Раздел 4. Каменные и армокаменные конструкции.

4.1. Общие сведения о каменных и армокаменных конструкциях

Каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней, вертикальных и горизонтальных швов, заполненных раствором. Благодаря своим положительным качествам (долговечность, влагостойкость, морозостойкость, прочность, устойчивость, огнестойкость и др.) каменная кладка применяется для стен и столбов зданий, фундаментов, дымовых труб, водонапорных башен, подпорных стен и силосных ям, канализационных коллекторов, колодцев, мостовых опор и других сооружений.

Кладка из природных и искусственных камней малых и больших размеров отличается большим разнообразием по виду материала, по конструктивному решению и способам возведения.

По конструктивному решению различают:

кладку сплошную из кирпича или камней правильной формы;

кладку облегченную, состоящую из несущих кирпичных слоев и утеплителя, расположенного внутри кладки или с одной (внутренней) стороны;

с облицовкой керамическими плитками, лицевым кирпичом или камнями;

кладку из крупных блоков, изготовленных из легкого или ячеистого бетона;

стены из виброкирпичных блоков или панелей.

Наружные стены из кирпичной сплошной кладки ввиду большой теплопроводности кирпича получаются массивными (особенно в северных районах), поэтому их применение требует технико-экономического обоснования.

Для повышения экономической эффективности наружных стен зданий применяют облегченные кладки из пустотелого (пористого, дырчатого, пористо-дырчатого) кирпича и из эффективных пустотелых бетонных камней, если это возможно по условиям прочности конструкции.

Чтобы обеспечить прочность стен, кладку из кирпича и мелких камней выполняют вперевязку: при применении обычного кирпича, вертикальные швы перевязывают укладкой тычковых рядов через один (цепная система), три (трехрядная система) или пять (пятирядная система) ложковых рядов, а в кладке из мелкоштучных камней, высотой до 200 мм тычковые ряды располагают через два-три ложковых ряда. Кладку кирпичных столбов и простенков шириной до 1 м выполняют обычно по трехрядной системе.

Конструктивные решения зданий должны предусматривать максимальное использование хорошей работы кладки на сжатие в несущих элементах (стенах, столбах). В случаях, когда толщина стен определяется требованиями тепло- и звукоизоляции, следует применять конструкции из облегченной кирпичной кладки. Этим задачам отвечают, например, типы зданий с внутренними поперечными несущими каменными стенами и легкими несущими или самонесущими наружными стенами с высокоэффективными теплоизоляционными материалами (минераловатными плитами, ячеистым бетоном, фибролитом, пенопластобетоном, ячеистой керамикой, пластмассой и др.) Масса 1 м² стены при этом может быть снижена с 700-1200 до 200-350 кг, что значительно уменьшает стоимость стен.

Каменные материалы подразделяют по ряду признаков: по происхождению - на природные, добываемые в карьерах, и искусственные, изготовляемые на заводах и полигонах из различного сырья путем обжига при высокой температуре или на основе вяжущих с твердением на воздухе или с термообработкой;

по величине - камни крупные (блоки) высотой 50 см и более, мелкоштучные камни (обыкновенные) высотой до 200 мм и кирпич высотой 65, 88 и 103 мм;

по материалу - искуссственные камни: глиняные, силикатные, бетонные, легкобетонные, ячеистые; природные: гранит, известняк (бут), известняк-ракушечник, туф и др.

Каменные материалы должны быть прочными, долговечными и обладать теплозащитными свойствами. Прочность камней характеризуется их марками.

Бетонные обыкновенные камни изготовляют из тяжелого бетона с р=1800 кг/м³, из легкого бетона на пористых заполнителях с р=900... 1800 кг/м³ и из ячеистого бетона. Основные размеры камней 390×190×188 и 390×90×188 мм. Марки камней по прочности из тяжелого бетона от М 50 до М 400, из крупнопористого бетона от М 15 до М 100. Камни выпускают, как правило, облегченными с щелевидными пустотами или трехпустотными, иногда сплошными (для фундаментов, цоколей и стен мокрых помещений).

Камни из ячеистых бетонов имеют плотность 600 - 1200 кг/м³, марки по прочности от М 15 до М 150 и морозостойкость не ниже Мрз 25.

Гипсовые, гипсобетонные и грунтовые камни, а также сырцовый (необожженный) кирпич применяют из-за малой прочности и водостойкости для кладки стен одноэтажных временных зданий.

Природные камни добывают в карьерах из горных пород - доломитов, известняков, песчаников, гранита, туфа вулканического и др. По способу добычи и точности их формы камни разделяют на пиленые и чистой тески (выступы неровностей до 2 мм), получистой тески (выступы до 10 мм), грубой тески (выступы до 20 мм), грубоколотые (под скобу) и камень-плитняк, имеющие две приблизительно параллельные грани, рваный - неправильной формы.

Кладка из камней правильной формы, хорошо отесанных, имеет более высокую прочность, чем кладка из грубо отесанных камней.

Известняковый камень - бут рваный, постелистый, под скобу и бутовая плита- применяется для кладки фундаментов и стен подвалов, а также возведения стен одноэтажных сельскохозяйственных построек. Марки камней по прочности от 25 до 1000, плотность 1800 - 2600 кг/м³.

Пиленые камни легких пород - туфа, известняка-ракушечника размером 490×240×188 или 390×190×188 мм - используют обычно в районах, близких к месту добычи (Крым, Молдавия, Кавказ). Плотность камней 900-2000 кг/м³, марки по прочности от 7 до 125.

Облицовочные каменные материалы служат для оформления фасадов, отделки поверхностей стен и столбов. К ним относятся лицевой кирпич, керамические лицевые камни и облицовочные плиты, бетонные плиты и природный камень.

Марка камней определяется по пределу прочности их при сжатии в Па в образцах установленной формы и размеров (обычно по кубам с ребром 5, 7, 10, 15 или 20 см), а для кирпича - в зависимости от предела прочности его при сжатии и изгибе.

Каменные материалы подразделяют на следующие группы: высокой прочности (марок 250-1000), средней прочности (марок 75-200) и малой прочности (марок 4-50). Марки пустотелых и природных камней (слоистых) определяют испытанием на сжатие в том положении, в каком они будут находиться под нагрузкой в конструкции.

Марку сплошных и пустотелых бетонных и силикатных крупных блоков R определяют проектной прочностью бетона при сжатии кубов с ребром 20 см.

Бетоны, применяемые в качестве утеплителей кладки, должны иметь проектные марки по пределу прочности на сжатие М 7, М 10, М 15, а для вкладышей и плит не менее М 10.

Строительные растворы. Раствор обеспечивает связь отдельных камней между собой, образуя единый монолит - кладку, уменьшает ее продуваемость и влагопро-ницаемость. В горизонтальных швах раствор способствует более равномерной передаче нагрузок между рядами кладки, что делает ее более прочной.

В зависимости от вида вяжущих различают растворы: цементные, известковые и смешанные (цементно-известковые и цементно-глиняные), глиняные. По плотности (в сухом состоянии) растворы для кладки подразделяют на тяжелые при 1500 кг/м³ и легкие при р<1500 кг/м³. Прочностные свойства растворов характеризуются следующими марками: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200. Марки раствора - это предел прочности при сжатии R28, кгс/см² (0,1 МПа), образцов кубов размером 70,7×70,7×70,7 мм, выдержанных 28 сут и испытанных согласно ГОСТ 5802—76.

Известковые и глиняные растворы обладают низкой прочностью, медленно твердеют во времени, быстро разрушаются при повышенной влажности. Их применяют только для малонагруженных стен зданий, а глиняные растворы - при кладке печей.

Выбор марки раствора. Марку раствора для каменной кладки назначают с учетом требований долговечности конструкций и обеспечения ее прочности. Для наружных стен зданий со сроком службы 100 и 50 лет с помещениями сухими и нормальной влажности (до 60 %) минимальные марки растворов принимают не ниже 10, с влажными помещениями (61—75%)-не ниже 25 и с мокрыми помещениями (более 75%) -не ниже 50. Для подземной кладки и кладки цоколей при влажном грунте рекомендуются цементно-известковые и цементно-глиняные растворы марок 50 и 25, а при грунте, насыщенном водой, - цементные растворы не ниже марки 50.

Для армированных кладок минимальные марки раствора установлены для стен с относительной влажностью помещений до 60 % - не менее 25, с влажностью выше 60 % - не менее 50.

Для изготовления крупных блоков из кирпича и камней всех видов марка раствора, исходя из условий транспортабельности блоков, принимается не менее 25. Для изготовления виброкирпичных панелей применяют растворы марок 75, 100 и 150.

Горизонтальные швы между блоками при их монтаже выполняют обычно на растворе марки 50 и выше, а при монтаже панелей - марок 75-150.

Стальная арматура. Для армирования каменных конструкций предусматривают сталь горячекатаную круглую гладкую класса A-I и периодического профиля класса А-П диаметром 6-40 мм, проволоку арматурную холоднотянутую периодического профиля класса Вр-1 диаметром 3-8 мм.

Для закладных металлических деталей, соединительных элементов и стальных обойм применяют прокатную полосовую сталь, фасонные профили и листовую сталь аналогично стальным и железобетонным конструкциям.

4.2. Расчет неармированной каменной кладки. Основные положения.

1. Особенности расчета по предельным состояниям.

Расчет по несущей способности производится из условия, что расчетное усилие N меньше или равно расчетной несущей способности элемента:

Расчетное усилие вычисляют при действии нагрузок, взятых с коэффициентом надежности по нагрузки при наиболее неблагоприятном их сочетании. Расчетную несущую способность определяют в зависимости от геометрических размеров S, расчетного сопротивления кладки R и коэффициентов условий работы. Расчетное сопротивление кладки составляет часть ее предела прочности и:

k – коэффициент надежности кладки: для кладки из кирпича и камней всех видов, из крупных блоков, рваного бута и бутобетона и вибрированной кирпичной кладки k=2, для кладки из крупных и мелких блоков из ячеистого бетона k= 2,25.

При проверке прочности кладки столбов и простенков площадью сечения 0,3 м² и менее необходимо вводить γ_с=0,8; для кладки из силикатного кирпича на растворах с добавками поташа γ_с=0,85; для кладки из камней получистой тески γ_с=0,8, грубой тески γ_с=0,7, грубо околотых и бута-плитняка γ_с=0,6.

2. Расчет каменных конструкций при центральном и внецентренном сжатии.

Расчет элементов неармированных каменных конструкций при центральном сжатии производятся из условия:

A – площадь поперечного сечения элемента; R – расчетное сопротивление площадки сжатию (определяется по таб. СНиП в зависимости от марки раствора и камня); φ – коэффициент продольного изгиба, который определяется по табл. СНиП и зависит от α,λ; α – упругая характеристика кладки (определяется по СНиП); λ – гибкость элемента:

h – размер поперечного сечения; l₀ – расчетная длина; m_g – коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки, =1,0 при h≥30 см и i = 8,7 см;

если условие не выполняется, то:

N_g – часть длительно действующей нагрузки; N – полная нагрузка; η – назначается по таблице в зависимости от λ, μ.

Несущая способность внецентренно-сжатых элементов неармированных каменных конструкций производится из условия:

ω – коэффициент зависящий от формы поперечного сечения элемента:

- для любой формы

– прямоугольное сечение

A_c – площадь сжатой части сечения; для прямоугольного сечения:

для тавровых сечений:

Площадь сжатой части сечения определяется с учетом прямолинейной эпюры напряжений и определяется из условия, что ее центр тяжести совпадает с точкой приложения внешнего усилия. Положение границы сжатой части сечения определяется из условия равенства нулю статического момента этой площади относительно ее центра тяжести. При этом для прямоугольных сечений:

для тавровых сечений

φ₁ – коэффициент продольного изгиба:

φ – коэффициент продольного изгиба для всего сечения, зависящий от λ_h, α; φ_с – коэффициент продольного изгиба сжатого сечения, зависящий от λ_hс, α:

Для внецентренно сжатых элементов:

e_0g – эксцентриситет приложения части длительно действующего усилия:

m_g=1 в тех же случаях, что и при центральном сжатии.

Для прямоугольного сечения:

В случаях когда условие прочности не выполняется:

Необходимо предусматривать усиление конструкций стальной арматурой.

3. Расчет на устойчивость положения (опрокидывание), расчет по деформациям, расчет по раскрытию трещин.

Расчет на устойчивость положения (опрокидывание).

Расчет производится при проверке устойчивости стен и столбов незаконченного здания, подвергающихся действию горизонтальной (ветровой) нагрузки, когда в процессе возведения они могут иметь значительную высоту без раскрепления вышерасположенным перекрытием.

Конструкция считается устойчивой, если при расчете на опрокидывание соблюдается условие:

m₁ – коэффициент для стен в стадии их возведения и свободно стоящих стен = 0,9.

Расчет по деформациям.

Производят по формулам:

на осевое растяжение

на изгиб

на внецентренное сжатие

на внецентренное растяжение

где I – момент инерции сечения; E – модуль деформации кладки; ε_u – предельные деформации растяжения кладки; (h-y) – расстояние от центра тяжести сечения кладки до наиболее удаленной растянутой грани покрытия; е₀=M/N – эксцентриситет продольной силы.

Расчет по раскрытию трещин.

Расчет производят для внецентренно сжатых неармированных каменных конструкций при эксцентриситетах е₀>0,7y. Основу расчета составляют положения: усилия определяют по расчетным нагрузкам при основных их сочетаниях, в сечении принимается линейная эпюра напряжений внецентренного сжатия как для упругого тела, расчет производится для полного сечения по условному краевому напряжению растяжения, которое характеризует величину раскрытия трещин в растянутой зоне.

γ_r – коэфф. условий работы кладки по раскрытию трещин.

4.3. Армированная каменная кладка и ее расчет.

Армирование каменных конструкций производится для увеличения прочности и устойчивости. Существует два наиболее распространенных вида армирования: поперечное (сетчатое) и продольное.

1. Поперечное (сетчатое) армирование.

Сетчатое армирование (рис. 1) применяется для усиления тяжелонагруженных колонн и простенков, имеющих небольшую гибкость. При эксцентриситетах, выходящих за пределы ядра сечения (для прямоугольных сечений е₀>0,33у), а также при >15 или >53 сетчатое армирование применять не следует, так как оно не повышает несущей способности кладки.

Арматурные сетки с перекрестными стержнями (рис. 1, а) или типа «зигзаг» (рис. 1, б) укладываются в горизонтальные швы. стен или столбов на расстоянии S. Изготовляются они из круглой гладкой стали класса A-I или из холоднотянутой прово-

Рис. 1. Косвенное армирование каменной кладки: а — прямоугольными сетками; 6 — сетками «зигзаг>.

локи. Диаметр стержней принимается не менее 3 и не более 5 мм для сеток с перекрестными стержнями и 8 мм для сеток «зигзаг». Расстояние с между стержнями в сетке должно быть не более 12 и не менее 3 см. Толщина швов кладки армокаменных конструкций должна превышать толщину сетки не менее чем на 4 мм. Сетки укладываются не реже чем через 40 см (для кирпичной кладки не реже чем через 5 рядов). Сетки «зигзаг» укладываются в двух смежных рядах кладки так, чтобы направление стержней в них было взаимно перпендикулярно. Две уложенные таким образом сетки «зигзаг» равнозначны сетке с перекрестными стержнями того же сечения. Концы стержней сеток на 2- 3 мм выпускают из швов кладки для контроля укладки сеток.

Насыщение кладки арматурой характеризуется процентом армирования

где V_a и V_k — соответственно объем арматуры и кладки; для квадратной сетки из арматуры сечением f_а с размером ячейки c=c₁ = c₂ при расстоянии между сетками по высоте S:

Для получения необходимого эффекта от сетчатого армирования его количество должно составлять не менее 0,1%. Во избежание недоиспользования арматуры процент ее должен быть не более 1%.

Марка раствора для армокаменных конструкций принимается не ниже 50.

Сетки, введенные в горизонтальные швы, препятствуют поперечным деформациям кладки и повышают ее несущую способность. При центральном сжатии это повышение зависит от процента армирования μ. Согласно нормам расчетное сопротивление сжатию для армированной кладки из кирпича всех видов и керамических камней со щелевидными вертикальными пустотами при высоте ряда не более 150 мм определяется по формулам:

при марке раствора 25 и выше

при марке раствора ниже 25

где R - расчетное сопротивление сжатию неармированной кладки в рассматриваемый срок твердения раствора; R₂₅ - расчетное сопротивление кладки при марке раствора 25; R_а - расчетное сопротивление арматуры, принимаемое для стали класса A-I равным 1500 кг/см²; (для B-I при диа­метре до 5,5 мм - 2000 кг/см² и при диаметре 6 мм и более - 1800 кг/см²).

При внецентренном сжатии на величину расчетного сопротивления армированной кладки, кроме процента армирования, влияет также эксцентриситет приложения нагрузки е₀. В этом случае расчетное сопротивление определяется по формулам:

при марке раствора 25 и выше

при марке раствора ниже 25

Расчет кладки с сетчатым армированием производится по формулам:

при центральном сжатии

при внецентренном сжатии

Для определения коэффициента φ необходимо знать упругую характеристику армированной кладки

где – средний предел прочности (временное сопротивление кладки сжатию), определяемый

– тоже для кладки с сетчатой арматурой, определяемый

k – коэффициент принимаемый для кладки из кирпича и камней всех видов, из крупных блоков, рваного бута и бутобетона равным 2, для вибрированной кирпичной кладки – 2,5; - напряжения в арматуре, принимаемые: для стали класса S400 – 2400 кг/см², для S400 – 3000 кг/см², для обыкновенной арматуры S500 – 3500 кг/см².

2. Элементы с продольным армированием.

Продольное армирование кладки - наружное и внутреннее (рис. 2) применяется в основном в промышленных зданиях для тяжело загруженных столбов и простенков значительной гибкости (при >15 или >53), а также при внецентренном сжатии с большими эксцентриситетами приложения продольной силы.

Для продольной арматуры применяются стержни из стали класса A-I и А-И диаметром не менее 3 для растянутой арматуры и не менее 8 мм для сжатой. Хомуты выполняют из стали класса A-I или холоднотянутой проволоки диаметром 3-6 мм. Шаг хомутов должен быть не более 15 d для наружной арматуры (рис. 2, б) и 20 d для внутренней (рис. 2, а), где d - диаметр продольной арматуры. Для конструктивной или работающей на растяжение продольной арматуры, расположенной снаружи, шаг хомутов принимается не более 80 d. Защитный слой цементного раствора для армокаменных конструкций с арматурой, расположенной снаружи кладки, должен иметь толщину не менее указанной в табл. 7.

Рис. 2. Продольное армирование каменной кладки: а – внутреннее, б – наружное.

Площадь сечения продольной сжатой арматуры принимается не менее 0,1%, для растянутой - не менее 0,05% площади поперечного сечения элемента.

При наличии продольной арматуры в сжатой кладке работа последней используется не полностью. В расчете это учитывается введением коэффициента условий работы m = 0,85, на который умножается расчетное сопротивление кладки.

При центральном сжатии элементы с продольной арматурой рассчитываются по формуле

где A_a – площадь сечения продольной арматуры; R_a – расчетное сопротивление арматуры, принимаемое: для стали класса S400 – 1900 кг/см² и 2400 кг/см², для S500 с d=5,5 мм – 3100 кг/см², и d=6 мм и более – 2500 кг/см².

Таблица 1