Для расчетов каменных конструкций пользуются расчетными сопротивлениями кладки при сжатии, растяжении, изгибе и срезе, которые определяются в зависимости от марки камня и марки раствора.
Обеспечение оптимальной прочности кладки из камней правильной формы достигается следующими требованиями к перевязке кладки:
1) для кладки из полнотелого кирпича толщиной 65 мм- один тычковый ряд на шесть рядов кладки, из кирпича толщиной 88 мм и пустотелого толщиной 65 мм - один тычковый ряд на четыре ряда кладки, а для кладки из камней при высоте ряда до 200 мм -один тычковый ряд на три ряда кладки;
2) тычки могут располагаться как в отдельных тычковых рядах, так и чередоваться с ложками;
3) следует учесть, что уменьшение количества тычков против требуемого в два раза снижает прочность кладки на 25 %.
Наиболее часто в практике строительства применяются две системы перевязки: цепная (рис.8,а) и многорядная (рис.8,б)
Рис.8. Системы перевязки: а – цепная; б - многорядная
При цепной перевязке чередуются тычковые и ложковые ряды, а при многорядной перевязке один тычковый ряд чередуется через пять ложковых рядов.
Необходимо отметить, что прочность кладки на сжатие для всех систем перевязки практически одинакова.
Однако многорядная система перевязки имеет ряд преимуществ против цепной:
1. Так как ложковые ряды придают кладке прочность в продольном направлении, а тычковые - в поперечном, то многорядная перевязка придает кладке большую сопротивляемость в продольном направлении, а это весьма существенно для конструкций, имеющих значительную протяженность.
2. При многорядной перевязке вертикальные швы обладают большим сопротивлением образованию трещин, так как вертикальные швы перекрываются в 1/2 кирпича (рис. 8,б), а при цепной перевязке, только в 1/4 кирпича (рис. 8,а).
3. Многорядная система перевязки улучшает сопротивляемость кладки растяжению и срезу, поскольку здесь раствор горизонтального шва перекрыт в 1/2 кирпича, а в цепной системе перевязки - только на 1/4 кирпича.
4. Многорядная система перевязки создает внутренние вертикальные швы в кладке, что уменьшает ее теплопроводность по сравнению с цепной системой перевязки кладки: на рис. 8 видно, что «мостики» холода в кладке с многорядной перевязкой идут через 5 рядов кладки, а при цепной перевязке - через один.
5. Кладка с многорядной системой перевязки более технологична, производительна и менее трудоемка (на 15-20%), требует менее квалифицированных мастеров, так как эта система перевязки имеет больший объем забутки против цепной системы перевязки.
Эти преимущества и обеспечили кладке с многорядной системой перевязки больший объем каменных работ по сравнению с кладкой при цепной системе перевязки.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЛАДКИ
Прочность кладки при сжатии
Каменная кладка является монолитным неоднородным упругопластическим материалом. Даже при центральном приложении нагрузки к кладке камень и раствор могут одновременно испытывать и внецентренное сжатие, и изгиб, и растяжение, и срез, и смятие.
Основные причины такого сложного напряженного состояния:
1. Неоднородность растворного шва вследствие недостаточно идеального перемешивания, различной толщины слоя и т.п.
2. Различие деформативных свойств камня и раствора, вследствие чего в плоскостях контакта камня и раствора возникают касательные напряжения.
3. Наличие пустот в вертикальных швах кладки и отверстий в пустотелых камнях, что приводит к концентрации напряжений в зоне этих отверстий.
4. Неоднородность камней и их геометрические несовершенства, приводящие к концентрации напряжений на выступающих частях камней.
Проведенными экспериментальными исследованиями с различными видами кладок установлено, что при сжатии кладки можно выделить три стадии разрушения, для кладки из кирпича эти стадии показаны на рис. 9.
Первая стадия характеризуется появлением первых волосных трещин в отдельных кирпичах (рис. 9,а). Эта стадия наступает при нагрузках (0,6-0,8) при цементных растворах, при нагрузках (0,5-0,7) при сложных растворах и при нагрузках (0,4-0,6) при известковых растворах. Появление волосных трещин свидетельствует о том, что действующие нагрузки превзошли допустимые пределы.
Вторая стадия характеризуется соединением трещин в отдельных кирпичах и образованием трещин, проходящих через несколько кирпичей (рис. 9,б). Эта стадия наступает при нагрузках порядка (0,8-0,9) .
Третья стадия соответствует саморазрушению кладки в результате ее расслоения на отдельные столбики шириной примерно по 1/2 кирпича, раздавливания отдельных кирпичей в этих столбиках и, наконец, потери устойчивости отдельных столбиков всей кладки. Третья стадия наблюдается в лабораторных условиях при быстром нарастании деформаций. В естественных условиях вторая стадия является началом окончательного разрушения кладки, поскольку возникшие в этой стадии сквозные трещины не стабилизируются, а продолжают развиваться и увеличиваться без увеличения нагрузки. Поэтому действительная разрушающая нагрузка составляет 80-90 % от экспериментальной разрушающей нагрузки. Многочисленные эксперименты помогли раскрыть причины возникновения первых трещин в кладке из кирпича.
Рис.9. Три стадии разрушения кладки из кирпича
Установлено, что возникновение первых трещин в кладке вызывается напряжениями изгиба и среза отдельных кирпичей, в то время как напряжения сжатия составляют 15-25 % от предела прочности кирпича на сжатие. Деформации изгиба отдельных кирпичей достигают значительных величин - 0,1-0,4 мм (рис. 10), которые при учете хрупкости кирпича являются чрезмерными. Причиной изгиба и среза кирпича в кладке при сжатии является неравномерная плотность раствора в швах.
Разрушение кирпича в кладке от сжатия происходит только в последней стадии после расслоения кладки на столбики вследствие перегрузки отдельных столбиков и кирпичей.
Анализ результатов экспериментов позволил установить ряд факторов, влияющих на прочность кладки при сжатии.
Рис.10. Деформация изгиба отдельных кирпичей
1. Прочность кладки зависит от марки камня и марки раствора, но прочность кирпича на сжатие используется незначительно, с ростом прочности кирпича и раствора прочность кладки возрастает, но до определенного предела.
2. При сжатии отдельные кирпичи в кладке работают на изгиб и срез, поэтому марка кирпича устанавливается из его прочности на сжатие и изгиб. Изгиб и срез отдельных кирпичей происходит вследствие неравномерной плотности раствора в шве: причем это в большей степени проявляется при слабых растворах, что подтверждается просвечиванием рентгеновскими лучами растворного шва кладки.
3. На прочность кладки влияют форма поверхности кирпича и толщина шва; чем ровнее кирпич и тоньше шов, тем прочнее кладка.
4. На прочность кладки влияют размер сечения кладки (толщина стены): при уменьшении размеров сечения кладки ее прочность возрастает. Это отчасти объясняется уменьшением количества швов.
5. На прочность кладки влияет различие деформативных свойств кирпича и раствора. Поперечное расширение кирпича при сжатии в 10 раз меньше поперечного расширения раствора, поэтому при сжатии кладки в кирпиче возникают растягивающие усилия вследствие большего удлинения раствора шва, который и растягивает кирпич благодаря сцеплению кирпича с раствором.
6. Прочность кладки возрастает с течением времени вследствие возрастания прочности раствора.
На прочность кладки при сжатии не влияют система перевязки и сцепление раствора с кирпичом.
На основании экспериментальных данных проф. Л.И. Онищиком предложена эмпирическая формула для определения прочности различных кладок при сжатии в зависимости от марок камня и раствора:
(1)
где R - прочность кладки при сжатии;
R1 - марка камня;
R2 - марка раствора;
Аo, a, b - эмпирические коэффициенты (A0 < 1).
При R1 = const зависимость (1) показана на рис. 11.
Если R2 = 0, то R0 = A0*R1*(l- a/b ) ; a/b < 1;
где R0 - прочность кладки при свежеуложенном растворе.
Если R2 = ¥, то , где А0 < 1.
Рис. 11. График зависимости прочности кладки от марки растовора
Из графика рис. 11 можно сделать следующие выводы:
1) даже при самых прочных растворах используется только некоторая часть прочности камня, так как А0 < 1;
2) кладка обладает начальной прочностью (R0) при нулевой прочности раствора
На основании формулы (1) можно сравнить между собой прочности различных кладок. На рис. 12 показаны графики зависимости прочности разных кладок при прочности камня R1 = 100 кг/см2 (марка камня 100).
Анализ графиков рис.12 позволяет сделать ряд выводов:
1. Прочность камня используется меньше всего в бутовой кладке, что объясняется неровностью постели рваного бута.
2. Прочность кладки из камней правильной формы возрастает с увеличением высоты ряда камня, что объясняется большей сопротивляемостью камня изгибу (так как момент сопротивления возрастает пропорционально квадрату высоты).
3. Прочность раствора оказывает самое большое влияние на прочность бутовой кладки (21/5,5 = 3,8), меньше влияния оказывает на прочность кирпичной кладки (35/15 = 2,3), еще меньше при кладке из блоков (41/24 т 1,7) и практически не влияет на прочность кладки из крупных блоков (60/60 = 1).
Рис.12. Графики зависимости прочности разных кладок при прочности камня
4. Бутобетонная кладка не подчиняется формуле Л.И. Онищика (1) и в очень большой степени прочность этой кладки зависит от марки раствора.
Величины расчетных сопротивлений (R) различных кладок в зависимости от марок камня и раствора приведена в.