Деформирование кладки из крупноформатных камней

Введение

За последние десятилетия в нашей стране и за рубежом проведено большое количество теоретических и экспериментальных исследований, касающихся оценки напряженно-деформированного состояния кладки стен зданий и сооружений из кирпича и камня, в том числе крупноформатного керамического, с учетом влияния вертикальных швов кладки [1–11], то есть при рассмотрении двух­осного напряженного состояния.

Использование такого подхода при построении расчетных моделей предусматривает возможность повышения расчетных нагрузок на конструкции зданий за счет учета работы не только горизонтальных, но и вертикальных швов. Анализ проведенных научных исследований показал, что во всех работах авторы рассматривают кладку из кирпича и камня с полностью заполненными раствором вертикальными швами.

Такая кладка применялась в несущих стенах зданий исторической застройки, в основном в кирпичных зданиях. Однако вертикальный шов кладки из камня в условиях стройплощадки заполнить крайне сложно. Поэтому раствор в вертикальных швах кладки из камня с плоскими вертикальными гранями заполняется не более чем на 20–30 %. В целях исключения продуваемости такие стены возводились с последующим оштукатуриванием двух сторон, а также с облицовкой.

Учитывая большую сложность заполнения раствором вертикальных швов кладки из камня, в последние годы при кладке стен зданий из камня применяются кладочные изделия с пазогребневым соединением вертикальных швов.

Вертикальные швы в такой кладке не заполняются раствором, поэтому между камнями остается зазор в несколько миллиметров. Продуваемость такой кладки значительно меньше, чем в кладке из камней с плоскими вертикальными гранями. Стены из такой кладки также штукатурятся, облицовываются или защищаются наружной системой теплоизоляции.

На рис. 1 показана внутренняя часть стены, возведенная из различных материалов – лицевой кирпичный слой толщиной 0,5 кирпича и основной слой из крупноформатного керамического камня.

В данном случае кладка защищена от внешних температурно-влажностных воздействий лицевым кирпичным слоем и эффективным утеплителем, толщина которого определяется теплотехническим расчетом.

Материалы и методы

Исследования с использованием конечно-элементных моделей

Исследуется напряженно-деформированное состояние кладки несущих стен из крупноформатных керамических камней с вертикальными швами «паз-гребень». Исследовать влияние вертикальных швов «паз-гребень» на напряженно-деформированное состояние кладки под нагрузкой возможно либо экспериментально, либо на компьютерных объемных моделях. Экспериментально влияние не заполненных раствором вертикальных швов (соединение «паз-гребень») возможно сопоставлением результатов испытания образцов кладки двух типов: с заполненными раствором вертикальными швами и с вертикальными швами «паз-гребень» насухо.

Здесь влияние не заполненных раствором швов на напряженно-деформированное состояние кладки из крупноформатных керамических камней исследовано на объемных конечно-элементных моделях фрагментов стен. В [11] разработано два способа построения конечно-элементных объемных моделей:

• прямой метод, когда блоки и растворные швы в модели стены задаются объемными конечными элементами;
• комбинированный метод, когда в модели стены блоки задаются объемными конечными элементами, а растворные швы – пластинчатыми конечными элементами.

Расчет такой модели на сосредоточенную нагрузку выполнен в двух вариантах: с заполненными раствором вертикальными швами между блоками, когда вертикальные швы раствором не заполнены. Анализ результатов этих расчетов показал, что характер распределения напряжений этих вариантов отличается незначительно. Количественно же, например, вертикальные сжимающие напряжения в варианте с незаполненными вертикальными швами несколько выше.

С целью получения картины распределения вертикальных напряжений в кладке только от внешней нагрузки были произведены дополнительные расчеты этих моделей с невесомыми материалами кладки. Расчеты модели фрагмента стены были произведены с незаполненными раствором вертикальными швами на сосредоточенную вертикальную нагрузку (рис. 3) и с заполненными вертикальными швами (рис. 4). На рис. 3 и 4 приведены изополя вертикальных напряжений в кладке N_z. В обоих случаях четко просматривается зона распределения вертикальных сжимающих напряжений в виде треугольника с вершиной в точке приложения сосредоточенной нагрузки. При этом наблюдается уменьшение напряжений с удалением от места приложения нагрузки и к боковым граням зоны распространения вертикальных напряжений от нагрузки.

Угол треугольной зоны распространения сжимающих напряжений в кладке определяется размером блока. Если обозначить высоту блока через h, а больший размер блока через 2l, то угол зоны распространения вертикальных сжимающих напряжений будет равен tgφ = h/l.

Приближенный способ определения напряжений сжатия в камнях кладки со стыками «паз-гребень»

Кладка стен из крупноформатных керамических камней с вертикальными швами в «паз-гребень» насухо представляет собой дискретно-континуальную систему, в которой ряды блоков являются дискретными, а континуальность кладки обеспечивают горизонтальные растворные швы.

Если пренебречь влиянием горизонтальных растворных швов, то можно расписать значения вертикальных сжимающих напряжений блоков в долях от сосредоточенной нагрузки Р в пределах треугольной зоны с углом 2φ в вершине треугольника.

Рассмотрим случай цепной кладки из блоков в один камень. Будем считать, что усилия с каждого блока передаются на два блока, расположенных под ним. Значения усилий в долях от сосредоточенной нагрузки Р в виде дроби в блоках треугольной зоны приведены на рис. 5.

Значение усилия, приходящегося на каждый блок, записано в виде дроби. Чтобы получить напряжения, эти усилия необходимо разделить на площадь опорной грани блока. Треугольник, составленный из значений усилий в блоках, обладает некоторыми свойствами. Так, если пронумеровать ряды кладки от нуля (ряд кладки, к которому приложена сосредоточенная нагрузка) с возрастанием номера по мере удаления рядов от нагруженного, то знаменатель в дробях значений усилий представляет собой число 2 в степени, равной номеру ряда. На рис. 5 нанесены только числители дробных значений усилий.

Кроме того, у окаймляющих треугольную зону блоков во всех рядах в числителях дробей усилий стоит 1. Числители усилий в блоках, примыкающих к крайним камням треугольной зоны, равны номерам ряда, считая сверху вниз.

Анализ построенного треугольника усилий в блоках, попадающих в треугольную зону, показал, что вдоль ряда камней они переменны: наименьшие по краям и максимальные на вертикальной оси, проходящей через приложенную сосредоточенную нагрузку. Сумма числителей дробных чисел усилий в пределах ряда равна знаменателю этих дробей.

Полные значения напряжений в камнях определяются как сумма напряжений от нагрузки и напряжений от собственного веса кладки.

Результаты

Проведенные исследования с помощью объемного моделирования фрагмента кладки из керамических камней и растворных швов показали:

• распределение напряжений в кладке из керамических камней с заполненными раствором вертикальными швами и со швами «паз-гребень» насухо качественно совпадает;
• напряжения в камнях кладки со швами «паз-гребень» насухо несколько выше, чем в кладке с заполненными раствором вертикальными швами, которые способствуют большему перераспределению усилий при сосредоточенных нагрузках;
• по схеме статической работы элементов кладки из керамических камней с вертикальными швами «паз-гребень» насухо, кладка может быть отнесена к дискретно-континуальной системе, где дискретными элементами являются камни, а горизонтальные растворные швы вносят эффект континуальности;
• получен треугольник распределения усилий между камнями от сосредоточенной нагрузки на кладку, позволяющий без расчета определять напряжения в камнях кладки с вертикальными швами в «паз-гребень».

Выводы

Проведенные исследования показали, что существующие методы расчета сплошной кладки не подходят для расчета кладки с вертикальными швами в «паз-гребень» насухо.