Применение крупноформатных камней из высокопоризованной керамики в несущих стенах многоэтажных зданий

Введение

Применение крупноформатных камней из высокопоризованной керамики позволяет существенно повысить сопротивление наружных стен теплопередаче. Для большинства российских регионов толщина наружной стены, выполненной кладкой из таких камней без применения дополнительного слоя из эффективного утеплителя, могла бы составить 38 см, в то время как из более плотных крупноформатных камней она составляет 51 см и более.

В большинстве европейских стран железобетонные плиты перекрытий заводятся практически на всю толщину стены с устройством в торце плиты слоя утеплителя толщиной 5–8 см (рис. 1).

В российских условиях требуется более эффективная тепловая защита, вследствие чего глубина опирания плиты перекрытия на стену принимается меньше. Однако при опирании перекрытия на край стены существенно возрастают скалывающие напряжения в кладке.

На рис. 2 показан пример опирания плиты перекрытия на стену из крупноформатных камней [1][2].

С целью повышения надежности узла опирания была проведена проверка узла опирания с прокладными рядами из армированной кирпичной кладки, располагаемыми ниже плиты перекрытия (рис. 3).

Влияние армирования кладки на ее прочность и трещиностойкость при краевом приложении нагрузки

О том, что сетчатое армирование в кладке теряет свою эффективность в случае превышения расстояния между сетками более чем 15–20 см, было известно еще по трудам советского ученого В. А. Камейко [4] и др.

В работе [5] представлены результаты исследований кладки из крупноформатных керамических камней. Армирование образцов осуществлялось базальтопластиковой сеткой с ячейкой 25 × 8 мм. По этой работе мы можем сделать следующие выводы:

– прочность армированной кладки сетками примененного в статье типа, установленными через два ряда кладки (0,4 м), практически не отличается или очень незначительно отличается от прочности неармированной кладки;

– для большей эффективности армирования при сжатии целесообразно располагать сетки с меньшим шагом по высоте.

В работах [6][7] исследовалась прочность кладки при местном приложении нагрузки. В первой серии исследовались кирпичные стенки, армирование которых выполнено сетками из проволоки Ø 4 Вр-І с ячейкой 50 × 50 мм через 3 ряда кладки равномерно по всей высоте образца. Во второй серии диаметр арматуры сеток принят Ø 3 Вр-І и Ø 5 Вр-І, шаг сеток по высоте принят равномерным или в каждом шве кладки непосредственно в зоне смятия (рис. 4).

Наблюдалось два вида разрушения: путем среза и в результате разрушения столбика под поверхностью штампа. Независимо от характера расположения сеток арматура по высоте работает неравномерно – лишь в верхней сетке напряжения достигают предела текучести, поэтому усилие в других сетках рекомендовано учитывать с коэффициентом γ = 0,8. Установлено, что нецелесообразно армирование только одной сеткой под площадкой загружения, наиболее эффективным является размещение сеток в пределах зоны смятия.

В работе [8] приведены результаты исследований прочности кладки при различных случаях местного сжатия. Испытания проводились на образцах, выполненных из крупноформатного камня марки по прочности М200 на клеевом растворе марки М100. По результатам испытаний коэффициент увеличения расчетного сопротивления кладки для случая приложения вертикальной нагрузки на краю стены оказался очень большим – от 1,01 до 1,33. В итоге, ссылаясь на ограниченность исследований, авторы рекомендуют принять этот коэффициент равным 1,0.

Следует отметить, что приведенная выше работа относится к случаю, когда вертикальная нагрузка прикладывается в виде штампа. Вместе с тем при опирании на кладку плит перекрытий или балок характер приложения нагрузки отличается вследствие их изгиба в пролете и поворота на опоре в случае отсутствия заделки.

В работе китайских исследователей [9] приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований прочности каменной кладки на участке опирания на нее консольной балки (рис. 5). На краю опоры наблюдаются максимальные величины сжимающих напряжений, распределенных по эпюре, близкой к треугольной.

Выбор материала и конструкции сеток для эксперимента производился из анализа проведенных ранее исследований по эффективности сетчатого армирования и узлов его анкеровки в условиях работы кладки на растяжение по горизонтали, сдвига – по вертикали. Наиболее полно испытания армированной и неармированной кладки на растяжение приведены в работе [10]. Образцы выполнялись в виде фрагмента однослойной кирпичной кладки размером 1030 × 290 (h) мм и толщиной 120 мм, армирование выполнено сетками в каждом ряду кладки (рис. 6).

Разрушение образцов, армированных стальными сетками с диаметром арматуры 2,9 мм, происходило в основном с образованием одной сквозной вертикальной трещины и разрывом арматуры. Разрушение образцов с продольными стержнями из углепластика диаметром 4 мм вследствие большой прочности арматуры происходило не от ее разрыва, а от ее выдергивания вблизи торцов образца.

Авторами указанной выше работы проводились также экспериментальные исследования прочности и деформаций при осевом растяжении узлов анкеровки сеток из полимерных композитных материалов, установленных в растворные швы между двумя кирпичами [11][12].

В работе [11] приведены результаты испытания на вырыв из растворного шва сеток из базальтопластика. Разрушение происходило вследствие разрыва продольных стержней сеток из растворного шва.

В работе [12] исследовались образцы с жесткими сетками из стекловолокна. Разрушение происходило вследствие выдергивания продольных стержней сеток из растворного шва.

Косвенно судить о работе сеток из полимерных композитных материалов позволяют и результаты проведенных авторами работ исследований прочности и деформаций двухслойной кладки при сдвиге слоев относительно друг друга [13]. Исследования показали, что армирование жесткими стеклопластиковыми сетками позволило обеспечить надежную связь слоев. При этом в предельном состоянии вырыва сеток из растворных швов не происходило. Происходил разрыв сеток по шву между кладкой лицевого слоя толщиной 85 мм из клинкерного кирпича и основного слоя кладки из керамических крупноформатных камней.

В работах авторов показано, что прочность отдельных продольных стержней из полимерных композитных материалов, работающих в составе сеток, уложенных в горизонтальные растворные швы, при растяжении используется не полностью. Коэффициент условий работы, характеризующий степень использования прочности отдельных продольных стержней сеток, может быть принят равным 0,7.

Анализ источников показал следующее:

1. При опирании на кладку плит перекрытий характер приложения нагрузки отличается вследствие их изгиба в пролете и поворота на опоре.

Глубина опирания плит перекрытий на кладку в большинстве стран принята практически на всю толщину стены с устройством в торце плиты утеплителя толщиной 5–8 см.

В российских условиях вследствие более холодных зим с целью минимизации теплопотерь глубину опирания плиты на стену целесообразно выполнять как можно меньше. Особенно это относится к наружным стенам из крупноформатных камней с большим объемом пор в керамике, позволяющим выполнять стену однослойной толщиной 380 мм. В этом случае глубину опирания целесообразно выполнять не более 150 мм. В то же время вследствие сокращения глубины опирания плиты перекрытия на кладку сокращается площадь смятия и рост скалывающих напряжений под плитой.

2. Предельное состояние кладки при приложении нагрузки на краю стены может наступить по трем случаям: от раздробления кладки под опорой, среза и скалывания под углом.

3. Прочность кладки на смятие может быть повышена за счет армирования сетками, располагаемыми в горизонтальных растворных швах. С увеличением расстояния между сетками по высоте до 20 см и более эффективность армирования падает. Наилучший эффект достигается при шаге сеток ~7 см при армировании верхних трех-четырех рядов кладки на участке приложения местной нагрузки.

Целью проводимых исследований являлась оценка работы узла опирания перекрытия на стену из такого хрупкого материала, как крупноформатные камни из высокопоризованной керамики.

Материалы для изготовления образцов

Образцы выполнялись кладкой из крупноформатных камней Самарского комбината керамических материалов из высокопоризованной керамики с габаритами 250 × 380 × 219 (h) мм марки по прочности М75 и коэффициентом теплопроводности 0,082 Вт/м×К (рис. 7).

Нагрузка на кладку передавалась через фрагмент железобетонной плиты с габаритами 150 × 380 × 219 (h) мм. Ниже уровня плиты выполнялись прокладные ряды из керамического кирпича высотой по 65 мм пустотностью 42 % марки М150 и полнотелого кирпича марки М200 (рис. 8).

Кладка велась на цементно-песчаном растворе марки М100. Толщина горизонтальных швов составила 12 мм, вертикальных – 10 мм. Армирование кладки осуществлялось сетками, укладываемыми в горизонтальные растворные швы. Стальные сетки выполнялись из проволоки класса В500 диаметром 2,7 мм с ячейкой 50 × 50 мм с разрывным усилием Р = 318 кгс (3,11 кН) и модулем упругости Е_s = 170 000 МПа.

Размер ячейки сеток из полимерных композитных материалов составил 50 × 50 мм. Продольная арматура этих сеток выполнялась из углепластика диаметром 6 мм с пределом прочности при растяжении 1400 МПа (разрывное усилие 38,9 кН) и модулем упругости 130 ГПа. Поперечная арматура изготавливалась из стеклопластика диаметром 4 мм.

Описание опытных образцов

Было испытано четыре серии по пять образцов в каждой. Образцы серий «К», «С», «1K», «2K», выполнены в виде столбов с габаритами в плане 0,38 × 0,25 м и высотой 1,14 м (рис. 9).

Нижние два ряда образцов выполнены кладкой из крупноформатных керамических камней. Следующие три ряда выполнены из керамического кирпича. При этом непосредственно под плитой уложены в один ряд полнотелые кирпичи марки М150 высотой по 65 мм и длиной по 200 мм, получаемые путем распиловки целых кирпичей.

Кладка из полнотелых кирпичей и железобетонный фрагмент плиты отделялись плитным утеплителем толщиной 50 мм.

Толщина горизонтальных швов составила 12 мм, вертикальных – 10 мм.

Образцы серии «K1» выполнены в виде столбов с габаритами в плане 0,38 × 0,25 м и высотой 0,75 м (рис. 10).

Методика проведения испытаний

Образцы испытывались вертикальной нагрузкой, прикладываемой к железобетонному фрагменту с помощью гидравлического домкрата. Схема испытаний приведена на рис. 11.

Результаты экспериментальных исследований

Первые трещины образовывались вблизи участка опирания железобетонного фрагмен­та плиты перекрытия, начиная с уровня второго ряда кирпичной кладки, при уровне вертикального усилия около 85 % от предельного.

Разрушение армированных образцов (серий «С», «1K», «2K») происходило в результате разрушения кладки из керамических камней со стороны нагруженного торца образца (рис. 12).

Графики вертикальных деформаций по наиболее нагруженной грани в зависимости от относительного вертикального усилия, приложенного к фрагменту плиты, приведены на рис. 13.

Характер разрушения неармированных образцов (серии «К» и «K1») был близок к хрупкому, первые трещины в кладке были обнаружены при уровне вертикального усилия 80 % от предельного.

Разрушение в большинстве случаев происходило с образованием трещин со стороны опирания железобетонного фрагмента плиты перекрытия и по боковым граням образцов (рис. 14).

Графики вертикальных деформаций по наиболее нагруженной грани в зависимости от относительного вертикального усилия, приложенного к фрагменту плиты, приведены на рис. 15.

Анализ результатов экспериментальных исследований

Разрушение образцов происходило хрупко в кладке из крупноформатных камней при уровне нагрузки 80–85 % от предельного значения.

Армирование кирпичной кладки, расположенной под плитой перекрытия, вне зависимости от типа применяемой сетки значительно повысило несущую способность.

Отличие в характере работы армированных и неармированных образцов состояло в том, что в неармированных образцах процесс образования трещин начинался в верхних прокладных рядах кладки из кирпича непосредственно под фрагментом плиты перекрытия. В армированных образцах трещины в прокладных рядах образовывались в меньшем количестве.

Разрушение происходило по кладке из крупноформатных высокопустотных камней из поризованной керамики вследствие среза вдоль вертикальных пустот. В случае кладки из полнотелого кирпича разрушение происходило бы по наклонному сечению вследствие скалывания кладки.

Прокладные ряды кирпича выступили в роли распределительной подушки под плитой перекрытия, несколько снизив краевые напряжения, что привело к росту несущей способности не менее чем на 13–27 %. Вместе с тем разрушение всех типов образцов (как армированных, так и неармированных) происходило хрупко при уровне нагрузки в момент образования первых трещин 0,8 от предельной.

Расчет простенка наружной стены здания показал возможность возведения зданий с наружными несущими и самонесущими стенами из крупноформатных энергоэффективных камней толщиной 38 см при высоте здания до пяти этажей. Вместе с тем, учитывая хрупкий характер разрушения кладки, высоту таких стен целесообразно ограничить двумя-тремя этажами.

В однослойных наружных стенах из крупноформатных высокопустотных керамических камней при толщине кладки не более 0,4 м и глубиной опирания железобетонной плиты перекрытия, ограниченной возможностью промерзания величиной 15 см, по торцу плиты следует размещать эффективный утеплитель толщиной 5 см. В уровне низа плиты перекрытия следует укладывать три ряда кладки из кирпича, армированных в горизонтальных рядах сетками со стержнями из стали диаметром не менее 3 мм с размером ячейки не более 50 × 50 мм или сетками с ячейкой не менее 25 × 25 мм из композитных материалов с эквивалентным по площади сечением стержней, уложенных перпендикулярно поверхности стены.