Навигация:
Главная → Все категории → Каменные работы

Физико-механические свойства каменных конструкций


Физико-механические свойства каменных конструкций

Наиболее важными свойствами каменных конструкций являются их прочность, долговечность, объемный вес и теплоизоляционная способность.

Прочность кладки непосредственно зависит от свойств составляющих ее материалов. Однако, как показали многочисленные исследования, предел прочности при сжатии, например, кирпичной кладки, выполненной даже на весьма прочном растворе при обычно принятых методах ее возведения, составляет не более 40—50% от предела прочности кирпича при сжатии. Объясняется это тем, что на прочность кладки, помимо прочности составляющих ее материалов, оказывает влияние ряд других факторов.

Расположение камней в кладке в соответствии с правилами разрезки обеспечивает ее монолитность и восприятие внешних усилий всеми камнями, способствует лучшему распределению внутренних напряжений в кладке и повышает ее прочность. Но это не дает возможности полностью использовать прочность материалов, так как при сжатии кладки в кирпиче возникают не только напряжения сжатия. Дело в том, что поверхности как шва кладки, так и самого кирпича не идеально плоские. Поэтому каждый кирпич опирается на раствор не всей своей поверхностью, а лишь отдельными площадками, между которыми имеются участки, где кирпич отделен от раствора воздушными прослойками. Кроме того, и плотность раствора в горизонтальных швах не везде одинакова, так как составляющие раствора (цемент, известь, песок, вода) не совсем равномерно распределяются в нем. Степень уплотнения шва в разных местах также различна, а из-за допусков в размерах кирпича, различной высоты соседних кирпичей и некоторого отклонения их от горизонтали при укладке получается неодинаковая толщина шва. Вследствие этих причин давление неравномерно распределяется по поверхности кирпича, сосредоточивается на отдельных участках и вызывает в нем, кроме напряжений сжатия, напряжения изгиба и среза.

Каменные материалы обладают слабым сопротивлением изгибающим усилиям. Например, кирпич имеет в 4—6 раз меньший предел прочности при изгибе, чем при сжатии. Этим и обусловливается значительное снижение прочности кладки против прочности составляющих ее материалов. Даже при применении различных эффективных способов кладки, обеспечивающих наиболее плотную укладку кирпича на раствор горизонтальных швов, например с последующим вибрированием, предел прочности кладки на весьма прочных растворах не превышает 70% от прочности кирпича. Чем слабее раствор в кладке, тем он легче сжимается и, следовательно, тем больше возникают общие деформации кладки, а в каждом кирпиче — напряжения изгиба и среза. Поэтому, чтобы получить более прочную кладку, применяют соответственно более высокую марку раствора. Наряду с этим важное значение имеет пластичность раствора. Пластичные растворы легче расстилаются по постели кирпича, обеспечивают более равномерную толщину и плотность шва, что повышает прочность кладки.

Рис. 1. Штрабы:
а — убежная, б — вертикальная, в, г — вертикальная многорядная и вертикаль ная однорядная в местах примыкания стен, д — убежная угловая, е — проме жуточная в сплошной стене

Вместе с тем взаимодействие кирпича и раствора в кладке не ограничивается передачей сжимающих напряжений. Известно, что при осевом сжатии возникают деформации укорочения в направлении действия силы и деформации удлинения (поперечного расширения) в поперечном направлении. Чем слабее и пластичнее раствор, тем больше он деформируется в поперечном направлении и, если его деформативность выше, чем у кирпича, то при сжатии кладки в кирпиче возникают напряжения растяжения. Поэтому степень пластичности раствора для каждого вида кладки имеет определенный предел, чтобы излишняя пластичность не отражалась на прочности кладки. При наиболее слабых растворах из-за их большой деформативности в кирпиче могут возникать растягивающие напряжения, составляющие до 50% от предела прочности его на растяжение, что может вызвать разрушение кладки при значительно меньших сжимающих нагрузках, чем кладки, выполненной на прочных растворах. В то же время при слабых растворах кирпич препятствует поперечному расширению горизонтальных швов, в результате увеличивается предел прочности раствора в швах и вследствие этого кладка выдерживает напряжения значительно большие, чем предел прочности раствора, испытанного в образцах, имеющих форму кубика. На этом и основано применение различных марок кирпича и раствора, правильное сочетание которых дает возможность получить кладку необходимой прочности и рационально использовать свойства материалов.

Указанные выше факторы, вызывающие напряжения растяжения, изгиба и среза, приводят к разрушению кладки раньше, чем напряжения сжатия достигнут предела прочности кирпича при сжатии. Если постепенно увеличивать нагрузку, например, на кирпичный столб, то при некоторой нагрузке сначала в отдельных кирпичах появятся вертикальные трещины, преимущественно под вертикальными швами, там, где возникают концентрации напряжений растяжения и изгиба. Постепенно, развиваясь при росте нагрузки, трещины увеличиваются, разделяя кладку на отдельные столбики, и окончательное разрушение кладки происходит из-за выпучивания этих столбиков в результате продольного изгиба.

Напряженное состояние кладок из других каменных материалов при осевом сжатии аналогично напряженному состоянию кирпичной кладки, но имеет те или иные особенности, зависящие от размеров и формы применяемого камня, прочности и удобоукладываемости (подвижности) раствора, его сцепления с камнем, системы перевязки и качества кладки.

Рис. 2. Стадии разрушения кладки под нагрузкой:
а — появление трещин, б — расчленение кладки на отдельные столбики, в — выпучивание и разрушение кладки

Из сделанного выше краткого анализа напряженного состояния кладки очевидно, что сопротивление кирпича изгибу имеет не меньшее влияние на прочность кладки, чем его прочность при сжатии, что низкое сопротивление кирпича сжатию может компенсироваться его высоким сопротивлением изгибу и что высокое сопротивление кирпича сжатию бесполезно, если оно не сопровождается соответствующим повышением прочности кирпича при изгибе. Именно поэтому марка кирпича определяется не только определенным пределом прочности его при сжатии, но и при изгибе.

На прочность кладки влияют не только прочностные характеристики камня, но и его размеры, форма и пустотность.

Так, с увеличением высоты камня уменьшается количество горизонтальных швов в кладке и увеличивается пропорционально квадрату высоты сопротивление камня изгибу. В связи с этим при одинаковой прочности камней на сжатие, изгиб и срез более прочной оказывается та кладка, которая выполнена из камней большей высоты.

Чем правильнее форма каммя, тем лучше происходит передача нагрузки через горизонтальные швы кладки от камня к камню, лучше перевязывается кладка и выше ее прочность, чго подтверждается следующим примером: при одинаковой высоте камней (около 20 см) и одинаковой марке, равной 400 кг/см2, и марке раствора 25 кг/см2 кладка, выполненная из природных камней правильной формы, имеет предел прочности 100 кг/см2, из постелистого бута — 24 кг/см2 и из рваного бута — только 16 кг/см2.

Пустоты в камнях уменьшают прочность как сам‘их камней, так и кладки. Например, при одинаковой марке камней прочность кладки из пустотелых бетонных камней на 15—20% ниже прочности кладки из оплошных камней, что объясняется менее равномерным распределением напряжений в кладке из пустотелых камней.

Одним из лучших способов повышения прочности кладки является тщательное ее выполнение. Качественное заполнение горизонтальных и вертикальных швов раствором, равномерное уплотнение и одинаковая толщина швов, правильная перевязка обеспечивают высокую прочность кладки и, наоборот, плохое качество кладки, применение растворов, не соответствующих строительным нормам и правилам на производство и приемку работ, может явиться причиной аварии. Чем толще шов, тем труднее достигнуть равномерной его плотности и тем в большей степени кирпич работает в кладке на изгиб и срез. При толстых швах увеличиваются деформации и снижается прочность кладки. Поэтому для каждого вида кладки установлена определенная толщина швов, увеличение которой снижает прочность конструкции.

Качество кладки характеризуется главным образом равномерностью заполнения горизонтальных швов, что чрезвычайно сильно влияет на ее прочность. Так, например, при одном из испытаний одновременно из одного и того же кирпича и раствора выполнялась кладка высококвалифицированными каменщиками П. С. Орловым, И. П. Ширковым, П. К. Самариным и для сравнения каменщиками низкой квалификации. Предел прочности кладки, выполненной высококвалифицированными каменщиками, оказался равным 50 кг/см2, а каменщиками низкой квалификации— 28 кг/см2, т. е. в 1,8 раза меньше.

Одним из положительных’ качеств каменных конструкций является их огнестойкость и большая по сравнению с другими материалами химическая стойкость и атмосферостойкость и, как следствие этого, большая долговечность. Например, сооружения из хорошо обожженного кирпича или естественного камня могут без значительных дефектов существовать много столетий. Это качество обусловлено тем, что каменные материалы имеют плотную структуру и большой объемный вес.

Объемный вес каменных конструкций в зависимости от применяемых материалов составляет от 1200 до 2200 кг/м3, что увеличивает теплопроводность кладки. В результате этого кирпичные стены зданий и жилых домов приходится делать на много толще, чем это требуется по условиям прочности и устойчивости конструкций.

Большое влияние на теплотехнические свойства каменных конструкций оказывает качество кладки. Стены с плохо заполненными раствором швами легко продуваются, помещения с такими стенами практически оказываются непригодными для эксплуатации и, наоборот, при хорошем заполнении швов, особенно вертикальных, улучшается теплоизоляционная способность кладки, и она более долговечна.

Отмеченные свойства учитываются в расчетах при проектировании конструкций зданий и сооружений. При этом размеры несущих стен столбов и других частей рассчитывают не только из условий прочности кладки по действующим на нее нагрузкам, но и из условий устойчивости как отдельных элементов, так и всего здания в целом. Например, предельная высота стен, возводимых без укрепления перекрытиями или кровельными покрытиями, по условиям устойчивости не должна превышать определенных значений, установленных строительными правилами на производство и приемку работ и т. д.



Похожие статьи:
Подготовка к возведению зданий и сооружений

Навигация:
Главная → Все категории → Каменные работы

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум