Прочность каменных кладок при растяжении, изгибе, срезе. Модуль деформации кладки.

Прочность кладки при растяжении

Прочность каменных кладок при работе их на растяжение, срез и изгиб зависит, главным образом, от величины сцепления между раствором и камнем.

Различают два вида сцепления:

нормальное - S (рис. 6,а) и касательное - Т (рис. 6,б).

Эксперименты показали, что касательное сцепление в два раза больше нормального, то есть Т= 2 S

Рис.6. Виды сцепления: а – нормальное; б - касательное

Величина сцепления возрастает:

- с увеличением марки раствора;

- при более шероховатой поверхности камня;

-при более чистой поверхности камня;

- при увлажнении камня.

Сцепление нарастает во времени и достигает 100% через 28 суток.

В вертикальных швах кладки вследствие усадки раствора при твердении сцепление его с камнем значительно ослабляется или совсем нарушается с одной из прилегающих боковых поверхностей камня. Поэтому в расчетах сцепление в вертикальных швах не учитывается, а учитывается сцепление только в горизонтальных швах кладки.

В соответствии с касательным и нормальным сцеплением различают два вида растяжения кладки: растяжение по перевязанному и неперевязанному швам.

Растяжение кладки по неперевязанному шву (рис. 7, а) в чистом виде практически не встречается, а главным образом имеет место при работе кладки на внецентренное сжатие при больших эксцентриситетах, когда происходит растяжение кладки с одной стороны, как показано на рис. 7, б.

Рис.7. Растяжение кладки: а – по неперевязочному шву; б – с одной стороны

Растяжение кладки по перевязанному шву (рис. 8) встречается в конструкциях резервуаров. В этом случае разрыву сопротивляются только участки горизонтальных швов (вертикальные швы не учитываются), в которых действует касательное сцепление. Разрушение кладки может происходить по штрабе при слабых растворах и прочных камнях, либо по камням и частично по штрабе при прочных растворах и малой прочности камня.

Рис. 8. Растяжение кладки по перевязочному шву

 

Прочность кладки при срезе

Срез кладки так же, как и растяжение, может быть по перевязанному и неперевязанному швам.

При действии усилий вдоль горизонтальных швов (рис. 9, а)

Рис.9. Срез кладки по перевязанному и неперевязанному швам

Имеет место срез по неперевязанному шву, который встречается в подпорных стенах (рис. 9, б) или в пятовых сечениях арок (рис. 9, в). В этом случае сопротивление оказывает касательное сцепление раствора с камнем, а при сжимающих нормальных напряжениях в кладке сопротивление срезу увеличивается благодаря возникновению сопротивления от трения.

При действии усилий перпендикулярно горизонтальным швам (рис.10, а) имеет место срез по перевязанному шву, который встречается в консольных выступах (рис. 10, б). В этом случае учитывается сопротивление только камня срезу без учета вертикальных швов.

Рис.10. Действия усилий: а – перпендикулярно горизонтальным швам;

б – консольные выступы

Прочность кладки при изгибе

Изгиб в каменной кладке вызывает растяжение, которым и определяется прочность кладки по растянутой зоне. Однако если определить разрушающий момент как для упругого материала, приняв в растянутой зоне расчетное сопротивление (как для центрального растяжения), то разрушающий момент оказывается примерно в 1,5 раза меньше, чем при натурных испытаниях. Это объясняется тем, что момент внутренних усилий теоретически определялся, исходя из треугольной эпюры распределения нормальных напряжений, как для упругого тела (рис.11, а):

 

Рис.11. Эпюры распределения нормальных напряжений: а – для упругого тела; б – криволинейная

 

На самом же деле благодаря тому, что в кладке кроме упругих имеют место и пластические деформации, эпюра нормальных напряжений криволинейная (Рис. 11, б) и если ее принять прямоугольной (что очень близко к фактической эпюре), то получим:

 

то есть в 1,5 раза больше, чем при упругой работе. В практических расчетах пользуются формулами сопротивления материалов и момент сопротивления W определяют, как для упругого материала. Расчетное сопротивление кладки растяжению при изгибе по перевязанному сечению принимают примерно в 1,5 раза больше, чем расчетное сопротивление кладки при центральном растяжении .

На рис. 12 показана часть здания, левый угол которого получил осадку, что привело к образованию наклонных трещин в подоконных поясах.

Эти трещины являются следствием возникновения главных растягивающих напряжений при изгибе.

Рис.12. Образование трещин в стене при осадке здания

Деформативность кладки

В каменной кладке различают следующие деформации:

- объемные, возникающие во всех направлениях, вследствие усадки раствора и камня или от изменения температуры;

- силовые, развивающиеся, главным образом, вдоль направ­ления действия силы.

Усадочные деформации кладки st зависят от материала кладки. Например, для кладки из обожженного глиняного кирпича усадку можно не учитывать ввиду ее малости, а для кладок из силикатного кирпича и бетонных камней st = 3•10-4.

Температурные деформации кладки также зависят от материала кладки и коэффициента линейного расширения кладки t. Например, для глиняного кирпича и керамических камней t = 0,5•10-5, а для силикатного кирпича и бетонных камней t = 1•10-5.

При действии нагрузки (силовые деформации) каменная кладка представляет собой упругопластический материал, и поэтому при действии нагрузки зависимость между напряжениями и деформациями не подчиняется закону Гука. Начиная с небольших напряжений в кладке, кроме упругих, развиваются и пластические деформации. Поэтому силовые деформации будут зависеть от характера приложения нагрузки и могут быть трех видов:

1) деформации при однократном нагружении кратковременной нагрузкой;

2) деформации при длительном действии нагрузки;

3) деформации при многократно повторных нагрузках.

Если каменную кладку нагружать очень быстро и довести до разрушения за несколько секунд, то в кладке возникнут только упругие деформации, и кладка будет работать как упругий материал, а зависимость между напряжениями и деформациями будет линейной.

Если каменную кладку в лабораторных условиях загружать в течение 1 часа постепенно до разрушения, то зависимость между напряжениями и деформациями получается нелинейной; для данного случая кривая зависимости показана на рис. 13.

Таким образом, полные деформации будут слагаться из упругих и неупругих. В этом случае модуль деформации кладки Е будет величиной переменной:

 

С возрастанием напряжения угол уменьшается последовательно, уменьшается и модуль деформаций.

Наибольшее значение модуль деформаций будет иметь при , то есть -это начальный или мгновенный модуль упругости, величина которого для данного вида кладки является постоянной.

 

Рис.13. Кривая зависимости

 

Экспериментально установлено, что начальный модуль деформации Е₀ модуль упругости кладки пропорционален временному сопротивлению сжатия кладки – R_u:

 

; .

 

Здесь - упругая характеристика кладки, зависящая от вида кладки и прочности раствора; R - расчетное сопротивление сжатию кладки; - коэффициент, принимаемый равным 2, для кладки из кирпича, камней, блоков.

В практических расчетах модуль деформаций кладки принимается Е=0,5Е₀ или Е = 0,6Е₀ в зависимости от характера расчета.

При действии длительных нагрузок в кладке развиваются деформации ползучести, поэтому в практических расчетах модуль упругости Е₀ уменьшается путем деления его на коэффициент ползучести, величина которого принимается от 1,8 до 4,0 в зависимости от вида кладки.

При многократно повторных нагрузках после некоторого числа циклов «нагрузка-разгрузка» пластические деформации выбираются, и материал начинает работать упруго с модулем упругости Е0, но только если напряжения не превосходят напряжений, при которых появляются трещины в кладке : .

Если же , то после некоторого количества циклов «нагрузка-разгрузка» деформации начинают неограниченно расти, и кладка разрушается.

 

Список литературы

1. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003/Минстрой России. – М., 2013. – 147с.

2. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 767с.

3. Еременок П.Л., Еременок И.П. - Каменные и армокаменные конструкции. – Киев: Вища школа, 1981.