Кам’яні конструкції

План

1. Матеріали для кам’яних конструкцій.

2. Будівельний розчин.

3. Напружено-деформований стан кладки при осьовому стисканні.

4. Міцність кладки, фактори, що впливають на міцність.

5. Центрально стиснуті елементи.

6. Позацентрово стиснуті елементи.

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

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

До штучних каменів відносяться: цегла (рис.19) різних видів, камені керамічні порожнисті, камені з важкого та легкого бетону (суцільні і порожнисті).

Рис.19. Цегла та камені різних видів

Кам'яні матеріали, що застосовуються для кладки, повинні мати необхідну міцність, морозо - і водостійкість. Основною характеристикою кам'яних матеріалів і бетонів є їх міцність, яка визначається марками та класами. Марка каменю встановлюється по величині тимчасового опору стисненню в МПа, а для цегли ще й згину (рис.20,21).

а) б)

Рис.20. Випробування на стиск: а- підготовлені зразки; б- загальний вигляд.

Рис.21. Випробування цегли на згин.

Морозостійкість каменів, 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.

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

За видом в’яжучої речовини будівельні розчини підрозділяються на цементні (на портландцементі або його різновидах), вапняні (на повітряному або гідравлічному вапні), гіпсові (на основі 20-ти гіпсових в’яжучих) 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).

За виглядом 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.

За призначенням будівельні розчини бувають кладочні, оздоблювальні, спеціальні.

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

3. Камінь і розчин в кладці знаходяться в умовах складного НДС навіть при рівномірному розподілі навантаження по всьому перерізу елементу, що стискається. Вони одночасно зазнають позацентрового та місцевому стиснення, згину, зрізу і розтягу.

В роботі кам’яної кладки на стиск розрізняють чотири стадії:

перша стадія відповідає нормальній експлуатації кладки, коли зусилля, які виникають в кладці під навантаженням, не викликають явних її
пошкоджень (рис.22, а);

друга стадія – при збільшенні навантаження, в окремих каменях з’являються тріщини висотою на 1…3 ряди. Це сигнал про небезпеку, бо навантаження на кладку складає близько 60…80% від руйнуючого (рис. 22, б);

третя стадія - при збільшенні навантаження після появи перших тріщин відбувається як їх розвиток, так і виникнення і розвиток нових тріщин, які з'єднуються між собою, перетинаючи значну частину кладки у вертикальному напрямі (рис.22, в).

а) б) в) г)

Рис.22. Стадії роботи кладки при стисненні:

а - перша; б - друга; в - третя; г - четверта (руйнування кладки).

четверта стадія - при тривалій дії цього навантаження, навіть без його збільшення, поступово (унаслідок розвитку пластичних деформацій) відбувається подальший розвиток тріщин, які розшаровують кладку на тонкі
гнучкі стовпчики. Тоді третя стадія перейде в четверту - стадію руйнування від втрати стійкості розчленованої кладки (рис.22, г).

4. Оскільки руйнування стиснутої кладки відбувається внаслідок втрати стійкості гнучких стовпчиків, що утворилися після її розтріскування, то міцність кладки навіть при дуже міцному розчині завжди менше міцності цегли (каменя) на стиснення. Теоретична максимальна міцність кладки на розчині з межею міцності R ₂ = ∞ називається конструктивною міцністю кладки R^k. Конструктивна міцність кладки рівна межі міцності каменя на стиснення помножена на конструктивний коефіцієнт A< 1: R^k = AR ₁. Наприклад для цегляної кладки А =0,5…0,6; для бутової А =0,15…0,25. Фактична міцність кладки значно менша за конструктивну (для цегляної кладки вона складає 0,3…0,4 від R ₁. Окрім марки цегли R₁ на величину міцності кладки робить вплив марка розчину R₂ і вид кладки. Величина фактичної міцності кладки R^ф може бути одержана по емпіричній формулі:

(47)

Коефіцієнти a, b, η залежать від виду кладки, вони приймаються менше
одиниці [3].

З цієї формули видно, що зростання міцності кладки із збільшенням марки розчину затухає (рис. 23). Навіть при R₂ = ∞ міцність кладки R^ф = AR₁, тобто менше R₁. Тому застосування для звичайних кладок розчинів високих марок (більше 75) неекономічне.

Рис.23. Залежність міцності кладки при стисненні від міцності розчину.

Фактори, що впливають на міцність кладки:

1. Міцність каменю та розчину.

2. Вік кладки та її навантаження. По мірі твердіння міцність розчину, а відповідно, і міцність кладки збільшуються. В реальних конструкціях кладка безперервно завантажується власною вагою, перекриттям, монтажним та корисним навантаженням, починаючи з її нульового віку до досягнення навантаженням повної величини. Дія рівномірного обтиснення дещо змінює умови накопичення розчином та кладкою міцності. Встановлено, що якщо в процесі довготривалого завантаження навантаження N не перевищує навантаження N_crc, то це навантаження сприятливо позначається на міцності розчину та цегляної кладки при стисканні. Якщо ж N>N_crc, це призводить до зменшення кінцевої міцності кладки.

3. Якість кладки залежить від кваліфікації муляра. Так, наприклад, кладка, виконана висококваліфікованим муляром на 30…40% міцніша за кладку, виконану муляром середньої кваліфікації. А вібрована кладка (на вібростолах) міцніше звичайної у 2…2,5 рази.

4. Товщина швів. Збільшення товщини шву, з одного боку, покращує якість шву, але призводить до збільшення зусиль розтягу у поперечному напрямі, тому товщина горизонтальних швів приймається не більше ніж 12мм, вертикальних – не більше 10мм.

5. Збільшення рухливості розчину. Зі збільшенням водоцементного відношення (В/Ц), для збільшення рухливості розчину, міцність та щільність розчину в цегляній кладці не зменшується, так як при вкладанні на цеглу остання швидко висмоктує з розчину воду у кількості, яка перевищує водо утримуючі можливості розчину. А введення органічних пластифікаторів призводить до зростання деформативності розчину. Тому дозволяється застосування пластифікаторів лише в такій кількості, яка зменшує щільність розчину не більш ніж на 6%.

6. Форма та розміри кладки: кладка круглої та квадратної форми поперечного перерізу більш міцна ніж таврова та іншої складної форми. Зменшення площі поперечного перерізу призводить до деякого збільшення межі міцності кладки, а збільшення, навпаки, до зниження.

7. Розмір каменя. При збільшенні висоти каменя збільшується міцність кладки.

8. Форма каменя. Чим правильніша форма каменя, тим точніше передається зусилля через горизонтальні шви і міцність кладки зростає.

9. Наявність порожнин каменів. Якщо порожнини круглі, міцність кладки зменшується пропорційно до збільшення порожнистості каменів. Щілиноподібні порожнини не знижують міцності кладки, через те такі камені вважаються найефективнішим матеріалом (легкі, міцні, мають високі теплоізоляційні властивості).

10. Перев’язка рядів. Залежно від кількості перев’язаних рядів існує ти основних типи перев’язки: ланцюжкова (однорядна), трирядна, багаторядна (п’ятирядна). Найміцнішою вважають ланцюжкову перев’язку.

5. На центральний стиск працюють внутрішні стіни та стовпи. При центральному стиску напруження по перерізу елементу розподіляються рівномірно. Руйнування таких елементів відбувається залежно від їх гнучкості: або в результаті вичерпання міцності кладки () - для коротких елементів, або в результаті втрати стійкості при критичних напруженнях () менших, ніж межа міцності кладки - для довгих елементів.

Розрахунок центрально стиснутих елементів в загальному випадку проводиться за формулою:

, (48)

де N - розрахункова поздовжня сила;

R - розрахунковий опір кладки стисненню (табл.2…9 [3]);

А - площа перерізу елементу;

m_g - коефіцієнт, що враховує вплив прогину стиснутих елементів на їх несучу здатність при тривалому навантаженні (формула 16 [3]). Якщо менший розмір поперечного перерізу елементу більше 30см, тоді m_g= 1;

φ - коефіцієнт поздовжнього згину, який враховує зниження несучої здатності через явище втрати стійкості (табл.18 [3]). Коефіцієнт φ залежить від:

1) пружної характеристики кладки α, яка визначається за табл. 15 [3];

2) гнучкості елементу:

- для прямокутного перерізу

, (49)

- для довільного перерізу

, (50)

де l ₀ – розрахункова висота елементу,

h – менший розмір поперечного перерізу елементу,

і – радіус інерції елементу довільного перерізу.

6. На позацентровий стиск працюють зовнішні стіни та стовпи, на котрі навантаженні передається з ексцентриситетом. Такі елементи не руйнуються до тих пір, доки не буде повністю вичерпана несуча здатність стиснутої зони перерізу (рис.24).

Рис.24 Схема завантаження позацентрово стиснутого стовпа.

Якщо l ₀ <0,7 у, то розрахунок ведеться тільки за першою групою граничних станів перевіряючи несучу здатність.

, (51)

де А_с – площа стиснутої зони перерізу. Для прямокутного перерізу

, (52)

де А – площа всього перерізу;

е ₀ – ексцентриситет;

h – розмір, вздовж якого прикладений ексцентриситет, тобто розмір у напряму дії згинального моменту;

ω – коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілення напружень по перерізу, визначається за табл. 19 [3]);

φ ₁ – коефіцієнт поздовжнього згину при позацентровому стиску

, (53)

де φ – коефіцієнт поздовжнього згину для всього перерізу у площині дії згинального моменту. Визначається за табл. 18 [3] залежно від α та гнучкості елементу ;

φ_с – коефіцієнт поздовжнього згину для стиснутої зони перерізу. Визначається за табл. 18 [3] залежно від α та гнучкості стиснутої зони елементу

, (54)

де Н_п – висота поверху,

h_c – висота стиснутої зони перерізу, для прямокутного перерізу .

Поиск по сайту: