Каменные и армокаменные конструкции
Тема 16. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМЕННЫХ КЛАДОК
Общие сведения
● Каменная кладка состоит из искусственных или природных камней, объединенных в монолитный материал с помощью раствора. Каменные конструкции возводят уже в течение нескольких тысячелетий, но они до настоящего времени не утеряли своего значения и широко применяются в зданиях и сооружениях различного назначения в качестве наружных и внутренних стен, столбов, фундаментов и т. д.* Достоинствами их являются огнестойкость, хорошие тепло- и звукоизоляционная способности, долговечность, небольшие эксплуатационные расходы. Во многих случаях каменные материалы являются местными. К недостаткам их относятся большая собственная масса и значительные затраты ручного труда при возведении. Для устранения этих недостатков современные каменные конструкции во многих случаях проектируются с применением крупных блоков и панелей, обладающих большей степенью заводской готовности, повышающей качество и снижающей их трудоемкость.
Рис. 16.1. Типы армированных элементов:
а — с поперечным сетчатым армированием; б — с продольным армированием; в — комплексные конструкции; г — то же, с обоймой; 1 — кладка; 2 — сетки; 3 — продольные стержни; 4 — хомуты; 5 — бетон
* В настоящее время строительный кирпич выпускают в СССР в количестве более 40 млрд. шт. в год. Из кирпича и керамических камней в 1982 г. возведено 33 % гражданских и промышленных зданий общей площадью 28 млн. м2.
Для увеличения сопротивления силовым воздействиям кладка армируется стальными продольными стержнями, сетками или железобетоном. Конструкции из армированных кладок называют армокаменными (рис. 16.1, а, б), конструкции из кладки и работающего совместно с ней железобетона называют комплексными (рис. 16.1, в, г).
Материалы для каменных конструкций
Для каменных конструкций применяют искусственные и природные камни.
● К искусственным камням относятся: кирпич разных видов (керамический сплошной и пустотелый, силикатный и др., бетонные камни из тяжелого и легкого бетона, пустотелые керамические камни и др.). Керамический полнотелый и силикатный кирпич применяют для кладки несущих стен, столбов, керамический пустотелый — для кладки наружных стен отапливаемых зданий. Керамические и бетонные камни используют для возведения стен и перегородок, а крупные блоки из тяжелого бетона, кроме того, применяют для кладки стен фундаментов.
● Природные камни из тяжелых пород (известняки, песчаники, граниты) используют в основном для облицовки стен и кладки фундаментов, а из камней легких пород (туф, известняк, ракушечник) в некоторых районах возводят стены.
Основной характеристикой каменных материалов, применяемых в несущих конструкциях, является их прочность, характеризуемая маркой, которая обозначает временное сопротивление стандартных образцов при сжатии (кгс/см2). При определении марки кирпича дополнительно устанавливают его прочность при изгибе. Каменные материалы марок 250...1000 относят к материалам высокой прочности, марок 75...200 — средней прочности и марок 4...50 — низкой прочности.
К каменным материалам, применяемым для кладки наружных стен и фундаментов, предъявляют также требования по морозостойкости, водостойкости, объемной массе, проценту пустотности и др. Морозостойкость определяют марками, обозначающими количество циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которое выдерживают каменные материалы без видимых повреждений и без снижения прочности. Установленные нормами марки по морозостойкости изменяются от Мрз 10 до Мрз 300. Для наружных частей стен в зависимости от климатических условий и предполагаемого срока службы конструкции наиболее часто применяют камни Мрз 15...Мрз 50.
● Растворы для каменных кладок связывают между собой отдельные камни, передают усилия с одних камней на другие, распределяя их более равномерно по площади камня, уменьшают продуваемость кладки, заполняя швы между камнями.
В зависимости от применяемого вяжущего различают следующие виды растворов: цементные, известковые и смешанные (цементно-известковые и цементно-глиняные). Наибольшее распространение в каменной кладке получили смешанные цементно-известковые растворы. Растворы должны быть удобоукладываемыми, т. е. распределяться тонким слоем и заполнять неровности камня, что повышает качество кладки и производительность труда каменщика. После затвердения раствор должен обладать заданной прочностью и стойкостью к внешним воздействиям. Прочность раствора характеризуется его маркой — временным сопротивлением при сжатии (в кгс/см2) кубиков с ребром 7,07 см на 28-й день их твердения при температуре +15°С. Нормами установлены марки раствора от 4 до 200. Считается, что свежеуложенный раствор (или оттаявший раствор замороженной кладки) имеет нулевую прочность. Марку раствора для каменной кладки назначают с учетом требуемой долговечности и прочности. Для наружных стен зданий со сроком службы 50...100 лет с помещениями сухой и нормальной влажности марки растворов принимают не ниже 10, для подземной кладки и кладки цоколей при влажном грунте — не ниже 25.
Прочность каменной кладки
● Прочность каменной кладки зависит от прочности и вида камня и раствора, возраста кладки, ее качества, обусловленного квалификацией каменщика, и других факторов. Опыты показывают, что даже при центральном сжатии камни и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния. Это объясняется тем, что поверхность кирпича или бетонного камня не является ровной, а раствор в швах имеет неодинаковую плотность и толщину (рис. 16.2). Работу камня можно представить как работу жесткого тела, покоящегося на многочисленных беспорядочно расположенных опорах. В таком теле возникают изгибающие моменты, поперечные силы, а также участки с местным смятием. Кроме того, поперечные деформации раствора, существенно (до 10 раз) превышающие деформации керамического кирпича, вызывают в нем растягивающие усилия, снижающие прочность кладки.
Различают прочность кладки при сжатии, растяжении, срезе, местном смятии. В расчет вводят сопротивление кладок различных видов на растворах разных марок, установленные в результате статистической обработки испытаний стандартных образцов. Характерные расчетные сопротивления приведены в табл. 16.1 и 16.2 [5].
Прочность кладки при сжатии R применяют при расчете стен, столбов, простенков. Установлено, что эта характеристика всегда меньше прочности камня, какой бы высокой прочности не использовался раствор. Например, расчетные сопротивления кладки сжатию кирпича М200 на растворе М100 составляют R=2,7 МПа, на растворе марки 10 — R = 1,6 МПа, а при нулевой прочности раствора — R = 1,0 МПа.
● Если кладка под нагрузкой испытывает осевое растяжение, то в зависимости от направления усилия может произойти разрушение по не-перевязанному сечению (рис. 16.3, а) либо по перевязанному сечению (рис. 16.3,6). Прочность по неперевязанному сечению ниже, чем по перевязанному. Прочность при осевом растяжении кладки Rt (табл. 16.2) используется, например, при расчете цилиндрических резервуаров.
Рис. 16.2. Напряженное состояние камня в кладке:
1 - сжатие; 2 — растяжение; 3 — изгиб; 4 — срез; 5 — местное сжатие
Таблица 16.1.
Расчетные сопротивления сжатию кладки из
кирпича и керамических камней
| Марка кирпича или камня | Расчетные сопротивления, МПа, сжатию кладки из кирпича и керамических камней на тяжелых растворах | |||||||||
| при марке раствора | при прочности раствора | |||||||||
| 200 | 150 | 100 | 75 | 50 | 25 | 10 | 4 | 0,2 | нулевой | |
| 300 | 3,9 | 3,6 | 3,3 | 3,0 | 2,8 | 2,5 | 2,2 | 1.8 | 1,7 | 1,5 |
| 250 | 3,6 | 3,3 | 3,0 | 2,8 | 2,5 | 2,2 | 1,9 | 1,6 | 1,5 | 1,3 |
| 200 | 3,2 | 3,0 | 2,7 | 2,5 | 2,2 | 1,8 | 1,6 | 1,4 | 1,3 | 1.0 |
| 160 | 2,6 | 2,4 | 2,2 | 2,0 | 1,8 | 1,5 | 1,3 | 1,2 | 1,0 | 0,8 |
| 125 | - | 2,2 | 2,0 | 1,9 | 1,7 | 1,4 | 1,2 | 1,1 | 0,9 | 0,7 |
| 100 | - | 2,0 | 1,8 | 1.7 | 1,5 | 1,3 | 1,0 | 0,9 | 0,8 | 0,6 |
| 75 | - | - | 1,5 | 1,4 | 1,3 | 1,1 | 0,9 | 0,7 | 0,6 | 0,5 |
| 50 | - | - | - | 1,1 | 1,0 | 0,9 | 0,7 | 0,6 | 0,5 | 0,35 |
| 25 | - | - | - | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,45 | 0,4 | 0,25 |
Таблица 16.2.
Расчетные сопротивления кладки из сплошных камней
| Вид напряженного состояния | Расчетные сопротивления, МПа, кладки из сплошных камней | ||||
| при марке раствора | при прочности раствора 0,2 | ||||
| 50 и выше | 25 | 10 | 4 | ||
| Осевое растяжение Rt: | |||||
| по неперевязанному сечению (рис. 16.3, а) | 0,08 | 0,05 | 0,03 | 0,01 | 0,005 |
| по перевязанному сечению для кладки из камней правильной формы (рис. 16.3, б) | 0,16 | 0,11 | 0,05 | 0,02 | 0,01 |
| Растяжение при изгибе Rtb: | |||||
| по неперевязанному сечению | 0,12 | 0,08 | 0,04 | 0,02 | 0,01 |
| по перевязанному сечению (рис. 16.3, в) для кладки из камней правильной формы | 0,25 | 0,16 | 0,08 | 0,04 | 0,02 |
| Срез Rsq: | |||||
| по неперевязанному сечению | 0,16 | 0,11 | 0,05 | 0,02 | 0,01 |
Рис. 16.3. Растяжение кладки:
а — по неперевязанному сечению; б — по перевязанному сечению; 1—1; 2—2 — проходящему по раствору; 3—3 — проходящему по кирпичу; в — растяжение кладки при изгибе
● В нормах приведены также расчетные сопротивления кладки на растяжение при изгибе Rtb и срезе Rsq (табл. 16.2), используемые, например, при расчете обсыпных подпорных стен с вертикальными контрфорсами (рис. 16.3, в).
