Трещиностойкость каменных стен

Часто вблизи пересечений стен из каменной кладки возникают сквозные трещины. Тому причиной могут быть неодинаковые вертикальные деформации кладки смежных участков стен или неравномерные осадки фундаментов.

Рассмотрим случай образования трещин вследствие неодинаковых вертикальных деформаций кладки наружных и внутренних стен на примере недавно возведенного девятиэтажного здания (рис. 1).

Во внутренних стенах из силикатного кирпича вблизи их пересечения с наружными из керамических камней в верхних этажах спустя некоторое время после окончания возведения появились наклонные и вертикальные трещины (рис. 2). В средних и нижних этажах трещины, как правило, вертикальные.

Схема образования трещин между стенами приведена на рис. 3.

Изучению совместной работы разно деформируемых стен посвящены работы [1–4]. В работе [1] приведен эксперимент на модели фрагмента здания (М1:2), в котором изучалась совместная работа конструкций трех верхних этажей многоэтажного здания.

Размеры модели в плане составляли 6,5 × 5,2 м (13 × 10,4 м). В скобках указаны соответствующие размеры для натурного моделируемого здания. Модель имела одну внутреннюю и две наружные стены, выполненные из силикатного кирпича. Высота каждого этажа составляла 1,4 м (2,8 м).

Перекрытия выполнялись из пустотных плит шириной по 0,75 м (1,5 м) и толщиной 0,11 м (0,22 м). По одной из сторон продольные края плит заведены в наружную стену на 60 мм (120 мм).

Деформации ползучести кладки, возникающие в нижних этажах натурного здания, имитировались опусканием опор, несущих внутреннюю стену, в течение девяти месяцев с момента окончания возведения. Для обеспечения равенства вертикальных напряжений в стенах модели и натурного здания к модели с помощью чугунных грузов прикладывалась дополнительная нагрузка. Схема и фото модели показаны на рис. 4.

Одновременно испытывались на кратковременное и длительное сжатие с целью оценки деформаций ползучести и усадки кладки образцы в виде столбов.

Первые трещины возникли через семь месяцев при разности вертикальных перемещений низа внутренней стены 4 мм. Трещины проходили по швам кладки внутренней стены под углом 45° в уровне первого и второго этажей и начинались от первого шва между плитами перекрытий (рис. 5).

Со стороны стены, где плиты перекрытий заводились продольной стороной в наружную стену, трещины не появились.

В настоящей работе изучалось влияние на НДС стен конструкции перекрытия, армирования кладки сетчатой арматурой и поясами. Рассчитывались фрагменты трех верхних этажей многоэтажного здания, идентичные экспериментальной модели. Стены и плиты перекрытий аппроксимировались объемными КЭ, швы между плитами КЭ податливой связи. Арматурные стержни поясов и сеток аппроксимировались конечными элементами стержня.

Стены рассчитываемых фрагментов образуют в плане симметричный двутавр, полкой которого служит наружная стена толщиной 0,51 м, длиной 5 м с оконными проемами, а стенкой двутавра – внутренняя стена толщиной 0,38 м и длиной 6 м. Посередине внутренней стены имеется дверной проем.

Перекрытия из железобетонных пустотелых плит шириной 1,5 м опираются на внутреннюю стену.

Модули упругости кладки стен и перекрытий принимались идентичными в экспериментальной модели.

Эпюра вертикальных перемещений низа внутренней стены соответствовала эпюре перемещений экспериментальной модели. Вертикальные перемещения низа внутренней стены ограничивались податливыми связями, жесткость которых варьировалась в широких пределах. Вертикальные перемещения внизу наружной стены ограничивались во всех фрагментах.

Для выявления жесткости диска перекрытий в своей плоскости рассчитывались фрагменты как с заполненными, так и незаполненными швами между плитами.

Исследовалось влияние заводки продольной стороны крайней плиты перекрытия в наружную стену.

В ряде фрагментов во внутренней стене в горизонтальный растворный шов под плитами перекрытий заложены пояса из арматуры диаметром 6 мм. Количество стержней в поясе варьировалось от трех до двенадцати.

В одном из фрагментов осуществлено армирование внутренней стены сетками, располагаемыми в горизонтальных швах через 0,7 м по высоте стены во всех трех этажах. В каждой сетке имеется по три продольных стержня диаметром 6 мм.

К стенам прикладывалась равномерно распределенная по объему конечных элементов нагрузка, равная объемной массе кладки. К перекрытиям прикладывалась равномерно распределенная по горизонтальной поверхности нагрузка.

Напряженно-деформированное состояние стен

В результате перераспределения усилий с внутренней стены на наружную абсолютных значений вертикальных напряжений во внутренней стене значительно меньше, чем подсчитанных в предположении раздельной работы стен.

Установлено, что при наличии поясов разность перемещений в несущей внутренней стене может оказаться на 20–30 % ниже, чем без них (рис. 6). Это ведет к тому, что в кладке в уровне перекрытий предпоследнего этажа главные растягивающие напряжения σ₁ значительно уменьшаются по сравнению с напряжениями в стенах без поясов, становясь сжимающими в большинстве сечений. Однако в верхнем этаже главные растягивающие напряжения увеличиваются, т. к. диск покрытия является своеобразной распоркой, препятствующей сближению стен (рис. 3).

 

Рис. 6. Вертикальные перемещения внутренней стены в уровне трех верхних этажей: а) рассчитываемый фрагмент здания; б) эпюры вертикальных перемещений внутренней стены в мм

Fig. 6. Vertical displacements of the interior wall at the level of the three upper floors: a) analyzed part of the building; b) diagrams showing vertical displacements of the interior wall in mm

Вблизи швов между плитами в кладке наблюдается концентрация касательных напряжений τ. При расчетах по упрощенной методике или грубой разбивке на КЭ (25 см и более) значения τ вблизи пересечения стен рекомендуется принимать с учетом коэффициента неравномерности касательных напряжений по высоте стены в пределах этажа, равного 1,5.

Эффект от заводки в стену продольных сторон плит перекрытий аналогичен эффекту от армопоясов. Способствуя уменьшению абсолютных величин главных растягивающих напряжений в кладке внутренней стены в уровне предпоследнего этажа, это приводит к росту главных растягивающих напряжений в уровне верхнего этажа.

Полученные из расчетов данные хорошо корреспондируются с результатами натурных наблюдений и испытаниями модели здания.

В работе [2] исследовалось НДС стен каменных зданий в процессе строительства и эксплуатации на примере 5-этажного фрагмента здания. Расчет производился в пять этапов соответственно количеству этажей и одному этапу после окончания строительства. На рис. 7 изображены эпюры касательных напряжений τ, действующих в серединах этажей после окончания строительства здания. Там же изображены эпюры t, полученные без учета влияния деформаций ползучести. Эти напряжения оказываются меньше в среднем в 2 раза. В средних этажах касательные напряжения увеличились за время после окончания строительства в 1,5–2 раза, а в верхнем этаже – в 1,8–2,6 раза.

Учет деформаций ползучести, этапности и длительности возведения позволяет уточнить на 33 % и более величины усилий и напряжений, действующих в стенах. В верхних этажах, где вероятнее появление наклонных трещин вследствие действия главных растягивающих напряжений, величины их более чем в 2,5 раза превышают полученные без учета названных факторов.

Вследствие деформаций ползучести кладки нижележащих этажей после окончания строительства здания более деформируемые стены продолжают разгружаться, а менее деформируемые – догружаться. Поэтому вертикальные напряжения в более деформируемой стене должны определяться на момент окончания строительства здания, а в менее деформируемых – на момент через пять лет, когда практически полностью прекращаются деформации кладки.

На рис. 8 изображены графики вертикальных усилий N, действующих в менее деформируемой (а) и в более деформируемой стене (б) до образования трещин. После окончания строительства происходит постепенное затухание приращения усилий.

 

Рис. 8. Графики изменения во времени t вертикальных усилий N в стенах фрагмента здания: а – в менее деформируемой стене; б – в более деформируемой стене: 1 – без учета появления трещин; 2 – с учетом появления трещин; N_ок – усилие на момент окончания возведения стен; N_тр^{5 лет} – усилие после затухания деформаций ползучести (через 5 лет) в стенах с трещинами между ними;– усилие после затухания деформаций ползучести (через 5 лет) в стенах без трещин; τ_ок – время окончания возведения; τ_тр – момент появления трещин

Fig. 8. Graphs showing changes in vertical forces N in the walls of the structure over time t:
a – less deformable wall; b – more deformable wall:1 – without taking the occurrence of cracks into account; 2 – taking the occurrence of cracks into account; N_ок – force at the end of wall erection; N_тр^{5 лет} – force in the walls having cracks at their intersection following the damping of creep deformations (in 5 years);  – force in the walls without cracks following the damping of creep deformations (in 5 years); τ_ок – end of construction; τ_тр – cracking moment

Чем меньше возраст кладки, при котором произойдет прекращение роста нагрузки, тем выше будут полные деформации в ней.

Менее деформируемая стена, наоборот, «разгрузится». Отсюда при проектировании прочность кладки менее деформируемой стены должна определяться без учета образования трещин, разделяющих стены.

К моменту окончания строительства перемещения стен в уровне покрытия равны нулю, и все перемещения верха стен должны определяться начиная с момента окончания строительства здания. Трещины в верхних этажах появляются после окончания возведения здания, когда в кладке развиваются только деформации ползучести и усадки. В этом случае наиболее подходит критерий прочности кладки по предельной разности перемещений стен.

Выводы

1. При дисках перекрытий из сборных плит шириной до 2м укладку армопоясов в кладку несущих стен следует производить в уровне дисков перекрытий на предпоследнем этаже, а в случае необходимости и ниже в зависимости от НДС стен.

Укладка армопояса в уровне диска покрытия не рекомендуется.

2. Заводка плит перекрытий продольной стороной в условно самонесущую стену повышает трещиностойкость кладки стен нижележащих этажей.
3. Арматурные сетки, уложенные в горизонтальных швах несущих стен равномерно по ихвысоте, наиболее эффективно способствуют восприятию главных растягивающих напряжений, препятствуя тем самым образованию и раскрытию наклонных трещин.
4. Во всех случаях должно выполняться конструктивное армирование стен вблизи ихпересечений связевыми Г- или Т-образными сетками. Сетки следует заводить в стены таким образом, чтобы они перекрывали первый от угла шов между плитами перекрытий.
5. Ремонт стен с наклонными деформационными трещинами целесообразно производить устройством внешнего армирования, направленного перпендикулярно направлению трещины.