров сечения кладки ее прочность возрастает. Это отчасти объясняется уменьшением количества швов. 5. На прочность кладки влияет различие деформативных свойств кирпича и раствора. Поперечное расширение кирпича при сжатии в 10 раз меньше поперечного расширения раствора, поэтому при сжатии кладки в кирпиче возникают растягивающие усилия вследствие большего удлинения раствора шва, который и растягивает кирпич благодаря сцеплению кирпича с раствором. 6. Прочность кладки возрастает с течением времени вследствие возрастания прочности раствора. На прочность кладки при сжатии не влияют система перевязки и сцепление раствора с кирпичом. На основании экспериментальных данных проф. Л.И. Онищиком предложена эмпирическая формула для определения прочности различных кладок при сжатии в зависимости от марок камня и раствора: a 0 1 1, 2 / R A R (1) b R R1 13

14 где R прочность кладки при сжатии; R 1 марка камня; R 2 марка раствора; А o, a, b эмпирические коэффициенты (A 0 15 Величины расчетных сопротивлений (R) различных кладок в зависимости от марок камня и раствора приведены в [1]. Рис. 12. Графики зависимости прочности разных кладок при прочности камня М Прочность кладки при местном сжатии (смятии) Местное сжатие (смятие) кладки имеет место в том случае, если сжимающее усилие передается не по всей площади сечения кладки, а только по ее части (рис. 13); остальная же часть сечения остается незагруженной. Проведенные экспериментальные исследования показали, что прочность кладки при смятии выше, чем при сжатии. Это объясняется тем, что незагруженная часть сечения участвует в работе (создавая эффект обоймы, препятствует поперечным деформациям). Расчетное сопротивление кладки смятию R C определяется по формуле, приведенной в [1]. Рис. 13. Местное сжатие (смятие) кладки 2.3. Прочность кладки при растяжении Прочность каменных кладок при работе их на растяжение, срез и изгиб зависит, главным образом, от величины сцепления между раствором и камнем. 15

16 Различают два вида сцепления: нормальное S (рис. 14, а) и касательное Т (рис. 14, б). Эксперименты показали, что касательное сцепление в два раза больше нормального, то есть Т= 2 S а) б) Рис. 14. Виды сцепления: а нормальное; б касательное Величина сцепления возрастает: — с увеличением марки раствора; — при более шероховатой поверхности камня; — при более чистой поверхности камня; — при увлажнении камня. Сцепление нарастает во времени и достигает 100% через 28 суток. В вертикальных швах кладки вследствие усадки раствора при твердении сцепление его с камнем значительно ослабляется или совсем нарушается с одной из прилегающих боковых поверхностей камня. Поэтому в расчетах сцепление в вертикальных швах не учитывается, а учитывается сцепление только в горизонтальных швах кладки. В соответствии с касательным и нормальным сцеплением различают два вида растяжения кладки: растяжение по перевязанному и неперевязанному швам. Растяжение кладки по неперевязанному шву (рис. 15, а) в чистом виде практически не встречается, а главным образом имеет место при работе кладки на внецентренное сжатие при больших эксцентриситетах, когда происходит растяжение кладки с одной стороны, как показано на рис. 15, б. а) б) Рис. 15. Растяжение кладки: а по неперевязанному шву; б с одной стороны 16

17 Растяжение кладки по перевязанному шву (рис. 16) встречается в конструкциях резервуаров. В этом случае разрыву сопротивляются только участки горизонтальных швов (вертикальные швы не учитываются), в которых действует касательное сцепление. Разрушение кладки может происходить по штрабе при слабых растворах и прочных камнях, либо по камням и частично по штрабе при прочных растворах и малой прочности камня. Рис. 16. Растяжение кладки по перевязанному шву Величины расчетных сопротивлений кладки при растяжении R t по перевязанному и неперевязанному швам в зависимости от марки раствора приведены в [1] Прочность кладки при срезе Срез кладки так же, как и растяжение, может быть по перевязанному и неперевязанному швам. При действии усилий вдоль горизонтальных швов (рис. 17, а) имеет место срез по неперевязанному шву, который встречается в подпорных стенах (рис. 17, б) или в пятовых сечениях арок (рис. 17, в). В этом случае сопротивление оказывает касательное сцепление раствора с камнем, а при сжимающих нормальных напряжениях в кладке сопротивление срезу увеличивается благодаря возникновению сопротивления от трения. а) б) в) Рис. 17. Срез кладки по перевязанному и неперевязанному шву 17

18 При действии усилий перпендикулярно горизонтальным швам (рис.18, а) имеет место срез по перевязанному шву, который встречается в консольных выступах (рис.18, б). В этом случае учитывается сопротивление только камня срезу без учета вертикальных швов. а) б) Рис. 18. Действия усилий: а перпендикулярно горизонтальным швам; б консольные выступы Расчетное сопротивление кладки при срезе R sq по перевязанному и неперевязанному швам в зависимости от марки раствора и камня приведено в [1] Прочность кладки при изгибе Изгиб в каменной кладке вызывает растяжение, которым и определяется прочность кладки по растянутой зоне. Однако если определить разрушающий момент как для упругого материала, приняв в растянутой зоне расчетное сопротивление R t (как для центрального растяжения), то разрушающий момент оказывается примерно в 1,5 раза меньше, чем при натурных испытаниях. Это объясняется тем, что момент внутренних усилий теоретически определялся, исходя из треугольной эпюры распределения нормальных напряжений, как для упругого тела (рис.19, а): 2 bh 2 bh M PER t h t. (2) 4 3 а) б) Рис. 19. Эпюры распределения нормальных напряжений: а для упругого тела; б криволинейная 18

19 На самом же деле благодаря тому, что в кладке кроме упругих имеют место и пластические деформации, эпюра нормальных напряжений криволинейная (рис. 19, б) и если ее принять прямоугольной (что очень близко к фактической эпюре), то получим: M 2 bh h bh h, (3) PER t t то есть в 1,5 раза больше, чем при упругой работе. В практических расчетах пользуются формулами сопротивления материалов и момент сопротивления W определяют, как для упругого материала. Расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по перевязанному сечению R tb принимают примерно в 1,5 раза больше, чем расчетное сопротивление кладки при центральном растяжении R t. На рис. 20 показана часть здания, левый угол которого получил осадку, что привело к образованию наклонных трещин в подоконных поясах. Эти трещины являются следствием возникновения главных растягивающих напряжений при изгибе. Значения расчетных сопротивлений кладки главным растягивающим напряжениям при изгибе R приведены в [1] в зависимости от марки раствора и камня. tw Рис. 20. Образование трещин в стене при осадке здания 2.6. Деформативность кладки В каменной кладке различают следующие деформации: — объемные, возникающие во всех направлениях, вследствие усадки раствора и камня или от изменения температуры; — силовые, развивающиеся, главным образом, вдоль направления действия силы. Усадочные деформации кладки st зависят от материала кладки. Например, для кладки из обожженного глиняного кирпича усадку можно не учитывать ввиду ее малости, а для кладок из силикатного кирпича и бетонных камней st =

20 Температурные деформации кладки также зависят от материала кладки и коэффициента линейного расширения кладки t. Например, для глиняного кирпича и керамических камней t = 0,5 10-5, а для силикатного кирпича и бетонных камней t = При действии нагрузки (силовые деформации) каменная кладка представляет собой упругопластический материал, и поэтому при действии нагрузки зависимость между напряжениями и деформациями не подчиняется закону Гука. Начиная с небольших напряжений в кладке, кроме упругих, развиваются и пластические деформации. Поэтому силовые деформации будут зависеть от характера приложения нагрузки и могут быть трех видов: 1) деформации при однократном нагружении кратковременной нагрузкой; 2) деформации при длительном действии нагрузки; 3) деформации при многократно повторных нагрузках. Если каменную кладку нагружать очень быстро и довести до разрушения за несколько секунд, то в кладке возникнут только упругие деформации, и кладка будет работать как упругий материал, а зависимость между напряжениями и деформациями будет линейной. Если каменную кладку в лабораторных условиях загружать в течение 1 часа постепенно до разрушения, то зависимость между напряжениями и деформациями получается нелинейной; для данного случая кривая зависимости показана на рис. 21. Таким образом, полные деформации будут слагаться из упругих и неупругих. В этом случае модуль деформации кладки Е будет величиной переменной: d Е tg. (4) d С возрастанием напряжения угол уменьшается последовательно, уменьшается и модуль деформаций. Наибольшее значение модуль деформаций будет иметь при 0, то есть E tg 0 это начальный или мгновенный модуль упругости, величина которого для данного вида кладки является постоянной. Экспериментально установлено, что начальный модуль деформации Е 0 (модуль упругости кладки) пропорционален временному сопротивлению сжатия кладки R u : Eo R u ; (5) R u k R ; (6) k R. (7) E o 20

21 Здесь упругая характеристика кладки, зависящая от вида кладки и прочности раствора; R расчетное сопротивление сжатию кладки; k коэффициент, принимаемый равным 2, для кладки из кирпича, камней, блоков. Рис. 21. Кривая зависимости В практических расчетах модуль деформаций кладки принимается Е=0,5Е 0 или Е = 0,6Е 0 в зависимости от характера расчета. При действии длительных нагрузок в кладке развиваются деформации ползучести, поэтому в практических расчетах модуль упругости Е 0 уменьшается путем деления его на коэффициент ползучести, величина которого принимается от 1,8 до 4,0 в зависимости от вида кладки. При многократно повторных нагрузках после некоторого числа циклов «нагрузка-разгрузка» пластические деформации выбираются, и материал начинает работать упруго с модулем упругости Е 0, но только если напряжения не превосходят напряжений, при которых появляются трещины в кладке скс : скс. Если же cкк, то после некоторого количества циклов «нагрузкаразгрузка» деформации начинают неограниченно расти, и кладка разрушается. 21

22 3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ ГРУПП 3.1. Основные положения расчета Под предельным понимают такое состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, то есть теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые деформации или местные повреждения. Каменные конструкции должны отвечать требованиям прочности, устойчивости, выносливости (предельные состояния первой группы), а также требованиям пригодности к нормальной эксплуатации (предельные состояния второй группы). Расчет по первой группе предельных состояний должен предотвратить конструкцию от: — разрушения (расчет на прочность); — потери устойчивости формы (расчет на продольный изгиб, расчет устойчивости тонкостенных конструкций и т.п.); — потери устойчивости положения (расчет на опрокидывание, скольжение, всплытие); — усталостного разрушения (расчет на выносливость при многократно повторных нагрузках); — разрушения при совместном воздействии силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (попеременного замораживания-оттаивания, увлажнения-высушивания, действия агрессивной среды). Расчет по второй группе предельных состояний должен предотвратить конструкции от: — чрезмерных деформаций; — недопустимого раскрытия трещин; — расслоения многослойной кладки (отслоения облицовки). Нагрузки подразделяются на постоянные и временные. В свою очередь временные подразделяются на: длительно действующие, кратковременные и особые. Постоянные нагрузки: вес несущих и ограждающих конструкций, масса и давление грунта. Временные длительно действующие нагрузки: вес стационарного оборудования (станки, сыпучее в емкости, нагрузки в складах, архивах, библиотеках и т.п.). Кратковременные нагрузки: снеговые, ветровые, вес людей и т.п. Особые нагрузки: сейсмические, взрывные, неравномерность деформаций оснований и т.п. 22

23 При расчете конструкций пользуются сочетаниями нагрузок. Основные сочетания первой группы: (постоянные)+(одна длительная) или (одна из кратковременных). Основные сочетания второй группы: 0,95(постоянные + длительные) +0,9(одна и более кратковременных). Особые сочетания: 0,95(постоянные + длительные) + 0,8(возможные кратковременные) + (одна из особых). Нормативные нагрузки g n устанавливаются нормами при нормальной эксплуатации зданий и сооружений, поэтому этими нагрузками пользуются чаще всего при расчетах по второй группе предельных состояний. Расчетные нагрузки g определяются с учетом возможности отклонения от нормативных значений в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывается умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке f : g f gn. Расчетные нагрузки используются, главным образом, в расчетах по первой группе предельных состояний. Численные значения чаще всего больше единицы, однако встречается ряд неблагоприятных состояний, когда меньше единицы. f РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КЛАДКИ f принимается Прочностные характеристики каменной кладки, принимаемые в расчетах, определяются на основании многочисленных испытаний образцов кладки. Нормативное сопротивление кладки определяется как минимальное контролируемое значение предела прочности кладки при гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Расчетное сопротивление кладки получается из нормативного делением на коэффициент безопасности по материалу. Расчетные сопротивления кладки сжатию в ряде случаев умножают на коэффициент условия работы с, величина которого больше единицы при благоприятных условиях и меньше единицы при неблагоприятных условиях Расчет центрально-сжатых элементов Расчет элементов каменных конструкций при центральном сжатии производят по формуле: N mg R A, (8) где N расчетная продольная сила; R расчетное сопротивление кладки сжатию; А площадь сечения элемента; m g коэффициент, учитывающий 23

24 влияние длительной нагрузки вследствие ползучести кладки, благодаря чему увеличиваются прогиб и эксцентриситет и уменьшается разрушающая нагрузка; коэффициент продольного изгиба, определяемый по таблицам [1] в зависимости от гибкости. В свою очередь, гибкость определяется, как для упругого материала: l i или для прямоугольного сечения i h, I 0 / h 0 / где i радиус инерции сечения ( i J / A ); h меньший размер прямоугольного сечения; l 0 расчетная высота (длина) элемента. При определении l 0 учитываются условия опирания элемента: — при неподвижных шарнирных опорах l 0 = Н (рис. 22, а); — при упругой верхней опоре и жестком защемлении внизу l 0 = 1,5Н (рис. 22, б); — при свободно стоящей конструкции l 0 = 2Н (рис. 22, в); где Н расстояние между перекрытиями или другими горизонтальными опорами. а) б) в) Рис. 22. Условия опирания элемента 3.3. Расчет на местное сжатие (смятие) Расчет сечений при местном сжатии (смятии) должен производиться при нагрузках, приложенных к части площади сечения (при опирании на кладку ферм, балок, прогонов, перемычек, плит перекрытий и т.п.) по формуле: N d R A, (9) c где N c продольная сжимающая сила; А с площадь смятия, на которую передается нагрузка; R с расчетное сопротивление кладки при смятии; d коэффициент, зависящий от вида кладки; коэффициент полноты эпюры давления от местной нагрузки, определяемый в соответствии с рис. 23. c c 24

25 Рис. 23. Эпюра давления от местной нагрузки При равномерном распределении давления 1. При треугольной эпюре давления 0,5. Paсчётное сопротивление кладки R c определяется по формуле: R c R. 3 A / Ac 1, (10) где А расчетная площадь сечения, определяемая по правилам, приведенным в нормах; на рис. 24 показаны некоторые наиболее часто встречающиеся случаи смятия; 1 коэффициент, зависящий от материала кладки и места приложения нагрузки (1 26 2. В момент разрушения деформации кладки при внецентренном сжатии значительно больше, чем при центральном сжатии. Это отчасти объясняется тем, что менее напряженная часть сечения в какой-то мере помогает работе более напряжённой части и происходит перераспределение напряжений благодаря пластическим деформациям кладки. 3. При значительных эксцентриситетах ( е 0 ) приложения нагрузки N (рис. 25) в растянутой зоне возникнут трещины, что приведет к изменению работы сечения. Если трещина глубиной С, то нетрудно видеть, что величина эксцентриситета е 0 уменьшится и станет равной: е С,5 ( Н С) (0,5 е ) е 0,5. (11) Рис. 25. Приложение силы N при внецентренном сжатии Если в этом выражении принять е 1 =0, то получим, что е 0 = 0,5С, то есть при раскрытии трещины до величины С = 2 е 0 действующая нагрузка N будет центральной по отношению к оставшемуся сечению. При раскрытии трещины происходящее уменьшение момента сказывается больше, чем уменьшение сечения по мере образования трещин. Этим обстоятельством и объясняется некоторое возрастание несущей способности элемента до определенного предела после раскрытия 26

27 трещины, так как создается более равномерное распределение напряжений по сечению за счет уменьшения эксцентриситета приложения нагрузки к оставшемуся сечению. Такое явление свойственно только внецентренному сжатию, так как при поперечном изгибе первая трещина уменьшает сечение, но не уменьшает момент, и поэтому сечение разрушается. 4. Специальные эксперименты позволили определить зависимость между эксцентриситетами (е 0 ) приложения силы, расстоянием от более сжатой грани сечения до центра тяжести сечения (у) и величиной раскрытия швов кладки. На основании этих опытов нормами принят предельный эксцентриситет (е 0,пр =0,7 У), при достижении которого требуется производить расчет по раскрытию трещин. На основании экспериментальных исследований приняты следующие допущения при расчете кладки на внецентренное сжатие: — расчет исходит из условия равновесия между внешней расчетной силой (N) и прямоугольной эпюрой сжимающих напряжений взамен действительной криволинейной эпюры, как показано на рис. 26; Рис. 26. Равновесие между внешней расчетной силой (N) и прямоугольной эпюрой сжимающих напряжений взамен действительной криволинейной эпюры — размер эпюры сжимающих напряжений d принимается таким, чтобы центр тяжести сжатой зоны А с совпадал с точкой приложения внешней сжимающей силы N. 27

28 В этом случае, когда центр тяжести сжатой зоны сечения совпадает с осью приложения внешней нагрузки, расчет внецентренно сжатого сечения сведется к расчету на центральное сжатие части этого сечения А с по формуле: N m 1 R A, (12) g где m g и R те же значения, что и в выражении (2); коэффициент полноты эпюры, определяемый по экспериментальным формулам, приведенным в [1]; 1 коэффициент продольного изгиба, определяемый по экспериментальной формуле, приведенной в [1]; А с площадь сжатой части сечения при прямоугольной эпюре напряжений; положение границы сжатой площади А с определяется из условия равенства нулю статического момента этой площади относительно ее центра тяжести. Например, для прямоугольного сечения в обозначениях, принятых на рис. 26, можно определить границу X площади А с из условия: 0,5h e 0,5h e0 X b 0 b X 0, откуда X 0,5 h e0 2 и, следовательно, для прямоугольного сечения получим: 2 c b,5 e X b h 1 2 e h. (13) A c / Расчет на изгиб, центральное растяжение и на срез РАСЧЕТ НА ИЗГИБ Расчет изгибаемых элементов каменных конструкций следует производить по формуле: M M W, (14) tb где М расчетный изгибающий момент; W момент сопротивления сечения кладки при упругой ее работе; R tb расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по перевязанному сечению. Кроме этого, изгибаемые каменные элементы следует рассчитывать на поперечную силу по формуле: Q Rtw b Z, (15) где R tw расчетная поперечная сила; W расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям при изгибе; Z плечо внутренней пары сил, для прямоугольного сечения Z = 2h/3. Проектирование каменных конструкций, работающих на изгиб по неперевязанному сечению, не допускается. 28

29 РАСЧЕТ НА ЦЕНТРАЛЬНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ Расчет центрально-растянутых каменных элементов на прочность следует выполнять по формуле: N R t A n, (16) где R t расчетное сопротивление кладки растяжению по перевязанному шву; А n расчетная площадь сечения нетто. Проектирование каменных элементов, работающих на осевое растяжение по неперевязанному сечению, не допускается. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ НА СРЕЗ Расчет кладки на срез по перевязанному шву выполняется по формуле: Q R A, (17) sq где А расчетная площадь сечения; R sq расчетное сопротивление кладки срезу по перевязанному сечению, проходящему по камню. При расчете кладки на срез по неперевязанному шву сопротивление кладки будет осуществляться за счет касательного сцепления и за счет сил трения: Q A R p A R, (18) per sq sq 0 где А расчетная площадь сечения; р коэффициент трения по шву кладки, принимаемый для кладки из кирпича и камней правильной формы равным 0,7; 0 = Р/А среднее напряжение сжатия при наименьшей расчетной нагрузке Р, определяемой с коэффициентом безопасности по нагрузке равным 0,9; R sq расчетное сопротивление кладки срезу по неперевязанному сечению. Расчет кладки на срез по неперевязанному шву следует производить по формуле: Q Rsq 0,8 n A, (19) 0 где n коэффициент, принимаемый для кладки из сплошных камней равным 1,0, а для кладки из пустотных камней равным 0, Расчет по раскрытию трещин Расчет по раскрытию трещин (швов кладки) внецентренно сжатых каменных элементов при e 0 > 0,7-у (рис. 26) следует выполнять по формуле [1]: r Rtb A N. (20) A h y e0 / J 1 Эта формула получена при следующих допущениях: 29

30 1. Принимается линейная эпюра напряжений внецентренного сжатия как для упругого материала и, как следствие этого, можно применить формулу сопромата для определения нормальных напряжений: N M. (21) A W 2. Расчет производится по условному краевому напряжению растяжения R tb, которое характеризует величину деформаций растянутой зоны кладки, и тогда формула (21) примет вид с учетом обозначений рис. 26: R tb M W N A или N e N Rtb 0 J /( h y) A, (22) где М = N е 0 момент от внецентренного приложения нагрузки; W = J/(h-y) момент сопротивления по растянутой зоне. Далее, преобразуя, получаем: а из этого выражения определяется N: N A e0 R tb 1, (23) A J /( h y) Rtb A N. (24) A e ( h y)/ J 1 0 Вводя в формулу (24) коэффициент условий работы кладки при расчете по раскрытию трещин r, получаем формулу (20) Расчет по деформациям Конструкции, в которых по условиям эксплуатации не может быть допущено появление трещин в штукатурках или других покрытиях, должны быть проверены на деформации растянутых поверхностей: при осевом растяжении: при внецентренном сжатии: при внецентренном растяжении: N A E ; (25) u A E u N ; (26) A e h y / J 1 0 при изгибе: A E u N ; (27) A e h y / J

31 M J E u / h y, (28) где u предельные величины относительных деформаций штукатурок и других покрытий, которые приведены в [1]; Е модуль деформации кладки. 4. АРМОКАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ Для увеличения несущей способности, монолитности и обеспечения совместной работы отдельных частей зданий и сооружений, а также для увеличения сейсмостойкости каменных конструкций и зданий в целом применяются следующие виды армирования и усиления: — поперечное армирование с расположением арматурных сеток в швах кладки; — продольное армирование с расположением арматуры внутри кладки или в бороздах, оставляемых в кладке; — армирование (усиление) посредством включения в кладку железобетонных элементов комплексные конструкции; — усиление посредством включения каменных элементов в железобетонную или металлическую из уголков обойму Каменные конструкции с сетчатым поперечным армированием Сетчатое поперечное армирование применяется для усиления, главным образом, столбов и простенков, а также участков кладки, на которые опираются балки, прогоны, фермы и т.п. Этот способ усиления кладки был впервые предложен проф. Некрасовым в 1925 году и нашел очень широкое применение. Для армирования кладки применяются сетки Некрасова и сетки «зигзаг» инженера Камейко, показанные на рис. 27. Сетчатая арматура в горизонтальных швах кладки весьма эффективна, так как препятствует поперечным деформациям кладки при сжатии и, выполняя роль стяжных хомутов-обойм, повышает несущую способность кладки в 2,0-2,5 раза. Сетки «зигзаг» укладывают в смежных горизонтальных швах с взаимно-перпендикулярным расположением. Как показали опыт эксплуатации и экспериментальные исследования, при сетчатом армировании необходимо учесть следующее: 1. Характер разрушения кладки с сетчатым армированием отличается от неармированной кладки. Появление первых трещин наступает несколько позже, чем в неармированной кладке. Дальнейшее нарастание трещин идет медленно, их распространению вдоль столбов препятствуют 31

32 поперечные сетки и разрушение наступает от раздавливания отдельных кирпичей, а расслоения кладки на отдельные столбики не наблюдается. К моменту разрушения кладки растягивающие напряжения в стержнях сеток достигают величины около 200 МПа. Рис. 27. Сетки Некрасова и сетки «зигзаг» инженера Камейко 2. Сетчатое армирование эффективно при небольших гибкостях i 33 — количество сетчатой арматуры, учитываемой в расчете, должно составлять не менее 0,1 % объема кладки. Расчет на прочность элементов с сетчатым армированием при центральном сжатии производится по той же формуле, что и неармированных элементов: N m R A, R R R /100. (29) g SK SK 2 S где R Sk расчетное сопротивление при центральном сжатии армированной VS кладки (R Sk 2 R); процент армирования кладки по объему 100, VK V S и V K соответственно объем арматуры и кладки. Для сетки с квадратными ячейками величиной С из арматуры сечением A st при расстоянии между сетками S (рис. 28) процент армирования получается равным: 2 A ST 100. (30) C S Рис. 28. Сетка Расчет на прочность внецентренно сжатых элементов с сетчатым армированием при малых эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения ( е 0 34 при марке раствора 25 и менее (при проверке прочности кладки в процессе ее возведения): 2 Rs R1 2e R 1 0 skb R1, 100 R25 y где R 1 расчетное сопротивление сжатию неармированной кладки в рассматриваемый срок твердения Каменные конструкции с продольным армированием Продольное армирование каменных конструкций целесообразно применять в отдельных конструктивных элементах (стенах, столбах, перемычках, подпорных стенах и т.п.) для восприятия растягивающих усилий: — во внецентренно сжатых элементах с большими эксцентриситетами, выходящими за пределы ядра сечения, где не эффективно армирование поперечными сетками; — в сжатых элементах с гибкостью h > 15 или i > 53, когда не эффективно армирование поперечными сетками; — в сжатых элементах при возможных вибрационных нагрузках; — в изгибаемых элементах (стенах, перемычках). Продольное армирование каменных конструкций: — повышает прочность кладки; — увеличивает сопротивляемость кладки растягивающим усилиям при внецентренном сжатии и изгибе; — придает большую устойчивость конструкции; — увеличивает сопротивляемость вибрационным и сейсмическим воздействиям; — обеспечивает монолитность всего сооружения в целом. АРМИРОВАНИЕ СТОЛБОВ осуществляется продольной вертикальной арматурой (рис. 29). Армирование может быть внутренним (рис. 29, а) с укладкой арматуры в вертикальных швах кладки или наружным (рис. 29, б) под слоем цементного раствора, который защищает арматуру от коррозии. Внутреннее армирование столбов применяется в столбах с большей стороной поперечного сечения более 64 см (2,5 кирпича) при наличии агрессивных внешних воздействий высоких температур. В этом случае продольная сжатая арматура принимается диаметром не менее 8 мм. Хомуты принимаются диаметром 3-8 мм с шагом не более 25d и располагаются в горизонтальных швах кладки. 34

35 а) б) Рис. 29. Армирование продольной вертикальной арматурой: а внутреннее; б наружное Внешнее армирование столбов отличается простотой и удобством выполнения и применяется во всех случаях, где отсутствуют те особые условия, которые требуют устройства внутренней арматуры. В этом случае сжатая арматура должна быть диаметром не менее 8 мм, а хомуты принимаются диаметром 3-8 мм с шагом не более 15d и не более 150 мм, и располагаются в горизонтальных швах кладки. В столбах с продольной арматурой, независимо от внутреннего или наружного армирования, процент армирования следует принимать: для растянутой арматуры min =0,05%> а для сжатой min =0,1%. Характер разрушения столбов с продольной арматурой напоминает разрушение неармированной кладки, но отличается тем, что при разрушении не происходит расслоения кладки на столбики, так как этому препятствуют хомуты. Расчет на прочность армированных столбов при осевом и внецентренном сжатии производится по стадии разрушения по аналогии с железобетонными элементами с учетом некоторых особенностей, отмеченных в нормах. Расчет на прочность столбов с продольной арматурой при центральном сжатии выполняется по формулам: N m g 0,85 R A R A или A N m 0,85 R A / R m s s s g s g, (32) где N продольная расчетная сила; А площадь сечения столба; A S площадь сечения продольной арматуры; 0,85 коэффициент, учитывающий неполное использование прочности кладки, работающей совместно с арматурой. 35

36 При расчете на прочность внецентренно сжатых столбов с продольной арматурой различают два случая (рис. 30): — малых эксцентриситетов (рис. 30, а); — больших эксцентриситетов (рис. 30, б). а) б) Рис. 30. Внецентренно сжатые столбы с продольной арматурой: а случай малых эксцентриситетов (х>0,55h 0 ); б случай больших эксцентриситетов (х 37 элементов стоек, пилястр, служащих для восприятия горизонтальных нагрузок, передаваемых от стен (рис. 31). Рис. 31. Армирование стен горизонтальной арматурой 2. Армирование горизонтальной арматурой в швах кладки и вертикальной арматурой, располагаемой снаружи кладки (рис. 32). Такое армирование применяется при наличии как вертикальных, так и горизонтальных элементов столбов, пилястр, междуэтажных перекрытий. Расстояние между горизонтальными швами, где располагается арматура, принимается не более 8h (h толщина стены); арматура применяется от 3 до 8 мм. Вертикальные стержни (d 38 Рис. 32. Армирование горизонтальной арматурой в швах кладки и вертикальной арматурой, располагаемой снаружи кладки Рис. 33. Расчет на прочность армированных стен, подверженных изгибу Расчет на прочность армированных гибкой арматурой стен, работающих на растяжение, исходит только из прочности арматуры: N R S A S. (35) 4.3. Каменные конструкции, усиленные железобетоном (комплексные конструкции) Усиление каменных конструкций железобетоном применяется в тех же случаях, что и продольное армирование. Комплексные конструкции применяются в тех случаях, когда требуется значительно увеличить несущую способность каменных конструкций. В комплексной конструкции горизонтальные и вертикальные железобетонные элементы работают совместно с кладкой. 38

39 Такого рода армирование и название «комплексные конструкции» предложены проф. П.Л. Пастернаком. Железобетонный скелет, пронизывающий каменную кладку, бетонируется параллельно с ведением каменной кладки, в которой оставляются специальные борозды и каналы для установки арматуры и бетонирования. Железобетон (а именно его продольная арматура) воспринимает все растягивающие усилия при изгибе и внецентренном сжатии, а кладка и частично железобетон воспринимают сжимающие усилия. Железобетон может располагаться как внутри кладки, так и снаружи (рис. 34). Расположение железобетона снаружи в штрабах более рационально при изгибе и внецентренном сжатии. Рис. 34. Расположение железобетона внутри кладки и снаружи Площадь сечения продольной арматуры должна составлять не более 1,5 % площади сечения бетона. При усилении стен здания горизонтальные железобетонные пояса располагают с шагом не более 8h (h толщина стены). Толщина поясов принимается кратной толщине одного ряда кладки. Расчет на прочность комплексных конструкций осуществляется аналогично армокаменным конструкциям с продольным армированием с добавлением к кладке и арматуре еще и бетона. Например, проверка прочности центрально сжатого комплексного элемента выполняется по формуле: N m 85 g k 0, R A R A R A, (36) где k коэффициент продольного изгиба; А б площадь бетона; R b расчетное сопротивление бетона осевому сжатию. s s b b 39

40 4.4. Каменные конструкции, усиленные обоймой Несущая способность существующих каменных конструкций (столбов, простенков, стен и др.) может оказаться недостаточной при реконструкции зданий, надстройках, а также при наличии дефектов в кладке. Одним из наиболее эффективных методов повышения несущей способности существующей каменной кладки является включение ее в обойму. В этом случае кладка работает в условиях (стесненных) ограниченных поперечных деформаций, что значительно (в 2,0-2,5 раза) увеличивает сопротивляемость кладки продольным усилиям. Применяется три основных вида обойм: стальные, железобетонные и армированные растворные (штукатурные), показанные на рис. 35. Основными факторами, влияющими на эффективность обойм, являются: — процент поперечного армирования обоймы (хомутами); — класс бетона или марка штукатурного раствора; — схема передачи усилия на конструкцию; — состояние кладки. Стальная обойма (рис. 35, а) состоит из вертикальных уголков, устанавливаемых на растворе по углам усиливаемого элемента, и планок из полосовой стали, приваренных к уголкам. Расстояние между планками должно быть не более меньшего размера сечения и не более 500 мм; при больших расстояниях между планками эффект обоймы уменьшается. Для защиты стальной обоймы от коррозии выполняется штукатурка цементным раствором. Железобетонная обойма (рис. 35, б) выполняется из бетона класса не ниже В12,5 с армированием вертикальными стержнями и хомутами. Расстояние между хомутами не должно быть более 150 мм. Толщина обоймы чаще всего от 40 до 120 мм. Штукатурная обойма (рис. 35, в) армируется аналогично железобетонной, но вместо бетона арматура покрывается слоем цементного раствора (штукатуркой) марки В практике усиления каменных конструкций обоймами используются три способа передачи усилия на конструкцию: 1. Обойма выполняется на всю высоту конструкции (рис. 36, а) с передачей нагрузки сверху по всему периметру сечения обоймы. В этом случае работа усиленной кладки не отличается от работы комплексной конструкции. 2. Обойма опирается либо внизу, либо вверху (рис. 36, б). В этом случае работа кладки улучшается, а эффективность работы бетона и арматуры обоймы значительно снижается. 40

41 а) б) в) Рис. 35. Три основных вида обойм: а стальные; б железобетонные; в армированные растворные(штукатурные) 3. На обойму непосредственно не передаются усилия, она только улучшает работу кладки, препятствуя ее поперечным деформациям (рис. 36, в). а) б) в) Рис. 36. Три способа передачи усилия на конструкцию: а обойма выполняется на всю высоту конструкции; б обойма опирается либо внизу, либо вверху; в на обойму непосредственно не передаются усилия С увеличением процента поперечного армирования ? прочность кладки возрастает по затухающей кривой. Поэтому принимать ? >1%, как показали испытания, нецелесообразно. Процент поперечного армирования 41

42 определяется как отношение объема поперечной арматуры (планок, спиралей, хомутов) к объему кладки. Расчет на прочность конструкций, усиленных обоймами, при центральном сжатии и внецентренном сжатии с малыми эксцентриситетами (не выходящими за пределы ядра сечения) производится по формулам, приведенным в [2] Расчет элементов армокаменных конструкций по предельным состояниям второй группы Армированные каменные конструкции, деформации которых по условиям эксплуатации должны быть ограничены, рассчитываются по раскрытию трещин. Расчет по раскрытию трещин каменных конструкций с продольным армированием производится по формулам, приведенным в [1]. В этих формулах используются приведенные геометрические характеристики сечений ( A red, J red ) и расчетные сопротивления арматуры расчете по раскрытию трещин. R при Тр S ПРИМЕР ПРОВЕРКИ ПРОЧНОСТИ КИРПИЧНОГО ПРОСТЕНКА Размеры сечения простенка: ширина простенка b=1,3 м; толщина стены h с =0,64 м. Площадь сечения простенка: А=1,3 0,64=0,832 м 2. Коэффициент условия работы кладки с =1, т.к. А= 0,832 м 2 >0,3 м 2 ([1]). Расчетное сопротивление кладки из силикатного полнотелого кирпича М 100 на растворе М 50 R = 1,5 МПа ([1]). Расчетная длина простенка: l 0 = Н эт h пер = 4,2 0,7 = 3,5 м. (37) Гибкость простенка: = l 0 / h с = 3,5/0,64 = 5,47. (38) Коэффициент продольного изгиба =0,963 ([1]). Найденное значение принимается для средней трети высоты простенка. В расчетном сечении простенка, т.е. на расстоянии 0,2 м от балки перекрытия, величину определим в соответствии с [1] по интерполяции (рис. 37) =0,

43 Рис. 37. Расчетная схема простенка Расчетные усилия, действующие на простенок: N=1800 кн, M = 36 кн м. Эксцентриситет продольной силы е о = M/N =36/1800= 0,02 м. Несущую способность простенка в расчетном сечении определим по формуле: N 30 см m g следует принимать 1); А с площадь сжатой части сечения 1 2 е коэффициент полноты эпюры: 1 2 0,02м О 2 2 А С А 0,832м 0,78м ; (40) hc 0,64м = 1 + е о / h с = 1 + 0,02/0,64 = 1,031; 1 коэффициент продольного изгиба для внецентренно сжатых элементов: 1 = ( + с )/2 43

44 Здесь = 0,963; с коэффициент продольного изгиба для сжатой части сечения, определяется в соответствии с указаниями [1]. с = Н э /h c =4,2 /0,6 = 7, h c = А с /b = 0,78 /1,3 = 0,6 м, (41) с = 0,925, 1 = (0, ,925)/2 =0,944. (42) Несущая способность простенка N u =1 0,944 1,5 (1000) 0,78 1,031=1138,7 кн min = 0,1 %. Определим по таблице 15 [1] коэффициент продольного изгиба при sk = 516 и =5,47, = 0,93, а затем: 1 = ( + с )/2 = (0,93 + 0,925)/2 = 0,9275. (45) Расчетное сопротивление армированной кладки определим по [1] где R skb 2 ? Rs 2 e0 2 0, МПа 2 0,02м R 1 1,5 1 2,573МПа, 100 y 100 0,32м y h C / 2 0,64м/ 2 0,32 м. Определим несущую способность армированного простенка по формуле: N u = m g 1 R skb A c = 1 0,9275 2,573(1000) 0,78 1,031 = Прочность простенка обеспечена. 1919,1 кн > N = 1800 кн. 44

45 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КАМЕННЫХ ЗДАНИЙ 5.1. Конструктивные схемы каменных зданий Пространственная жесткость каменных зданий зависит от жесткости всех элементов, составляющих эти здания; стен, столбов, перекрытий и покрытий. Жесткость же самих элементов, образующих здание, зависит, в свою очередь, от размеров поперечных сечений, размеров пролетов (высот) и условий сопряжения отдельных элементов между собой. а) б) Рис. 38. Здания: а с жесткой пространственной конструктивной схемой; б с упругой пространственной конструктивной схемой Распределение усилий между элементами зданий зависит от жесткости перекрытий, толщины и высоты стен и наличия в них проемов, от соединения конструктивных элементов между собой. По степени пространственной жесткости каменные здания делятся на две конструктивные схемы: — здания с жесткой пространственной конструктивной схемой (рис.38, а); — здания с упругой пространственной конструктивной схемой (рис.38, б). ЗДАНИЯ С ЖЕСТКОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМОЙ. К зданиям с жесткой конструктивной схемой относятся многоэтажные промышленные и гражданские здания с часто расположенными поперечными стенами. В этих зданиях ветровые и другие горизонтальные 45

46 нагрузки, воспринимаемые продольными стенами, передаются от них на перекрытия, а от последних на поперечные стены, обладающие большой жесткостью в поперечном направлении (в своей плоскости). А усилия от поперечных стен передаются через фундаменты на грунт. Схемы передачи горизонтальных нагрузок имеют вид: продольные стены перекрытия поперечные стены фундаменты грунт. Чтобы осуществить такую последовательную передачу горизонтальных усилий, необходима высокая жесткость междуэтажных перекрытий и поперечных стен. В данном случае междуэтажные перекрытия являются опорными диафрагмами продольных наружных стен, а поперечные стены служат опорами-устоями этих диафрагм. Предельные расстояния между поперечными стенами 1 пред, при которых обеспечивается неподвижность в горизонтальной плоскости перекрытий-диафрагм, приведены в [1] (для железобетонных перекрытий расстояния между поперечными стенами принимают от 24 до 54 м). Для самих стен многоэтажных зданий нормами устанавливаются предельные гибкости, обеспечивающие их устойчивость, по отношению высоты стен и столбов Н к их толщинам h: = H/h. Для столбов предельные отношения снижаются до 60 %, поскольку столбы имеют меньшие сечения и при пожарах могут получить большее ослабление, чем стены, обладающие большими поверхностями. Кроме того, столбы как конструкции, обладающие меньшей массой, чем стены, более чувствительны к случайным ударам и перегрузкам. ЗДАНИЯ С УПРУГОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМОЙ. К зданиям с упругой конструктивной схемой относятся в основном одноэтажные промышленные здания, у которых при отсутствии жестких горизонтальных связей поперечные устойчивые конструкции располагаются на расстояниях, превышающих 1 пред. В этом случае устойчивость здания создается поперечной устойчивостью самих продольных стен и столбов за счет их собственного веса и заделки в грунт, а также за счет жесткости кровельного покрытия. КАМЕННЫЕ СТЕНЫ в зависимости от конструктивной схемы здания подразделяются на: — несущие, воспринимающие, кроме нагрузок от собственного веса и ветра, также нагрузки от перекрытий, покрытий, кранов и т.п.; — самонесущие, воспринимающие нагрузку только от собственного веса стен всех вышележащих этажей здания и ветровую нагрузку; — ненесущие (в том числе навесные), воспринимающие нагрузку только от собственного веса и ветра в пределах одного этажа при высоте этажа не более 6 м (при большей высоте этажа эти стены относятся к самонесущим); 46

47 — перегородки это внутренние стены, воспринимающие нагрузки только от собственного веса и ветра (при открытых оконных проемах) в пределах одного этажа. В зданиях с самонесущими и ненесущими наружными стенами нагрузки от покрытий, перекрытий, ветровые, крановые и т.п. передаются на каркас или поперечные конструкции зданий Расчет несущих стен зданий с жесткой конструктивной схемой РАСЧЕТ ПРОДОЛЬНЫХ СТЕН. Стены многоэтажных зданий, помимо нагрузки от собственного веса, рассчитываются на внецентренно приложенные к ним нагрузки от перекрытий. В статическом отношении стены многоэтажных зданий с жесткой конструктивной схемой рассчитывают как вертикальные неразрезные балки (рис. 39, а, б, в), опорами которых являются перекрытия. В целях упрощения расчетов допускается считать стену расчлененной по высоте на однопролетные балки с расположением шарниров в плоскостях опирания перекрытий (рис. 39, г, д). При этом нагрузка от вышележащих этажей N считается приложенной в центре тяжести сечения вышележащего этажа. а) б) в) г) д) Рис. 39. Вертикальные неразрезные балки А нагрузка в пределах данного этажа Р считается приложенной с фактическим эксцентриситетом относительно центра тяжести сечения стены, как показано на рис. 40. Для стены, показанной на рис. 40, а: 47

48 а для стены, показанной на рис. 40, б: M P e 0, (46) M P e0 N e. (47) Рис. 40. Схемы приложения нагрузок от выше расположенных стен и конструкций перекрытий Изгибающие моменты от ветровой нагрузки следует определять в пределах каждого этажа, как для балки с заделанными концами М в q-н э 2 /12 (рис. 41, а), за исключением верхнего этажа, в котором верхняя опора принимается шарнирной (рис.41, б). Таким образом, зная суммарную продольную силу (N + Р) и изгибающий момент М, стена рассчитывается на прочность, как внецентренно сжатый элемент. Для стены постоянной толщины (рис. 40, а) М = Р е 0 + М в ; для стен с изменением толщины (рис. 40, б) М = P е 0 N e 0 + М в. Рис. 41. Изгибающие моменты от ветровой нагрузки 48

49 РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ СТЕН. Здания с жесткой конструктивной схемой воспринимают полную ветровую нагрузку своими поперечными стенами и участками продольных стен (рис. 42). Эти поперечные стеныустои рассчитываются как консоли, заделанные в фундамент. Поперечные сечения таких консолей могут иметь форму двутавра, тавра, швеллера. Рис. 42. Поперечные стены и участки продольных стен Расчетная длина участка продольных стен S, вводимая в совместную работу с поперечной стеной по обе стороны от нее, принимается S 50 должна быть обеспечена надежная взаимная связь между ними. Иными словами, в месте взаимного примыкания стен не должно произойти сдвига (скалывания) при изгибе консоли. В итоге расчет сводится к проверке условия Т 51 Таким образом, проверка условия Т 52 Рис. 46. Расчетная схема поперечной рамы Поперечное сечение наружных стоек (стен) может быть различным: — если нагрузка от покрытия распределена равномерно по длине стены, то сечение стойки принимается прямоугольным; b f равно ширине простенка (рис. 47, а), а при глухих стенах b f равно всей длине стены между осями (рис. 47, б); — если нагрузка от покрытия сосредоточенная, то стена усиливается пилястрой и поперечное сечение наружной стойки принимается тавровым (рис. 47, в) с шириной полки в каждую сторону от грани пилястры b, определяемой из условий: b 53 На раму действуют следующие нагрузки: — вертикальные от собственного веса конструкций, снега, кранов; — горизонтальные от ветра, торможения кранов. Каждая поперечная рама, состоящая из вертикальных и горизонтальных элементов, расположенных на одной оси, рассчитывается независимо от других рам. Расчет таких рам (рис. 46) выполняется методом перемещений, с использованием таблиц справочников или на ЭВМ. По существу расчет рамы необходим только лишь для стоек рамы, так как ригель шарнирно оперт и рассчитывается независимо от рамы. Стойки рамы рассчитываются как заделанные внизу консоли (рис. 48), загруженные внешней нагрузкой и опорной реакцией верхней упругой опоры. Опорные реакции в шарнирной верхней опоре X определяются последовательно от всех приложенных нагрузок и полученные значения суммируются. Рис. 48. Расчетные схемы стоек рамы Рассмотрим последовательно ход построения эпюр изгибающих моментов для крайней стойки рамы (простенок с пилястрой) при различных нагрузках. 1. От собственного веса стены расчетная схема принимается в виде стойки, заделанной внизу и свободной вверху (рис. 49). Такая схема объясняется тем обстоятельством, что каменная стена по мере возведения получает деформации от собственного веса, а, следовательно, и соответствующие усилия. Поэтому принятая схема соответствует действительной работе до установки ригелей покрытия. 2. От веса покрытия и снега при равных пролетах здания расчетная схема принимается в виде стойки, защемленной внизу (рис. 50) и не смещающейся вверху (только при симметричном загружении). Определяются изгибающие моменты от действия моментов M 1 и M 2. 53

54 Рис. 49. Расчетная схема стойки, жестко заделанной внизу и свободной вверху Рис. 50. Схема стойки, защемленной внизу и шарнирно неподвижной вверху 3. От вертикальной крановой нагрузки расчетная схема принимается в виде стойки, защемленной внизу, а вверху со смещающимся в горизонтальном направлении шарниром упругая опора (рис. 51). Неизвестная реакция в упругой опоре X определяется либо по таблицам для расчета рам, либо расчетом по методу перемещений. 54

55 Рис. 51. Схема стойки, защемленной внизу и шарнирно подвижной вверху 4. От горизонтальной крановой нагрузки расчетная схема принимается такой же, как и при вертикальной крановой нагрузке (рис. 52). Рис. 52. Расчетная схема стойки при горизонтальной крановой нагрузке 5. От ветровой нагрузки расчетная схема принимается такой же, как и при вертикальной крановой нагрузке (рис. 53). 55

56 Рис. 53. Расчетная схема стойки при ветровой нагрузке Для каждой схемы нагружения определяются также нормальные силы N и поперечные силы Q. Определив для каждого характерного сечения усилия М, Q и N, составляются невыгодные сочетания нагрузок, по которым и проверяется прочность стоек. Этот расчет соответствует стадии законченного здания. Но каменные стены рассчитывают и в стадии незаконченного здания, когда стены возведены, а покрытия еще нет. В этом случае расчетная схема принимается в виде стойки, защемленной внизу и свободной вверху (рис. 54). Действующими нагрузками в этой стадии являются собственный вес стены и ветровая нагрузка. После определения M, Q и N решается вопрос о том, нужны или нет временные крепления стен в стадии незаконченного здания. Рис. 54. Расчетная схема в виде стойки, защемленной внизу и свободной вверху 56

57 6. ЧАСТИ ЗДАНИЯ ИЗ КЛАДКИ 6.1. Перемычки и висячие стены Перемычки над проемами в каменных зданиях следует применять, как правило, железобетонные. В случае выполнения неармированных перемычек этими элементами являются участки кладки, перекрывающие проемы в стенах. Неармированные перемычки осуществляются трех основных типов: рядовые, клинчатые и арочные. Рядовые перемычки (рис. 55, а) представляют собой часть кладки над проемом высотой С не менее 4 рядов кладки и не менее 1/4 пролета l. Это наиболее простые в производстве перемычки, но они требуют раствор не ниже марки 25. Для предупреждения выпадения кирпичей или камней из нижнего ряда под ним необходимо укладывать в слой раствора толщиной мм арматуру в количестве не менее 1 5 на каждые 130 мм толщины стены. Максимально допустимые пролеты рядовых перемычек 2 м. Клинчатые перемычки (рис. 55, б) имеют преимущество перед рядовыми в отношении своей несущей способности, не требуя повышенных марок раствора, и могут выполняться даже на растворах марки 4. В этих перемычках не требуются арматурные прутки, так как заклинивание осуществляется за счет некоторого утолщения швов вверху перемычки без отески камней. Максимально допустимый пролет клинчатой перемычки 2 м. Арочные перемычки (рис. 55, в) позволяют перекрывать наибольшие пролеты до 4 м. Они могут придавать зданию определенную архитектурную привлекательность. Вместе с тем их выполнение требует устройства кружал, что усложняет производство работ. Неармированные перемычки (рядовые, клинчатые, арочные) не допускаются в стенах зданий, подверженным вибрационным, сейсмическим и ударным нагрузкам, а также при возможной неравномерной осадке здания. Проводившиеся испытания рядовых перемычек с доведением их до разрушения показали, что в стадии разрушения (рис. 56) происходит отслоение перемычки от верхней кладки стен; эта трещина отслоения спускается ступенями к пятам, а снизу перемычки в середине пролета появляются трещины разрыва. Эти эксперименты показали, что при таком характере разрушения перемычка в предельном состоянии работает как арочная конструкция и в ней действуют силы распора. На основе этих опытов проф. А.А. Гвоздевым предложен способ расчета перемычек по стадии разрушения. Расчетная схема перемычек показана на рис. 57 и представляет собой трехшарнирную арку. 57

58 а) б) в) Рис. 55. Перемычки: а рядовые; б клинчатые; в арочные Рис. 56. Схема разрушения рядовых перемычек 58