Расчет каменных конструкций зданий

Тема 18. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Конструктивные схемы каменных зданий

 

Современное каменное здание представляет сложную пространственную систему, воспринимающую все действующие нагрузки. Расчет здания как пространственной системы сложен, поэтому в практике проектирования здание расчленяют на более простые схемы.

При выборе расчетной схемы исходят из того, что стены и столбы при работе на горизонтальные нагрузки опираются на междуэтажные перекрытия, покрытия и поперечные стены. Жесткость этих конструкций в значительной мере определяет характер работы стен и столбов сооружения. В соответствии с этим согласно нормам [5] опоры стен и столбов по степени жесткости делят на жесткие и упругие, а здания — на здания с жесткой и упругой конструктивной схемой.

■ Здания с жесткой конструктивной схемой. К ним относят в основном жилые и общественные здания, в которых поперечные стены располагаются довольно часто (l<l_w). В этом случае покрытия практически не деформируются при горизонтальных нагрузках и могут рассматриваться как жесткие опоры для стен и столбов. Предельные расстояния l_w между поперечными стенами зависят от марки камня и раствора, вида кладки, типа перекрытия и т. п. Например, для элементов из кирпича М50 и выше на растворе марки не менее 10 при сборных железобетонных перекрытиях l_w = 42 м, а при монолитных — 54 м. В качестве поперечных стен, которые могут рассматриваться как жесткие опоры для перекрытий при воздействии горизонтальных нагрузок, принимаются каменные и бетонные стены толщиной не менее 12 см и железобетонные стены толщиной не менее 6 см.

■ Здания с упругой конструктивной схемой. К ним относятся производственные одноэтажные здания с несущими стенами из каменных материалов и многоэтажные со значительными расстояниями между поперечными устойчивыми конструкциями (l>l_w). Покрытия и перекрытия в таких зданиях получают заметные перемещения при горизонтальных нагрузках и рассматриваются как упругие смещающиеся опоры для стен и столбов.

Каменные стены в зависимости от конструктивной схемы здания подразделяют на несущие, воспринимающие нагрузки от собственной массы, ветра, перекрытий, покрытия и т. п.; самонесущие, воспринимающие нагрузку только от собственной массы стен всех вышележащих этажей и ветровую; ненесущие, воспринимающие только нагрузку от собственной массы и ветра в пределах одного этажа.

Толщину стен зданий назначают из теплотехнических требований и проверяют на прочность. Однако при проектировании и возведении стен и столбов должен быть выполнен ряд общих требований, не зависящих от результатов расчета на прочность. К числу этих требований относятся: ограничение гибкости стен и столбов, допустимые минимальные марки камней и растворов в зависимости от требуемой надежности конструкций и долговечности зданий, предельные эксцентриситеты и т. п.

Допустимые гибкости несущих стен и столбов зависят от группы кладки и марки раствора. Для раствора М25 и кладки первой группы* (H/h)_u = 22, для кладки второй группы (H/h)_u = 20 [5]. Для наиболее нагруженных стен и столбов, во избежание их утолщения, следует применять кирпич марок по прочности на сжатие 150 и более, наименьшая марка цементно-известкового раствора для наружных стен зданий первой группы равна 10.

 

* Неармированные кладки в зависимости от вида кладки, а также прочности камней и растворов подразделяются на четыре группы [5].

 

Под влиянием изменения температуры наружного воздуха в конструкциях возникают деформации укорочения и удлинения, которые в стенах большой протяженности могут вызвать трещины. Чтобы предотвратить это, стены разрезают вертикальными швами, расстояние между которыми принимают по нормам в зависимости от расчетной зимней температуры, вида камней и марки раствора. Для стен из керамического кирпича на растворе марки 50 и средней температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки — 40°С расстояние между деформационными швами должно быть не более 50 м, а при растворе до М 25 — 60 м.

В зданиях с наружными кирпичными стенами и внутренним сборным железобетонным или металлическим каркасом длину температурного отсека назначают так, чтобы швы в стенах и элементах каркаса совпадали.

 

Расчет каменных конструкций зданий

 

■ Здания с жесткой конструктивной схемой. Стена такого здания представляет собой вертикальную неразрезную балку, неподвижными шарнирными опорами которой являются перекрытия. Стена загружена вертикальной нагрузкой от собственного веса и нагрузками от опирающихся на нее перекрытий. С целью упрощения расчета допускается стены и столбы считать расчлененными по высоте на отдельные балки (рис. 18.1, а) с расположением опорных шарниров в плоскости опирания перекрытий. При этом нагрузками на стену в каждом этаже является: нормальная сжимающая сила N₁ от веса вышерасположенных участков стены и перекрытий и нагрузка N₂ от перекрытия над рассматриваемым этажом. Нагрузка N₁ считается приложенной в центре тяжести сечения стены, расположенной над рассчитываемым этажом. Если толщина стены в рассчитываемом и вышележащем этажах одинакова, то сила N₁ вызывает только центральное сжатие, если же имеется несимметричное изменение толщины стены (рис. 18.1, б), то сила N₁ имеет эксцентриситет е₁ относительно центра тяжести сечения стены в рассчитываемом этаже и создает момент М₁ = N₁e₁.

Нагрузка N₂ всегда имеет эксцентриситет е₂ относительно центра тяжести стены и создает момент М₂ = N₂e₂. При этом давление перекрытия на стену принимается по треугольному закону, если же под элементом перекрытия имеется жесткая подкладка, то точка приложения силы N₂ принимается в середине подкладки. Эпюра моментов от сосредоточенного момента М₂ (а при изменении толщины стены — от суммарного момента М₁+М₂) имеет вид треугольника с максимальной ординатой на уровне низа перекрытия. Таким образом на стену рассчитываемого этажа действует сжимающая сила N = N₁+N₂ и момент М₂ или M₁+M₂, т. е. стена работает на внецентренное сжатие.

 

Рис. 18.1. К расчету стены на вертикальные нагрузки:

а — при постоянной толщине стены;

б — при несимметричном изменении толщины стены на уровне перекрытия;

в — к определению расчетного сечения.

 

Расчетным элементом стены является простенок. Расчету подлежит сечение 1—1 в уровне верха простенка (рис. 18.1, в). Подсчитав в этом сечении М и N (с добавлением нагрузки от собственной массы Q₁), определяют эксцентриситет e₀=M/N. Зная е₀ и задавшись марками камня и раствора, по нормам [5] определяют расчетные сопротивления кладки R и производят проверку прочности стены по формуле (17.2), предварительно подсчитан λ и определив коэффициенты m_g и φ. Если несущая способность простенка недостаточна, то следует повысить марки камня и раствора, увеличить ширину простенка или толщину стены. Дополнительные усилия от ветровой нагрузки для зданий с жесткой конструктивной схемой невелики и учитываются только при большой высоте этажа. Внутренние столбы зданий с жесткой конструктивной схемой рассчитывают обычно на центральное сжатие. Расчет их сводится к определению действующих нагрузок и проверке несущей способности по формуле (17.1). Увеличение несущей способности столбов в каждом последующем этаже (сверху вниз) достигается повышением марок материалов, увеличением размеров сечения или введением сетчатого армирования.

Стену подвала рассматривают как одностороннюю вертикальную балку, загруженную продольной сжимающей силой N₁, передаваемой стеной здания, внецентренно приложенной нагрузкой N₂ от перекрытий над подвалом, создающей момент M₂ = N₂e₂, а также боковым давлением грунта, вызывающим изгиб стены подвала в пределах ее высоты. Если центр тяжести сечения стены подвала смещен относительно центра тяжести сечения стены в первом этаже, то изгибающий момент возникает и от нагрузки N₁. При определении величины бокового давления грунта необходимо учитывать временную равномерно распределенную нагрузку, расположенную на поверхности земли и принимаемую равной 10 кН/м².

■ Здания с упругой конструктивной схемой. Эти здания рассчитывают как раму, стойками которых являются наружные стены и внутренние столбы, защемленные в фундаментах и шарнирно соединенные поверху покрытием. Покрытия считаются бесконечно жесткими в горизонтальном направлении.

Расчет несущих конструкций одноэтажных зданий с упругой конструктивной схемой производят для двух стадий работы: для неоконченного строительством здания при отсутствии покрытия; для законченного строительством здания.

В первом случае стены и столбы рассчитывают как свободно стоящие, заделанные в фундамент, во втором случае стены рассчитывают как стойки рам (аналогично изложенному в гл. 11). Если в первом случае несущая способность стен оказывается недостаточной, то обычно стены временно раскрепляют,