Армирование Кирпичной Кладки

Несущая способность каменной кладки может быть повышена введением в нее более прочных материалов для совместной работы их с кладкой вплоть до момента разрушения.

Наиболее распространенный способ усиления каменной кладки - ее армирование. Существует два основных вида армирования кладки: поперечное армирование - для усиления несущей способности кладки только при работе на сжатие и продольное армирование - для усиления главным образом несущей способности кладки на растяжение. Также существует еще один вид усиленных каменных конструкций, так называемые комплексные конструкции, представляющие собой сочетание каменной кладки с железобетоном.

Для армирования кладки применяют сталь марки Ст. 0 или Ст. 3 в виде стержней круглого профиля. Может быть применена сталь и других профилей - квадратная, овальная и т. п. Для армирования каменных конструкций пригодна также обезличенная сталь (сталь, не имеющая заводских сертификатов). После производства испытаний она приравнивается к стали марки Ст. 0, если испытания показывают, что ее механические свойства не ниже установленных для этой марки стали.

Армированные кирпичные конструкции представляют собой кладку, усиленную стальной арматурой, которую укладывают на растворе в швы между кирпичами. Под действием сжимающих сил арматура зажимается в швах и благодаря силам трения и сцепления с раствором работает как одно целое с кладкой. Различают поперечное армирование, продольное и вертикальное армирование кирпичной кладки.

С целью повышения несущей способности каменных конструкций может быть выполнено продольное армирование кирпичной кладки, а также армирование путем укладки металлических сеток в горизонтальные швы. При этом Толщина швов должна быть не менее чем на 4 мм больше суммы диаметров пересекающейся арматуры.

Для армирования кирпичной кладки, как правило, используют сварные или вязаные сетки с прямоугольным или зигзагообразным расположением проволок (рис. 1). В сетках с прямоугольным расположением проволок диаметр их не должен превышать 4 мм, так как проволоки накладывают друг на друга и увеличение диаметра их приведет к увеличению толщины шва, что вызовет снижение несущей способности кладки. При зигзагообразном расположении проволок диаметр их должен быть не более 8 мм. Расстояние между проволоками в сетках устанавливают в проекте, но, как правило, оно находится в пределах 30…120 мм. По высоте столбов и простенков сетки укладывают в соответствии с растягивающими усилиями в кладке, но не реже чем через 5 рядов кладки. Сетки с прямоугольным расположением проволок устанавливают по одной, а сетки с зигзагообразным расположением - с тем же интервалом, но попарно в двух смежных рядах с перпендикулярным расположением проволок. Для облегчения контроля укладки сеток их размещают таким образом, чтобы концы отдельных проволок выступали на 2...3 мм на одну из внутренних поверхностей выложенной конструкции.

При возведении конструкций, воспринимающих растягивающие усилия от изгиба, внецентренного сжатия, динамическое воздействие, используют продольное армирование. Диаметр и число стержней устанавливают расчетом. Соединяют стержни сваркой, внахлестку без сварки или с помощью вязальной проволоки.

Из различных видов армированной кладки в настоящее время распространение получили преимущественно конструкции из кирпичной кладки, армированные железом, почему для этих конструкций вместо широкого названия «армокаменные конструкции» правильно было бы пользоваться термином «железокирпичные конструкции».

Если отказаться от исторической последовательности возникновения различных видов железокирпичных конструкций, а руководствоваться степенью актуальности отдельных видов конструкций и соображениями удобства их изучения, то можно предложить следующую последовательность рассмотрения главнейших железокирпичных конструкций:

• Столбы с сетчатым армированием.
• Столбы с продольным армированием.
• Железо-кирпичные балки.

Другие разновидности железокирпичных конструкций рассчитываются и конструируются аналогично указанным главнейших видам этих конструкции.

Косвенное армирование кирпичной кладки сеткой было предложено впервые проф. В. П. Некрасовы для усиления бетона. Сущность его заключается в том, что в бетонном массиве, например подферменном камне, укладываются перпендикулярно к направлению силы сетки из проволоки, назначение которых - препятствовать поперечному расширению бетона и тем повысить его прочность. Эксперименты подтвердили большую эффективность этого метода армирования.

В кирпичных конструкциях зданий встречаются случаи, когда требуется значительно повысить прочность кладки в отдельных сравнительно небольших участках, например простенках. Во всех этих случаях сетчатое армирование кладки, являющееся с производственной стороны наиболее простым видом усиления, может дать хорошее решение.

Проведенные лабораторией каменных конструкции ЦНИПС в 1936-1939 гг. обширные исследования показали, что ожидаемое при расчетах повышение прочности в основном подтвердилось и для кирпичных столбов; вместе с тем опыты выявили некоторую переоценку влияния отдельных факторов на результаты.

Решающим оказывается процент армирования p. Другие факторы (сечение столба и диаметр арматуры) настолько незначительно влияют на результаты, что при обычно применяемых размерах конструкции и диаметра проволоки этим влиянием можно пренебречь. Из обработки многочисленных опытов, обнимающих 300 столбов, была выведена следующая простая формула, в среднем учитывающая все многообразие факторов, от которых зависит работа кладки с сетчатым армированием:

R_АРМ=R+75p кг/см2

Здесь p - процент армирования (p/100=V_α/V_КЛ).

Формула показывает, что приращение прочности пропорционально количеству арматуры и что 1% армирования дает эффект в 75 кг/см2 дополнительной прочности в обычной прочности кладки. Деля на коэффициент запаса 3, мы получаем допускаемое напряжение на армированную кладку [σ]:

[σ]_АРМ=R_АРМ/=[σ]+25p кг/см2

Сущность способа сетчатого армирования кладки заключается в том, что в горизонтальных швах кладки на раствор укладываются изготовленные заранее сетки из тонкой проволоки или катанки и закрываются сверху раствором, на который укладывается следующий ряд кладки (рис. 1). Таким способом армирования удается весьма значительно поднять временное сопротивление кладки. При больших процентах армирования (от 1% и выше) можно повысить прочность кладки в 2 раза и довести ее почти до временного сопротивления кирпича.

Рис. 1. Сетчатое армирование кирпичных столбов

Характер разрушения кладки с сетчатым армированием существенно отличается от обычной кладки. Вначале, как и в неармированной кладке, появляются трещины в отдельных кирпичах. Это соответствует нагрузке в 60-75% от разрушающей. При дальнейшем увеличении нагрузки трещины развиваются медленно и характер их развития иной, чем в обычной кладке. В неармированной кладке трещины увеличиваются по высоте столба, соединяются вместе и раскалывают столб в продольном направлении. При сетчатом армировании развитие трещин по высоте преграждается сетками, поэтому получаются мелкие вертикальные и косые трещины на 1-2 ряда кладки. Зато количество трещин значительно больше. По мере роста нагрузки появляются все новые и новые мелкие трещины и наконец начинают откалываться наружные лещадки более разрушившихся кирпичей. Перед концом разрушения происходит при большом проценте армирования полное раздавливание отдельных кирпичей, а иногда и целых рядов кладки. До момента полного разрушения столба не наблюдается расслоения столба на отдельные стенки или столбики в ½ кирпича, как это всегда имеет место при разрушении неармированной кладки. Характер трещин и их расположение показаны на рис. 2 и 3. Здесь мы имеем полное раздавливание двух средних рядов кладки.

Рис. 2. Разрушение кладки с сетчатым армированием (на рис. показаны 4 стороны столба сечением 2x2 кирпича и высотой 1,16 м в момент разрушения)

Картина разрушения позволяет сделать следующие предположения о работе сеток в кладке. Первая стадия разрушения не отличается от таковой при отсутствии сеток, но сетки значительно отодвигают момент появления первых трещин. Описывая картину разрушения неармированной кладки, мы показали, что первые трещины возникают от изгиба и среза отдельных кирпичей вследствие неоднородности постели раствора. Арматура в швах кладки повышает сопротивление изгибу и срезу и этим повышает величину нагрузки, вызывающей появление первых трещин. Кроме того арматура препятствует поперечному расширению кладки и предохраняет столб от расслоения, и в этом, по-видимому, заключается главная причина значительного повышения прочности кладки. При достаточном армировании мы можем поднять нагрузку до того предела, когда начнется раздавливание кирпича на сжатие; этого нельзя добиться при неармированной кладке. Тензометры, поставленные на прутьях сетки, показывают, что в момент разрушения напряжения в арматуре доходят до 2000 кг/см2.

Рис. 3. Разрушение столба с сетчатым армированием

Проведенные в ЦНИПС исследования позволили выработать ряд указаний конструктивного характера для этих конструкций, а именно:

• Для защиты сеток от коррозии рекомендуется применять цементные растворы высоких марок, а именно: для наружных стен - марки 80 (1:3) и для внутренних стен и столбов - марки не ниже 50 (1:4).
• Полный эффект сетки дают при сравнительно частом расположении в швах кладки. Если сетки укладываются по высоте реже 22,5 см, т. е. реже чем через два шва на третий, эффективность армирования снижается. Поэтому целесообразны три случая расположения сетов: в каждом ряду, через ряд и через два ряда.
• Размер проволоки для сеток принимается в пределах от 3 до 6 мм. Меньшее сечение проволок дает также хороший эффект вкладке, однако с точки зрения коррозии арматуры тонкая проволока менее долговечна, чем более толстая. Размер проволоки больше 6 мм требует значительного утолщения швов, поэтому его следует избегать. В крайнем случае можно пойти на некоторое увеличение толщины проволоки (до 8 мм), но только при применении сеток особого вида - «зигзаг».
• Сетки применяются двух видов (рис. 1): обычная перекрестная сетка и сетка «зигзаг» (предложенная инж. Камейко). Обычная сетка при толщине проволоки (5-6 мм) вызывает утолщение шва против нормального и кроме того в местах пересечения создает жесткие узлы в швах, вызывающие местные перенапряжения в кирпиче и его раскалывание. Таким образом обычные сетки могут эффективно применяться при тонкой проволоке до 5 км включительно. Сетки «зигзаг» по своей идее представляют собой расчленение обычной сетки на две, укладываемые в соседних швах. В каждой из этих сеток арматура идет в направлении, перпендикулярном предыдущему. Отсутствием узлов следует объяснить некоторое повышение прочности кладки сравнительно с обычными сетками при том же расходе арматуры. Некоторым недостатком сеток «зигзаг» является удвоение операций каменщика по их укладке, поэтому при тонкой проволоке до 4 мм включительно предпочитают обычные сетки, а сетки «зигзаг» следует применять при проволоке 5-6 мм и более.
• Размер ячеек в сетке рекомендуется не более 10х10 см. Сетка может сгущаться до получения требуемого процента армирования.

При соблюдении перечисленных условий вышеуказанные формулы достаточно точно для практических целей выражают влияние сетчатого армирования. Однако при высоких процентах армирования, когда прочность армирования кладки приближается к прочности кирпича R₁ эффективность сетчатого армирования начинает снижаться, и кривая прочности из прямой переходит в затухающую кривую. Поэтому формула применима только для случая, когда временное сопротивление армированной кладки не переходит за предел 0,9 R1 и следовательно допускаемое напряжение не выше 0,3 R₁. Отсюда можно получить максимальные проценты армирования:

[σ]_АРМ=[σ]+25p=0,3R₁;

p=(0,3R₁-[σ])/25

Максимальный процент армирования зависит от марки кирпича R₁. Для различных марок кирпича по вышеуказанной формуле получаем следующие максимальные проценты армирования:

• М75 - 0,48 %;
• М100 - 0,72 %;
• М125 - 0,96 %;
• М150 - 1,22 %.

Таким образом высокие проценты армирования целесообразно применять только при кирпиме высоких маров. Армирование выше 1% требует очень много проволоки и экономически нецелесообразно.

Отмеченные выше ограничения в размере ячейки сетки и расстояния между сетками определяют некоторый минимальный процент армирования, тем больший, чем больше диаметр проволоки.

Процент армирования при размере ячейки сетки с и расстоянии между сетками по высоте я может быть определен по следующей схеме (рис. 4). Призме кладки с объемом C²S соответствуют два отрезка проволоки длиной с каждый, объем которых при площади сечения F_α будет 2CF_α.

Отсюда получаем процент армирования:

p=2CF_α/C²S=2F_α/CS

Если примем максимальные значения S и C (S=22,5 см и C=10 см), то по вышеприведенной формуле получим минимальные возможные проценты армирования при различных диаметрах проволок:

• 3  мм - 0,066%;
• 4  мм - 0,11%;
• 5  мм - 0,18%;
• 6 мм - 0,25%.

Во многих случаях требуется небольшое повышение напряжений против допускаемых на неармированную кладку, и можно было бы ограничиться минимальным процентом армирования. С этой точки зрения при требуемых малых процентах армирования применение арматуры диаметром 5-6 мм невыгодно и предпочтение должно отдаваться более тонкой проволоке. К сожалению проволока 3-4 мм (так называемая телеграфная) на стройках дефицитна.

Рис. 4. Выделение призмы кладки CxCxS, приходящейся на один узел сетки для подсчета процента армирования.

Параллельно с прочностью армированной кладки в лаборатории каменных конструкций ЦНИПС были изучены упругие свойства новой кладки. Вследствие некоторого утолщения швов и меньшей плотности армированных швов, особенно при больших процентах армирования, модуль упругости по абсолютной величине несколько ниже, чем для неармированной кладки на том же растворе. Для решения некоторых вопросов, например продольного изгиба, приходится пользоваться отношением модуля упругости к временному сопротивлению α=E₀/R_АРМ.

Это отношение для армированной кладки при больших процентах армирования значительно ниже, чем для неармированной кладки, что получается отчасти за счет снижения E₀ и особенно - за счет повышения R_АРМ.

Из опытов установлено, что величина α=E₀/R_АРМ зависит от процента армирования р. В таблице на рис. 5 приводятся экспериментальные значения α.

Рис. 5. Начальные модули упругости для кладки с косвенным армированием

Величина α определяет влияние продольного изгиба при сжатии на снижение временного сопротивления. Коэффициент продольного изгиба φ является функцией α. Для неармированной кладки на цементных растворах α=1000. Коэффициент α на рис. 5 соответствует неармированной кладке на более слабых растворах. При малой гибкости коэффициенты φ разнятся незначительно. Но при больших гибкостях расхождение их становится значительным. Для примера рассмотрим влияние продольного изгиба при гибкостях l/d=10 и l/d=15 для различной степени армирования (таблица на рис. 6).

Таблица на рис. 6 показывает, что для гибких конструкций эффективность сетчатого армирования резко снижается с повышением гибкости. При высоких гибкостях (l/d=15 и выше) сетчатое армирование становится явно нецелесообразным.

Исследование продольного изгиба и внецентренного сжатия позволяет установить область целесообразного применения столбов с сетчатым армированием. Она охватывает сильно нагруженные столбы малой гибкости с нагрузкой, приложенной центрально или с небольшим эксцентриситетом. В этой области эффективность сетчатого армирования очень велика, особенно для кирпича высокой прочности. Применяя сетчатое армирование, можно повысить допускаемые напряжения на кладку в 2-2,5 раза. При сетчатом армировании кладки 1% армирования дает дополнительное допускаемое напряжение 25 кг/см2, тогда как в железобетоне - при коэффициенте запаса для колонн 2,2 и пределе текучести стали 2500 кг/см2 - 1% армирования дает дополнительное допускаемое напряжение:

∆σ=2500/(2,2*100)=11,3 кг/см2

Рис. 6. Влияние продольного изгиба при армирования сетками

Благодаря армированию кирпичная кладка повышает свою прочность и способна принимать на себя большие механические нагрузки. Армирование кладки выполняют с соблюдением следующих правил:

• кладочные швы в толщине должны превышать на 4 мм сумму диаметров уложенной арматуры при соблюдении средней толщины шва для данной кладки;
• при поперечном армировании столбов и простенков сетки изготавливают и укладывают так, чтобы не менее двух арматурных стержней, из которых сделана сетка, выступали на 2-3 мм на внутреннюю поверхность простенка или на две стороны столба;
• сетки прямоугольные или «зигзаг» укладывают не реже чем через пять рядов кладки, а при утолщенном кирпиче через четыре. Сетки «зигзаг» располагают в смежные ряды кирпичной кладки так, чтобы направление прутков в них было взаимно перпендикулярным;
• кладка кирпичных столбов выполняется без применения отдельных стержней;
• диаметр проволоки сеток для поперечного армирования кладки должен быть не менее 2,5 мм и не более 8 мм. При диаметре проволоки более 5 мм применяют сетку «зигзаг»;
• при продольном армировании стальные стержни арматуры следует соединять между собой сваркой. При устройстве стыков внахлестку без сварки концы стержней должны заканчиваться крюками и связываться проволокой на длине равной 20 диаметрам.