CC BY
188
К ВОПРОСУ ОБ ОБРАЗОВАНИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ТРЕЩИН
В КИРПИЧНЫХ СТЕНАХ
TO A QUESTION ON FORMATION OF TEMPERATURE CRACKS
IN BRICK WALLS
А.Г. Паушкин A.G. Paushkin
ГОУ ВПО МГСУ
На реальных примерах анализируются некоторые причины образования температурных трещин в стенах современных кирпичных зданий. Проводятся расчеты, учитывающие конструктивные особенности зданий и состав стен.
Some reasons of formation of temperature cracks in brick walls of modern buildings on real examples are analyzed. The calculations considering design features of buildings and structure of walls are carried out.
Как известно, кирпичные стены наиболее чувствительны к изменениям напряженного состояния и возникающие в них сквозные трещины, как правило, связаны с деформациями фундамента. Однако в ряде случаев во внешних стенах кирпичных зданий появляются трещины различной направленности, не связанные с неравномерными осадками или изгибом фундамента. Возникают эти трещины в отапливаемых кирпичных зданиях зимой при низких наружных температурах. Длина и ширина раскрытия таких трещин изменяется в зависимости от температуры внутри и снаружи здания. Появление этих трещин обусловлено некоторыми конструктивными особенностями, как самих зданий, так и составом и конструкцией кирпичных стен.
Так, например, при обследовании недавно построенного 4-х этажного кирпичного гаража были выявлены сквозные вертикальные трещины в самонесущих кирпичных торцевых стенах по центральной оси вблизи оконных проемов, в перемычках и над воротами. Раскрытие трещин неодинаково и достигло 0,5 см.
Здание гаража имеет форму прямоугольника, вытянутого в плане. Высота здания составляет 16 м, размеры в плане 84x31,5м. Высота этажей 3 м. Конструктивная схема здания - бескаркасная. Несущими являются три продольные стены. С торцов здания расположены самонесущие поперечные кирпичные стены. Между продольными и поперечными стенами по четырем углам здания выполнена перевязка. Стены не армированы. Кирпичные стены опираются на ленточные фундаменты. С внешней стороны здания к стенам примыкают лестничные клетки. Стены здания выполнены из силикатного кирпича марки М-100 на растворе М-100. Толщина стен 51 см (в 2 кирпича).
К конструктивным особенностям междуэтажных перекрытий следует отнести большую их длину - 15 м (суммарную длину перекрытия можно принять 30 м). Плиты перекрытия, выполненные из монолитного железобетона, опираются на несущие продольные стены.
ВЕСТНИК 4/2010
Наличие длинных мощных железобетонных перекрытий и жесткое соединение продольных и поперечных стен приводит к тому, что вблизи торцевых стен более теплые перекрытия (которые находятся во внутренней отапливаемой зоне) стремятся расшириться в поперечном направлении здания, а в тоже время, охлаждаемые наружным морозным воздухом торцевые самонесущие стены стремятся уменьшить свою длину, но им препятствует это сделать перевязка между внешними продольными и поперечными стенами, которая не дает торцевым стенам свободно деформироваться в горизонтальном направлении от температуры.
В зимний период, когда температура наружного воздуха достигает минус 30оС, а внутри здания поддерживается температура плюс 15°С, в торцевой стене возникают в горизонтальном направлении значительные растягивающие температурные напряжения.
Найдем расчетные характеристики кирпичной кладки из силикатного кирпича. Для кладки из кирпича М-100 на растворе М-100 по табл. 2 [1] расчетное сопротивление сжатию кладки Я = 1,8 МПа. Модуль упругости определим в соответствии с п.3.20-3.23 [1]. Определяем временное сопротивление сжатию кладки Ям=£Я=2-1,8=3,6МПа. С учетом коэффициента ползучести, принимаемого для силикатного кирпича равным трем, получаем значение модуля упругости: Е = 0,5Е0/3 = =0,5аЯм/3 = 0,5-750-3,6/3 = 450 МПа. Примем в дальнейших расчетах, что модуль упругости при растяжении равен модулю упругости при сжатии.
Определим приближенно величины напряжений и деформаций, которые возникают в торцевой кирпичной стене при условии полного запрещения в ней температурных деформаций (жестко защемленная по концам плита). Коэффициент линейного расширения кладки из силикатного кирпича по табл. 16 [1] а, = 1-10-5 град"1. При разности температур торцевой стены и плит перекрытий в 45°С в торцевой самонесущей стене в горизонтальном направлении возникают растягивающие напряжения о^Еа/^450-1-10^-45 = 0,20 МПа, величина которых превышает расчетное сопротивление кирпичной кладки при растяжении, равное 0,18 МПа (по табл. 11 [1]). Вблизи концентраторов напряжений (в углах оконных и дверных проемов) и по ослабленным сечениям может произойти разрыв кладки. После появления трещин нормальные напряжения в торцевой стене становятся равными нулю, а величина раскрытия трещин, при длине плиты перекрытия Ь = 30 м может достигать значений 5 = о-Ь/Е = 2,0-3000/4500 = 1,33 см. Конечно, трещины таких размеров отмечены не были, что можно объяснить тем, что полученный результат основан на предположении абсолютно жесткого соединения продольных и поперечных стен (что не совсем верно), к тому же обследование проходило, когда перепад температур уже не был таким большим (трещины закрылись).
На появление трещин в торцевых стенах влияет еще и тот факт, что центральная внутренняя продольная стена длиной 84 м, более теплая, чем две продольные наружные стены, расширяясь в продольном направлении, давит по оси на самонесущие торцевые стены, сдерживаемые по концам перевязкой. В результате этого воздействия они выгибаются наружу, образуя растянутую зону с внешней стороны.
Другим примером возникновения трещин от температурных воздействий является появление горизонтальных и вертикальных трещин во внешнем слое трехслойной кирпичной стены коттеджа в г. Болшево. 2-х этажный коттедж имеет размеры в плане 10,5x14,7 м. Конструктивная схема - бескаркасная, с внешними и внутренними стенами. Фундамент - свайный из железобетонных забивных свай, объединенных ленточным ростверком. Внешние несущие стены - облегченные, трехслойные, центральная
часть кладки заменена утепляющим материалом. Внутренний слой стены выложен в один кирпич из полнотелого глиняного кирпича, а внешний слой, толщиной в У кирпича - из семищелевого кирпича. Стены удовлетворяют новым повышенным требованиям к энергосбережению при относительно небольшой толщине. Для данного здания была использована колодцевая кладка, в которой две продольные стенки соединены между собой вертикальными диафрагмами (перевязка через ряд: пять ложков, один тычок, следующий ряд - кладка цепная без перевязки). Через десять рядов по вертикали имеется горизонтальная перевязка с прокладкой металлической сеткой. Диаметр арматуры сетки 2,5 мм с ячейкой 50 мм. Колодец между стенками имеет ширину 14 см и заполнен перлитом. Перекрытия выполнены из пустотных железобетонных плит, опирающихся на стены и на металлические двутавровые балки, передающие нагрузку на стены.
При визуальном осмотре обнаружены трещины в штукатурке внешнего слоя стены 2-го этажа и во внешнем слое стены 1-го этажа в ноябре, когда начался отопительный сезон. Трещины имеют преимущественно горизонтальное и вертикальное направление, проходят по всему периметру здания, включая его углы на уровне середины оконных проемов 2-го этажа. Ширина раскрытия горизонтальных и вертикальных трещин не превышает 0,2 см. Они стали заметны благодаря светлому штукатурному слою, нанесенному на внешнюю стену.
Рассмотрим, как могли появиться горизонтальные и вертикальные трещины. В процессе кладки температура с 2-х сторон стены была одинаковая, в то время как в отопительный сезон разница температур внутри и снаружи здания может достигать 60°С. При этом перепад температур совершается неравномерно, скачкообразно. Внешний слой стены, отделенный слоем теплоизоляции, промерзает полностью, а внутренний слой стены по всей толщине практически имеет температуру внутреннего помещения. При этом оба слоя жестко связаны горизонтальной и вертикальной перевязкой.
Определим величины температурных напряжений во внешнем слое стены при температуре с внешней стороны t = -35°С. Если принять, что температура внутри здания составляет +25°С, то перепад температур с внешней и внутренней стороны стены составит 60°С.
Примем марку кирпича М-100, марку раствора М-100. Тогда по табл. 2 [1] расчетное сопротивление сжатию кладки Я = 1,8 МПа. Модуль упругости определим в соответствии с п.3.20-3.23 [1]. Определяем временное сопротивление сжатию кладки Ям=£Я=2Т,8=3,6МПа. С учетом коэффициента ползучести, принимаемого равным 2,2, получаем значение модуля упругости: Е = 0,5Е0/2,2 = 0,5аЯм/2,2 = 0,5-1000-3,6/2,2 = =820 МПа. Примем в дальнейших расчетах, что модуль упругости при растяжении равен модулю упругости при сжатии.
Относительные температурные деформации наружного слоя стены в вертикальном и горизонтальном направлениях при полной возможности их реализации составили бы е = = 0,5'10"5-60 = 3,0'10-4. Если их запретить, то во внешнем слое стены возникнут растягивающие напряжения о = Ев = 820'3,0Т0"4= 0,25 МПа.
В соответствии с [1] (табл. 11) для марки кирпича М-100 расчетное сопротивление растяжению кирпичной кладки Я = 0,18 МПа. Температурные напряжения превышают расчетное сопротивление. Условие прочности не выполняется.
На самом деле внутренняя стена не полностью блокирует температурные деформации внешней стены, так как она обладает определенной податливостью, т.е. может сама деформироваться от действия внутренних сжимающих сил. Приближенную оценку напряженно-деформированного состояния трехслойной кирпичной стены мо-
ВЕСТНИК МГСУ
4/2010
жет дать решение статически неопределимой задачи, схема которой представлена на рис. 1. Внутренний слой (1) соединен с наружным слоем (2) посредством жестких связей по концам. Приравнивая их удлинения, получаем равенство N1l/EA1 + = N2l/EA2 + а,,21. Используя условие равновесия, записанное для вырезанной горизонтальным сечением нижней части N[+N2 =0, получаем растягивающее усилие в слое (1)
Еа, (г2 - О 4 4
©
©
i
N
©
®
Рис. 1
N =-
A + A
Такое же усилие, только сжимающее, имеет место во внутреннем слое (2).
В нашем случае площадь сечения слоя (2) оказывается примерно в четыре раза (учитывая пустоты в кирпиче наружного слоя) больше площади сечения слоя (2). При A2 = 4A1 растягивающие напряжения во внешнем слое будут равны 4/5 напряжений, которые были бы при полном запрещении температурных деформаций, т.е., а = N /А1= (4/5) EaAt = (4/5)- 820'0,5Т0~5'60 = 0,197 МПа. Однако и эта величина оказывается больше расчетного сопротивления кладки при растяжении. Условие прочности не выполняется.
Таким образом, возникающая в зимнее время разность температур внутри и снаружи кирпичного сооружения может привести при определенных условиях к развитию значительных температурных напряжений, результатом которых является образование трещин.
Литература
1. СНиП II-22-81 Каменные и армокаменные конструкции.
The literature
t
l
2
1. SNiP II-22-81 Kamennye i armokamennye konstrukcii.
Ключевые слова: трещины, кирпичные стены, температура, напряжения, деформации, внутренние усилия
Key words: Cracks, brick walls, temperature, stresses, deformations, internal efforts
129337, Москва, Ярославское ш., 26, МГСУ, тел. 8-905-556-28-20,
e-mail: [email protected]
Рецензент: Акимов Павел Алексеевич, д.т.н. профессор ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета
