Длина температурного блока замораживаемой влажной облицовочной кладки

Введение

При современном строительстве широко применяются многослойные наружные стены [1–5], выполняющие роль ограждающих конструкций и предназначенные для тепло- и звукоизоляции внутреннего микроклимата зданий. В качестве наружного облицовочного слоя находит применение каменная кладка, которая выполняет роль препятствия для инфильтрации наружного воздуха, фасадно-декоративного элемента с определенной архитектурной выразительностью и конструкции, воспринимающей и передающей на внутреннюю несущую часть стены ветровую нагрузку.

Наружный каменный облицовочный слой стены (далее – облицовочная кладка) испытывает сложное напряженно-деформированное состояние при восприятии гравитационных, ветровых и климатических воздействий. Силовые (гравитационные и ветровые воздействия) не вызывают у нас интереса ввиду их подробной изученности большим числом исследователей. Восприятие климатических (в первую очередь температурных и влажностных) воздействий часто вызывает сложности при проектировании каменной облицовки.

Исследованием работы облицовочной кладки занимались многие ученые как в России [1–9], так и за рубежом [10–14]. Конструктивные решения сопряжения облицовочной кладки с опорной конструкцией имеют существенные различия в зарубежной и отечественной практике проектирования. Данные отличия обусловлены в первую очередь климатическими особенностями районов строительства. В массовом гражданском строительстве в России высота наружных стен и соответственно облицовочной кладки принимается 3–4,5 м, то есть высота облицовочной кладки определяется высотой этажа здания. По данным исследований [3][4][7–9], основным фактором, влияющим на напряженно-деформированное состояние облицовочной кладки, является изменение ее температуры. Основной механической характеристикой, используемой при расчетах по образованию трещин и разрушению кладки, является ее прочность на растяжение. Прочность кладки на растяжение по перевязанному сечению (вдоль рядов кладки) является критерием при расчетном обосновании длины температурного блока (расстояние между температурными деформационными швами).

При свободной деформации кладки напряжений в ней не возникает. Однако реальная кладка всегда опирается на железобетонную плиту, в результате облицовка испытывает стесненную деформацию, что обусловливает появление напряжений при изменении ее температуры. В результате этой совместной работы кладки и плиты при охлаждении кладки возможно появление в ней трещин при растягивающих нормальных напряжениях, превышающих прочность кладки на растяжение.

Исследователями разработаны различные рекомендации по назначению длины температурных блоков, но ряд этих рекомендаций применим только в определенных климатических условиях. Однако есть и универсальные, в частности в работе [10], а также в работе [6] и нормативном документе СП 327.1325800.2017 [15] длину температурного блока определяют по эмпирическим формулам.

Нами также проведены исследования напряженно-деформированного состояния узла сопряжения облицовочной каменной кладки с железобетонной плитой перекрытия. Моделирование выполнялось при помощи программного комплекса ЛИРА-САПР. В компьютерной модели учтено наличие в плите термовкладышей, позволяющих снизить потери тепла через рассматриваемый узел. Исследовались предельно допустимые значения длины температурного блока при воздействии различных факторов. Критерием для проводимых нами исследований выбрано, как и в работах [6][10], непревышение горизонтальными растягивающими нормальными напряжениями прочности кладки на растяжение – σ_x ≤ R_t. Расчетное сопротивление кладки на растяжение по перевязанному сечению R_t принято по СП 15.13330.2020 [16].

В результате исследования получено выражение длины температурного блока, зависящее от величины температуры охлаждения кладки, прочностных и деформативных характеристик кладки и способа ее опирания:

(1)

где

k = ;

R_t – сопротивление кладки на растяжение по перевязанному сечению, проходящему по камню, МПа;

 – модуль деформации кладки, МПа;

δ – условная жесткостная характеристика сопряжения кладки с основанием, при непосредственном опирании кладки на плиту перекрытия следует принимать равной

 – КЛТД (коэффициент линейной температурной деформации) кладки в воздушно-сухом состоянии;

Δt_red – расчетное приведенное значение перепада температуры, °C, определяемое по СП 20.13330.2016 [17], но с учетом изменения КЛТД кладки при ее замораживании:

(2)

где t_w, t_c – нормативные значения средних температур по сечению элемента соответственно в теплое и холодное время года;

t_0w, t_0c– начальные температуры соответственно в теплое и холодное время года или температура замыкания кладки;

 – КЛТД кладки во влажном состоянии по данным работы [18];

индекс «x» в обозначениях элементов формул означает горизонтальное направление (т. е. вдоль рядов кладки).

Помимо выражения (1), получен ряд зависимостей, которые позволяют оценить влияние на длину температурного блока облицовочной кладки различных факторов.

Для сравнения формулы, определяющие длины температурных блоков облицовочной кладки, из источников [6, 11] и формула (1) приведены в таблице.

На рис. 1 показан график зависимости длины температурного блока от соотношения КЛТД кладки и опорной железобетонной плиты

На рис. 2 представлены графики сравнения длин температурного блока кладки в зависимости от влажности и перепада температур ∆t = –50 °C, где температура охлаждения составляет T = –35 °C, что соответствует условиям ряда регионов Центральной России. Графики, построенные по формуле (1), учитывают изменение КЛТД кладки при ее замораживании по данным исследований работы [18].

Для сравнения на этом рисунке показаны значения длины температурного блока: по методике работы [6] и СП 327.1325800.2017 [15] L = 2,64 м, по формуле из работы [10] L = 1,43 м, по формуле (1) L = 2,56 м (в воздушно-сухом состоянии каменной кладки) и уменьшается (на 13 % меньше) до 2,23 м (для кладки из полнотелого керамического кирпича) и (на 19 % меньше) до 2,07 м (для кладки из щелевого керамического кирпича) при влажности кладки 12 %.

На рис. 3 показаны графики зависимости длины температурного блока от модуля деформации нижнего растворного шва между облицовочной кладкой и плитой перекрытия для различных марок камня и раствора. Из графиков видно, что длина температурного блока от применяемых для облицовки марок по прочности камня и раствора зависят несущественно. В то же время наблюдаем существенную зависимость от жесткости шва, при минимальной его жесткости имеем на графике максимальную длину температурного блока.

Для реализации возможности иметь повышенную длину температурного блока облицовочной кладки авторами разработана конструкция, при которой податливость контакта кладки с плитой максимальна. Достигается она путем применения антифрикционной прокладки между плитой перекрытия и облицовочной кладкой (рис. 3). Прокладка представляет собой лист фторопласта по ГОСТ 10007-80 [19] и уложенного поверх него листа оцинкованной стали по ГОСТ 14918-2020 [20]. Такое сочетание материалов имеет коэффициент трения 0,04–0,1. За счет прокладки достигается скольжение кладки в горизонтальном направлении, что приводит к существенному снижению растягивающих и отсутствию сдвигающих напряжений в нижней части облицовочной кладки.

Выводы

В результате исследования облицовочной каменной кладки нами получены следующие выводы:

1. Получено выражение длины температурного блока, зависящее от величины температуры охлаждения кладки, прочностных и деформативных характеристик кладки и способа ее опирания.
2. Получены графические зависимости длины температурного блока облицовочной кладки от соотношения КЛТД кладки и опорной железобетонной плиты, а также от модуля деформации нижнего растворного шва для различных соотношений марок по прочности камня и кладочного раствора.
3. Разработано конструктивное решение узла сопряжения многослойной наружной стены с плитой перекрытия, при реализации которого можно иметь практически неограниченную длину температурного блока каменной облицовки.