Расчет устойчивости кирпичной стены.  О минимальной толщине несущих кирпичных стен

В.В. Габрусенко

Нормы проектирования (СНиП II-22-81) разрешают принимать минимальную толщину несущих каменных стен для кладки I группы в пределах от 1/20 до 1/25 высоты этажа. При высоте этажа до 5 м в эти ограничения вполне вписывается кирпичная стена толщиной всего 250 мм (1 кирпич), чем и пользуются проектировщики - особенно часто в последнее время.

С точки зрения формальных требований, проектировщики действуют на вполне законном основании и энергично сопротивляются, когда кто-то пытается их намерениям препятствовать.

Между тем тонкие стены наиболее сильно реагируют на всевозможные отклонения от проектных характеристик. Причем даже на такие, которые официально допустимы Нормами правил производства и приемки работ (СНиП 3.03.01-87). В их числе: отклонения стен по смещению осей (10 мм), по толщине (15 мм), по отклонению на один этаж от вертикали (10 мм), по смещению опор плит перекрытия в плане (6…8 мм) и пр.

К чему приводят эти отклонения, рассмотрим на примере внутренней стены высотой 3,5 м и толщиной 250 мм из кирпича марки 100 на растворе марки 75, несущей расчетную нагрузку от перекрытия 10 кПа (плиты пролетом по 6 м с обеих сторон) и веса вышележащих стен. Стена рассчитана на центральное сжатие. Её расчетная несущая способность, определенная по СНиП II-22-81, составляет 309 кН/м.

Допустим, что нижняя стена смещена от оси на 10 мм влево, а верхняя стена - на 10 мм вправо (рисунок). Кроме того, на 6 мм вправо от оси смещены плиты перекрытия. То есть, нагрузка от перекрытия N 1 = 60 кН/м приложена с эксцентриситетом 16 мм, а нагрузка от вышележащей стены N 2 - с эксцентриситетом 20 мм, тогда эксцентриситет равнодействующей составит 19 мм. При таком эксцентриситете несущая способность стены снизится до 264 кН/м, т.е. на 15%. И это - при наличии всего двух отклонений и при условии, что отклонения не превышают допустимые Нормами значения.

Если добавить сюда несимметричное нагружение перекрытий временной нагрузкой (справа больше, чем слева) и «допуски», которые позволяют себе строители, - утолщение горизонтальных швов, традиционно плохое заполнение вертикальных швов, некачественная перевязка, искривление или наклон поверхности, «подмолаживание» раствора, чрезмерное использование половняка и т. д. и т. п., - то несущая способность может снизиться еще не менее чем на 20…30%. В итоге перегрузка стены превысит величину 50…60%, за которой начинается необратимый процесс разрушения. Процесс этот проявляется не всегда сразу, бывает - спустя годы после завершения строительства. Причем надо иметь в виду, что чем меньше сечение (толщина) элементов, тем сильнее отрицательное влияние перегрузок, поскольку с уменьшением толщины уменьшается возможность перераспределения напряжений в пределах сечения за счет пластических деформаций кладки.

Если добавить ещё неравномерные деформации оснований (вследствие замачивания грунтов), чреватые поворотом подошвы фундамента, «зависанием» наружных стен на внутренних несущих стенах, образованием трещин и снижением устойчивости, то речь уже пойдет не просто о перегрузке, а о внезапном обрушении.

Сторонники тонких стен могут возразить, что для всего этого нужно слишком большое сочетание дефектов и неблагоприятных отклонений. Ответим им: подавляющее большинство аварий и катастроф в строительстве происходит именно тогда, когда в одном месте и в одно время собирается несколько негативных факторов - в этом случае «слишком много» их не бывает.

Выводы

Толщина несущих стен должна составлять не менее 1,5 кирпичей (380 мм). Стены толщиной в 1 кирпич (250 мм) допускается применять только для одноэтажных или для последних этажей многоэтажных зданий.

Это требование следует внести в будущие Территориальные нормы проектирования строительных конструкций и зданий, необходимость в разработке которых давно назрела. Пока же можно только порекомендовать проектировщикам избегать применения несущих стен толщиной менее 1,5 кирпичей.

Наружные несущие стены должны быть, как минимум, рассчитаны на прочность, устойчивость, местное смятие и сопротивление теплопередаче. Чтобы узнать, какой толщины должна быть кирпичная стена , нужно произвести ее расчет. В этой статье мы рассмотрим расчет несущей способности кирпичной кладки, а в следующих статьях - остальные расчеты. Чтобы не пропустить выход новой статьи, подпишитесь на рассылку и вы узанете какой должна быть толщина стены после всех расчетов. Так как наша компания занимается строительством коттеджей, то есть малоэтажным строительством, то все расчеты мы будем рассматривать именно для этой категории.

Несущими называются стены, которые воспринимают нагрузку от опирающихся на них плит перекрытий, покрытий, балок и т.д.

Также следует учесть марку кирпича по морозостойкости. Так как каждый строит дом для себя, как минимум на сто лет, то при сухом и нормальном влажностном режиме помещений принимается марка (М рз) от 25 и выше.

При строительстве дома, коттеджа, гаража, хоз.построек и др.сооружений с сухим и нормальным влажностным режимом рекомендуется применять для наружных стен пустотелый кирпич, так как его теплопроводность ниже, чем у полнотелого. Соответственно, при теплотехническом расчете толщина утеплителя получится меньше, что сэкономит денежные средства при его покупке. Полнотелый кирпич для наружных стен необходимо применять только при необходимости обеспечения прочности кладки.

Армирование кирпичной кладки допускается только лишь в том случае, когда увеличение марки кирпича и раствора не позволяет обеспечить требуемую несущую способность.

Пример расчета кирпичной стены.

Несущая способность кирпичной кладки зависит от многих факторов - от марки кирпича, марки раствора, от наличия проемов и их размеров, от гибкости стен и т.д. Расчет несущей способности начинается с определения расчетной схемы. При расчете стен на вертикальные нагрузки, стена считается опертой на шарнирно-неподвижные опоры. При расчете стен на горизонтальные нагрузки (ветровые), стена считается жестко защемленной. Важно не путать эти схемы, так как эпюры моментов будут разными.

Выбор расчетного сечения .

В глухих стенах за расчетное принимается сечение I-I на уровне низа перекрытия с продольной силой N и максимальным изгибающим моментом М. Часто опасным бывает сечение II-II , так как изгибающий момент чуть меньше максимального и равен 2/3М, а коэффициенты m g и φ минимальны.

В стенах с проемами сечение принимается на уровне низа перемычек.

Давайте рассмотрим сечение I-I.

Из прошлой статьи Сбор нагрузок на стену первого этажа возьмем полученное значение полной нагрузки, которая включает в себя нагрузки от перекрытия первого этажа P 1 =1,8т и вышележащих этажей G=G п +P 2 +G 2 = 3,7т:

N = G + P 1 = 3,7т +1,8т = 5,5т

Плита перекрытия опирается на стену на расстоянии а=150мм. Продольная сила P 1 от перекрытия будет находиться на расстоянии а / 3 = 150 / 3 = 50 мм. Почему на 1/3? Потому что эпюра напряжений под опорным участком будет в виде треугольника, а центр тяжести треугольника как раз находится на 1/3 длины опирания.

Нагрузка от вышележащих этажей G считается приложенной по центру.

Так как нагрузка от плиты перекрытия (P 1) приложена не по центру сечения, а на расстоянии от него равном:

e = h/2 - a/3 = 250мм/2 - 150мм/3 = 75 мм = 7,5 см,

то она будет создавать изгибающий момент (М) в сечении I-I. Момент - это произведение силы на плечо.

M = P 1 * e = 1,8т * 7,5см = 13,5 т*см

Тогда эксцентриситет продольной силы N составит:

e 0 = M / N = 13,5 / 5,5 = 2,5 см

Так как несущая стена толщиной 25см, то в расчете следует учесть величину случайного эксцентриситета e ν =2см, тогда общий эксцентриситет равен:

e 0 = 2,5 + 2 = 4,5 см

y=h/2=12,5см

При e 0 =4,5 см < 0,7y=8,75 расчет по раскрытию трещин в швах кладки можно не производить.

Прочность кл адки внецентренно сжатого элемента определяется по формуле:

N ≤ m g φ 1 R A c ω

Коэффициенты m g и φ 1 в рассматриваемом сечении I-I равны 1.

Необходимость расчета кирпичной кладки при строительстве частного дома очевидна любому застройщику. При строительстве жилых зданий используется клинкерный и красный кирпич, отделочный кирпич применяется для создания привлекательного внешнего вида наружной поверхности стен. Каждая марка кирпича имеет свои специфические параметры и свойства, но различие в размерах между разными марками минимально.

Максимальное количество материала можно рассчитать, определив общий объем стен и разделив его на объем одного кирпича.

Клинкерный кирпич используется для строительства элитных домов. У него большой удельный вес, привлекательный внешний вид, высокая прочность. Ограниченное использование вызвано высокой стоимостью материала.

Наиболее популярным и востребованным материалом является красный кирпич. Он обладает достаточной прочностью при сравнительно небольшом удельном весе, легко обрабатывается, мало подвержен воздействию окружающей среды. Недостатки — неряшливые поверхности с большой шероховатостью, способность впитывать воду при высокой влажности. В нормальных условиях эксплуатации эта способность не проявляется.

Для укладки кирпичей существует два метода:

• тычковый;
• ложковый.

При укладке тычковым методом кирпич укладывается поперек стены. Толщина стены должна быть не менее 250 мм. Наружная поверхность стены будет состоять из торцевых поверхностей материала.

При ложковом методе кирпич укладывается вдоль. Снаружи оказывается боковая поверхность. Этим способом можно выкладывать стены в полкирпича — толщиной 120 мм.

Что нужно знать для расчета

Максимальное количество материала можно рассчитать, определив общий объем стен и разделив его на объем одного кирпича. Полученный результат будет приблизительным и завышенным. Для более точного расчета необходимо учесть следующие факторы:

• размер кладочного шва;
• точные размеры материала;
• толщина всех стен.

Производители довольно часто по разным причинам не выдерживают стандартные размеры изделий. Красный кладочный кирпич по ГОСТу должен иметь размеры 250х120х65 мм. Во избежание ошибок, лишних материальных затрат желательно уточнить у поставщиков размеры имеющегося в наличии кирпича.

Оптимальная толщина наружных стен для большинства регионов равна 500 мм, или в 2 кирпича. Такой размер обеспечивает высокую прочность здания, хорошую теплоизоляцию. Недостатком является большой вес строения и, как следствие, давление на фундамент и нижние слои кладки.

Размер кладочного шва в первую очередь будет зависеть от качества раствора.

Если для приготовления смеси использовать крупнозернистый песок, ширина шва увеличится, с мелкозернистым — шов можно сделать тоньше. Оптимальная толщина кладочных швов равна 5-6 мм. При необходимости допускается выполнять швы толщиной от 3 до 10 мм. В зависимости от размера швов и способа укладки кирпича можно сэкономить некоторое его количество.

Для примера возьмем толщину шва 6 мм и ложковый способ укладки кирпичных стен. При толщине стены 0,5 м нужно уложить в ширину 4 кирпича.

Суммарная ширина зазоров составит 24 мм. Укладка 10 рядов по 4 кирпича даст суммарную толщину всех зазоров в 240 мм, что почти равно длине стандартного изделия. Общая площадь кладки при этом будет примерно 1,25 м 2 . Если кирпичи уложены вплотную, без зазоров, в 1 м 2 помещается 240 шт. С учетом зазоров расход материала составит примерно 236 штук.

Вернуться к оглавлению

Методика расчета несущих стен

При планировании наружных размеров здания желательно выбирать значения кратные 5. С такими цифрами проще выполнять расчет, затем выполнять в реальности. При планировании строительства 2 этажей следует просчитывать количество материала поэтапно, для каждого этажа.

Вначале выполняется расчет наружных стен на первом этаже. Для примера можно взять здание с размерами:

• длина = 15 м;
• ширина = 10 м;
• высота = 3 м;
• толщина стен в 2 кирпича.

По этим размерам нужно определить периметр строения:

(15 + 10) х 2 = 50

3 х 50 = 150 м 2

Рассчитав общую площадь, можно определить максимальное количество кирпича для строительства стены. Для этого нужно умножить определенное ранее количество кирпичей для 1 м 2 на общую площадь:

236 х 150 = 35 400

Результат неокончательный, стены должны иметь проемы для установки дверей и окон. Количество входных дверей может варьироваться. У небольших частных домов обычно одна дверь. Для зданий больших размеров желательно планировать два входа. Количество окон, их размеры и место расположения определяются внутренней планировкой здания.

В качестве примера можно взять 3 оконных проема на 10-метровую стену, по 4 на 15-метровые стены. Одну из стен желательно выполнять глухой, без проемов. Объем дверных проемов можно определить по стандартным размерам. При отличии размеров от стандартных объем можно рассчитать по габаритным размерам, добавив к ним ширину монтажного зазора. Для расчета следует воспользоваться формулой:

2 х (А х В) х 236 = С

где: А — ширина дверного проема, В — высота, С — объем в количестве кирпичей.

Подставив стандартные значения, получим:

2 х (2 х 0,9) х 236 = 849 шт.

Объем оконных проемов рассчитывается аналогично. При размерах окон 1,4 х 2,05 м объем составит 7450 штук. Определить количество кирпичей на температурный зазор просто: нужно длину периметра умножить на 4. В результате получится 200 штук.

35400 — (200 + 7450 + 849) = 26 901.

Приобретать необходимое количество следует с небольшим запасом, потому что во время работы возможны ошибки и прочие непредвиденные ситуации.

В статье представлен пример расчета несущей способности кирпичной стены трехэтажного бескаркасного здания с учетом выявленных в ходе ее осмотра дефектов. Подобные расчеты относятся к категории «проверочных» и выполняются обычно в рамках детального визуально-инструментального обследования зданий.

Несущая способность центрально- и внецентренно — сжатых каменных столбов определяется на основании данных о фактической прочности материалов кирпичной кладки (кирпича, раствора) в соответствии с разделом 4 .

Для учета выявленных в ходе обследования дефектов в формулы СНиП вводится дополнительный понижающий коэффициент, учитывающий снижение несущей способности каменных конструкций (Ктр) в зависимости от характера и степени обнаруженных повреждений по таблицам гл. 4 .

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Проверим несущую способность внутренней несущей каменной стены 1-го этажа по оси «8» м/о «Б»-«В» на действие эксплуатационных нагрузок с учетом выявленных в ходе ее обследования дефектов и повреждений.

Исходные данные:

— Толщина стены: dст=0,38 м
— Ширина простенка: b=1,64 м
— Высота простенка до низа плит перекрытий 1 этажа: H=3,0 м
— Высота вышележащего столба кладки: h=6,5 м
— Площадь сбора нагрузок от перекрытий и покрытия: Sгр=9,32 м2
— Расчетное сопротивление кладки cжатию: R=11,05 кг/см2

В ходе осмотра стены по оси «8» зафиксированы следующие дефекты и повреждения (см. фото ниже): массовое выпадение раствора из швов кладки на глубину более 4 см; смещение (искривление) горизонтальных рядов кладки по вертикали до 3 см; множественные вертикально ориентированные трещины раскрытием 2-4 мм (в т.ч. по растворным швам), пересекающие от 2 до 4 горизонтальных рядов кладки (до 2-х трещин на 1 м стены).

Пустошовка	Растрескивание кирпича	Искривление рядов кладки

По совокупности выявленных дефектов (с учетом их характера, степени развития и площади распространения), в соответствии с , несущая способность рассматриваемого простенка должна быть снижена не менее чем на 30%. Т.е. коэффициент снижения несущей способности простенка принимается равным — Ктр=0,7. Схема для сбора нагрузок на простенок приведена ниже на Рис.1.

РИС.1. Схема для сбора нагрузок на простенок

I. Сбор расчетных нагрузок на простенок

II. Расчет несущей способности простенка

(п. 4.1 СНиП II-22-81)

Количественная оценка фактической несущей способности кирпичного центрально сжатого простенка (с учетом влияния обнаруженных дефектов) на действие расчетной продольной силы N, приложенной без эксцентриситета, сводится к проверке выполнения следующего условия (формула 10 ):

Nс=mg×φ×R×A×Kтр ≥ N (1)

Согласно результатам прочностных испытаний расчетное сопротивление кладки стены по оси «8» сжатию составляет R=11,05 кг/см2 .
Упругая характеристика кладки согласно п.9 Таблицы 15(К) равна: α=500.
Расчетная высота столба: l0=0,8×H=0,8×300=240 см.
Гибкость элемента прямоугольного сплошного сечения: λh=l0 / dст=240/38=6,31.
Коэффициент продольного изгиба φ при α=500 и λh=6,31 (по Таблице 18): φ=0,90.
Площадь поперечного сечения столба (простенка): A=b×dст=164×38=6232 см2.
Т.к. толщина рассчитываемой стены более 30 см (dст=38 см), коэффициент mg принимается равным единице: mg=1.

Подставив полученные значения в левую часть формулы (1), определим фактическую несущую способность центрально-сжатого неармированного кирпичного простенка Nс :

Nс=1×0,9×11,05×6232×0,7=43 384 кгс

III. Проверка выполнения условия прочности (1)

[ Nc=43384 кгс ] > [ N=36340,5 кгс ]

Условие прочности выполнено: несущая способность кирпичного столба Nс с учетом влияния выявленных дефектов оказалась больше значения суммарной нагрузки N .

Список источников:
1. СНиП II-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции».
2. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. ЦНИИСК им. Курченко, Госстрой.