Приведена методика и результаты экспериментальных исследований сопротивления каменной кладки из керамического кирпича срезу поперек горизонтальных растворных швов. Выявлены механизмы разрушения каменной кладки, получены значения пределов прочности кладки при срезе по перевязанному сечению, выполнен анализ полученных результатов.
The technique and results of experimental studies of the shear strength of ceramic brick masonry perpendicular to the horizontal mortar joints have been presented in this paper. The failure mechanism of brick masonry has been revealed, the values of ultimate shear strength of masonry have been obtained and experimental results have been analyzed.
ВВЕДЕНИЕ
Разрушение каменной кладки при срезе перпендикулярно горизонтальным растворным швам встречается сравнительно редко и имеет значение при расчете каменных конструкций в случаях неравномерной осадки оснований фундаментов, действии сейсмических нагрузок, расчете узлов сопряжения разнонагруженных стен. Случаи разрушения по перевязанному сечению могут также иметь место в каменном заполнении каркасно-монолитных зданий при перекосах ячеек каркаса, вызванных действием ветровой нагрузки, при прогибе дисков перекрытий.
В действующих нормах [1] расчет каменной кладки на срез по перевязанному сечению производится по формуле
(1)
где Rsq – расчетное сопротивление срезу по перевязанному сечению;
А – расчетная площадь сечения.
В формуле (1) расчетное сопротивление срезу по перевязанному сечению Rsq относится к площади кирпича или камня за вычетом площади сечения вертикальных швов.
ЕN 1996-1-1 [2] случая разрушения каменной кладки вследствие среза по перевязанному сечению не рассматривает и не содержит соответствующих прочностных характеристик. При этом в национальных приложениях к [2] многих стран, участников СЕN, приведены значения характеристической прочности каменной кладки при срезе перпендикулярно горизонтальным растворным швам fvvk (таблица 1).
Таблица 1. Значения fvvk кладки на растворе общего назначения согласно польскому национальному приложению [3]
| Группа кладочного элемента | fb | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Менее 5 | 5 | 10 | 15 | Более 20 | |
| 1 – за исключением автоклавного ячеистого бетона | – | 0,7 | 0,9 | 1,0 | 1,1 |
| 2 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | |
| 3 и 4 | 0,1 | 0,2 | |||
| Автоклавный ячеистый бетон | 0,1fk | ||||
Как следует из таблицы 1, характеристическая прочность кладки при срезе по перевязанным сечениям fvvk зависит от нормализованной прочности кладочного элемента fb и его формы (группа кладочного элемента). Для каменных кладок, выполненных из ячеистобетонных кладочных элементов, fvvk принимается равной одной десятой характеристической прочности каменной кладки при сжатии fk (см. таблицу 1) независимо от прочности камня. Расчетное сопротивление кладки срезу по перевязанным сечениям, установленное в нормах [1], определяется только прочностью камня при сжатии.
Сравнение расчетных значений сопротивления кладки срезу по перевязанным сечениям, приведенных в [1] и [3], показывает, что значения Rsq, принятые в [1] для камней прочностью более М100, примерно в 1,5–2 раза выше расчетных значений fvv, установленных в [3] для кладочных элементов 1 группы. Для кладочных элементов 2 группы Rsq выше fvv примерно в 5 раз, 3–4 групп – в 6–10 раз.
С целью оценки прочности каменной кладки при срезе перпендикулярно горизонтальным растворным швам были проведены испытания опытных образцов, изготовленных из керамического полнотелого кирпича.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В соответствии с [4] прочность кладки при срезе по перевязанным сечениям определялась путем испытаний образцов по схеме, приведенной на рис. 1.
1 – нагрузка; 2 – распределительная металлическая пластина; 3 – образец кладки; 4 – две плоскости среза; 5 – растворный шов; 6 – основание
Рис. 1. Схема испытаний прочности кладки при срезе по перевязанным сечениям
При данной схеме испытаний возникают не только касательные напряжения в плоскости среза, но и нормальные растягивающие напряжения, действующие перпендикулярно плоскости среза. В связи с этим, экспериментальная величина сопротивления кладки срезу может оказаться заниженной по сравнению с действительным ее значением. По этой причине испытания образцов выполнялись по односрезной схеме, предложенной в [5] (рис. 2).
а)
б)
1 – каменная кладка; 2 – плоскость среза Рис. 2: а – схема испытаний каменной кладки при срезе по перевязанным сечениям согласно [5]; б – общий вид опытного образца кладки
Характеристика опытных образцов кладки приведена в таблице 2.
Таблица 2. Характеристика опытных образцов кладки
| Серия | Номер образца | Форма и размеры образца, мм | Нормализованная прочность кирпича на сжатие fb по [6], МПа | Прочность кладочного раствора на сжатие fm, МПа |
|---|---|---|---|---|
| I | 1 |  | 44,1 | 10,9 |
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| II | 1 | 44,1 | 7,9 | |
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| III | 1 | 44,1 | 3,1 | |
| 2 | ||||
| 3 |
Для приготовления кладочных растворов использовалась сухая растворная смесь 1 (М100) заводского изготовления. Из данной растворной смеси путем изменения пропорций составляющих готовилась растворная смесь других прочностных показателей. Образцы кладки выполнялись из полнотелого одинарного керамического кирпича. Прочность на сжатие кирпича устанавливалась в соответствии с требованиями СТБ EN 771-1 [6] и ГОСТ 8462 [7], раствора – EN 1015-11 [8]. Кроме того, кирпич испытывался на срез по схеме, показанной на рис. 3.
а)
б)
1 – теоретическая плоскость среза
Рис. 3. Испытание кирпича на срез: а – схема испытания; б – характер разрушения
Прочность кирпича при срезе определялась по формуле
(2)
где Р – разрушающая нагрузка;
h – высота кирпича;
t – ширина кирпича.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
По результатам испытаний кирпича его прочность при срезе fBvсоставила 3,64 МПа (таблица 3).
Таблица 3. Результаты испытаний керамического кирпича на срез
| Номер образца | Размеры образца lхtхh, мм | Разрушающая нагрузка N, кН | Прочность при срезе fBvi, Н/мм2 | Среднее значение прочности при срезе fBv, Н/мм2 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 251х121х66 | 78,4 | 4,91 | 3,64 |
| 2 | 250х120х65 | 62,6 | 4,01 | |
| 3 | 249х120х65 | 51,3 | 3,29 | |
| 4 | 248х120х66 | 45,0 | 2,84 | |
| 5 | 248х122х65 | 50,2 | 3,17 |
Испытания опытных образцов каменной кладки показали, что во всех случаях разрушающая нагрузка оказалась выше, чем рассчитанная только по площади сечения кирпича. Данное обстоятельство свидетельствует о включении в работу при срезе по перевязанному сечению вертикальных растворных швов. Это подтверждается и характером разрушения опытных образцов. В образцах, выполненных на прочном растворе, можно отметить следующие механизмы разрушения:
– срез по плоскости, проходящей по вертикальным швам и среднему камню с разрывом верхнего или нижнего камней (рис. 4а);
– срез по плоскости, проходящей по контакту растворного шва и камня, а также по телу среднего и нижнего (или верхнего) камней без разрушения одного из вертикальных швов (рис. 4б);
– срез по плоскости, проходящей по вертикальным швам и среднему камню (рис. 4в).
Разрушающая нагрузка для образцов, изготовленных на растворе прочностью 7,9 и 10,9 МПа, составила около 50 кН.
Разрушение образцов, кладка которых выполнялась на растворе прочностью 3,1 МПа, происходило вследствие среза среднего камня и вертикальных растворных швов по плоскости их контакта с камнями. Разрушающая нагрузка для указанных образцов оказалась примерно в 1,4 раза ниже, чем у образцов, изготовленных на растворах прочностью 7,8 и 10,9 МПа. Результаты экспериментальных исследований опытных образцов каменной кладки приведены в таблице 4.
Рис. 4. Характер разрушения опытных образцов каменной кладки из полнотелого керамического кирпича
В таблице 5 приведено сравнение экспериментальных значений предела прочности каменной кладки при срезе по перевязанному сечению со значениями, полученными по нормам [1] и [3].
Таблица 4. Результаты экспериментальных исследований
| Номер образца каменной кладки | Средняя прочность кирпича при срезе fBv, МПа | Прочность кладочного раствора на сжатие fm, МПа | Площадь поперечного сечения А *, мм2 | Разрушающая нагрузка Ps, кН | Предел прочности каменной кладки образца при срезе fvvi, МПа | Среднее значение предела прочности каменной кладки при срезе fvv, МПа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| I-1 | 3,64 | 10,9 | 7800 | 44,8 | 5,7 | 6,1 |
| I-2 | 51,6 | 6,6 | ||||
| I-3 | 46,3 | 5,9 | ||||
| II-1 | 7,9 | 43,2 | 5,5 | 6,9 | ||
| II-2 | 67,4 | 8,6 | ||||
| II-3 | 50,5 | 6,5 | ||||
| III-1 | 3,1 | 33,0 | 4,2 | 4,6 | ||
| III-2 | 40,1 | 5,1 | ||||
| III-3 | 34,5 | 4,4 | ||||
| * А – площадь поперечного сечения кирпича за вычетом площади сечения вертикальных швов. | ||||||
Таблица 5. Значения предела прочности каменной кладки при срезе по перевязанному сечению
| Номер серии образцов каменной кладки | Нормализованная прочность кирпича fb *, МПа | Средняя прочность камня при срезе fBv, МПа | Прочность кладочного раствора на сжатие fm, МПа | Предел прочности каменной кладки при срезе | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Экспериментальный fvv, МПа | Согласно [1] Rsqu = 2Rsq, МПа | Согласно [3] fvv = fvvk/0,8, МПа | ||||
| I | 44,1 (25,9) | 3,64 | 10,9 | 6,1 | 2,0 | 1,38 |
| II | 7,9 | 6,9 | ||||
| III | 3,1 | 4,6 | ||||
| * В скобках указана прочность кирпича, установленная в соответствии с ГОСТ 8462 [7]. | ||||||
Из таблицы 3 следует, что прочность каменной кладки при срезе поперек горизонтальных растворных швов, определенная по нормам [1] и [3], оказалась существенно ниже значений, полученных экспериментальным путем. Более близкие к экспериментальным результатам дает расчет прочности при срезе по перевязанному сечению по нормам [1]. Тем не менее, полученные согласно [1] значения прочности оказались примерно в 2,4–3,5 раза ниже экспериментальных величин. Расчет прочности кладки при срезе по перевязанному сечению согласно нормам [3] дает результаты, заниженные в 3–5 раз относительно экспериментальных значений. Сопротивление кладки срезу, установленное по фактической прочности камней при срезе, оказалось также ниже экспериментальных значений (отношение экспериментальных значений прочности кладки к расчетным составило 1,3–1,9).
Разница экспериментальных и рассчитанных по нормам [1, 3] значений сопротивления каменной кладки срезу по перевязанному сечению у образцов, выполненных на растворе прочностью 7,9 и 10,9 МПа, была выше, чем у образцов, изготовленных на растворе прочностью 3,1 МПа.
Исследования каменной кладки, выполненной из керамического пустотелого кирпича и керамических поризованных камней, тоже показали значительную разницу экспериментальных значений сопротивления срезу по перевязанному сечению с данными, полученными по нормам [1, 3]. Экспериментальные значения прочности при срезе по перевязанному сечению для кладки из поризованных камней оказались в 1,8 раза выше, чем рассчитанные согласно [1], и в 13 раз выше, установленных согласно [3]. Прочность при срезе каменной кладки из пустотелого кирпича с объемом пустот 18 %, полученная на основании опытов, превышала рассчитанную по нормам [1, 3] в 2,6 и 3,5 раза соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующее заключение.
1 Расчет прочности каменной кладки при срезе по перевязанному сечению согласно действующим нормам [1] дает результаты, заниженные по сравнению с экспериментальными данными.
2 Характер разрушения опытных образцов каменной кладки свидетельствует о включении в работу при срезе вертикальных растворных швов.
3 Прочность кладочного раствора влияет на прочность каменной кладки при срезе по перевязанному сечению. Разница экспериментальных и расчетных значений прочности каменной кладки при срезе по перевязанному сечению увеличивалась с ростом прочности кладочного раствора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каменные и армокаменные конструкции: СНиП II-22-81*. – М.: Стройиздат, 1983. – 40 с.
2. Eurocode 6. Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten. Teil 1-1: Allgemeine Regeln fur bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk: ЕN 1996-1-1:2005. – 127 р.
3. Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych Czesc 1-1:Reguly ogolne dla zbrojonych I niezbrojonych konstrukcji murowych: PN-EN 1996-1-1: 2006. – 105 р.
4. Каменные и армокаменные конструкции. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, трещиностойкости и деформативности: СТБ 1376-2002. – Введ. 18.12.02. – Минск: Минстройархитектуры. – 12 с.
5. Malyszko, L. Modelowanie zniszcenia wkonstrukcyach murowych zuzglednieniem anizotropii / L. Malyszko. – Olsztyn: UWM, 2005. – 157 р.
6. Методы испытаний строительных блоков. Часть 1. Определение прочности при сжатии: СТБ EN 772-1-2008. – Введ. 01.01.09. – Минск: Госстандарт. – 9 с.
7. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе: ГОСТ 8462-85. – Введ. 18.01.1985. – М.: Госстрой СССР. – 7 с.
8. Методы испытаний строительных растворов для каменной кладки. Часть 11. Определение прочности затвердевшего строительного раствора при изгибе и при сжатии: EN 1015-11. – Введ. 07.08.1999. – СEN/ТС 125. – 18 с.