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 [
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 [
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 [
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 = ;
Rt – 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;
Δtred – расчетное приведенное значение перепада температуры, °C, определяемое по СП 20.13330.2016 [
(2)
где tw, tc – нормативные значения средних температур по сечению элемента соответственно в теплое и холодное время года;
t0w, t0c– начальные температуры соответственно в теплое и холодное время года или температура замыкания кладки;
– КЛТД кладки во влажном состоянии по данным работы [
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.
Таблица
Длина температурного блока облицовочной каменной кладки
Table
Temperature block length of the facing masonry
| М. К. Ищук [6] | P. Schubert [11] | И. А. Черный, В. А. Титаев |
| где β и b – параметры, характеризующие материал кладки, учитывающие влияние температуры при возведении кладки и температуры плиты перекрытия в эксплуатационный период, солнечной радиации, концентрацию напряжений на опоре и вблизи проемов; A – площадь вертикального сечения лицевого слоя, включаемая в работу с плитой перекрытия, принимаемая равной 0,8 м; Екл – модуль деформаций кладки; ∆t – разность температуры с момента замыкания конструкции и температуры в рассматриваемый период времени; αt – КЛТД кладки; N – горизонтальное усилие, определяемое для случая наступления предельного состояния в кладке N(Rt) = Rt × A и для случая образования первых трещинN(σt,cr) = 0,6Rt,ult × A; Rt – расчетное сопротивление кладки растяжению по горизонтали; Rt,ult – временное сопротивление кладки растяжению по горизонтали | где βz,mw – прочность кладки на растяжение вдоль горизонтальных растворных швов; Еz,mw – модуль упругости кладки при растяжении вдоль горизонтальных растворных швов; ε – полные температурные деформации кладки с учетом ее реологии; R – коэффициент, учитывающий влияние сил трения на контакте лицевого слоя с опорой (например, при возведении кладки непосредственно на железобетонной плите перекрытия R = 1,0, при ее возведении на скользящей прослойке из полиэтиленовой пленки или рубероида R = 0,6); hz,mw – высота стены | где Rt – 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 α xdry – КЛТД кладки в воздушно-сухом состоянии (w ≈ 1,2 %), °C –1, вдоль рядов кладки; ∆tred – расчетное приведенное значение перепада температуры, °C |
На рис. 1 показан график зависимости длины температурного блока от соотношения КЛТД кладки и опорной железобетонной плиты
Рис. 1. График длины температурного блока лицевой кладки от соотношения КЛТД кладки и КЛТД железобетонного основания
Fig. 1. Temperature block length of facing masonry depending on the ratio of CLTE of masonry and CLTE of reinforced concrete foundation
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 [
Рис. 2. Зависимость длины температурного блока лицевой кладки от ее влажности при замораживании
Fig. 2. Dependence of the temperature block length of the facing masonry on its humidity when freezing
Для сравнения на этом рисунке показаны значения длины температурного блока: по методике работы [
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.
Рис. 3. Семейство графиков длины температурного блока лицевой кладки в зависимости от модуля деформации нижнего растворного шва
Fig. 3. Family graphs of the temperature block length of the facing masonry as a function of the modulus of deformation of the lower mortar joints
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 [