Напряженно-деформированное состояние кладки с применением крупноформатных керамических камней при действии сосредоточенных нагрузок

Введение

За последние 20–25 лет в практике строительства в Российской Федерации широкое применение находят крупноформатные керамические камни пустотностью до 57 % при высоте ряда кладки более 200 мм. Эффективность их применения обусловливается снижением трудозатрат при возведении кладки стен зданий и высокими теплотехническими характеристиками.

В связи с этим в действующие нормы по проектированию конструкций, возводимых с применением кладки из кирпича, камня, блоков, СП 15.13330.2020 «Каменные и армокаменные конструкции» [1] включены специальные требования по расчету и проектированию кладки стен зданий с применением крупноформатных керамических камней с высокой пустотностью – до 57 %.

В табл. 6.2 [1] приведены расчетные сопротивления сжатию кладки из крупноформатных керамических камней пустотностью до 57 %. В табл. 7.5 [1] даны коэффициенты для определения расчетного сопротивления кладки при действии местных нагрузок в зависимости от материала кладки и места приложения нагрузок.

Коэффициенты, приведенные в табл. 7.5, для некоторых случаев опирания сосредоточенной нагрузки на кладку на 10–20 % повышают ее прочность за счет «эффекта обоймы». Поэтому, учитывая высокую пустотность крупноформатных керамических камней, в целях повышения надежности возводимых зданий и сооружений проведены теоретические и экспериментальные исследования по изучению напряженно-деформированного состояния крупноформатных керамических камней и кладки стен с их применением при действии сосредоточенных нагрузок.

Экспериментальные исследования и методика испытаний прочности крупноформатных керамических камней при действии сосредоточенной нагрузки

Задача проведенных исследований состояла в получении экспериментальных данных прочности и деформативности кладки из высокопустотных крупноформатных (КФ) керамических камней (14,3NF и 12,4NF) при действии сосредоточенной нагрузки – местном сжатии (смятии).

Учитывая сравнительно большие размеры камня, позволяющие выполнять опирание конструкций на один камень, при проведении данных исследований сделано сравнение прочности при действии сосредоточенной нагрузки на камень с прочностью в кладке.

Для проведения экспериментальных исследований были отобраны КФ пустотелые керамические камни размеров 510 × 250 × 219 мм и 440 × 250 × 219 мм с вертикальными пустотами шириной 6–8 мм. Вид камней приведен на рис. 1.

Исследование прочности крупноформатных керамических камней при действии сосредоточенных нагрузок

При выполнении данной работы проведены исследования прочности КФ керамических камней при действии сосредоточенных нагрузок.

КФ камни имеют достаточно большую площадь ложковой поверхности, на которую может опираться и балка, и колонна. Поэтому может возникнуть вопрос об испытании на смятие не кладки, а только камня.

В целях сравнения результатов мы провели испытания на смятие не только кладки, но и камня. Для получения более достоверных результатов испытания проведены по наиболее простым схемам – схемы а и д, приведенным на рис. 2.

Выравнивание опорных поверхностей проведено цементно-песчаным раствором М300.

В средней части сечения камня прикладывалась сосредоточенная нагрузка, которая передавалась через плиту размером 18 × 24,5 см.

Геометрические размеры КФ керамических камней 14,3NF и 12,4NF – 510 × 250 × 219 мм (рис. 3) и 440 × 250 × 219 мм.

Результаты испытания керамического КФ камня М100 размерами 510 × 250 × 219 мм и пустотностью 48–57 % на местное сжатие (смятие) представлены в табл. 1. Характер разрушения данного керамического камня представлен на рис. 4.

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния кладки из КФ керамических камней при действии сосредоточенных (местных) нагрузок

Основной целью проведенных исследований является получение достоверных экспериментальных данных о прочности и деформативности кладки из КФ керамических камней пустотностью 48–57 % при действии сосредоточенных нагрузок (местном сжатии или смятии).

В действующих нормах по проектированию каменных и армокаменных конструкций указаны 9 случаев приложения нагрузок, представленных на рис. 2 [1, рис. 7.6].

При проведении данных исследований были рассмотрены два наиболее просто реализуемых случая передачи сосредоточенных нагрузок на стены, включающих опирание сосредоточенной нагрузки на часть длины и ширины сечения (например, опирание колонны на стену толщиной 50–70 мм) – схема д, а также опирание конструкций на кладку по схеме а.

Испытания на сосредоточенную нагрузку проведены на образцах кладки двух видов – Серия № 1 при приложении нагрузки по схеме д, Серия № 2 – при приложении нагрузки по схеме а – для сравнения прочности кладки с прочностью отдельного камня при сосредоточенной нагрузке.

Вид перевязки и расположение приборов приведены на рис. 5–7.

Еще раз отметим, что при проведении данных исследований проведено сравнение напряженного состояния КФ керамического камня при его испытаниях отдельно в прессе без обжатия и в кладке с обжатием по схеме а.

Исследование напряженно-деформированного состояния кладки при действии сосредоточенной нагрузки по схеме а

Анализ деформированного состояния образцов при испытаниях показал, что в зоне под штампом и примыкающих к нему зонах преобладают сжимающие напряжения, а в остальной части образца – растягивающие. При этом максимальные значения деформаций сжатия наблюдаются в верхней части образца, непосредственно под штампом.

Результаты экспериментальных данных приведены в табл. 1, 2, 5 (по камню), а также на рис. 8 и в табл. 3–8 (по кладке).

Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований были получены данные о прочностных и деформативных характеристиках кладки из крупноформатных керамических камней пустотностью 48–57 % при действии сосредоточенных нагрузок.

1. Прочность кладки из крупноформатных керамических камней при местном сжатии зависит от нескольких факторов, включающих:

– величины нормальных и касательных напряжений в вертикальных сечениях между сжатой зоной и незагружаемыми участками кладки [2–4];

– деформативные характеристики кладки (в зависимости от вида раствора и кладочных изделий);

– эффект «обоймы» вокруг зоны смятия кладки.

В кладке из крупноформатных камней при большой высоте кладочного изделия (камней) и их высокой пустотности величина нормальных и касательных напряжений в тонких внутренних перегородках (5–8 мм) будет значительно выше, чем в полнотелых изделиях, что повышает вероятность их разрушения.

Этот фактор оказывает существенное влияние на прочность кладки из изделий высокой пустотности при местном смятии.

2. Проведенные экспериментальные исследования показали, что на прочностные характеристики кладки из крупноформатных керамических камней пустотностью 48–57 % при действии сосредоточенных нагрузок так же, как и в случае кладки из изделий с меньшей пустотностью, большое влияние оказывает эффект «обоймы» [5].

3. Предел прочности кладки из крупноформатных керамических камней на цементно-песчаном растворе (временное сопротивление) при смятии по схеме а превышает соответствующий предел прочности кладки при осевом сжатии на ~ 12 % (обжатие нагруженного участка с двух сторон).

4. Предел прочности кладки из крупноформатных керамических камней на клеевом составе при смятии по схеме д превышает соответствующую прочность кладки при сжатии на ~ 25–27 % (обжатие нагруженного участка с четырех сторон).

5. В табл. 6–8 приведены сводные результаты испытаний на сжатие и смятие кладки из крупноформатных керамических камней на клеевом составе (растворе). Наиболее высокая прочность при смятии достигнута в кладке с приложением нагрузки по схеме д (обжатие с четырех сторон).

6. Сравнение результатов испытаний на смятие крупноформатных керамических камней и кладки стен с их применением показали, что эффект «обоймы» (эффект Баушингера) оказывает влияние на прочность кладки при смятии даже при использовании в кладке камней высокой пустотности (до 57 %) при незаполненных раствором вертикальных швах с пазогребневым соединением и наличием горизонтальных швов, которые усиливают эффект «обоймы». Расчетное значение коэффициента Баушингера, ξ, при приложении сосредоточенной нагрузки по схеме д, вычисленное по СП 15.13330.2020 [1], отличается от экспериментальных значений на 5–7 % (табл. 7).