CC BY
34Донченко 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
asi@intbel.ru
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.
