Настоящая книга является первым учебником по курсу „Каменные конструкции“. В основу книги положены новейшие экспериментальные и теоретические исследования автора и его сотрудников. В главах I—IV дается анализ напряженного состояния элементов каменных конструкций, находящихся в различных условиях нагружения. В главах V—IX излагаются основы расчета и конструирования элементов гражданских и промышленных зданий. Книга предназначена для слушателей и преподавателей втузов; вместе с тем она может служить пособием для инженеров-проектировщиков.

Предисловие
Введение

Глава I. Материалы для каменных конструкций
1. Маркировка камня и кирпича
2. Кирпич
3. Бетонные камни
4. Естественные камни
5. Растворы для кладки

Глава II. Основные требования к долговечности и прочности каменных сооружений
1. Классификация каменных сооружений по капитальности и требованиям морозостойкости
2. Коэффициенты запаса прочности и устойчивости

Глава III. Работа элементов каменных конструкций
1. Общая формула прочности кладок при сжатии
2. Сжатие кирпичной кладки. Три стадии разрушения
3. Анализ напряженного состояния отдельных кирпичей в кладке
4. Формулы прочности кирпичной кладки
5. Нормы допускаемых напряжений на кирпичную кладку
6. Влияние различных факторов на прочность кирпичной кладки
7. Сжатие кладки из блоков
8. Сжатие кладки из естественного камня
9. Бутобетон
10. Сцепление раствора с кирпичом или камнем
11. Растяжение кладки
12. Срез кладки
13. Упругие свойства кладки
14. Продольный изгиб
15. Особенности работы каменных конструкций при внецентренном сжатии
16. Расчет на внецентренное сжатие
17. Местные напряжения при сосредоточенных нагрузках (смятие)

Глава IV. Работа элементов армокаменных конструкций
1. Кирпичные столбы с косвенным сетчатым армированием
2. Кирпичные столбы с продольным армированием
3. Кирпичные столбы с жесткой арматурой и железобетонным ядром
4. Усиление кирпичных столбов обоймами
5. Железо-кирпичные балки

Глава V. Конструктивные схемы каменных зданий
1. Условия пространственной жесткости зданий
2. Расчет многоэтажных зданий с жесткой пространственной схемой (гражданского типа)
3. Расчет каменных стен здания, не имеющего жесткой конструктивной схемы (промышленного типа)
4. Обеспечение устойчивости зданий в процессе производства работ

Глава VI. Расчет и конструирование элементов каменных здании
1. Минимальные толщины стен и столбов
2. Определение изгибающих моментов в стенах от междуэтажных перекрытий и изменения сечения конструкции по высоте
3. Учет продольного изгиба при расчете стен и столбов
4. Ослабление стен и столбов бороздами
5. Расчет карнизов и парапетов
6. Перемычки
7. Многослойные стены
8. Тонкие кирпичные стены (перегородки)
9. Массивные фундаменты
10. Распределение местного давления в нижних слоях кладки
11. Расчет распределительных плит и балок под местные нагрузки
12. Рандбалки, поддерживающие каменные стены
13. Совместная работа стен

Глава VII. Расчет арок и сводов
1. Эмпирические формулы для предварительного назначения размеров и форм каменных сводов
2. Анализ приближенных методов расчета арок и сводов
3. Современные методы расчета арок и сводов

Глава VIII. Расчет каменных конструкций с учетом упругих свойств грунта
1. Коэффициенты постели грунта
2. Горизонтальное перемещение фундамента
3. Поворот фундамента вокруг оси, расположенной в плоскости подошвы
4. Поворот фундамента вокруг оси, лежащей на поверхности
5. Поворот фундамента вокруг оси, находящейся на некоторой глубине от поверхности    
6. Формулы для фундаментов с боковыми гранями сложного очертания (переменные ширины)
7. Учет сил трения по подошве фундамента
8. Поверка надежности заделки фундамента в грунт
9. Расчет конструкций, заделанных в грунт в зданиях с жесткой конструктивной схемой
10. Расчет конструкций, заделанных в грунт в зданиях, не имеющих жесткой конструктивной схемы

Глава IX. Деформационные швы
1. Конструктивные соображения
2. Температурные швы
3. Расчет температурных напряжений
4. Осадочные швы

Предисловие

Курс „Каменные конструкции“ является новой дисциплиной, еще не установившейся в отношении объема, содержания и методики изложения.

Автор полагает, что появление первого учебника по каменным конструкциям и опыт пользования им будут содействовать более четкому определению сущности предмета, его роли и значения.

Вследствие недостаточного количества часов, отводимого в настоящее время на преподавание упомянутого курса, часть материала дана в книге петитом и является необязательной для слушателей. Этот материал послужит для углубленного изучения некоторых теоретических и практических вопросов проектирования каменных конструкций.

Исследования каменных конструкций, проводимые в СССР, намного опередили соответствующие исследования за границей. Это дало возможность автору достроить учебник в основном на отечественном экспериментальном материале, в значительной степени на работах лаборатории каменных конструкций ЦНИПС, выполненных научными сотрудниками ЦНИПС под руководством автора.

Из числа научных исследований, положенных в основу учебника, отмечаются следующие наиболее крупные работы.

1. Ст. научный сотрудник, канд. техн. наук Семенцов С.А. — Работы по составлению и обоснованию проекта норм проектирования каменных конструкций. Исследования прочности кладки из крупных блоков, исследования балок- стенок и др.

2. Ст. научный сотрудник, канд. техн. наук Шишкин А. А. — Исследования прочности кладки из естественных камней и бутобетона.

3. Ст. научный сотрудник, инж. Котов И.Т. — Исследования прочности и упругих свойств кладки из кирпича и мелких блоков.

4. Ст. научный сотрудник, инж. Камейко В.А. — Исследования прочности армированной кладки с сетчатым и продольным армированием и железо-кирпичных балок.

5. Ст. научный сотрудник доц. Кравчени Н.И. — Исследования прочности кладки при внецентренном сжатии и прочности многослойных кладок.

Л. Онищик

Введение

Сооружения из естественного камня являются самым древним видом строительства, так как начало применения естественного камня для этой дели отдалено от нашей эпохи десятками тысячелетий. К несколько более позднему периоду, но также доисторическому, относится начало применения искусственного камня из глины вначале в виде высушенного на солнце сырцового кирпича, а потом и обожженного кирпича. Древнейшим памятником каменного строительства из сырцового кирпича считается сохранившаяся арка в портале гробницы в г. Уре в Халдее, достроенная примерно 6 000 лет тому назад.

Во все исторические времена и у всех народов естественный камень и кирпич были основными строительными материалами для каменного строительства. Некоторые из знаменитых египетских пирамид построены из сырцового кирпича и облицованы естественным камнем. Сохранилось большое количество выполненных из камня и кирпича великолепных памятников архитектуры древней Греции и Рима, средних веков и более поздних периодов.

В современном строительстве, несмотря на широкое применение металлических и железобетонных конструкций, каменная кладка из искусственного камня продолжает оставаться основным материалом для стен капитального строительства. При этом каменные стены не только служат наружным ограждением сооружений, но часто используются и как несущие конструкции.

Область применения кирпичных несущих стен у нас весьма велика. Основными причинами этого являются некоторые ограничения в расходовании металла для строительства зданий и отсутствие эффективных стеновых материалов высокого качества для каркасных конструкций.

Применение каменных конструкций для капитального строительства определяется также высокой стойкостью каменных материалов против атмосферных и химических воздействий. Эти же обстоятельства имеют своим следствием широкое использование естественного и искусственного камня для подземных сооружений: фундаментов, туннелей, колодцев, труб, коллекторов, подпорных стен и т. п.

Каменные конструкции, применяемые в современном строительстве, могут быть для изучения разбиты на две основные группы: 1) конструкции зданий гражданских и промышленных и 2) конструкции специальных сооружений промышленности и транспорта. Настоящий учебник охватывает только конструкции первой группы, а именно конструкции зданий, которые по объему применения являются преобладающими в строительстве. Что касается второй группы каменных конструкций, обширной по номенклатуре, но значительно уступающей первой группе по объему применения, то все основные данные по прочности и расчету напряжении распространяются и на эти конструкции. К этой группе относятся каменные фабричные дымовые трубы, силосные башни, резервуары, подпорные стены, туннели, коллекторы и т. п.

В свою очередь каменные конструкции зданий подразделяются на две группы: 1) конструкции гражданских зданий и 2) конструкции промышленных зданий. Хотя между этими группами зданий с точки зрения конструирования и нет резкой границы, так как некоторые промышленные здания но конструкциям и статической схеме не отличаются от гражданских, тем не менее если не считаться с переходной группой зданий и рассматривать основные типы, то мы должны констатировать расхождение главным образом в отношении общей статической схемы здания в целом.

Здания гражданского типа обычно имеют большое количество поперечных стен и перекрытий, которые служат опорами для стен при горизонтальной нагрузке и позволяют рассматривать все здание как систему пространственно связанных между собой пластин, создающих большую устойчивость и пространственную жесткость здания.

Такие здания классифицированы в данном учебнике как здания с жесткой конструктивной схемой.

В промышленных зданиях мы имеем большие высоты стен между перекрытиями и большие пролеты между поперечными стенами. Взаимное опирание стен в этих зданиях не может обеспечить их устойчивость при действии ветровой нагрузки. Необходимо, чтобы устойчивость стен была обеспечена их весом и заделкой в грунт.

Такие здания отнесены нами к группе зданий, не имеющих жесткой конструктивной схемы.

Из различных каменных материалов, применяемых в строительстве зданий, преобладающее место занимает красный кирпич. Этот материал далеко не во всех отношениях отвечает современным требованиям как материал для стен. Основным недостатком его является большой объемный вес и следовательно высокая теплопроводность, требующая большой толщины наружных стен.

Другим недостатком является мелкоштучность кирпича, исключающая возможность механизации процесса кладки. Тем не менее достижения стахановцев за последние годы привели к невиданным ранее темпам возведения кирпичной кладки. Скорость роста кладки сейчас может быть доведена в среднем по всему периметру до 1 м высоты в смену и более.

В результате этого кирпичная кладка относится сейчас к таким работам, которые не задерживают темпов скоростного строительства. Быстрым темпам кирпичной кладки способствуют простота и однородность производственного процесса. Правильная организация кирпичной кладки не представляет затруднений для строителей. Все эти производственные достоинства кирпичной кладки создают предпосылки для широкого применения кирпичной кладки, и на сегодня кирпич является основным материалом для капитального строительства.

В дополнение к кирпичу все большее применение находят искусственные камни на базе бетонов с легкими заполнителями, главным образом шлаками. Эти материалы применяются в виде мелких и крупных блоков.

Последний вид материала — крупные блоки — разрешают задачу индустриализации каменного строительства. Блоки изготовляются на хорошо оборудованных заводах. На наружную поверхность блоков наносится отделочный слой. В результате этого каждый блок представляет собой вполне законченный участок стены, и производственный процесс на стройке сводится к монтажу стен из готовых блоков.

Крупные блоки пока занимают очень небольшое место в нашем строительстве, что объясняется трудностями освоения этого вида строительства и создания для него производственной базы.

Значительно проще организация производства мелких блоков. Многие районы имеют огромные запасы сырья (шлака) для этих блоков, тем не менее объем производства их еще далеко недостаточен. Внедрению их препятствует высокая стоимость мелких блоков при кустарном их производстве. Для разрешения этой проблемы должна быть взята установка на организацию хорошо механизированных предприятий по изготовлению бетонных камней с достаточно большим объемом производства. Только при этих условиях кладка из мелких блоков может экономически конкурировать с кирпичной кладкой и вытеснить ее.

Естественный камень тяжелых пород в современном строительстве находит повсеместное применение в фундаментах в виде бутовой кладки. Этот вид кладки по трудоемкости, кустарному характеру производства и высокой стоимости не отвечает современным требованиям. В дальнейшем бут сохранится только как местный материал. В фундаментах он будет вытеснен в основном бетоном. Сейчас широкое применение начинает получать промежуточный вид кладки между бутом и бетоном, так называемый бутобетон.

Кладка из естественного камня правильной формы (имевшая широкое применение в прошлом) обладает очень высокими техническими качествами. Однако трудность обработки естественного камня и высокая стоимость такой кладки привели к тому, что этот вид кладки при строительстве зданий в настоящее время уже не находит применения. Естественный камень применяется в небольшом объеме для облицовки некоторых зданий, где предъявляются повышенные требования к их архитектурному оформлению. Но и здесь в последнее время отдается предпочтение искусственным облицовочным материалам как более дешевым.

Из других видов естественного камня в южных областях Союза имеют широкое применение для кладки стен местные легкие породы камня: ракушечник и туф. Эти материалы имеют все предпосылки для дальнейшего более широкого их применения.

Таков краткий перечень основных видов кладки, применяемых для каменных конструкций зданий.

В последнее время большое внимание уделяется армированным каменным конструкциям. Начало их применения относится к весьма отдаленным временам. Основная идея этих конструкций заключается в повышении прочности кладки на растяжение путем введения в конструкцию металла для восприятия растягивающих усилий. Мы имеем полную аналогию с железобетоном. Можно считать железобетон частным случаем армокаменных конструкций.

Основной разновидностью собственно армокаменных конструкций кроме железобетона являются железокирпичные конструкции. Применение их надолго опередило применение железобетона.

Изобретателем железокирпичных конструкций является строитель Лондонского метрополитена Марк Брюннель, по предложению которого в 1813 г. была построена железокирпичная фабрично-заводская труба. Как известно, первый патент Монье на железобетон относится к 1867 г. В большом масштабе армированная кладка была применена Брюннелем при сооружении туннеля под Темзой в 1825 г.

В дальнейшем железокирпичные конструкции применялись в Англии многими другими строителями.

В США первым крупным железокирпичным сооружением является резервуар для воды в Вашингтоне диаметром 36 м с высотой уровня воды 6 м, построенный в 1853 г.

Следует отметить, что железокирпичные конструкции в дальнейшем широкого развития не получили. Причину этого следует видеть в том, что как раз к данному периоду относится развитие новых железобетонных конструкций, которые произвели целую революцию в строительном деле.

Все внимание строителей и научно-исследовательских работников было сосредоточено на изучении этих новых конструкций. Однако в последнее время применение железокирпичных конструкций заметно возросло.

Большой интерес к железокирпичным конструкциям наблюдается в современном строительстве США. Лабораториями Бюро стандартов, учебных заведений и других организаций проводятся обширные экспериментальные исследования работы различных железокирпичных конструкций.

В нашем строительстве в последние годы железокирпичные конструкции находят все более широкое разнообразное применение.

В 1931—1933 гг. в Москве был возведен ряд пятиэтажных домов с железо-кирпичным каркасом по предложению инж. Кучерова. В этих домах кирпичные столбы каркаса были связаны железокирпичными прогонами из кирпичной кладки на ребро.

К 1932 г. относится начало применения железо-кирпичных рандбалок, перекрывающих пролеты до 4—5 м между столбами фундаментов промышленных зданий. Такие рандбалки служат основанием для возведения стен.

Большая группа разнообразных армокаменных конструкции была предложена проф. В. II. Некрасовым. Из этих предложений в практике строительства применяются кирпичные столбы с сетчатым армированием.

Имеется ряд случаев, где применение железокирпичных конструкций безусловно более целесообразно, чем применение железобетона.

Сюда относятся случаи усиления отдельных участков несущих кирпичных стен (перемычки, простенки и т. п.). Вкрапление железобетона в кладку в виде несущих колонн или балок крайне нежелательно прежде всего с точки зрения производства работ. Для выполнения этих конструкций приходится прерывать процесс кладки, переводить каменщиков на другое рабочее место, пока будет выполнен целый ряд работ: установка опалубки, укладка арматуры и бетонировка. Как мы уже отмечали, современной кирпичной кладке свойственны весьма быстрые темпы, и всякое вкрапление небольших железобетонных работ является крайне нежелательным, так как резко снижает темпы работы и вносит осложнения в простой производственный процесс кирпичной кладки. Железобетонные рандбалки, колонны, перемычки более уместны в зданиях с железобетонным каркасом. При железокирпичных конструкциях заготовленная на стороне арматура устанавливается на место самими каменщиками и закладывается кирпичной кладкой без нарушения производственного процесса.

В пользу железокирпичных конструкций говорит также большая эффективность арматуры при сетчатом армировании кирпичных столбов.

Расход кладки хотя и превышает расход бетона, во сравнительно в небольших пределах, так как напряжения в кладке с сетчатым армированием при применении прочного кирпича могут доходить до 30 кг/см2.

Если от конструкции требуются помимо прочности также и определенные теплотехнические показатели, то применение железобетонных конструкций связано с необходимостью их утепления, чтобы восполнить большую теплопроводность бетона. При железокирпичных конструкциях никаких конструктивных мер для утепления не требуется.

Конечно, область целесообразного применения железокирпичных конструкций имеет свои границы, определяемые особенностями этих конструкций, отмеченные далее в соответствующих разделах курса.

В каждом отдельном случае вопрос о преимуществе железобетонной или железокирпичной конструкции должен решаться на основе всестороннего анализа всех факторов.

Научные основы расчета и конструирования каменных и армокаменных конструкций разработаны сравнительно недавно. В прошлом как у нас, так и за границей детального расчета каменных конструкций не производилось. Прогресс в конструировании каменных зданий происходил медленно на основе практического опыта прошлого строительства. И только в последний период, уже после империалистической войны 1914—1918 гг., началось серьезное экспериментальное изучение каменных и армокаменных конструкций в США и других странах. В СССР систематическое экспериментальное изучение каменных конструкций было начато в 1932 г. в ЦНИПС. На основе этих работ (1932—1939 гг.) изданы нормы проектирования каменных конструкций. Те же экспериментальные материалы явились основанием для настоящего учебника.

Курс каменных конструкций имеет своей задачей сообщить студентам знания в области расчета и конструирования каменных зданий и притом не изолированно, а в общем комплексе других учебных дисциплин.

Курс начинается с изложения сведений о механических свойствах каменных материалов. Эти сведения являются дополнительными к ранее пройденному слушателями курсу „Строительные материалы“. Из вопросов конструирования охвачены только те, которые определяют прочность и устойчивость зданий и их элементов. Другие вопросы конструирования каменных степ как ограждающих конструкций и детали сопряжения каменных конструкций с элементами зданий излагаются в курсах архитектуры зданий.