Проектирование каменных конструкций

Каменная кладка

Каменная кладка – структурный материал, состоящий из камней, соединенных раствором. В процессе строительства гаражей каменная кладка применяется повсеместно, как и в любом малоэтажном строительстве.

Каменная кладка, в которой в качестве камней используются кирпичи, называется кирпичной кладкой. Далее мы будем вести расчет именно кирпичных кладок.

Отметим, что из каменной кладки построены практически все памятники архитектуры (за исключением памятников деревянного зодчества) вплоть до середины/конца XIX в., когда эстафету у нее приняли металлические и железобетонные конструкции. Однако и в XX в. каменная кладка получила широкое применение. В XXI в. каменная кладка также нашла свою нишу в строительстве.

Номенклатура камней, применяемых в кладках, крайне разнообразна и включает в себя как природные (естественные), добываемые в карьерах, так и искусственные материалы, изготавливаемые на заводах.

В настоящее время в несущих и ограждающих конструкциях домов и гаражей применяют искусственные камни, а естественные используют в отделке. Искусственные камни по способу производства можно поделить на автоклавные (силикатный кирпич), обжиговые (кирпич глиняный и керамические камни) и безобжиговые (блоки из бетона, например, газобетон).

Слева – силикатный кирпич; посередине – кирпич глиняный (сверху), камень керамический (снизу); справа – газобетонный блок

По структуре камни подразделяют на сплошные и пустотные (для повышения теплотехнических характеристик).

Каждая плоскость кирпича имеет свое название: постель (наибольшая из граней), ложок (большая торцевая грань) и тычок (меньшая торцевая грань).

Далее мы будем вести расчет кладок, выполненных из обыкновенного керамического полнотелого кирпича размерами 250х120х65 мм. Отметим, что часто толщину кладки в стенах домов и гаражей измеряют «кирпичами» (большим их размером). Так, для кирпичей с обозначенными размерами, стена толщиной 120 мм есть стена «в пол кирпича», 250 мм – «в кирпич», 380 мм – «в полтора кирпича» и т.п.

Что касается раствора, на которых выполняется кладка, то в настоящее время применяются цементные и сложные растворы. Последние состоят из двух вяжущих (цемент и известь).

Для создания сплошности и монолитности кладки, необходима так называемая перевязка кладки, суть которой заключается во взаимном смещении кирпичей соседних рядов (перевязка по длине) и чередовании тычковых и ложковых рядов (перевязка по толщине). Различные способы смещений (на четверть кирпича, пол кирпича и т.п.) и чередований (через один ряд, два ряда и т.п.) определяют различные системы перевязок.

Отметим, что структуре кирпичной кладки можно сопоставить структуру бетона. Действительно, бетон состоит из крупного (щебня) и мелкого (песка) заполнителей, соединенных вяжущим (цементом). Если в качестве крупного заполнителя рассматривать камни, уложенные в растворную смесь (по сути – в бетон без крупного заполнителя) в соответствии с выбранной системой перевязки, то получится каменная кладка. И действительно, механические свойство каменной кладки близки к таковым для бетона.

Прочность камней и раствора оценивают их марками (М), числа которых обозначают среднее временное сопротивление (предел прочности) стандартных образцов при сжатии (кг/см2) и устанавливают по результатам испытаний в соответствии с ГОСТами.

Наиболее часто применяемыми марками можно назвать: М100, М125, М150 – для кирпича и М75, М100, М125 – для раствора.

Сопротивление кладки

С точки зрения расчета конструкций гаража, больший интерес вызывает не номенклатура изделий и разнообразие систем перевязки, что изучается в курсах, соответственно, материаловедения и технологии строительства, а характер сопротивления кладки тому или иному воздействию и причины, его обуславливающие.

В этом аспекте можно сказать, что каменная кладка – структурный материал, хорошо сопротивляющийся сжатию и гораздо хуже (на порядок) растяжению, срезу и изгибу. В связи с чем из каменной кладки выполняют конструкции, работающие, прежде всего, на сжатие (центральное и внецентренное) – стены и столбы, а также арки, своды и купола. Причем последние встречаются в конструкциях до XX в.; современные конструкции используют кладку преимущественно в стенах (несущих и ограждающих) и столбах.

Стоит отметить, что часто, в каменной кладке стен гаража кроме сжатия возникают растягивающие, сдвигающие и изгибные напряжения, что заставляет вести анализ данных сопротивлений. Так, в зоне устройства в стене перемычек, кладка испытывает изгибные напряжения в своей плоскости; то же можно сказать о кладке стен, устроенных по рандбалкам (балкам, опирающихся на фундаменты) – перемычки и рандбалки имеют конечную жесткость и, получая естественные прогибы, увлекают за собой кладку).

При устройстве по стенам (столбам) сводчатых конструкций кладка испытывает срез по толщине по сечению при передаче на нее распора и изгиб из плоскости.

Срез по высоте можно наблюдать при сопряжении разно нагруженных стен (или стены с пилястрой).

Такие конструкции, как стенки круглых емкостей испытывают растяжение по своей длине.

При неравномерных осадках грунтов основания в кладке формируется крайне сложное напряженно-деформированное состояние.

Слабое сопротивление кладки растяжению, срезу и изгибу обусловлено, прежде всего, следующими факторами:

  1. Слабым сопротивлением камня и раствора растяжению, срезу и изгибу, что характерно в принципе для каменных материалов (кирпич и раствор являются искусственными каменными материалами).
  2. Слабым сцеплением камня с раствором.

На поведение кладки гаража при сжатии существенное значение оказывает разные деформационные свойства материалов, из которой она выполнена – раствор на порядок деформативнее камня, а также неравномерность растворной постели, обусловленная технологическими факторами (кладка устраивается каменщиком вручную).

Тем самым мы обозначили несколько принципиальных факторов, отражающихся на сопротивлении кладки:

  • разность деформационных свойств камня и раствора и неоднородность растворной постели, которые обуславливают, в первую очередь, особенности сопротивление кладки сжатию;
  • сцепление кирпича с раствором, которое обуславливает особенности сопротивления кладки растяжению, срезу и изгибу, а также внецентренному сжатию с большим эксцентриситетом.

Рассмотрим каждый из этих факторов подробнее.

Особенности сопротивления кладки сжатию, обусловленные разностью деформационных свойств камня и раствора и неоднородностью растворной постели

Докажем, что даже при центральном сжатии и равномерном распределении давления на кладку отдельные камни и раствор в швах испытывают сложное напряженное состояние. Причем в более невыгодном положении находятся камни, которые одновременно подвержены растяжению, изгибу и срезу. Растяжение камня обусловлено, в первую очередь, разностью деформационных свойств камня и раствора, изгиб и срез – неоднородностью растворной постели.

1) Разность деформационных свойств камня и раствора.

Проанализируем работу образца-столбика, выполненного из камней правильной формы (например, кирпича) при центральном сжатии.

Схема работы образца-столбика при центральном сжатии
а – деформированное состояние в поперечном сечении;
б – напряженное состояние кирпича и раствора в поперечном сечении

По мере увеличения давления, столбик будет испытывать продольные деформации, большая часть которых будет реализовываться за счет деформаций раствора (из-за его большей деформативности). Продольные деформации раствора сопровождаются поперечными, которые будут стеснены выше- и нижерасположенными кирпичами (точнее силами сцепления раствора с кирпичом и силами трения на их границе). Это вызовет появление в кирпичах растягивающих, а в растворе сжимающих усилий. Таким образом, раствор окажется в более выгодном положении – в продольном и поперечном направлении он будет испытывать сжатие, чем кирпич, который в поперечном направлении будет испытывать растяжение, сопротивляемость которому мала.

Указанный эффект усугубляется разными значениями коэффициента поперечного расширения (коэффициент Пуассона), который у кирпича значительно меньше, чем у раствора.

Далее проанализируем работу фрагмента кладки (с перевязкой швов) при центральном сжатии.

Схема работы отдельного кирпича в поперечном направлении
при центральном сжатии фрагмента кладки

растяжение будет сдерживаться наличием раствора в вертикальных швах. Однако данное сдерживание не является существенным по ряду причин:

  • Неоднородность растворной постели из-за более высокой деформативности раствора относительно кирпича, последний испытывает малое сопротивление растяжению;
  • усадка раствора в вертикальных швах носит свободный характер, что уменьшает плотность раствора и может привести к нарушению сцепления и отлипанию последнего от боковых граней кирпича. Усадка раствора в горизонтальных швах также имеет место, однако, из-за осадки кладки под давлением от собственного веса, раствор уплотняется, что, напротив, увеличивает его сцепление с кирпичом;
  • низкое качество заполнения вертикальных швов. Данное явление особенно распространено в забутке кладок зданий старой городской застройки.

2) Неоднородность растворной постели.

Неоднородность растворной постели вызвана, главным образом, технологическими факторами. Рассмотрим данное явление также на примере кирпичной кладки.

Каменщик, при расстилании раствора в процессе строительства гаража, не может обеспечить постоянной толщины и правильной формы шва. Далее, уложив кирпич на раствор, каменщик начинает его рихтовать, чтобы тот занял необходимое положение в кладке. При этом рихтовка (постукивание по верхней грани кирпича) носит неодинаковый характер по поверхности, что приводит к неравномерному уплотнению раствора под кирпичом

Устройство кладки
а – расстилание раствора; б – рихтовка кирпича
1 – растворная постель; 2 – направление рихтовки; 3 – более плотный участок раствора
после рихтовки; 4 – менее плотный участок после рихтовки

Таким образом, неоднородность растворной постели в зависимости от взаимного расположения более и менее плотных участков раствора ставит отдельные кирпичи в условия работы на изгиб или срез.

Условные схемы работы отдельных кирпичей в кладке
а – работа камней на изгиб; б – работа камней на срез:
1 – трещина; 2 – деформированное состояние при изгибе
(штриховкой показаны более плотные участки раствора)

Стоит отметить, что растягивающие напряжения, возникающие от изгиба камня, суммируются с растягивающими напряжениями, возникающими при его растяжении.

Также стоит отметить, что неоднородность растворной постели создает предпосылки для внецентренных и местных эффектов в камнях.

Особенности сопротивления кладки растяжению, срезу и изгибу, обусловленные сцеплением кирпича с раствором

Сцепление кирпича и раствора создается в результате сложных физико-химических процессов, протекающих при твердении раствора в швах, и зависит от ряда факторов, первостепенными из которых можно назвать:

а) Клеящая способность раствора, зависящая от адгезионных и когезионных свойств раствора, которые определяются:

  • составом раствора и минералогическим составом вяжущего, водовяжущим отношением и плотностью раствора;
  • возрастом раствора, температурно-влажностными условиями твердения;
  • степенью шероховатости и чистотой поверхности кирпича.

Адгезия подразделяется на специфическую и механическую; первая получается за счет химической связи, вторая – за счет проникновения раствора внутрь пор и шероховатости кирпича.

б) Степень полноты контакта раствора с кирпичом, которая определяется величиной усадки раствора в швах, зависящей от его водоудерживающей способности и других факторов. Большая усадка вызывает значительные усадочные напряжения, которые могут свести на нет адгезионные способности.

Кроме приведенных, сцепление также зависит от других факторов, например, – от увлажнения кирпича. Увлажнение кирпича до некоторого оптимального значения приводит к значительному повышению прочности сцепления. При влажности кирпича, близкой к его полному насыщению водой, наблюдается большое снижение сцепления. Сцепление также зависит от водоудерживающей способности раствора. Наибольшая потеря влаги наблюдается в слоях, непосредственно примыкающих к камню, то есть на тех участках, которыми обеспечивается прочность сцепления.

Далее рассмотрим характеристики сцепления.

В зависимости от направления действия усилий относительно растворного шва, различают два вида сцепления:

  • нормальное S, когда направление действия усилий перпендикулярно шву;
  • касательное или тангенциальное T, когда направление действия усилий параллельно шву.
Нормальное (а) и касательное (б) сцепления

Причем, как нормальное S, так и касательное T сцепления зависят от одних и тех же факторов.

По экспериментальным данным T=[1,3÷2,5]S; в нормативной документации принято T=2S.

Даже при относительно прочных растворах (М100-М200) сцепление продолжает нарастать с увеличением прочности раствора, хотя скорость нарастания падает. Однако в нормативной документации повышение сцепления с возрастанием раствора при R2 > 5 МПа не учитывается. Это вызвано трудностью учета влияния на сцепление множества факторов, каждый из которых может существенно изменить величину сцепления.

Сложным влиянием на сцепление множества факторов, а также низким значением сцепления для относительно молодых кладок, можно объясняется тот факт, что нормативная литература не допускает проектирование конструкций, в которой сопротивление каменной кладки каким-либо усилиям обусловлено только сцеплением.

Прочность нормального сцепления кирпича с раствором S определяется путем испытаний на осевое растяжение в соответствии с ГОСТ 24992-81. Испытанию подлежат образцы, выполненные из двух целых кирпичей (камней) или из двух равных их половинок.

Схема испытания нормального сцепления кирпича с раствором

Предел прочности нормального сцепления образца:

где P – максимальная нагрузка, при которой происходит отрыв;
F – среднеарифметическое значение площади отрыва (брутто).

За предел прочности нормального сцепления S принимается среднее арифметическое значение результатов испытаний установленного числа образцов.

Предел прочности касательного сцепления вычисляется по зависимости T=2S.

Общие требования к материалам для кладки при строительстве гаражей и домов

Кирпич, камни и растворы для каменных и армокаменных конструкций, а также бетоны для изготовления камней и крупных блоков должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов и применяться следующих марок или классов:

а) камни — по пределу прочности на сжатие (а кирпич — на сжатие с учетом его прочности при изгибе): 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50 (камни малой прочности — легкие бетонные и природные камни); 75, 100, 125, 150, 200 (средней прочности — кирпич, керамические, бетонные и природные камни); 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 (высокой прочности — кирпич, природные и бетонные камни);

б) бетоны классов по прочности на сжатие:
тяжелые — В3,5; В5; В7,5; В12,5; В15; В20; В25; В30;
на пористых заполнителях — В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В12,5; В15; В20; В25; В30;
ячеистые — В1; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В12,5;
крупнопористые — В1; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5;
поризованные — В2,5; В3,5; В5; В7,5;
силикатные — В12,5; В15; В20; В25; В30.
Допускается применение в качестве утеплителей бетонов, предел прочности которых на сжатие 0,7 МПа (7 кгс/) и 1,0 МПа (10 кгс/); а для вкладышей и плит не менее 1,0 МПа (10 кгс/);

в) растворы по пределу прочности на сжатие — 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200;

г) каменные материалы по морозостойкости — Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 75, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200, Мрз 300.
Для бетонов марки по морозостойкости те же, кроме Мрз 10.

  1. Растворы с плотностью в сухом состоянии — 1500 кг/ и более — тяжелые, до 1500 кг/- легкие.
  2. Проектные марки по морозостойкости каменных материалов для наружной части стен (на толщину 12 см) и для фундаментов (на всю толщину), возводимых во всех строительно-климатических зонах, в зависимости от предполагаемого срока службы конструкций, но не менее 100, 50 и 25 лет, приведены в табл. 1.4
    Примечание. Проектные марки по морозостойкости устанавливают только для материалов, из которых возводится верхняя часть фундаментов (до половины расчетной глубины промерзания грунта, определяемой в соответствии с главой СНиП «Основания зданий и сооружений»).

Марки по морозостойкости в зависимости от назначения

Примечания:

  1. Марки по морозостойкости камней, блоков и панелей, изготовляемых из бетонов всех видов, следует принимать в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций.
  2. Марки по морозостойкости, приведенные в табл. 1.4, для всех строительно-климатических зон могут быть снижены для кладки из глиняного кирпича пластического прессования на одну ступень, но не ниже Мрз 10.

Армирование кладки

Армированные кирпичные конструкции представляют собой кладку, усиленную стальной арматурой, которую укладывают на растворе в швы между кирпичами. Под действием сжимающих сил арматура зажимается в швах благодаря силам трения и сцепления с раствором работает как одно целое с кладкой. Армирование может быть поперечное и продольное.

Поперечное армирование выполняют сетками или отдельными стержнями. Стержни воспринимают поперечные растягивающие усилия, возникающие при сжатии кладки, препятствуют разрушению кирпича при изгибе и растяжении и этим увеличивают несущую способность сжатого элемента.

Армирование кирпичных столбов
а – прямоугольная сетка,
б –зигзагообразная сетка
1 – выступающие концы прутков сеток.

Столбы, стены и простенки гаражей армируют поперечной сетчатой арматурой, прямоугольной или зигзагообразной («зигзаг»). Диаметр стержней для поперечного армирования кладки допускается не менее 2,5 мм и не более 8 мм. Вместе с тем диаметр арматуры в прямоугольных сетках должен быть не более 5 мм, а в зигзагообразных — не более 8 мм. Применение арматуры больших диаметров вызвало бы недопустимое увеличение толщины горизонтальных швов и снижение прочности кладки. Для предохранения от коррозии арматурные сетки сверху и снизу защищают слоем раствора толщиной не менее 2 мм. В связи с этим общая толщина шва, в котором расположена прямоугольная сетка из стержней диаметром 5 мм, должна быть не менее 14 мм. Стержни сеток сваривают или связывают между собой вязальной проволокой. Расстояние между стержнями в сетках должно быть не менее 30 и не более 120 мм. Сетки должны иметь такие размеры, чтобы концы стержней выступали на 2…3 мм за одну из внутренних поверхностей простенка или столба. По этим концам проверяют наличие арматуры в кладке.

Арматурные прямоугольные сетки из металла класса А1 и проволоки Вр1 или композитную арматуру из синтетического волокна (полиэстрового или полипропиленового), стекловолокна или углеродного волокна укладывают не реже чем через пять рядов кладки, а при утолщенном кирпиче — через четыре ряда, зигзагообразные — попарно в двух смежных рядах, так чтобы направление стержней в них было взаимно перпендикулярным

Продольное и вертикальное армирование кладки применяют для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и внецентренно сжатых конструкциях (столбах, тонких стенах и перегородках) для повышения их устойчивости, а также в конструкциях, подверженных сейсмическим воздействиям.

Сечение стержней и их расположение указывают в проекте гаража. Металлические стержни арматуры соединяют между собой, как правило, сваркой.