Каменные конструкции - это
КАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ — это части зданий и сооружений из каменной кладки. Применяются при сооружении фундаментов, наружных и внутренних стен зданий, перекрытий, арок, дымовых труб, мостов, подземных коллекторов, водонапорных башен, элеваторов и др. Каменные конструкции долговечны, огнестойки, повсюду могут быть изготовлены из местного сырья. Наряду с этими преимуществами каменные конструкции имеют существенные недостатки — многие виды кладок обладают большим объемным весом, высокой теплопроводностью; кладка из штучного камня требует больших затрат ручного труда. В связи с этим усилия строителей направлены на разработку эффективных облегченных каменных конструкций с применением теплоизолирующих материалов. Каменные конструкции широко используются в жилищно-гражданском и промышленном строительстве; несут нагрузки от собственного веса, от перекрытий и ветра, выполняют функции ограждающих конструкций — теплоизоляционные и звукоизоляционные. Стоимость каменных конструкций (фундаменты, стены) составляет от 15 до 30% общей стоимости здания, вес — до 60%. Для каменных конструкций применяют искусственные и естественные камни: кирпич глиняный (обыкновенный, пустотелый, пористо-пустотелый и легковесный), кирпич силикатный и шлаковый, камни сплошные и пустотелые, крупные блоки и панели из обычного (тяжелого), силикатного и легкого бетона, а также растворы (цементные, известковые, гипсовые и смешанные — цементно-известковые, цементно-глиняные). Материал для каменной кладки выбирается в зависимости от необходимой капитальности сооружения, прочности и теплоизоляционных свойств конструкций, наличия местного сырья и экономических соображений. Каменные материалы должны удовлетворять определенным требованиям по прочности, морозостойкости, теплопроводности, водостойкости, водопоглощению, воздухостойкости и устойчивости в агрессивной среде, по форме, размерам и фактуре лицевой поверхности. К растворам дополнительно предъявляются требования по удобоукладываемости и водоудерживающей способности. В СССР первые научно обоснованные нормы проектирования каменных конструкций были приняты в 1939. Расчет каменных конструкций до 1943 производился по допускаемым напряжениям. Напряжения в кладке определялись по формулам сопротивления материалов, выведенным для идеально упругих тел. Этот метод расчета не соответствовал действительной работе каменных конструкций, так как кладка не является идеально упругим телом. В последующие годы научно-исследовательскими и проектными институтами проводились обширные экспериментальные и теоретические исследования физико-механических свойств и действительной работы каменных конструкций из различных материалов. В результате в 1943 был разработан метод расчета каменных конструкций по разрушающим усилиям, положенный в основу применяемого с 1955 расчета по предельным состояниям. При проектировании каменных зданий в прошлом пространственная работа стен не учитывалась, что приводило к их утяжелению. Проф. Л. И. Онищик предложил метод расчета зданий с учетом совместной работы стен и перекрытий, обеспечивающий значительную экономию материалов. При расчете стен по этому методу различают здания с жесткой и упругой конструктивной схемой. К первым относятся здания с часто расположенными поперечными стенами, причем междуэтажные перекрытия рассматриваются как диафрагмы, создающие жесткие опоры для стен при действии поперечных и внецентренных продольных нагрузок. Такая схема принимается при расчете стен и столбов жилых и большинства общественных зданий. При этом жесткость и прочность зданий должна обеспечиваться поперечными стенами, стенами лестничных клеток или другими конструкциями. Изгибающие моменты и поперечные силы от горизонтальной (ветровой) нагрузки на участке между поперечными стенами воспринимаются продольной стеной и передаются перекрытиями на поперечные стены, которые рассчитываются на внецентренное сжатие и скалывание с учетом действующих в них продольных сжимающих сил и рассматриваются как консоли, заделанные в грунт. При перевязке поперечных стен с продольными посредством гибких связей ветровая нагрузка воспринимается только поперечными стенами. При конструктивной перевязке продольные и поперечные стены работают совместно, с одним общим сечением в плане. К зданиям с упругой конструктивной схемой относятся здания, у которых жесткие поперечные конструкции располагаются на расстояниях, превышающих допустимые по нормам для зданий с жесткой конструктивной схемой. В частности, к ним относится большинство производственных и складских зданий. Стены и столбы этих зданий рассчитываются с учетом заделки их в грунт и шарнирной связи с покрытиями. Прочность кладки при сжатии зависит от свойств камня и раствора, качества и способов изготовления кладки, толщины швов, температуры, твердения кладки, способов перевязки и др. Основное значение имеют прочность и вид камня и раствора, а также качество кладки. В СССР были изучены особенности работы каменной кладки из различных видов камня и раствора и факторы, влияющие на ее прочность. Каменная кладка состоит из отдельных чередующихся слоев камня и раствора. Даже при передаче усилия равномерно по всему сечению в кладке возникает сложное напряженное состояние, и отдельные кирпичи работают на изгиб, растяжение, срез и местное сжатие. Причиной этого, прежде всего, служат неровности постели камня, неодинаковая толщина и плотность горизонтальных швов кладки, что зависит от тщательности перемешивания раствора, степени разравнивания и обжатия его при укладке камня, условий твердения и др. Кладка, выполненная квалифицированным каменщиком, на 30% прочнее, чем выполненная рабочим средней квалификации. Другая причина сложного напряженного состояния кладки — различные упруго-пластичные свойства раствора и камня. Под действием вертикальных сил в растворном шве возникают значительные деформации, которые ведут к раннему появлению трещин в камне. В результате анализа многочисленных исследований, проведенных в СССР и за рубежом, профессор Л. И. Онищик вывел формулу, выражающую зависимость прочности кирпичной кладки от прочности раствора и камня. Эта формула, в общем виде, справедлива для всех видов кладки, причем для каждого вида принимаются свои численные значения коэффициента, установленные опытным путем Более высокие камни имеют и больший момент сопротивления, что значительно увеличивает их сопротивление при изгибе. Сопротивление камня растяжению и срезу пропорционально площади его сечения. Кладка из бутового рваного камня неправильной формы отличается наиболее низкой прочностью. Прочность вибрированой кирпичной кладки при оптимальных условиях вибрирования примерно вдвое выше прочности ручной кладки и приближается к прочности кирпича. Это объясняется лучшим заполнением и уплотнением растворного шва и обеспечением лучшего контакта раствора с кирпичом. Повышение температуры твердения кладки ускоряет процесс ее упрочения на 75—100%. Однако конечная прочность кладки при этом мало изменяется. Твердение при пониженной температуре замедляет нарастание прочности кладки. Кладка, замороженная в процессе возведения, приобретает большую прочность, но после оттаивания возвращается к первоначальной прочности на свежем не отвердевшем растворе. В результате последующего твердения при положительной температуре (15—20°) прочность оттаявшей кладки возрастает, но конечное ее значение остается ниже, чем у кладки, не подвергавшейся замораживанию, что объясняется разрыхлением раствора под воздействием низкой температуры. В среднем прочность при осевом сжатии, отвердевшей после оттаивания кирпичной кладки ниже, чем кладки, полученной в нормальных условиях, на 12%, если замораживание произошло при температуре до — 20°, и на 25%, если температура была ниже — 20°. Замораживание кладки на обыкновенных растворах не допускается для конструкций из рваного бута и бутобетона, а также для конструкций, подвергающихся, в стадии оттаивания, воздействию вибрации или значительным динамическим нагрузкам. Прочность кладки при растяжении значительно ниже, чем при сжатии, поэтому каменную кладку применяют в основном в конструкциях, работающих на сжатие. Различают растяжение по не перевязанному и по перевязанному сечениям кладки. В первом случае усилие передается перпендикулярно горизонтальным швам кладки, во втором — параллельно. Растяжение по не перевязанному шву зависит от сцепления раствора с камнем, от прочности, вида, состава, подвижности и водоудерживающей способности раствора, вида и конструкции камня, его способности всасывать воду режима твердения кладки, возраста раствора в кладке и др. При растяжении по перевязанному сечению разрыв происходит по штрабе (вертикальному и горизонтальному швам). Сопротивление вертикального шва в расчет не принимается, т. к. растягивающее усилие воспринимается только горизонтальными швами. Опытами установлено, что предел прочности кладки при растяжении по не перевязанному сечению в два раза ниже, чем по перевязанному, и в среднем равен 1,8 кг/см2 для кладки на растворе прочностью 50—100 кг/см2. Предел прочности кладки при местном сжатии, когда сжимающее усилие передается только на часть сечения, значительно выше (до 200%), чем при равномерном сжатии по всей площади сечения, так как незагруженная часть кладки препятствует поперечным деформациям загруженной части, создавая для нее обойму. Внецентренное сжатие кладки в каменных конструкциях — основной вид напряжения. Опытами установлено, что действительный резерв прочности каменных конструкций при внецентренном сжатии больше, чем расчетный, определяемый по классической теории сопротивления материалов. При внецентренном сжатии, как и при местном, менее напряженные участки кладки помогают более напряженным. Это позволило при больших эксцентриситетах увеличить расчетные усилия на конструкции из кирпичной кладки в 1,5—2 раза. Расчет каменных конструкций по предельным состояниям производится: по несущей способности (прочности и устойчивости) — для всех конструкций; по деформациям — для конструкций, возможность применения которых лимитируется величиной деформаций; по появлению или раскрытию трещин — для конструкций, в которых по условиям эксплуатации трещины не допускаются или их раскрытие должно быть ограничено. Расчет по несущей способности производится на основе расчетных нагрузок, по деформациям — нормативных нагрузок, по появлению или раскрытию трещин — расчетных или нормативных нагрузок с учетом наиболее невыгодных условий работы конструкций. Усилия в каменных конструкциях определяются по упругой стадии работы. В отдельных случаях при специальном обосновании разрешается учитывать перераспределение усилия, вызываемое раскрытием швов или пластичными деформациями. Несущая способность элементов в необходимых случаях определяется с учетом ползучести и раскрытия швов в растянутой зоне.
При сетчатом армировании кирпичной кладки в горизонтальных швах укладываются стальные сетки из проволоки диаметром 3—6 мм. Размер ячеек сетки и расстояние между сетками по высоте назначаются в зависимости от требуемой прочности кладки. Стальные сетки, обладая более высоким модулем упругости, чем кладка, препятствуют ее поперечному расширению и создают напряжения сжатия в поперечном направлении, а также увеличивают сопротивление кладки на растяжение и срез. Армирование сетками может увеличить прочность кладки при осевом сжатии в 2—3 раза. Продольное армирование и армирование железобетоном (комплексные конструкции) применяются: для повышения несущей способности конструкций, когда в сечении возникают растягивающие усилия, превышающие расчетное сопротивление кладки при растяжении; в гибких элементах при гибкости более 15; в тонких стенах и перегородках для повышения их устойчивости и прочности при действии поперечных нагрузок; в стенах и столбах, подвергающихся значительной вибрации, для придания кладке большей монолитности, трещино-устойчивости и сейсмостойкости. При центральном сжатии армокаменных конструкций с продольным армированием предел текучести арматуры в чисто армокаменном сечении и разрушение железобетона в комплексном сечении наступают раньше, чем предел прочности кладки. В результате, как в комплексном, так и в армокирпичном элементе, коэффициент использования кладки не превышает 0,85. В связи с этим продольное армирование кладки в сжатой зоне мало эффективно. Для обеспечения лучшей совместной работы кладки с продольной арматурой или железобетоном рекомендуется применять сетчатое армирование. К усилению столбов и простенков путем включения кладки в обоймы из металлических уголков или железобетона прибегают, когда в кладке напряжение превышает допустимые нормы или имеются дефекты расслоения, недостаточная перевязка, трещины и пр. Металлическая обойма выполняется из вертикальной арматуры в виде стальных уголков, поставленных на растворе по углам усиливаемого столба или простенка, и поперечной арматуры в виде планок из полосового железа, которые привариваются к уголкам и затем покрываются слоем цементного раствора по сетке. Расстояние между планками по вертикали принимается не более толщины усиливаемого элемента. Усиление кладки железобетонной обоймой осуществляется путем бетонирования арматурного каркаса, состоящего из хомутов и вертикальных прутьев. Основную роль в обойме играет поперечная арматура (хомуты), которая препятствует поперечному расширению кладки под действием вертикальной силы и тем самым вызывает всестороннее сжатие кладки, увеличивая несущую способность конструкций. Штукатурная армированная обойма выполняется аналогично железобетонной, но взамен бетонирования арматурный каркас покрывается слоем штукатурки из прочного цементного раствора. В зависимости от конструктивной схемы здания различаются каменные стены: несущие, воспринимающие нагрузки от собственного веса, от покрытия, перекрытий, кранов и др.; самонесущие, воспринимающие нагрузку от собственного веса по всем этажам здания и ветровые нагрузки; ненесущие, воспринимающие нагрузки от собственного веса и ветра в пределах одного этажа. Каменные стены бывают крупнопанельные и крупноблочные (из кирпича, камней и бетона), а также из штучного камня (кирпича и камней) сплошной и облегченной кладки. Расход сырья, трудоемкость и стоимость стен зависят от степени использования свойств материалов. При выборе конструкции стены и конструктивной схемы здания следует руководствоваться его назначением и этажностью. Для наружных стен малоэтажных отапливаемых зданий применять тяжелые материалы, обладающие большой теплопроводностью, нецелесообразно; возведение тяжелых сплошных стен оправдано лишь в тех случаях, когда полностью используется их несущая способность. Для жилых и гражданских зданий средней этажности (3—5 этажей) рекомендуются стены из легких крупных панелей и блоков, позволяющих индустриализировать строительство. Крупные блоки и панели изготовляются из ячеистых бетонов, керамзитобетона, котельных и металлургических шлаков, силикатобетона, легких естественных камней и кирпича всех видов (см. Крупноблочные конструкции, Крупнопанельные конструкции панель). Хотя среди используемых строительных материалов доля кирпича в строительстве сокращается, в ряде районов он остается основным стеновым материалом. Поэтому индустриализация возведения стен из кирпича имеет большое народно- хозяйственное значение. Одно из возможных решений этой задачи — применение крупных кирпичных блоков и панелей взамен ручной кладки. При использовании кирпичных блоков трудоемкость возведения стен уменьшается примерно в 3 раза, сроки строительства сокращаются летом на 10—15%, зимой приблизительно вдвое, стоимость снижается на 6—9%. Однако толщина и вес стены остаются такими же, как при ручной кладке. Разработана конструкция виброкирпичных панелей для наружных и внутренних стен толщиной в 2 кирпича и 1 кирпич, с применением для наружных стен утеплителя. К наиболее рациональным типам стен из штучного камня следует отнести: стены из пустотелых бетонных камней, легких камней, ячеистых бетонов, легкого многодырчатого
и пористо-дырчатого кирпича; облегченные стены из обыкновенного красного и силикатного кирпича, в которых часть камней кладки заменяется легким бетоном и термоизоляционными плитами; тонкие стены из обыкновенного кирпича, бетонных камней, плит и естественных камней, утепленные с внутренней стороны термоизоляционными плитами. Для утепления тонких каменных стен применяются легкие термоизоляционные материалы: плиты и камни из ячеистых бетонов, ячеистой керамики, минераловатные плиты, фибролит, камышит и т. п. Пустоты в облегченных кладках заполняют легкими бетонами и минеральной засыпкой (шлаки топливные, доменные гранулированные, минеральная вата и т. п.). Использование сыпучих утеплителей не допускается в зданиях выше двух этажей, а также при динамических воздействиях, которые могут вызвать большую осадку засыпки. В нижних этажах многоэтажных зданий для обеспечения необходимой прочности применяются сплошные стены из кирпича, камней и блоков. Вместо утолщения стен, отдельные участки кладки можно усиливать сетчатым армированием или железобетонными элементами. В случае применения несущих каменных стен для отапливаемых одноэтажных промышленных зданий значительной высоты и с крановыми нагрузками их рекомендуется проектировать в виде несущих кирпичных столбов или простенков с пилястрами, промежутки между которыми заполнены легкими каменными материалами или облегченной кладкой. Наиболее напряженные участки несущих столбов могут быть усилены сетчатым армированием или включением в кладку элементов железобетона. Для экономии каменных материалов в стенах, несущих значительные нагрузки, следует применять кладку из кирпича и камней, повышенных марок на прочном растворе. В соответствии с задачами максимальной индустриализации строительства в нашей стране, кладка из штучных камней заменяется крупноразмерными сборными элементами (панелями, блоками) из легких бетонов, ячеистых бетонов, пустотелой керамики (для наружных стен), из силикатных бетонов, обычного тяжелого бетона и сплошного глиняного и силикатного кирпича (для внутренних несущих стен). Заводы силикатного кирпича постепенно переводятся на изготовление крупноразмерных элементов. Список литературы: - Энциклопедия современной техники строительство, главный редактор В. А. Кучеренко, издательство «Советская энциклопедия», Москва 1964
- СН и П, ч. 3, разд. В, гл. 4, М., 1963;
- Поляков С. В. и Фалевич В. Н., Каменные конструкции, М., 1960;
- Дмитриев А. С. и Семенцов С. А., Каменные и армокаменные конструкции, М., 1958.
от: MarinaF,
Скрыть комментарии (0)
Похожие темы:
|
