Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Напряженно-деформированное состояние и теория сопротивления кладки

20.12.2018

Прочность каменной кладки зависит от прочности камня и раствора, формы, размеров и наличия пустот в камне, качества кладки и ухода за ней, схемы перевязки камней, и некоторых других, менее важных факторов. В вертикальных швах нарушается сцепление раствора с камнем из-за усадки раствора при твердении, и потому эти швы почти не участвуют в работе при действии на кладку сжимающих усилий. При этом нагрузка на нижележащие слои кладки передается через горизонтальные швы неравномерно, так как плотность и жесткость раствора по длине шва неодинаковы, а опорные плоскости камней обычно неровны. Неравномерность передачи усилий сжатия проявляется в том, что они действуют более интенсивно в местах плотного соприкосновения раствора и камня, что вызывает в камнях действие напряжений сжатия, изгиба и среза; ввиду неравномерных поперечных деформаций в горизонтальных швах и камнях возникают касательные напряжения по плоскостям соприкосновения, приводящие к растяжению камней.

Нагрузка трещинообразования для кладок зависит от прочностных и деформативных свойств кирпича и раствора, а также типа кладки. Деформативные свойства раствора определяются видом раствора и его возрастом: наиболее деформативны известковые растворы, наименее — цементные, они жестче известковых растворов. Поэтому появление незначительных трещин в кладке на известковом растворе менее опасно, так как имеется запас прочности; в то же время такие же трещины в кладке на цементном растворе свидетельствуют о перегрузке и необходимости усиления кладки. Прочность кладки всегда меньше прочности камня. Поэтому предельной прочностью кладки на сжатие считается средняя величина, учитывающая прочность камня, раствора и вид кладки. Предел прочности кладки при сжатии можно определить по эмпирической формуле Л.И. Онищика (формула в настоящее время не используется в расчетах):

где А < 1 — конструктивный коэффициент, зависящий от прочности камня; R1 и R2 — пределы прочности камня и раствора; а и b — опытные коэффициенты, учитывающие тип кладки; n — поправочный коэффициент для кладок на растворах низких марок

При силовых воздействиях на кладку составляющие ее материалы (кирпич или другой камень, раствор), работают совместно. При центральном сжатии кладки наряду с деформациями сжатия по направлению действия силы всегда действуют деформации поперечного расширения (рис. 3.7). Камень как более жесткий материал сдерживает поперечные деформации менее жесткого раствора. Поэтому кирпич (камень: работает на растяжение, а менее жесткий раствор — на сжатие (см. рис. 3.7). Поперечные растягивающие усилия являются одной из главных причин разрушения кладки, особенно при растворах низкой прочности. Каменная кладка — это монолитный неоднородный упругопластический материал. Даже при идеальном равномерном распределении нагрузки по всему сечению сжатого элемента, камень и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния: они одновременно испытывают действие внецентренного сжатия, изгиба, растяжения, среза, смятия (см. рис. 3.7). Причинами таких особенностей работы камня и раствора являются:

1. Неоднородность распределения прочности и деформативности растворных швов.

2. Различие всасывающей способности камня и водоудерживающей способности раствора на различных участках соприкосновения; неравномерность усадка раствора.

3. Различие деформативных свойств камня и раствора; развитие касательных напряжений по плоскостям контакта камня и раствора; растяжение камня; появление трещин.

4. Концентрация напряжений вблизи пустот и отверстий ввиду наличия пустот в вертикальных швах кладки, и отверстий в пустотелых кирпичах и камнях.

5. Концентрация напряжений на выступающих частях камней, расклинивающее влияние камней друг на друга ввиду отличия камней по размерам и форме (см. рис. 3.7).

Даже при самых прочных растворах используется не более 30% прочности камня. Поэтому применение для обычных кладок растворов высоких марок (более 75) неэкономично. Прочность камня используется меньше всего в бутовой кладке, ввиду неровности постели рваного бута. Прочность кладки из камней правильной формы возрастает с увеличением высоты ряда камня, что объясняется большей сопротивляемостью камня изгибу (момент сопротивления возрастает пропорционально квадрату высоты). Прочность раствора оказывает большое влияние на прочность бутовой кладки, меньше ее влияние на прочность кирпичной кладки, еще меньше — на прочность кладки из блоков, и практически она не влияет на прочность кладки из крупных блоков. Бутобетонная кладка не подчиняется формуле Л.И. Онищика: ее прочность в большой степени зависит от марки раствора. Разрушение кирпича в кладке от сжатия происходит в последней стадии загружения, после расслоения кладки на столбики, вследствие перегрузки отдельных столбиков и кирпичей.

Эксперименты позволили установить, что прочность кладки при сжатии зависит от марки камня и марки раствора. С ростом прочности кирпича и раствора прочность кладки возрастает до определенного предела. При сжатии отдельные кирпичи в кладке работают на изгиб и срез, поэтому марку кирпича устанавливают по его прочности на сжатие и изгиб. Изгиб и срез отдельных кирпичей происходит из-за неравной плотности раствора в шве; это в большей степени проявляется при слабых растворах. На прочность кладки влияют форма поверхности кирпича и толщина шва: чем ровнее кирпич и тоньше шов, тем прочнее кладка. На прочность кладки влияет также толщина стены (при уменьшении размеров сечения кладки ее прочность возрастает, ввиду уменьшения количества швов), различие деформативных свойств кирпича и раствора. Поперечное расширение кирпича при сжатии в 10 раз меньше поперечного расширения раствора. Поэтому при сжатии кладки в кирпиче возникают растягивающие усилия вследствие большего удлинения раствора шва, который и растягивает кирпич благодаря сцеплению кирпича с раствором. Прочность кладки возрастает с течением времени вследствие возрастания прочности раствора. На прочность кладки при сжатии практически не влияет система перевязки и сцепление раствора с кирпичом.

Подобно бетону каменная кладка в конструкциях имеет свойство ползучести (увеличения деформаций с течением времени при постоянной нагрузке), которое особенно заметно в начальный период загружения. Влияние деформаций ползучести на прочность и деформативность кладки учитывают с помощью коэффициента mg (см. ниже).

Наиболее характерным напряженным состоянием каменной кладки является ее сжатие в стенах и колоннах (столбах). При вертикальном сжатии в натурных образцах кладки проявляются вертикальные трещины, идущие, как и в железобетоне, вдоль изостат (рис. 3.8). Трещины отрыва проходят через швы и кирпичи. Система перевязки кладки имеет небольшое значение.

Процесс изменения напряженно-деформированного состояния каменной кладки при сжатии делят на четыре стадии (рис. 3.9). В I стадии кладка работает без повреждений или дефектов. Затем при увеличении внешней нагрузки наступает II стадия, в отдельных камнях образуются местные вертикальные трещины, распространяющиеся в пределах 1...3 рядов кладки.

Эти трещины в кирпичной кладке возникают из-за работы кирпичей на изгиб и срез ввиду неравномерной плотности раствора в швах кладки, когда напряжения сжатия составляют около 15...25% предела прочности кладки на сжатие. При этом деформации изгиба отдельных кирпичей могут быть чрезмерны, до 0,1...0,4 мм. В процессе загружения во II стадии напряжения в кладке составляют 50...70% предела прочности. Первые трещины не опасны, при постоянной нагрузке они не растут. По достижении напряжениями в кладке 80...90% предела прочности наступает III стадия работы: вертикальные трещины, развиваясь по высоте, соединяются друг с другом, расчленяя элемент на столбики. И, наконец, когда напряжения достигают предела прочности, наступает IV стадия, при которой происходит разрушение от потери устойчивости отдельных столбиков, образовавшихся в III стадии (это — полное разрушение кладки). Четвертая стадия работы, наблюдаемая только в лабораторных условиях при быстром приложении внешней нагрузки, обычно исключается из рассмотрения, и разрушением реальных конструкций можно считать достижение 80...90% от предела прочности в III стадии.

В каменной кладке могут проявляться силовые деформации, развивающиеся обычно вдоль направления действия силы, и объемные деформации, возникающие во всех направлениях вследствие усадки раствора и камня или от изменения температуры. Усадочные и температурные деформации кладки зависят от материала кладки и коэффициента ее линейного расширения. В кладке при действии на нее нагрузки, начиная с небольших напряжений, развиваются и упругие, и пластические деформации; зависимость между напряжениями и деформациями не подчиняется закону Гука. Силовые деформации зависят от характера приложения нагрузки, они могут быть трех видов: деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой; деформации при длительном действии нагрузки; деформации при многократно повторных нагрузках. Если каменную кладку нагружать очень быстро и довести до разрушения за несколько секунд, то в ней развиваются только упругие деформации; она работает как упругий материал, и зависимость между напряжениями и деформациями будет линейной. Если каменную кладку в лабораторных условиях загружать до разрушения постепенно, в течение одного часа, то зависимость между напряжениями и деформациями будет нелинейной; такая кривая зависимости о—e показана на рис. 3.9. Таким образом, полные деформации будут слагаться из упругих и неупругих. В этом случае модуль деформации кладки E будет переменным E = do/dе = tgф. С возрастанием напряжения угол ф уменьшается вместе с модулем деформаций.

Деформативность кладки при сжатии определяют на основании экспериментальных зависимостей между напряжениями и относительными деформациями. В неоднородной каменной кладке развиваются упругие и пластические деформации, поэтому зависимость между напряжениями и деформациями криволинейна. Прямо пропорциональная зависимость в каменной кладке заметна только на начальном участке диаграммы при небольших напряжениях, поэтому значение тангенса угла наклона касательной к кривой в начале координат называют начальным модулем упругости. Наибольшее значение E0 будет при ф = фо

где а — упругая характеристика кладки, принимаемая по нормам в зависимости от типа кладки и марки раствора в пределах 200...2000. Полные деформации каменной кладки включают упругие и неупругие деформации, и тогда модуль деформаций — тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой о—е

В практических расчетах переменный модуль деформации принимают постоянным и определяют по формуле

Кроме наиболее часто встречающегося состояния сжатия каменной кладки, реже наблюдается работа кладки на местное сжатие, растяжение, срез и изгиб (рис. 3.10). При работе на изгиб кладка испытывает сжатие в верхней зоне и растяжение в нижней. В этом случае возможны два варианта разрушения: по перевязанному и неперевязанному сечениям. В связи с тем, что прочность кладки при растяжении значительно ниже (в 10...20 раз), чем при сжатии, прочность кладки при изгибе в основном определяется ее работой в растянутой зоне элементов. Экспериментально установлено, что временное сопротивление кладки растяжению при изгибе по неперевязанному сечению в 1,5 раза больше сопротивления кладки осевому растяжению.

При местном сжатии (смятии) сжимающие напряжения передаются не по всей площади сечения кладки, а только по ее части. Предел прочности загруженной части кладки при местном сжатии, как показали экспериментальные исследования, выше предела прочности кладки при равномерном сжатии, причем он тем выше, чем меньше площадь смятия А по сравнению с расчетной площадью сечения А. Это объясняется тем, что незагруженная часть сечения оказывает сопротивление поперечным деформациям загруженной части (эффект «обоймы»).

Прочность каменных кладок при работе на растяжение, срез, изгиб существенно связана с величиной сцепления между раствором и камнем. В кладке различают два вида сцепления: нормальное и касательное; касательное сцепление в два раза больше нормального. Величина сцепления возрастает с увеличением марки раствора, при более шероховатой и незагрязненной поверхности камня, при его увлажнении. Сцепление нарастает во времени и достигает 100% через 28 суток. В вертикальных швах кладки, вследствие усадки раствора при твердении, сцепление его с камнем значительно ослабляется или совсем нарушается с одной из прилегающих боковых поверхностей камня. Поэтому в расчетах сцепление учитывается только в горизонтальных швах кладки. При растяжении кладка может разрушиться по неперевязанному и по перевязанному шву.

Растяжение кладки по неперевязанному шву (см. рис. 3.10) в чистом виде практически не встречается. При неперевязанном сечении кладка разрушается в большинстве случаев по плоскости соприкосновения камня и раствора в горизонтальных швах (возможно разрушение по раствору, в пределах камня, по плоскости, проходящей через два или три перечисленных сечения). При растяжении кладки по перевязанному шву разрыву сопротивляются участки горизонтальных швов, вертикальные швы не учитываются. Разрушение кладки может происходить либо по раствору, либо по камням и частично по раствору при прочных растворах и малой прочности камня. Если предел прочности раствора при растяжении меньше сцепления между камнем и раствором, то кладка разрушается по раствору. Срез кладки, как и растяжение, может быть по перевязанному и неперевязанному шву. При действии усилий вдоль горизонтальных швов может произойти срез по неперевязанному шву. Сопротивление срезу оказывает касательное сцепление раствора с камнем. При действии усилий перпендикулярно горизонтальным швам может произойти срез по перевязанному шву. Изгиб в каменной кладке вызывает растяжение, которым определяется прочность кладки по растянутой зоне. Однако, если определить разрушающий момент как для упругого материала, приняв в растянутой зоне расчетное сопротивление Rt (как для центрального растяжения), то разрушающий момент оказывается примерно в 1,5 раза меньше, чем при натурных испытаниях. Это объясняется тем, что момент внутренних усилий определялся, исходя из треугольной эпюры распределения нормальных напряжении как для упругого тела (см. рис. 3.10). Ho ввиду развития пластических деформаций, эпюра нормальных напряжений криволинейна (см. рис. 3.10); если ее принять прямоугольной (что близко к фактической эпюре), то разрушающий момент примерно в 1,5 раза больше, чем при упругой работе. Армирование кладки выполняют для повышения ее прочности, устойчивости, трещиностойкости (рис. 3.11). Арматурные сетки в швах кладки препятствуют развитию поперечных деформаций. При армировании кладки используют поперечные сетки и продольные (горизонтальные и вертикальные) сетки и стержни. Наиболее распространенным видом армирования является установка арматурных сеток в горизонтальных швах. Возможна установка вертикальной арматуры с ее защитой цементно-песчаной штукатуркой (в итоге получается железобетонная обойма в стене).

Особым видом армирования стен является устройство арматурных поясов из железобетона, размещаемых по всей высоте здания в уровне перекрытий (см. рис. 3.11). Эти пояса могут размещаться внутри стены или по всей ее ширине. Их устраивают при необходимости восприятия стенами здания дополнительных вертикальных деформаций вследствие неравномерных осадок фундаментов (то есть в условиях сложных напластований неравномерно сжимаемых грунтов).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: