Несущие кирпичные стены конструктивная схема
Сплошные и многослойные каменные стены применяют в гражданском и промышленном строительстве в качестве ограждающих и несущих конструкций. В зависимости от назначения здания, количества этажей, высоты этажей и других факторов стены могут быть:
— несущие, воспринимающие кроме нагрузок от собственного веса и ветра также нагрузки от покрытий, перекрытий, кранов и т. п.;
-самонесущие, воспринимающие нагрузку только от собственного веса стен всех вышележащих этажей здания и ветровую нагрузку;
-ненесущие (в том числе навесные), воспринимающие нагрузку только от собственного веса и ветра в пределах одного этажа при высоте этажа не более 6 м; при большей высоте этажа эти стены относятся к самонесущим;
-перегородки — внутренние стены, воспринимающие нагрузки только от собственного веса и ветра (при открытых оконных проемах) в пределах
одного этажа, при его высоте не более 6 м; при большей высоте этажа стены этого типа относятся к самонесущим.
В зданиях с самонесущими и ненесущими наружными стенами нагрузки от покрытий, перекрытий и т. и. передаются на каркас или поперечные конструкции зданий.
Продольные и поперечные стены каменных зданий, вместе с перекрытиями и покрытиями, образуют пространственную систему, работающую на восприятие всех нагрузок, действующих на здание.
Пространственная жесткость каменных зданий зависит от жесткости всех элементов, составляющих эти здания: стен, столбов, перекрытий и покрытий. Жесткость же самих элементов, образующих здание, зависит в свою очередь от размеров поперечных сечений, от размеров пролетов (высот) и условий сопряжения отдельных элементов между собой.
Для обеспечения совместной работы горизонтальных частей здания (покрытий, перекрытий, ферм и т. п.) со стенами и столбами они должны быть связаны друг с другом при помощи анкеров. Постоянные и временные нагрузки, действующие на каждый из взаимосвязанных элементов, вызывают в несущих каменных стенах и столбах внецентренное сжатие и изгиб [3, 13].
Опорами каменных стен и столбов при расчете на горизонтальные нагрузки, внецентренное и центральное сжатие служат междуэтажные пе- рекрытия, которые, в свою очередь, передают нагрузку на поперечные стены. Поэтому, чем меньше расстояния между поперечными стенами, тем жестче и устойчивее будет здание. Эти опоры делятся на жесткие (несмещаемые) и упругие.
За несмещаемые или жесткие опоры принимаются:
поперечные каменные и бетонные стены толщиной не менее 12 см, железобетонные толщиной не менее 6 см, контрфорсы, поперечные рамы с жесткими узлами, участки поперечных стен и другие конструкции, рассчитанные на восприятие горизонтальной нагрузки;
покрытия и междуэтажные перекрытия при расстояниях между поперечными жесткими конструкциями не превышающих предельных;
ветровые пояса, фермы, ветровые связи и железобетонные обвязки, рассчитанные по прочности и деформациям на восприятие горизонтальной нагрузки, передающейся от стен.
За упругие опоры принимаются покрытия и междуэтажные перекрытия при расстояниях между поперечными жесткими конструкциями, превышающих предельных, при отсутствии ветровых связей.
Устойчивость и жесткость стен и столбов зависят не только от жесткости самих стеновых конструкций, но и от жесткости перекрытий и покрытий, которые обеспечивают опирание или закрепление стен и столбов по их высоте.
По степени пространственной жесткости здания с несущими стенами подразделяются на две конструктивные схемы:
-с жесткой пространственной конструктивной схемой (рисунок 8а);
-с упругой пространственной конструктивной схемой (рисунок 8б).
Отнесение здания к одной из конструктивных схем зависит от расстояния между поперечными устойчивыми конструкциями, жесткости покрытий или перекрытий и группы кладки, из которой выполнены стены.
Рисунок 8 – Конструктивные схемы зданий: с жесткой (а), упругой (б)
пространственными конструктивными схемами
Рисунок 8 (продолжение)
К зданиям с жесткой конструктивной схемой относятся многоэтажные промышленные и гражданские здания с часто расположенными поперечными стенами. В этих зданиях ветровые и другие горизонтальные нагрузки, воспринимаемые продольными стенами, передаются от них на перекрытия, а от последних на поперечные стены, обладающие большой жесткостью в поперечном направлении (в своей плоскости).
Усилия от поперечных стен передаются через фундаменты на грунт. Схемы передачи горизонтальных нагрузок имеют вид: продольные стены �
� перекрытия � поперечные стены � фундаменты � грунт. Чтобы осуществить такую последовательную передачу горизонтальных усилий, необходима высокая жесткость междуэтажных перекрытий и поперечных стен. В данном случае междуэтажные перекрытия рассматриваются как неподвижные — жесткие опоры, на которые опираются стены и столбы, как вертикальные балки, а поперечные стены служат опорами — устоями этих перекрытий.
Предельные расстояния между поперечными стенами l пред , при которых обеспечивается неподвижность в горизонтальной плоскости перекрытий — диафрагм, приведены в [13, таблица 27] (для железобетонных перекрытии расстояния между поперечными стенами принимают от 24 до 54 м).
К зданиям с упругой конструктивной схемой относятся в основном одноэтажные промышленные здания, у которых при отсутствии жестких
горизонтальных связей поперечные устойчивые конструкции располагаются на расстояниях, превышающих l пред (предельные расстояния между поперечными стенами). В этом случае устойчивость здания создается поперечной устойчивостью самих продольных стен и столбов за счет их собственного веса и заделки в грунт, а также за счет жесткости покрытия [3, 4, 13].
Жесткость и устойчивость кирпичных зданий определяется конструктивной схемой стен и конструктивной системой здания, обеспечивающей их взаимосвязь и совместную работу со всеми остальными элементами несущего остова.
По конструктивным схемам кирпичные здания делятся на здания с продольными или поперечными несущими стенами и здания с перекрестным расположением продольных и поперечных несущих стен. В кирпичных зданиях имеются также схемы с внутренними столбами, заменяющими внутренние несущие стены. Кроме того, в кирпичных зданиях, и особенно, старой постройки, встречаются комбинированные конструктивные схемы, например, схемы с продольными и поперечными стенами, с продольными и поперечными стенами и внутренними столбами и т.п. [16, 17].
Расчет несущих стен зданий с жесткой конструктивной схемой
Конструкции зданий с жесткой конструктивной схемой должны быть рассчитаны на вертикальные и горизонтальные (ветровые) нагрузки с учетом их возможного сочетания. Стены многоэтажных зданий, кроме нагрузки от собственного веса, рассчитываются на внецентренно приложенные к ним нагрузки от перекрытий [3].
Расчет продольных стен. В многоэтажных зданиях с жесткой конструктивной схемой стены и столбы рассматриваются как вертикальные неразрезные многопролетные балки, опорами которых служат перекрытия (рисунок 9а). По упрощенной схеме допускается рассматривать стену или
столб расчлененными по высоте на однопролетные балки с расположением опорных шарниров в уровне низа плит или балок перекрытий (рисунок 9б). При расчете каждого этажа нагрузка собирается от вышележащих этажей и нагрузки от перекрытия, опирающегося на стену или столб рассматриваемого этажа (рисунок 9).
Нагрузки от верхних этажей, включая все стены, покрытие и перекрытия, полезную нагрузку на перекрытиях и т. п. (∑N), считают приложенными в центре тяжести сечения стены или столба вышележащего этажа.
Рисунок 9 – Расчетные схемы стены (столба) и эпюры изгибающих моментов от вертикальных внецентренно приложенных и горизонтальных нагрузок: а — при расчете как неразрезной балки; б — как однопролетной в пределах высоты этажа; в — от ветровой нагрузки
Опорное давление N 1 от перекрытия, расположенного непосредственно над рассматриваемым этажом, принимается приложенным с эксцентриситетом e 1 , равным расстоянию от центра тяжести стены до центра тяжести эпюры опорного давления, которая принимается треугольной. Следовательно, расстояние от точки приложения опорной реакции перекрытия до внутренней грани стены равно 1/3 глубины заделки, но не более 7 см (рисунок 10).
Рисунок 10 – Эксцентриситеты (а-в) приложения вертикальных нагрузок
Для стены, показанной на рисунке 10:
б – M = N 1 · e 1 — N · e ,
в – M = N 1 · e 1 + N · e
Изгибающие моменты от ветровой нагрузки следует определять в пределах каждого этажа как для балки с защемленными концами
, за исключением верхнего этажа, для которого верхняя опора
принимается шарнирной (рисунок 9в).
Таким образом, зная суммарную продольную силу и изгибающий момент М, стена рассчитывается на прочность как внецентренно сжатый элемент. Основные расчетные формулы, необходимые для определения продольных сил и изгибающих моментов в горизонтальных сечениях стен зданий с жесткой конструктивной схемой, приведены в [12, таблица 12].
Выбор расчетного сечения зависит от наличия и размеров проемов. В глухих стенах за расчетное принимается сечение I-I на уровне низа перекрытия с продольной силой N I-I = N+ N 1 и максимальным изгибающим моментом M I (рисунок 11). В стенах с проемами опасным является сечение II-II на уровне низа перемычки, где изгибающий момент несколько меньше, но гораздо меньше площадь поперечного сечения элемента и φ
расчета выделяется участок стены шириной, равной расстоянию между осями проемов (рисунок 11). Продольная сила в этом сечении N II = N+ N 1 +
+Q 1 , а изгибающий момент M II = M I · H 1 /H .
Часто наиболее опасным может оказаться сечение III-III, расположенное на расстоянии 1/3 высоты этажа от низа верхнего перекрытия, где изгибающий момент имеет величину M III = 2· M I / 3, а значение коэффициента φ достигает минимума. Продольную силу N III в этом сечении легко определить, прибавив к силе N II собственный вес части простенка.
Для опасных сечений определяется эксцентриситет e 0 = M x / N x , и расчет ведется как для внецентренно сжатых элементов. Чаще всего при расчете стен e 0 y , т. е. расчет по раскрытию трещин в швах кладки не производится [3, 4, 12, 13].
Рисунок 11 –Вертикальные нагрузки, действующие на стену, и эксцентриситеты их приложения
Расчет поперечных стен. В зданиях с жесткой конструктивной схемой ветровые нагрузки через перекрытия передаются на поперечные стены, которые работают при этом как вертикальные консоли, заделанные в фундамент.
Если поперечные и продольные стены соединены перевязкой, то следует учитывать совместную работу поперечной стены и участков примыкающих к ней продольных стен. В этом случае расчетное сечение консоли может иметь
форму двутавра, тавра или швеллера (рисунок 12а). При этом участки продольных стен играют роль полок, а поперечные стены – стенок консольных балок.
Расчетная длина участков продольных стен S, вводимая в совместную работу с поперечной стеной по обе стороны от нее, принимается S≤ H/3 и S≤ 6·h , где H – высота стены от уровня заделки, h – толщина примыкающей наружной продольной стены (рисунок 12б).
Для стен с проемами принимают S≤с , где с – расстояние от края поперечной стены до грани оконного проема (рисунок 12в).
Нагрузки, действующие на эту консоль:
вертикальная от собственного веса, перекрытий и покрытия;
горизонтальная от активного давления ветра и отсоса.
Рисунок 12 –Расчетные сечения поперечных стен
Таким образом, консоль следует рассчитывать как сжато-изогнутый элемент, на который действует продольная сжимающая сила N и изгибающий момент М.
Однако, при таком расчете, когда учитывается совместная работа поперечных стен с участками продольных стен, должна быть обеспечена надежная взаимная связь между ними, т. е. в месте взаимного примыкания стен не должно произойти сдвига (скалывания) при изгибе консоли.
В связи с отмеченным, при расчете стен (или их отдельных вертикальных участков) должны быть проверены:
горизонтальные сечения на сжатие или внецентренное сжатие;
наклонные сечения на главные растягивающие напряжения при изгибе в плоскости стены;
раскрытие трещин от вертикальной нагрузки разнонагруженных, связанных между собой стен или участков смежных стен разной жесткости.
Расчетное сдвигающее усилие при учете совместной работы поперечных и продольных стен в местах их взаимного примыкания в пределах высоты этажа определяется как для упругого материала по формулам сопротивления материалов
где Q — расчетная поперечная сила от горизонтальной нагрузки в середине высоты этажа; h — толщина поперечной стены; I — момент инерции сечения нетто стен относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения стен в плане; S — статический момент сдвигаемой части сечения (участки продольных стен) относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения; А — площадь сечения примыкающей продольной стены; Н st — высота этажа; у — расстояние от оси продольной стены до оси, проходящей через центр тяжести сечения стен в плане [3, 13].
Таким образом, проверка прочности при сдвиге сводится к проверке условия
где R sq – расчетное сопротивление кладки срезу по вертикальному перевязанному сечению (см. [13, п. 4.20]).
Расчет прочности стен на главные растягивающие напряжения при изгибе производится по формуле
а при наличии в стене растянутой части сечения – по формуле
(14)
где Q – см. выше; l – длина поперечной стены в плане (рисунок 13), R tq
определяется по [13, формула (41)].
При недостаточном сопротивлении кладки скалыванию, определяемому по [13, формулы (13), (14)], выполняется армирование ее продольной арматурой в горизонтальных швах. Расчетное сопротивление скалыванию армированной кладки R stq определяется по [13, формула (44)].
Рисунок 13 – Расчетная схема поперечных стен при сдвиге
При расчете поперечных стен здания на горизонтальные нагрузки, действующие в их плоскости, перемычки, перекрывающие проемы в стенах, рассматриваются как шарнирные вставки между вертикальными участками стен. Расчет перемычек производится по [13, формулы (45)-(48)].
Расчет несущих стен зданий с упругой конструктивной схемой
Элементы здания с упругой конструктивной схемой рассматривают как конструкции рамной системы, выделяя один ряд поперечных конструкций (рисунок 14).
Рисунок 14 – Поперечный разрез здания
Стойками рам являются каменные стены и столбы, жестко заделанные в фундаменты в уровне пола, а ригелями — покрытия и перекрытия, принимаемые абсолютно жесткими в своей плоскости и шарнирно связанными со стойками (стенами, столбами). Внутренними стойками являются столбы, чаще прямоугольного сечения.
Расчетная схема поперечной рамы показана на рисунке 15.
Рисунок 15 – Расчетная схема поперечной рамы
Поперечное сечение стоек крайних рядов может быть прямоугольным или тавровым (при наличии пилястр). Его ширина принимается в зависимости от характера приложения нагрузки, формы сечения и вида расчета (статический или конструктивный):
если нагрузка от покрытия или перекрытия распределена равномерно по длине стены (например, при покрытии из железобетонных плит), за ширину сечения (b для прямоугольного или b f для таврового) при статическом и конструктивном расчете принимается вся ширина простенка, а при глухих стенах – вся длина стены между осями (рисунок 16а, б);
если нагрузка от покрытия или перекрытия сосредоточена на отдельных участках (опирание ферм, балок и т.п.), то стена усиливается пилястрой и при статическом расчете ширину полки таврового сечения допускается принимать равной b f = b II +2·Н /3 ≤ b II +12·h, но не более ширины простенка, т.е. b f = 2· b+b II , где b II – ширина пилястры; Н и h – соответственно высота и толщина стены (рисунок 16в). Если толщина стены меньше 0,1 высоты сечения пилястры, сечение рассматривается как прямоугольное, без учета примыкающих к пилястре участков стены;
если нагрузка от покрытия (перекрытия) сосредоточенная, а пилястра отсутствует (стены без пилястр), то сечение наружной стойки в статическом расчете принимается прямоугольным с шириной b f = 2·Н /3 + b 1 ≤ 12·h+ b 1 , (рисунок 16г) и не более ширины простенка, где b 1 – ширина площади опирания опорных узлов ферм, балок или опорных подушек под этими узлами.
В конструктивном расчете при сосредоточенной нагрузке за ширину сечения принимается величина, переменная по высоте стены:
для таврового сечения ширина полки b f вверху принимается равной ширине пилястры b II , а внизу – b f = b II + Н; в промежутках между этими крайними точками ширина b f меняется по линейному закону (рисунок 16д);
для прямоугольного сечения ширина b f принимается аналогично с заменой ширины пилястры шириной опорной подушки b 1 .
Рисунок 16 – Поперечное сечение наружных стен
При этом следует помнить, что ширина сечения стойки на каждом уровне не должна превышать ширины простенка.
Необходимый для статического расчета рамы модуль упругости кладки принимается E = 0,8 E 0 .
В общем случае на раму действуют следующие нагрузки:
вертикальные от собственного веса конструкций, снега, кранов;
горизонтальные от ветра, от торможения кранов.
Изгибающие моменты и нормальные силы в различных характерных сечениях стоек рамы определяют по общим правилам строительной механики, при этом удобнее использовать метод перемещений, применяя справочные таблицы или на ЭВМ (рисунок 15).
По существу расчет рамы необходим лишь для определения усилий в ее стойках, так как ригель имеет с ними шарнирное сопряжение и рассчитывается независимо от них.
Стойки рамы рассчитывают как защемленные внизу консоли (рисунок 17), загруженные внешней нагрузкой и опорной реакцией верхней упругой опоры. Опорные реакции в шарнирной верхней опоре X i определяются последовательно от всех приложенных нагрузок, и полученные значения суммируются [3, 4, 12].
Рисунок 17 – К определению опорных реакций в стойках рамы
Вопросы расчета и конструирования частей зданий из кирпичной кладки (фундаменты под столбы и стены, стены подвалов, перемычки, опирание элементов конструкций на кладку, карнизы, парапеты и др.) подробно рассмотрены в [3, 4, 12, 13].
Проектирование каменных и армокаменных конструкций с использованием ЭВМ
В настоящее время в практике проектирования зданий и сооружений все чаще при расчете каменных и армокаменных конструкций применяют программные комплексы, реализуемые на ЭВМ. Наиболее известные из них:
программный комплекс МОНОМАХ [18];
программа КАМИН [19];
программы института «Башкиргражданпроект» [20];
пакет прикладных программ NormCAD [21] и другие [22].
Программный комплекс (ПК) МОНОМАХ может быть использован на разных этапах проектирования. На стадии принятия проектных решений за
короткое время можно получить результаты расчетов вариантов конструктивных схем, а также определить расход материалов и стоимость конструкций здания. Есть возможность расчета сооружений совместно с грунтовым основанием на базе создаваемой 3D-модели грунтового массива по имеющимся инженерно-геологическим данным. ПК МОНОМАХ имеет экспертную систему, которая на всех этапах автоматизированного проектирования дает пользователю подсказки относительно обоснования принятых конструктивных решений, таких как выбор размеров сечения несущих конструкций, расстановка диафрагм жесткости, обеспечение тех или иных требований нормативных документов [23].
КАМИН предназначен для выполнения конструктивных расчетов и проверок элементов каменных и армокаменных конструкций на соответствие требованиям СНиП II-22-81. Предполагается, что расчетные усилия соответствуют нагрузкам, определенным пользователем по [15], требованиям этого же документа соответствуют реализованные программой правила выбора расчетных сочетаний усилий. Везде в программе предполагается, что заданы расчетные значения нагрузок. В состав проверяемых элементов включены центрально и внецентренно нагруженные столбы различного поперечного сечения в плане, рядовые, клинчатые и арочные каменные и железобетонные балочные перемычки, наружные и внутренние стены здания с проемами и без проемов, стены подвалов. Кроме проверки общей прочности и устойчивости элементов выполняется экспертиза местной прочности в местах опирания балок, прогонов и других элементов на стены и столбы. Экспертиза выполняется как для неповрежденных конструктивных элементов, так и для элементов, имеющих трещины в каменной кладке и огневые повреждения вследствие воздействия температуры (например, в результате пожара). Решается задача проверки несущей способности центрально и внецентренно нагруженных элементов, усиленных стальными обоймами, а также стен, ослабленных дополнительно образованными проемами [24].
Источник