Сооружения из естественного камня являются самым древним видом строительства, так как начало применения естественного камня для этой дели отдалено от нашей эпохи десятками тысячелетий. К более позднему периоду, но также доисторическому, относится начало применения искусственного камня из глины вначале в виде высушенного на солнце сырцового кирпича, а потом и обожженного кирпича. Древнейшим памятником каменного строительства из сырцового кирпича считается сохранившаяся арка в портале гробницы в г. Уре в Халдее, достроенная примерно 6 000 лет назад.
Во все исторические времена и у всех народов естественный камень и кирпич были основными строительными материалами для каменного строительства. Некоторые из знаменитых египетских пирамид построены из сырцового кирпича и облицованы естественным камнем. Сохранилось большое количество выполненных из камня и кирпича великолепных памятников архитектуры древней Греции и Рима, средних веков и более поздних периодов.
В современном строительстве, несмотря на широкое применение металлических и железобетонных конструкций, каменная кладка из искусственного камня продолжает оставаться основным материалом для стен капитального строительства. При этом каменные стены не только служат наружным ограждением сооружений, но часто используются и как несущие конструкции.
Область применения кирпичных несущих стен у нас весьма велика. Основными причинами этого являются некоторые ограничения в расходовании металла для строительства зданий и отсутствие эффективных стеновых материалов высокого качества для каркасных конструкций.
Применение каменных конструкций для капитального строительства определяется также высокой стойкостью каменных материалов против атмосферных и химических воздействий. Эти же обстоятельства имеют своим следствием широкое использование естественного и искусственного камня для подземных сооружений: фундаментов, тоннелей, колодцев, труб, коллекторов, подпорных стен и т. п.
Каменные конструкции, применяемые в современном строительстве, могут быть для изучения разбиты на две основные группы:
- конструкции зданий гражданских и промышленных;
- конструкции специальных сооружений промышленности и транспорта.
Конструкции зданий, по объему применения являются преобладающими в строительстве. Вторая группа каменных конструкций, обширная по номенклатуре, но значительно уступает первой группе по объему применения. К этой группе относятся каменные фабричные дымовые трубы, силосные башни, резервуары, подпорные стены, тоннели, коллекторы и т. п.
В свою очередь каменные конструкции зданий подразделяются на две группы:
- конструкции гражданских зданий;
- конструкции промышленных зданий.
Хотя между этими группами зданий с точки зрения конструирования и нет резкой границы, так как некоторые промышленные здания по конструкциям и статической схеме не отличаются от гражданских, тем не менее если не считаться с переходной группой зданий и рассматривать основные типы, то можно констатировать расхождение главным образом в отношении общей статической схемы здания в целом.
Здания гражданского типа обычно имеют большое количество поперечных стен и перекрытий, которые служат опорами для стен при горизонтальной нагрузке и позволяют рассматривать все здание как систему пространственно связанных между собой пластин, создающих большую устойчивость и пространственную жесткость здания.
В промышленных зданиях мы имеем большие высоты стен между перекрытиями и большие пролеты между поперечными стенами. Взаимное опирание стен в этих зданиях не может обеспечить их устойчивость при действии ветровой нагрузки. Необходимо, чтобы устойчивость стен была обеспечена их весом и заделкой в грунт.
Из различных каменных материалов, применяемых в строительстве зданий, преобладающее место занимает красный кирпич. Этот материал далеко не во всех отношениях отвечает современным требованиям как материал для стен. Основным недостатком его является большой объемный вес и, следовательно высокая теплопроводность, требующая большой толщины наружных стен.
Другим недостатком является мелкоштучность кирпича, исключающая возможность механизации процесса кладки. Скорость роста кладки в настоящее время может быть доведена в среднем по всему периметру до 1 м высоты в смену и более.
В результате этого кирпичная кладка относится сейчас к таким работам, которые не задерживают темпов скоростного строительства. Быстрым темпам кирпичной кладки способствуют простота и однородность производственного процесса. Правильная организация кирпичной кладки не представляет затруднений для строителей. Все эти производственные достоинства кирпичной кладки создают предпосылки для широкого применения кирпичной кладки, и на сегодня кирпич является основным материалом для капитального строительства.
В дополнение к кирпичу все большее применение находят искусственные камни на базе бетонов с легкими заполнителями, главным образом шлаками. Эти материалы применяются в виде мелких и крупных блоков.
Последний вид материала - крупные блоки - разрешают задачу индустриализации каменного строительства. Блоки изготовляются на хорошо оборудованных заводах. На наружную поверхность блоков наносится отделочный слой. В результате этого каждый блок представляет собой вполне законченный участок стены, и производственный процесс на стройке сводится к монтажу стен из готовых блоков.
Крупные блоки пока занимают очень небольшое место в нашем строительстве, что объясняется трудностями освоения этого вида строительства и создания для него производственной базы.
Значительно проще организация производства мелких блоков. Многие районы имеют огромные запасы сырья (шлака) для этих блоков, тем не менее объем производства их еще далеко недостаточен. Внедрению их препятствует высокая стоимость мелких блоков при кустарном их производстве. Для разрешения этой проблемы должна быть взята установка на организацию хорошо механизированных предприятий по изготовлению бетонных камней с достаточно большим объемом производства. Только при этих условиях кладка из мелких блоков может экономически конкурировать с кирпичной кладкой и вытеснить ее.
Естественный камень тяжелых пород в современном строительстве находит повсеместное применение в фундаментах в виде бутовой кладки. Этот вид кладки по трудоемкости, кустарному характеру производства и высокой стоимости не отвечает современным требованиям. В дальнейшем бутовый камень сохранится только как местный материал. В фундаментах он будет вытеснен в основном бетоном. Широкое применение начинает получать промежуточный вид кладки между бутом и бетоном, так называемый бутобетон.
Кладка из естественного камня правильной формы (имевшая широкое применение в прошлом) обладает очень высокими техническими качествами. Однако трудность обработки естественного камня и высокая стоимость такой кладки привели к тому, что этот вид кладки при строительстве зданий в настоящее время уже не находит применения. Естественный камень применяется в небольшом объеме для облицовки некоторых зданий, где предъявляются повышенные требования к их архитектурному оформлению. Но и здесь в последнее время отдается предпочтение искусственным облицовочным материалам как более дешевым.
Из других видов естественного камня в южных областях России имеют широкое применение для кладки стен местные легкие породы камня: ракушечник и туф. Эти материалы имеют все предпосылки для дальнейшего более широкого их применения.
Таков краткий перечень основных видов кладки, применяемых для каменных конструкций зданий.
В последнее время большое внимание уделяется армированным каменным конструкциям. Начало их применения относится к весьма отдаленным временам. Основная идея этих конструкций заключается в повышении прочности кладки на растяжение путем введения в конструкцию металла для восприятия растягивающих усилий. Мы имеем полную аналогию с железобетоном. Можно считать железобетон частным случаем армокаменных конструкций.
Основной разновидностью собственно армокаменных конструкций кроме железобетона являются железокирпичные конструкции. Применение их надолго опередило применение железобетона.
Изобретателем железокирпичных конструкций является строитель Лондонского метрополитена Марк Брюннель, по предложению которого в 1813 г. была построена железокирпичная фабрично-заводская труба. Как известно, первый патент Монье на железобетон относится к 1867 г. В большом масштабе армированная кладка была применена Брюннелем при сооружении тоннеля под Темзой в 1825 г.
В дальнейшем железокирпичные конструкции применялись в Англии многими другими строителями.
В США первым крупным железокирпичным сооружением является резервуар для воды в Вашингтоне диаметром 36 м с высотой уровня воды 6 м, построенный в 1853 г.
Следует отметить, что железокирпичные конструкции в дальнейшем широкого развития не получили. Причину этого следует видеть в том, что как раз к данному периоду относится развитие новых железобетонных конструкций, которые произвели целую революцию в строительном деле.
Все внимание строителей и научно-исследовательских работников было сосредоточено на изучении этих новых конструкций. Однако в последнее время применение железокирпичных конструкций заметно возросло.
Большой интерес к железокирпичным конструкциям наблюдается в современном строительстве США. Лабораториями учебных заведений и других организаций проводятся обширные экспериментальные исследования работы различных железокирпичных конструкций.
В нашем строительстве в последние годы железокирпичные конструкции находят все более широкое разнообразное применение.
В 1931-1933 гг. в Москве был возведен ряд пятиэтажных домов с железо-кирпичным каркасом по предложению инж. Кучерова. В этих домах кирпичные столбы каркаса были связаны железокирпичными прогонами из кирпичной кладки на ребро.
К 1932 г. относится начало применения железо-кирпичных рандбалок, перекрывающих пролеты до 4-5 м между столбами фундаментов промышленных зданий. Такие рандбалки служат основанием для возведения стен.
Большая группа разнообразных армокаменных конструкции была предложена проф. В. П. Некрасовым. Из этих предложений в практике строительства применяются кирпичные столбы с сетчатым армированием.
Имеется ряд случаев, где применение железокирпичных конструкций безусловно более целесообразно, чем применение железобетона. Сюда относятся случаи усиления отдельных участков несущих кирпичных стен (перемычки, простенки и т. п.). Вкрапление железобетона в кладку в виде несущих колонн или балок крайне нежелательно прежде всего с точки зрения производства работ. Для выполнения этих конструкций приходится прерывать процесс кладки, переводить каменщиков на другое рабочее место, пока будет выполнен целый ряд работ: установка опалубки, укладка арматуры и бетонировка. Как мы уже отмечали, современной кирпичной кладке свойственны весьма быстрые темпы, и всякое вкрапление небольших железобетонных работ является крайне нежелательным, так как резко снижает темпы работы и вносит осложнения в простой производственный процесс кирпичной кладки. Железобетонные рандбалки, колонны, перемычки более уместны в зданиях с железобетонным каркасом. При железокирпичных конструкциях заготовленная на стороне арматура устанавливается на место самими каменщиками и закладывается кирпичной кладкой без нарушения производственного процесса.
В пользу железокирпичных конструкций говорит также большая эффективность арматуры при сетчатом армировании кирпичных столбов.
Расход кладки хотя и превышает расход бетона, во сравнительно в небольших пределах, так как напряжения в кладке с сетчатым армированием при применении прочного кирпича могут доходить до 30 кг/см2.
Если от конструкции требуются помимо прочности также и определенные теплотехнические показатели, то применение железобетонных конструкций связано с необходимостью их утепления, чтобы восполнить большую теплопроводность бетона. При железокирпичных конструкциях никаких конструктивных мер для утепления не требуется.
Конечно, область целесообразного применения железокирпичных конструкций имеет свои границы, определяемые особенностями этих конструкций, отмеченные далее в соответствующих разделах курса.
В каждом отдельном случае вопрос о преимуществе железобетонной или железокирпичной конструкции должен решаться на основе всестороннего анализа всех факторов.
Прогресс в конструировании каменных зданий происходил медленно на основе практического опыта прошлого строительства.
Серьезное экспериментальное изучение каменных и армокаменных конструкций в США и других странах началось после империалистической войны 1914-1918 гг.
В нашей стране, систематическое экспериментальное изучение каменных конструкций было начато в 1932 г. в ЦНИПС. На основе этих работ (1932-1939 гг.) изданы нормы проектирования каменных конструкций.
Расчет неармированных элементов по расчетным предельным состояниям
Конструкции каменных кладок рассчитывают по предельным состояниям. Расчет должен производиться:
- по первому расчетному предельному состоянию - по несущей способности (прочности и устойчивости) - для всех конструкций;
- по второму расчетному предельному состоянию - по деформациям - для конструкций, нормальная эксплуатация которых возможна лишь до определенных величин деформаций;
- по третьему расчетному предельному состоянию - по образованию или ограничению глубины раскрытия трещин - для конструкций, условия эксплуатации которых не допускают образования или требуют ограничения глубины раскрытия трещин.
Расчет производят на воздействие следующих нагрузок:
- по несущей способности - на расчетные нагрузки;
- по предельным деформациям - на нормативные нагрузки;
- по образованию или ограничению глубины раскрытия трещин - на расчетные нагрузки.
