Лекция 2. Нагрузки и воздействия

Всю совокупность нагрузок можно разделить на природные и искусственные.

Природные:

• Метеорологические;

• Гравитационные;

• Сейсмические.

От продолжительности действия:

• Постоянные;

• Временные (могут быть длительные, кратковременные и особые).

Различают нормативные и расчетные нагрузки.

Расчетные нагрузки – это максимально возможные за все время существования конструкции. Расчетные получаются путем умножения их нормальных значений на коэффициент надежности по нагрузке _, который учитывает изменчивость нагрузок и отступление от нормальной эксплуатации. Таким образом, коэффициент надежности по нагрузке _ - это отношение расчетной к нормативной нагрузке.

Расчетные нагрузки повторяются редко (ветровая и снеговая – 1 раз в 10 лет; нагрузки на междуэтажные перекрытия – 1 раз в 20 лет) и используются при расчете по 1-ой группе предельных состояний.

Расчеты по 2-ой группе предельных состояний ведутся также с учетом коэффициент надежности по нагрузке _, но в этих расчетах его численное значение обычно равно 1.

При определении продольных усилий для расчета колонн, стен и фундаментов, воспринимающих нагрузки от двух перекрытий и более, полные нормативные значения нагрузок, указанные в таблице, следует снижать умножением на коэффициент сочетания _n < 1.

При расчете конструкций и оснований на основные сочетания, включающие одну временную (длительную или кратковременную) нагрузку, значение последней должно учитываться без снижения, а при расчете на основные сочетания, включающие две или более временные нагрузки, расчетные значения этих нагрузок или соответствующих им усилий должны умножаться на коэффициент сочетания: для длительных нагрузок ₁=0,95; для кратковременных ₂=0,9.

При возможности разграничения удельного влияния учитываемых в расчете трех и более кратковременных нагрузок на усилия (перемещения) в конструкциях и основаниях допускается учитывать их расчетные значения в основном сочетании следующим образом: первую по степени влияния нагрузку принимать без снижения; вторую – с коэффициентом ₂=0,8; остальные – с коэффициентом ₂=0,6.

Лекция 3. Каменные и армокаменные конструкции

Каменные конструкции - наиболее древние, поскольку простейшие их виды можно было выполнять примитивными инструментами. В течение многих веков основным строительным материалом был камень. Известны сооружения из необработанных естественных камней еще каменного века. До наших дней сохранились гробницы египетских фараонов – пирамиды, возведённые из огромных тёсанных камней. Высота самой большой из них – пирамиды Хеопса, возведённой около 2700 г. До н.э. в Гизе, равна 146,6 м (ныне – 137 м); для постройки пирамиды было использовано 2,3 миллиона камней весом от 2,5 до 30 тонн.

Позже для каменных конструкций применяли естественный камень, кирпич — как сырец, так и обожженный. Сырцовый кирпич использовался ещё 8 тысяч лет назад, позже распространение получил более прочный и долговечный обожжённый кирпич. В Древнем Египте обожжённый кирпич стал использоваться с XIV в до н.э., в III в. до н.э. часть Великой китайской стены была возведена из обожжённого кирпича.

Опыт применения каменных конструкций в древности насчитывает большое количество исключительно интересных сооружений. К ним, например, относятся Колизей в Риме  ( I в. н.э.), многоярусные акведуки в Сеговии ( Испания, II в. н.э.), Пантеон в Риме  ( II в. н.э.), Софийский собор в Константинополе  ( VI в. н.э.) и многие другие

На Руси обожжённый кирпич и известковый раствор широко применялись в строительстве. Примером может служить Десятинная церковь в Киеве ( XXI вв.). Дальнейшее распространение каменных конструкций в России продолжилось в XV веке. После строительства Аристотелем Фиораванти в 1478 г. Успенского собора в Москве в разных городах России отмечается интенсивное развитие строительства из кирпича и камня. Яркими примерами монументаль-ных каменных сооружений, иллюстрирующими богатую историю отечественного зодчества, служат Московский Кремль и кремли других городов России, Храм Василия Блаженного в Москве, построенный Постником Бармой, творения выдающихся зодчих Баженова В.И., Казакова М.Ф., Захарова А.Д., Воронихина А.М. и многих других.

Каменные конструкции, имеющие корни, уходящие далеко в глубь тысячелетий, актуальны и по сей день, и, благодаря своим положительным качествам, широко используются в современном строительстве.

В общем случае каменная кладка представляет из себя композитную конструкцию, образованную кладочными элементами – камнями, соединёнными между собой кладочным раствором. В качестве кладочных элементов используются стеновые изделия на основе природных и искусственных каменных материалов.

Каменные материалы подразделяют:

• по происхождению – на природные и искусственные;

• по величине – камни крупные, мелкоштучные и кирпич;

• по материалу – искусственные: глиняные, силикатные, бетонные, легкобетонные, ячеистые; природные: гранит, известняк, туф и др.

Основная характеристика каменных материалов – прочность на сжатие, определяемая маркой по временному сопротивлению сжатию. Установлены для каменных материалов марки 4-1000 (кгс/см²).

Важное свойство –морозостойкость Мрз (от Мрз 10 до Мрз 300). Для стен зданий сроком службы 100 лет Мрз  25.

Бетонные стеновые изделия

По объёмному весу бетона камни подразделяются на три группы:

• блоки из тяжёлых бетонов  ( плотностью более 1800 кг/м3 );

• блоки из лёгких бетонов  ( плотностью до 1800 кг/м3 );

• блоки из ячеистых бетонов  ( плотностью менее 1200 кг/м3 ).

Плотность бетона определяется его структурой и видом заполнителя. Тяжёлые бетоны для камней изготовляют на щебне и гравии плотных каменных пород, а также на металлургических шлаках. Лёгкие бетоны – на щебне и гравии пористых естественных и искусственных материалов  ( туфа, пемзы, керамзита, гранулиро-ванных шлаков ). Ячеистые бетоны получают путём искусственного порообразования смеси вяжущего, кремнезёмистого компонента и воды при помощи газообразователя  ( газобетон, газосиликат )  или пенообразователя  ( пенобетон, пеносиликат ).

Бетонные камни изготавливаются сплошными и пустотелыми. Пустотелые камни могут иметь сквозные пустоты и пустоты, пере-крытые сверху диафрагмой. Действующим стандартом (ГОСТ 6133‑84) установлена предельная масса бетонного камня - 31 кг. Средняя плотность пустотелых камней не должна быть более 1650 кг/м³, полнотелых камней – 2200 кг/м³. Основные типы бетонных камней имеют размеры 390190188 мм  (целый камень) и 39090188 мм  (продольная половинка).

В Республике Башкортостан с 1994 года началось освоение новой для отечественных строителей продукции – высокопустотных вибропрессованных бетонных блоков.

Такая продукция производится на вибропрессовом оборудовании линий фирмы «Besser» ( США )  в г. Уфе и г. Салавате на следующих предприятиях:  СП «Интерстройсервис» АО КПД, СП «Берлек» АО БНЗС  и  ОАО «Бессер-блок»  Дорстройтреста КбшЖД.

Основным звеном этих линий является вибропрессовое оборудование, на котором производится формовка изделий из достаточно жёстких бетонных смесей с пониженным расходом цемента и низким водоцементным отношением. Одновременное воздействие вибрации и прессования позволяет получать на таких бетонных смесях камни высокой прочности, имеющие точные геометрические размеры с малыми допусками. Многообразие прессформ расширяет возможности этого оборудования и позволяет производить изделия широкой номенклатуры на одной и той же линии, путём несложной операции по замене матрицы и прессующего башмака.

• Эффективность наружных стен зданий с применением высокопус-тотных вибропрессованных бетонных блоков на стадии строительства обусловлена следующими их достоинствами:

• оптимальность по конфигурации, обеспечивающая значительное повышение эффективности использования материала по сравнению с полнотелыми изделиями в конструктивных элементах, работающих на сжатие (несущие стены зданий, столбы, колонны), разрушение которых предопределяется потерей устойчивости;

• специфика конфигурации, позволяющая использовать высоко-пустотный блок как опалубочный элемент с возможностью после-дующего создания внутреннего каркаса по сборно-монолитной технологии путем обетонирования пустот и введения вертикальной и поперечной рабочей арматуры;

• высокая точность изделий, изготавливаемых на вибропрессовом оборудовании, стабильность геометрических размеров изделий, позволяющая обеспечить высокое качество кладки;

• сравнительно малый вес основного типа изделия, эквивалентного по объему 8 стандартным кирпичам (15 - 18 кг);

• возможность формирования на основе этих изделий тонкостенных несущих конструкций, обеспечивающих значительное снижение расхода конструкционного материала и до 2 - 3 раз нагрузки от собственного веса стены, минимизацию изгибающего момента от опорной реакции плиты перекрытия на несущий слой наружной стены здания.

Передача усилий от камня к камню при действии нагрузки происходит не по всей площади опирания, а по отдельным точкам соприкосновения раствора с камнем. Основной причиной разрушения сжатого камня являются возникающие при этом напряжения изгиба и растяжения.

Сложное напряжённое состояние, форми-рующееся в элементах каменной кладки, яв-ляется причиной, с одной стороны, неполной реализации в структуре кладки прочностных характеристик на сжатие камней, с другой – значительного превышения предела проч-ности кладки на сжатие относительно проч-ности кладочного раствора. На эксплуатаци-онной стадии упрочнение кладочного цемен-тно-песчаного раствора на сжатие соответ-ствует напряжениям, равным 50…100% значения расчетного сопротивления

Наряду с благоприятным для прочности кладки упрочнением кладоч-ного раствора, в кладочном камне в условиях действия сжимающей нагрузки формируются разупрочняющие кладку напряжения растяже-ния  _by , составляющие до  0,02…0,04 от величины сжимающего напряжения.

Стадии работы кладки:

I - до появления трещин (50% разрушающей нагрузки) – нормальная эксплуатация;

II - появление небольших трещин в отдельных кирпичах (50-70% разрушающей нагрузки);

III - появление вертикальных трещин, пересекающих несколько рядов кладки;

IV - разрушение кладки от потери устойчивости ввиду ее полного расчленения.

Развитие трещин по высоте кладки, расчленение ее на отдельные гибкие столбики, которые выпучиваясь теряют устойчивость и приводят к разрушению кладки, показывают, что предельная прочность кладки на сжатие (временное сопротивление) R_u всегда меньше прочности камня R₁, какой бы высокой прочности ни был раствор:

R_u = K_k R₁,

где К_к – конструктивный коэффициент, для кирпичной кладки К_к = 0,5…0,6; для бутовой К_к = 0,15…0,25.

Прочность кладки при сжатии R применяют при расчете стен, столбов, простенков. Если кладка под нагрузкой испытывает осевое растяжение, то в зависимости от направления усилия может произойти разрушение по неперевязанному (а), либо по перевязянному сечению (б).

Временное сопротивление кладки осевому растяжению по неперевязанному сечению R_ut равно нормальному сцеплению раствора с камнем:

R_ut = S = 3,6 / (1+50 / R₂),

где R₂ – марка раствора.

Для кладки из камней правильной формы временное сопротивление кладки осевому растяжению по перевязанному (ступенчатому) сечению R_ut1 принимают:

R_ut1 = Т (с/d) = 7,2 c / (1+50 / R2) d,

где с и d – глубина перевязки и высота одного ряда кладки.

Сопротивление кладки разрыву по камню и вертикальным швам определяется только прочностью на растяжение самого камня R_tk:

R_ut2 = 0,5 R_tk

В расчетах кладки на растяжение по перевязанным сечениям принимается меньшая из двух величин R_ut1 и R_ut2.

Деформативные свойства кладки при сжатии

Для идеально упругих тел зависимость между напряжениями  и относительными деформациями  выражается в соответствии с законом Гука прямой линией, отношение  /  постоянно, называется оно модулем упругости

Е_упр =  /  = const

Кладка из-за неоднородности не является упругим материалом.

Зависимость  -  - криволинейна. Под действием нагрузки в ней развиваются упругие _y и пластические _pl деформации, причем доля пластических (необратимых) деформаций с увеличением нагрузки резко возрастает.

Модуль упругости – переменный и постоянную величину он имеет только в начале координат (до 0,2R_u). Начальный модуль упругости

_о = R_u

где  - упругая характеристика кладки, принимаемая по СНиП II-22-81.

Модуль деформаций при эксплуатационных нагрузках (0,3-0,5R_u) для упрощения принимается  = 0,8_о.

При длительном воздействии нагрузки кладка обладает свойством ползучести. Деформации ползучести заметны в первые 6-12 месяцев.