Лекція №7 кам'яна та армокам'яна кладка

7.1 Міцнісні характеристики кам'яної кладки.

7.2 Деформативність кладки.

7.3 Армування кладки.

Література: [2], С. 11 – 18, 49 – 51.

7.1 Міцнісні характеристики кам'яної кладки

Основними характеристиками кам'яних матеріалів є їх міцність, яка характеризується марками й класами. Марку каменю встановлюють за значеннями тимчасового опору (межі міцності) при стиску, а для цегли також і при згині. Якщо камінь має різну структуру в різних напрямах, то його марка визначає тимчасовий опір у тому напрямі, в якому він працює в кладці. Тимчасовий опір порожнистих каменів підраховують брутто.

Для цегли із дослідної партії відбирають зразки (5 штук для випробування на стиск і 5 штук − на згин). При цьому цегла, котра буде випробовуватися на згин, не повинна мати наскрізних тріщин на ложкових гранях на всю товщину довжиною більше ніж 40 мм. Цеглу, що випробовують на стиск, розпилюють на дві половинки, котрі накладають постелями одна на одну поверхнями розрізу в протилежні сторони та з'єднують цементним тістом. Верхню і нижню поверхню зразків для забезпечення паралельності вирівнюють тим же тістом. Товщина шва між цеглинами повинна бути не більше ніж 5 мм, а шва вирівнювання − не більше ніж 3 мм. Підготовлені таким чином зразки витримують перед випробуванням протягом 3 – 4 діб у закритому приміщенні при температурі повітря 20 ± 2 ºС. Випробування зразків відбувається в пресі.

При випробуванні на згинання цеглу вкладають за схемою балки, що вільно лежить на двох опорах у вигляді катків діаметром 20 – 30 мм на відстані 200 мм. У місцях обпирання й прикладання навантаження на цеглу накладають смужки із цементного тіста шириною 20 – 30 мм і товщиною не більше ніж 3 мм, після цього її витримують у приміщенні протягом 3 – 4 діб. Для випробування на згин застосовують прес, навантаження прикладають посередині через каток.

Міцність розчину характеризують його маркою, котру визначають тимчасовим опором стиску. Вибір марки розчину здійснюють за нормами залежно від довговічності будівель і умов експлуатації конструкцій. Як свідчать досліди, камінь і розчин знаходяться у кладці в умовах складного напруженого стану навіть при рівномірному розподіленні навантаження за всім перерізом стиснутого елемента. Вони одночасно опираються позацентровому й місцевому стисканню, згину, зрізу, розтягу (рис. 38). Це пояснюється тим, що щільність і жорсткість розчину за довжиною та шириною шва через різні фактори (нерівномірність водовіддачі й усадки, нерівне розстилання розчину каменярем, наявність вертикальних швів і пустот) неоднорідні. Ось чому якість кладки − повнота та рівномірність заповнення швів, додержання їх раціональної товщини (10 – 12 мм) – мають суттєве значення. Підвищення рухомості розчину сприяє рівномірному заповненню швів і, як наслідок, приводить до підвищення міцності кладки. На неї впливають: міцність, розміри та форма каменів, а також порожнини в них; міцність і деформативність розчину, його рухомість; спосіб перев'язки швів; зчеплення розчину з каменем; якість кладки.

Рисунок 38 – Напружено-деформований стан окремих каменів у цегляній кладці при центральному стискові: 1 – стиск; 2 – розтяг; 3 – згин; 4 – зріз; 5 – місцеве стиснення

У роботі кам'яної кладки на стиск розрізняють чотири стадії (рис. 39). Перша відповідає нормальній експлуатації кладки, коли зусилля, що у ній виникають під навантаженням, не спричиняють видимих пошкоджень ( ). Перехід у другу стадію роботи характеризується появою невеликих тріщин у окремих цеглинах. Тут кладка сприймає навантаження в межах 60 – 80 % від руйнівного, й подальшого розвитку тріщин при його незмінному значенні не спостерігається ( ). При збільшенні навантаження виникають і розвиваються нові тріщини, котрі з'єднуються між собою та перетинають значну частину кладки у вертикальному напрямі. Це третя стадія ( ). В її межах при тривалій дії навантаження, котре відповідає цій стадії, навіть без його збільшення буде поступово (внаслідок розвитку пластичних деформацій) відбуватися подальший розвиток тріщин, який розділяє кладку на тоненькі гнучкі стовпчики. Тоді третя стадія переходить у четверту − стадію руйнування. Оскільки руйнування стиснутої кладки відбувається внаслідок утрати стійкості гнучких стовпчиків, які утворилися після розтріскування, то міцність кладки навіть при дуже міцному розчині завжди менша від міцності каменю на стиск.

а б в г

Рисунок 39 – Стадії роботи кам’яної кладки при стисканні: а, б, в, г – відповідно перша, друга, третя та четверта

Теоретична максимальна міцність кладки на розчині з границею міцності, що наближається до нескінченності, називається конструктивною міцністю кладки. Фактична ж її міцність значно менша від конструктивної. Крім марки каменю , на її значення впливає марка розчину та вид кладки. Значення фактичної міцності кладки може бути отримане за емпіричною формулою Онищика

, (18)

де А, a, b, η − коефіцієнти, котрі залежать від виду кладки та завжди менші від 1.

Із формули (18) видно, що зростання міцності кладки зі збільшенням марки розчину затухає. Тому застосування для звичайних кладок високих марок розчину (більше ніж 75) недоцільне. Розрахунковий опір кладки отримують діленням фактичної її міцності на коефіцієнт безпеки k (при стискові приймають 2).

Характеристична міцність кладки на стиск [4] може також бути визначена в результаті випробування зразків кладки, за додатком норм (відповідає (18)) або за формулою

, (19)

де – константи, K – коефіціент, який залежить від типу елементів кам'яної кладки, групи кладки, типу будівельного розчину (загального призначення, тонкошаровий товщиною горизонтальних швів 0,5 – 3 мм, полегшений різної щільності).

Виділяються наступні типи елементів кам'яної кладки:

– цегла глиняна;

– цегла силікатна;

– бетонні вироби (з важкими та легкими заповнювачами);

– блоки з ніздрюватого бетону автоклавного твердіння;

– бетонні камені і блоки з штучного каменя;

– будівельні елементи з обробленого природного каменя.

Всі елементи кам'яної кладки розділені на 4 групи. Блоки із ніздрюватого бетону автоклавного твердіння, будівельні елементи з штучного й обробленого природного каменю відносяться до 1-ої групи. Геометричні вимоги (об'єм порожнин, заявлені значення товщини внутрішньої та зовнішньої перегородок для цегли та їх сумарна товщина, вертикальні та горизонтальні порожнини) для визначення групи кладки з глиняної, силікатної цегли та бетонних блоків наведені в [4].

Для кладки із використанням будівельного розчину загального призначення та легкого будівельного розчину, рекомендується залежність

, (20)

для кладки з використанням у горизонтальних швах тонкошарового будівельного розчину товщиною 0,5 – 3 мм і глиняної цегли 1-ої та 4-ої груп, силікатної цегли, бетонних блоків із ніздрюватого бетону автоклавного твердіння

, (21)

а для кам'яної кладки з використанням у горизонтальних швах тонкошарового будівельного розчину товщиною 0,5 – 3 мм і глиняної цегли груп 2 і 3

. (22)

Границя міцності кладки залежить від тривалості дії навантаження. Межею тривалого опору кладки вважається максимальне напруження, котре кладка може витримати необмежений час без руйнування. Для цегляної кладки вона менша від межі міцності при короткочасному навантаженні і становить (0,6 – 0,88) залежно від розчину.

Руйнування розтягнутої кладки (рис. 40 а, б) та кладки при згинанні (рис. 40, в) може відбуватися за перев'язаним (у разі, якщо межа міцності розчину при розтязі менша за зчеплення між каменем і розчином, руйнування відбувається за розчином, в іншому випадку – за складеним перерізом, який проходить через камінь і розчин) або за неперев'язаним перерізом (кладка руйнується в площині з'єднання каменю й розчину в горизонтальних швах). Центральний розтяг кладки за перев'язаним перерізом зустрічається в круглих резервуарах, силосах та інших спорудах, а розтяг за неперев'язаними перерізами – у позацентрово стиснутих стовпах і стінах. Міцність за неперев'язаним перерізом завжди нижча, ніж за перев'язаним .

Характеристичну міцність кладки на зсув (при використанні будівельного розчину загального призначення, тонкошарового будівельного розчину в постільних швах товщиною 0,5 – 3 мм, а також полегшеного будівельного розчину) при повністю заповнених швах визначають рівнянням

, (23)

але не більше ніж 0,065 або , де – характеристична початкова міцність кладки на зсув при нульовому обтисненні (визначається із результатів випробування кладки на зсув або за [4] залежно від типу елементів цегляної кладки, типу та марки розчину); – граничне значення величини ; – розрахункова величина обтиснення, перпендикулярного до напряму зсуву в елементі конструкції; – характеристична міцність на стиск елементів кам’яної кладки у напрямі дії навантаження на випробувальний зразок перпендикулярно до його постільної грані.

Рисунок 40 − Руйнування кладки від розтягу: а − за неперев'язаним; б − перев'язаним перерізом; в − при згинанні; 1-1, 2-2 − перерізи, що проходять по розчину; 3-3 − переріз, який проходять по каменю

При описаних перших двох типах розчину, або легкому будівельному розчині з незаповненими перпендикулярними швами з елементами кладки, вкладеними таким чином, що їх грані щільно прилягають одна до одної, може бути використана формула

, (24)

але не більше 0,045 або .