5.2. Елементи з поздовжнім армуванням

Для підвищення стійкості стін при значних гнучкостях їх армують поздовжньою арматурою (рис. 5.2). Армування стін застосовують також за необхідності підвищити опір згину при дії на стіну горизонтального тиску сипких матеріалів, рідин тощо, а також для підвищення опору кладки стін дії вібраційного та сейсмічного навантажень.

а б

Рис. 5.2. Види армування стін окремими стержнями: а – гори-зонтальними стержнями у швах кладки; б – горизонтальними стержнями у швах кладки і вертикальними стержнями зовні

Існує два способи армування стін поздовжньою арматурою:

1) армування горизонтальною арматурою, розташованою у швах кладки. Таке армування можливе за наявності вертикальних елементів – пілястр, стійок, які служать для сприйняття горизонтальних навантажень, що передаються від стін (рис. 5.2, а);

2) армування горизонтальною арматурою у швах кладки і вертикальною арматурою, розташованою зовні кладки (рис. 5.2, б). Таке армування застосовують за наявності як вертикальних, так і горизонтальних елементів – стовпів, пілястр, міжповерхових перекриттів. Відстань між горизонтальними швами, де розташована арматура, прийнята не більше 8h (h – товщина стіни), а діаметр стержнів 3 – 8 мм. Вертикальні стержні (d ≤ 10 мм) з’єднують між собою стиковими стержнями, які пропускають у горизонтальних швах через товщину кладки і розташовують з максимальним кроком 80d (d – діаметр вертикальної арматури). Стіни із зовнішньою вертикальною арматурою обов’язково штукатурять цементним розчином марки 50, при цьому товщина захисного шару повинна бути не меншою 15 мм у нормальних умовах і 25 мм - при підвищеній вологості. Відсоток армування має бути не нижчим за 0,05%.

Конструктивне армування стін в одному напрямку дозволяє збільшити допустиму гнучкість на 20%, а при армуванні у двох напрямках – на 30% у порівнянні з неармованою кладкою.

Поздовжнє армування кладки (зовнішнє або внутрішнє) (рис. 5.3) застосовують:

- у позацентрово стиснутих елементах зі значними ексцентриситетами прикладання поздовжньої сили, що виходять за межі ядра перерізу, де армування поперечними сітками не ефективне;

- у центрально і позацентрово стиснутих із невеликими ексцентриситетами елементах зі значною гнучкістю (при _h > 15 або _i > 53), коли армування поперечними сітками не ефективне;

- у стиснутих елементах при вібраційних або сейсмічних навантаженнях;

- у згинальних елементах (перемичках, стінах тощо).

а б

Рис. 5.3. Поздовжнє армування кладки: а – зовнішнє; б – вну-трішнє: 1 – арматурний стержень; 2 – цегла; 3 – захисний шар

Поздовжнє армування кам’яних конструкцій підвищує міцність кладки, збільшує опір кладки розтягувальним зусиллям при позацентровому стиску та згині, підвищує стійкість конструкції, збільшує опір вібраційним і сейсмічним впливам, забезпечує монолітність усієї споруди в цілому.

Для поздовжньої арматури застосовують стержні зі сталі класів А240С (А-І), А300С (А-ІІ), Вр-І діаметром не менше 3мм (для розтягнутої арматури) і не менше 8мм (для стиснутої). Хомути виконують зі сталі класу А240С (А-І) або дроту діаметром 3…6 мм. Крок хомутів має бути не більшим за 15d для зовнішньої арматури (рис. 5.3, а) і не більшим за 20d - для внутрішньої арматури (рис. 5.3, б), де d - діаметр стержнів поздовжньої арматури. Для конструктивної арматури або розтягнутої поздовжньої арматури, розташованої зовні, крок хомутів приймають не більшим за 80d.

Цегла для кладки може бути суцільною або порожнистою. Штукатурний або мурувальний розчин, у якому знаходиться арматура, має бути марки не нижче 25 або не нижче 50, якщо кладка експлуатується у вологих умовах, у відкритих або підземних конструкціях.

Для елементів із робочою поздовжньою стиснутою арматурою не рекомендують застосовувати цеглу напівсухого пресування і силікатну цеглу, оскільки міцність такої цегли через значну деформативність використовується недостатньо.

Захисний шар для армокам’яних конструкцій із зовнішньою арматурою повинен мати товщину, не меншу від вказаної у табл. 5.3.

Таблиця 5.3

Товщина захисного шару цементного розчину, мм, для армокам’яних конструкцій

Армовані конструкції	Розташування конструкцій
	у приміщеннях із нормальною вологістю повітря	просто неба	у вологих, мокрих приміщеннях, а також у резервуарах, фундаментах тощо
Балки, стовпи, колони	20	25	30
Стіни	10	15	20

Площу перерізу поздовжньої стиснутої арматури беруть не менше 0,1%, розтягнутої - не менше 0,05% від площі поперечного перерізу елемента.

Руйнування стовпів із поздовжньою арматурою подібне до руйнування неармованої кладки, проте відрізняється тим, що при руйнуванні не відбувається розшарування кладки на окремі стовпці, оскільки цьому перешкоджають хомути.

Розрахунок за несучою здатністю армокам’яних конструкцій із поздовжнім армуванням виконують аналогічно до розрахунку залізобетонних конструкцій. При цьому розрахункові опори арматури, які приймають відповідно до СНиП 2.03.01-84* [25], слід множити на коефіцієнт умов роботи _cs (табл. 2.15).

При визначенні коефіцієнта поздовжнього згину  за табл. 4.1 значення пружної характеристики кладки  приймають за табл. 2.16 як для неармованої кладки.

Якщо центрально або позацентрово стиснута кладка армована поздовжньою арматурою, яка її частково розвантажує, то робота кладки використовується не повністю, тому в розрахунках це враховують введенням коефіцієнта _с = 0,85, на який домножують розрахунковий опір кладки. Коефіцієнт повноти епюри напружень приймають  = 1.

У згинальних кам’яних елементах застосування робочої стиснутої арматури допускається у виняткових випадках (при обмеженій висоті перерізу, при знакозмінних моментах тощо).

В елементах із поздовжньою арматурою, розташованою зовні кладки, площа перерізу захисних шарів у розрахунку не враховується.

Модуль деформацій кладки з поздовжньою арматурою обчислюють за тими ж формулами, що й для кладки, армованої сітками. Пружна характеристика кладки з поздовжнім армуванням така ж, як для неармованої кладки.

Центрально стиснуті елементи з поздовжньою арматурою розраховують за формулою:

(5.15)

де N – розрахункова поздовжня сила;

 – коефіцієнт поздовжнього згину (табл. 2.16);

m_g – коефіцієнт умов роботи стиснутого елемента, що

враховує вплив тривалого навантаження (п. 4.1);

– відповідно площа перерізу елемента та площа перерізу

стиснутої арматури;

R, R_sc – відповідно розрахунковий опір кладки стиску та

розрахунковий опір стиснутої арматури.

При розрахунку за міцністю позацентрово стиснутих елементів із поздовжньою арматурою може бути два випадки: випадок великих ексцентриситетів і випадок малих ексцентриситетів.

У випадку великих ексцентриситетів повинні виконуватися два основних рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх сил:

- розрахункове зовнішнє зусилля N повинно дорівнювати або бути меншим від суми проекцій внутрішніх зусиль на поздовжню вісь елемента

; (5.16)

- сума моментів зусиль відносно точки прикладання поздовжньої розрахункової сили повинна дорівнювати нулю

, (5.17)

де A_c – площа стиснутої частини перерізу кладки;

і - площа поперечного перерізу відповідно розтягнутої

і стиснутої арматури;

- відповідно розрахунковий опір кладки, розтягнутої

і стиснутої арматури;

- відповідно відстань від центра ваги розтягнутої

арматури до розтягнутої грані та від центра ваги

стиснутої арматури до стиснутої грані перерізу;

S_cN - статичний момент стиснутої зони перерізу відносно

осі, що проходить через точку прикладання сили N;

- відстань від центра ваги відповідно арматури і

до точки прикладання зовнішньої сили N;

φ – коефіцієнт поздовжнього згину (табл. 2.16);

m_g – коефіцієнт умов роботи стиснутого елемента, що

враховує вплив тривалого навантаження (п. 4.1).

Знак „+” у формулі (5.17) ставлять у випадку, коли поздовжня сила N прикладена за межами віддалі z_s між центрами ваги арматур A_s і , а знак „-” – якщо N знаходиться у межах цієї відстані ( ).

Умову міцності також можна записати з рівняння суми моментів усіх зусиль відносно центра ваги розтягнутої арматури:

; (5.18)

де S_c – статичний момент стиснутої частини перерізу відносно

центра ваги розтягнутої арматури:

• для довільної форми перерізу S_c = A_cz;

• для прямокутного перерізу S_c = bx(h₀ – 0,5x).

Якщо епюра напружень у кладці прийнята у вигляді прямокутника, то положення нейтральної лінії визначають із рівняння (5.17).

Якщо у стиснутій зоні поздовжня арматури відсутня, то у формулах (5.16) - (5.18) = 0, а коефіцієнт γ_c = 1. Тоді формули набувають вигляду:

; (5.19)

; (5.20)

(5.21)

У випадку малих ексцентриситетів умови міцності записують таким чином:

; (5.22)

, (5.23)

тобто, моменти від зовнішньої сили відносно осі, що проходить через центр ваги менш стиснутої (розтягнутої) арматури або відносно більш стиснутої арматури не повинні перевищувати суми моментів внутрішніх зусиль відносно тих же осей.

У формулах (5.22) (5.23):

S₀ – статичний момент усього перерізу кладки відносно

центра ваги розтягнутої або менш стиснутої арматури;

– статичний момент усього перерізу кладки відносно

центра ваги стиснутої арматури .

Положення нейтральної осі визначають із рівняння (5.17).

При одинoчному армуванні умови (5.22) і (5.23) будуть мати вигляд:

; (5.24)

. (5.25)

Для прямокутних перерізів формули (5.16) - (5.25) мають вигляд:

• для випадку великих ексцентриситетів:

; (5.26)

; (5.27)

; (5.28)

• за наявності арматури лише у розтягнутій (менш стиснутій) частині перерізу:

; (5.29)

; (5.30)

; (5.31)

• для випадку малих ексцентриситетів:

; (5.32)

; (5.33)

• при одиночному армуванні:

. (5.34)

Розрахунок за міцністю армованих згинальних елементів прямокутного перерізу зі стержневою арматурою виконують за формулою:

, (5.35)

при цьому положення нейтральної осі визначають із рівняння:

; (5.36)

При одиночному армуванні:

, (5.37)

при цьому положення нейтральної осі визначають з умови:

. (5.38)

Висота стиснутої зони кладки у всіх випадках має задовольняти умовам:

x ≤ 0,55h₀ і . (5.39)

Розрахунок згинальних елементів за дії поперечної сили виконують за формулою:

, (5.40)

де z – плече внутрішньої пари сил, яке для прямокутних

перерізів дорівнює z = h₀ – 0,5x;

R_tw - розрахунковий опір кладки головним розтягувальним

напруженням при згині.

Якщо умова (5.40) не виконується, необхідно встановлювати хомути або влаштовувати відгини згідно з розрахунком за [25].

Розрахунок за міцністю кам’яних елементів із поздовжньою арматурою при центральному розтягу виконують за формулою:

, (5.41)

де R_s – розрахунковий опір арматури розтягу;

A_s – площа поперечного перерізу розтягнутої арматури.