Прочность и деформации каменной кладки при сжатии

Каменная кладка состоит из камня и раствора. Прочность кладки зависит от свойств составляющих, ее материалов и от качества ее выполнения.

Напряженное состояние кладки при осевом сжатии

Вопросы прочности различных каменных кладок рассмотрим прежде всего на примере кирпичной кладки. При сжатии кладки в кирпиче возникают не только напряжения сжатия, но и напряжения изгиба, растяжения и среза, вследствие: 1) неровностей поверхностей шва и кирпича и неодинаковой плотности раствора в горизонтальных швах кладки; 2) взаимодействия кирпича и раствора при поперечных деформациях кладки; 3) концентрации напряжений вблизи вертикальных швов кладки.

Рассмотрим каждую из этих особенностей работы кладки.

а) Поверхности как шва, так и кирпича не являются идеально плоскими и поэтому каждый кирпич опирается на раствор не всей своей поверхностью, а лишь отдельными участками. Между площадками соприкосновения имеются участки, где кирпич отделен от раствора воздушными прослойками. Вследствие допусков в размерах кирпича и различной высоты соседних кирпичей толщина отдельных участков горизонтальных швов также различна. Кроме того, и плотность раствора в шве не везде одинакова, так как составляющие раствора (цемент, известь, песок, вода) не совсем равномерно распределяются в растворе при перемешивании и, кроме того, степень уплотнения шва на отдельных его участках различна. Вследствие этих причин давление неравномерно распределено по нижней и верхней поверхности кирпича и сосредоточивается на отдельных его участках. Если представить себе кирпич выделенным из кладки и заменить влияние смежных участков кладки соответствующими силами, то окажется, что каждый кирпич подвергается сверху и снизу действию беспорядочно приложенных местных нагрузок, вызывающих в нем, кроме напряжения сжатия, напряжения изгиба и среза. В зависимости от качества выполнения горизонтальных швов, правильности формы применяемого кирпича, удобо-укладываемости раствора и т. д. площадки соприкосновения кирпича и раствора могут быть большими или меньшими. В соответствии с этим различной может быть и величина напряжений изгиба и среза кирпича.

Вместе с тем величина напряжений изгиба и среза в кирпиче зависит также и от прочности и упругих свойств применяемого раствора. Действительно, чем слабее раствор, тем обычно он более сжимаем и, следовательно, тем сильнее деформативность кладки. Поэтому больше и разности перемещений отдельных точек кирпича, вызванные отмеченной выше неравномерностью распределения давления в кладке. Иными словами, чем слабее раствор, тем больше не только общие деформации кладки, но и деформации изгиба и среза каждого кирпича и, следовательно, тем больше возникающие в нем при данной нагрузке напряжения изгиба и среза. Поэтому, в частности, кладка на слабом, сильно сжимаемом растворе разрушается быстрее, чем кладка на более прочном растворе.

б) Взаимодействие кирпича и раствора не ограничивается приведенными данными о характере работы каждого кирпича в кладке. При сжатии кладки могут возникать напряжения в направлении, перпендикулярном направлению действия сжимающего усилия, вызванные различной деформативностью кирпича и раствора в поперечном направлении.

Известно, что при осевом сжатии возникают деформации укорочения в направлении действия силы и деформации удлинения (поперечного расширения) в поперечном направлении. Если воспрепятствовать поперечному расширению тела, то его несущая способность значительно возрастет. С этой целью, например, в железобетонных колоннах применяют спиральную арматуру или горизонтальные сетки, в кирпичной кладке — армирование сетками и т. д. Даже сыпучие материалы в обойме (например, песок, заключенный в стальную трубу) выдерживает значительные нагрузки. Во всех этих случаях при осевом сжатии в одном направлении в рассматриваемом теле создается всестороннее сжатие, так как полному развитию поперечной деформации препятствуют обоймы, спирали: или сетки. При этом поперечные напряжения сжатия, возникающие в теле, уравновешиваются напряжениями растяжения в обойме, сетке и т. д.

Работа обычной кладки при осевом сжатии аналогична описанной работе конструкций, имеющих поперечную арматуру. Действительно, кирпичная кладка схематически может быть представлена в виде чередующихся слоев из двух материалов кирпича и раствора. Эти два материала имеют различный модуль деформаций (различную деформативность) и разный коэффициент поперечного расширения.

деформация призмы, состоящей из кирпича и раствора (т. е. из кладки), будет больше, чем деформация призмы из кирпича, и меньше чем деформация призмы из раствора. Деформации раствора в кладке в этом случае стеснены прослойками из более жесткого материала — кирпича, и поэтому раствор испытывает сжатие не только в продольном, но и в поперечном направлении. Наоборот, деформации кирпича увеличиваются вследствие воздействия менее жестких растворных швов, и кирпич при этом испытывает растяжение в поперечном направлении. Как было указано, если при продольном сжатии имеется одновременно и поперечное сжатие, то несущая способность элемента увеличивается; наоборот, поперечное растяжение уменьшает ее.

В практике главным образом в зависимости от вида и состава раствора возможны разнообразные соотношения между модулями деформаций кирпича и раствора. Прочные цементные растворы могут иметь модуль деформаций, одинаковый (или даже больший) с модулем деформаций кирпича. Поэтому при сжатии кладки на таких растворах в кирпиче не возникают напряжения поперечного растяжения и, наоборот, могут возникать даже напряжения сжатия. Слабые, следовательно, сильно сжимаемые растворы, как, например, известковый, имеют модуль деформаций, значительно меньший, чем кирпич. Вследствие этого при осевом сжатии кладки на слабом растворе в кирпиче возникают напряжения растяжения. То же относится и к растворам средней: прочности (марок 10-25), так как модуль деформаций растворов уменьшается с ростом нагрузки, а модуль деформаций кирпича остается почти постоянным. Теоретический анализ показывает, что по указанной причине при наиболее слабых растворах в кирпиче могут возникнуть напряжения, составляющие до 50% от предела прочности кирпича при растяжении; это способствует разрушению кладки при значительно меньших нагрузках, чем кладки, выполненной на прочных растворах. Вместе с тем при слабых растворах кирпич препятствует поперечному расширению горизонтальных швов, в результате этого увеличивается предел прочности раствора в швах по сравнению с его прочностью в кубиках не менее чем в 3-4 раза. Вследствие этого кладка на слабых растворах выдерживает (без разрушения швов) напряжения, значительно большие, чем предел прочности раствора, испытанного в образцах, имеющих форму кубиков.

в) Особенностью работы каменной кладки является также концентрация напряжений в кирпиче над и под вертикальными швами. Эти швы неполностью заполнены раствором; кроме того, сцепление раствора с кирпичом меньше, чем сопротивление кирпича растяжению. Поэтому вертикальные швы нарушают монолитность кладки и их схематически можно рассматривать как вертикальные щели. Известно, что у верхнего и нижнего концов щели, имеющихся в сплошном теле, возникают концентрации напряжений растяжения и сдвига. Это имеет место и в каменной кладке, что также понижает ее прочность по сравнению с монолитным телом.

Если постепенно увеличивать нагрузку на кирпичный столб, то при некоторой нагрузке вследствие напряжений растяжения, изгиба и среза в отдельных кирпичах появятся вертикальные трещины, преимущественно под вертикальными швами кладки. Постепенно развиваясь при росте нагрузки, трещины разделяют кладку на отдельные столбики, и окончательное разрушение происходит из-за выпучивания этих столбиков в результате продольного изгиба.

Выше был описан характер работы кирпича и раствора в кирпичной кладке. Напряженное состояние кладок из других каменных материалов при осевом сжатии аналогично напряженному состоянию кирпичной кладки, но имеет те или иные особенности в зависимости от размеров и формы применяемого камня, прочности и упругих свойств камня и раствора и т. д. Для того чтобы оценить особенности работы различных кладок, приведем данные о влиянии различных факторов на прочность кладки, на основе изложенных выше общих положений о напряженном состоянии кладки при сжатии.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.