3.2 Каменные и армокаменные конструкции

3.2.1. Физико-механич. св-ва камен кладок. Прочность каменной кладки зависит от прочности и вида камня и раствора, возраста кладки, ее качества, обусловленного квалификацией каменщика, и других факторов. 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.

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. Характерньre расчетные сопротивления приведены в Снипе.

Процность 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.

Если кладка под нагруз­кой испытывает осевое растя­жение то в зависимости от направления усилия может произойти разрушение по не­перевязанному сечению (рис. 16.3, а) либо по перевязанному сечению (рис. 16.3, б).

(рис1и2 в снипе)

Проч­ность по неперевязанному се­чению ниже чем по перевязанному. Прочность при осевом

растяжении используется, например, при расчете цилиндричес­ких резервуаров.

Деформация кладки под нагрузкой, как и деформа­ция бетона, складывается из упругой Е_е и неупругой Еpl составляющих.

Неупругие деформации про­являются при длительной нагрузке. Основные их источни­ком являются деформации пол­зучести, развивающиеся в рас­творных швах. При небольших напряжениях до 0,2 от времен­ного сопротивления кладки сжатию Ru кладка работает упруго, ее деформативность характеризуется модулем упру­гости (начальным модулем де­формации) Е0=tg φ_о, который для неармированной кладки определяется по формуле Е_о=αRu, здесь α-упругая ха­рактеристика кладки, зависящая от вида кладки и марки раствора; Ru=kR, где k-коэффициент, зависящий от вида кладки и равный 2 для кладки из кирпича и камней всех видов.

При более высоких напряжениях модуль деформа­ции - величина переменная и для каждого напряжения выражается тангенсом угла наклона в данной точке кри­вой «σ-ε». Для упрощения расчета принимают значение секущего модуля деформаций Е=σ/ε=tgφ1. В соответствии с нормами величина модуля деформаций кладки Е при расчете конструкций по прочности опреде­ляется по формуле Е=0,5Е₀.

3.2.2.Расчет элементов кам констр по нес способн.

Расчет проч центр сж эл.

Расчет неармир центр сж Эл по нес способ производят в предположении равномерного распределения напряжений по сечению по форм. N  м_g RA, (ф.10 СНиП), m_g-коэффициент снижении несущей способности вследствие ползучести кладки, определяется по форп.уле (16 Снип) при eog-0; φ - коэффициент, учитывающий снижение несущей спо­собности элемента за счет продольного изгиба, завися­щий от гибкости элемента и упругой характеристики кладки α

Гибкость элемента любой формы представляет со­бой отношение расчетной длины к радиусу инерцпи сечения λ=l₀/h, a прямоугольггого сечения λ_h=l₀/h, где h-­наименьший размер сечения.

Подбор сечений сжатых элементов производят путем последовательных приближений. 3адавшись маркой и ви­дом камня и раствора, находят по нормам расчетные со­противления кладки сжатию. Приняв м_g =1 и ~=0,9, по формуле 10 Снипа вычисляют размеры столба или стены. По найденным размерам определяют гибкость элемента, уточняют по снипу значен м_g и  и производят повторный расчет.

Р асчет прочн внецентренно сж эл-ов. На внецентренное сж раб конст-ии камен­. зд., в кот. продол. сж-ая сила N приложена с эксцентриситетом. При небольших эксцентриситетах все сеч. сжато, эпюра напряжений имеет криволинейное очертание (рис.б). По мере увелич.эксцентриситета сжи-ие напряж. со стороны, удаленной от силы, умень­ш., а затем меняют знак, т. е. возникает растяж. (рис.в). Когда раст-щие напряж. превысят прочн. шва на растяж., образуется трещ., распр-ся на нек-ую глуб. t (рис. г). После образ. трещ. продолжает раб. под нагр. только часть сеч. выс. h-t. Эксцентриситет приложения продол. силы N для этой части сеч. оказыв-ся уменьшенным (на величину t/2), т. е. сеч. раб. в усл., прибл-ся к центр-у сж.. Поскольку сж-ие напр-ия распределены по сеч. неравномерно, времен­ное сопр кл. сж. достигается первоначально в краевых участках. Однако при этом несущая способ.не исчерпывается, так как в наиболее на­груж-х уч-х вследствие ползучести развиваются значительные деформации, и тогда включаются в раб. менее загруж-е уч., кот. сдерживают по­перечные дефор. сж. зоны и тем самым повышают ее временное сопрот. по сравнению с временным сопрот. при центр-ом сж.. Это явление учит-ся при расчете коэффициентом ω.

Расчет внецентренно сжатых элементов производится по формуле(13 Снипа).

Расчет на местное сжатие (смятие). местное сжатие или смятие возникает в кладке при действии нагрузки на ограниченную область, т.е. только на часть сеч. В этом случае ненагруженная или менее нагруженная часть оказывает сопротивление поперечным деформациям, что приводит к повышению предела прочности кладки, подвергнутой местному сжа­тию. Несущая способность сечения при местном сжатии (ф17 Снипа) расчетное сопротивление клад­ки при местном сжатии (ф 18 Снипа.);

3.2.3.Расчет элем-ов кам конс-ий по образ-ю и раскр-ю трещин.

Расчет по образованию трещин и по деформациям для каменных и армокаменных конструкций производят на воздействие нормативных нагрузок при основных их сочетаниях. Расчет по раскрытию трещин (швов кладки) внецентренно сжатых неармированных каменных конструкций при е₀>0,7у на воздействие расчетных нагрузок. Если появление и раскрытие трещин в швах кладки не является опасным для прочности и устойчивости конструкции (внутренние перегородки, ненесущие стены), то расчет выполняют на воздействие нормативных нагрузок.

Расчет по образованию и раскрытию трещин (швов кладки) необходимо производить в следующих случаях:

1. Для внецентренно сжатых элементов конструкций при е₀>0,7у – на воздействие расчетных конструкций;

2. для смежных конструктивных элементов, работающих совместно и выполненных из материалов с различными деформативными характеристиками, или при значительной разнице в напряжениях, возникающих в этих элементах;

3. для сооружений, в которых по условиям эксплуатации не допускается образование трещин или ограничивается их раскрытие (резервуары, силосы);

4. для самонесущих стен, связанных с каркасами и работающих на поперечный изгиб.

В основу расчета положены следующие положения: распределение напряжений во внецентренно сжатом сечении линейное, как для упругого тела; учет работы растянутой зоны сечения, при этом напряжения в ней принимают равными условному краевому напряжению растяжения.

Проверку внецентренно сжатых неармированных сечений на образование и раскрытие трещин производят по формуле:

Где - к-т условий работы кладки при расчете по раскрытию трещин (швов кладки), - расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по неперевязанному сечению; y – расстояние от центра тяжести сечения до крайнего сжатого волокна; I – момент инерции сечения.

(ф 33 Снипа) см. также п5.4. и 5.5.

3.2.4. Расчет и констр. армированных элементов.

Сетчатое армирование (рис.). Это армир-е получило наибольшее распространение, т. к. просто в производстве раб. и эффект. применяется в кир­п. столб. и простенках мал. гибк. l₀/h<15 при небольших эксцентриситетах е_о<0,17h. Усиление ка­мен. сж. Эл-ов попер. армир. происходит благодаря тому, что арматурные стержни, ра­ботая на растяжение, препятствуют расширению кладки в поперечном направлении, повышая ее несущую способ­ность. Опыты показывают, что в центрально-сжатой клад­ке сетчатое армирование значительно эффективнее, чем продольная арматура, взятая в том же количестве. Поперечную арматуру применяют в виде прямоугольных сеток (рис. а) и сеток типа «зигзаг» (рис. б) из сталей классов А-1 и Bp-I. .Прямоугольные сетки требуют для своей укладки большой толщины шва и применяются при диаметре проволоки 3...6 мм. Сетки «зиг­заг» укладывают в двух смежных горизонтальных швах так, чтобы направление стержней в них было взаимно перпендикулярном. Две такие сетки равноценны одной прямоугольной, наибольшей диаметр проволоки в них 8 мм. Расстояние между стержнями (С1,С2) должно быть не более 12 см и не менее 3 см. С увеличением расстояния между сетками по высоте кладки s эффективность их работы падает, поэтому сетки укладывают не реже чем ч/з 5 рядов кладки из обыкновенного кирпича или 40 см для

для других видов камней. Степень насыщения кладки сетчатой арматурой характеризуется процентом μ арми­рования кладки по объему. Для сеток с квадратными ячейками для арматуры сечением Аst c paзмepoм ячейки с (Форм 28 см. ниже)

Расчет элементов с поперечным армированием при центральном сжатии производят аналогично расчету не­армированых элементов по ф-ле 26 Снипа.

П родольное армирование. Цель продольного арми­рования каменных конструкций повы­сить сопротивляемость кладки растягивающим усилиям и обеспечить монолитность и устойчивость отдельных кон­струкций и всего сооружения в целом. Продольная арматура может быть установлена внутри кладки или снаружи, в пазах или на поверхности в слое раствора. Во всех случаях продольная арматура связывается с кладкой хомутами. Для армирования кладки применяется арматурную сталь классов А-1-А-3 и проволоку Вр-1. Работа их аналогична работе ж/б констр., по­этому расчет их производят по той же методике, что и ж/б. Однако в отличие от последних в ценрально-сжатьх и изгибаемых элементах к моменту достижения в стали предела текучести сопротивление кладки используется лишь на 85%, после чего совместная рабо­та арматуры и кладки нарушается и начинается разрушение элемента. В связи с этим сопротивление кладки вводят в расчет с коэффициентом работы, равным 0,85. Расчетная формула для центрально-сжатых элементов с продольным армированием имеет вид. N≤mg*φ*(0.85*R*A+Rsc*Asc).

(Продолжение 3.2.4)Для усиления простенков чаще всего прибегают к устройству железобетонной или стальной обоймы. В первом случае по периметру простенка устанавливают арматурную сетку (с ячейкой 100Х100 или 150х150мм и диаметром стержней 6 мм) и оштукатуривают цементньым раствором. Если в сечении простенка соотношение сторон превышает 2,5:1, необходимо предусматривать промежуточное сквозное соедине­ние обоймы посередине простенка (рис. 16.4, а, б). Металлическую обойму выполняют из вертикальных уголков, расположенных по внеш­ним углам простенка и связанных стальными накладками, и так же, как железобетонную, оштукатуривают цементно-песчаным раствором (рис. 16.4, в). Если по расчету несущей способности простенка эти мероприятия недостаточны, в простенке устраивают железобетонные сердечники с гибкой или жесткой арматурой (рис. 16.4, г, д).

Рис. 16.4. Усиление простенков несущих стен: а, б-железобетонной обоймой; в -обоймой из прокатного металла; в -железобетонным сердечником; д -то же, металлическим; 1-кладка простенка; 2 - арматура; 3 - бетон; 4 - поперечная стальная связь; 5-стальиой уголок: 6-стальная планка; 7-арматурный каркас; 8 - стальной сердечник.