Конструктивные деформации

Конструктивные деформации и повреждения определяются условиями работы элементов зданий под нагрузкой, их напряженно-силовым состоянием. Они зависят от нагрузок, прочностных и реалоги-ческих свойств материалов, адекватности фактической схемы работы конструкций расчетной. Конструктивные повреждения проявляются в виде сверхнормативных прогибов и трещин. Они могут быть как общими для здания, так и локальными.

Конструктивные деформации вызываются неожиданными концентрациями нагрузок, ползучестью материалов (узлов), неудовлетворительной эксплуатацией зданий, неправильным выполнением ремонтных работ.

Экспериментально установлено, что под действием постоянной нагрузки в материалах конструкций появляются микродефекты. Структура материала становится «рыхлой». Выделяют две составляющие деформации ползучести — необратимую ет (вязкое течение) и обратимую s3 (запаздывающую, после действия нагрузок). При постоянной длительно действующей нагрузке (напряжении) эти составляющие деформаций развиваются, нарастают. В кирпичных стенах такие длительные деформации появляется в виде трещин в отдельных местах.

Первая стадия начального трещинообразования (рис. 7.21) в кирпичной кладке зависит от прочности раствора и обычно наблюдается при нагрузках, составляющих 40—60 % разрушающих при кладках на слабых растворах (1 МПа), 50—70 % при кладках на растворах средней прочности (1—2,5 МПа) и 70—90 % при кладках на прочных растворах (> 5 МПа).

Эта стадия характеризуется появлением отдельных трещин, распространяющихся по высоте двух-трех рядов кладки, проходящих обычно по совпадающим вертикальным швам с повреждением раствора в одном-двух горизонтальных швах. Появление трещин в перевязочных кирпичах свидетельствует о перенапряжении кладки.

Вторая стадия трещинообразования свидетельствует о значительном перенапряжении кладки и необходимости усиления ее при дальнейшем использовании. Она характеризуется появлением вертикальных трещин в нескольких рядах кладки, проходящих как по растворным швам, так и по кирпичам при напряжениях, составляющих 70—95 % разрушающих.

Третья стадия трещинообразования свидетельствует об аварийном состоянии кладки.

Нарушение целостности стен из-за наличия пор или микротрещин объясняется следующими процессами:

• на границе пор или микротрещин происходят значительные изменения структуры материала вследствие взаимодействия с внешней и внутренней газовой средой (т. е. происходит физико-химическое воздействие на материал стен);

• остаточные напряжения даже при незначительных увеличениях нагрузок или деформаций способны вызвать соединение пор и микротрещин, усилить трещинообразование;

• в результате нарушения целостности стен силовые потоки распределяются между сохранившимися сплошными участками (связями), а на их границах значительно увеличиваются, что способствует дальнейшему процессу трещинообразования.

Детальное изучений деформаций кирпичных стен позволило определить сложный механизм передачи нагрузки на материал. На рис. 7.22 показаны максимальные горизонтальные напряжения в кирпичных стенах с разной толщиной растворных швов и зависимости этих напряжений от отношения высоты стены к ее толщине, а также отношения модулей упругости кирпича и раствора. Там же приведены максимальные горизонтальные напряжения для различных типов кладки.

Установлено, что вертикальное напряжение сжатия в кирпичах и горизонтальных швах раствора почти одинаково по всей стене при напряжениях, равных приложенной нагрузке, оно слегка возрастает в нижних углах стены. Вертикальное напряжение в вертикальных швах также является напряжением сжатия, но оно меньше, чем в кирпичах, во столько раз, во сколько раз модуль упругости раствора меньше модуля упругости кирпича.

Горизонтальные напряжения являются напряжениями сжатия в пределах участков, которые графически представляют собой клин, ограниченный прямыми линиями, идущими от угла с наклоном в 30° к горизонтали. Вне этих участков горизонтальные напряжения в слоях кирпичной кладки выражены напряжениями растяжения. При этом горизонтальные напряжения в вертикальных швах (растворе) больше, чем в прилегающих кирпичах, а горизонтальные напряжения растяжений возрастают с увеличением соотношения высоты и ширины стены, соотношения модулей упругости кирпича и раствора; толщины швов; частоты вертикальных швов.

Для перегруженных простенков характерно расслаивание кладки и выпучивание наружностей версты или всего простенка, которые часто сопровождаются трещинами в швах клинчатых перемычек (рис. 7.23).

Для высоких кирпичных зданий при воздействии горизонтальных сил, кроме нормальных, возникают касательные напряжения. В этом случае кладка может разрушиться вследствие превышения допустимого напряжения сжатия crj, наличия щелей (трещин) в горизонтальном шве <72 = 0, сколов в горизонтальном шве (превышение допустимой величины Хху), разрушения кирпичей от действия на них поперечной силы. Каждый из этих критериев ограничивает область нагрузок

Построение линий критериев (рис. 7.24) аналогично построению охватывающих линий по теории Мора. Если пара напряжений ст и т, возникающих при эксплуатационной нагрузке, лежит внутри заштрихованной поверхности, то нагрузка является допустимой.

Особо важное значение имеет исследование распределения напряжений по горизонтальным и вертикальным сечениям конструкций с учетом их сложности, а также пересечений, наличия проемов и т. д., где происходит концентрация напряжений. При рассмотрении распределения нормальных напряжений в стене с прямоугольными окнами при действии вертикальных сил, равномерно распределенных по верхнему краю, оказалось, что в поперечном сечении стены нормальные напряжения распределяются весьма неравномерно. Между окнами они несколько больше среднего значения, а у края стены приблизительно в два раза меньше, чем у краев окон (рис. 7.25). При этом между отверстиями — окнами по среднему сечению возникают только касательные напряжения, которые больше чем в два раза превышают средние касательные напряжения в пластине.

По мере удаления от средней линии в поперечном сечении простенка начинают появляться нормальные растягивающие и сжимающие напряжения, которые быстро возрастают по мере увеличения этого расстояния. Так, в сечении II—IIони увеличиваются в три раза. Действующие в стене касательные напряжения вызывают растяжения по косым сечениям в простенках, что способствует образованию наклонных трещин. По нижней и верхней кромкам отверстия возникают большие нормальные напряжения, которые приводят к образованию в углах горизонтальных трещин.

Существенное влияние на работу кирпичных стен оказывает неодинаковая деформативность кладки, вызванная использованием кирпича различной высоты или из материалов, обладающих неодинаковыми упругопластическими свойствами (например, силикатного и глиняного кирпичей). Наиболее заметно это отражается на работе сильно нагруженных простенков с облицовкой из керамического щелевого камня. Как известно, основные деформации кирпичной кладки вызываются обжатием раствора, суммарная толщина которого в швах в пределах облицовки вдвое меньше, чем в остальной части сечения простенка. Повышенная жесткость облицовочного слоя создает предпосылки для его более сильного нагружения и появления в кладке трещин, которые часто не стабилизируются и в дальнейшем могут привести к существенному уменьшению несущей способности простенка. При хорошей связи облицовки частыми тычковыми рядами с основным материалом стен лицевые камни могут быть раздавлены без их отслоения и выпучивания.

В каменных зданиях в местах сопряжения продольных и поперечных различно нагруженных стен часто появляются наклонные или вертикальные сквозные трещины. Причиной их появления и дальнейшего развития чаще всего является различная сжимаемость неодинаково нагруженной кладки стен, жестко связанных в местах сопряжений перевязкой. Со временем, когда разность деформаций связанных стен достигает предельных значений, более нагруженные стены отделяются трещинами от менее нагруженных. Если связь между стенами прочная, то обычно появляются наклонные трещины (рис. 7.26). При плохой перевязке кладки в местах сопряжений стен возникают вертикальные трещины. Если бы между стенами отсутствовали связи, то разница деформаций стен была бы весьма значительной и достигла, например, в конструкции кирпичного дома высотой 8—9 этажей 2—3 см. Наличие же связей между стенами (перевязка кладки, шпонки, арматурные связи и т. п.) препятствует свободной деформа 

ции, в результате чего в зоне сопряжений стен создается состояние, характеризуемое напряжениями сдвига и растяжений. В тех случаях, когда возникающие касательные и главные напряжения достигают величин, превышающих расчетное сопротивление кладки, в стенах возникают косые или вертикальные трещины. Этому способствует малое сопротивление сдвигу и растяжению кирпичных стен. Заделка трещин раствором до окончания периода, в котором завершается процесс основной ползучести кладки (8—12 лет при кладке из силикатного кирпича и 4—6 лет при кладке из красного кирпича на растворах М50 (В4) и выше), не приводит к желаемым результатам, так как трещины вновь появляются на старых местах.

В крупнопанельных зданиях, стены которых расчленены на отдельные блоки-панели, существенно изменился характер работы конструкций. Эксплуатационные нагрузки в этих зданиях в отличие от зданий со сплошными (кирпичными) стенами воспринимаются отдельными панелями самостоятельно и до известной степени независимо друг от друга. Появление силовых трещин в этих зданиях связано с действием сложных концентраций нагрузок, вызванных перекосом или наклоном панелей, а также неравномерностью по толщине растворных швов. Экспериментально установлено, что существует вполне определенная связь между вероятностью появления трещин в наружных стеновых панелях и интенсивностью их нагружения; взаимосвязь между нагрузкой и процессом трещинообразования выше, чем между температурно-влажностными деформациями или усадкой бетона; схема армирования панели должна соответствовать ее напряженному состоянию, вызванному загружением панели.

Установлено также, что в 68 % осмотренных панелей трещине во внешнем слое обязательно соответствует трещина во внутреннем слое, который всегда находится в условиях постоянной температуры и влажности. При этом доказано существование значительных растягивающих напряжений в подоконном поясе панели, превосходящих предельные значения при расчетных нагрузках. Установлено, что положение нулевых точек перемычек панели зависит только от ее геометрии и не зависит от схемы загружения.

Противоположные направления от разрушения карнизов имеют место при распоре стропил (рис. 7.27). При жестком соединении конструкций могут происходить деформации стоек рамы, как это имело место в одном из зданий трехпролетного цеха от перемещения (распора) ферм (рис. 7.28).

Особым видом конструктивных деформаций является ползучесть, т. е. деформации, возникающие вследствие длительного действия нагрузки. Например, установившееся состояние кирпичной кладки достигается лишь после 4—5 лет эксплуатации. Ползучесть кладки в этот период составляет при нагрузке 0,1 МПа для силикатной кладки 0,03—0,05 см, для кладки из глиняного кирпича — 0,02 см.

Характерным проявлением ползучести в полносборных зданиях является податливость межпанельных металлических связей.