Тема 5. Основи розрахунку кам'яних конструкцій

1. Роль кам'яних конструкцій. Матеріали для кам'яних та армокам'яних конструкцій

Кам’яні та армокам’яні конструкції, їх роль у споруджені різних будівель

В даний час разом з будівництвом будівель і споруд різного призначення із застосуванням несучих збірних і монолітних залізобетонних конструкцій все більш широко застосовуються кам’яні і армокам’яні конструкції. Цьому сприяють, як великі запаси природного каменю, так і матеріалів для штучного каменю і наявність розвиненої промисловості цих будівельних матеріалів.

Матеріали для кам’яних та армокам’яних конструкцій

Кам’яні матеріали і вироби для кладки

Матеріалами для кам’яних та армокам’яних конструкцій служать різні камені та будівельний розчин. Номенклатура кам’яних матеріалів для кам’яних і армокам’яних конструкцій дуже різноманітна і включає, як штучні, так і природні матеріали.

До природних каменів важких порід відносяться вапняк, піщаник, граніт тощо. Їх використовують для влаштування фундаментів і облицювання. До легких природних каменів відносяться вапняк- черепашник, туф. Вони поширені в південних районах нашої країни і служать для зведення стін.

В даний час в будівництві широко застосовуються штучні камені. До них відносяться: цегла різних видів (глиняна звичайна, порожниста, силікатна тощо), камені керамічні порожнисті, камені з важкого і легкого бетону (суцільні і порожнисті). Глиняна звичайна повнотіла цегла застосовується для кладки стін будівель, стовпів, колодязів, каналів тощо. Слід зазначити, що ця цегла має порівняно велику теплопровідність, тому товщина зовнішніх стін при суцільній кладці визначається, в більшості випадків, теплотехнічними вимогами і виходить вельми значною. Несуча здатність таких стін набагато перевищує потрібну з умов міцності, і цегла, як конструктивний матеріал, використовується не повністю. Прагнення до раціональнішого використання матеріалу призвело до створення полегшеної або багатошарової кладки стін будівель, а також до застосування інших ефективніших видів цегли. Керамічні і бетонні камені використовуються при зведенні стін, перегородок, перекриттів. Бетонні камені, крім того, застосовуються для кладки фундаментів і стовпів.

Кам’яна кладка, яка виконується на будівельному майданчику з дрібноштучного каменю і цегли, не відповідає повною мірою вимогам індустріального будівництва. Тому в даний час для стін і фундаментів широко застосовуються крупні блоки і панелі. Блоки виготовляються з легкого ніздрюватого бетону, цегли, керамічних і природних каменів і інших матеріалів. Вони можуть бути суцільними і порожнистими. Крупні панелі бувають: для зовнішніх стін одношарові з легких і ніздрюватих бетонів, двошарові з цегли або керамічних каменів з ефективним утеплювачем (віброцегляні панелі), тришарові з двох шарів армованого бетону з шаром утеплювача між ними тощо; для внутрішніх стін – суцільні панелі з важкого бетону і одношарові віброцегляні панелі.

Кам’яні матеріали, що застосовуються для кладки, повинні мати необхідну міцність, морозо- і водостійкість.

Основною характеристикою кам’яних матеріалів і бетонів є їх міцність, що визначається марками. Марка каменю і бетону встановлюється за величиною тимчасового опору стисненню в кгс/см2, а для цегли ще й вигину.

Вибір марки каменю виконується залежно від необхідної несучої здатності.

Морозостійкість каменів, так само як і бетонів, в значній мірі визначає їх довговічність. Вона характеризується марками, що позначають кількість циклів заморожування і відтавання в насиченому водою стані, який камені витримують без наявних пошкоджень і зниження міцності.

Для усіх будівель та споруд з кам’яних матеріалів встановлено три ступені довговічності: I, II і III з терміном служби, відповідно, не менше ніж 100, 50 і 20 років.

До кам’яних матеріалів і виробів, що застосовуються при ручній кладці, відносяться наступні:

1. Цегла трьох видів:

• керамічна (глиняна) одинарна і потовщена повнотіла пластичного пресування з розмірами 250×120 (288×138) мм, завтовшки 65 і 88 мм;
• легковагова – включає найрізноманітніші сорти цегли, об’єднані однією загальною ознакою – малою щільністю ( ρ < 1500 кг/м3); до них відносяться цегла пориста, трепельна, цегляно-трепельна, порожниста, дірчаста, шлакова тощо.

Керамічну цеглу виготовляють способом напівсухого пресування або пластичного формування з глинистих і кремнеземних порід і промислових відходів шляхом обпалених в печах.

Для визначення межі міцності на стиск керамічної цегли випробовують зразок, формою близький до куба, виготовлений з двох половинок розпиляної на дві частини цегли. Окрім визначення міцності на стиск проводиться визначення міцності на розтяг при вигині. Для цього зразок з повної цегли випробовується як балка, що лежить на двох опорах, з розрахунковим прольотом 200 мм та завантажена зосередженою силою по середині прольоту.

Рис. 4.1. Цегла глиняна пластичного формування з порожнинами: а –круглими;б – щілиноподібними; 1... 7 – тип цегли.

Силікатну цеглу виготовляють способом пресування зволоженої суміші з кремнеземних матеріалів і вапна або інших вапноутримуючих в’яжучих із застосуванням пігментів і без них з подальшим твердінням під дією насиченої пари в автоклаві. Цегла може бути одинарною (товщина 65мм) і потовщеною (товщина 88 мм), повнотілою і порожнистою. За міцністю цеглу виготовляють марок 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а за морозостійкістю – марок F15, F25, F35, F50.

Залежно від призначення цегла буває рядова або лицьова.

Керамічні, силікатні і бетонні камені.

Керамічні і силікатні камені виготовляють тільки порожнистими з різною кількістю порожнин залежно від матеріалів, які використовуються і призначення каменя. Велика порожнистість приймається в каменях для ненесучих елементів і для перекриттів. Об’єм порожнин в цих випадках сягає 60%. Такі камені навіть при порівняно великих розмірах мають малу об’ємну вагу, що дозволяє укладати їх вручну.

За призначенням камені розподіляються:

• для панелей (віброцегляних тощо) і кладки несучих і самонесучих стін будівель;
• для панелей і кладки внутрішніх стін і перегородок, для заповнення каркасів;
• для перекриттів.

Показники морозостійкості і водопоглинання для керамічних і силікатних каменів аналогічні показникам для цегли.

Марка каменів за міцністю встановлюється шляхом визначення межі міцності при стисненні, при цьому випробування проводять на зразках з цілих каменів.

Камені бетонні стінові можуть бути повнотілими і порожнистими. Порожнисті бетонні камені виготовляють декількох типів, проте великі переваги, як за теплотехнічними показниками, так і за міцністю кладки мають камені з щілиноподібними (ненаскрізними) порожнинам. Трипустотні камені, що мають крупні наскрізні порожнини, за теплотехнічними розрахунками, в більшості випадків, вимагають засипки порожнин шлаками, що ускладнює процес кладки. Окрім цього в кладках з цих каменів порожнини тичкового і ложкового рядів не повністю співпадають, що знижує фактичну площу спирання суміжних по висоті рядів кладки та призводить до нерівномірного розподілу напружень, знижуючи при цьому міцність кладки.

Рис. 4.2. Камені керамічні порожнисті: а – одинарний; б – укрупнений (цілий або половинка).

Рис. 4.3. Види силікатних порожнистих виробів: а – камінь 14-и пустотний (діаметр отворів 30...32 мм, порожнистість 28...30%); б – камінь 11-и пустотний (діаметр отворів 27...32 мм, порожнистість 22...25%); в – цегла 3-и пустотна (діаметр отворів 52 мм, порожнистість 22...25%).

Природні камені.

В даний час природні кам’яні матеріали застосовуються для кам’яних конструкцій в менших об’ємах ніж раніше, хоча вони зберігаються в будівлях, що експлуатуються, в крупних населених пунктах у фундаментах, стінах підвалів, а також застосовуються в будівлях, які тільки будуються, у вказаних конструкціях і конструкціях надземної частини в невеликих населених пунктах і сільській місцевості. Достатньо широко вони застосовуються, як облицювальні вироби.

Рис. 4.4. Камені бетонні порожнисті: а – трипустотні; б – з щілиноподібними порожнинами;1 – ложковий, 2 – тичковий, 3 – цілий, 4 – поздовжня половинка.

За ступенем і характером обробки поверхонь природні камені, які застосовуються в будівництві, розділяють на наступні види:

• рваний бут – необроблений камінь з ламаними гранями, гострими кутами, без плоских сторін;
• постелистий бут – камінь з двома приблизно паралельними природними площинами (ліжками);
• бутова плита – постелистий бут, що має форму плити;
• бут під скобу – камінь з грубо обтесаними ліжками та грубо сколеними бічними поверхнями;
• тесані камені: грубого тесання – з виступами до 2 см; напівчистого тесання – з виступами до 1 см; чистого тесання – з виступами до 0,2 см.

Висоту тесаних каменів в кладках приймають не менше ніж 12 см. Маса одного каменя не повинна перевищувати 40 кг.

Необроблені та грубо оброблені камені щільних порід, як правило, застосовують для кладки фундаментів і стін підвалів будівель.

Тесані камені з фактурами, одержаними обробкою (горбисті, рифлені, шліфовані, дзеркальні тощо), застосовують для облицювань. Виготовляють їх з порід середньої твердості (мармуру, пісковиків, вапняків тощо) або твердих порід (гранітів, кварцитів, лабрадориту). Останні застосовуються, як правило, при підвищених вимогах до довговічності або архітектурного оформлення будівлі.

Камені легких порід випилюють за допомогою каменерізних машин і використовують у вигляді паралелепіпедів для кладки надземних стін. Завдяки пористості вони мають гарні теплоізоляційні властивості. Проте морозостійкість їх відносно низька, через те, що застосовуються вони для частин будівель, що не піддаються інтенсивному зволоженню і заморожуванню. Звичайні розміри пиляних каменів 490×240 мм або 390×190 мм при висоті 188 мм.

Розчини для кам’яних кладок.

Розчин для кладки – це вірно підібрана суміш в’яжучого, дрібного заповнювача, води та спеціальних домішок (у необхідних випадках) з подальшим її твердінням після укладання.

Розчини в кам’яній кладці призначені для:

• скріплення між собою окремих каменів;
• передачі зусиль з одних каменів на інші, розподіляючи їх більш рівномірно по поверхні каменя;
• зменшення повітря- та влагопроникності кладки.

Розчини для кладки використовуються різні. Вони розрізняються за видом в’яжучого, заповнювачів, щільності, призначенню і міцності, яка залежить від кількості в’яжучого і його активності.

За видом в’яжучої речовини будівельні розчини підрозділяються на цементні (на портландцементі або його різновидах), вапняні (на повітряному або гідравлічному вапні), гіпсові (на основі гіпсових в’яжучих), глиняні і змішані (на цементно-вапняному, цементно- глиняному, вапняно-гіпсовому в’яжучому). Розчини, виготовлені на одному в’яжучому, називають простими, а на декількох в’яжучих – змішаними (складними).

В’яжучі розподіляються на повітряні та гідравлічні. Повітряні в’яжучі здатні тверднути та зберігати свою міцність тільки на повітрі (повітряне вапно, гіпсові в’яжучі), а гідравлічні тверднуть і на повітрі, і у воді (цемент, гідравлічне вапно).

За видом заповнювача і щільності розчини підрозділяються на: важкі – на річковому або гірському піску і важких шлаках з щільністю в сухому стані ρ>1500 кг/м3; легкі – на пісках з легких шлаків або легких природних кам’яних порід (пемза, туф, черепашник тощо) з щільністю ρ<1500 кг/м3. Легкі розчини одержують також за допомогою піноутворюючих домішок, так звані поризовані розчини.

За призначенням будівельні розчини бувають кладочні (для кам’яної кладки, монтажу стін з великопанельних елементів); оздоблювальні (для штукатурення приміщень, нанесення декоративних шарів на стінові блоки і панелі); спеціальні, такі, що мають особливі властивості (гідроізоляційні, акустичні, рентгенозахисні тощо).

В’яжуче вибирають залежно від призначення розчину, вимог, що пред’являються до нього, температурно-вологісного режиму твердіння і умов експлуатації будівель і споруд.

Цементні розчини широко використовують, як в сухих, так і у вологих умовах, їх готують на портландцементі. Для підземних кладок при агресивних ґрунтових водах застосовують розчини на пуцоланових цементах.

Вода для замішування розчинів не повинна містити домішок, які мають шкідливий вплив на твердіння в’яжучої речовини. Для таких цілей придатна водопровідна вода.

До складу розчинів, призначених для використання в зимових умовах, вводять прискорювачі твердіння, а також домішки, що знижують температуру замерзання води (хлористий кальцій, хлористий натрій, поташ, нітрат натрію тощо).

Склад будівельного розчину позначають кількістю (за масою або об’ємом) матеріалів на 1м3 розчину або відносним співвідношенням (за масою або об’ємом) вихідних сухих матеріалів. При цьому витрату в’яжучого приймають за 1. Для простих розчинів, які складаються з в’яжучого і не містять мінеральних добавок, склад позначають, наприклад 1:4, тобто на 1 масову долю в’яжучого припадає 4 масових доль піску. Змішані розчини, які складаються з двох в’яжучих або містять мінеральні домішки, позначають трьома цифрами, наприклад 1:3:4 (цемент:вапно:пісок).

Для отримання рівного шва в кладці з оптимальною товщиною 8...12 мм розчин повинен мати таку властивість, як легкоукладаємість. Вибір марки розчину проводиться залежно від виду та умов роботи конструкції, а також від ступеня довговічності будівель.

2. Характеристики міцності кам’яної кладки

Характер напружено-деформованого стану кам’яних конструкцій

Як показали досліди, камінь і розчин в кладці знаходяться в умовах складного напруженого стану навіть при рівномірному розподілі навантаження по всьому перерізу елементу, що стискається. Вони одночасно схильні до позацентрового та місцевому стиснення, вигину, зрізу і розтягу (рис. 4.5). Це пояснюється тим, що щільність і жорсткість розчину по довжині і ширині шва внаслідок різних чинників, а саме: нерівномірність водовіддачі і усадки, нерівне розстилання розчину мулярем, наявність вертикальних швів і порожнин, є неоднорідною. Основною причиною руйнування стиснутого каменя є вигин і розтяг. Тому якість кладки – повнота і рівномірність заповнення швів, дотримання раціональної їх товщини (10...12 мм) тощо – чинники, що мають суттєве значення.

Рис. 4.5. Напружено-деформований стан каменю в кладці: 1– стиск, 2 – розтяг, 3 – згин, 4 – зріз, 5 – місцеве стиснення.

Підвищення рухливості розчину сприяє кращому його розстиланню і більш рівномірному заповненню швів, а отже, приводить до збільшення міцності кладки. Але органічні пластифікатори, які підвищують рухливість розчину, знижують його щільність і підвищують деформативність. Тому, щоб запобігти виникненню в камені великих горизонтальних зусиль, кількість таких пластифікаторів повинна бути обмежена.

На міцність кладки впливають розміри і форма каменів, спосіб перев’язки швів, зчеплення розчину з каменем тощо.

Чотири стадії роботи кладки під навантаженням при стисненні

Проведеними експериментальними дослідженнями з різними видами кладок встановлено, що залежно від величини діючих напружень при стисненні роботу кладки можна розділити на чотири характерні стадії (рис. 4.6).

Перша стадія відповідає нормальній експлуатації кладки, коли зусилля, які виникають в кладці під навантаженням, не викликають її пошкоджень. Перехід кладки в другу стадію роботи характеризується появою невеликих тріщин в окремих цеглинах (рис.3.6, б). У цій стадії кладка ще несе навантаження (величина його складає 60...80% від руйнівного), і подальший розвиток тріщин при незмінному навантаженні не спостерігається.

Рис. 4.6. Стадії роботи кладки при стисненні: а – перша; б – друга; в – третя; г – четверта (руйнування кладки).

Величина навантаження, при якому з’являються перші тріщини, залежить від механічних властивостей цегли, конструкції кладки і деформаційних властивостей розчину. Останні ж, в свою чергу, залежать від виду розчину і його віку (тобто віку кладки). Цементні розчини найбільш жорсткі; вапняні, навпаки, більш деформативні. Із збільшенням віку деформаційність розчинів знижується. Чим менше деформаційність розчину, тим більш крихкою виявляється кладка, тобто тим ближче N_тр до N_р.

Підвищення крихкості кладки із збільшенням її віку і при застосуванні малодеформаційних розчинів повинно враховуватися при оцінюванні запасів міцності пошкодженої кладки. Якщо при появі незначної тріщини в кладці раннього віку на вапняному розчині є певний запас міцності, то поява тріщини в кладці значного віку, яка виготовлена на цементному розчині, свідчить про її значне перевантаження. У всіх випадках поява перших тріщин в кладці повинна розглядатися як сигнал для встановлення причин їх появи і, якщо буде необхідно, вжиття заходів щодо підсилення кладки або зниження діючих на неї навантажень.

Після появи перших тріщин зі збільшенням навантаження відбувається, як їх розвиток, так і виникнення і розвиток нових тріщин, які з’єднуються між собою, перетинаючи значну частину кладки у вертикальному напрямі і поступово розшаровуючи її на окремі гілки, кожна з яких знаходиться в умовах позацентрового завантаження (третя стадія роботи кладки (рис. 4.6, в).

При тривалій дії цього навантаження, навіть без його збільшення, поступово (унаслідок розвитку пластичних деформацій) відбувається подальше розкриття тріщин, які розшаровують кладку на тонкі гнучкі стовпчики. Тоді третя стадія переходить в четверту – стадію руйнування від втрати стійкості розчленованої кладки (рис. 4.6, г).

Четверта стадія спостерігається в лабораторних умовах при швидкому наростанні деформацій. У природних умовах третя стадія є початком остаточного руйнування кладки, оскільки виниклі в цій стадії наскрізні тріщини не стабілізуються, а продовжують розвиватися і збільшуватися без збільшення навантаження. Тому дійсне руйнуюче навантаження складає 80...90% від експериментального руйнуючого навантаження. Численні експерименти дозволили розкрити причини виникнення перших тріщин в кладці з цегли. Встановлено, що виникнення перших тріщин в кладці викликається напруженнями вигину і зрізу окремої цегли, тоді як напруження стиску складають 15...25% від межі міцності цегли на стиснення. Деформації вигину окремої цегли досягають значних величин – 0,1...0,4 мм (рис.3.7), які при врахування крихкості цегли є надмірними. Причиною вигину і зрізу цегли в кладці при стисненні є нерівномірна щільність розчину в швах.

Послідовність руйнування кладки, виконаної з каменів інших видів, загалом така ж, як і при руйнуванні цегляної кладки. Різниця полягає в тому, що зі збільшенням висоти каменя збільшується крихкість кладки, і момент появи в ній перших тріщин наближається до моменту руйнування.

У бутовій кладці поява перших тріщин можлива, як в каменях, так і в швах розчину.

Рис. 4.7. Деформації вигину цегли в кладці.