Напряженное состояние камня и раствора при центральном сжатии. Четыре стадии работы каменной кладки
СТАДИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
От момента загружения кладки до ее разрушения различают четыре стадии напряженного состояния.
В первой стадии трещины в кладке отсутствуют. При переходе во вторую стадию появляются небольшие трещины в кирпичах над и под вертикальными швами кладки, которые являются концентраторами напряжений (рис. 1).
Рис. 1. Четыре стадии напряженного состояния каменной кладки при сжатии
Величина нагрузки, при которой появляются трещины, зависит от прочности кирпича, системы перевязки кладки и деформативных свойств раствора.
При оценке запасов прочности поврежденной кладки должно учитываться повышение ее хрупкости с увеличением возраста кладки и с применением малодеформируемых цементных растворов. При большом возрасте кладки, выполненной на цементном растворе, резервы ее прочности снижаются и составляют всего 40…20 % от разрушающей нагрузки.
Во второй стадии трещины не растут без повышения нагрузки. Далее, при увеличении нагрузки, наступает третья стадия. Трещины пересекают несколько рядов кладки, разбивая ее на отдельные столбики шириной в половину кирпича. При этом разрушение может произойти без увеличения нагрузки.
Концом третьей стадии является стадия разрушения, когда отдельные кирпичные столбики, на которые расслоилась кладка, теряют устойчивость.
4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЧНОСТЬ КЛАДКИ
Прочность кладки тем больше, чем толще камень, так как увеличивается сопротивление камня изгибу и срезу.
Чем правильнее форма камня, тем больше прочность кладки, так как происходит более равномерная передача нагрузки. Например, для кладки из природных камней марки М400, выполненной на растворе марки М25, прочность составляет: а) 10 МПа – при правильной форме камней; б) 2.4 МПа – при постелистом бутовом камне; в) 1.6 МПа – при рваном бутовом камне.
Прочность кладки понижается при увеличении толщины горизонтальных швов раствора, так как увеличиваются усилия, растягивающие кирпич. Нормальной по нормам считается толщина швов в пределах 10…15 мм (средняя толщина – 12 мм) [3]. При увеличении толщины швов с 10 до 25 мм прочность кладки снижается на 25…30 %.
Прочность кладки повышается с увеличением подвижности раствора, его удобоукладываемости, так как при этом более равномерно заполняются горизонтальные швы кладки и уменьшаются напряжения от изгиба и среза.
Прочность кладки зависит от квалификации каменщика, так как правильность и ровность рядов кладки, одинаковая толщина швов раствора создают более однородное и равномерное напряженное состояние сжатия, уменьшая влияние изгиба и среза.
Если прочность обычной массовой кладки оценить в 100 %, то прочность кладки, выполненной каменщиком низкой квалификации, можно оценивать в 80 %, а высокой квалификации – в 150 %.
5. СРЕДНИЙ ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ КЛАДКИ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СЖАТИИ
При испытаниях каменных материалов и растворов в соответствии с государственными стандартами получаемые результаты принимаются как среднеэкспериментальные величины и называются средними пределами прочности.
Для расчетной оценки предела прочности кладки при центральном сжатии были предложены эмпирические формулы. Результаты, наиболее соответствующие экспериментам, показала формула Л.И. Онищика [5] для определения среднего значения предела прочности каменной кладки 
, МПа, из кирпича, обыкновенных камней, кирпичных блоков и бута на растворе марки М10 и выше:
, (1)
где 
– средняя прочность камня; 
– средняя прочность раствора;
– конструктивный коэффициент, 
; 
и 
– коэффициенты, зависящие от вида камня; 
и 
– эмпирические коэффициенты, (табл. 1); 
– коэффициент, зависящий от прочности раствора, при 
при 
.
Как видно из формулы (1), при увеличении прочности раствора 
прочность кладки не превышает прочности камня 
: 
Отсюда следует, что применение кладочных растворов высоких марок при 
экономически невыгодно.
Зная предел прочности кладки 
, можно найти расчетное сопротивление кладки 
, принимая коэффициент безопасности 
: 
Строительные нормы представляют расчетные сопротивления R сжатию кладки в табличной форме. Строительные нормы для кирпичной кладки на тяжелом растворе при марках кирпича от М75 до М150 и в полном диапазоне марок растворов приведены в табл. 2.