CC BY
35Донченко О. М., канд. техн. наук, проф., Дегтев И. А., канд. техн. наук, проф.
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ДЕФОРМАЦИИ КАМЕННОЙ КЛАДКИ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ КРАТКОВРЕМЕННОМ СЖАТИИ
Рассмотрены вопросы дифференцированного подхода к теоретическому определению деформаций кладки при центральном силовом сжатии с учетом НДС ее составляющих материалов: кирпича и раствора.
Разработаны теоретические основы для выработки интегрального модуля деформаций каменной кладки при ее центральном силовом сжатии.
Ключевые слова: каменная кладка, абсолютные деформации, центральное силовое сжатие, кирпич, раствор, обмятие растворных швов._
Все возрастающие в последние десятилетия объемы строительства гражданских зданий из кирпича и легких керамзито- или ячеистобетон-ных камней вызывают необходимость дальнейшего развития теории и совершенствования методов расчета каменных конструкций. Особенно актуально это для определения деформаций стен многоэтажных зданий в связи с участившимися случаями повреждения их наружной и внутренней отделки и растрескивания соединений разнонагруженных стен.
Нормативные методы определения деформаций кладки [1,2] основаны на зависимости касательного модуля деформаций проф. Л. Онищика:
Е = й с / й£=Еа (1 -с / 1,1Я). (1)
Хотя качественно она хорошо отображает криволинейную физическую зависимость относительной деформации кладки е от сжимающих напряжений с, но имеет существенные недостатки, поскольку принимается, что Е изменяется от значения начального модуля упругости кладки Е0 при с=0 до нуля, но не при разрушении Я, а при фиктивном, искусственно увеличенном на 10% сопротивлении с=1,1 Я , названном Л. Онищиком [1]"пластическим сопротивлением" кладки. Использование для кладок из различных видов материалов, различной прочности и пластичности постоянного значения
1,1 Я не соответствует действительности и у многих исследователей вызывает возражения[3-6].
Получаемая по зависимости (1) необходимая для проектирования величина относительной деформации
е= Д£/£=и Я 1п(1-с/1,1 Я)/Е0, (2)
численно является равной для всех кладок, выполненных из одинаковых материалов, но различной прочности и деформативности, и имеет значительные погрешности по сравнению с опытными результатами. Несмотря на многочисленные несогласованности опытных и теоретических результатов, получаемых по зависимости (2), она по-прежнему используется в нормах проектирования [2].
Результаты многих исследований [1,3-6], в том числе проведенных и авторами, убедительно свидетельствуют о том, что абсолютные деформации кладки AI состоят из нескольких составляющих: отдельных рядов камня Alk, растворных швов А1р и обмятия контактных прослоек между камнем и раствором А10. При этом деформирование различных видов кирпича и камней до исчерпания сопротивления кладки практически носит упругий характер, поскольку нормальные напряжения сжатия в них не превышают
30-60% предела прочности при их стандартных испытаниях на сжатие. Деформации различных видов кладочных растворов имеют явно упругопластический характер, в большей мере приближающийся к сложному трехосному пространственному состоянию сжатия, в результате чего раствор в горизонтальных швах достигает значительно большей прочности, чем при стандартных испытаниях в кубиках с ребром 7,07 см.
Деформации обмятия контактных прослоек раствора, являющиеся следствием его существенной неоднородности и неравномерности укладки в горизонтальных швах по длине кирпича и отсоса из него последним влаги, носят явно пластический характер, зависящий от уровня нагружения. Поэтому переменный секущий модуль деформаций кладки Е' имеет интегральный характер и зависит от деформаций материалов и количества их слоев. При
этом, наиболее значительной составляющей этих деформаций (70-75%) являются контактные обмятия раствора камнем. И чем меньше высота кирпича или камня, чем больше в кладке горизонтальных швов, тем деформации её больше. Абсолютные деформации кирпича, как показывают опыты, в зависимости от его высо-
ты находятся в пределах 9-12%, а раствора- 1316% от общей величины деформаций кладки.
Вышеизложенное позволяет представить абсолютную деформацию кладки при центральном сжатии нашей разработанной зависимостью:
А1=-
пАа
прЬра
— +—
Е 0(1 -Лквка / Як) Ер (1 -Ярвра/Яр)
+ шпр (а / Я )2.
(3)
Здесь показатели: п, ^ Я., E, X и 9 обозначают, соответственно, количество рядов и высоту, расчетное сопротивление и начальный модуль деформаций, коэффициенты пластичности и сложного пространственного НДС материала. При этом, с индексом «к» - для кирпича, а с индексом «р» - для раствора. Показатель "т" обозначает коэффициент обмятия горизонтального растворного шва при напряжении в 1,0 кг/см2 и для кирпичной кладки на сложных растворах равен 0,01.
Коэффициент пластичности материалов получен на основании энергетических принципов как отношение работы, затраченной на пластическое деформирование, к общей работе, пошедшей на разрушение материала при центральном сжатии. Для кирпича он равен
^=1/(2,5+0,05 Як), (4)
Для раствора коэффициент пластичности
Хр=1/(1.075+0,00075 Я). (5)
Коэффициент сложного пространственного НДС материала 9 на основании обработки результатов опытов принят нами для камня, изгибаемого и сжимаемого в кладке в вертикальном направлении и растягиваемого в поперечных направлениях более деформативным раствором, увеличенным относительного одноосного сжатия и равным 1,667, а для раствора, находящегося в условиях трехстороннего сжатия, уменьшенным и равным 0,333.
Для установления качественного соответствия и количественной оценки степени точности разработанного теоретического решения и аналитических зависимостей были проведены соответствующие машинные вычисления (численные эксперименты) абсолютных деформаций коротких образцов центрально сжатой кладки в диапазоне широкого изменения проч-13 • 6,5 • 29
ности камня (от М 50 до М 300) и раствора (от М 25 до М 200) в сопоставлении с данными опытов различных исследований [1,3-6] и результатами, получаемыми по [3]. Установлено, что разработанное решение дает качественно более правильные и количественно более точные результаты во всем диапазоне изменения прочностных свойств исследованных материалов.
В отличие от зависимости (1) разработанный аналитический аппарат дает дифференцированную оценку деформациям кладки в зависимости от вида, количества рядов, размеров и деформативно-прочностных свойств камня и раствора. Его использование в проектной практике позволит избежать многочисленных ошибок и повреждений отделки и стен зданий.
Точность разработанного решения может проиллюстрирована на примере опытного образца кладки из исследований С.А.Семенцова [4]. Так, для кладки поперечным сечением 38x38 см и высотой 100 см из глиняного кирпича марки М 150 на сложном растворе прочностью на сжатие 22 кг/см2 при напряжении а = 29 кг/см2 (0,9 прочности кладки) С.А.Семенцовым были установлены следующие значения абсолютных деформаций материалов: 0,4 мм для 13 рядов кирпича высотой по 65 мм; 0,3 мм для 12 рядов собственно раствора горизонтальных швов толщиной по 13мм и 2,1мм обмятия 12 растворных швов при общей абсолютной деформации образца 2,8 мм.
Используя опытные значения начальных
модулей деформаций: кирпича Ек = 63000 кг/см2 и раствора Е р = 25000 кг/см2, нетрудно убедиться в точности нашей зависимости (3):
А1=-
12 -1,3 • 29
+ 0,01-12-(29/22)2=
63000(1 - 0,1 • 1,667 • 29/150) 25000(1 - 0,90 • 0,333 • 29/22) =0,0402+0,0299+0,2085=0,2786см=2,79мм, что совпадает с результатами опытов С. А.
Семенцова, но существенно отличается от вели- ВЫВОДЫ
чины абсолютной деформации в 1,87мм, полу- 1. Основанное на наиболее достоверных
чаемой по (2). физических и строгих предпосылках разрабо-
танное теоретическое определение абсолютных
деформаций центрально сжатой кладки при кратковременном нагружении является наиболее общим и точным для коротких каменных элементов в широком диапазоне изменения прочностных свойств материалов - камня и раствора.
2. Аналитические зависимости разработанного теоретического решения являются несложными, в связи с чем могут быть рекомендованы для использования в проектной практике.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Онищик Л.И. Каменные конструкции. Стройиздат. 1939. 208 с.
2. СНиП П-22-81. "Каменные и армока-менные конструкции. Нормы проектирования", Госстрой России, М., 1999. - 39 с.
3. Поляков С.В. Длительное сжатие кирпичной кладки. Госстройиздат. М.,1959. 183 с.
4. Семенцов С.А. Некоторые вопросы прочности и проектирования крупнопанельных и каменных конструкций. М., 1969. С. 4-5.
5. Донченко О.М. Дегтев И.А. К развитию теории трещиностойкости и сопротивления кладки при сжатии // Известия вузов. Строительство и архитектура. №10. 2000. С. 16-20.
6. Дегтев И.А., Донченко О.М. Экспериментальные исследования деформирования и сопротивления кладки из силикатного кирпича на различных растворах при центральном сжатии // Строительные конструкции и инженерные сооружения. 1982. С. 3-11.
