Примера расчета каменныхи армокаменных конструкций

Министерство образования Российской Федерации
Владимирский государственный университет

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА
КАМЕННЫХ И АРМОКАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Владимир 2003

Введение:

К каменным конструкциям относятся части зданий и сооружений из каменной кладки (стены, столбы, пилястры, арки, перемычки и др.), воспринимающие нагрузку от собственного веса, веса других элементов и приложенных к ним сил.
Каменные конструкции, усиленные стальной арматурой, называются армокаменными.
Каменные конструкции широко используются во всех областях строительства благодаря их долговечности и огнестойкости. В ограждающих и несущих конструкциях они выполняют несущие, теплоизоляционные. звукоизоляционные и другие функции.
Применение каменных конструкций насчитывает несколько тысячелетий. С развитием общества и совершенствованием средств производства вместо крупноразмерных тяжелых камней началось широкое применение удобных для ручной кладки на растворах грубо околотых, а затем тесаных камней. В странах с жарким сухим климатом каменным материалом служили искусственные грубые блоки их сырцовой глины, а позднее – сырцовый и обоженный кирпич. Использование сырцовых материалов насчитывает более 6 тыс. лет, а обоженного кирпича- 4 тыс.лет.
Армокаменные конструкции впервые были использованы в XI веке в Грузии, а затем в XVI веке при строительстве храма Василия Блаженного в Москве.
Практика строительства из камня значительно опережала развитие науки о каменных конструкциях. Вместо расчета каменных конструкций на прочность и устойчивость в XIX веке были выработаны эмпирические правила возведения зданий и сооружений. После 30х годов XX века начались исследования работы каменных и армокаменных конструкций. Профессором Л.И. Онищиком изучены физико-механические свойства каменных кладок, профессором Н.А. Поповым были разработаны основы теории прочности раствора, а профессором В.П. Некрасовым - армокаменных конструкций, усиленные сетчатой арматурой.
В предлагаемом пособии рассмотрены примеры расчета каменных и армокаменных конструкций зданий и сооружений по предельным состояниям. Кроме этого приведен справочный материал, необходимый для расчета.

1. Материалы для каменной кладки и их свойства

Материалом для массивных стен, столбов и других конструктивных
элементов служат искусственные камни правильной формы ( кирпич, керамические камни и блоки), а также естественные камни ( туф, ракушечник, известняк, гранит, песчаник и др.). Форма естественных камней зависит от степени обработки поверхностей после их добывания в карьере.
Основной характеристикой каменных материалов для несущих
конструкций является прочность. Она оценивается маркой. Марка камня обозначает его предел прочности при сжатии и изгибе в МПа (кгс/см2). Предел прочности камней при растяжении составляет 5…16% от прочности на сжатие. Поэтому каменная кладка применяется . как правило, в элементах, работающих на центральное и внецентренное сжатие.
Не менее важной характеристикой каменных материалов является влаго- и морозостойкость. Морозостойкость оценивается количеством циклов попеременного замораживания ( при температуре –15оС в насыщенном водой состоянии) и оттаивания, после которых на поверхности материалов не должно быть видно следов повреждений – расслоения, трещин и др. По морозостойкости камней и кладки устанавливается степень долговечности зданий и сооружений.
Кирпич. Кирпич обладает прочностью от 5 до 20 МПа и удовлетворяет требованиям прочности. предъявляемым к несущим конструкциям. Кирпич бывает сплошной и многодырчатый – пустотный. Пустотность кирпича составляет от 8,5 до 22%. Наличие в кирпиче пустот уменьшает его объемный вес и повышает теплотехнические свойства кладки.
Кирпич бывает глиняный пластического или полусухого прессования, силикатный, легковесный и шлаковый. Каждый вид кирпича имеет свой модуль упругости, вследствие чего деформативность кирпичных кладок различна. Это учитывается при расчете на сжатие элементов, сложенных из различного вида кирпича. Неодинакова также зависимость между деформациями и напряжением. Для глиняного обожженного кирпича она близка к линейной. Для силикатного же кирпича эта зависимость криволинейна. В силикатном кирпиче имеют место остаточные деформации. Виды кирпича и их основные характеристики приведены в табл. 1

Размеры поперечных сечений кирпичных столбов и простенков следует принимать кратными ширине кирпича 13см, включая растворный шов.

Керамические камни. Керамические камни, как и кирпич. являются местным строительным материалом. Камни имеют пустоты- щели шириной 12мм, составляющие 20…30% объема камня. Керамические камни выпускаются следующих марок по сечению брутто: 150;100;75 и 50. Размеры керамических камней в плане равны размерам кирпича , а высота – примерно двум рядам кирпичной кладки (138мм). Это позволяет осуществить перевязку кладки продольных и поперечных стен, выполненных из керамических камней и кирпича. Керамика обладает высокой влаго- и морозостойкостью, что позволяет использовать ее для облицовки наружных стен и как архитектурный элемент при оформлении фасадов.
Крупные блоки. Крупные блоки , кирпичные и керамические, изготовленные на заводе в лучших производственных условиях, чем кладка на строительной площадке, обычно имеют большую прочность. Кроме того до минимума сокращаются мокрые процессы непосредственно на строительной площадке. Разрезка стен на кирпичные блоки, в основном. применяется трехрядная.
Бетонные блоки изготовляются на гидравлических, вяжущих и, в отличие от кирпича из глины, не требуют обжига. Это обстоятельство выгодно отличает бетонные камни от кирпича и керамических камней. Прочность бетонных блоков существенно выше, чем кирпичных блоков. Крупные бетонные блоки применяются для наружных и внутренних стен, санитарных узлов, цоколей, фундаментов и др. Блоки в зависимости от предъявляемых к ним требованиям ( прочности, теплопроводности) изготовляются без пустот и с пустотами из тяжелых и легких бетонов разных классов (марок) – В 3,5; В5; B 7,5; B10; B 12,5 и В 15 (50,75,100,125,150,200). Так, например, для несущих конструкций – фундаментов, стен подвалов многоэтажных зданий, к которым предъявляются требования высокой прочности, - применяются блоки из тяжелого бетона классов В10, В15.
Размеры блоков определяются принятыми способами разрезки стен, а для фундаментов и способами перевязки. Следует придерживаться одного принципа разрезки наружных и внутренних стен для совпадения их горизонтальных швов. Это позволяет перевязывать кладку в местах пересечения продольных и поперечных стен, а в случае необходимости – укладывать в горизонтальные швы металлические сетки.
Естественные камни. Камни мягкой породы (туф, ракушечник и др.) обладают малой плотностью и малой теплопроводностью- качествами. необходимыми для ограждающих конструкций. Они имеют малый предел прочности при сжатии и большую влагоемкость и поэтому используются в малоэтажном строительстве в несущих стенах, а также как заполнители стен каркасных зданий любой этажности. Камни мягких пород не могут применяться для стен подвалов, цоколей и в качестве облицовки. Наружные стены из камней мягких пород защищаются от атмосферных осадков слоем штукатурки.
Камни твердых пород (гранит, песчаник и др.) отличаются большой плотностью, высокой прочностью и большой теплопроводностью. Обладая высокой влаго- и морозоустойчивостью, гранит и песчаник успешно применяются для кладки фундаментов, стен подвалов , цоколей, подпорных стенок и в качестве облицовки капитальных зданий.
Обработка камней твердых пород весьма трудоемка, поэтому они часто применяются в том виде, в каком получаются при добывании, т.е. случайной формы и размеров (рваный бут). В отдельных случаях эти камни с большой или меньшей тщательностью обрабатываются на две параллельные постели. Для облицовки стен камни обрабатываются более чисто и по всему периметру.
Раствор. Раствор скрепляет между собой отдельные камни, более равномерно распределяет усилия по постелям и уменьшает продуваемость кладки.
По роду вяжущих различают растворы цементные (цемент: песок), сложные ( цемент: известь: песок; цемент: глина: песок) и известковые (известь: песок). Известь и глина в сложном растворе являются пластификаторами, делающими раствор более пластичным и удобоукладываемым, легко расстилающимся по постели камня, что позволяет получить горизонтальные швы требуемой толщины. Согласно СНиП II-22-81* установлены марки растворов 200,150, 100,75,50,25, 10,4. Марка раствора кладки назначается по расчету из условия прочности кладки с учетом требуемой морозостойкости.

2. Прочность кладки при сжатии

Неармированные кладка

Каменная кладка, выполненная из камней правильной формы, в основном зависит от прочности камня и раствора, перевязки вертикальных швов и размеров камня. Сопротивление кладки при сжатии R составляет незначительный процент от прочности камня и составляет 6…18% в зависимости от марки раствора.
Несущая способность каменного элемента ( простенка, столба) зависит от прочности кладки. Вот почему напряжения в кладке не должны превышать расчетных сопротивлений R кладки. Появление трещин из-за перенапряжения кладки на сжатие недопустимо, так как каменная кладка является хрупким, малодеформируемым материалом. При появлении в кладке трещин , элемент обычно является аварийным и дальнейшее развитие трещин протекает без увеличения нагрузки, и, как правило, приводит к разрушению элемента.
Трещины, возникающие из-за перенапряжения кладки, не следует смешивать с трещинами. которые появляются иногда в стенах в результате неравномерных осадок фундаментов. Такие трещины, если они проходят вдали от угла здания и делят стену по длине на части, каждая из которых самостоятельно устойчива, не являются аварийными и не представляют опасности для стены. Но и здесь необходимы соответствующие мероприятия по прекращению дальнейших деформаций.
Расчетные сопротивления кладки определяются как произведение ( с округлением) нормативных сопротивлений на коэффициенты однородности и условий работы. Величины расчетных сопротивлений кладки. сложенной из различных видов и марок камня и раствора, приведены в таблице 2....