Комплексные Конструкции

Комплексными называются конструкции, состоящие из каменной кладки и железобетона (рис. 1), работающих совместно до момента разрушения. Комплексные конструкции столбов и стен могут быть с внутренним железобетонным сердечником (рис. 1, а и б) или с наружным расположением железобетонных частей в пазах каменной кладки (рис. 1, в).

Возведение комплексных конструкций с внутренним железобетоном производят последовательно: сперва каменную кладку возводят на высоту 1,0-1,2 м, затем в оставленную в ней пустоту опускают арматурный каркас и после установки его производят бетонирование. Бетон применяют пластичной консистенции с тщательной укладкой его во избежание образования пустот. По окончании бетонирования первого яруса конструкции снова возводят каменную кладку на высоту следующего яруса 1,2 м и далее последовательность работ повторяют.

Большой недостаток такого способа возведения комплексных конструкций - затруднительность проверки качества железобетонного сердечника и необходимость постоянного контроля за особой тщательностью производства работ.

При устройстве комплексных конструкций в соответствии с рис. 1, в каменную кладку возводят полностью на всю высоту этажа; в процессе возведения кладки в нее заделывают хомуты, выступающие в оставленную для бетона штрабу. После окончания кладки устанавливают продольную арматуру и наружные боковые щиты опалубки и производят бетонирование. При таком способе производства работ легко обеспечить контроль качества железобетонных частей конструкции.

Рис. 1. Сечение элементов комплексных конструкций: а и б - столбы с внутренним железобетонным сердечником; в - столб и пилястра с наружным расположением железобетонных частей; 1 - железобетон; 2 - кирпичная кладка; 3 - поперечная арматура в кладке

При устройстве столбов с железобетонными сердечниками процессы кладки, установки арматуры и бетонирования должны быть строго взаимоувязаны; задержка одного из процессов ведет к остановке остальных. При наружном армировании выполнение кладки и железобетона не зависят друг от друга.

Комплексные конструкции могут быть рекомендованы:

• при необходимости возведения высоких стен и столбов, в которых применение продольной арматуры оказывается недостаточным; даже при возможности усиления таких конструкций продольной арматурой может оказаться более экономичным применение
• комплексных конструкций, так как расход арматуры при этом будет меньше, чем если применяется продольное армирование;
• во внецентренно сжатых стенах и столбах, особенно при значительном эксцентриситете;
• в перемычках, в поясах, фундаментных обвязочных балках и других конструктивных элементах, работающих на изгиб или растяжение.

Применение комплексных конструкций, предположительно, будет оправдано при вибрационных нагрузках и в сейсмических районах.

По своей несущей способности комплексные конструкции занимают промежуточное положение между каменными и армокаменными, с одной стороны, и железобетонными, с другой. В отдельных случаях они оказываются выгоднее железобетонных, так как требуют меньшего расхода арматуры и опалубки; кроме того, работы по возведению кладки и бетонированию можно производить одновременно, что создает возможность сокращения сроков строительства.

Комплексные конструкции применяют в основном при необходимости усиления кирпичной кладки.

Для сечений комплексных конструкций с кирпичной кладкой рекомендуются марки: кирпича - не ниже 75; раствора - не ниже 50; бетона - 100.

При конструировании вертикальных элементов следует придерживаться следующих правил:

• толщину защитного слоя во внутреннем железобетонном сердечнике делать не менее 4 см; при наружном расположении железобетонных частей - не менее 2,5 см;
• хомуты располагать через 3-4 ряда кладки; при наружном расположении железобетонных частей закладывать в кладку хомуты так, как показано на рис. 1, в;
• расстояние в свету между вертикальными стержнями арматуры делать не менее 2,5 см; диаметр растянутой арматуры принимать не менее 5 мм, сжатой - не менее 8 мм;
• передачу нагрузки на элементы комплексных конструкций обеспечивать по всему их сечению посредством железобетонных распределительных плит;
• стыки и анкеровку стержней производить так же, как и при продольном армировании.

Проведенные исследования комплексных конструкций показали:

• прочность бетона, твердеющего B кирпичной опалубке (как это имеет место в образцах комплексных конструкций) выше прочности бетона, твердеющего в деревянной и металлической опалубках, что объясняется явлением абсорбции влаги опалубкой; это повышение прочности особенно резко сказывается в раннем возрасте бетона (до 4-10 дней); явление ускорения нарастания прочности бетона в комплексных конструкциях свидетельствует о возможности более раннего их загружения по сравнению с конструкциями из обычных бетонов;
• использование несущей способности материалов комплексных конструкций может быть полным при условии, если при совместной работе они имеют одинаковые предельные деформации; в действительности бетон имеет меньшую предельную сжимаемость, чем кирпичная кладка, и поэтому при сжатии он разрушается раньше кладки, после чего напряжения в кладке быстро возрастают до предельных, и вся комплексная конструкция оказывается разрушенной.

Коэффициент использования кладки λ_исп (отношение напряжения в кладке, при котором разрушается бетон в сечении, к ее пределу прочности) зависит от ряда факторов и по опытам для кирпичной кладки составляет в среднем 0,8 (0,85). Если нагрузка приложена только к железобетонной части сечения, кладка мало влияет на величину разрушающей нагрузки и в среднем λ_исп=0,1. В связи с этим при проектировании комплексных конструкций необходимо особое внимание обращать на тщательность устройства распределительных плит для обеспечения равномерного загружения всего сечения. Опытами установлено, что предельная сжимаемость кладки из пильного ракушечника марки 7-15 на растворах марок 10-25 примерно соответствует предельной сжимаемости тяжелого бетона марки 50-70, поэтому для таких комплексных конструкций с наружным расположением бетона рекомендуется принимать λ_исп=1.

Приведенные выше значения коэффициентов λ_исп справедливы для таких элементов, кладка и бетон которых загружаются одновременно. В тех же случаях, когда бетонирование производят позже, чем загружение кладки, коэффициент использования кладки и бетона λ_исп, по-видимому, может отличаться от приведенного экспериментального: его следует установить посредством сопоставления участков кривых деформаций, где оба материала будут загружаться одновременно; если загружение бетона начнется при напряжениях в кирпичной кладке, составляющих не более 30% от ее предела прочности, то величину λ_исп можно не уточнять и принять равной 0,85;

• кладка и бетон в комплексных конструкциях вплоть до их разрушения (при условии доброкачественного бетонирования) работают совместно, что обеспечивается хорошим сцеплением кладки с бетоном; однако в некоторых опытных образцах с наружной железобетонной частью (хомуты в которых были установлены, как показано на рис. 2, а) первые трещины появлялись в швах между кладкой и железобетоном; для повышения несущей способности таких конструкций рекомендуется производить установку хомутов в соответствии с показанным на рис. 2, б; при одновременном продольном и поперечном армировании их рекомендуется выполнять, как показано на рис. 2, в;
• несущая способность центрально сжатых элементов комплексных конструкций в столбах малой гибкости с внутренним и наружным расположением железобетонной части одинакова при условии равной площади сечений и одинаковом качестве материалов; несущая способность внецентренно сжатых и гибких конструкций с наружным расположением железобетона при прочих одинаковых условиях больше, чем конструкций с внутренним расположением железобетона. Последнее объясняется тем, что в первом сечении более прочный материал (бетон и арматура) значительно больше удален от нейтральной оси, чем во втором (например, несущая способность столба сечением 51х51 см, состоящего из 1900 см2 каменной кладки, 700 см2 бетона и арматуры 4 см2, при наружном расположении железобетона почти вдвое больше, чем при внутреннем, если эксцентриситет равен 25 см). Таким образом и с точки зрения несущей способности элементам комплексных конструкций с наружным расположением железобетона следует отдать предпочтение;
• при осевом сжатии столбов малой гибкости поперечная арматура (рис. 1, б и 2, в) повышает несущую способность комплексных конструкций в такой же мере, как если бы производилось поперечное армирование кирпичной кладки.

Рис. 2. Привязка продольной арматуры в комплексных конструкциях с наружным расположением железобетонных частей: а - не рекомендуемый способ, б - рекомендуемый способ, в - рекомендуемый способ при наличии поперечной арматуры

Учитывая все вышеизложенное, расчет центрально и внецентренно сжатых элементов комплексных конструкций можно производить, исходя из следующих предпосылок:

• кладка и бетон работают совместно вплоть до разрушения; коэффициент использования кладки λ_исп=0,85; растянутая зона кладки и бетона в расчете не учитывается;
• в стадии разрушения в арматуре достигается предел текучести; в зависимости от величины эксцентриситета продольной силы расчетные пределы прочности кладки и бетона изменяются в пределах от R - призменной прочности бетона до Rи=1,25 R - предела прочности сжатию при изгибе.

Определение несущей способности сечения комплексной конструкции с кирпичной кладкой при осевом сжатии производят по формулам.