3. Прочность и деформации каменной кладки при сжатии

Каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней, вертикальных и горизонтальных швов, заполненных раствором. Прочность кладки зависит от прочности камня и прочности раствора, а также от качества выполнения кладки и других факторов.

Напряженное состояние кладки. Анализ работы кладки при осевом сжатии показывает, что вертикальные швы в работе не участвуют, так как при твердении раствор дает усадку, сцепление раствора с камнем нарушается и вертикальные швы можно рассматривать как узкие щели, у концов которых происходит концентрация напряжений, что и приводит к некоторому снижению прочности кладки.

Н агрузка от вышележащих к нижележащим рядам кладки передается через горизонтальные швы. Передача нагрузки происходит неравномерно по всему сечению, так как плотность и жесткость затвердевшего раствора по длине и ширине шва неодинакова и опорные плоскости камней имеют неровности. Поэтому передача усилий от камня к камню, от кирпича к кирпичу (рис. 14.1) происходит не по всей плоскости опирания, а по отдельным точкам плотного соприкосновения раствора с камнем. В результате этого камни подвергаются не только сжатию, но также изгибу и срезу.

При сжатии кладки возникают поперечные деформации в камнях и в горизонтальных швах. Причем деформации раствора, как правило, больше деформаций камня. Благодаря сцеплению свободные поперечные деформации камня и раствора невозможны. Поэтому по плоскостям соприкосновения камня и раствора появляются касательные усилия, вызывающие растяжение камня. Растягивающие усилия будут тем больше, чем слабее раствор. Поэтому кладка на свежеуложенном растворе имеет наименьшую прочность.

Различают четыре стадии работы кирпичной кладки при сжатии (рис. 14.2). Стадия I соответствует нормальной работе кладки без появления каких-либо повреждений. С увеличением нагрузки в отдельных кирпичах образуются местные вертикальные трещины, распространяющиеся по высоте элемента на один — три ряда кладки. Это соответствует II стадии работы кладки. Во II стадии трещины еще не опасны, так как при неизменной нагрузке они дальше не развиваются. Появление первых трещин — это сигнал опасности, но не бедствия, указывающий, что дальше увеличивать нагрузку недопустимо. Особенно опасна II стадия для кладки, выполненной на растворах высокой прочности (марок 50 и выше), так как напряжения в такой кладке составляют уже 70—80% предельных (разрушающих). При дальнейшем увеличении нагрузки отдельные вертикальные трещины развиваются по высоте и соединяются между собой, расчленяя элемент на отдельные столбики. Такое состояние кладки характеризуется III стадией работы. Напряжения в кладке достигают 80— 90% предела прочности. Стадия IV соответствует моменту разрушения кладки, когда образовавшиеся при развитии трещин в стадии III вертикальные столбики разрушаются от потери устойчивости.

Прочность кладки. Из многочисленных опытов установлено, что на прочность кладки при сжатии влияют многие факторы: прочность и размеры камня, правильность формы камня, пустоты в камнях, прочность раствора и его удобоукладываемость, пластические свойства (деформативность) затвердевшего раствора, качество кладки, перевязка кладки и др. Главнейшие из них (вид кладки, прочность камня и раствора) учитываются непосредственно в формулах определения прочности кладки, а другие — в требованиях выполнения кладки.

Деформативные свойства кладки при сжатии. Известно, что для идеально упругих тел (например, для стали) зависимость между напряжениями о и относительными деформациями е выражается в соответствии с законом Гука прямой линией; отношение о/е постоянно; называется оно модулем упругости Е_упр.

Кладка не является упругим телом, она неоднородна. Под действием нагрузки в ней развиваются упругие и пластические деформации , причем доля пластических деформаций (необратимых) с увеличением нагрузки резко возрастает.

Прочность кладки при растяжении, срезе и изгибе

При растяжении и срезе кладка разрушается главным образом вследствие нарушения сцепления раствора с камнем. При слабых растворах или при камне малой прочности разрыв может произойти или по шву или по камню.

Сцепление раствора с камнем тем больше, чем выше прочность раствора и меньше его усадка при твердении.

Каменная кладка в зависимости от направления действующих усилий при работе на растяжение, изгиб и срез может разрушаться по неперевязанному или перевязанному сечению. Разрушение по неперевязаниому сечению происходит по горизонтальному шву кладки (рис. 14.6, а), а по перевязанному сечению — либо по ступенчатому сечению (рис. 14.6,б, сечение 1—1), либо по плоскому сечению, пересекающему камни и вертикальные швы (рис. 14.6, б, сечение 2—2).

При изгибе кладка испытывает, с одной стороны, сжатие и, с другой, — растяжение. Здесь, так же как при осевом растяжении, возможна работа по неперевязанным (рис. 14.7,б) и перевязанным сечениям (рис. 14.7,а), Так как прочность кладки при сжатии значительно выше (в 10—20 раз), чем при растяжении, то временное сопротивление кладки при изгибе определяется ее работой в растянутой зоне. Возникающие здесь напряжения называют также главными растягивающими напряжениями R_гл при изгибе. Из опытов установлено, что временное сопротивление кладки растяжению при изгибе R_р.и по неперевязанному сечению в среднем в 1,5 раза больше сопротивления кладки осевому растяжению.