Перемычки Над Проемами

Перемычками в зданиях называются участки кладки, перекрывающие оконные и дверные проемы в стенах. Наиболее старыми типами перемычек над проемами являются клинчатые и арочные перемычки (рис. 1), а еще наиболее распространенными считаются железобетонные перемычки и рядовые кирпичные перемычки.

Перемычки в каменных стенах делают: из того же камня, из которого ведется кладка стен (перемычки рядовые, клинчатые, арочные или армированные); железобетонные (преимущественно сборные брусковые). Выбор типа и размеры сечений перемычек определяют расчетом в зависимости от пролета, действующих нагрузок и вида кладки стены.

В стенах из монолитного бетона, из легкобетонных камней, а также из силикатного кирпича (в возрасте до 1 месяца со дня изготовления) для погашения усадочных напряжений необходимо на уровне перемычек прокладывать по периметру стен здания арматуру из нескольких стержней общей площадью сечения в каждом месте 2-3 см2. Эту арматуру совмещают с арматурой перемычки, если она делается в виде железокирпичной или рядовой.

В 1929-1930 гг. Институтом сооружений (проф. Гвоздев А. А.) были произведены испытания так называемых рядовых перемычек, сложенных горизонтальными рядами на прочных растворах. Эти испытания показали, что клинчатые перемычки не имеют преимуществ перед рядовыми в отношении прочности. Более того, оказалось, что клинчатые перемычки получают первые трещины при более низких нагрузках, и разрушающая нагрузка для них несколько ниже по сравнению с рядовыми перемычками.

С точки зрения производства работ рядовые перемычки значительно проще клинчатых. Поэтому они являются в настоящее время основным типом перемычек над проемами в нашей строительстве и почти полностью вытеснили клинчатые и арочные перемычки.

Недостатком рядовых перемычек является возможность отслаивания нижнего ряда при слабом сцеплении раствора с кирпичом. Для предупреждения такого отслаивания необходимо под нижним рядом кладки перемычки в растворе укладывать 4-5 прутков проволоки или 4-5 полос пачечного железа, которые должны поддержать нижний ряд кладки. Тем не менее при слабых растворах (ниже марки 30) происходят отслоение нижнего ряда и провисание его на проволоке. Достаточная гарантия против отслаивания нижнего ряда получается только при применении раствора марки 30 и выше. Если строительство не располагает достаточным количеством цемента для таких растворов и вынуждено применять более слабые растворы (марки 15 и ниже), то предпочтение должно быть отдано клинчатым перемычкам, в которых отдельные кирпичи плотно зажаты и тем самым гарантированы от выпадения. В современном строительстве иногда применяют клинчатые и арочные перемычки также по архитектурным соображениям для создания определенного рисунка фасада, если кирпичные стены не штукатурятся.

Рис. 1. Перемычки над проемами: а - клинчатые перемычки; б - арочные перемычки

Испытание прочности рядовых и клинчатых перемычек показало в основном сходную картину работы и разрушения этих двух видов перемычек. Характер разрушения показан на рис. 2. Вначале происходит отслаивание нижней части перемычки, поддерживающей балку, от верхней. Одновременно с этим появляется трещина под балкой в нижнем поясе кладки (I стадия разрушения). По мере увеличения нагрузки горизонтальная трещина развивается и спускается ступенчато вниз к опорам. Одновременно расширяется нижняя трещина, развиваясь кверху и обхода отдельные целые кирпичи (II стадия разрушения). Полное разрушение (III стадия) наступает от среза одной из опор пяты. Происходит смещение пяты и полное разрушение перемычки.

Рис. 2. Три стадии разрушения рядовой кирпичной перемычки под нагрузкой (цифрами обозначены величины нагрузок, при которых возникли трещины).

Показания приборов, регистрирующих деформации, позволили установить вполне определенно, как работает перемычка при различных стадиях нагрузки. В I стадии до появления первых трещин перемычка над проемом работает как балка. При этом в работе участвует не только нижняя часть перемычки под балками перекрытия, но и верхний пояс кладки, вовлекаемый в работу силами сцепления раствора с кирпичом.

В соответствии с увеличением нагрузки напряжения в горизонтальном шве под балкой возрастают, и, когда они превзойдут силы сцепления, происходит отделение нижней части перемычки от верхней. При этом момент сопротивления перемычки резко уменьшается, и нижняя часть не в состоянии выдержать всей нагрузки, вследствие чего одновременно появляется трещина в нижнем поясе.

На этом этапе работа перемычки переходит во II стадию. В этой стадии перемычка работает как арка. Разрушению средней части противодействуют главным образом силы распора, которые препятствуют продавливанию средней части перемычки вниз. По мере роста нагрузки распор увеличивается, опоры начинают давать некоторое упругое смещение, и трещина в нижнем поясе развивается.

Разрушение (III стадия) происходит тогда, когда распор преодолевает силы сцепления и трения в горизонтальном шве опоры и сопротивление растяжению верхнего пояса кладки и когда происходят разрыв верхнего пояса и смещение опоры. Различие в работе клинчатой и рядовой перемычек заключается только в том, что первая трещина в клинчатой перемычке получается при меньшей нагрузке и сразу развивается на всю высоту клина, так как отсутствует перевязка в клине.

Когда устройство перемычки над проемом выполнено на слабых растворах, особенно шлаковых, у которых сцепление с кирпичом незначительно, тогда картина разрушения может быть несколько иной. Тип стадии проходят так же, как описано выше. Но разрушение происходит не от среза пяты, а от отрыва всей перемычки, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Характер разрушения перемычки при недостаточном сцеплении кирпича с раствором

К концу II стадии оторвалась средняя часть перемычки непосредственно под балкой, а в I стадии открываются боковые участки, примерно под углом 45°, т. е. на ширине с каждой стороны, равной высоте перемычки, и наступает обрушение.

На основании описанной картины разрушения была разработана проф. Гвоздевым А. А. соответствующая схема расчета (рис. 4). Величина распора Н может быть определена по формуле:

H = M/(c-α).

Рис. 4. Схема расчета рядовой перемычки по стадии разрушения

Здесь М - изгибающий момент по середине сечения и α - расстояние от центра давления в среднем сечении до уровня приложения распора в пятах. Величина α была найдена из наблюдений за развитием трещин при различных растворах и затем была уточнена аналитически при обработке результатов испытаний. Для перемычек небольших пролетов (до 2,5 м) полученная из опытов величина α имеет следующие значения (таблица на рис. 5).

Рис. 5. Значения α для расчета рядовых перемычек

Разрушение перемычки над проемом наступает тогда, когда распор преодолевает сопротивление кладки срезу. Опыты показали, что величина площади среза имеет очень малое влияние на разрушающую нагрузку, так как распору сопротивляется не вся площадь шва кладки равномерно, а преимущественно ближайшие в перемычке участки. Разрушение происходит постепенно от волокна к волокну, постепенным выключением из работы разрушившейся части шва. Таким образом здесь приходится говорить не о сопротивлении срезу кладки на единицу площади шва, а на погонную единицу ширины стены. Опыты показали следующее погонное сопротивление срезу кладки qcр в зависимости от марки раствора:

Марки раствора:

• R₂≥15 к/см - 42 т/м,
• R₂<15 - 27 т/м.

Принимая для перемычек 3-кратный запас прочности, мы должны их так проектировать, чтобы распор был в три раза меньше сопротивления шва срезу по толщине стенки d:

Н≤(q_cpd)/3.

Пользуясь формулой, получаем выражение для максимального момента, который можно допустить в перемычке:

M≤(q_cp(c-a)d)/3.

Подставляя соответствующие значения qcp и α, мы можем для каждого конкретного случая рассчитать перемычку по изгибающему моменту. При слабых растворах, особенно при шлаковых, требуется еще проверка перемычки на отрыв, поскольку, как мы отмечали раньше, возможен и такой случай разрушения. Сопротивлением вертикальных швов ввиду незначительности его мы пренебрегаем. На отрыв работают только горизонтальные швы. Принимая угол отрыва в 45°, получим горизонтальную проекцию, равную высоте перемычки с. Площадь отрыва по горизонтали F = cd. Сопротивление отрыву G = FS = dсS, где S - сила сцепления раствора с кирпичом. Поперечная сила Q должна быть меньше силы G с коэффициентом запаса 3:

Q ≤ dсS/3 = dc[σ]''раст.

В изложенном методе расчета предполагалось, что опора, на которой покоится перемычка, достаточно устойчива, чтобы воспринять распор от перемычки. Только в этом случае может произойти срез опоры. В средних перемычках здания, где простенки находятся под действием распоров от соседних перемычек, действующих в противоположные стороны, это условие всегда обеспечено. Таким образом для средних перемычек изложенный выше метод расчета применим в полной мере и не требует каких-либо коррективов. Что же касается крайних опор, то здесь погашение распора в большинстве случаев не обеспечено и требуется принятие специальных мер. Практика показывает, что в крайних перемычках очень часто возникают трещины вследствие неполного погашения распора даже при очень широких угловых простенках, равных высоте оконного проема.

Обычные методы расчета углового простенка на внецентренное сжатие и опрокидывание могут гарантировать простенок от разрушения, но не в состоянии предупредить появления трещин в перемычках, так как по произведенным экспериментам трещины возникают при очень малых смещениях опоры (0,5-1,0 мм). При расчете на прочность и устойчивость стен мы не проверяем величину деформации и допускаем значительно большие деформации по сравнению с теми, при которых происходит появление трещин в перемычках.

Анализ работы отдельных элементов кладки, воспринимающих распор от крайних перемычек многоэтажного здания, приводит к следующим выводам при их устройстве:

• При одинаковых размерах перемычек в отдельных этажах и при одинаковых нагрузках в первую очередь разрушаются перемычки верхних этажей и затем последовательно идет разрушение от этажа к этажу.
• Распор в верхнем этаже воспринимается работой на растяжение верхнего пояса кладки над балками чердачного перекрытия и сопротивлением простенка боковому давлению.
• При отсутствии верхнего пояса кладки или недостаточной его мощности на растяжение все боковое давление должно восприниматься сопротивлением простенка, причем упругое перемещение его должно быть ограничено величиной, гарантирующей н от возникновения трещин в перемычках.
• Ввиду того что надежность работы на растяжение кирпичной кладки в большой степени зависит от качества работы, необходима проверка устойчивости и прочности бокового простенка на случай появления трещины от распора во всех перемычках. Опасное сечение находится на уровне подоконника нижнего этажа.
• В случае, если конструкции кладки недостаточны для того, чтобы воспринять распор при принятой допустимой величине деформации, ставятся в крайних перемычках затяжки по расчету. Это относится к большинству случаев зданий с угловыми простенками обычной ширины.

На основании опыта многолетнего применения перемычек клинчатых, арочных и рядовых может быть сделан ряд практических указаний по их применению и конструированию.

Рекомендуемые предельные пролеты перемычек, рассчитываемых и конструируемых по изложенным выше методам, указаны в таблице на рис. 6.

При пролетах, превышающих величины, указанные на рис. 6 арочные перемычки должны рассчитываться как арки.

Если в перемычке устраиваются гнезда для опирания прогонов или балок, то расстояние от низа гнезда до низа перемычки должно составлять: при пролете перемычки 2,25 до 1,5 м - не менее 5 рядов кладки (38 см), при пролете более 1,5 м - не менее 6 рядов кладки (45 см), не считая надоконной четверти.

Конструктивная арматура из проволоки или пачечного железа в рядовых перемычках для предупреждения выпадения отдельных кирпичей укладывается в раствор на опалубку в нижнем шве кладки в количестве не менее одного стержня на каждые полкирпича толщины стены с общей площадью сечения не менее 1,5d см2, где d - толщина стены в метрах.

Устройство перемычек рядовых, клинчатых и арочных не допускаются в зданиях с большими вибрациями от неуравновешенных машин. В этих случаях применяется железо-кирпичные перемычки или перемычки по металлическим или железобетонным балкам.

Рис. 6. Рекомендуемые предельные пролеты перемычек в м в зависимости от марки раствора

Стандарт распространяется на сборные железобетонные перемычки, предназначаемые для перекрытия оконных и дверных проемов, которыми располагает стена из кирпича в жилых и гражданских зданий. Перемычки в зависимости от формы поперечного сечения делятся на брусковые и плитные. На рис. 7 и 8 приведены два типа перемычек:

• тип Б - брусковые перемычки, несущие нагрузку только от собственного веса и кладки над ними;
• тип БУ - брусковые перемычки, несущие дополнительную нагрузку от междуэтажных перекрытий и других элементов здания.

Рис. 7. Перемычки для кирпичных стен жилых зданий

Перемычки должны изготовляться из бетона марки 150 и иметь гладкие ровные поверхности, без трещин и обнаженной арматуры. Нижние и боковые грани перемычек должны быть подготовлены под окраску без дополнительной отделки.

Рис. 8. Перемычки для кирпичных стен гражданских зданий

Допускаемые отклонения от размеров перемычек, установленных стандартом, не должны превышать:

• по длине ±5 мм;
• по ширине ±3 мм;
• по высоте ±3 мм.

По показателям внешнего вида на поверхностях перемычек допускаются следующие отклонения:

• искривления поверхностей и ребер не более 3 мм на всю длину перемычки;
• раковины диаметром до 10 мм и глубиной до 5 мм в количестве не более двух на 1 пог. м перемычки;
• местные наплывы и неровности бетона высотой не более 5 мм;
• околы ребер шириной не более 8 мм, длиной не более 50 мм в количестве не более одного окола в поперечном сечении перемычки.

Рис. 9. Прогоны и тавровые балки

Если сила тяжести перекрытий передается на стену непосредственно над проемом, применяют несущие сборные железобетонные перемычки. Если такой нагрузки нет, для перекрытия проемов шириной менее 2 м применяют железобетонные ненесущие или рядовые кирпичные перемычки в виде кладки на растворах повышенной прочности с арматурными стержнями, которые поддерживают кирпичи нижнего ряда.

Вместо рядовых иногда делают клинчатые и лучковые перемычки, которые служат в то же время архитектурными деталями фасада. При пролетах до 3,5...4 м возводят арочные перемычки. Кладку такого типа используют и для устройства сводчатых перекрытий (сводов).

При кладке перемычек все продольные и поперечные кладочные швы целиком заполняют раствором, так как такая кладка работает не только на сжатие, но и на изгиб. При слабом заполнении раствором вертикальных швов под влиянием нагрузок сначала происходит сдвиг отдельных кирпичей, а затем разрушение кладки.