Тема 5. Основи розрахунку кам'яних конструкцій

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.