Каменные конструкции

Каменными конструкциями называются конструкции, выполненные из каменной кладки, из природных или искусственных камней, соединенных между собой раствором - стены, колонны, фундаменты и другие части зданий и сооружений, выполняемые из каменной кладки различных видов (кирпич, природные камни, бетонные блоки и т. п.). Для усиления каменных конструкций иногда применяют армирование.

Каменные конструкции подразделяются на несущие и ограждающие.

Каменные конструкции — один из наиболее древних видов конструкций.

Достоинства:

- долговечны, огнестойки, могут быть изготовлены из местного сырья (это обусловило их широкое распространение и в современном строительстве).

Недостатки:

- сравнительно большой вес, высокая теплопроводность;

- кладка из штучного камня требует значительного затрат ручного труда.

В связи с этим усилия строителей направлены на разработку эффективных облегчённых каменных конструкций с применением теплоизолирующих материалов.

Основные материалы: Кирпич строительный, керамический и бетонные камни и блоки (сплошные и пустотелые), камни из тяжёлых или лёгких горных пород (известняка, песчаника, туфа, ракушечника и т.п.), крупные блоки из обычного (тяжёлого), силикатного и лёгкого бетонов, а также Растворы строительные.

Материал для каменной кладки выбирается в зависимости от капитальности сооружения, прочности и теплоизоляционных свойств конструкций, наличия местного сырья, а также исходя из экономических соображений.

Практика строительства из камня значительно опередила развитие науки о каменных конструкциях. При проектировании применялись эмпирические правила и недостаточно обоснованные методы расчёта, не позволяющие использовать в полной мере их несущую способность.

Наука о прочности и методах расчёта каменных конструкций, основанная на обширных экспериментальных и теоретических исследованиях, была создана впервые в СССР в 1932—39. Её основоположником был Л. И. Онищик.

Были изучены особенности работы каменной кладки из различных видов камня и раствора, а также факторы, влияющие на её прочность. Установлено, что в каменной кладке, состоящей из отдельных чередующихся слоев камня и раствора, при передаче усилия по всему сечению возникает сложное напряжённое состояние и отдельные камни (кирпичи) работают не только на сжатие, но и на изгиб, на растяжение, срез и местное сжатие. Причиной этого являются неровности постели камня, неодинаковые толщина и плотность горизонтальных швов кладки, что зависит от тщательности перемешивания раствора, степени разравнивания и обжатия его при укладке камня, условий твердения и др. Кладка, выполненная квалифицированным каменщиком, прочнее (на 20—30%), чем выполненная рабочим средней квалификации. Другая причина сложного напряжённого состояния кладки — различные упругопластические свойства раствора и камня. Под действием вертикальных сил в растворном шве возникают значительные поперечные деформации, которые ведут к раннему появлению трещин в камне. Наибольшей прочностью при сжатии (при использовании камней правильной формы) обладает кладка из крупных блоков, а наименьшей — из рваного бутового камня и кирпича. Более высокие камни имеют и больший момент сопротивления, что значительно увеличивает их противодействие изгибу. Прочность вибрированной кирпичной кладки при оптимальных условиях вибрирования примерно вдвое выше прочности ручной кладки и приближается к прочности кирпича. Это объясняется лучшим заполнением и уплотнением растворного шва и обеспечением тесного контакта раствора с кирпичом.

В каменных зданиях важнейшие элементы — наружные и внутренние стены и перекрытия — связаны между собой в одну систему. Учёт их совместно пространственной работы, обеспечивающей устойчивость здания, позволяет наиболее экономично проектировать К. к.

При расчёте различают две группы каменных зданий: с жёсткой или с упругой конструктивной схемой. К первой группе относятся здания с частым расположением поперечных стен, в которых междуэтажные перекрытия рассматриваются как неподвижные диафрагмы, создающие жёсткие связи для стен при действии на них поперечных и внецентренных продольных нагрузок. Такая схема принимается при расчёте стен и внутренних опор многоэтажных жилых и большинства гражданских зданий. Вторую группу составляют здания большой протяжённости, со значительными расстояниями между поперечными стенами. В этих зданиях перекрытия также связывают стены и внутренние опоры в одну систему, но они уже не могут рассматриваться как неподвижные диафрагмы, вследствие чего при расчёте учитываются совместные деформации связанных между собой элементов здания. По такой схеме рассчитывается большинство промышленных зданий с несущими каменными стенами. Учёт пространственной работы стен при проектировании позволяет существенно снизить расчётные изгибающие моменты в стенах, значительно уменьшить толщину стен, облегчить фундаменты и повысить этажность.

В зависимости от конструктивной схемы здания каменные стены подразделяются на: - несущие, воспринимающие нагрузки от собственного веса, от покрытия, перекрытий, строительных кранов и др.;

- самонесущие, воспринимающие нагрузку от собственного веса всех этажей здания и ветровые нагрузки;

- навесные, воспринимающие нагрузки от собственного веса и ветра в пределах одного этажа.

Каменные стены из штучного камня и кирпича подразделяются на сплошные и слоистые (облегчённые). Толщина сплошных стен принимается кратной основным размерам кирпича: 0, 5; 1; 1, 5; 2; 2, 5 и 3 кирпича. Расход материалов, трудоёмкость и стоимость возведения стен зависят от правильно выбранной конструкции и степени использования свойств материалов.

Для наружных стен малоэтажных отапливаемых зданий нецелесообразно применять сплошные К. к. из тяжёлых материалов. В этом случае применяют облегчённые слоистые стены с термоизоляцией или стены из пустотелых керамических камней, а также камней из лёгких и ячеистых бетонов. Для зданий средней и повышенной этажности, возводимых из штучного кирпича и камня, предпочтительна конструктивная схема с внутренними поперечными несущими стенами, позволяющая применять наружные стены из облегчённых эффективных материалов (керамических, с утеплителями и др.).

Каменная кладка обладает сравнительно высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей - при растяжении. Поэтому каменная кладка применяется преимущественно в случаях, когда в каменных конструкциях она подвержена осевому сжатию или внецентренному сжатию (при небольших эксцентрицитетах).

Часто для повышения несущей способности и монолитности каменную кладку армируют.

Каменные конструкции, выполненные из армированной кладки, называются армированными. Каменную кладку, армированную в растянутой зоне продольными стержнями, можно применять для изгибаемых, внецентренно сжатых (при больших эксцентриситетах) и растянутых элементов каменных конструкций.