Каменные конструкции

1. Лекция №12 Каменные конструкции

2.

Вопросы подлежащие изучению:
1. Сведения о материалах каменных конструкций.
Прочность и деформативность каменной кладки.
2. Некоторые сведения о работе каменной кладки.
3. Схема работы каменной кладки на центральное осевое
растяжение, срез, изгиб.
4. Расчет сжатых элементов каменной кладки.
5. Виды неармированных каменных кладок.
6. Каменные перемычки.
7. Армокаменные конструкции.
8. Некоторые сведения о статической работе кирпичных
стен.
9. Расчет наружных стен жилых зданий на вертикальные
нагрузки.
10. Некоторые конструктивные положения по проектированию стен зданий.

3.

Обозначения расчетных параметров каменной кладки:
R – расчетная прочность (сопротивление) кладки на сжатие;
Ru – предельная прочность кладки (временное сопротивление);
Rt – расчетная прочность кладки на осевое растяжение;
Rtb – расчетная прочность кладки на растяжение при изгибе;
Rsq – расчетная прочность кладки при срезе;
α – упругая характеристика кладки;
Е0 – модуль упругости кладки при кратковременном действии
нагрузки;
Ек – модуль упругости кладки при длительном действии
нагрузки;
G – наименьшее продольное усилие при срезе;
f – коэффициент трения по шву кладки, принимаемый 0,7;
Аb – площадь сечения кладки брутто;
An – площадь сечения кладки нетто.

4.

1. Сведения о материалах каменных конструкций. Прочность и
деформативность каменной кладки.
Каменные конструкции возводятся из искусственных или
природных камней на растворе. Могут быть штучными (≤40 кг) или
каменными изделиями, изготавливаемыми в заводских условиях.
Природный камень: гранит, песчаник, известняк, ракушечник,
туф и др.
Искусственный камень: глиняный кирпич (полнотелый и пустотелый), силикатный кирпич, шлакоблоки, газо-, пенобетонные
блоки и др. Каменные изделия – блоки из бетона, кирпича,
керамических или природных камней, вибропанели, бетонные
панели и др.
Растворы подразделяются по виду вяжущего: цементные,
известковые, глиняные, смешанные. В состав входит вяжущее,
мелкий заполнитель, вода, специальные добавки.
Растворы служат постелью для камней кладки с целью равномерного распределения давления, осуществляют связь между
камнями, препятствуя расслаиванию кладки, уменьшают
продуваемость и влагопроницаемость.

5.

Прочность камня и раствора характеризуется марками,
которые представляют собой временное сопротивление
сжатию (М4÷М1000).
Наибольшее распространение получили камни (кирпичи)
марки М50÷М150. Растворы – марки М4÷М100.
Камни по морозостойкости: Мрз 10÷300 (количество
циклов попеременного замораживания и оттаивания).
Прочность кладки зависит от:
- прочности камня;
- прочности раствора;
- размеров и формы камня;
- толщины горизонтальных швов;
- возраста и качества кладки.

6.

Как показали исследования, разрушение сжатой кладки
начинается с кирпича, который ломается от изгиба или среза.
Это происходит из-за неравномерного (по толщине и прочности)
подстилающего слоя раствора, а также неровной поверхности
камней (кирпича) и из-за разных модулей деформации камней
(кирпича) и раствора.
Ek E0

7.

В соответствии со СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные
конструкции» расчетное сопротивление кладки в целом
определяется в зависимости от марок кирпича и раствора.
Проф. Онищиком выведена общая формула для расчетного
сопротивления R каменной кладки.
a
R AR1 (1
)
R2 А, а, b – эмпирические коэффициенты
b
2 R1

8.

Деформации каменной кладки аналогичны деформациям бетона
Еk
e
p
Еk 0,5E0 (Ek – принимается из СНиП)
Е0 Ru
Ru kR (k 2 для кирпича ) временное
сопротивление кладки сжатию (в ходе испытаний).

9.

2. Некоторые сведения о работе каменной кладки
Каменная кладка хорошо работает на сжатие и слабо сопротивляется растяжению. Сцепление камня и раствора зависит от
качества камня и раствора, поверхности обработки камня, возраста
кладки, а также от направления действия сил. Различают 2 вида
направления сил:
- нормальное;
- касательное.
Расчетом учитывается сцепление кладки только в горизонтальных
швах. В вертикальных швах может происходить нарушение сцепления,
вследствие усадки и поэтому расчетом не учитывается.
По опытным данным усилие сцепления Т=2S
S=0,5Т

10.

3. Схема работы каменной кладки на центральное
осевое растяжение, срез и изгиб
а)
в)
N Rt A
б)
Рис. а – растяжение кладки по неперевязанному шву,
например, отслоение кладки в перемычках (рис. б);
рис. в – растяжение кладки с одной стороны сечения.

11.

Рис. а - растяжение кладки по перевязанному и неперевязанному шву
а)
N Rt An
Ап 0,5 Ab
В резервуарах,
силосах, колодцах.
Сопротивляются
разрыву только
участки
горизонтальных
швов
б)
в)
N Rsq A Gf0
N Rsq Aп
Рис. б, в – срез кладки по неперевязанному и перевязанному шву.

12.

Примеры конструкций, где возможен
срез по неперевязанным (а, б) и перевязанным (в, г) швам
а)
в)
б)
г)

13.

4. Расчет сжатых элементов каменной кладки
N
0
Центральное сжатие
N mg RA
mg 1 при h 30 см
A bh
h
0 1000
h
lo = ?l
?
?
?
?
lo = ?l
?
?
b
?
?
2 1 0,7 0,5
- коэффициент продольного изгиба.

14.

Внецентренное сжатие
1 случай (малые эксцентриситеты)
e0 0,7 у
y – расстояние от ЦТ до наиболее
сжатого волокна
у h/2
N mg R Ac 1
– коэффициент приведения фактической эпюры напряжений к условной.
Ac (h / 2 еo )2b (h 2еo )b
1 е0 / 2 y 1,45
1 - определяется по СНиП.

15.

2 случай (большие эксцентриситеты)
е0 0,7 у в кладке могут появиться трещины
и расчет ведется по II-ой группе
предельных состояний, т.е. с учетом трещин.
Прочность кладки:
N mcrc Rtb A / A( h y )е0 ) / I 1
mcrc – коэффициент условий работы при
расчете по раскрытию трещин (по СНиП).
A bh
где А – площадь кладки.
I bh 3 / 12.
Если окажется, что, е0 0,9 y то кладку
усиливают продольной арматурой.

16. 5. Виды неармированных каменных кладок

Основное требование, которому должна удовлетворять каменная кладка, – монолитность, обеспечиваемая сцеплением камней
с раствором и перевязкой камней в горизонтальных рядах. Сплошная кладка применяется в несущих конструкциях нижних этажей
многоэтажных зданий. При сплошной кладке применяют цепную
(однорядную) и многорядную системы перевязки кладки (рис. 5.1).
Средняя толщина вертикальных швов кладки 10 мм, горизонтальных швов 10…12 мм (≤15 мм).
Облегченная (многослойная) кладка – это когда часть основного материала кладки заменяют теплоизоляционными материалами меньшей прочности. Применяют кладки с теплоизоляторами,
расположенными снаружи или внутри стены (рис. 5.2, а, б); колодцевые кладки с вертикальными и поперечными кирпичными стенками и плитным утеплителем внутри стены (рис. 5.2, в, г), колодцевые кирпично-бетонные кладки (д), кладки с уширенным швом,
заполненным теплоизолятором (е).

17.

Рис. 5.1. Схемы перевязки кладки стен толщиной в два кирпича:
а – однорядная (цепная); б - многорядная

18.

Рис. 5.2. Виды облегченной каменной кладки:
1 – кирпич; 2 – облицовочная плитка; 3 – теплоизолятор; 4,5 - анкеры

19.

Кладку стен из блоков: крупных бетонных, природного камня,
керамических камней выполняют с соблюдением правил перевязки
вертикальных швов. Применяют в конструкциях ленточных фундаментов, стен подвалов, цоколей (бетон класса В10 и выше).
Наружные стены из крупных блоков (бетонных, кирпично-бетонных
из бетона класса В5 и выше) выполняют с перевязкой швов по следующим системам разрезки: двухрядная разрезка поля стены с использованием трех типов блоков: простеночного, подоконного и перемычечного (рис. 5.3, а, б). Применяют также многорядные разрезки при
делении на простеночные и поясные блоки (рис. 5.3, в).
Панели из керамического кирпича и камней (рис. 5.4): однослойные
и многослойные; панели наружных и внутренних стен; несущие, самонесущие, навесные. Применяется кирпич керамический и силикатный,
керамические камни М75….М300 и раствор М75…М200, жесткие плиты
из стекло-, минеральной ваты, блоки из пористых пластмасс, фибролит, ячеистый бетон. Жесткость и устойчивость кладки из панелей
достигают соединением наружных и внутренних панелей м/у собой
и с перекрытиями стальными связями, привариваемыми к закладным
деталям в панелях, а также заполнением раствором вертикальных и
горизонтальных швов.

20.

Рис. 5.3. Стены из крупных блоков:
а,б – двухрядная разрезка; в – четырехрядная разрезка;
1 – панели перекрытия; 2 – простеночный блок;
3 – подоконный блок; 4 – перемычечный (поясной блок)

21.

Рис. 5.4. Конструкция виброкирпичных панелей наружных стен:
а – однослойная панель толщиной в полтора кирпича;
б – трехслойная панель;
1, 2 – арматура; 3, 5 – кирпичи; 4 – утеплитель

22.

6. Каменные перемычки
Клинчатые перемычки
(тесаные на клин кирпичи на растворе)

23.

Арочные перемычки
(пролеты до 3,5 – 4 метров).
Высота сечения перемычек – 1К 2,5К

24. 7. Армокаменные конструкции

Каменные конструкции, усиленные арматурой.
Применяют 3 типа усиления каменной кладки арматурой:
- однорядное;
- поперечное (см. рис.1);
- продольное (см. рис.2).
Однорядное – в стенах, когда имеются неоднородные
просадочные грунты, может иметь место неравномерная
осадка. Применяется в сейсмических районах, при
динамических нагрузках, реконструкции. Монолитные пояса
жесткости.
Поперечное – для увеличения несущей способности
столбов и простенков, при небольших эксцентриситетах.
Продольное – при больших эксцентриситетах, т.е., при
работе кладки на сжатие с изгибом.

25.

Поперечное армирование
Рис. 1.
Диаметр стержней сеток – 3 - 8 мм.
Шаг стержней в сетках – 3 - 12 см.
Толщина горизонтальных швов ≤ 12 мм.
Шаг сеток S не более 5 рядов.
1 – прямоугольная сетка (сетка Некрасова)
2 – сетка «зигзаг».

26.

Продольное армирование
Рис. 2.
Диаметр продольных стержней – 3 - 20 мм.
Шаг хомутов S≤150 мм
3 – продольная арматура;
4 – хомуты.

27.

Армокирпичные (железокирпичные) перемычки
пролет до 3,5 метров

28. Расчет армокаменной кладки с поперечной арматурой

При расчете условно центрально нагруженных каменных
конструкций применяется следующий алгоритм:
e0 0,33 y
начальный эксцентриситет
e0 h / 6
Условие прочности:
N mg Rsk A
Rsk
– расчетное сопротивление кладки, усиленной арм-рой
V
2 Rs
; Vs f s 2с; Vk c 2 s;
Rsk R
2 R;
V
100
s
k

29. 8. Некоторые сведения о статической работе кирпичных стен

Основные положения
Конструктивные схемы зданий принято подразделять на:
1 - жесткие; 2 - упругие. Примером упругой конструктивной схемы
являются одноэтажные здания. Жилые здания средней этажности
относят к жестким пространственным системам.
Жесткость зданий обеспечивается поперечными стенами,
перекрытиями, ядрами лестничных клеток, лифтовых шахт.
Нагрузки на здания разделяют по различным признакам, в т.ч.,
на вертикальные и горизонтальные (ветровые).
В жилых зданиях средней этажности горизонтальные ветровые
нагрузки не оказывают существенного влияния на несущую
способность; они являются второстепенными по сравнению с
вертикальными нагрузками.
Вертикальные нагрузки: а) собственный вес конструкций;
б) оборудование, мебель и т.п.; в) люди.

30.

а)
б)
Примеры конструктивных схем зданий
а – жесткая; б – упругая.

31. 9. Расчет наружных стен жилых зданий на вертикальные нагрузки

1.Стена представляет собой неразрезной многопролетный
вертикальный элемент, где опорами служат перекрытия.
2. В целях упрощения расчета стену расчленяют на
однопролетные элементы равной высоте 1 этажа с
шарнирными опорами в уровне перекрытия.
3. Расчетные сечения стен принимаются в уровне 1-го
этажа, где суммарные нагрузки имеют наибольшую
величину.
Учитывается, что стена ослаблена проемами.
4. Нагрузка от перекрытия в уровне рассчитываемого 1-го
этажа прикладывается с фактическим эксцентриситетом е, а
остальная вертикальная нагрузка от вышележащих этажей
N i перераспределяется и потому ее прикладывают в
центр тяжести сечения (см. узел А).

32.

5. Расчетное сечение стены в итоге испытывает
внецентренное сжатие. Расчетный эксцентриситет
определяют из условия
e
Ре0
Ni
Прочность кладки определяют по формулам внецентренного
сжатия.

33.

К выбору расчетной схемы стены

34.

Узел А
N
i

35. 10. Некоторые конструктивные положения по проектированию стен зданий

1. Кладку стен из кирпича подразделяют на 4 группы, в
зависимости от марок камня и раствора, состава раствора,
условий работы кладки новых и эксплуатируемых зданий
(см. табл. 1).
Таблица 1

36.

2. Поперечные стены в здании располагают с промежутками,
которые принимаются в зависимости от группы кладки стен
и типа междуэтажных перекрытий (см. табл. 2).
Таблица 2

37.

Н эт
hст
3. Гибкость стен определяется отношением
, которое
не должно превышать величину, указанную в табл. 3.
Таблица 3

38.

4. Температурно-усадочные швы в здании устраивают в
том случае, если протяженность стен превышает величины,
указанные в табл. 4 (выборка для одного значения t ).
.
Таблица 4
Соблюдение указанных правил обеспечит жесткость
здания, исключит появление перекосов в конструкциях,
трещин в стенах и потолках.