Каменные конструкции

Лекция 1. Введение в курс «Каменные конструкции» 1.1. Общие данные В настоящее время наряду со строительством зданий и сооружений различного назначения с применением несущих сборных и монолитных железобетонных конструкций все более широко применяются каменные и армокаменные конструкции. Этому способствуют как большие запасы природных камней, так и материалов для искусственных камней и наличие развитой промышленности этих строительных материалов. Каменной кладкой называется материал, образованный из природных или искусственных камней, соединенных между собой раствором. Конструкции, выполненные из каменной кладки, называются каменными конструкциями. Каменная кладка обладает сравнительно высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей - при растяжении. Поэтому каменная кладка применяется преимущественно в случаях, когда в конструкциях она подвержена осевому сжатию или внецентренному сжатию при небольших эксцентриситетах. Каменные материалы при возведении различных строительных объектов применяются практически с самого начала существования людей на земле. Их применению в строительстве способствовало ограниченное количество или полное отсутствие лесов на территориях, с которых началось развитие цивилизации Месопотамия, Древний Египет, Индия, Китай, Древняя Греция, Древний Рим и др. Античная строительная техника достигла больших высот. С IV века до нашей эры в Риме стали строиться каменные сооружения - виадуки и водопроводные линии. У римлян также как и в этрусской и греческой архитектуре применялась кладка насухо, т.е. без прослойки связующим раствором. Ко II веку до н.э. сложилась новая технология возведения монолитных стен и сводов на основе раствора и мелкого камня - заполнителя. В древней Греции и Риме наряду с глиняным кирпичом в строительстве широко использовались известняк, песчаник, мрамор, материалы вулканического происхождения и др. На строительство храмов, дворцов, общественных и жилых зданий в Риме, как и в Греции, применялись сырцовый и обожженный кирпич. Опыт применения каменных конструкций в древности насчитывают большое количество исключительно интересных сооружений. К ним, например, относится Колизей в Риме (I в.н.э.) высотой 48,5 м, многоярусные акведуки в Сеговии (Испания, II в.н.э.), Гардский мост вблизи Нима во Франции, имевший высоту 49 м, Пантеон в Риме (II в.н.э.) высотой 42,7 м, покрытый куполом диаметром 43,5 м. В VI в.н.э. в Константинополе был построен Софийский собор с куполом диаметром 32,5 м. 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НАТУРАЛЬНОГО И ИСКУССТВЕННОГО КАМНЯ 2.1. Краткий исторический обзор и номенклатура каменных конструкций Практика строительства из камня значительно опережала развитие науки о каменных конструкциях. В XIX веке вместо расчета каменных конструкций на прочность и устойчивость был выработаны эмпирические правила возведения здания и сооружений. После 30-х годов XX века начались исследования работы каменных и армокаменных конструкций. Профессором Л.И. Онищиком были изучены физико-механические свойства каменных кладок, профессором Н.А. Поповым разработаны основы теории прочности раствора, а профессором В.П. Некрасовым - армокаменных конструкций, усиленных сетчатой арматурой. Каменные материалы и изделия можно классифицировать следующим образом: - для ручной кладки массой до 31 кг; - крупные блоки; - стеновые панели; - фасадные изделия. 2.2. Достоинства и недостатки каменных конструкций, влияние окружающей среды Каменная кладка обладает сравнительно высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей - при растяжении. Поэтому каменная кладка применяется преимущественно в случаях, когда в конструкциях она подвержена осевому сжатию или внецентренному сжатию при небольших эксцентриситетах. Достоинства:     надёжность; экологичность; пожарная безопасность; вандалостойкость. Недостатки:    вес; трудоёмкость; стоимость изготовления. 2.3. Материалы для строительных конструкций Номенклатура каменных материалов для каменных и армокаменных конструкций очень разнообразна и включает как искусственные, так и природные материалы. Каменные конструкции выполняют из глиняного кирпича, керамических камней, силикатного кирпича, камней и крупных блоков из тяжелых цементных и силикатных бетонов, бетонов на пористых заполнителях, ячеистых бетонов, из камней осадочных и вулканических горных пород (главным образом плотных известняков-ракушечников и туфов), крупных блоков и панелей, изготовленных на заводах или полигонах из кирпича, керамических или природных камней. На рис. 1 приведена общая схема применяемых для кладок каменных материалов. Кроме того, каменные материалы и изделия можно классифицировать следующим образом: - для ручной кладки массой до 31 кг; - крупные блоки; - стеновые панели; - фасадные изделия. Основной характеристикой каменных материалов, применяемых для несущих конструкций, является их прочность, характеризуемая марками. Марки камней означают их временное сопротивление (предел прочности) сжатию (кгс/см2) и предел прочности при изгибе. Временное сопротивление пустотелых камней определяется по площади брутто. Показатели прочности каменных материалов зависят от размеров и формы испытываемых образцов. Для различных видов каменных материалов размеры и формы образцов, а также методы испытаний регламентированы ГОСТами. Для кладки применяют марки камней прочностью от 0,4 до 100 МПа. К каменным материалам, применяемым для кладки наружных стен и фундаментов, предъявляются также требования по морозостойкости, водостойкости, форме, размерам, внешнему виду (для фасадных поверхностей). Проектные марки по морозостойкости каменных материалов для наружной части стен (на толщину 12 см) и для фундаментов (на всю толщину), возводимых в средних климатических условиях, в зависимости от предполагаемого срока службы конструкций, приведены в табл. 1. Рисунок 1. Каменные материалы, применяемые для кладки Таблица 1 - Требуемые марки каменных материалов по морозостойкости Вид конструкций Значения F при предполагаемом сроке службы конструкций, лет 100 50 25 1. Наружные стены или их облицовка в зданиях с влажностным режимом помещений а) сухим и нормальным 25 15 15 б) влажным 35 25 15 в) мокрым 50 35 25 2. Фундаменты и подземные части стен а) из кирпича глиняного 35 25 15 пластического прессования б) из природного камня 25 15 15 Степень надежности определяется по долговечности каменных конструкций. Установлены три степени надежности конструкций: I - со сроком службы не менее 100 лет; II - то же не менее 50 лет; III - то же не менее 25 лет. К каменным материалам и изделиям, применяемым при ручной кладке, относятся: кирпич трех видов - керамический (глиняный) одинарный и утолщенный полнотелый пластического прессования с размерами в плане 250x120 (288x138) мм, толщиной 65 и 88 мм; - силикатный одинарный и утолщенный (рядовой, лицевой, декоративный; - легковесный - включает самые разнообразные сорта кирпича, объединенные одним общим признаком - малой плотностью (р < 1500 кг/м3); к ним относятся кирпич пористый, трепельный, глинотрепельный, пустотелый, дырчатый, щлаковый и др. (рис. 1.2). Основные виды кирпича и их характеристики приведены в табл. 2. Рисунок 2. Кирпич глиняный пластического формования с пустотами: а - круглыми; б щелевидными; 1.. .7 - типа кирпича Таблица 2. Виды и характеристики кирпича Вид кирпича Плотность р, кг/м3 Марки Глиняный обыкновенный пластического прессования 1700-1900 50-300 То же, полусухого прессования Силикатный 1800-2000 1800-2000 75-200 75-200 Глиняный пустотелый (дырчатый, пористо-дырчатый) пластического прессования 1300-1450 50-150 Глиняный пустотелый полусухого прессования Не более 1500 75-150 Строительный легковесный (глиняный пористый и трепельный) 700-1450 35-100 Шлаковый 1200-1800 25-75 Керамический кирпич изготавливают способом полусухого прессования или пластического формования из глинистых и кремнеземистых пород и промышленных отходов и обожженных в печах. Одинарный и утолщенный кирпич может быть полнотелым (без пустот и с технологическими пустотами, объем которых составляет не более 13 %) и пустотелым. Марка кирпича по морозостойкости F15...F50. Условное обозначение керамических кирпичей, указываемое на рабочих чертежах, состоит из названия, вида, марки по прочности и морозостойкости, обозначения стандарта, например, К100/1/15/ГОСТ530-95 - кирпич керамический полнотелый одинарный марки по прочности 100, марки по морозостойкости F15, или КП-У125/25/ГОСТ530-95 кирпич керамический утолщенный марки по прочности 125, по морозостойкости F25. Силикатный кирпич изготавливают способом прессования увлажненной смеси из кремнеземистых материалов и извести или других известесодержащих вяжущих с применением пигментов и без них с последующим твердением под действием насыщенного пара в автоклаве. Кирпич может быть одинарным (толщина 65 мм) и утолщенным (толщина 88 мм), полнотелым и пустотелым. По прочности кирпич изготавливают марок 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а по морозостойкости марок F15, 25, 35, 50. В зависимости от назначения кирпич изготавливают рядовым или лицевым. Условное обозначение силикатного кирпича аналогично кирпичу керамическому. Например: СОР - 150/15 ГОСТ 379-95 - кирпич силикатный одинарный рядовой марки по прочности 150, марки по морозостойкости F15, или СУЛ-200/35 ГОСТ 37995 - кирпич силикатный утолщенный лицевой марки по прочности 200, марки по морозостойкости F35. Лицевые керамические и силикатные кирпичи изготавливают марки по прочности 75...300 (силикатного - марки не менее 125), а марки по морозостойкости F25...F50. По виду лицевой поверхности они подразделяются: - с гладкой лицевой поверхностью; - с рельефной лицевой поверхностью; - с офактуренной лицевой поверхностью. Водопоглощение лицевых кирпичей составляет 6-28 % в зависимости от применяемых для изготовления материалов. Раствор для кладки - это правильно подобранная смесь вяжущего, мелкого заполнителя, воды и специальных добавок (в необходимых случаях) с последующим ее твердением после укладки в дело. Растворы в каменной кладке предназначены для: - связывания между собой отдельных камней; - передачи усилий с одних камней на другие, распределяя их более равномерно по площади камня; - уменьшения продуваемости и влагопроницаемости кладки. Растворы для кладки очень разнообразны. Они различаются по виду вяжущего, заполнителей, плотности, назначению и прочности, которая зависит от количества вяжущего и его активности. По виду вяжущего вещества строительные растворы подразделяются на цементные (на портландцементе или его разновидностях), известковые (на воздушной или гидравлической извести), гипсовые (на основе гипсовых вяжущих) и смешанные (на цементно-известковом, цементно-глиняном, известково-гипсовом вяжущем). Растворы, приготовленные на одном вяжущем, называют простыми, а на нескольких вяжущих - смешанными (сложными). По виду заполнителя и плотности растворы подразделяются на: тяжелые - на речном или горном песке и тяжелых шлаках с плотностью в сухом состоянии р > 1500 кг/м3; легкие - на песках из легких шлаков или легких естественных каменных пород (пемза, туф, ракушечник и т.д.) с плотностью р < 1500 кг/м3. Легкие растворы получают также с помощью пенообразующих добавок - поризованные растворы. По назначению строительные растворы бывают кладочные (для каменной кладки, монтажа стен из крупнопанельных элементов), отделочные (для оштукатуривания помещений, нанесения декоративных слоев на стеновые блоки и панели), специальные, обладающие особыми свойствами (гидроизоляционные, акустические, рентгенозащитные).