Пособие по лаб. раб каменным констр.
реклама
Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра железобетонных и каменных конструкций Каменные и армокаменные конструкции Казань, 2007 1 УДК 624.012 Каменные и армокаменные конструкции. Автоматизированный учебный комплекс. Для специальностей 270102, 270106. /Казанский государственный архитектурно-строительный университет; Составители Соколов Б.С., Антаков А.Б., Казань, 2007. – 96 с. В издании изложен теоретический раздел электронного учебника «Каменные и армокаменные конструкции». Программное обеспечение, содержащее практические и лабораторные работы, промежуточные и итоговое тестирования разработано с участием ведущего инженера Хусаиновой Е.Ф. Материалы изложены в соответствии с программой общеобразовательного стандарта для специальности ПГС. Они могут быть использованы для самостоятельной работы, для дистанционного обучения, на курсах повышения квалификации. Рецензент: Профессор МГСУ, к.т.н. Бедов А.И. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Предисловие……………………………………………………... Введение……………………………………………………………. Связь с другими дисциплинами…………………………………... ТЕМА 1. ТРЕБОВАНИЯ К КАМЕННЫМ И АРМОКАМЕННЫМ КОНСТРУКЦИЯМ……………………………… 1.1. Общие требования……………………………………. 1.2. Требования к материалам – камню, раствору, арматуре 1.3. Требования к расчету каменных конструкций... 1.4. Конструктивные требования………………………… 1.5. Требования к изготовлению, возведению и эксплуатации конструкций………………………………………….. 1.6. Требования к восстановлению и усилению каменных и армокаменных конструкций для реконструируемых зданий…... Список литературы………………………………………... Контрольные вопросы по материалам темы №1……………….. ТЕМА 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЛАДОК 2.1. Прочностные свойства кладок………………………. 2.2. Оценка прочности кладок при сжатии с использованием теории сопротивления анизотропных материалов сжатию…… 2.3. Предел прочности кладки при растяжении…………. 2.4. Предел прочности кладки при срезе………………… 2.5. Деформационные свойства кладок………………….. Список литературы………………………………………... Контрольные вопросы по материалам темы №2………………… ТЕМА 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ…………………………………. 3.1. Расчет неармированных каменных кладок по первой группе предельных состояний……………………………. 3.1.1. Расчет центрально-сжатых элементов…………… 3.1.2. Расчет внецентренно-сжатых элементов………… 3.2. Расчет и конструирование армокаменных конструкций 3.2.1. Элементы с поперечным армированием………… 3.3. Расчет элементов каменных и армокаменных конструкций по предельным состояниям второй группы – по 3 5 8 13 14 14 15 22 23 23 24 25 26 27 27 32 37 38 39 42 43 44 45 45 47 50 50 образованию, раскрытию трещин и по деформациям……... Список литературы………………………………... Контрольные вопросы по материалам темы №3………………… ТЕМА 4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПУСТОТНЫХ БЛОКОВ………… Список литературы……………………………………... Контрольные вопросы по материалам темы № 4……………… ТЕМА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЙ 5.1. Конструктивные схемы зданий……………………… 5.2. Здания с жесткой конструктивной схемой………….. 5.3. Здания с упругой конструктивной схемой………….. 5.4. Деформационные швы в стенах зданий…………….. 5.5. Устойчивость положения стен………………………. 5.6. Анкеровка стен и столбов……………………………. 5.7. Перемычки в стенах зданий………………………….. 5.8. Расчет и конструирование стен и столбов зданий, усиленных обоймами…………………………………... 5.9. Особенности конструирования и расчета многослойных кладок……. 5.10. Стены подвала ……………………………………. 5.11. Подпорные стены ………………………………… 5.12. Стены с продольным армированием……………. 5.13 Комплексные конструкции стен …………………… Список литературы …………………………………….. Контрольные вопросы по материалам темы №5 ……………….. Контрольные вопросы промежуточных и итогового тестирований автоматизированного комплекса 4 52 55 55 56 59 59 60 60 61 67 72 73 74 76 81 85 86 87 89 89 90 91 92 ПРЕДИСЛОВИЕ Характерными особенностями образовательного процесса в высшей школе в настоящее время является сокращение количества аудиторных занятий, увеличение объема самостоятельной работы студентов, бакалавров и магистров дневной формы обучения, внедрение дистанционного обучения, двухуровневая подготовка специалистов по направлениям и специальностям. В таких условиях изложение учебного материала только в традиционной форме приводит к увеличению количества плохо воспринимаемых пользователем страниц изданий. С самого начала знакомства вид «пухлых» учебников отпугивает психологически. Кроме того, переиздаются такие труды через несколько лет, так как требуют достаточных финансовых вложений. Одним из выходов из создавшейся ситуации является разработка электронных учебников - пакетов. Отличительной их чертой может стать доступность (Internet), быстрая адаптация к изменяющимся условиям, возможность при необходимости вывести информацию на бумажный носитель. Для соответствия современным требованиям необходимо, чтобы такие издания не повторяли традиционные, а были снабжены новыми педагогическими приемами, профессиональными достижениями, информационными особенностями, позволяющими добиться главной цели – глубокого усвоения материала. Данное издание является комбинированным учебным пособием, содержащим теоретический материал на традиционном бумажном носителе, а блоки практических, лабораторных занятий, справочные материалы и тестирование в электронном виде на CDдиске для ПЭВМ. Это позволяет в полной мере использовать мультимедийные, диалоговые и, как следствие, контрольные функции современных ПЭВМ при выполнении практических и лабораторных работ, а так же в ходе промежуточных и итогового тестирований. Работа с пособием предполагает поэтапное изучение теоретического материала, выполнение всех видов занятий чередующееся с соответствующими тестами, «допускающими» обучающегося к следующим темам или занятиям. В таблице 1 приведен перечень этапов изучения курса. 5 Таблица 1 № Наименование и название занятия п.п. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 Теоретическая тема 1. Требования к каменным и армокаменным конструкциям Теоретическая тема 2. Физико-механические свойства кладок Теоретическая тема 3. Основные положения расчета каменных и армокаменных конструкций по предельным состояниям Практическое занятие. Расчет элементов каменных кладок при центральном сжатии Практическое занятие. Расчет элементов каменных кладок при внецентренном сжатии Практическое занятие. Определение полных деформаций каменной кладки при сжатии Практическое занятие. Определение несущей способности каменной кладки при осевом нагружении с использованием расчетного аппарата теории сопротивления анизотропных материалов сжатию Лабораторная работа. Испытание каменной кладки на осевое сжатие Практическое занятие. Расчет каменных кладок с косвенным армированием в условиях осевого сжатия Лабораторная работа. Испытание армокаменной кладки на осевое сжатие Практическое занятие. Определение несущей способности каменной кладки, усиленной стальной обоймой Лабораторная работа. Испытание каменной кладки, усиленной стальной обоймой Практическое занятие. Определение несущей способности каменной кладки, усиленной железобетонной обоймой Практическое занятие. Расчет каменной кладки по раскрытию трещин Практическое занятие. Расчет каменной кладки по деформациям Теоретическая тема. Особенности расчета конструкций из высоопустотных блоков Практическое занятие. Расчет каменных кладок из высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков при центральном сжатии 6 18 19 20 продолжение таблицы 1 Теоретическая тема. Проектирование каменных стен зданий Практическое занятие. Расчет стен подвала Практическое занятие. Расчет каменной перемычки Практические занятия не традиционны, отражают актуальные вопросы, возникающие при проектировании. Например: расчет каменных кладок с учетом усадки и ползучести; расчет кладок из вибропрессованных бетонных блоков высокой пустотности; расчет кладок с поперечным армированием из просечно-вытяжных сеток; усиление кладок поперечным обжатием. В качестве НИРС предлагается рассчитать кладку по действующему СНиП и теории сопротивления анизотропных материалов сжатию и т.д. Информация снабжена вспомогательными блоками – ГОСТ, СНиП и т.д., позволяющими получить исчерпывающие данные, требуемые при расчетах. Схема построения занятий одинакова. Вначале в качестве допуска пользователь должен правильно ответить на теоретические вопросы. Затем кратко излагается суть темы, ее практическая направленность, иллюстрация решения в виде блок-схемы и контрольный пример. Обучающийся в соответствии с шифром выбирает исходные данные, индивидуально решает задачу, выполняет контроль правильности решения с использованием автоматизированной программы, прикладываемой на CD-диске, либо сдает заполненный талон преподавателю. Лабораторные занятия посвящены виртуальным испытаниям каменных кладок на сжатие; кладок, усиленных обоймами. Особенностью изложения материала является наличие мультимедийных вставок, характеризующих не только фиксацию визуального наблюдения за поведением конструкций и приборов под нагрузкой, но и данных об изменении напряженно-деформированного состояния раствора и камня, полученных по результатам численных исследований каменных кладок. По имеющимся у нас данным, такое представление о работе кладок излагается впервые. Все перечисленные блоки связаны между собой в единый комплекс с помощью управляющей программы. Цель ее – не только осуществление навигации (передвижения) по учебному материалу, но и контроль за усвоением знаний. Каждый последующий учебный модуль становится доступным лишь тогда, когда пользователь правильно ответил на вопросы промежуточного тестирования. Работа завершается итоговым тестированием. 7 Данная версия комплекса содержит указанные в таблице 1 этапы – 5 теоретических тем, 12 практических занятий и 3 лабораторных работы. Кроме комплекса на прилагаемом к настоящему пособию CD-диске записаны видеоролики испытаний образцов из высокопористой пустотной керамики, выпускаемой предприятиями Республики Татарстан. В дальнейшем планируется дополнить комплекс рядом практических занятий, связанных с расчетами каменных и армокаменных конструкций с использованием расчетного аппарата теории сопротивления анизотропных материалов при сжатии.. Будут включены расчеты армокаменных элементов, конструкций усиленных стальными и железобетонными обоймами, растворными рубашками с использованием современных армирующих материалов. Комплекс будет дополняться лабораторными работами по испытанию конструкций из высокопустотных керамических и вибропрессованных бетонных блоков. ВВЕДЕНИЕ В последнее время в России каменным конструкциям уделяется большое внимание. Однако в середине прошлого столетия они практически были вытеснены конструкциями из других материалов и поэтому незаслуженно забыты. По-видимому именно этим объясняется то, что полученные в 30х годах результаты исследований проф. Л.И.Онищика и его последователями - Гастевым В.А., Камейко В.А., Котовым Н.Т., Кравчени Н.И., Роземблюмасом А.М., Семенцовым С.А., Фалевичем Б.Н., Шишкиным А.А. легли в основу действующих норм, которые до сих пор не переиздавались, хотя история развития каменных конструкций совпадает с историей развития человеческой цивилизации и должна отражать современный уровень научных достижений. Хронологически можно выделить несколько этапов развития каменных конструкций. Первобытная эпоха. Камень используется в естественном виде для возведения очагов пребывания и защиты от нападения. Начальный период – обработка камней для создания не только жилищ, но и культовых сооружений. Например, гробница Хеопса, построена около 6 тыс. лет назад в Гизе ( рис. 2 ). Для ее возведения использованы камни весом до 30т. Эпоха создания искусственных камней. Сырцовый кирпич использовали до нашей эры. В III в до н.э. была возведена Великая Китайская стена из обжигового кирпича. 8 Рис. 2 До наших дней сохранилось, большое количество интересных исторических сооружений, построенных из камня. К ним, например, относятся Колизей в Риме (I в. н. э.), Тадж-Махал в Индии, замок Анжер и Луврский дворец во Франции, готические храмы в Реймсе и Фамагусте (рис. 3), Флорентийский собор (рис. 4), Московский и Казанский Кремли и многие другие. Период возведения каменных конструкций с объединением камней раствором. До 1800 г. (в том числе в Республике Татарстан) широко применяли каменные материалы, используя известковый раствор. С изобретением портландцемента кладку возводят на цементном и сложном растворах. Памятниками архитектуры России являются Московский кремль, кремли древних городов России – Казани, Н.Новгорода, Владимира, Твери, Ярославля и др. исторических городов, храм Василия Блаженного в Москве и др., радуют не только соотечественников, но и многочисленных зарубежных гостей (рис. 5). Для современного этапа характерным является производство разнообразной номенклатуры каменных материалов, используемых для несущих и ограждающих конструкций (рис. 6). Это требует возрождения серьезных исследований, создания научных центров по изучению каменных конструкций. 9 Авторы издания надеются, что их труд будет способствовать формированию у обучаемых ответственности за проектируемые объекты, более глубокому усвоению учебного материала, изложенного в соответствии с государственными образовательными стандартами. Готический храм в Фамагусте Готический храм в Реймсе Рис. 3 10 Рис. 4 11 Рис. 5. Памятники зодчества Рис. 6. Современные каменные материалы 12 СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ Дисциплина «Каменные и армокаменные конструкции» относится к специальной и поэтому для ее успешного усвоения необходимы остаточные знания, полученные ранее при изучении смежных дисциплин. На рис. 7 показана связь с основными смежными дисциплинами: со строительными материалами - для того, чтобы знать какие материалы используются в кладках, их состав, правила определения физико-механических свойств и т.д.; с архитектурой – для того, чтобы знать особенности объемнопланировочных решений каменных зданий и отдельных элементов; с технологией строительного производства – для того, чтобы знать виды кладок, особенности их возведения, правила возведения кладок в зимнее время и т.п.; с теоретической механикой – в основном для того, чтобы знать правила определения усилий для обеспечения равновесия несущих систем; с сопротивлением материалов – для того, чтобы знать классические подходы к оценке сопротивления материалов внешним воздействиям; со строительной механикой – для того, чтобы знать приемы определения в элементах и самом здании усилий от внешних нагрузок и воздействий; с основаниями и фундаментами – для того, чтобы знать существующие подходы к расчетам для использования их при проектировании фундаментов, стен подвалов, выполненных из каменных материалов; с бетонными и железобетонными конструкциями связь очевидна, так как оба материала относятся к анизотропным, и поэтому близки по своим свойствам. 13 Строительные материалы Архитектура зданий и сооружений Теоретическая механика Технология строительного производства Каменные и армокаменные конструкции Сопротивление материалов Основания и фундаменты Бетонные и железобетонные конструкции Строительная механика Рис. 7. Связь дисциплин ТЕМА 1. ТРЕБОВАНИЯ К КАМЕННЫМ И АРМОКАМЕННЫМ КОНСТРУКЦИЯМ. 1.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ. Каменные и армокаменные конструкции всех типов должны удовлетворять требованиям: по безопасности; по эксплуатационной пригодности; по долговечности, а также дополнительным требованиям, указанным в задании на проектирование. Для удовлетворения требованиям по безопасности здания и сооружения должны иметь начальные параметры, гарантирующие конструкционную безопасность при возможном возникновении силовых воздействий и исключить разрушение любого характера. Для удовлетворения требованиям по эксплуатационной пригодности конструкция должна иметь начальные параметры, гарантирующие работу без образования трещин и чрезмерного перемещения, ограниченного нормами, а также возникновение повреждений, затрудняющих нормальную эксплуатацию зданий и сооружений. Для удовлетворения требованиям долговечности конструкция должна иметь такие начальные параметры, чтобы в течение нормативного срока эксплуатации она удовлетворяла требованиям безопасности и пригодности к эксплуатации, несмотря на возмож14 ные неблагоприятные воздействия на кладку – климатические и технологические. Безопасность, эксплуатационную пригодность, долговечность и другие устанавливаемые заданием на проектирование требования должны быть обеспечены выполнением каменных и армокаменных кладок: требований к материалам; требований к расчету конструкции; конструктивных требований; технологических требований; требований к эксплуатации. Перечисленные требования указаны ниже. 1.2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ – КАМНЮ, РАСТВОРУ, АРМАТУРЕ Основными материалами для возведения каменных и армокаменных кладок служат камни (рис. 8), растворы и арматура. Рассмотрим каждый из названных материалов в отдельности. Строительные камни. Классификация камней приведена в таблице 1. Рис. 8. Силикатные и бетонные высокопустотные камни Силикатный кирпич и силикатные блоки - это группа материалов, так называемого, автоклавного синтеза. Силикатный кирпич готовится методом полусухого прессования из рационально подобранной смеси кварцевого песка, воздушной извести и воды. Отформованный кирпич подвергается автоклавной обработке - воздей15 ствию насыщенного водяного пара при t = 170-200°С и давлении пара Таблица 1 Классификация строительных камней Естественные Тяжелые Легкие >1,6т /м3 ≤1,6т/м3 Граниты, Туфы, известняки, известнякипесчанники ракушечники Строительные камни Искусственные Обжиговые Автоклавные Кирпич керамический сплошной Кирпич керамический дырчатый Кирпич керамический пористый Керамические блоки Силикатный и шлаковый кирпичи Безобжиговые Тяжелые >1,6т/м3 Легкие ≤0, 6т/м3 Ячеистые ≤1,26т/м3 Сплошные и пустотные Бетонные цементные Бетонные бесцементные Шлакобетонные 8-12 атм. В результате синтеза гидросиликатов образуется прочный искусственный камень. Цветной силикатный кирпич получают путем добавления в массу атмосферостойких щелочестойких пигментов. Технические свойства силикатного кирпича. - Средняя плотность 1300 кг/м3. - Предел прочности при сжатии 15-20 МПа. - Морозостойкость 15-25 циклов. - Максимальная температура применения 550°С. - Водостойкость несколько ниже, чем у керамического кирпича. Керамический кирпич - традиционно применяющийся стеновой материал. Готовится из ленточных или вторичных глин с ис16 пользованием добавок или без них. Готовят кирпич методом пластического формования и полусухого прессования. По первому методу формования масса затворяется водой в количестве 12-20% и после тщательного перемешивания поступает в вакуумный ленточный пресс. Отформованная лента нарезается на кирпич-сырец, который далее поступает на сушку в сушильные камеры, а затем обжигается в печах, чаще всего туннельных, при температуре обжига около 1000°С (рис. 9, 10). Рис. 9. Резка отформованной ленты По методу полусухого прессования готовят формовочную массу, имеющую влажность не более 8 %, которая поступает в револьверный пресс, где под давлением до 30 МПа формуется кирпич-сырец. Имея начальную влажность значительно меньшую, чем по методу пластического формования, такой кирпич, минуя технологический передел, связанный с сушкой, направляется в печь обжига. Цвет керамического кирпича от светло-коричневого до красного и краснобурого обусловлен содержанием в глине оксидов железа. Как отечественные, так и зарубежные заводы выпускают керамический кирпич полнотелый –используется для устройство печей, каминов, дымоходов и пустотелый -дырчатый, щелевой, который используется для кладки стен и носит название "ординарного". Следует отметить, 17 что при кладке из пустотелого кирпича, в зависимости от размера и расположения пустот, значительная часть растворной смеси прова Рис. 10. Производство керамического кирпича. ливается в них (расход возрастает почти вдвое по сравнению с полнотелым). Если керамический кирпич имеет на ложковой и тычковой гранях (выходящих на поверхность фасада) декоративный слой, то он называется "облицовочным". Заводы выпускают несколько типов облицовочного кирпича: - глазурованный со стекловидным цветным слоем, образующимся при обжиге, имеет характерный блеск; - ангобированный - декоративный слой из специально подобранного декоративного глиняного состава; - двухслойный равномерно обожженный слой цветной глины, наносимый на сырец, имеет толщину около 3-5 мм. Кроме того, имеются многочисленные варианты обработки поверхностей кирпича - гладкая, волнистая, шероховатая, "под антик" и т.д. Швы в такой кладке выполняются как на обычных, так и на цветных кладочных растворах. Использование облицовочного кирпича позволяет создать самобытный архитектурный облик, гармонично сочетающийся с окраской кровли, окон, с пейзажем. 18 Наряду с ординарным, все большее число кирпичных заводов выпускает фасонный кирпич: со скосом, округленный, угловой, овальный. Это облегчает работу каменщиков по возведению кирпичной кладки с овальными очертаниями, округленными углами, особыми решениями обрамлений окон, карнизов и т.п. При этом отпадает необходимость "резать" обычный облицовочный кирпич электропилами типа "болгарки". О многообразии видов фасонных кирпичей, а также облицовочных фасадных терракотовых плит можно судить по керамическим изделиям фирмы "ОПТИРОК" (рис. 11). Рис. 11. Современная керамика Архитекторам-проектировщикам следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что при проектировании здания с использованием кирпича иностранного производства возможны 19 сложности, так как геометрические размеры такого кирпича отличаются от размеров стандартного отечественного. В последнее время используются керамические многопустотные камни и бетонные камни высокой пустотности, изготовленные по особой технологии – вибропрессованием. Применение камней для кладок регламентировано нормами [1]. Однако, учитывая, что нормы не переиздавались более 40 лет, область использования новых камней устанавливается отдельными техническими условиями, например, территориальными [2]. К камням предъявляют ряд требований: - по прочности; - по морозостойкости; - по объемной массе; - по водостойкости. Основными требованиями являются: - марка по прочности; - марка по морозостойкости. Перечисленные показатели определяются опытным путем в соответствии с действующим ГОСТ [3-7, 9]. Вид камня, его основные показатели принимаются в зависимости от степени долговечности здания, вида конструкции, условий эксплуатации, влажностного режима в соответствии с нормами [1]. Растворы. Строительным раствором для кладки называется специально подобранная смесь неорганического вяжущего, мелкого заполнителя, воды и в необходимых случаях специальных добавок с последующим ее твердением после укладки в швы. Назначение раствора в кладке: – связывать между собой отдельные камни; – передавать усилия, равномерно распределяя их; – уменьшать продуваемость и влагопроницаемость кладки. Классификация растворов. По видам вяжущих: – цементные; – известковые; – смешанные – цементные, известковые, известково-гипсовые и др. По объемному весу: – тяжелые обыкновенные > 1,5 т/м3; – легкие < 1,5 т/м3. 20 Классификация растворов в соответствии с нормами [1] приведена в таблице 2. Таблица 2 Классификация строительных растворов Строительные растворы Тяжелые > 1.5т/м3 на песках Легкие < 1.5т/м3 Цементные гидСложные из двух Известковые Прочие ( для кларавлические, вяжущих док выше поверхпрочные, жесткие ности грунта ) Портландцемент ( для подземных и надземных кладок ) Известковошлаковый цемент ( для надземных кладок и подземных в сухих грунтах ) - цемент+известь Гидравлическая известь ( водостойкий раствор ) - цемент+глина - известь+глина - гипсовые - глиняные - шлаковые Воздушная известь ( не водостойкий раствор ) Требования к растворам. 1. В период укладки раствор должен обладать удобоукладываемостью и однородностью. Эти качества влияют на производительность труда каменщика. Удобоукладываемость зависит от пластичности. Последняя достигается увеличением количества вяжущих или добавочных пластификаторов: извести, глины и т.д. Добавка, например, глиняного или известкового теста к жесткому цементному раствору уменьшает прочность самого раствора, но увеличивает до 15% прочность кладки вследствие повышения однородности шва и удержания воды, необходимой для твердения цемента. Органические пластификаторы – ЦИИПС-1 и БС, мылонафт и др. 2. Основные требования к затвердевшему раствору: по прочности, деформациям. Арматура. Арматура используется для повышения несущей способности каменных кладок, испытывающих разные напряженные состояния: сжатие осевое и внецентренное; 21 изгиб; сложное состояние (кручение). Армирование элементов осуществляется как в продольном, так и в поперечном сечениях. Для армирования используется, в основном, арматура классов В500(Вр-1), А240 (A-I), A300 (A-II). При этом расчетные сопротивления арматуры принимаются в соответствии с [1], ниже, чем при расчете железобетонных конструкций. Арматурные изделия применяются в виде сварных сеток или сеток типа «зигзаг», сварных и вязаных каркасов, отдельных стержней для поперечной арматуры в изгибаемых элементах. Основное требование к арматуре – соответствие ГОСТ: гарантированные характеристики по прочности и деформативности, свариваемость, стойкость против коррозионного воздействия и др. 1.3. ТРЕБОВАНИЯ К РАСЧЕТУ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Расчеты каменных и армокаменных конструкций следует производить по методу предельных состояний*, включающему: предельные состояния первой группы, приводящие к полной непригодности эксплуатации конструкции; предельные состояния второй группы, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций. Расчеты должны обеспечивать надежность зданий и сооружений в процессе возведения и нормированного срока службы. Последовательность расчета представлена в таблице 3. Таблица 3 Основные этапы и последовательность расчета и конструирования каменных конструкций Выбор материала - марка камня, Выбор расчетной схемы, сбор раствора, класс арматуры нагрузок, определение усилий Расчет по предельным состояниям* Расчет по I группе Расчет по II группе - прочность - деформации - раскрытие трещин Проверка условий пригодности** Конструирование 22 * - под предельным подразумевается состояние, с наступлением которого конструкция перестает удовлетворять предъявляемым требованиям; ** - проверка условий пригодности предполагает сопоставление расчетных величин несущей способности, деформативности со значениями нагрузок и допустимых абсолютных или относительных перемещений. Статический расчет выполняется с соблюдением правил теоретической и строительной механики. Расчет по предельным состояниям первой группы включает: расчет по прочности; расчет по устойчивости формы (для тонкостенных конструкций); расчет по устойчивости положения. Расчеты по предельным состояниям второй группы включают: расчет по образованию, раскрытию трещин и по деформациям. При этом расчетные значения деформаций не должны превышать предельно допустимых, установленных нормами [1]. 1.4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ Для обеспечения безопасности, эксплуатационной пригодности и долговечности кроме требований к расчету при проектировании следует выполнять конструктивные требования к геометрическим размерам элементов и их армированию. Конструктивные требования устанавливают, когда: расчетом не представляется возможным гарантировать сопротивление внешним нагрузкам и воздействиям; конструктивные требования устанавливают граничные условия, в пределах которых могут быть использованы принятые расчетные гипотезы; конструктивные требования обеспечивают выполнение технологии изготовления конструкции. Перечисленные требования приведены для конкретных случаев в нормах [1] и должны быть учтены при проектировании. 1.5. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ, ВОЗВЕДЕНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ 23 Изготовитель камней должен руководствоваться ГОСТ [3-7]. Потребителю материал поступает с паспортом, в котором указываются его марки по прочности, морозостойкости и другие показатели, соответствующие проекту. Изготовителю раствора за основу при подборе состава раствора следует принимать определяющий для данного вида раствора показатель, обращая особое внимание на использование его в зимнее время, поскольку необходимо знать изменение проектных показателей после оттаивания раствора. Потребителю материал должен быть доставлен с паспортом, в котором указываются основные показатели раствора, соответствующие проекту. Кладка выполняется в соответствии с проектом с соблюдением технологических процессов по возведению каменной кладки, обращая особое внимание на производство работ в зимнее время. Виды кладок из штучных камней: 1. Сплошные из камней естественных и искусственных правильной формы. 2. Сплошные из камней естественных неправильной формы. 3. Облегченные кладки. 4. Облицовочные, двухслойные. Обеспечение достаточной прочности и устойчивости кладки достигается системой перевязки камней – чередованием ложковых рядов, перекрываемых рядами тычковых. Для I вида кладок применяется цепная (однорядная), пятирядная системы перевязки для кирпичных стен и трехрядная (кладка Онищика) – для кладки столбов. Перечисленные кладки относятся к I виду – к сплошным – и выполняются из камней правильной формы. II вид: бутовые – «под лопату», «под залив»; бутобетонные – смесь бетона и бута (50% от общего объема кладки). III вид – облегченные (пустотные) кладки. Основная цель – создание с помощью кирпичной кладки оболочки, которую заполняют утеплителем. Кладки из бетонных пустотелых блоков приведены на рис. 12. 1.6.ТРЕБОВАНИЯ К ВОССТАНОВЛЕНИЮ И УСИЛЕНИЮ КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ. 24 Восстановление и усиление каменных и армокаменных конструкций следует производить на основе результатов их натурного обследования, поверочного расчета, расчета и конструирования усиливаемых конструкций с соблюдением рекомендаций СП 13-1022003 [ 10 ]. Результатом натурных обследований зданий является определение технического состояния отдельных конструкций, физического и морального износа здания в целом. По этим данным уста- в) Рис. 12. Кладки из высокопустотных бетонных блоков [ 2 ] а) одноверстовые; б) двухверстовые; в) комплексные навливается целесообразность реконструкции здания. Поверочные расчеты выполняются по общим правилам [ 1 ], фактическим нагрузкам, расчетной схеме, прочностным и деформативным характеристикам материалов с учетом возможных повреждений. На основании расчетов разрабатываются рабочие чертежи усиления конструкций. 25 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СНиП II-22-81*. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования. /Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. 2. ТСН 51-303-00 РБ. «Каменные и армокаменные конструкции на основе вибропрессованных бетонных изделий, производимых на оборудовании фирмы Basser» / Территориальные строительные нормы РБ/УГНБУ, БашНИИстрой, Уфа, 1999, -46 с 3. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия. 4. ГОСТ 7484-78. Кирпич и камни керамические лицевые. Технические условия. 5. ГОСТ 379-95. Кирпич и камни силикатные. Технические условия. 6. ГОСТ 6133-99. Камни бетонные стеновые. Технические условия. 7. ГОСТ 21520-89. Блоки из ячеистого бетона стеновые мелкие. Технические условия. 8. ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний. 9. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. 10. СП 13-102-2003. Правила обследования строительных конструкций зданий и сооружений. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛУ ТЕМЫ №1 1. Какие параметры должны иметь здания и сооружения для удовлетворения требованиям по безопасности? 2. Какие параметры должны иметь конструкции зданий и сооружений для удовлетворения требованиям по эксплуатационной пригодности? 3. Какие параметры должны иметь конструкции зданий и сооружений для удовлетворения требованиям по долговечности? 4. Какие требования предъявляются к каменным материалам? 5. Какие требования к каменным материалам являются основными? 6. Какие функции выполняет раствор в кладке? 7. Как классифицируются растворы по объемному весу? 8. Арматура каких классов используется для армирования каменных кладок? 9. Что оценивается при проведении расчетов по первой группе предельных состояний? 10. Оценка каких параметров производится при выполнении расчетов по второй группе предельных состояний? 26 11. Когда устанавливают конструктивные требования? 12. Чем обеспечивается достаточная прочность и устойчивость кладки? 13. Какие факторы учитываются при проведении поверочных расчетов? ТЕМА 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЛАДОК Под физико-механическими свойствами кладки подразумевается прочность и деформативность. Прочность – способность сопротивляться силовым воздействиям - изгибу, сжатию, срезу, не разрушаясь. Деформативность – способность изменять форму и размеры под действием силовых и других факторов. 2.1.ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КЛАДКИ В 1924 г. проф. В.А. Гастев опубликовал работу, в которой показал, что камень и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния даже при равномерном распределении нагрузки по всему сечению сжатого элемента. Они одновременно подвержены внецентренному и местному сжатию, изгибу, срезу и растяжению (рис. 13). Причинами таких условий работы камня и раствора являются значительная неоднородность растворной постели камня, которая вызвана: а) неоднородностью самого раствора. При изготовлении раствора на отдельных его участках скапливается большее или меньшее количество вяжущих, пластификатора, воды и заполнителя, как бы тщательно не производилось перемешивание составляющих. Неоднородность усугубляется неравномерностью условий твердения раствора в шве кладки, т.к. всасывающая способность камня на различных участках соприкосновения камня с раствором разная. Процесс твердения сопровождается усадкой, которая тем больше, чем большее количество воды теряет раствор. Так как потеря воды неравномерна по постели камня, то соответственно неравномерной оказывается и усадка. Свободной усадке раствора препятствует камень, который связан с раствором трением и сцеплением, что вызывает усадочные напряжения, отрыв раствора от камня, и последний окажется опертым не по всей плоскости, а только на отдельных участках; 27 б) процессом укладки раствора, так как раствор неравномерно распределяется по постели. Неоднородность состава раствора, условий твердения его в шве и неодинакового по всей постели обжатия камня при кладке приводят к образованию участков раствора, отличающихся друг от друга, как по прочности, так и по деформативным свойствам – жесткости. При сжатии напряжение концентрируется на участках с большей жесткостью. Камень испытывает неравномерно распределенные и сосредоточенные нагрузки, вызывающие изгиб, местное сжатие (рис. 13). в) различные деформативные свойства камня и раствора. Представим две призмы, обладающие различными деформативными свойства (рис. 14): Рис. 13 а) б) 28 Рис. 14. Призмы из материалов с различными жесткостными характеристиками, характеризуемыми как «твердый» ( а ) и «мягкий» ( б ). Если из таких материалов составить столбик, то связанные трением, они вынуждены иметь в зоне соприкосновения одинаковые поперечные деформации. При этом более жесткие материалы будут сдерживать деформации менее жестких, последние, наоборот, будут вызывать дополнительные поперечные деформации первых. Следовательно, если жесткость раствора меньше жесткости камня, то в последнем возникают растягивающие напряжения, приводящие к образованию трещин. Перечисленное выше отражается на сопротивлении кладок сжатию, растяжению, сдвигу. Нормативный подход к оценке прочности кладки при центральном сжатии При возрастании осевой нагрузки от 0 до разрушения кладки выделяются три характерные стадии (рис. 15). 29 Рис. 15. Стадии работы кладки: - действующая нагрузка на превышает величины трещинообразующей; - действующая нагрузка соответствует величине трещинообразующей; - действующая нагрузка больше трещинообразующей, но меньше разрушающей. Стадия 1 – упругая работа. На этой стадии развиваются, в основном, упругие деформации, нагрузка не превышает 0,150,2 от разрушающей. Стадия 2 – характеризуется появлением первых трещин, являющихся, в основном, продолжением вертикальных швов, что свидетельствует о преодолении сопротивления кладки растяжению и проявлении неупругих деформаций. Нагрузка, соответствующая образованию трещин, зависит от прочностных характеристик раствора и составляет: 0,70,9 - при растворах М50; 0,60,7 - при растворах М10-25; 0,40,6 - при растворах М0, 2, 4. В кладках из хрупких материалов (керамических камней, камней из ячеистых бетонов) первые трещины появляются при нагрузках 0,250,8 от разрушающих. Следует отметить, что характер появления трещин аналогичен появлению трещин при испытании бетонных призм на сжатие. Стадия 3 – стадия разрушения. Характеризуется интенсивным ростом трещин. Они объединяются по высоте, выделяя столбики, которые затем разрушаются из-за возникновения в сечении эксцентриситетов, продольного изгиба и раздробления отдельных камней. На рис. 16 показаны опытные образцы, испытанные на сжатие. Видно, что характер разрушения соответствует третьей стадии работы элемента под нагрузкой, но, кроме вертикальных, появляются еще и наклонные трещины в зонах передачи нагрузки, выделяя клинья под грузовыми площадками. На прочность кладки влияют следующие факторы: - прочность и размеры камня; - правильность его формы, наличие пустот в пустотелых камнях; - прочность раствора, его удобоукладываемость; - упруго-пластические свойства, затвердевшего в кладке раствора; - качество кладки, сцепление раствора с камнем, степень заполнения раствором вертикальных швов кладки; - геометрические размеры кладки. 30 Таким образом , на прочность кладки влияет более 10 факторов. Профессором Л.И. Онищиком в 40-е годы 20-го века на основе обработки большого числа опытных данных предложена эмпирическая формула для определения прочности кладки при кратковременном нагружении: Ru AR1 (1 a b R2 2 R1 ) , где учтены основные характеристики, влияющие на прочность кладки – прочность камня R1 и прочность раствора R2. Компоненты формулы: А - конструктивный коэффициент A 100 R1 ; 100m nR1 - коэффициент применяется для учета прочности кладок на растворах низких марок. Коэффициенты a , b , m , n приведены в [ 1 ]. Например, для кирпичной кладки с высотой ряда от 5 до 15см – а =0,2; b=0,3; m=1,25; n=3,0. 31 Рис. 16. Характер разрушения опытных образцов кладки Формула проф. Л.И. Онищика разработана для случаев, когда качество кладки соответствует уровню массового строительства. При отклонениях от него в расчетные выражения вводятся корректировки. 32 Предел прочности кладки зависит также от длительности загружения. Пределом длительного сопротивления кладки R д является максимальное напряжение, которое может выдержать кладка неограниченное время без разрушения. Для кладок на прочных растворах - Rд 0,8Ru , на низких - Rд 0,7 Ru . Анализ компонентов составляющих расчетные выражения и интервалов их варьирования показывает, рассмотренные эмпирические методики не учитывают все перечисленные выше факторы и не могут достоверно отражать характер работы кладки при сжатии. Ниже приводится подход к оценке несущей способности каменных кладок с использованием теории сопротивления анизотропных материалов сжатию на основе физической модели разрушения. 2.2.ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ КЛАДОК ПРИ СЖАТИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ По физико-механическим свойствам каменная кладка относится к анизотропным материалам. Поэтому для оценки ее прочности при сжатии может быть использована разработанная ранее модель разрушения бетона [2, 3]. В основу модели положена рабочая гипотеза об образовании под грузовыми и опорными площадками уплотнений в виде клиньев, под действием которых происходит разрушение материала сжатого элемента от преодоления сопротивления сдвигу, отрыву и сжатию-раздавливанию. На рис. 17 показаны геометрические построения и физические параметры модели описывающей механизм разрушения анизотропных материалов при различных условиях передачи нагрузки в плоской и объемной постановках решаемых задач. Образование клиньев под грузовыми площадками предопределяется напряженнодеформированным состоянием материала в упругой стадии. По длине силового потока возникают характерные области – области двухосного (трехосного) сжатия непосредственно под грузовыми площадками и область сжатия-растяжения между ними. Это подтверждается результатами численных исследований (рис. 18). Размеры описанных областей зависят от размеров площадок и высоты элементов. При соотношении h > 2l (рис. 18а) область сжатиярастяжения с максимальными растягивающими напряжениями концентрируется на некотором расстоянии от вершины клина (hp), а в средней части по высоте элемента их величина близка к нулю. В ко33 ротких элементах при h2l (рис. 18б) величины главных растягивающих напряжений по всей высоте сжато-растянутой области распределены равномерно, поэтому форма эпюры близка к прямоугольной. С возрастанием внешней нагрузки происходит увеличение главных растягивающих напряжений. Стадия работы, когда главные растягивающие напряжения достигают сопротивления кладки растяжению, может быть принята для оценки по образованию трещин. С превышением главных растягивающих напряжений сопротивления кладки растяжению появляется вертикальная трещина. Место ее образования и скорость развития зависят, в основном, от высоты элемента, от размеров области «сжатия-растяжения». В высоких образцах первые трещины образуются на расстоянии h / 2 от вершины p клина и могут, при условии стабилизации величины нагрузки, остановиться в развитии. В коротких элементах (рис. 18в) трещина появляется между вершинами клиньев, развивается на всю высоту сжаторастянутой области и может достигнуть грузовой площадки, разделяя элемент и силовой поток на две части (рис. 18г). В этом случае нагружение каждой части элемента следует рассматривать как местное краевое, и разрушение будет зависеть от размеров грузовых площадок. При малой их длине разрушение происходит преимущественно от сдвига по плоскости скольжения А – С (рис. 18г). При этом определенную долю вертикального сжимающего усилия воспримет ядро сжатия – сечение Аef. При больших размерах грузовых и опорных площадок под ними образуются вторичные клинья (рис. 18д), под действием которых процесс образования, развития трещин и разрушение происходит аналогично описанному выше. Таким образом, общее усилие N разделяется на две составляющих - N и N: N - передается в ядро сжатия и вызывает разрушение материала от сжатия ( раздавливания ); усилие N - действует по плоскостям А – В, В – В, В - А, провоцируя разрушение от сдвига и растяжения. Cопротивление разрушению обеспечивается работой материала в трех расчетных зонах и определяется различными прочностными характеристиками: на сжатие – в ядре сжатия с площадью Аef, на растяжение – по плоскости В-В, на сдвиг – по плоскостям А – В и А - В. Рассматривая равновесие полуклина (рис. 17в), проецируя 34 Рис. 17. Геометрические построения и физические параметры модели разрушения анизотропных материалов при сжатии 35 Рис. 18. Стадии напряженного состояния кладки – упругая работа ( а, б ), образование трещин ( в ), разрушение ( г, д ). 36 усилия на горизонтальную и вертикальную оси, составляются уравнения равновесия, решение которых позволяет получить условие прочности: (1) N ( N t cos 2Tsq ) / sin N ef , где Nt – усилие сопротивления отрыву; Тsq – усилие сопротивления сдвигу; Nef – усилие сопротивления сжатию. Физические характеристики расчетной схемы. Основой физической характеристики служит статический принцип метода предельного равновесия, в соответствии с которым разрушение происходит при одновременном достижении напряжений во всех расчетных зонах предельных значений. Поэтому внутренние усилия равны: Tsq Rsq Asq , N ef RAef , (2) N t Rt At , где Rt, Rsq, R - предельные сопротивления материала растяжению, сдвигу, сжатию; Аt, Аsq, Аef - площади отрыва, сдвига и сжатия. Условие прочности ( 1 ) записывается в виде : N ( Rt At cos 2 Rsq Asq ) / sin RAef . (3) Геометрические характеристики расчетной схемы. Размеры ядра сжатия, плоскостей отрыва и сдвига определяются положением наклонных составляющих сжимающего усилия, действующего ортогонально к плоскости сдвига из очевидных выражений: (4) At (h Lloc cos sin )а, Aef L2loc sin 4 , (5) Asq 2аb(1 sin 2 ) cos , (6) где а, b – размеры поперечного сечения элемента; h – высота элемента; Lloc – размер грузовой площадки; - угол наклона граней клина к плоскости грузовой площадки. Учитывая выражения ( 5 – 6 ), условие прочности записывается N ctg[2Rt ((h Lloc sin cos )(а b)) 2Rsq (1 sin 2 ) L2loc ] RL2loc sin 4 g[2Rt ((h Lloc sin cos )(а b)) 2Rsq (1 sin 2 ) L2loc ] RL2loc sin 4 37 (7) Из условия (7) видно, что несущая способность элемента при сжатии зависит от геометрических размеров грузовых и опорных площадок и элемента, прочностных свойств материала, угла наклона поверхностей сдвига . Прочностные характеристики и угол отражают специфические свойства материалов, особенности их работы при сжатии. Из условия (7) можно получить аналитическое подтверждение механизма разрушения каменной кладки при сжатии. Полагая N RA , где А – площадь поперечного сечения элемента, и выполнив простые преобразования, получим: R k1Rt k2 Rsq , (8) где k1 At , A Aef k2 Asq A Aef . Из уравнения (8) следует, что прочность кладки при сжатии зависит от ее геометрических размеров и сопротивления растяжению и сдвигу. 2.3. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ КЛАДКИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ Прочность кладки при растяжении и сдвиге зависит, в основном, от сцепления раствора с камнем. Сцепление зависит от многих факторов: - прочности и усадки раствора; - скорости поглощения камнем воды; - чистоты и шероховатости поверхности камня; - условий твердения раствора в кладке (t, u); - содержания в растворе добавок, примесей и др. В соответствии с нормами сопротивление кладки растяжению оценивают по неперевязанному ( рис. 19а ) и перевязанному ( рис. 19б ) сечениям. Расчет элементов неармированных каменных конструкций на прочность при осевом растяжении следует производить в соответствии с п. 4.19 [ 1 ] по формуле N Rt An, где N — расчетная осевая сила при растяжении; Rt — расчетное сопротивление кладки растяжению, принимаемое по табл. 10 — 12 [ 1 ] по перевязанному сечению; Аn — расчетная площадь сечения нетто. 38 а. б. Рис. 19. Направления усилий при сопротивлении кладки растяжению по неперевязанному (а) и перевязанному (б) швам 2.4. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ КЛАДКИ ПРИ СРЕЗЕ Расчет неармированной кладки на срез по горизонтальным неперевязанным швам и перевязанным швам для бутовой кладки следует производить в соответствии с п. 4.20 [1] по формуле Q (Rsq + 0,8 n0) A, где Rsq — расчетное сопротивление срезу ( см. табл. 10 [1]); — коэффициент трения по шву кладки, принимаемый для кладки из кирпича и камней правильной формы равным 0,7; 0 — среднее напряжение сжатия при наименьшей расчетной нагрузке, определяемой с коэффициентом перегрузки 0,9; п — коэффициент, принимаемый равным 1,0 для кладки из полнотелого кирпича и камней и равным 0,5 для кладки из пустотелого кирпича и камней с вертикальными пустотами, а также для кладки из рваного бутового камня; А — расчетная площадь сечения. Расчет кладки на срез по перевязанному сечению (по кирпичу или камню) следует производить по формуле (23) [1] без учета 39 обжатия. Расчетные сопротивления кладки должны приниматься по табл. 11 [ 1 ]. При внецентренном сжатии с эксцентриситетами, выходящими за пределы ядра сечения (для прямоугольных сечений e0 > 0,17 h), в расчетную площадь сечения включается только площадь сжатой части сечения Аc. 2.5.ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КЛАДОК Деформации кладки складываются из: собственных деформаций – деформаций усадки; деформации, возникающие под действием внешней нагрузки. Каменная кладка относится к упруго-пластическим материалам, в которых под действием длительных нагрузок и разных скоростях нагружения возникают неупругие деформации. Зависимость между деформациями , напряжениями и скоростью приложения нагрузки t может быть представлена в виде поля деформаций (рис. 20). - Рис. 20. Зависимость между напряжениями и деформациями для тяжелого бетона при длительном приложении нагрузки. Возраст бетона в момент приложения нагрузки 28 дней (по данным Европейского комитета по бетону): Различают: - упругие деформации. К ним относятся деформации при мгновенном нагружении (в течение нескольких секундминут элемент доводят до разрушения ); 40 кратковременные, отвечающие лабораторным ( около 1 часа ) испытаниям опытного образца; - деформации при длительном загружении, в том числе в течение многих лет ( t, t – длительность загружения ). Поле деформаций ограничено слева линией мгновенных деформаций, справа – предельных полных деформаций ( при t ) и сверху – кривой зависимости пределов прочности от длительности приложения нагрузки. Полные относительные деформации определяют по формуле: - o el д ус , где el д - упругие относительные деформации; - относительные деформации при длительном приложении нагрузки; ус - относительные деформации от усадки, принимаемые в зависимости от материала кладки, равной ус (3 8)104 . Для кладок из глиняного кирпича и керамических камней усадка не учитывается. При этом деформации при длительном приложении нагрузки складывается из пластических деформаций 1q , возникающих при кратковременном нагружении, и деформаций ползучести 2 q q 1q 2 q . Пластические деформации 1q составляют при 0,5Ro около 15% от упругих. Полные предельные деформации o выше упругих в 24 раза. Относительные деформации кладки при кратковременной нагрузке при любых напряжениях определяются по формуле Л.И. Онищика: 1,1 1000 ln 1 B, 1,1Ru где - упругая характеристика кладки, нормируется в зависимости от вида кладки и прочности раствора; - напряжение, при котором определяются деформации; 41 Ru В - средний предел прочности кладки при сжатии; - табличный коэффициент. Относительные деформации кладки с учетом ползучести можно определять по формуле: 2q , Eo где - напряжение, при котором определяются деформации ; - нормируемый коэффициент, учитывающий влияние ползучести кладки, принимаемый в зависимости от вида кладки от 1.8 4. Диаграмма " - " кладок отражает их неупругие свойства. В начальной части при малых напряжениях – зависимость линейная, с увеличением напряжений неупругие деформации занимают большую долю полных деформаций (рис. 21). Рис. 21. Диаграмма зависимостей "-". 1 – начальный модуль деформаций (модуль упругости) Eo tg o ; E tan tg1 ; 3 – средний (секущий) модуль деформаций E tg 2 – максимальный модуль деформаций Таким образом, модуль упругости – величина не постоянная. Различают: - начальный модуль упругости, соответствующий малым деформациям ( 0.3Ru ) E o Ru ; 42 - касательный модуль ( действительный ) E tan - средний ( секущий ) модуль E d ; d . При расчете конструкций с учетом длительного приложения нагрузки наиболее важной характеристикой является предельные полные деформации кладки - u . Для практических расчетов значения u нормированы и определяются по формуле: . Eo Нормированные значения относятся к деформациям при напряжениях 0,5Ru. При этих напряжениях деформации ползучести развиваются в течение 1 года, затем замедляются и затухают. При напряжениях > 0.5Ru деформации ползучести затухают медленнее, а при напряжениях, превышающих предел длительного сопротивления Rд, скорость деформаций с течением времени увеличивается и наступает разрушение кладки. Скорость нарастания деформаций зависит от вида материалов, ее качества, возраста, момента загрузки, размеров элементов и определяется по приведенной выше формуле. Более подробно этот вопрос рассмотрен в монографии Полякова С.В. «Длительное сжатие кирпичной кладки», ГосСтройИздат, 1959 [4]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СНиП II-22-81*. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования. /Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 40 с. 2. Соколов Б.С. Новый подход к расчету бетонных элементов при действии местной нагрузки. Бетон и железобетон, 1992. - № 10. - С. 22-25. 3. Соколов Б.С. Теоретические основы сопротивления бетона и железобетона при сжатии. Известия ВУЗов.Строительство.- 1993. - № 9. - С.39-43. 4. Поляков С.В. «Длительное сжатие кирпичной кладки», ГосСтройИздат, 1959. 43 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛУ ТЕМЫ №2 1. Дайте определение понятию прочность. 2. Что такое деформативность? 3. Что влияет на прочность каменной кладки? 4. Что такое длительный предел сопротивления кладки? 5. Какие механизмы разрушения материалов кладки учитываются расчетным аппаратом физической модели? 6. Отчего зависит сцепление камня и раствора? 7. Из чего складываются деформации кладки? 8. Какие разновидности модулей упругости различают? 44 ТЕМА 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ Каменные и армокаменные конструкции рассчитываются по методу предельных состояний. Под предельным состоянием следует понимать состояние, с наступлением которого конструкция перестает удовлетворять предъявленным требованиям. Для каменных и армокаменных конструкций эти требования объединены в две группы. Задача проектировщика в том, чтобы расчетом обеспечить эти требования. Первая группа предельных состояний – потеря несущей способности, потеря устойчивости формы, потеря устойчивости положения. Расчет производится, как правило, на воздействие расчетных нагрузок и сводится к удовлетворению неравенства: N N сеч f ( S , R , ...), где N – усилие от расчетной нагрузки, действующее на конструкцию; Nсеч – несущая способность конструкции (элемента). Несущая способность конструкции зависит от геометрических характеристик - S, прочности материалов - R, целого ряда нормативных коэффициентов, учитывающих условия работы конструкции и безопасности - . Из приведенного условия (1) видно, что расчет каменных конструкций по первой группе предельных состояний практически ничем не отличается от расчета конструкций из других материалов. Однако, есть одна особенность, заключающаяся в том, что в соответствии с положением действующих норм каменная кладка отнесена «к композитным материалам, и ее прочность не установлена стандартом». Поэтому к кладкам применяется понятие условного нормативного сопротивления. Расчетное сопротивление кладки на сжатие определяется следующим образом: вычисляется по формуле проф. Л.И. Онищика временное сопротивление (средний предел прочности - Ru) камня и раствора; определяется условное нормативное сопротивление; системой коэффициентов учитывается вероятность понижения прочности кладки по сравнению с уровнем, принятым в нормах; 45 - вычисляется расчетное 0,7 Ru R 0,5Ru . 1,4 сопротивление кладки Вторая группа предельных состояний. Расчет производится: - по деформациям - на воздействие нормативных нагрузок и сводятся к сравнению действующих усилий с предельными, определяемыми по нормируемым деформациям растяжения поверхности кладки ( табл. 25 [1]); - по образованию и раскрытию трещин ( швов ) – на воздействие нормативных нагрузок и сводится к сравнению действующих усилий с предельными, определяемыми по нормируемым нормативным сопротивлениям кладки на растяжение. Следует заметить, что расчету по второй группе предельных состояний подлежат не все конструкции, а только оговоренные в п.5.1. [ 1 ]. При расчете рекомендуется пользоваться пособиями [ 2,3 ]. 3.1. Расчет неармированных каменных кладок по первой группе предельных состояний В зависимости от расположения оси действия продольных сил относительно центра тяжести поперечного сечения рассчитываемого элемента (эксцентриситета e p ) рассматривают два случая: - случай центрального сжатия ( e p 0 ); - случай внецентренного сжатия. 3.1.1. Расчет центрально сжатых элементов. Условие прочности при центральном сжатии записывается в виде: где N N сеч m g RA, N – расчетная продольная сила; - коэффициент продольного изгиба, определяемый по п.4.2 [1]; R – расчетное сопротивление сжатию кладки, определяемое по табл. 2 – 9 [1]; 46 А – площадь сечения элемента; mg – коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки и определяемый по формуле mg 1 где Ng , N - нормативный коэффициент; Ng – расчетная продольная сила от длительных нагру- зок. Коэффициент определяется по формулам, полученным проф. Л.И. Онищиком на основе существующего расчета упругих систем по правилам сопротивления материалов. Для упругого материала коэффициент 0: 0 пр 0 . R' Для кладки принято пр , R' где R’ – предел текучести ( для кладкок R’=1,1R”). Для упругого материала 2 0 кр r n E0 – формула Эйлера. l0 2 Для определения критических напряжений в кладке кр r r n E0 n 2E0 1 l R ' 0 l0 2 кр так как 2 кр Е Е0 1 R' или кр кр0 1 кр R' Разделив обе части равенства на R’, получим 0 , 1 0 47 2 то есть коэффициент продольного изгиба кладки, как упругопластического материала, меньше коэффициента продольного изгиба для упругого материала. Коэффициент продольного изгиба каменных кладок зависит от упругой характеристики . В [1] эта зависимость представлена в табличной форме. Расчетное значение высоты l0 зависит от контурных условий – условий защемления элемента на опорах. На рис. 22 показаны нормативные значения и mg в зависимости от контурных условий: а) б) в) Рис. 22. Коэффициенты и mg по высоте сжатых стен и столбов: а – шарнирно опертых на неподвижные опоры; б – защемленных внизу и имеющих верхнюю упругую опору; в – свободно стоящих 3.1.2.Расчет внецентренно сжатых элементов Расчет производится из условий равновесия внешней расчетной силы и внутреннего усилия в кладке при прямоугольной эпюре напряжений в элементе, симметричной относительно оси действия внешней нагрузки. (рис. 23). В этом случае центр тяжести сжатой зоны сечения и прямоугольной эпюры напряжений совпадает с осью действия внешней расчетной нагрузки, и условие прочности записывается в виде: N mдл1 RA c , где Ас – площадь сжатой части сечения, положение границы которой определяются из условия равенства нулю статического момента всей площади относительно ее центра. Для элементов прямоугольного сечения: 48 Ac (0,5h eo )2b A(1 1 c 2 2e o ); h . В формулах: R – расчетное сопротивление кладки сжатию; А – площадь сечения элемента; h – высота сечения в плоскости действия изгибающего момента; eo – эксцентриситет расчетной силы N относительно центра тяжести сечения; 12- фактическая эпюра напряжений в кладке; принятая эпюра напряжений в кладке. Рис. 23. Схема для расчета внецентренно сжатых элементов - коэффициент продольного изгиба для всего сечения в плоскости действия изгибающего момента, определяемый по расчетной высоте элемента l o ( см. п.п.4.2, 4.3 [ 1] ) по табл.18; 49 с – коэффициент продольного изгиба для сжатой части сечения, определяемый по фактической высоте элемента Н по табл.18 [1] в плоскости действия изгибающего момента при отношении hc H hc ic H , ic или гибкости где hc и ic - высота и радиус инерции сжатой части поперечного сечения Ас в плоскости действия изгибающего момента. При знакопеременной эпюре изгибающего момента по высоте элемента расчет по прочности следует производить в сечениях с максимальными изгибающими моментами различных знаков. Коэффициент продольного изгиба с следует определять по высоте части элемента в пределах однозначной эпюры изгибающего момента при отношениях или гибкостях H1 H или i1c 1 hc1 ic1 H H h2 c 2 или i 2c 2 , hc 2 ic 2 h c 1 и где Н1 и Н2 - высоты частей элемента с однозначной эпюрой изгибающего момента; hc1 и ic1; hc2 и ic2 - высоты и радиусы инерции сжатой части элементов в сечениях с максимальными изгибающими моментами; - коэффициент, определяемый по формулам, приведенным в табл.19 [ 1]; mg - коэффициент, определяемый по формуле mg 1 где Ng N (1 1,2eog h ), Ng – расчетная продольная сила от длительных нагрузок; - табличный коэффициент, [1,2]; eog – эксцентриситет от действия длительных нагрузок. 50 3.2.Расчет и конструирование армокаменных конструкций В строительстве применяются следующие виды армирования каменных кладок: - поперечное, сетчатое с расположением арматурных сеток в горизонтальных швах кладки; - продольное с расположением арматуры внутри кладки или в бороздах, оставляемых в кладке. 3.2.1. Элементы с поперечным армированием Такое армирование применяется для усиления кладок при центральном и внецентренном сжатии при высоте ряда не более 150мм. Оно эффективно при гибкостях h 15, а также при эксцентриситетах, находящихся в пределах ядра сечения (е0 0,17h). Количество сетчатой арматуры, учитываемой в расчете должно превышать 0,1% объема кладки. Традиционно используются сетки двух типов. Сетки с прямоугольными или квадратными ячейками и типа «зигзаг» (рис. 24). Рис. 24 Шаг стержней сеток - 30 120мм. Арматура классов - А200, А300, В500. Шаг в кладке через 1 – 5 рядов, при расстоянии между сетками более 450 мм эффективность сетчатого армирования снижается. 51 Применение сеток с прямоугольными ячейками приводит к увеличению толщины шва – отсюда максимальный диаметр стержней проволоки dmax 5мм. Сетки «зигзаг» имеют ряд стержней, расположенных в одном направлении. Поэтому одной сетке с прямоугольными ячейками эквивалентны две типа «зигзаг». В чем эффект поперечного армирования? При рассмотрении стадий напряженно-деформированного состояния кладок при сжатии было показано, что разрушение происходит в результате развития поперечных деформаций. Эти деформации сдерживаются поперечной арматурой, увеличивая несущую способность кладок. Несущая способность армированных кладок определяется по тем же условиям, что и неармированных с заменой (в правой части неравенств) расчетных сопротивлений R на Rsk для центрально-сжатых элементов, и R на Rskb для внецентренно-сжатых, то есть соответственно: N mgRsk A N mgRskb Ac Расчетные сопротивления армированных кладок ограничиваются удвоенным сопротивлением неармированных кладок сжатию, то есть Rsk 2 R; Rskb R. и определяются по формулам: 2 Rs ; 100 2Rs 2eo 1 R 100 y Rsk R Rskb где , Vs 100, - процент армирования по объему; Vk Vs – объем арматуры в кладке; V - объем кладки. При армировании сетками из арматуры сечением Ast с ячейками с размером С, при шаге между сетками S: 2 Ast 100. CS 52 Экспериментально установлено, что при низких марках раствора R1 - ниже 2,5 МПа, эффективность армирования снижается, поэтому в нормах по второму слагаемому расчетного сопротивления вводится отношение R1 . R2 s В расчетных формулах коэффициенты продольного изгиба и 1 определяются при упругой характеристике кладки с сетчатым армированием sk : sk где Rsku kR Ru , Rsku 2 Rsn ; 100 k - табличный коэффициент, принимаемый по табл.14 [ 1 ]; Rsn – нормативное сопротивление арматурной стали. В последнее время в нескольких организациях [4,5] в качестве поперечного армирования используются просечно-вытяжные сетки из обычной и оцинкованной стали и выштампованные стальные ленты. Исследования показали, что несущая способность таких кладок при одинаковой по сравнению с традиционным вариантом усиления сварными сетками интенсивностью армирования выше. Поэтому такие сетки могут быть использованы при поперечном армировании кладок. При этом, не имея расчетного аппарата по оценке прочности, можно воспользоваться нормативным подходом, изложенным выше. 3.3. Расчет элементов каменных и армокаменных конструкций по предельным состояниям второй группы – по образованию, раскрытию трещин и деформациям* В соответствии с действующими нормами по образованию и раскрытию трещин ( швов кладки ) и по деформациям следует рассчитывать: - внецентренно-сжатые неармированные элементы при eo 0.7 y ; - смежные, работающие совместно конструктивные элементы кладки (например, облицовка и основная стена); - самонесущие стены, связанные с каркасом и работающие на поперечный изгиб, если несущая способность стен недостаточна для самостоятельного восприятия нагрузок; 53 - стеновые заполнения каркасов; продольно армированные элементы, эксплуатируемые в агрессивных условиях; элементы зданий и сооружений, в которых образование трещин не допустимо. Расчет каменных и армокаменных конструкций по предельным состояниям второй группы производится: 1. По деформациям – на воздействие нормативных нагрузок. В нормах приводятся данные только для внецентренно-сжатых элементов при eo 0,7 y . Поэтому условие, ограничивающее раскрытие трещин записывается в следующем виде**: N r Rbt A A(h y )eo 1 J , где J – момент инерции сечения в плоскости действия изгибающего момента; y – расстояние от центра тяжести сечения до сжатого края; Rbt – расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по неперевязанному шву; r - нормативный коэффициент условий работы кладки при расчете по раскрытию трещин. 2. По раскрытию трещин – на воздействие расчетных или нормативных нагрузок. Их расчет производится, используя следующие положения: - расчет ведется от расчетных нагрузок; - принимается линейная эпюра напряжений, как для упругого тела; - расчет выполняется по условному краевому напряжению растяжения, которое характеризует величину раскрытия трещин в растянутой зоне - r Rtb . Предельные относительные деформации пр растяжения кладки, гарантирующие от появления трещин в защитном слое на растянутой поверхности устанавливаются нормами и зависят от вида и назначения штукатурки, а также от степени долговечности здания и принимаются в пределах 0,0510-3 0,210-3. При наличии продольного армирования 0,03%, а также при оштукатуривании неармированных кладок по сетке значения пр увеличиваются на 25%. 54 Конструкции, в которых по условиям эксплуатации появление трещин недопустимо, проверяются по деформациям растянутых поверхностей. Эти деформации определяются при нормативных нагрузках, которые будут приложены после нанесений штукатурных или других покрытий и не должны превышать пр. Расчет производится в предположении достижения деформаций на растянутых гранях (поверхностях) предельных значений с использованием известных формул сопротивления материалов. Поэтому условия, гарантирующие сопротивление образованию трещин записываются в следующем виде: - при осевом растяжении N EA u ; - при изгибе M EJ u ; h y - при внецентренном сжатии и растяжении N EA пр , A(h y )lo 1 J где M, N – момент и продольная сила от нормативных нагрузок; h-y - расстояние от центра тяжести сечения кладки до наиболее удаленной растянутой грани покрытия. При расчете по образованию трещин конструкций из неармированной кладки и армированной кладки, в которых раскрытие швов может вызвать появление трещин в штукатурке, но не является опасным для прочности и устойчивости, в формулах расчета на прочность по растяжению всех видов – Rt, Rtb, Rtw принимаются продольные силы и изгибающие моменты по нормативным нагрузкам и коэффициенты условий работ r (табл. 24 [1]). Расчет продольно армированных растянутых, изгибаемых и внецентренно-сжатых конструкций по раскрытию трещин (швов кладки) производится из следующих предпосылок: - расчет производится для всего сечения кладки и арматуры, принимая линейное распределение напряжений по сечению; - расчетные сопротивления арматуры принимаются несколько заниженными по сравнению с Rs ; - в расчетах оперируют приведенными геометрическими характеристиками. 55 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СНиП II-22-81*. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования. /Госстрой России. – М.:ФГУП ЦПП, 2004. 2. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II-22-81 Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования. / ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. – М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1989. – 152 с. 3. А.К. Фролов, А.И. Бедов и др. Проектирование железобетонных и каменных конструкций. –АСВ. – 2001. 4. В.М. Бондаренко, В.И. Римшин. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций. – М.: Высшая школа, 2006 г.– 504 с. 5. Железобетонные и каменные конструкции/ В.М. Бондаренко, Р.О.Бакиров, В.Г. Назаренко, В.И. Римшин. – М.: Высшая школа, 2004 г. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛУ ТЕМЫ №3 1. Что такое «предельное состояние»? 2. На действие каких нагрузок производится расчет по первой группе предельных состояний? 3. Какие параметры определяются в ходе расчетов по второй группе предельных состояний? 4. От чего зависит расчетная высота элемента? 5. В каком диапазоне меняются размеры ячеек арматурных сеток? 6. Какое влияние оказывает косвенное армирование каменной кладки стальными сетками? 7. В каком интервале принимаются предельные относительные деформации кладки? 8. Какие предпосылки принимаются при проведении расчетов продольно армированных растянутых, изгибаемых и внецентренносжатых конструкций по раскрытию трещин? 9. Какие факторы учитываются при расчете центрально сжатых элементов? 10. Как определяется гибкость центрально сжатых элементов? 11. Назовите основные виды армирования каменных кладок? 12. Назовите новые типы сеток поперечного армирования кладок. 56 ТЕМА 4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПУСТОТНЫХ БЛОКОВ В последнее время в разных регионах страны производят высокопустотные ( до 60% ) бетонные блоки для наружных и внутренних стен. Только в г. Казань такие блоки выпускают два завода. Однако их применение сдерживается отсутствием нормативных документов по расчету. Насколько нам известно единственными нормами являются разработанные учеными Республики Башкортостан территориальные нормы: ТСН 51-303-00 РБ [2]. Результаты исследований, позволившие создать эти нормы, изложены в монографии В.В. Бабкова, Г.С. Колесника, И.В. Недосеко и др. [3]. Ниже кратко излагаются основные положения расчета рассматриваемых конструкций. Необходимо отметить, что авторы исследований максимально, насколько было возможно, придерживались нормативных подходов (и это правильно на первом этапе внедрения таких конструкций). Поэтому условия прочности записываются аналогично нормативным требованиям для сплошных кладок с введением в расчетные выражения параметров, отражающих особенности рассматриваемых кладок. В чем заключаются эти особенности ? Во-первых – кладка выполняется одно- или двухверстовой. Во-вторых – растворный шов располагается вдоль продольных ребер блоков (faceshell). В третьих – для повышения несущей способности кладки пустоты блоков могут быть частично или полностью заполнены бетоном, используемым в качестве неизвлекаемой опалубки В четвертых – для получения максимальной несущей способности в пустоты может быть установлена арматура. В этом случае кладка рассматривается как комплексная (железобетонная). Для неармированных кладок на рис. 25 представлены варианты их компоновки. Расчет центрально сжатых элементов по вариантам компоновок рис.4. 1 а,б следует производить по условию: N mgRm Am , где N – расчетная продольная сила; mg - коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки и принимаемый при eog =0 по [2]; 57 - коэффициент продольного изгиба элемента принимаемый по [2]; Rm - расчетное сопротивление (нетто) сжатию кладки, назначаемое с учетом коэффициентов условий работы mi ; Am - расчетная площадь поперечного сечения пустотной кладки, назначаемая в зависимости от принятого варианта компоновки стен. а) одноверстовая кладка б) двухверстовая кладка в) одноверстовая кладка с заполнением бетоном части пустот г) двухверстовая кладка с обетонированием части пустот Рис. 25. Варианты компоновки стен из высокопустотных бетонных блоков 58 Таким образом, единая формула объединяет два варианта компоновки кладки. Но в расчетах следует принимать разное значение расчетной площади поперечного сечения кладки. Расчет центрально сжатых неармированных элементов с обетонированием вертикальных полостей кладки, образованных пустотами блоков, по вариантам компоновок, приведенных на рис. 4.1, в, г следует производить по формуле N mgRm ( Am Ab ), где Ab - расчетная площадь поперечного сечения комплексной кладки по бетону обетонирования полостей кладки, назначаемая по табл.4.1 [2] в зависимости от числа обетонированных полостей кладки; - коэффициент приведения площади бетона обетонирования полостей к площади кладки, определяемый по формуле b Rb Rm , где Rb - расчетное сопротивление сжатию бетона обетонирования полостей кладки, назначаемое согласно СНиП 52-01-2003, СП 52101-2003; b - коэффициент использования бетона обетонирования полостей по прочности на сжатие, определяемый графически (рис. 4.1) в зависимости от расчетного сопротивления бетона обетонирования Rb. При этом b bi , где bi - коэффициент условий работы бетона обетонирования согласно [1]. Гибкость центрально сжатых элементов каменных конструкций определяется по формуле i где lo , i lo - расчетная высота элемента; i - наименьший радиус инерции поперечного сечения элемента - справочные значения радиусов инерции сечений кладок для различных вариантов компоновок приведены в табл.4.1 [2]. Значения коэффициентов и mg для стен и столбов в зависимости от условий опирания их на горизонтальные опоры следует принимать согласно п.п. 4,44,6 [1]. 59 Расчетное значение коэффициента продольного изгиба для элементов постоянного по длине сечения следует принимать по табл.18 [1] в зависимости от гибкости элемента i и упругой характеристики кладки . Расчетное значение коэффициента mg, учитывающего влияние длительной нагрузки, определяется по формуле (16) [1]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СНиП II-22-81*. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования. /Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. 2. ТСН 51-303-00 РБ. «Каменные и армокаменные конструкции на основе вибропрессованных бетонных изделий, производимых на оборудовании фирмы Basser» / Территориальные строительные нормы РБ/УГНБУ, БашНИИстрой, Уфа, 1999, -46 с. 3. В.В.Бабков, Г.С.Колесник, И.В.Недосеко и др. Каменные и армокаменные конструкции на основе вибропрессованных изделий, Уфа, 2001. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛУ ТЕМЫ №4 1. Какие технологические особенности существуют при возведении кладок из высокопустотных бетонных блоков? 2. Какие существуют пути повышения несущей способности кладок из высокопустотных бетонных блоков? 3. Какие параметры учитываются при выполнении расчета центрально сжатых элементов из высокопустотных бетонных блоков? 4. Как учитывается обетонирование полостей кладки? 60 ТЕМА 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЙ Неармированные кладки из каменных материалов в зависимости от вида кладки, прочности камней и растворов подразделяются на четыре группы (табл.26 [1]), что учитывается в определении конструктивной схемы здания. Каменные стены в зависимости от конструктивной схемы здания подразделяются на: - несущие, воспринимающие кроме нагрузок от собственного веса и ветра также нагрузки от покрытий, перекрытий, кранов и т.п.; - самонесущие, воспринимающие нагрузку только от собственного веса стен всех вышележащих этажей зданий и ветровую нагрузку; - ненесущие (в т.ч. навесные), воспринимающие только нагрузку от собственного веса и ветра в пределах одного этажа при высоте этажа не более 6м; при большей высоте этажа эти стены относятся к самонесущим; - перегородки – внутренние стены, воспринимающие только нагрузки от собственного веса и ветра (при открытых оконных проемах) в пределах одного этажа, при высоте его не более 6м; при большей высоте этажа стены этого типа условно относят к самонесущим. В зданиях с самонесущими и ненесущими наружными стенами нагрузки от покрытий, перекрытий и т.п. передаются на каркас или поперечные конструкции зданий. 5.1 Конструктивные схемы зданий По степени пространственной жесткости здания с несущими стенами делятся на два типа: - здания с жесткой конструктивной схемой; - здания с упругой конструктивной схемой. Основным параметром, определяющим конструктивную схему здания является расстояние между поперечными устойчивыми конструкциями ( lст ), которое зависит от жесткости покрытия и перекрытия, кладок, из которых выполнены стены. Эти характеристики приводятся в нормах (табл.27 [1]). 61 5.2. Здания с жесткой конструктивной схемой Статический расчет стен. Расчет производится на вертикальную и горизонтальную (ветровую) нагрузки. Стены рассматриваются как неразрезные балки, опертые на неподвижные перекрытия (рис. 26) При этом нормами допускается рассматривать работу стен в пределах этажа как однопролетных шарнирно опертых балок. Нагрузка от верхних этажей принимается приложенной в центре тяжести сечения стены или столба вышележащего этажа (рис. 27а). Нагрузки в пределах данного этажа считаются приложенными с фактическими эксцентриситетами относительно центра тяжести сечения стены с учетом изменения сечения стен. Они принимаются приложенными на расстоянии 1 / 3a от внутренних граней стен (рис. 27а), где a - глубина заделки конструкции перекрытия (рис. 27б). На ветровую нагрузку (как дополнительное сочетание продольные стены рассчитываются в пределах этажа как балки, заделанные на опорах (перекрытиях), причем изгибающие моменты определяются по формуле M пр М оn где 2 qH эт , 12 M пр и М оп - соответственно, пролетный и опорный момен- ты; q - интенсивность расчетной ветровой нагрузки на простенок от соответствующей грузовой площади; H эт - высота этажа. Здания с жесткой конструктивной схемой воспринимают полную ветровую нагрузку своими поперечными стенами с участками примыкающих к ним наружных продольных стен. Они рассчитываются как консоли, заделанные в грунт своими фундаментами. Горизонтальные сечения таких консолей принимаются по фактическому их сечению (двутавр, швеллер, тавр). Нагрузка от ветра и отсоса передается поперечным стенам от продольных стен в виде сосредоточенных грузов в уровнях перекрытий-дисков, являющихся поэтажными их опорами. Расчетная длина участков продольных стен - S , вводимых в совместную работу с поперечной стеной по обе стороны от нее, принимается по закону треугольника (рис. 28). 62 Рис. 26. Расчетные схемы стены и эпюры изгибающих моментов в стене в пределах одного этажа Рис. 27. К определению эксцентриситета eo в стенах постоянной (а) и переменной толщины (б), осевых (N) и внецентренно приложенных (P) усилий Для глухих стен S 0.8H . Для стен с проемами 63 S 0,7 H пояс где H пояс Fs , Fн - суммарная высота горизонтальных поясов кладки между оконными проемами от верха стены до рассматриваемого сечения; Fs - площадь горизонтального сечения поясов по длине стены; Fн - площадь простенков по длине S . Продольная сила от ветровой нагрузки определяется по формуле: N где M F y S (1 x ), I S S x и y - расстояния по осям x, y до центра простенка; F , I - геометрические характеристики простенка. После статического расчета – определения усилий от действующих нагрузок переходят к расчету кирпичной кладки каменных стен здания Расчет кирпичной кладки стен Кирпичная кладка стен каждого этажа рассчитывается на осевое сжатие или внецентренное сжатие (см. тему № 3), поскольку на нее действует изгибающий момент от горизонтальных давлений ветра и отсоса, вертикальная нагрузка от этажных перекрытий. Кроме того, следует проверить: наклонные сечения на главные растягивающие напряжения при изгибе в плоскости стены; раскрытие трещин от вертикальной нагрузки разнонагруженных связанных между собой стен или разной жесткости смежных участков стен. При учете совместной работы поперечных стен с примыкающими к ним участками продольных стен при действии горизонтальной нагрузки должна быть надежная взаимосвязь между ними, что обеспечивается расчетом на сдвиг. Сила сдвига в пределах одного этажа Tэт bH эт или Т эт , bH эт где - касательные сдвигающие напряжения в местах примыкания поперечных и продольных стен; b - толщина поперечной стены; 64 Рис. 28. 65 H эт - высота этажа. Напряжения определяют по формуле Журавского: QS , Jb где Q - расчетная поперечная сила от горизонтальной нагрузки в середине высоты этажа; S F y - статический момент участка примыкающей продольной стены площадью F при расстоянии y от центра тяжести поперечной и продольной стен (рис. 29); Рис. 29. 66 J - момент инерции сечения стен относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения стен в плане. Приравнивая выражения для получения касательных напряжений, получим: Tэт QF y . bH эт J b Решая равенство относительно Tэт , находим Tэт Q F y H эт . J Необходимо, чтобы Tэт не превышало сопротивления кладки срезу, т.е. Tэт где R sq Q F y H эт bH эт Rsq, J - расчетное сопротивление кладки срезу по неперевя- занному сечению из табл.1 [1]. Если поперечная и продольная стены выполнены из материалов разной жесткости, то при вычислении F и J принимается ширина полки, приведенная к материалу поперечной стены по формуле: bпр b где b E2 E2 , E1 - ширина полки (продольной стены); - модуль деформаций материала полки (продольной сте- ны); E1 - модуль деформаций материала поперечной стены. Поперечные стены рассчитываются также на главные растягивающие напряжения от ветровой нагрузки по формуле Qв где Rtqbl , Rtq Rtw ( Rtw o ) - расчетное сопротивление срезу кладки, обжатой продольной расчетной силой N ; Rtw - расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям (табл.10 [1]); 67 o 0,9 N - напряжение от обжатия; F Qв - поперечная расчетная сила от ветровой нагрузки; b - толщина поперечной стены (наименьшая); l - высота общего сечения стен в плане; - коэффициент неравномерности касательных напряжений в сечении (для двутавра 1,15 ; для тавра 1,35 ; для прямоугольных сечений 1,50 ). При недостаточном сопротивлении кладки срезу допускается армирование ее продольной арматурой в горизонтальных швах. Расчетное сопротивление срезу армированной кладки Rstq определяют по формуле: Rstq Rs Rs ( o ), 100 100 где - процент армирования по вертикальному сечению стены. 5.3. Здания с упругой конструктивной схемой Статический расчет поперечной рамы здания В одноэтажных зданиях стены рассматривают стойками рамы, защемленными в фундаментах с подвижной (упругой) опорой в уровне покрытия (рис. 30). Несущие стены в местах опирания на них ферм прогонов, подкрановых балок и тому подобных нагрузок усиляются пилястрами. В этом случае стена-стойка рамы имеет тавровое сечение. Расчетная ширина полки таврового сечения стены принимается в зависимости от конструкции опирания верхнего покрытия на стену. Если конструкция покрытия обеспечивает равномерную передачу давления по всей длине стены (например, опирание плиты покрытия) за ширину полки тавра принимается полная ширина простенка, а в глухих стенах – вся длина стены между серединами примыкающих к пилястре пролетов. Если давление от перекрытия передается на стены через отдельные площадки (опорные плиты ферм, прогонов и т.п.), ширина полки таврового сечения стойки принимается изменяющейся по закону треугольника (рис. 31). Ширину полки в нижней части стойки принимают равной 0,5Н (где Н – высота стены) в каждую сторону от края пилястры. 68 Рис. 30. К статическому расчету рамы Рис. 31. Определение расчетной ширины сечения рамы 69 Допускается принимать ширину полки постоянной, равной 1 / 3H в каждую сторону от края пилястры, но не более расстояния до грани проема. При тонких стенах с пилястрами, если толщина стены (полки тавра) меньше 0,1 высоты сечения пилястры, сечение полки не учитывается. Высоту стены стойки рамы Н считают равной расстоянию от верхнего обреза фундамента (при наличии вышерасположенных бетонного пола и отмостки) до низа опорной части покрытия. Переменное по высоте сечение стен вызывает смещение их вертикальной оси (рис. 32). При этом вертикальные усилия к нижележащей части будут прикладываться с увеличивающимся эксцентриситетом. Рис. 32. К определению эксцентриситета при изменении сечения стен по высоте 70 Стены зданий с упругой конструктивной схемой рассчитывают для двух стадий готовности здания. 1. Для стадии, когда стены и столбы возведены, а покрытие не установлено. В этом случае моменты М и продольные силы N в них определяются как для консольных стоек, заделанных в грунт. Если стойка по высоте меняет сечение, что обычно имеет место при опирании на пилястры стен подкрановых балок, то при определении моментов в стойке необходимо учитывать смещение ее оси. Если в сочетании с другими нагрузками, действующими настойку до установки покрытия, ветровая нагрузка вызывает опасные напряжения, то необходимо предусматривать постановку временных креплений, не увеличивая сечений против требуемых по расчету для законченного здания. 2. Для второй стадии, когда здание полностью закончено и его элементы находятся под воздействием эксплуатационных нагрузок. В этом случае стены и столбы, расположенные в одном поперечном ряду, рассматриваются как стойки рамы, шарнирно связанные вверху с абсолютно жестким ригелем. Для статического расчета рамы обычно вводятся следующие допущения: - поперечная рама рассматривается как плоская конструкция, не связанная с соседними рамами; - нижние концы стоек заделаны в грунт, верхние шарнирно связаны с ригелями; - стойки считаются выполненными из упругих материалов, жесткость стоек EJ принимается, исходя из модуля упругости E 0.8 E o и момента инерции J , вычисленного при наличии проемов по ослабленному сечению (по простенкам), причем расчетная ширина полки тавра не должна превышать величины H / 3 в каждую сторону от края пилястры; - кладка работает полным сечением (не учитывается раскрытие швов). Указанные допущения достаточно условны, в связи с этим, наряду с данными расчетов, необходимо строго придерживаться имеющихся в нормах конструктивных ограничений, касающихся максимальных гибкостей, марок материалов, максимальных эксцентриситетов и т.д. Усилия в стойках многопролетной рамы определяются в предположении, что нагрузка прикладывается последовательно к каждой стойке. Итоговые усилия можно определить, поль71 зуясь принципом независимости действия сил, как сумму отдельных частных значений. Статический расчет на каждый вид нагружения можно представить состоящим из трех этапов и заключается в рассмотрении: - стойки рамы с неподвижной верхней опорой и определении реакции B (рис. 5.5, б) по табл. 8.3.17 [2 ]; - стойки рамы с упругой верхней опорой (рис. 5.5, в) и определении реакции B y по формуле By B , 1 где - коэффициент, учитывающий упругость опоры, 1 J1 m J m1 m - момент инерции рассчитываемой стойки; J1 m J m 1 m - суммарный момент инерции всех стоек рамы без учета рас- считываемой; m - количество стоек рамы. Упругую реакцию B y определяют при расчете по второй стадии готовности здания, то есть после возведения покрытия; - стойки рамы как консольного стержня, нагруженного внешней нагрузкой и упругой реакцией ( B y ) (рис. 30г). Расчет простенка стены Кладка простенков стен испытывает внецентренное сжатие. При определении площади сечения, если стена выполняется с пилястрой, необходимо знать ширину простенка, вводимого в расчет. Учитываются два фактора – схема передачи нагрузки на стену. Она может быть распределенной при опирании плит покрытия (1-й случай) или сосредоточенной - в случае опирания балок, ферм и др. несущих конструкций покрытия (2-й случай). В первом случае ширина полки тавра принимается равной расстоянию между серединами примыкающих к пилястре пролетов (для глухих стен) или расстоя72 нию между проемами (для стен с проемами). Во втором случае ширина простенка принимается равной 1 / 3H . Если высота полки тавра меньше 0,1 высоты сечения, то полка в расчете не учитывается и сечение простенка рассматривается как прямоугольное. Расчет прочности простенков проводится для двух стадий готовности здания: - до установки покрытия; - после установки покрытия. 5.4.Деформационные швы в стенах зданий Деформационные швы делятся на два типа: - температурные; - осадочные. Их наличие препятствует появлению в кладке трещин, вызываемых температурно-усадочными напряжениями и осадками здания. Температурные швы разделяют стены здания до фундаментов. Длина температурного блока здания, расстояние между температурными швами зависят от вида кладки, отапливаемости зданий, их открытости, температуры холодного периода и принимается по нормам в пределах 40-60 м. Их конструкция представлена на рис. 33. Осадочные швы предназначены для обеспечения независимости осадок разных частей здания и поэтому они разрезают не только стены, но и фундаменты. Осадочные швы выполняют: - в местах сопряжения стен, расположенных на разнородных или на обжатых и необжатых грунтах в случае разного время возведения блоков здания; - при пристройке к существующим зданиям; - при значительной разнице в высоте отдельных частей здания, если не предусмотрены распределительные пояса для ликвидации неравномерности давления в кладке; - при значительной разнице в ширине и глубине фундаментов и в разнице их решений (ленточные, столбчатые). Конструкции осадочных швов в кладке аналогичны показанным на рис. 33. Температурно-усадочные швы и осадочные швы в каменных стенах должны совпадать с такими же швами в примыкающих и заделанных в стены железобетонных и металлических конструкциях перекрытий, покрытий, каркасов. 73 1 100 20 20 120 20 20 2 20 120 250 20 20 120 120 250 20 120 Толь или рубероид с утеплителем 20 20 120 3 20 20 4 1 1 20 20 Просмаленная пакля Нащельник 120 250 Толи или рубероид Просмаленная пакля 20 1 Ур.ч.п. 1 Нащельник 1 140 20 Ур.ч.п. Связь Оцинкованное 140 железо 20 4 Железобетонная плита Стальные связи Рис. 33. Конструкция температурно-осадочных швов в зданиях с поперечными и продольными несущими стенами 5.5. Устойчивость положения стен При расчете стен в процессе их возведения, а также конструкций, не имеющих верхней опоры, проводится проверка на устойчивость положения. Расчет имеет целью предусмотреть опрокидывание при незначительной продольной и значительной поперечной нагрузках. Устойчивость положения обеспечивается, если равнодействующие вертикальных и горизонтальных сил находятся в пределах сечения на достаточном расстоянии от его сжатого края, т.е. при ограничении величины эксцентриситета. Эксцентриситет определяется: eo M m1 y , N где M - изгибающий момент от поперечной расчетной нагрузки и внецентренно-приложенной нормальной силы; N - нормальная сила от расчетного собственного веса при коэффициенте перегрузки m o 0.9 ; 74 m1 0,9 - при расчете стен в стадии их возведения и для свободно стоящих, а также для сооружений по специальному указанию; y - расстояние от центра тяжести до края сечения в сторону эксцентриситета. 5.6. Анкеровка стен и столбов Анкеровка кирпичных стен и столбов с перекрытиями осуществляется для обеспечения их устойчивости, создания пространственной жесткости зданий. Каменные стены и столбы должны крепиться к перекрытиям и верхним покрытиям стальными анкерами сечением не менее 0,б5 см2. Расстояние между анкерами балок, прогонов или ферм, опирающихся на стены, должно быть не более 6м. Концы заанкерованных балок смежных пролетов, на проемах, внутренних стенах или столбах должны быть соединены накладками. Стены каркасных зданий должны быть связаны с колоннами или ригелями каркаса анкерами или выпусками арматуры. Перекрытия из сборных железобетонных настилов или панелей должны быть связаны со стенами анкерами, расстояние между которыми не должно превышать 6м. Стальные анкеры и связи, расположенные в наружных стенах помещений с нормальным режимом влажности, а также в наружных и внутренних стенах и столбах помещений с влажным или мокрым режимом, должны быть защищены от коррозии. Расчет анкеров должен производиться: - при расстоянии между анкерами более 3м; - при нессиметричном изменении толщины столба или стены; - для сильно нагруженных простенков при общей величине продольной силы более 1000 кН. Расчетное усилие в анкере определяется как сумма горизонтальной опорной реакции в уровне перекрытия: A1 M . H Величина опорной реакции, вызванной возможным производственным отклонением стены от вертикали и неоднородностью кладки: A2 0.01N . Расчетное усилие в анкере определяется по формуле: 75 A A1 A2 M 0.01N , H M где - изгибающий момент от расчетных нагрузок в уровне перекрытия или покрытия в местах опирания их на стену на ширине, равной расстоянию между анкерами (рис. 34а); Рис. 34. К расчету анкера - высота этажа; - расчетная нормальная сила в уровне расположения анкера на ширине, равной расстоянию между анкерами. При расчете анкера должны проверяться его сечение (при расчетных сопротивлениях стали, приведенных в табл.22 [1]), крепление к прогону, настилу или колонне, а также заделка анкера в кладке. Прочность заделки анкера в кладке определяется сопротивлением кладки срезу по горизонтальным швам, расположенным под анкером и над ним. Распределение давления в кладке принимается под углом 45о (рис. 34б). Расчетное усилие в анкере должно удовлетворять условию: H N 76 A 2a(a b)( Rcp 0.8n / o ) , где a - глубина заделки анкера; b - длина поперечного штыря анкера. 5.7. Перемычки в стенах зданий Перемычки для перекрытия проемов в каменных стенах зданий применяются, как правило, железобетонными, из балок и брусьев. Их расчет производится по существующим нормам для железобетонных конструкций. В ряде случаев используются кирпичные и железокирпичные перемычки (применяются редко). Кирпичные перемычки делятся на три основных типа – рядовые, клинчатые, арочные. Рядовые перемычки представляют собой часть кладки над проемом высотою C не ниже 4 рядов и не меньше ¼ пролета, сложенную на растворе повышенного качества. Это наиболее простые в производстве перемычки, однако они требуют раствора не ниже М25, поскольку иначе возможно выпадение из нижних рядов отдельных кирпичей. Для предупреждения выпадания нормы предусматривают укладку в растворе арматуры под нижним рядом перемычки в количестве не менее 1 стержня, сечением 0,2см2 на каждые 13см толщины стены. Клинчатые перемычки (рис. 5.10) имеют преимущество перед рядовыми в отношении своей прочности, не требуя повышенных марок раствора, и могут осуществляться на растворах, включая минимальную марку (М-4).В этих перемычках не требуется применения арматуры, т.к. заклинивание камней гарантирует их невыпадение из конструкции, причем заклинивание осуществляется за счет некоторого утолщения швов вверху перемычки без отески камня. Арочные перемычки (рис. 5.11) позволяют перекрывать пролеты от 3.5м до 4м в зависимости от величины их подъема и применять марки раствора до М-4. Недостатком арочных перемычек является необходимость вести работы с применением кружал, что усложняет кладку стен. 77 Рис. 35. Клинчатая перемычка Рис. 36. Арочная перемычка Нормами установлены следующие зависимости между марками растворов, высотой перемычек, их пролетами и наименьшей высотой в долях к пролету, что дано в ниже приведенной таблице 3. Таблица 3 Наибольшие пролеты перемычек l м и наименьшая высота Марка Рядовых Клинчатых Арочных раствора в дов дов доl l l м при высоте лях, l лях, l лях, l подъема (1/8(1/5-1/6) 1/12) l l 50-100 2 0,25 2 0,12 3,5 4,0 0,06 25 1,75 0,25 1,75 0,12 2,5 3,0 0,06 78 10 4 1,5 1,25 0,16 0,20 2,0 1,75 2,5 2,25 0,08 1,00 а0 При вибрационных и ударных воздействиях, а также при неравномерной осадке стен устройство неармированных перемычек не допускается. Экспериментальные исследования рядовых перемычек с доведением их до разрушения показали, что в стадии разрушения происходит отслоение перемычки от верхней кладки стены. Трещина отслоения спускается ступенями к пятам. В середине пролета перемычки появляются трещины от растягивающих усилий. При таком характере разрушения перемычка в предельном состоянии работает как арочная конструкция, и в ней действуют силы распора. На основе этих опытов профессором Гвоздевым предложен соответствующий способ их расчета по стадии разрушения (рис. 37). H С H 450 H C-a 0 а0 e0 Рис. 37. Расчетная схема перемычки С учетом характера работы перемычек их расчетная схема показана на рис. 38 и представляет собой трехшарнирную арку, поэтому соответствующий распор определяется по формуле: H M . C 2a0 В перемычках с затяжкой (рис. 38) H M , h0 a0 79 а0 h0 M - балочный момент расчетный с учетом коэффициента где перегрузки); Рис. 38. Перемычка с затяжкой C - расчетная высота перемычки; ho - расстояние от верха перемычки до затяжки (арматуры); а0 - расстояние от верха и низа перемычки (табл. 4) до расчетных центров давления в замке и пятах. Таблица 4 Марка раствора a o в долях С* 100 0,10 50 0,12 25 0,15 10 0,20 4 0,25 * С = 0,25L – для рядовых; С = 0,12L – для клинчатых; С = 0,06L – для арочных. Нагрузка от собственного веса кладки и перемычки учитывается в размере 1 / 3l , а при зимних условиях оттаявшей кладки величиной l . Нагрузки на перемычки от балок и настилов перекрытий не учитываются, если они расположены в летних условиях выше квадрата кладки со стороной, равной пролету перемычки, и в зимних 80 условиях (для оттаявшей кладки) выше прямоугольника кладки с высотой, равной двойному пролету перемычки в свету (рис. 39). Рис. 39 При расчете перемычек проверяется прочность кладки перемычки в замке и пятах под действием возникающего в перемычке распора. Сила распора рассматривается как внецентренно приложенная в горизонтальном направлении с эксцентриситетом e 0,5C ao . При этом расчет растянутой зоны перемычки по раскрытию трещин не производится. В перемычках (рядовых) с затяжкой ее площадь определяется по формуле: As H . Rs При расчете крайних перемычек (у углов зданий) необходимо дополнительно проверять прочность пяты на срез и прочность углового простенка при действии силы распора от перемычки H . С учетом вертикального давления P (рис. 40) H ( Rsq 0.8 f o ) F , где o 0,9 P - среднее напряжение сжатия; F 81 f - коэффициент трения; F - площадь углового простенка. Рис. 40. Фрагмент стены 5.8. Расчет и конструирование стен и столбов, усиленных обоймами Применяют три основных вида обойм (рис. 41) – стальные(а), железобетонные (б), армированные штукатурные (в). Обоймы – один из эффективных способов увеличения несущей способности кладок, т.к. они препятствуют развитию поперечных деформаций, являющихся, как отмечалось, основной причиной разрушения кладок, заставляя работать кладку в условиях трехосного сжатия. Поэтому поперечное армирование играет, наряду с продольным, определяющую роль. Обоймы применяют для усиления конструкций, испытывающих осевое или внецентренное сжатие при эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения. Охарактеризуем каждое из указанных решений. Стальная обойма. Она состоит из двух, объединенных сваркой, основных элементов – вертикальных уголков и поперечных планок. Поэтому в расчетную формулу по оценке прочности вводятся сопротивления разрушению кладки с учетом наличия дефектов, уголков и планок: N ( N k N n ) N s' , 82 Рис. 41. Усиление кирпичных столбов обоймами а – металлической; б – железобетонной; в – армированной штукатуркой; 1 – планка f1 сечением 35х5 – 60х12мм; 2 – сварка; 3 – стержни диаметром 5-12мм; 4 – хомуты диаметром 4-10мм; 5 – бетон класса В7,5-В15; 6 – штукатурка (раствор марки 50-100). где 2,5 Rsw N (mg mk R ) A Rs As' , 1 2,5 100 N k mg mk RA ; 2,5 Rsw A; 1 2,5 100 N s' Rs As' . Nn При устройстве стальных обойм важным является включение ее элементов в работу. Для этого рекомендуются два способа производства работ: - применение струбцин для плотного, с усилием не менее 100кг, прижима продольных уголков с последующей приваркой планок; - установка вертикальных уголков на растворе с последующей зачеканкой швов раствором. 83 В практической деятельности авторами применяются преднапряженные стальные обоймы, в которых используются в качестве планок круглые стальные стержни. С их помощью создается преднапряжение двумя способами: - за счет резьбового соединения; - за счет стягивания стержней. Горизонтальное обжатие препятствует развитию поперечных деформаций, повышая сопротивление образованию трещин и несущую способность. К сожалению, экспериментальных исследований, направленных на изучение работы кладок в условиях всестороннего сжатия недостаточно, чтобы создать расчетный аппарат для их расчета. Железобетонные обоймы. Их выполняют из бетона классов В 10-15 с армированием вертикальными стержнями и сварными хомутами. Расстояние между хомутами должно быть не свыше 15см. Толщина обоймы назначается по расчету и принимается от 6 до 10см. Условие прочности учитывает сопротивление разрушению кладки ( N k ), бетона ( N b ) и сжатой ( N S/ ) и поперечной арматуры (NSW): N mg Nk Nsw Nb N s' , где N k mg mk RF ; 3 p Rsw F; 1 p 100 N b mb Rb Fb ; N sw N s' Rs As' . Обойма из раствора с армированием поперечной и продольной арматурой. Условие прочности записывается в следующем виде: N ( N k N sw ) A , где N k mg mk RA ; N sw 2,8 Rsw A. 1 2 100 84 Коэффициенты 1 и 1 при центральном сжатии, по аналогии с внецентренно-сжатыми элементами с сетчатым армированием, принимают в зависимости от эксцентриситета e o : 2eo ; h 4e 1 o . h 1 В приведенных выше формулах: N - продольная сила от внешней нагрузки; A - площадь сечения усиливаемой кладки; A's - площадь сечения продольных уголков стальной обоймы или продольной арматуры железобетонной обоймы; Ab - площадь сечения бетона обоймы, заключенная между хомутами и кладкой (без учета защитного слоя); R sw - расчетное сопротивление поперечной арматуры обоймы; R sc - расчетное сопротивление уголков или продольной сжатой арматуры; - коэффициент продольного изгиба (при определении значение принимается как для неусиленной кладки); m g - коэффициент, учитывающий влияние длительного воздействия нагрузки; m k - коэффициент условий работы кладки, принимаемый равным 1 для кладки без повреждений и 0,7 – для кладки с трещинами; mb - коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным 1 – при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу обоймы, 0,7 – при передаче нагрузки на обойму и отсутствии опоры снизу и 0,35 – без непосредственной передачи нагрузки на обойму; - процент армирования хомутами и поперечными планками, определяемый по формуле где h и b 2 As (h b) 100 , hbs - размеры сторон усиливаемого элемента; 85 - расстояние между осями поперечных связей при стальных обоймах ( h s b , но не более 50см) или между хомутами при железобетонных и штукатурных обоймах ( s 15 см). s 5.9. Особенности конструирования и расчета многослойных стен В последнее время многослойные стены начали применять для выполнения требований теплопроводности. Отдельные слои должны быть соединены между собой связями. Связи делятся на жесткие и гибкие. Их характеристика дана в п.п.6.30, 6.31 [1]. Связи должны обеспечивать перераспределение нагрузки между конструктивными слоями. Разница в прочности и деформативности материала слоев учитывается путем приведения площади сечения к материалу основного несущего слоя. При этом толщина слоев должна приниматься фактической, а ширина слоев (по длине стены) изменяться пропорционально отношению расчетных сопротивлений и коэффициентов использования прочности слоев по формуле: bred b где mi Ri , mR bred - приведенная ширина слоя; b - фактическая ширина слоя; R, m, Ri , mi - соответственно расчетные сопротивления и ко- эффициенты использования прочности слоя, к которому приводится сечение и любого другого слоя. Коэффициенты m( mi ) - табличные (табл. 22 [1]) от 1 до 0,7. В расчетах используется приведенная упругая характеристика кладок: red (1h1 21h2 ) /( h1 h2 ) , где 1 , 2 - упругие характеристики слоев; h1 ,h2 - толщина слоев. При расчете стен по прочности на центральное и внецентренное сжатие пользуются формулами, приведенными в теме 3, с некоторыми уточнениями входящих в них параметров согласно п.4.24 [1]. Расчет стен с облицовкой выполняется согласно п.4.28 [1]. При соединении слоев гибкими связями каждый слой рассчитывается раздельно на воспринимаемые им нагрузки. При этом 86 нагрузки от покрытия и перекрытий должны передаваться только на внутренний слой. Нагрузка от собственного веса утеплителя распределяется на несущие слои пропорционально их сечению. Расчет по прочности производится по формулам, приведенным в теме 3 с уточнением входящих в них параметров согласно п.4.25 [1]. Кроме расчетов по прочности следует выполнять расчеты по второй группе предельных состояний (тема 3). 5.10. Стены подвалов Наружные стены подвалов нагружены боковым давлением грунта и внецентренно приложенной вертикальной нагрузкой от перекрытия подвального этажа и веса вышележащей части стены (рис. 42). Рис. 42. Схема нагрузок на подвальную стену и эпюры М Подвальная стена рассчитывается как простая балка с двумя неподвижными шарнирными опорами. Нижняя опора считается шарнирной ввиду малой жесткости заделки по сравнению с жесткостью стен. Если бетонного пола нет, то за расчетную высоту стены H принимается высота подвала до подошвы фундамента. Величина временной нагрузки p (уголь, строительные материалы и пр.) на поверхности земли вблизи подвала принимается обычно равной p = 1000 кг/м2. Для удобства расчета временную 87 нагрузку заменяют добавочным эквивалентным слоем грунта высотой м : p 1000 , H np где - объемный вес грунта в кг/м3 (табл.12.3 [2]). Эпюра бокового давления грунта на стену подвала представляет собой трапецию с верхней и нижней ординатами q в и q н : qв nbH nptg 2 (45o / 2); qн nb ( H гр H np )tg 2 (45o / 2), где n - коэффициент перегрузки; H гр - высота эпюры давления грунта; b - расчетная ширина стены (обычно расстояние между осями оконных проемов); - расчетный угол внутреннего трения грунта. Стена подвала рассчитывается на внецентренное сжатие. Моменты в подвальной стене от бокового давления грунта могут быть определены по формуле: 2 x H H гр 1 H 2 M x гр (2qв qн ) x 3qв (qн qв ) ( x H H гр ) , 6 H гр где H - расчетная высота стены подвала; x - расстояние от верха стены подвала до рассматриваемого горизонтального сечения. 5.11. Подпорные стены Подпорные стены из каменной кладки целесообразно применять только при относительно небольшой их высоте. При высоте более 34м рекомендуется использовать железобетон. Подпорные стены должны быть сконструированы так, чтобы была исключена возможность их опрокидывания и скольжения и чтобы были обеспечены несущая способность стены и грунта в основании стены, а также в необходимых случаях трещиностойкость. В каменных подпорных стенах выполнение этих условий достигается за счет их массивности, а также выбора соответствующей формы. Подпорные стены могут быть безреберными и ребристыми. Как правило, подпорные стены делают книзу уширенными, и они 88 могут рассматриваться как консольные балки прямоугольного или таврового сечения. Профили подпорных стен могут быть самые разнообразные (рис. 43). Рис. 43. Подпорные стены разных профилей: а – прямоугольного; б – трапецеидального с наклонной передней гранью; в – трапецеидального с наклонной задней гранью; г – наклоненного в сторону засыпки; д – с выступающим передним нижним ребром; е – ступенчатого; ж – уголкового. При расчете подпорных стен учитываются основные, дополнительные и особые сочетания нагрузок в соответствии с существующей нормативной классификацией. При вертикальных стенах, если земля ограничена горизонтальной плоскостью, распределение горизонтального давления грунта определяется также, как при расчете стен подвала. Равнодействующая давления грунта определяется по формуле E 1 nH 2tg 2 (45o / 2). 2 Если помимо грунта имеется еще и временная нагрузка p , то равнодействующая давления грунта и этой нагрузки определяется по формуле E где 1 nH 2tg 2 (45o / 2) npH 2tg 2 (45o / 2) , 2 - объемный вес грунта в кГ/м3 ; n - коэффициент перегрузки объемного веса грунта; H - высота эпюры давления грунта; - расчетный угол внутреннего трения грунта. Сечения подпорной стены проверяются на внецентренное сжатие от веса и давления грунта. При проектировании подпорных стен должны быть удовлетворены требования устойчивости стены против скольжения и от опрокидывания. 89 5.12. Стены с продольным армированием Продольное армирование каменных конструкций применяют с целью повышения сопротивления кладки растягивающим усилиям, обеспечения монолитности и устойчивости отдельных частей и всего сооружения в целом. Продольное армирование используют в столбах и тонких стенах с гибкостью 15 , в элементах, подверженных динамическим нагрузкам, при сжатии – осевом и внецентренном, изгибе, осевом растяжении. Арматура укладывается внутри и снаружи элемента под слоем цементного раствора или в штрабе кладки с заполнением ее раствором (рис. 44). Рис. 44. Продольное армирование кирпичных конструкций ( столбов, стен и др. ) Из описанного не трудно заметить, что вертикальное расположение арматуры затрудняет производство работ. В связи с этим в последнее время каменные конструкции с продольным армированием применяются редко. При необходимости с расчетом таких конструкций рекомендуется ознакомиться с материалом, изложенным в пособии [ 4 ]. 5.13. Комплексные конструкции стен Комплексными считаются элементы каменной кладки с включением в них железобетона, работающего совместно с кладкой. При этом железобетон рекомендуется располагать с внешней стороны кладки (рис. 45), что позволяет контролировать качество выпол90 нения железобетона и является рациональным при внецентренном сжатии, изгибе. Включение в расчетное сечение элементов железобетона значительно повышает их несущую способность, позволяет уменьшить размеры сечения. Однако, также как при продольном армировании, наличие верти Рис. 45. Схемы сечение комплексных элементов: а – одностороннее расположение железобетона; б – расположение железобетона в штрабе кальных арматурных каркасов затрудняет производство работ, что сдерживает применение комплексных конструкций. Их расчет приведен в в [2, п.5.27 – 5.33]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СНиП II-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования./Госстрой России. – М.:ГУП ЦПП, 1999. – 40 с. 2. Справочник проектировщика (расчетно-теоретический) – М., 1960 г. 3. Соколов Б.С., Антаков А.Б. Исследование прочности элементов из каменной кладки. Сборник трудов «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции». Материалы 2-й международной конференции Чебоксары, 2001 г, с 107-110. 4. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций (к СНиП II-22-81) .ЦНИИСК им. Кучеренко. – М, 1989. – 149 с. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО МАТЕРИАЛУ ТЕМЫ № 5 91 1. Назовите типы каменных стен зданий. Дайте определение. 2. Что определяет принадлежность конструктивной схемы здания к тому или иному типу по степени пространственной жесткости? 3. Какие нагрузки учитываются при статическом расчете стен и какие параметры определяются? 4. Сколько стадий возведения учитывается расчетами стен здания с упругой конструктивной схемой? 5. Какие допущения вводятся при статическом расчете рамы здания с упругой конструктивной схемой? 6. Какие усилия воспринимают простенки? 7. Какие существуют типы деформационных швов? 8. Какие функции выполняют осадочные швы? 9. В каком интервале принимаются длины температурных блоков кирпичных зданий? 10. В каком случае проводится проверка на устойчивость положения стен здания? 11. Каково условие обеспечения устойчивости положения стены здания? 12. Для чего осуществляется анкеровка кирпичных стен и столбов? 13. Какая минимальная допустимая площадь сечения стального анкера? 14. Какое максимальное допустимое расстояние между стальными анкерами? 15. При каких условиях производится расчет анкеров? 16. Назовите типы каменных перемычек? 17. Какие типы обойм существуют? 18. Охарактеризуйте существующие типы обойм. 19. Какие конструкции усиляются обоймами? 20. Какой принцип реализуется при усилении конструкций обоймами? 21. Как выполняется включение стальной обоймы в работу? 22. Какой бетон применяется для устройства железобетонных обойм? 23. Какое максимальное расстояние принимается между хомутами железобетонной обоймы? 24. Как при расчете обойм учитывается наличие повреждений кладки? 25. Какие нагрузки учитываются при расчете подпорных стен? 26. Какие нагрузки учитываются при расчете стен подвалов? 27. Какова расчетная схема стены подвала? 28. Какие требования учитываются при проектировании подпорных стен? 29. Для чего применяется продольное армирование стен зданий? 30. Дайте определение комплексным элементам? К настоящему пособию прикладывается CD-диск с автоматизированным комплексом, включающим лабораторные и практические занятия, промежуточные и итоговое тестирование по курсу. Инструкция по установке и применению в файле «Инструкция». 92 Вопросы, замечания и предложения направляйте на antakof@mail.ru. Ниже приведен перечень контрольных вопросов, реализованных в автоматизированном учебном комплексе ( АУК ). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ И ИТОГОВОГО ТЕСТИРОВАНИЙ АУК В ходе автоматизированных тестирований предлагаются следующие контрольные вопросы с вариантами ответов. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. Контрольные вопросы к практическим занятиям № 1-3 Соотношение геометрических параметров конструкции, влияющее на гибкость, учитывается …… Классификация марок материалов, применяемых при расчетах: Какие требования предъявляются к каменным материалам? Какие требования к каменным материалам являются основными? Назначение раствора в кладке….. Классификация растворов по объемному весу …… Расчетное сопротивление кладки сжатию принимается в зависимости от ….. Метод предельного равновесия включает Расчеты должны обеспечивать надежность зданий и сооружений в процессе…… Расчет по предельным состояниям первой группы включает….. Расчеты по предельным состояниям второй группы включают …… Когда устанавливают конструктивные требования? Предельное состояние….. Расчет по первой группе предельных состояний производится на действие …… В результате расчетов по второй группе предельных состояний определяются…. Чему равен минимальный процент армирования армокаменной кладки? Шаг стержней арматурных сеток ….. Расчетное сопротивление армированных кладок не превышает …… Какое влияние оказывает косвенное армирование каменной кладки стальными сетками? Предельные относительные деформации растяжения кладки принимаются в интервале …. Предпосылки расчета продольно армированных растянутых, изгибаемых и внецентренно-сжатых конструкций по раскрытию трещин …… Чему равен максимальный шаг сеток S, при сетчатом армировании? Назовите основные виды армирования каменных кладок Условие прочности выполняется, если….. Какие классы арматурных сталей применяются при армировании ка93 менных кладок, и в каком виде? 26. Назовите новые типы сеток поперечного армирования кладок 27. Какие параметры должны иметь здания и сооружения для удовлетворения требованиям по безопасности? 28. Какие параметры должны иметь конструкции зданий и сооружений для удовлетворения требованиям по эксплуатационной пригодности? 29. Какие параметры должны иметь конструкции зданий и сооружений для удовлетворения требованиям по долговечности? 30. Чему равен максимальный шаг планок стальной обоймы? 31. Какие требования к каменным материалам являются основными? 32. Классификация растворов по объемному весу …… 33. Каким коэффициентом учитывается наличие повреждений кладки при расчете каменного элемента, усиленного стальной обоймой? 34. Расчеты должны обеспечивать надежность зданий и сооружений в процессе…… 35. Расчет по предельным состояниям первой группы включает….. 36. Процент армирования зависит от следующих характеристик: 37. Когда устанавливают конструктивные требования? 38. Поверочные расчеты выполняются по …… 39. Соотношение геометрических параметров конструкции, влияющее на гибкость, учитывается …… Контрольные вопросы к лабораторной работе № 1 1. Цель работы….. 2. Определение прочностных характеристик материалов кладки необходимо для…. 3. Вычисление теоретической величины несущей способности опытного образца необходимо для ….. 4. Измерения продольных и поперечных деформаций кладки осуществляются…. 5. В ходе испытания на каждом этапе фиксируются…. 6. Вычисление относительных деформаций кладки на i-ом этапе испытания производится….. 7. Расчетное сопротивление кладки сжатию принимается в зависимости от ….. Контрольные вопросы к лабораторной работе № 2 1. Косвенное армирование кладки….. 2. Метод тензометрии основан на измерениях…. 3. Учет армирования по методике СНиП осуществляется ….. 4. Измерения продольных и поперечных деформаций армированной кладки осуществляются…. Контрольные вопросы к лабораторной работе № 3 1. Предварительное загружение выполняется для ….. 2. Величина приращения нагрузки в процессе испытания принимается равной …. 3. Элементы стальной обоймы…. 94 4. Чему равен максимальный шаг планок стальной обоймы? 5. Каким коэффициентом учитывается наличие повреждений кладки при расчете каменного элемента, усиленного стальной обоймой? 6. Процент армирования зависит от следующих характеристик: 7. Поверочные расчеты выполняются по …… Контрольные вопросы к практическому занятию № 4 1. В чем заключаются особенности кладки из вибропрессованных бетонных блоков? 2. Какой нормативный документ регламентирует применение вибропрессованных блоков и кладок из них? Контрольные вопросы к практическому занятию № 5 1. Какие механизмы разрушения материалов кладки учитываются расчетным аппаратом физической модели? 2. Каких значений в соответствии с положениями физической модели разрушения анизотропных материалов в сжимающем силовом потоке достигают горизонтальные напряжения в средней зоне сжатого элемента? 3. Каких значений в соответствии с положениями физической модели разрушения анизотропных материалов в сжимающем силовом потоке достигают касательные напряжения на границе области трехосного сжатия под грузовыми площадками? 4. Каких значений в соответствии с положениями физической модели разрушения анизотропных материалов в сжимающем силовом потоке достигают вертикальные напряжения в средней зоне сжатого элемента? 5. В соответствии с геометрической схемой физической модели ядро сжатия – это….. 6. В предельном состоянии достижение расчетных величин сопротивлений растяжению, сдвигу и сжатию ( раздавливанию ) в соответствии с положениями физической модели происходит …. Контрольные вопросы к практическому занятию № 6 1. Расчетное значение высоты элемента l0 зависит …. 2. Шаг стержней арматурных сеток ….. 3. Расчетное сопротивление армированных кладок не превышает …… 4. Какое влияние оказывает косвенное армирование каменной кладки стальными сетками? 5. В условии прочности центрально сжатых элементов учитываются ….. 6. Назовите основные виды армирования каменных кладок 7. Условие прочности выполняется, если….. 8. Можно ли воспользоваться известным выражением из курса сопротивления материалов для оценки сопротивления образованию трещин 9. Назовите новые типы сеток поперечного армирования кладок Контрольные вопросы к практическому занятию № 7 1. Усиление кладки стальной обоймой….. 2. Предварительное загружение выполняется для ….. 3. Величина приращения нагрузки в процессе испытания принимается равной …. 95 4. Элементы стальной обоймы…. 5. Чему равен максимальный шаг планок стальной обоймы? 6. Каким коэффициентом учитывается наличие повреждений кладки при расчете каменного элемента, усиленного стальной обоймой? 7. Процент армирования зависит от следующих характеристик: 8. Поверочные расчеты выполняются по …… 9. Что следует предпринять, если при поверочных расчетах существующих конструкций получили Nсеч<N Контрольные вопросы к практическому занятию № 8 1. Усиление кладки стальной обоймой….. 2. Оценка необходимости усиления каменного элемента включает…… 3. Минимальная толщина бетона при устройстве железобетонной обоймы опалубочным способом принимается ……. 4. Максимальный шаг стержней сеток железобетонной обоймы и штукатурной рубашки …. 5. Марка штукатурного раствора для защиты стальных обойм и устройства рубашек…. 6. Каким коэффициентом учитывается наличие повреждений кладки при расчете каменного элемента, усиленного стальной обоймой? 7. Процент армирования зависит от следующих характеристик: 8. Коэффициент условий работы бетона при отсутствии непосредственной передачи нагрузок на обойму ….. Контрольные вопросы к практическому занятию № 9 1. Расчетная схема стен подвала…. 2. Какие нагрузки воспринимает стена подвала? 3. Стены подвалов должны ….. 4. Стены подвалов возводятся….. 5. Гидроизоляция стен подвалов влияет на …. Контрольные вопросы к практическим занятиям № 10-12 1. Расчетная схема каменной перемычки…. 2. Каменные перемычки бывают …. 3. Рядовая перемычка - это….. 4. Клинчатые перемычки могут выкладываться на растворах не менее … …. 5. При вибрационных и ударных воздействиях, а также при неравномерной осадке стен устройство ….. 6. Е – это... 7. u – это… 8. h-y – это… 9. е0 – это… 96 97
