Армирование каменных конструкций.

В строительстве применяются следующие виды армирования каменных конструкций (см. рис. 9.4):

- поперечное (сетчатое) с расположением арматурных сеток в горизонтальных швах кладки;

- продольное с расположением арматуры внутри кладки или в бороздах, оставляемых в кладке;

- армирование посредством включения в кладку железобетона (комплексные конструкции);

- усиление посредством включения каменного элемента в железобетонную или металлическую из уголков обойму.

Армирование каменных конструкций значительно повышает их несущую способность, монолитность и обеспечивает совместную работу отдельных частей здания. Оно является основным способом увеличения сейсмостойкости каменных конструкций и здания в целом. Широко используется армирование каменных конструкций при проведении реконструкции зданий, когда требуется их усиление. Оно используется, прежде всего, тогда, когда повышение марок кирпичей, камней и раствора не обеспечивает требуемой прочности кладки и площадь поперечного сечения не может быть увеличена.

Расчет кирпичного столба с сетчатым армированием при центральном сжатии

Арматурные сетки в кирпичной кладке располагаются в соответствии с конструктивными требованиями. Сетки с шагом по высоте элемента s укладываются не реже, чем через пять рядов кирпичной кладки из одинарного кирпича, через четыре ряда кладки из утолщенного кирпича и через три ряда кладки из керамических камней.

На рисунке 9.4 показано конструирование армокаменных столбов при поперечном (сетчатом) и продольном армировании.

Сетки изготавливаются из арматуры , класс В500 (Вр-1); класс А240 (А-I). Размер ячейки сеток ( ) принимается 3x3, 3,5x3,5 … 10x10 см. Кроме того, шаг стержней сетки с не должен превышать 1 / 3 наименьшего сечения каменного элемента в плане. Процент горизонтального (сетчатого) армирования назначается в интервале 0,1%…1%. Через процент армирования оценивается содержание арматуры в объеме кирпичной кладки (процент армирования по объему).

Швы кладки армокаменных конструкций должны иметь толщину, превышающую диаметр арматуры не менее чем на 4 мм, то есть при использовании прямоугольных (квадратных) сеток из арматуры толщина растворных швов должна составлять 5 + 5 + 4 = 14 мм. Чтобы избежать чрезмерного увеличения толщины швов кладки при применении арматуры А240, используются сетки "зигзаг" (см. рис. 9.4).

Элементы с сетчатым армированием выполняются на растворах марки не ниже М50 при высоте ряда кладки не более 150 мм.

Для проверки наличия сеток в кладке и контроля правильности их укладки сетки изготавливаются и укладываются так, чтобы отдельные концы стержней выступали на 3 мм за поверхность кладки (в сетках "зигзаг" предусматриваются выпуски вязальной арматуры).

Процент вертикального армирования кирпичного столба назначается в интервале 0,1%...2%. Площадь сечения отдельных стержней продольной арматуры должна составлять не менее 0,5 см² ( ). Диаметр хомутов назначается 3…8 мм.

Механизм увеличения прочности кладки при расположении в ее горизонтальных швах арматурных сеток состоит в следующем:

- материал стальных сетки обладает более высоким модулем упругости, чем модуль упругости каменной кладки, поэтому наличие сеток в кладке препятствует ее поперечному расширению. При воздействии вертикальной нагрузки N в кладке возникают вертикальные и горизонтальные усилия, которые создают в ней сложное напряженное состояние. Работа в условиях всестороннего сжатия значительно увеличивает прочность каменой кладки;

- наличие сеток в горизонтальных швах способствуют увеличению сопротивления кладки растягивающим усилиям.

Прочность кладки с сетчатым армированием из кирпича всех видов и керамических камней со щелевидными вертикальными пустотами, определяемая по формуле:

R_sk = R + (2m R_s / 100) £ 2R,

(при пустотности более 20% коэффициент 2 в формуле заменяется на 1,5), где

R – расчетное сопротивление сжатию неармированной кладки (по таб. 9.4);

R_s – расчетное сопротивление растяжению арматуры (определяется по таб. 2.6) при коэффициенте условий работы;

m – процент армирования каменной кладки по объему.

Рис. 9.4. Конструирование армокаменных столбов: а) – поперечное армирование, б) – продольное

армирование (1 - сетки прямоугольные (квадратные), 2 – сетки "зигзаг", 3 – продольная арматура,

4 – поперечная арматура)

Для определения процента армирования каменной кладки m необходимо сначала описать армирование, а именно, установить технические характеристики выбранной кладочной сетки ( ) и шаг (S), с которым она укладывается по высоте элемента (см. рис. 9.4). Расчет элементов с сетчатым армированием при центральном сжатии проводится по формуле:

N £ m_g*j*R_sk*A, где

N – расчетная продольная сила;

А = b*h – площадь сечения элемента;

m_g = 1 (при h ³ 30 см);

j – коэффициент продольного изгиба;

R_sk – расчетное сопротивление при центральном сжатии для армированной кладки.

Процент армирования вычисляется по формуле:

A_st – площадь сечения арматурных стержней сетки (по таб.4.4);

c – шаг арматурных стержней сетки (см. рис. 9.4);

s – расстояние между сетками по высоте элемента (см. рис. 9.4).

Процент армирования кладки горизонтальными сетками при центральном сжатии должен быть в пределах 0,1%...1% и не превышать значения m, определяемого по формуле:

m = 50*(R / R_s).

Коэффициент продольного изгиба j для армокаменных конструкций устанавливается по табл. 9.3 в зависимости от упругой характеристики кладки и гибкости элемента.

Упругая характеристика кладки с сетчатым армированием a_sk определяется по формуле:

a_sk = a*(R_u / R_sku), где

a – упругая характеристика неармированной кладки;

R_u = 2R – временное сопротивление сжатию неармированной кладки.

Временное сопротивление сжатию кладки с сетчатой арматурой вычисляется по формуле

R_sn – нормативное сопротивление арматуры в армированной кладке (см. таб. 2.6). При этом для арматуры класса А240 нормативное сопротивление R_sn принимается без понижающего коэффициента, а для арматуры класса В500 – с коэффициентом условий работы 0,6.

Гибкость армокаменного элемента l_h устанавливается аналогично гибкости каменного элемента без армирования.

Пример расчета несущей способности армокаменного столба с сетчатым армированием.

Исходные данные:

- площадь сечения кирпичного столба А = 0,26 м² (размеры поперечного сечения b*h = 510х510 мм):

- расчетная высота кирпичного столба при неподвижных шарнирных опорах равна высоте этажа здания l₀ = H_этажа = 3,0 м, _h = 3,0 / 0,51 = 5,88;

- виды материалов: кирпич керамический одинарный пластического прессования полнотелый М100, раствор строительный для каменной кладки марки М75 (упругая характеристика кладки a = 1000), расчетное сопротивление кладки сжатию R = 2,0 МПа;

- горизонтальное армирование выполняется квадратными сетками (см. рис. 9.4) с ячейками 9,0x9,0 см (с = 9,0 см) из стержней (A_st = 0,126 см², R_s = 415 МПа – по таб. 2.6), шаг сеток по высоте столба s = 15,4 см (6,5*2 + 1,2*2 = 15,4 см).

Алгоритм расчета

Процент армирования каменной кладки по объему:

Расчетное сопротивление армокаменного столба при центральном сжатии:

R_sk = 2,0 + (2x0,18x415 / 100) = 3,49 МПа £ 4,0 МПа.

Условие прочности центрально сжатого кирпичного столба с сетчатым армированием:

N £ m_g*j*R_sk*A = 1x0,95x3,49x10³x0,26 = 862 кН.

Временное сопротивление сжатию армированной кладки R_sk (арматура сетки класса В500, по табл. 2.6 R_sn = 500 МПа с понижающим коэффициентом условий работы 0,6) вычисляется по формуле:

Упругая характеристика кладки с сетчатым армированием определяется по формуле:

a_sk = a*(R_u / R_sku) = 1000*(4,0 / 5,08) = 787, при временном сопротивлении кладки сжатию R_u = 2*R = 2*2= 4,0 МПа.

Коэффициент продольного изгиба j = 0,95 при a_sk = 787, _h = 5,88 по таблице 9.3.

Коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки m_g = 1 (размеры поперечного сечения кирпичного столба h = b = 510 мм ³ 300 мм).

Несущая способность армокаменного столба – 862 кН.