Каменные и армокаменные конструкции

СНиП II-22-81. Каменные и армокаменные конструкции./Госстрой России. –М.:ГУП ЦПП,.2001 – 40 с.

а) Виды каменных конструкций

Состав – камни, раствор.

– швы.

Применение: - стены, столбы зданий

- фундаменты

- дымовые трубы

- водонапорные башни

- подпорные стены

- силосные ямы

- канализационные коллекторы

- колодцы

- мостовые опоры и т.д.

Применение кирпичной кладки следует экономично обосновать т.к. расход материалов:

Для малого расхода применяют облегченные кладки.

Для высокой прочности кладки кирпичи перевязывают.

б) материалы для каменных конструкций

камень+раствор;

Камень:

- по происхождению: - природные (в карьерах)

- искусственные (на заводах)

- по величине: - крупные (h>500мм)

- мелкоштучные (h<200мм)

- кирпич h=65;88;168

- по материалу: - искусственные (глиняные, силикатные, бетонные, ячеистые)

- природные (гранит, известняк, бут, ракушечник туф)

Прочность камней характеризуется маркой

Марка – прочность при сжатии в МПа, на образцах 5x5, 7x7, 10x10, 15x15, 20x20;

для кирпича – при изгибе и при сжатии

Каменные материалы по прочности:

- высокой прочности (М 250 -1000)

-средней прочности (М 75-200)

-малой прочности (М 4-50) п. 2.1а/1/

Перевязка – трехрядная (3 - ложка, 1- тычок)

– пятирядная (5 – ложков, 1-тычок )

Без перевязки кладка расслаивается на отдельные столбики.

В облегченной кладке тычковый ряд заделывают в легком бетоне;

Устанавливают связи (сетки)

Технико-экономические показатели

Икусственные камни. Кирпич.

Виды: глиняный, обыкновенный, обожженный.

- пластического

- полусухого прессования

· Силикатный

· Шлаковый

· Глиняный пустотелый – пластического

-полусухого прессования

250x120x65 – одинарный

x105 – полуторный

x88 – модульный

γ=1700-2000 кг/м³

М 4,7,10,15,25,35,50 – камни малой прочности

М 75,100,125,150,200 – средней прочности

Бетонные обыкновенные камни

γ=1800Кг/м³

· Сплошной – для фундаментов

– цоколей

– стен мокрых помещений

Со щелями – для стен

390x190x188

390x90x188

М 50 – 100

Камни из ячеистых бетонов

γ=600— 1200 кг/м³, марки по прочности от 25 до 100 и морозо­стойкость не ниже М_рз 25.

Гипсовые, гипсобетонные и грунтовые камни, а также сырцовый (необожженный) кирпич применяют из-за их малой прочности и водостойкости для кладки стен од­ноэтажных временных зданий.

Марки пустотелых и природных камней испытанием на сжатие в том положении, в котором они будут эксплуатироваться.

Бетоны для утепления кладки должны иметь марку на сжатие М 7, М 10.

Долговечность камня зависит от морозостойкости

М_рз 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300 (п.2.1/1/ )

Марки по морозостойкости можно понижать на 1 ступень:

¾ Для наружных стен (1а) – защищенных с наружной стороны облицовкой t ≥35 мм.

¾ Для наружных стен (1б,1в) – защищенных с внутренней стороны гидроизоляционным и пароизоляционным покрытием.

¾ Для фундаментов и подземных частей здания.

С тротуарами и отмостками, возведенных в мало влажных грунтах, у.г.в>3м.

Морозостойкость лицевого кирпича М_рз^≥25

Крупные блоки

Разделяют по материалу

- бетонные, - силикатные, - кирпичные, - керамических камней,

- природного камня

Разделяют по назначению

- фундаментные

- для стен подвалов

- для внутренних и наружных стен

Блоки из бетона

М>100; (γ>2400 кг/м³)

h=580; 280 мм.

b=300; 400; 500; 600 мм.

l=780; 1180;2380 мм.

Строительные растворы

Цементно – известковые: - цементные

- известковые

Цеметно – глиняные: - цементные

- глиняные

- смешанные

В сухом состоянии (п. 2.2./1/):

γ≥1500 кг/м³ – тяжелые

γ<1500 кг/м³ – легкие

Марки раствора — это предел прочности при сжатии R₂₈кгс/см², образцов кубов размером 70,7x70,7x70,7 мм, выдержанных 28 суток и испытанных согласно ГОСТ 5802—66.

М 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 (п. 2.1./1/)

Природные камни

Добывают из горных пород –

- Доломитовых

- Известняков

- Песчаников

- Гранита

- Туфа вулканического

По способу добычи и точности:

- Пиленные

- Чистой тески (выступы <2 мм)

- Грубой тески (выступы <20 мм)

- Получистой тески (выступы <10 мм)

- Грубо околотые

- Камень плетняк

Облицовочные каменные материалы

для оформления фасадов, отделки поверхности стен, столбов

- Лицевой кирпич

- Керамические лицевые камни

- Облицовочные плиты

- Бетонные плиты

- Природный камень

Лицевой кирпич укладывается в стену и перевязывается, участвует в работе

М 150, 125, 100, 75

М_рз>25

Плитка: М_рз>35 – для стен

М_рз>50 – для цоколей

М_рз>25 – для армированных кладок, при W<60%

М_рз>50 – для армированных кладок, при W>60%

М>25 – для изготовления крупных блоков

М>75 – для виброкирпичных панелей

Арматура

А – I; Вр – I – для сетчатого армирования

А – I; А – II; Вр – I – для продольной и поперечной арматуры, анкеров, связей с учетом п. 3.19 /1/

Неармированная каменная кладка (К.К.)

а) Прочность К.К.

Прочность кладки зависит от

- Прочности камня

- Прочности раствора

- Качества кладки

При осевом сжатии

- Вертикальные швы не работают (усадка раствора, нарушение сцепления)

- Горизонтальные швы передают нагрузку на нижние слои

Раствор в горизонтальных швах не равномерен, следовательно

- Передача усилия не по всей плоскости

- Камень сжат

- Камень изогнут

При сжатии возникают поперечные деформации

- В камнях ε_к

- В растворе ε_р

ε_р> ε_к появляются касательные напряжения τ

по плоскости камень ‹―› раствор, следовательно камень растягивается

чем слабее раствор, тем больше τ

у свежей кладки минимальная прочность

Стадии работы каменной кладки

Различают 4 стадии

- Повреждений нет

- Нормальная работа К.К

- Образуются местные вертикальные трещины,

на 1 – 3 ряда кладки

- Опасна для растворов М≥50

- Трещины соединяются, образуются столбики

- Столбики теряют устойчивость

Прочность каменной кладки сжатию

R_u – прочность К.К. < прочности камня R₁

На прочность влияет

- Прочность камня

- Размеры камня

- Форма

- Пустоты

- Прочность раствора

- Удобоукладываемость раствора

- Перевязка и т.д.

Временное сопротивление К.К.

(формула Л. И. Онищика)

Где – предел прочности раствора

– прочность камня

Опытные коэффициенты:

a=0,09 - 0,2

b=0,25 - 0,3

К_к=0,5 – 0,6 – конструктивный коэффициент – кирпичная кладка

К_к=0,15 – 0,25 – бутовая кладка

m,n – коэффициенты учитывают вид кладки и высоту камня

m=1,25; n=3 – из кирпича

m=1,1; n=2,5 – из бетонных блоков сплошных h=18 – 39 см.

m=1,5; n=2,5 – из бетонных блоков пустотелых

m=2,5; n=8 – из рваных бутовых камней

уравнение 3/1/ СНиП

– временное сопротивление сжатию (средний предел прочности К.К.)

=2 – кирпич, камень, бут, и т.п.

=2,25 –блоки из ячеистых бетонов

Таблица 14/1/

– расчетное сопротивление сжатию К.К. таблица 2-9 /1/

– (1 – 2)мПа – при М 50-100 кирпич

– при М 50-150 раствор

Коэффициент условия работы γ_с п. 3.11 /1/

γ_с =0,8 – для столбов и простенков S≤0,3м²

γ_с =1 – для зимней кладки способом замораживания табл.33/1/

– сжатие после оттаивания

γ_с =0,5 – растяжение, изгиб, срез отвердевшей кладки

γ_с =1,15 – для кладки после длительного периода твердения раствора

Увеличение высоты камня

- Уменьшение влияния марки раствора

Марка раствора влияет на прочность

- К.К. из камней неправильной формы

- Рванный бут

- Камень грубой оттески

Прочность кладки уменьшается при

- Растворах низкой прочности <4,2

- Раствор свежеуложенный

- Раствор в момент оттаивания

Деформативные свойства К.К.

К.К. не упругий материал

Кривая деформаций К.К. при сжатии

Е₀ – модуль упругости в при σ=0,2 R_u

Е – модуль деформаций при σ>0,2 R_u

Е₀=αR_u (уравнение 1/1/) – для неармированной кладки

α – коэффициент учитывающий вид кладки, марку раствора (таблица 15/1/)

α=(1000-1500) – кирпич глиняный пластического прессования

Прочность К.К. при растяжении, срезе, изгибе.

При растяжении и срезе К.К. разрушается в следствии нарушения сцепления камня и раствора.

Разрыв – по камню

– по кирпичу

Предел прочности сцепления

· Нормальное сцепление – сопротивление шва разрыву

· Касательное сцепление – сопротивление шва сдвигу

– прочность раствора

К.К. в зависимости от действующего усилия (растяжение, изгиб, срез)

Может разрушаться

– по неперевязанному горизонтальному шву

- по перевязанному сечению

· по ступенчатому сечению 1-1

· плоскому сечению 2-2 (швы+камни)

Средний предел прочности – временное сопротивление кладки осевому растяжению

по неперевязанному сечению

(нормальное сцепление раствора с камнем)

- временное сопротивление кладки осевому растяжению

по перевязанному сечению (1-1)

Где c,d – глубина перевязки и высота 1 ряда кладки

– временное сопротивление кладки осевому растяжению

– разрыву камня и вертикальным швам (2-2)

Где - прочность камня на разрыв

0,5 – учитывает половину площади сечения, швы не учитываются

– временное сопротивление кладки срезу по перевязанному сечению

При изгибе кладка испытывает

- сжатие

- растяжение

- неперевязанное сечение

- перевязанное сечение

Временное сопротивление кладки при изгибе определяется ее работой в растянутой зоне.

Разрушение кладки происходит вдоль главных растягивающих при изгибе

Расчетные сопротивления К.К. из сплошных камней правильной формы

– осевому растяжению

– растяжению при изгибе

– главные растягивающие σ при изгибе

– срезу

При расчете сечений К.К. проходящих по горизонтальным и вертикальным швам приведены в таблице 10/1/

· Расчетные сопротивления (мПа) кладки из сплошных камней осевому растяжению табл.10 /1/

– от марки раствора

– неперевязанное сечение, нормальное сцепление

–перевязанное сечение

· Расчетное сопротивление ( ) (мПа) кладки растяжению при изгибе таблица 10/1/

– неперевязанное сечение

– перевязанное сечение

· Расчетное сопротивление кладки срезу таблица 10/1/ (мПа)

=0,16 – 0,02 – по неперевязанному сечению

=0,24 – 0,04 – по перевязанному сечению для бутовой кладки

Расчетные сопротивления таблица 10/1/ принимаются с коэффициентом (примечание) таблица 10/1/

– для кладки в зимних условиях таблица 33/1/

Расчетные сопротивления К.К. из кирпича и камней правильной формы

– осевому растяжению

– растяжению при изгибе

– главные растягивающие σ при изгибе

– срезу

При расчете кладки по перевязочному сечению, проходящему по кирпичу или камню таблица 11/1/

· Расчетное сопротивление (мПа) осевому растяжению

=0,25 – 0,03 (от марки камня)

· Расчетное сопротивление растяжению при изгибе и главным растягивающим σ

· Расчетное сопротивление срезу

Расчет элементов каменных конструкций по предельным состояниям

Расчет К.К. производится по предельным состояниям.

Первая — но несущей способности(по прочности, устойчивости формы и положения); этот расчет выполняют всегда для всех видов конструкций;

Вторая — по образованию и раскрытию трещин и по деформациям;расчет по предельным состояниям второй группы выполняют для конструкций, где не допускаются трещины (облицовки резервуаров) или требуется огра­ничение их раскрытия (внецентренно-сжатые стены и столбы с большими эксцентриситетами), ограничивают­ся деформации по условиям совместной работы смежных конструкций (стеновое заполнение каркасов зданий, учи­тываемое в расчете; самонесущие стены, связанные с каркасом, и т. д.).

Расчет по несущей способности

– расчетная несущая способность элемента

- расчетное сопротивление кладки

уравнение 3/1/

– предел прочности средний (временное сопротивление)

– коэффициент надежности для кирпича, камней (плотных) табл. 14/1/

– для мелких блоков из ячеистого бетона

таблица 2-9/1/ с учетом коэффициента и примечаний п.3.9-3.14/1/

Одновременно можно учитывать несколько коэффициентов (коэффициент условия работы)

Центрально сжатые элементы

При центральном сжатии σ равномерно распределяются по сечению.

Несущая способность зависит от прочности и гибкости К.К.

– расчетная длина (высота) элемента;

– min сторона сечения;

– min радиус инерции;

Условия прочности

– внешнее усилие

– площадь сечения

– средний предел прочности К.К. (временное сопротивление)

В элементах большой гибкости разрушение происходит от σ<R_u

Вводится в расчет φ – коэффициент продольного изгиба; φ≤1

Условие устойчивости К.К.

уравнение 10/1/

Где – расчетная продольная сила

R – расчетное сопротивление сжатию кладки таблица 2-9/1/

– коэффициент продольного изгиба, зависит от гибкости таблица 18/1/

– расчетная длина (высота) элемента;

– min сторона сечения;

– min радиус инерции;

α – упругая характеристика кладки таблица 15/1/

– зависит от прочности раствора

– от типа камней (200-1500) – кирпич (пластич.)

При промежуточных коэффициент принимается по интерполяции.

Расчетная высота стен и столбов зависит от условий опирания их на горизонтальные опоры (п. 4.3/1/)

а) неподвижная шарнирная опора

б) свободно стоящая конструкция

в) упругая верхняя опора

для конструкции с частично защемленным опорным сечением ≥0,8 H

H – расстояние в свету

– коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки.

(16/1/)

– расчетная продольная сила от длительных нагрузок

– коэффициент (таблица 20/1/) учитывает материал кладки и процент продольного армирования

– полная нагрузка

; при μ<0,1% - глиняный кирпич

При ; ; ;

При ; - п.4.1/1/

Значение коэффициентов , для стен и столбов с расчетной высотой принимают равными (п.4.4/1/) – расчетным значениям в пределах средней части длины;

– 1 на краях крайних частей длины

Пример:

Дано:

1. Кирпичный столб 510x640

2. Центрально загруженный.

3. 1 этаж многоэтажного здания.

4. Кирпич глиняный, сплошной пластического прессования М 100

5. Раствор М 25 (цементно-глиняный)

6. Высота столба H=5,4м

7. Верхняя и нижняя опоры – шарнирные, закреплены от горизонтального смещения.

8. На столб действует усилие N=350 кН

Решение:

Принимаем R(МПа)=1,3 – при марке кирпича М 100 и марке раствора М 25 (таблица 2/1/)

Площадь столба следовательно γ_с=1 п.3.11/1/ (γ_с=0,8 при )

Расчетная высота

Гибкость столба

Определяем коэффициент α=1000, таблица 15/1/ при марке раствора М 25, для кирпича глиняного пластического прессования.

Определяем φ=0,87 при α=1000,

Принимаем т.к. п.4.1/1/

Проверка прочности или расчет несущей способности

Прочность обеспечена.

В стенах с проемами коэффициент определяется по гибкости стены (п.4.5/1/)

Для узких простенков, ширина меньше толщины стены, выполняют расчет простенка в … стены с высотой

Местное сжатие (смятие)

Местное сжатие К.К. получается на участках опирания

¾ Прогонов

¾ Балок

¾ Ферм

¾ Колонн

¾ Плит перекрытия

Когда нагрузка передается на часть К.К.

Прочность кладки на местное сжатие больше чем на центральное сжатие.

Расчетное сопротивление К.К. на смятие

уравнение18/1/

– коэффициент учитывает материал К.К. и вид нагрузки

=1-2 (таблица 21/1/)

– расчетная площадь сечения.

- площадь смятия

Определение площадей

- площадь смятия – определяется размерами опорных площадок конструкции (размерами опорных подушек и т.п.)

Расчетная площадь сечения кладки F включает пло­щадь смятия и площади соседних участков в допусти­мых пределах:

а) при местной нагрузке по всей толщине стены (рис. а)

б) при нагрузке на край стены по всей ее толщине (рис. б)

в) при опирании на стену концов прогонов и балок (рис. в, г)

где а_см — глубина заделки опорного участка балки, но не более 20 см; при ; при l>2h;

г) при местной нагрузке на угол стены (рис. д) при

; при ;

д) при местном сжатии на участке внутри сечения стены (рис. е)

при ;

при расположении F_см от к рая стены на расстояние больше h принимают c₂=h.

При других случаях приложений местной нагрузки расчетная площадь определяется по (п.4.16/1/)

Условия прочности К.К. при смятии

уравнение 17/1/

– продольная сжимающая сила

– расчетное сопротивление каменной кладки на смятие (уравнение 18/1/)

– площадь смятия

– коэффициент для кирпичной кладки из сплошных камней

– для пустотелых камней и ячеистого бетона

– коэффициент полноты эпюры давления от местной нагрузки

при равномерном давлении

при треугольной эпюре

Если под опорами изгибаемых элементов не требуется установка распределительных плит,

то - для К.К. из плотных материалов

- для К.К. из пустотелых материалов и ячеистого бетона

Конструктивные требования

1. Под опорными участками элементов, передающих местную нагрузку – раствор . с указанием в проекте.

2. В местах приложения местных нагрузок, если надо, по расчету устанавливают распределительные плиты

¾

¾

¾ Армирование 2 сетки

3. При опирании ферм, балок покрытия, подкрановых балок и т.п. на пилястры.

¾ Предусматривают связость распределения плиты на опорном участке кладки с основной стеной

¾ Глубина заделки плит в стену

¾ Не допускается установки плит в барозды (штробы) оставленные при кладке стен

¾ Кладка над плитами должна выполняться после установки плит

4. При местных краевых нагрузках >80% расчетной несущей способности К.К.

¾ Предусматривают армирование опорного участка сетками

– укладывают в трех верхних рядах

¾ При передачи местных усилий на пилястры К.К. на высоте 1м. под распределительной плитой армируют через 3 ряда сетками (С1). Сетки соединяют пилястру с основной частью стены с заделкой >12 см.

Внецентренно сжатые элементы

Внецентренно сжатие – распространенный вид работы К.К.

Усилие передается с

Малые (случайный ) (п.4.9/1/)

Для стен толщиной ≤25 см.

- для несущих стен

- для самонесущих стен и отдельных слоев трех слойных конструкций

– для заполнений фахверковых стен

Большие

Эксцентриситет возникает от действия:

¾ Ветра

¾ Давления грунта

¾ Торможения крана и т.п

Полный эксцентриситет

1. Напряженное состояние кладки

При внецентренном сжатии ( )

¾ Часть сечения сжата.

¾ Часть менее сжата

(часть растянута)

Начальная стадия работы К.К.

Стадия разрушения

Расчетная схема

При малых в пределах ядра сечения – разрушение происходит со стороны сжатой грани, при

При больших

В растянутой зоне при

¾ Образуются в швах трещины часть кладки выключается из работы

¾ Работает оставшаяся часть сечения

Прочность (устойчивость) оставшейся части К.К. с учетом потери устойчивости

(уравнение 13/1/)

Где – расчетное сопротивление К.К. сжатию

- площадь сжатой части сечения, у которой ц.т. совпадает с точкой приложения внешней силы (расчетной)

– площадь сечения

– эксцентриситет

- высота в плоскости момента

– коэффициент продольного изгиба, для всего сечения в плоскости действия изгибающего момента (таблица 18/1/) в зависимости от ; (п.4.2/1/)

- коэффициент продольного изгиба, для сжатой части сечения, определяется по фактической высоте элемента H (таблица 18/1/) при ;

– высота и радиус инерции сжатой части сечения в плоскости момента

– для прямоугольных сечений

; – для тавров

- ширина сжатой полки (толщина стенки)

для сечений прямоугольной формы

для сечений произвольной формы

– коэффициент учитывает влияние менее загруженной части К.К.

(таблица 19/1/)

Если

– коэффициент учитывает влияние длительности действия нагрузки

(уравнение 16/1/)

– расчетная продольная сила от длительных нагрузок

- эксцентриситет от действия длительных нагрузок

- коэффициент (0,04-0,26) таблица 20/1/

: при ;

Максимальная величина

Без продольной арматуры в растянутой зоне; Для стен

- для основных сочетаний усилий

- для особых

- для основных сочетаний усилий

- для особых п.4.10/1/

2. Прочность в плоскости y-y

Элементы работающие на внецентренное сжатие должны проверены на центральное сжатие в плоскости, перпендикулярной плоскости изгиба. При п.4.11/1/

Расчет элементов конструкций по предельным состояниям II группы

(по образованию и раскрытию трещин)

Для внецетренно сжатых элементов

¾ При допускается незначительное раскрытие трещин в горизонтальных швах – в расчетах не учитывается

¾ При трещины есть, необходим расчет (п.5.1/1/)

Расчет каменных конструкций по II группе следует производить на воздействие нормативных нагрузок на основные сочетания.

Расчет внецентренно сжатых неармированных элементов по раскрытию трещин при производится от действия расчетных нагрузок (п.5.2/1/)

Предположение к расчету (п.5.3/1/)

¾ Эпюра σ линейная как для упругого тела

¾ Расчет производится по условному краевому σ растяжения, которое характеризует величину раскрытия трещин в растянутой зоне

Напряжение растяжения

;

; делим на

; находим N

; заменяем

– расчетное сопротивление каменной кладки при изгибе (табл.10/1/) по неперевязанному сечению

– расстояние от центра тяжести до сжатого края сечения

- коэффициент условия работы К.К. (табл.24/1/)

- (100 лет – срок К.К.)

- (50 лет – срок К.К.)

- (25 лет – срок К.К.)

Окончательная критическая сила появления трещин

(Уравнение 33/1/)

Пример

Дано:

1. Каменный столб 510x640мм из сплошного селикатного кирпича М 100

2. Раствор тяжелый М 50

3. Высота столба H=6м.

4. Расчетная схема: неподвижные, не смещаемые опоры по горизонтали

5. На столб действует расчетная продольная сила N=240кН от длитель