Конспект лекций по дисциплине железобетонные и каменные конструкции, пространственные несущие системы 8 семестр Направление подготовки 08. 03. 01
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
A F R - предел прочности кирпича на сжатие. Для определения марки используются стандарты по видам кирпича. l=20см l Рис. 13. Схема испытаний по определению прочности кирпича на изгиб. W M R из - предел прочности кирпича на изгиб. 2 4 6 bh Fl R из 2 2 3 bh Fl 2 30 bh F , где b , h - размеры поперечного сечения кирпича. Зная R и из R , по ГОСТ можно определить марку кирпича. Установлены следующие марки кирпича: малой прочности: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50; средней прочности: 75, 100,125, 150, 200; высокой прочности: 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. К каменным материалам предъявляются следующие требования по морозостойкости, водостойкости, объёмной массе и процентной пустотности. Морозостойкость определяется маркой Мрз - количество периодических циклов замораживания и оттаивания в водо-насыщенном состоянии без повреждений и снижения прочности. Морозостойкость влияет на долговечность кладки здания. В нормах на основании опыта проектирования к наружным стенам (на толщину 12 см) и стенкам подвала (на всю толщину) предъявляют требования по морозостойкости. К внутренним стенам и столбам эти требования не предъявляются. Требования в нормах установлены в зависимости от срока службы (100, 50, 25 лет). Существуют следующие марки по морозостойкости: Мрз - 10,(15, 20, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300). Требования по водостойкости характеризуются коэффициентом размягчения, некоторые материалы в воде размягчаются и теряют прочность (гипсобетон). Коэффициент размягчения характеризует отношение прочности образца в водо-насыщенном состоянии к прочности в суховоздушной среде. Во всех случаях он меньше или равен 1, для гипса принимается 0.7-0.8 . Чем выше объёмная масса камня, тем выше прочность и морозостойкость. Снижение объёмной массы камня повышает термическое сопротивление, но уменьшает морозостойкость и прочность. Термическое сопротивление зависит от воздушной прослойки (отверстий) (см. рис. 12.10). Если отверстия увеличились более чем на 20 мм, то термическое сопротивление не увеличивается практически, поэтому большие отверстия не целесообразны. Обычно выполняют щелевидные отверстия. Рис. 14. Эскиз пустотного камня, пустоты – щелевидные отверстия. Растворы для каменной кладки. Раствор в каменной кладке соединяет камни в монолитное целое, перераспределяет, выравнивает передачу усиления от камня к камню, заполняет швы, повышая долговечность. Прочность раствора устанавливается как на момент возведения, при оттаивании, так и при эксплуатации. Типы растворов по виду вяжущего вещества: 1) цементные; 2) известковые; 3) смешанные (известково-цементные, цементно-глинистые). Наибольшее распространение получили известково-цементные растворы. Маркой раствора называют временное сопротивление образца кубика с размером сторон 7,07см испытанного в возрасте 28 дней хранящегося при температуре t=15C. Например, марка раствора М25 - кубик имеет прочность 25 кгc/см 2 , испытанный в возрасте 28 дней. Минимальная марка раствора рекомендуется для стен при долговечности 150 лет: 1) для сухого режима и влажности 60% и меньше не ниже М10; 2) для здания с влажностью 60-75% не ниже М25; 3) при влажности более 70% не ниже М50; 4) для стен, подвалов и цоколя применяют цементные растворы: при влажности грунта менее 60% не ниже М25 ; при влажности грунта более 60% не ниже М50. Для армокаменных конструкций марка раствора не ниже М25. Арматура для армокаменных конструкций. Для армокаменных конструкций применяют арматуру: гладкую А-I, А-II (очень редко А-III); проволочную Вр-I (для сеток). Л Е К Ц И Я № 8/11 П Л А Н 11.1. Прочность и деформативность каменной кладки при сжатии, растяжении, срезе и изгибе 11.2. Расчет прочности центрально сжатых каменных конструкций 11.3. Расчет прочности внецентренно сжатых каменных конструкций 11.4. Расчет прочности каменных конструкций на изгиб, растяжение и Срез 11.1. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ПРИ СЖАТИИ, РАСТЯЖЕНИИ, СРЕЗЕ И ИЗГИБЕ Прочность кладки зависит от прочности камня и прочности раствора, а также от качества выполнения кладки. При сжатии кладки вертикальные швы в работе не участвуют, так как при твердении раствор дает усадку, сцепление его с камнем нарушается и вертикальные швы можно рассматривать как узкие щели, у концов которых происходит концентрация напряжений, что приводит к снижению прочности кладки. Нагрузка в кладке передается через горизонтальные швы не равномерно, так как плотность и жесткость затвердевшего раствора по длине и ширине шва неодинаковы и опорные плоскости камней имеют неровности. Поэтому передача усилий происходит по отдельным точкам. В результате этого камни подвергаются не только сжатию, но также изгибу и срезу. При сжатии кладки возникают поперечные деформации, причем деформации раствора, как правило, больше деформаций камня. Благодаря сцеплению растворных швов с камнем свободные деформации камня и раствора невозможны, поэтому по плоскостям соприкосновения камня и раствора появляются касательные усилия, вызывающие растяжения камня. Различают четыре стадии работы каменной кладки при сжатии. Стадия 1 соответствует работе кладки без трещин. С увеличением нагрузки в отдельных камнях образуются местные вертикальные трещины, распределяющиеся по высоте на один-три ряда, и кладка переходит в стадию 2. В этой стадии трещины не опасны. Появление первых трещин указывает на то, что дальше увеличивать нагрузку недопустимо. При дальнейшем увеличении нагрузки трещины развиваются по высоте и соединяются между собой, расчленяя элемент на отдельные столбики и элемент переходит в стадию 3. Напряжения в кладке достигают 80…90% от предела прочности. Стадия 4 соответствует моменту разрушения кладки, разделенной на отдельные столбики. Временное сопротивление кладки сжатию всегда меньше прочности камня 1 R , зависит от прочности раствора 2 R и определяется по формуле Онищика Л.И.: )] 2 / /( 1 [ 1 2 1 R R b a R K R k u , (1) где 2 R предел прочности раствора; b a, экспериментальные коэффициенты, учитывающие вид кладки k K b a ; 3 , 0 25 , 0 ; 2 , 0 09 , 0 конструктивный коэффициент ) 100 /( ) 100 ( 1 1 nR m R K k ; n m, коэффициенты, учитывающие вид кладки и высоту камня, для кирпича 3 , 25 , 1 n m ; для бетонных сплошных камней высотой 18 – 39 см 5 , 2 , 1 , 1 n m ; пустотелых бетонных камней 5 , 2 , 5 , 1 n m ; рваного бутового камня 8 , 5 , 2 n m Для кладки из крупных легкобетонных блоков принимают 8 , 0 k K , а для блоков из тяжелого бетона 9 , 0 k K Временное сопротивление более точно определяют испытанием образцов кладки на сжатие. Расчетное сопротивление кладки осевому сжатию определяют по формуле k R R u / , (2) где k коэффициент, учитывающий изменчивость прочности кладки ввиду ее неоднородности ( 2 ); 1 k k для кирпича, камней всех видов, крупных и мелких блоков, бута; 25 , 2 k для крупных и мелких блоков из ячеистого бетона. В СНиПII-22-81 * приведены расчетные сопротивления R для разных видов кладок. Для облегченных видов кладок расчетные сопротивления сжатию принимают для отдельных слоев кладки в соответствии с материалами, используемыми в этих слоях. Деформация кладки под нагрузкой складывается из упругой e и пластической pl . Пластические деформации проявляются при длительной нагрузке. Основным их источником являются деформации ползучести, развивающиеся в растворных швах. При напряжениях до u R 2 , 0 кладка работает упруго и ее деформативность характеризуется модулем упругости 0 0 tg E , который пропорционален временному сопротивлению u R E 0 , здесь упругая характеристика кладки, зависящая от вида кладки и марки раствора (см. СНиП, 1500 200 ). В общем случае зависимость " " нелинейная. Поэтому при высоких напряжениях деформации характеризуются модулем деформаций, представляющем тангенс угла наклона касательной к диаграмме в заданной точке tg d d E / . При расчете на эксплуатационные нагрузки принимают приближенное значение 0 8 , 0 E E (при определении деформаций кладки) и 0 5 , 0 E E (при расчете по прочности) или 1 / tg E cp При растяжении и срезе кладка разрушается главным образом из-за нарушения сцепления раствора с камнем. При слабых растворах или при камне малой прочности разрыв может произойти по шву или камню. Сцепление раствора с камнем тем больше, чем выше прочность раствора и меньше его усадка. Каменная кладка в зависимости от направления действующих усилий при работе на растяжение, изгиб и срез может разрушаться по не перевязанному или перевязанному сечению. Разрушение по не перевязанному сечению происходит по горизонтальному шву кладки (рис. 11.3, а), по перевязанному сечению – по ступенчатому сечению (рис. 11.3, б), либо по плоскому через камни (рис. 11.3, в). Расчетные сопротивления кладки растяжению по не перевязанному сечению t R , по перевязанному – 1 t R , по камню 2 t R и срезу sq R , растяжению при изгибе tb R приводятся в СНиПII-22-81 * Прочность кладки на сжатие в 10 …20 раз выше, чем при растяжении. Для сплошной кладки из кирпича или камней правильной формы работа на растяжение и срез допускается только по перевязанному сечению. I. u R 5 , 0 II. u R 7 , 0 III. u R 9 , 0 IV. u R Рис. 11.1 e pl 1 0 Рис. 11.2 11.2. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТЫХ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Расчет неармированных центрально сжатых элементов по несущей способности производят в предположении равномерного распределения напряжений в поперечном сечении. При этом несущая способность элемента зависит не только от прочности кладки, но и от гибкости элемента. Гибкость элемента определяется отношением расчетной длины 0 l к радиусу инерции сечения в направлении минимальной жесткости i l i / 0 , а для прямоугольного сечения h l h / 0 , где h наименьший размер сечения. С учетом явления продольного изгиба и ползучести несущая способность элемента определяется из условия: RA m N g , (6) где N расчетная продольная сила; A площадь поперечного сечения; R расчетное сопротивление кладки сжатию; коэффициент продольного изгиба, зависящий от упругой характеристики кладки и гибкости элемента h или i , определяемый по таблице СНиП ) 1 ( ; g m коэффициент снижения несущей способности кладки из-за ползучести при длительном загружении: N N m g g / 1 , здесь коэффициент, учитывающий вид кладки и гибкости элемента, принимаемый по СНиП ) 4 , 0 ( ; g N расчетная продольная сила от длительных нагрузок. Рис. 11.3 Расчетная длина сжатых стен и столбов 0 l зависит от условий опирания на горизонтальные опоры (перекрытия). При неподвижных шарнирных опорах, которыми являются опирающиеся перекрытия принимают H l 0 , где Н – расстояние между перекрытиями (рис. 11.4). При упругой верхней опоре и жестком защемлении в нижней – для однопролетных зданий H l 5 , 1 0 , для многопролетных H l 25 , 1 0 (рис. 11.4). Для свободно стоящих конструкций H l 2 0 . Значения коэффициентов g m и по высоте стен и столбов меняется и принимаются по рис. 11.4. 11.3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ На внецентренное сжатие работают конструкции каменных зданий, в которых продольная сжимающая сила N приложена с эксцентриситетом, либо элементы в сечениях которых одновременно действует осевая сила N и изгибающий момент M , то есть N M e / 0 При небольших эксцентриситетах все сечение сжато и эпюра напряжений имеет криволинейное очертание (рис. 11.5). По мере увеличения эксцентриситета, сжимающие напряжения со стороны, удаленной от силы, уменьшаются, а затем меняют знак, то есть возникает растяжение (рис. 11.6). В растянутой зоне при достижении напряжений предела прочности кладки растяжению ) ( ut R по горизонтальным швам образуются трещины, и эта часть кладки как бы исключается из работы. В сжатой зоне сечения со стороны продольной силы нагрузку воспринимает ненарушенная часть сечения высотой ' h (рис. 11.7). Поскольку сжимающие напряжения распределены по сечению неравномерно, временное сопротивление кладки сжатию достигается первоначально в краевых участках. Однако при этом несущая способность не исчерпывается, так как в наиболее нагруженных участках вследствие ползучести развиваются значительные деформации, и тогда включаются в работу менее загруженные участки, которые сдерживают поперечные деформации сжатой зоны и тем самым повышают ее временное сопротивление по сравнению с центрально сжатыми элементами. Это явление учитывается при расчете коэффициентом , величина которого для кирпичной кладки прямоугольного сечения находится из выражения 45 , 1 / 1 0 h e , (7) а для сечений произвольной формы 45 , 1 2 / 1 0 y e , (8) где y расстояние до центра тяжести сечения, которое при h y 2 принимают из условия h y 2 Вследствие сложности напряженного состояния внецентренно сжатых элементов при расчете их прочности исходят из эмпирических формул, основанных на следующих допущениях: растянутая зона, если она имеется, исключается из работы; напряжения в сжатой зоне считаются распределенными равномерно (рис. 11.8); неравномерность распределения напряжений по сечению учитывается коэффициентом 1 Несущая способность внецентренно сжатого каменного элемента обеспечена, если выполняется условие: c g RA m N 1 , (9) где N N h e m g g g / ) / 2 , 1 1 ( 1 0 ; g e 0 эксцентриситет длительных нагрузок; c A площадь сжатой части сечения, у которой центр тяжести совпадает с точкой приложения внешней силы N в предположении прямоугольной эпюры напряжений, для прямоугольного сечения имеем ) / 2 1 ( 0 h e A h b A c c c , здесь bh A площадь всего сечения; 1 коэффициент продольного изгиба, определяемый как среднее арифметическое между коэффициентом продольного изгиба для всего сечения высотой h и коэффициентом продольного изгиба c для сжатой части сечения элемента, высота которой для прямоугольного сечения 0 2e h h c ; 2 / ) ( 1 c . При этом c определяется по гибкости сжатой части c hc h l / 0 ) / ( 0 c ic i l , где c i радиус инерции сжатой части. При расчете элементов толщиной 25 см и менее учитывают случайные эксцентриситеты a e : для несущих стен 2 a e см; для самонесущих и отдельных слоев трехслойных несущих стен 1 a e см. Полный эксцентриситет будет равен N M e e a / 0 Опыты показывают, что при y e 7 , 0 0 может быть допущено небольшое раскрытие трещин в горизонтальных швах. Такое раскрытие не вызывает появление видимых трещин в облицовке и штукатурке стен. Однако при |