Каменная кладка значительно лучше сопротивляется действию сжимающих, чем растягивающих и скалывающих усилий, поэтому следует всегда стремиться к созданию таких условий работы для каменных конструкций, когда они испытывали бы главным образом сжимающие усилия.
Однако в практике строительства каменных сооружений встречаются случаи, когда кладка испытывает растягивающие или срезывающие воздействия. Осевое растяжение кладки встречается при проектировании каменных круглых резервуаров, силосов и т. п. Сопротивление растяжению при изгибе следует учитывать при расчете внецентренно сжатых элементов. Явление среза встречается при расчете перемычек, арок и т. п.
Сопротивление кладки растяжению и сдвигу зависит от прочности швов кладки; прочность шва в свою очередь определяется силами сцепления раствора с камнями. Различают два вида сцепления в зависимости от направления действия силы: нормальное сцепление (S), когда сила действует перпендикулярно плоскости шва, и касательное (Т), когда сила действует параллельно плоскости шва. Величины сил нормального и касательного сцеплений играют существенную роль во всех случаях, когда кладка может испытывать растягивающие, изгибающие или скалывающие воздействия.
Величины нормального и касательного сцепления в значительной степени зависят от возраста кладки. Известны случаи, когда при разборке старой кладки на цементных растворах швы оказались прочнее кирпича. Однако систематических экспериментальных испытаний прочности шва кладок в возрасте более 28 дней не очень много. Еще меньше данных о прочности шва в кладках, где используются естественные камни и искусственные бетонные камни.
Следует отметить, что сцепление раствора с камнями в горизонтальных и вертикальных швах неодинаково. Так, в вертикальных швах вследствие плохого заполнения их раствором и усадки раствора при его твердении сцепление ослабляется или совсем нарушается. Ввиду этого при расчете конструкции сопротивление вертикальных швов не учитывают.
В горизонтальных швах сцепление не нарушается, так как твердение и усадка раствора происходят при непрерывной осадке кладки.
Различают два случая работы кладки на растяжение, показанные на рис. 1. В первом случае при вертикальной растягивающей силе разрушение происходит по шву; силе растяжения кладки сопротивляется только нормальное сцепление шва с кирпичом. Этот случай называется растяжением по неперевязанному шву. Временное сопротивление для этого случая обозначается через R’’РАСТ и равно нормальному сцеплению:
R’’РАСТ= S=3/(1+25/R2) кг/см2.
Следует отметить, что осевое растяжение по неперевязанному шву в практике конструирования почти не встречается. Полученная величина RРАСТ имеет значение только для растянутой зоны при внецентренном сжатии и изгибе.
Во втором случае при горизонтальном действии силы сечение, по которому может произойти разрушение, проходит по швам и по целому кирпичу. Такой вид работы кладки называется разрушением по перевязанному шву и временное сопротивление растяжению обозначается через R’РАСТ. При слабых растворах и при прочных растворах в ранних возрастах разрушение происходит по штрабе. Как уже отмечалось, сопротивление вертикальных швов не учитывается и все сопротивление конструкции определяется сопротивлением горизонтальных швов срезу или величиной касательного сечения Т. Для определения величины сопротивления кладки разрыву по перевязанному шву необходимо подсчитать общую площадь всех горизонтальных швов в штрабе, по которой происходит разрыв, и эту площадь умножить на единичное сопротивление Т.
Рис. 1. Два случая растяжения кладки: а - растяжение по неперевязанному шву (І-І); б - растяжение по перевязанному шву (II-II)
Для приведения такого сложного расчета к расчету по обычному поперечному сечению F воспользуемся коэффициентом продольной перевязки μ, который представляет собой отношение средней глубины штрабы в высоте ряда кладки. Для цепной перевязки μ=1, для американской из целого кирпича μ=1,4. При выкладке забутки в американской кладке из половняка принимается также равных единице. Пользуясь коэффициентом μ, можно в каждом ряду площадь горизонтальных швов, по которым происходит срез кладки, выразить через поперечное сечение одного ряда кладки, умноженное на коэффициент μ, а суммарную площадь всех горизонтальных швов F’, которые срезаются при разрыве, через μF, где F - поперечное сечение кладки. Тогда разрушающая сила Q выразится так:
Q=μFT
Деля ее на F, получаем среднее временное сопротивление растяжению кладки по перевязанному шву R’РАСТ:
R’РАСТ=μT=2μS
Для кирпичной кладки, в которой не предъявляется специальных требований о применении только целого кирпича, принимаем μ=1 и получаем:
R’РАСТ=2S=6/(1+25/R) кг/см2
Для других видов кладки устанавливается своя величина μ как отношение глубины зуба штрабы в высоте ряда кладки. Осевое растяжение кладки по перевязанным швам встречается на практике в работе круглых кирпичных и каменных резервуаров, силосов и т. п.
При работе кладки из слабого кирпича на разрыв по перевязанному шву может оказаться слабым местом не ступенчатый шов, а кирпич. Сопротивление на разрыв кирпича составляет ⅓ RИЗГ по табл. 3. В сечении кладки по перевязанному шву, если исключить через ряд вертикальные швы, почти не создающие сопротивления разрыву, мы получим, что работающее на разрыв сечение кирпича составляет 1), всего сечения. Отсюда получаем временное сопротивление кладки растяжению по кирпичу вдвое меньше сопротивления разрыва отдельного кирпича. Это дает
R’’’РАСТ = ⅙ RИЗГ
При работе кладки на изгиб (показанное на рис. 2) и на внецентренное сжатие при больших эксцентриситетах происходит разрушение в растянутой зоне. При этом временное сопротивление, так же как и при осевом сжатии, определяется сцеплением раствора с камнем и, следовательно по величине не должно отличаться от выведенных выше значений. Однако при расчете на изгиб, ввиду того что кладка не следует закону Гука, мы получаем криволинейную эпюру напряжений и, следовательно обычные формулы сопротивления материалов неприменимы без соответствующих поправок. Пользуясь формулами сопротивления материалов, мы получаем большую, чем в действительности, величину напряжений. Таким образом мы должны или ввести поправочный коэффициент в формулы для определения напряжений при изгибе, или же, пользуясь формулами без поправочного коэффициента, ввести условное повышенное сопротивление и соответствующие ему допускаемые напряжения при изгибе.
Рис. 2. Испытание кирпичной кладки на изгиб
Нормы составлены до второму принципу, т. е. имеют две группы допускаемых напряжений: действительные для осевого растяжения и условные повышенные для изгиба и внецентренного сжатия. Среднее значение поправочного коэффициента составляет 1,7. В нормах в запас прочности поправочный коэффициент принят 1,5.
Разрушение кладки от главных растягивающих напряжений при изгибе происходит по косому направлению по ступенчатой трещине. Временное сопротивление скалыванию RГЛ, при изгибе имеет среднюю величину между S и T и принимается по формуле:
RГЛ=(S+T)/2=1,5S
Ввиду малой надежности работы кладки на растяжение по неперевязанному шву мы во всех случаях должны обеспечить определенный запас прочности и устойчивости конструкции также и на случай полного нарушения сцепления раствора с камнем. Подробнее об этом говорится в третьем случае внецентренного сжатия.
При осевом растяжении кладки в зависимости от направления силы по отношению к швам кладки различают два случая:
- если усилия направлены перпендикулярно к горизонтальным швам (рис. 3, а), то разрушение происходит по неперевязанному сечению кладки и сопротивление кладки обусловливается силами нормального сцепления камней с раствором;
- если усилия направлены параллельно горизонтальным швам кладки (рис. 3, б), то разрушение происходит по перевязанному сечению, т. е. по штрабе кладки или по сечению, проходящему через швы и целые камни кладки.
Рис. 3. Различные случаи работы кладки: а - растяжение по неперевязанному сечению; б - растяжение по перевязанному сечению; в - изгиб по неперевязанному сечению; г - изгиб по перевязанному сечению
При слабых растворах и прочных камнях, например, для кирпича марок 50 и выше и растворов марок ниже 25, разрушение происходит по штрабе и определяется силами касательного сцепления, при этом сопротивление вертикальных швов не учитывают.
При растяжении кладок из слабых камней разрушение по перевязанному сечению может произойти не по штрабе, а по целым камням; в этом случае несущую способность сечения определяют сопротивлением камней разрыву. Рабочее сечение кладки по исключении вертикальных швов будет равно ½ полного сечения. Для кирпичной кладки (с учетом того, что для кирпича сопротивление разрыву составляет ⅓ сопротивления растяжению при изгибе) предел прочности при разрыве по перевязанному сечению принят равным приблизительно ⅙ от соответствующего значения предела прочности кирпича на растяжение при изгибе.
Кладочные швы имеют прочность определяющую нормативные сопротивления кладки растяжению и сдвигу, которая зависит в значительно большей степени, чем при осевом сжатии, от ряда факторов, не характеризуемых марками камня и раствора; к таким факторам в первую очередь следует отнести консистенцию раствора, скорость водопоглощения камней, пластичность раствора, состав раствора, связующую способность вяжущего и т. д.
Значения нормативных характеристик, приведенные на рис. 4, действительны для нормальных условий образования шва. Поэтому в случаях, когда прочность или устойчивость конструкции обусловлена значениями нормативных сопротивлений растяжению или сдвигу, следует дополнительно указывать мероприятия, обеспечивающие достижение этих величин; в первую очередь необходимо обеспечить: благоприятные условия твердения раствора, чистоту постелей камней, достаточную пластичность раствора, заполнение вертикальных швов кладки жидким раствором и т. п.
Рис. 4. Предел прочности (нормативное сопротивление) кладки из камней всех видов в кг/см2 на растяжение, срез и главные растягивающие напряжения при разрушении кладки по швам в возрасте 28 дней. (Примечания: 1. Пределы прочности (нормативные сопротивления) отнесены ко всему сечению разрыва или среза кладки (включая швы, находящиеся в плоскости сечения). 2. Для кладки из камней правильной формы при отношении глубины перевязки к высоте ряда кладки менее единицы пределы прочности кладки на растяжение при изгибе по перевязанным сечениям понижают путем умножения их на коэффициент, равный этому отношению. 3. При применении цементных растворов величины в данной табл. понижаются на 25%, а для кладок из дырчатого и щелевого кирпича повышаются на 25%)
