Работа каменной кладки при осевом сжатии растяжении срезе и изгибе

Материалы для каменной кладки

К искусственным каменным материалам относят кирпичи керамический и силикатный полнотелые и пустотелые, керамические и силикатные камни пустотелые и камни бетонные и гипсовые стеновые

Полнотелый керамический кирпич имеет размеры 250х120х65 мм и модульный (утолщенный) — 250х120х88 мм, масса кирпича 3,6…5 м. Плотность 1,6…1,8 т/м3, марки кирпича 75, 100, 150, 200, 250 и 300, водопоглощение до 8%. Кирпич изготовляют пластическим пpeccoванием с последующим обжигом. Основной недостаток — высокая тепло­проводность.

Пустотелый, пористый и дырчатый кирпичи имеют при тех же размерах в плане высоту 65, 88, 103 и 138 мм (в 1,25, 1,5 и 2 раза большую высоту по сравнению с полнотелым кирпичом), меньшую плотность — 1,35…1,45 т/ м3. Марки кирпича — 75, 100 и 150. Применение этой разновидности кирпичей позволяет уменьшить массу стеновых изделий до 30%.

Силикатный кирпич применяют для стен с относительной влажно­стью не более 75%, марки кирпича — 75, 100 и 150. Кирпич изготовляют посредством прессования сырьевой смеси извести и кварцевого песка и последующей автоклавной обработки.

Керамические и силикатные пустотелые камни имеют размеры: (обычные — 250х120х 138 мм, укрупненные — 250х250х138 мм и модульные — 288х38х138 мм. Толщина камня соответствует двум кирпичам, уложенным на постель, с учетом толщины шва между ними. Поверхность камней бывает гладкой и рифленой.

Камни бетонные и гипсовые стеновые выпускают сплошными пустотелыми. Их изготовляют из тяжелых, облегченных и легких бетонов и гипсобетона с размерами 400х 200х200 мм, 400х200х90мм и массой до 35 кг.

2. На прочность кладки при сжатии влияют многие факторы, а именно:

а) прочность камня, б) размеры камня, в) правильность формы камня, г) наличие пустот в пустотелых камнях, д) прочность раствора, е) удобоукладываемость (подвижность) раствора при его применении, ж) упруго-пластические свойства (деформативность) затвердевшего раствора, з) качество кладки, и) перевязка кладки, к) сцепление раствора с камнем, л) степень заполнения вертикальных швов кладки.

Формула онищенко для определения прочности кладки при сжатии

ПРОЧНОСТЬ КЛАДКИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ, СРЕЗЕ И ИЗГИБЕ

Каменная кладка в зависимости от направления действующих усилий при работе на растяжение, изгиб и срез может разрушаться по неперевязанному или перевязанному сечению. Разрушение по неперевязанному сечению происходит по горизонтальному шву кладки ( 14.6,о), а по перевязанному сечению — либо по ступенчатому сечению ( 14.6,6, сечение 1—/), либо по плоскому сечению, пересекающему камни и вертикальные швы (

При изгибе кладка испытывает, с одной стороны, сжатие и, с другой, — растяжение. Здесь, так же как при осевом растяжении, возможна работа по неперевязанным ( 14.7,6) и перевязанным сечениям ( 14.7,а), Так как прочность кладки при сжатии значительно выше (в 10—20 раз), чем при растяжении, то временное сопротивление кладки при изгибе определяется ее работой в растянутой зоне. Возникающие здесь напряжения называют также главными растягивающими напряжениями Ягл при изгибе. Из опытов установлено, что временное сопротивление кладки растяжению при изгибе RpM по неперевязанному сечению в среднем в 1,5 раза больше сопротивления кладки осевому растяжению:

По несущей способности производят при равномерном распределении напряжений по сечению по следующей формуле:

(9)

где N – расчетная продольная сила;

mg – коэффициент, учитывающий снижение несущей способности вследствие ползучести кладки;

— коэффициент, учитывающий снижение несущей способности элемента за счет продольного изгиба, зависящего от гибкости элемента и упругой характеристики кладки ;

А – площадь поперечного сечения элемента

— отношение расчетной длины к радиусу инерции сечения

— для прямоугольного сечения (h – наименьший размер сечения)

Дата добавления: 2017-04-15; просмотров: 1960 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2020 lektsii.org — Контакты — Последнее добавление

содержание   .. 

1 

2 

3 
4 
5   ..

1. Физико-механические
свойства каменной кладки

Напряженное состояние
камней, раствора и кладки при сжатии

При сжатии кладки осевым деформациям сжатия по
направлению действия силы всегда сопутствуют деформации поперечного
расширения (рисунок 1б).

Материалы, составляющие кладку (кирпич, камень, раствор),
работают совместно. Более жесткие материалы (чаще камень) сдерживают
поперечные деформации менее жестких материалов (раствор). В результате
более жесткие материалы (кирпич, камень) оказываются растянутыми, менее
жесткие (раствор) — сжатыми (рисунок 1в).

Растягивающие усилия в поперечном направлении, которые и
являются одной из главных причин разрушения кладки, особенно велики для
кладок на растворах низкой прочности.

Камень (кирпич) и раствор в каменной кладке даже при
равномерном распределении на нагрузки по всему сечению сжатого элемента
находятся в условиях сложного напряженного состояния. Они одновременно
подвергаются внецентренному сжатию, изгибу и растяжению, срезу и смятию
(рисунок 2).

Первая причина таких условий работы камня и раствора –
это значительная неоднородность растворных швов, так как при
приготовлении раствора в отдельных его объемах скапливается большее или
меньшее количество вяжущего, пластификатора, заполнителя или воды
(рисунок 1а). Неоднородность раствора усугубляется неравномерностью
условий твердения раствора в швах кладки, так как всасывающая
способность камня и водоудерживающая способность раствора неодинаковы на
различных участках их соприкосновения. В связи с тем, что потеря воды в
растворе неравномерна по постели камня, то соответственно неравномерной
оказывается его усадка.

Рисунок 1 – Схемы напряженного состояния камня в кладке:
а – схема нагружения кирпича в кладке; б – схема деформации при сжатии
призм из мало- и сильнодеформативных материалов; в – горизонтальные
усилия, вызванные поперечным расширением камня и раствора; 1 – раствор;
2 – кирпич; 3 – воздушная полость; 4 – участок местного сжатия; 5 –
участок среза; 6 – прибор для замера деформаций

Рисунок
2 – Напряженное состояние камня в кладке: 1 — сжатие; 2 —

растяжение; 3 — изгиб; 4 — срез; 5 — местное сжатие

Неоднородность растворной постели камня связана еще и с
условиями кладки, квалификацией каменщика.

Повышение подвижности раствора способствует лучшему его
расстиланию и более равномерному заполнению швов, а следовательно,
приводит к увеличению прочности кладки.

При сжатии камня и раствора в каменной кладке напряжения
концентрируются на участках с большей жесткостью. Схематически (рисунок
1а) это можно представить как работу жесткого тела — камня, покоящегося
на многочисленных беспорядочно расположенных и имеющих различную
жесткость опорах и подвергнутого воздействию неравномерно распределенных
и сосредоточенных нагрузок. В таком теле возникают поперечные силы,
изгибающие моменты и участки с местным сжатием.

Второй причиной возникновения сложного напряженного
состояния камня и раствора в каменной
кладке является
различие их деформативных свойств, что приводит к развитию касательных
напряжений по плоскостям контакта камня и раствора. В кладке, связанные
трением и сцеплением, камень и раствор, в зависимости от соотношения их
жесткостей, взаимно влияют друг на друга. В итоге это может привести к
преодолению сопротивления камня растяжению, которое для него мало по
сравнению с сопротивлением его сжатию. В результате чего в камне
возникает трещина.

Третьей причиной является наличие пустот в вертикальных
швах кладки и отверстий в пустотелых кирпичах и камнях, что приводит к
концентрации напряжений в зоне этих пустот и отверстий.

Четвертая причина – неоднородность камней по размерам и
форме, вид перевязки швов и другие геометрические несовершенства
приводят к концентрации напряжений на выступающих частях камней и
расклинивающему влиянию камней друг на друга [3].

Четыре стадии работы
кирпичной кладки под нагрузкой при сжатии

Проведенными экспериментальными исследованиями с
различными видами кладок установлено, что в зависимости от величины
действующих напряжений при сжатии работу кладки можно подразделить на
четыре характерные стадии (рисунок 3).

Рисунок
3 – Стадии работы кладки при сжатии: а — первая, б — вторая: в –

третья; г – четвертая (разрушение кладки)

Первая стадия соответствует нормальной эксплуатации
кладки, когда усилия, возникающие в кладке под нагрузкой, не вызывают
видимых ее повреждений. Переход кладки во вторую стадию работы
характеризуется появлением небольших трещин в отдельных кирпичах
(рисунок 3б). В этой стадии кладка еще несет нагрузку (величина ее
составляет 60-80% от разрушающей), и дальнейшего развития трещин при
неизменной нагрузке не наблюдается.

Величина нагрузки, при которой появляются первые трещины,
зависит от механических свойств кирпича, конструкции кладки и
деформативных свойств раствора. Последние же зависят от вида раствора и
его возраста (т. е. возраста кладки). Цементные растворы наиболее
жесткие; известковые, наоборот, наиболее деформативны. С увеличением
возраста

деформативность растворов снижается. Чем меньше
деформативность раствора, тем более хрупкой оказывается кладка, т. е.
тем ближе Ncrc и Nu.

Повышение хрупкости кладки с увеличением ее возраста и
при

применении малодеформативных растворов должно учитываться
при оценке запасов прочности поврежденной кладки. Если при появлении
незначительной трещины в кладке раннего возраста на известковом растворе
имеется определенный запас прочности, то появление трещины в кладке
большого возраста, изготовленной на цементном растворе, свидетельствует
о ее значительной перегрузке. Во всех случаях появление первых трещин в
кладке должно рассматриваться как сигнал для установления причин их
появления и, если потребуется, принятия мер по усилению кладки или
снижению действующих на нее нагрузок.

При увеличении нагрузки после появления первых трещин
происходит их дальнейшее развитие. Так же возникают и развиваются новые
трещины, которые соединяются между собой, пересекая значительную часть
кладки в вертикальном направлении и постепенно расслаивая ее на
отдельные ветви, каждая из которых оказывается в условиях внецентренного
загружения (третья стадия работы кладки; рисунок 3в).

При длительном действии этой нагрузки, даже без ее
увеличения, будет постепенно (вследствие развития пластических
деформаций) происходить дальнейшее развитие трещин, расслаивающих кладку
на тонкие гибкие столбики. И третья стадия перейдет в четвертую стадию
разрушения от потери устойчивости расчлененной кладки (рисунок 3г).

Четвертая стадия наблюдается в лабораторных условиях при
быстром нарастании деформаций. В естественных условиях третья 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 [3, 4].

Многочисленные эксперименты позволили раскрыть причины
возникновения первых трещин в кладке 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 [4]. Деформации изгиба
отдельных кирпичей достигают 0,1 — 0,4 мм (рисунок 4), которые при учете
хрупкости кирпича являются чрезмерными. Причиной изгиба и среза кирпича
в кладке при сжатии является неравномерная плотность раствора в швах
[3].

Рисунок
4 — Деформации изгиба кирпичей в кладке

Разрушение же от сжатия кирпича происходит только в
последней стадии, когда столб уже расчленен продольными трещинами на
отдельные участки; некоторые из этих участков выключились из работы, а
другие, наоборот, восприняли на себя всю нагрузку [4].

1. 1. 1. 1. Прочность кладки при центральном сжатии и
            факторы, влияющие на нее

            Так как разрушение сжатой кладки
            происходит вследствие потери устойчивости образовавшихся
            после ее растрескивания гибких столбиков, то прочность
            кладки даже при очень прочном растворе всегда меньше
            прочности кирпича на сжатие [3]. Камень или кирпич,
            занимающий

            основную часть объема кладки, в
            большинстве случаев прочнее раствора. В результате
            прочность кладки находится между прочностью раствора и
            прочностью камня, составляя сравнительно небольшую часть
            последней. Но при высокой прочности раствора,
            приближающейся к прочности камня, она может быть меньше
            прочности как камня, так и раствора [1].

            Прочность кладки на сжатие зависит от
            марки камня R1 ,
            от марки раствора R2 и
            вида кладки.

            Величина фактической прочности кладки
            может быть получена по эмпирической формуле,
            предложенной проф. Л. И. Онищиком, для различных
            сочетаний прочностных характеристик кладочных элементов
            и раствора:

            R = A· R1 ·
            1 —

            

            

            a b+ R2

            2·R1

            · rJ (1)

            где R1 и R2 —
            соответственно пределы прочности камня и раствора (марки
            камня и раствора); А —
            конструктивный коэффициент, зависящий от прочности камня
            и его вида (А< 1); а и b —
            эмпирические коэффициенты, зависящие от вида кладки; rJ —
            поправочный коэффициент для кладок на растворах низких
            марок.

            Из формулы (1) видно, что с повышением
            прочности раствора прочность кладки вначале заметно
            повышается, а затем при высоких прочностях раствора
            нарастание прочности постепенно затухает (рисунок 5).

            При R
            = const зависимость
            (1) показана на рисунке 6. Если R
            = 0, то

            R0 = A· R1 ·
            (1 —

            свежеуложенном растворе.

            

            a); b

            a

            

            < 1,
            где R0 –
            прочность кладки на

            b

            Если R2 = ∞,
            то R = A · R1, где А <
            1; т. е. меньше R1. Из
            графика рисунка 6 можно сделать следующие выводы:

            1. Даже при самых прочных растворах
               используется только некоторая часть (10 – 30 %)
               прочности камня, так как А < 1. Поэтому применение
               для обычных кладок растворов высоких марок (более
               75) неэкономично.

               

               Рисунок 5 – Зависимость прочности
               кладки при сжатии от прочности раствора

            2. Кладка обладает начальной прочностью R0 при
               нулевой прочности раствора.

            Рисунок 6 – Зависимость прочности кладки
            на сжатие от марки раствора Анализ результатов
            экспериментов позволил установить ряд факторов,

            влияющих на прочность кладки при сжатии:

            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.

            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 влияет
            система перевязки и сцепление раствора с кирпичом [3,
            4].

            Известны исследования различных
            специалистов, занимающихся вопросами прочности каменных
            кладок, кирпичей. Например, эти вопросы подробно
            рассмотрены в работах [5, 6, 7]. Методы оценки прочности
            каменной кладки и образцов кирпичей в отечественной и
            зарубежной практике описаны в [8, 9, 10].

            Пределы прочности камня при сжатии и
            изгибе определяются в соответствии с требованиями [11].

            Прочность кладки при местном сжатии
            (смятии), при растяжении, срезе, изгибе подробно
            рассмотрены в [1, 3, 4].

         2. Начальный модуль деформаций и упругая
            характеристика 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 εst,
зависят от материала кладки. Например, для кладки из обожженного
глиняного кирпича усадку можно не учитывать ввиду ее малости, а для
кладок из силикатного кирпича εst =
3 · 10-4.

Температурные деформации кладки также зависят от
материала кладки

и коэффициента линейного расширения кладки – at.
Например, для глиняного кирпича и керамических камней at =
5·10-6 град.-1 ,
а для силикатного кирпича at =
1·10-5 град.-1.

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:

-деформации при однократном загружении кратковременной
нагрузкой;

-деформации при длительном действии нагрузки;

-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 одного часа постепенно до разрушения, то зависимость между
напряжениями и деформациями получается нелинейной; для данного случая
кривая зависимости σ-ε показана
на рисунке 7.

Таким образом, полные деформации будут слагаться из
упругих и неупругих [1, 3, 4, 12].

Полная относительная деформация кладки ε0 (без
учета усадки) может быть выражена формулой:

ε0 = εel + εg ,
(2)

где εel –
упругая относительная деформация кладки; εg –
относительная деформация при длительном приложении нагрузки. При этом εg может
быть представлена в виде:

εg = ε1g + ε2g ,
(3)

где ε1g – пластическая
деформация, возникающая при нагрузке длитель- ностью до 1 ч; ε2g –
деформация ползучести [12].

Рисунок 7 – Зависимость между напряжениями и деформациями
каменной кладки при сжатии

В этом случае модуль деформации кладки — Е будет
величиной переменной:

E = d(J =
tg<p (4)

dE

С возрастанием напряжения угол φ уменьшается
и, следовательно, уменьшается и модуль деформаций.

Наибольшее значение модуль деформаций будет иметь при φ = φ0, то
есть E0 = tg φ —
это начальный или мгновенный модуль упругости, величина которого для
данного вида кладки является постоянной.

Экспериментально установлено, что начальный модуль
деформаций Е0 (модуль
упругости кладки) пропорционален временному сопротивлению сжатию кладки
— Ru [1,
3, 4, 12, 13].

В соответствии с [13] модуль деформации кладки должен
приниматьс