Что нас убеждает в строительстве больше всего – конечно, время, этот волшебник, который привык всё расставлять по местам.
Эти колонны из кирпича заслужили всеобщее признание и применение ещё в старую «недобрую» римскую эпоху, и, ведь, стоят до сих пор и продолжают нас восхищать и учить на совесть сделанной работе.
Почти по Грибоедову – «учились бы на старших глядя»
Что удивительно, технологии создания кирпичных колонн с тех пор совершенно не изменились. Да появились новые материалы, ассортимент кирпича на рынке просто огромен, но технологии всё те же.
Новое – это, безусловно, расчёт
В эпоху фараонов, как считают, даже пирамиды во многом строились по наитию, просто исходя из огромного опыта и интуиции. Нет, расчёт был и ещё какой – сооружения египтян строго выровнены по сторонам света, все тысячетонные камни подогнаны друг к другу до миллиметра, но строгой математики было немного. Что уж говорить о колоннах, а ведь строили, и ещё какие, на века.
Расчёт для всех
Расчет кирпичной колонны состоит из ряда последовательных шагов.
Сначала определяемся с исходными данными:
- размер,
- марка кирпича (прочность).
Затем на первом шаге рассчитываем колонну на прочность, которая в некоторой степени зависит от района возведения. Этот расчёт производится, если колонна возводится не сама по себе, а она будет нести нагрузку, в частности снеговую. Но одно дело зима в Нарьян-Маре и совсем другое дело в Адлере.
Поэтому, в качестве дополнительных данных определяем:
- нагрузку на кровлю (снеговую) – P;
- вес самой кровли — W.
Формула расчёта нагрузки на колонну со стороны кровли имеет вид:
- Nk = 5 x 8 x (1,25 x P + W) / 4,
где числа – стандартные коэффициенты.
Если предполагается, что колонна должна нести на себе ещё и террасу, нагрузка на квадратный метр которой, усредненно принимается в килограммах за Ws, то формула расчёта нагрузки со стороны террасы принимает вид:
- Nt = 5 x 8 x Ws / 4.
Определяем вес самой колонны:
- Nd = 1500 x 0,38 x 0,38 x D,
где D – длина колонны.
Таким образом, вычисляем суммарную нагрузку на колонну в сечении около фундамента:
- N = 0,9 x (Nk + Nt + Nd),
где 0,9 – коэффициент уменьшения вследствие временного разброса нагрузок в летнее и зимнее время.
Полезный совет!
Данный расчёт приведён для основной колонны всего сооружения – если их три, то для средней.
Обычно принимается нагрузка на крайние в 2 раза меньше.
Напомним также, что марка кирпича обозначает нагрузку в килограммах на квадратный сантиметр, которую может выдержать кирпич.
Если M75, то 75 кг на кв.см.
Важный шаг расчёта – определение прочности кирпичной кладки
Необходимо иметь в виду, что прочность кладки зависит и от прочности применяемого раствора.
Таким образом, имея:
- таблицы СНиП II-22-81 от 1995 года,
- площадь сечения колонны – S,
- коэффициент условий работы (рекомендуется 0,8, если площадь сечения меньше 0,3 кв.м),
получаем расчётное сопротивление колоны:
- Nr = 0,8 x T,
где T – табличные данные.
Исходя из ранее полученной величины N, получаем максимальное сжимающее напряжение:
- Nmax = N / (10000 x S).
Если Nr оказывается меньше Nmax, то необходимо:
- использовать кирпич больше прочности, или,
- увеличивать сечение колоны, или,
- использовать поперечное армирование кладки.
Для начала точно представьте себе схему кладки — от самого основания фундамента до колпака
Определение устойчивости кирпичной колонны
- N ≤ m x φ x R x F,
где:
- m — коэффициент длительности нагрузки. Для обычных колонок без нагрузки этот коэффициент равен 1, хотя, если нагрузка присутствует, он требует очень внимательного отношения и обращения к справочникам.
- φ — коэффициент продольного изгиба.
Данный коэффициент зависит от гибкости колонны, который в свою очередь зависит от её высоты и вычисляется по формуле:
- L = H/h,
где:
- h – реальная высота колонны,
- H – приведённая высота, исходя из условий эксплуатации, если колонна не испытывает нагрузки, то H равна h и L, таким образом, равна 1.
- R – табличная характеристика, учитывающая условия эксплуатации;
- F – площадь сечения в кв.см.
Если полученное значение будет меньше N, то колонна требует усиления.
Нюансы работы с фундаментом
Успехом всего дела по сооружению любой вертикальной конструкции является фундамент.
Качество фундамента особенно важно для колонн, которые характеризуются повышенной нагрузкой на единицу площади фундамента.
- Во-первых, необходимо определить характер грунта . Если грунт склонен к аккумулированию влаги, так называемый, пучинистый, то лучшим выходом при создании фундамента колонны будет полное извлечение грунта и замена его на мелкую щебёнку или смесь щебёнки с песком.
Будете вы использовать двойной силикатный кирпич М 150 или любой другой, он должен точно соответствовать дизайну всех построек вашего дома. На фото — тщательно следим за фундаментом
- Во-вторых, чтобы помочь себе в выстраивании идеальной вертикальной линии колонны можно забетонировать в её основание стальную трубу . В дальнейшем она будет являться сердцевиной всей колонны.
- В-третьих, особое внимание уделите основанию сооружения
. Основание всегда должно представлять из себя пирамидальную структуру из 3-4 «слоёв».
Каждый последующий слой – приближение к размерам самой колонны. Самый внешний – 20-30% больше размеров колонны.
- В-четвёртых, очень тщательно проводите укладку раствора – его толщина должна быть не меньше десятой части толщины кирпича . Перед использованием кирпичи необходимо некоторое время выдержать в воде до окончательного выхода из них пузырьков воздуха.
- В-пятых. Сберегая общий вес колонны или предполагая использовать её внутреннюю полость для проводки коммуникаций, вы можете сделать колонну полой
. При этом ни в коем случае не допускайте попадания внутрь влаги – в зимнее время года влага просто «разорвёт» всю конструкцию.
Как вывод – обязательно тщательно бетонируйте верхнюю поверхность колоны, делайте её покатой или, лучше всего, используйте сверху колпак.
- В-шестых, в целях усиления и выравнивания конструкции очень полезно вертикальные ряды кирпичей перемежать сплошными слоями из деревянных или металлических «пластин» .
Выводы
Характер сооружения кирпичной колонны, её характеристики зависят от ее назначения – является ли она составляющей забора и, таким образом, не будет нести практически никакой вертикальной нагрузки, или колонна будет служить для поддержки навеса или даже мансарды (Читайте также статью ). Во втором случае также имеются значительные расчётные и конструкторские нюансы.
Цена ошибки в расчётах и сооружении довольно велика. Поэтому уделите расчётам самое пристальное внимание. При сооружении самой конструкции, если речь идёт о прочности, то лучше слегка перестраховаться и сделать больше необходимого, чем полениться и что-то не включить в работу.
Элементами внутреннего каркаса малоэтажных домов с несущими наружными кирпичными стенами могут служить железобетонные колонны и кирпичные столбы. Кирпичные столбы выкладывают из отборного полнотелого кирпича на растворе высоких марок . Минимальное сечение несущего кирпичного столба (Рис.1, а ) принимают 510 х 380 мм .
При незначительных нагрузках и высоте столбы могут иметь сечение 380 х 380 мм . Для увеличения несущей способности кирпичных столбов и при высоте их 5 м и более кладку целесообразно армировать . В каждом этаже по столбам укладывают на уровне перекрытий прогоны - обычно сборные железобетонные прямоугольные или таврового сечения. Для равномерного распределения давления от прогонов на кладку столба под их концы укладывают железобетонные плиты (Рис. 2, б)
Кладка кирпичных столбов
Кирпичные столбы имеют квадратную и прямоугольную форму. Их кладку ведут по трехрядной системе перевязки (Рис. 2 ), соблюдая перевязку швов, так как многорядная система перевязки не обеспечивает монолитности и требуемой прочности столбов, а однорядная очень трудоемка.
Простенки
Простенки шириной до 1 м выкладывают по трехрядной системе перевязки (Рис. 3 ), а шириной более 1 м (4 кирпичей) можно выкладывать и по многорядной системе. При трехрядной системе перевязки для образования в простенках четвертей (выступов из кирпича в сторону проема) в первом тычковом ряду укладывают четвертки, а в ложковых рядах - половинки.
В откосах дверных и оконных проемов закладывают деревянные просмоленные пробки, равные размерам кирпича, для крепления оконных и дверных блоков, которые располагают на 0,3 м от низа и верха проема в плоскости откоса.
Во время работы по возведению стен необходимо следить, чтобы горизонтальные и вертикальные швы были хорошо (полностью) заполнены раствором. Нельзя допускать пустошовки в вертикальных швах в теле кладки, что ослабляет ее, снижает долговечность. По ходу кладки регулярно проверяют перевязку и швы кладки, вертикальность, горизонтальность и прямолинейность поверхностей и углов, их качество (рисунок и расшивку швов, подбор кирпича для наружной версты неоштукатуриваемой кладки с ровными кромками и углами).
Кладка углов
Правильность закладки углов здания (Рис.4 ) контролируют деревянным угольником, горизонтальность рядов стены - правилом и уровнем не реже двух раз на каждом ярусе кладки (1-1,2 м). Для этого правило кладут на кладку, ставят на него уровень и, выравнивая его по горизонтали, определяют отклонение кладки от горизонтали. Если она не превышает установленного допуска, отклонение устраняют при кладке последующих рядов.
Вертикальность поверхностей стен и углов кладки проверяют уровнем и отвесом не реже двух раз на каждом ярусе кладки (1-1,2 м, при этом этаж дома делят на целое число ярусов). Отклонения, не превышающие допускаемые, исправляют при последующей кладке яруса или этажа дома.
Периодически проверяют толщину швов. Для этого измеряют пять-шесть рядов кладки и определяют среднюю толщину шва; например, если при замере пяти радов кладки стены ее высота оказалась 385 мм
, то средняя высота одного ряда кладки будет 385: 5 = 77 мм
, а средняя толщина шва за вычетом толщины кирпича составит 77 - 65 = 12 мм
. Допускаемые отклонения в размерах стен указаны в табл. 1.
| Проверяемые конструкции (детали) | Предельные отклонения, мм | Контроль (метод) | |
| стен | столбов | ||
| из кирпича, керамических и природных камней правильной формы, из крупных блоков | |||
| Толщина конструкций | +/- 15 | +/- 10 | Измерительный |
| Отметки опорных поверхностей | - 10 | - 10 | То же |
| - 15 | --- | То же | |
| Ширина проемов | + 15 | --- | То же |
| Смещение вертикальных осей оконных проемов от вертикали | 20 | --- | То же |
| Смещение осей конструкций от разбивочных осей | 10 | 10 | То же |
| Отклонение поверхностей и углов кладки от вертикали: на один этаж |
10 | 10 | То же |
| Толщина швов кладки горизонтальных | - 2; + 3 | - 2; + 3 | То же |
| Толщина швов кладки вертикальных | - 2; + 2 | 2; + 2 | То же |
| Отклонение рядов кладки от горизонтали на 10 м длины стены | 15 | --- | Технический осмотр |
| Неровности на вертикальной поверхности кладки, обнаруженые при накладывании рейки длиной 2 м | 10 | 5 | Технический осмотр |
| Размеры сечения вентиляционных каналов | +/- 5 | --- | Измерительный |
Поэтапная кладка колонн из кирпича Кладка колонн из кирпича выполняется без многорядной обвязки, так как такая конструкция не обеспечивает монолитность и прочность. Обвязку выполняют при использовании в конструкции цельных кирпичей, если колонна в сечении составляет 2 х 2. В конструкции может предусматриваться дополнительное армирование при помощи стального прута или трубы внутри строения. Кладка колонны Колонны обычно кладутся по технологии 1,5 и 2 кирпича. Колонны обычно кладутся по технологии 1,5 и 2 кирпича. Возведение кирпичной колонны выполняется при соблюдении определенной технологии. Она должна соблюдаться точно, так как любое нарушение может привести к проседанию кирпичной колонны или разрушению строения. Кладка кирпича для колонн выполняется индивидуально и зависит от назначения конструкции, хотя по внешнему виду ее типы не различаются. Кирпичная кладка колонн выполняется в виде трехрядной подвязки, так как использование однорядной вызывает большие затраты труда, а многорядная не отличается крепостью. Для работ рекомендуется использовать прочный раствор и полнотелый кирпич. Положение каждого кирпича контролируют и в вертикальной, и в горизонтальной плоскости. Для этого используют уровень и отвес. Для предания механической прочности и устойчивости конструкции используют армированную сетку, которая не должна выходить за пределы кладки. Варианты конструкции колонн: несущие конструкции, принимающие на себя большие нагрузки по площади опирания на фундамент; кирпичные заборные, принимающие нагрузки в вертикальной плоскости. Нагрузка может быть различной, например, максимальная при примыкании к воротам калиткам или минимальная при соединении секций забора. Вернуться к оглавлениюИзготовление колонны Для того, чтобы колонна была прочной, необходимо подготовить каркас и залить его бетоном. Для каркаса используется арматура. Для того, чтобы колонна была прочной, необходимо подготовить каркас и залить его бетоном. Для каркаса используется арматура. Кладка колонны осуществляется по следующей технологи. В первую очередь готовится расходный материал: кирпич; цементно-песочный раствор; арматура. Необходимые инструменты: шпатель; отвес, уровень; емкость для раствора. Под колонну подготавливают фундамент, в который устанавливают арматуру или металлический столб. Вокруг столба возводят колонну. Кладка выбирается из трех возможных вариантов: 2 х 1,5 кирпича, 2 х 2 кирпича, 2 х 2,5 кирпича. Первый ряд - самый ответственный, сделать его нужно идеально, ведь от этого будет зависеть дальнейший ход работы. Кладка кирпича 2 х 2 выполняется в определенной последовательности. Первый ряд выкладывается по 3 кирпича тычок в тычок. Второй ряд разворачивают на 90 градусов по горизонтали. Третий ряд выкладывают подобно первому и так далее до окончания работ. При возведении больших колонн рекомендуется пространство между кладкой и арматурой заливать бетоном. При постройке нескольких рядом стоящих колон рекомендуется проводить последовательные действия. То есть первоначально выкладывают первые ряды всех колонн, после этого контролируют горизонт при помощи веревки и уровня. При необходимости проводят выравнивание, последующий контроль можно проводить при выкладывании 2-3 рядов. Несоблюдение технологии может привести к нарушению симметрии и неравномерной нагрузке на колонны. Для облегчения работы предлагаются следующие рекомендации: для создания прочного основания первый кирпич укрепляется в растворе в углу будущей кирпичной колонны, второй укладывают рядом с твердой фиксацией; при резке кирпичей пользуйтесь защитной одеждой и защитными очками; для декорирования кирпичной колонны можно применить стеклянные осколки, каменную крошку, цветную гальку; элементы декора лучше укреплять в швах, пока раствор еще не высох; если фундамент колонны находится на уровне земли, то формы для него можно сделать прямо в земле, если же выше, то рекомендуется использовать деревянную опалубку; углы можно проверять угольником; если необходимо декорирование кирпичной колонны светильниками или фонарями, не забудьте проложить в центре электрический кабель; в верхней части устанавливают капитель, исключающую накопление воды после осадков.
При возведении колонных сооружений, навесов, заборов высокая нагрузка накладывается на саму конструкцию. Для этого при строительстве кирпичных колонн следует предъявлять высокие требования к прочности, устойчивости конструкции и качеству. При возведении колонн рекомендуется использовать только цельный кирпич без механических дефектов. Могут подойти и половинки кирпичей, но также без видимых разрушений.
Кладка колонн из кирпича выполняется без многорядной обвязки, так как такая конструкция не обеспечивает монолитность и прочность. Обвязку выполняют при использовании в конструкции цельных кирпичей, если колонна в сечении составляет 2 х 2.
В конструкции может предусматриваться дополнительное армирование при помощи стального прута или трубы внутри строения.
Кладка колонны
Возведение кирпичной колонны выполняется при соблюдении определенной технологии.
Она должна соблюдаться точно, так как любое нарушение может привести к проседанию кирпичной колонны или разрушению строения.
Для колонн выполняется индивидуально и зависит от назначения конструкции, хотя по внешнему виду ее типы не различаются. Кирпичная кладка колонн выполняется в виде трехрядной подвязки, так как использование однорядной вызывает большие затраты труда, а многорядная не отличается крепостью. Для работ рекомендуется использовать прочный раствор и полнотелый кирпич. Положение каждого кирпича контролируют и в вертикальной, и в горизонтальной плоскости. Для этого используют уровень и отвес. Для предания механической прочности и устойчивости конструкции используют армированную сетку, которая не должна выходить за пределы кладки.
Варианты конструкции колонн:
- несущие конструкции, принимающие на себя большие нагрузки по площади опирания на фундамент;
- кирпичные заборные, принимающие нагрузки в вертикальной плоскости. Нагрузка может быть различной, например, максимальная при примыкании к воротам калиткам или минимальная при соединении секций забора.
Изготовление колонны
Кладка колонны осуществляется по следующей технологи. В первую очередь готовится расходный материал:
- кирпич;
- цементно-песочный раствор;
- арматура.
Необходимые инструменты:
- шпатель;
- отвес, уровень;
- емкость для раствора.
Под колонну подготавливают фундамент, в который устанавливают арматуру или металлический столб. Вокруг столба возводят колонну.
Кладка выбирается из трех возможных вариантов: 2 х 1,5 кирпича, 2 х 2 кирпича, 2 х 2,5 кирпича.
Первый ряд — самый ответственный, сделать его нужно идеально, ведь от этого будет зависеть дальнейший ход работы.
Кладка кирпича 2 х 2 выполняется в определенной последовательности. Первый ряд выкладывается по 3 кирпича тычок в тычок. Второй ряд разворачивают на 90 градусов по горизонтали. Третий ряд выкладывают подобно первому и так далее до окончания работ.
Колонны кладут последовательно. После кладки первого уровня проводится контроль равномерности при помощи веревки.
При постройке нескольких рядом стоящих колон рекомендуется проводить последовательные действия. То есть первоначально выкладывают первые ряды всех колонн, после этого контролируют горизонт при помощи веревки и уровня. При необходимости проводят выравнивание, последующий контроль можно проводить при выкладывании 2-3 рядов. Несоблюдение технологии может привести к нарушению симметрии и неравномерной нагрузке на колонны.
Для облегчения работы предлагаются следующие рекомендации:
- для создания прочного основания первый кирпич укрепляется в растворе в углу будущей кирпичной колонны, второй укладывают рядом с твердой фиксацией;
- при пользуйтесь защитной одеждой и защитными очками;
- для декорирования кирпичной колонны можно применить стеклянные осколки, каменную крошку, цветную гальку;
- элементы декора лучше укреплять в швах, пока раствор еще не высох;
- если фундамент колонны находится на уровне земли, то формы для него можно сделать прямо в земле, если же выше, то рекомендуется использовать деревянную опалубку;
- углы можно проверять угольником;
- если необходимо декорирование кирпичной колонны светильниками или фонарями, не забудьте проложить в центре электрический кабель;
- в верхней части устанавливают капитель, исключающую накопление воды после осадков.
Рисунок 1 . Расчетная схема для кирпичных колонн проектируемого здания.
При этом возникает естественный вопрос: какое минимальное сечение колонн обеспечит требуемую прочность и устойчивость? Конечно же, идея выложить колонны из глиняного кирпича, а тем более стены дома, является далеко не новой и все возможные аспекты расчетов кирпичных стен, простенков, столбов, которые есть суть колонны, достаточно подробно изложены в СНиП II-22-81 (1995) "Каменные и армокаменные конструкции". Именно этим нормативным документом и следует руководствоваться при расчетах. Приводимый ниже расчет, не более, чем пример использования указанного СНиПа.
Чтобы определить прочность и устойчивость колонн, нужно иметь достаточно много исходных данных, как то: марка кирпича по прочности, площадь опирания ригелей на колонны, нагрузка на колонны, площадь сечения колонны, а если на этапе проектирования ничего из этого не известно, то можно поступить следующим образом:
Пример расчета кирпичной колонны на устойчивость при центральном сжатии
Проектируется:
Терраса размерами 5х8 м. Три колонны (одна посредине и две по краям) из лицевого пустотелого кирпича сечением 0.25х0.25 м. Расстояние между осями колонн 4 м. Марка кирпича по прочности М75.
Расчетные предпосылки:
.При такой расчетной схеме максимальная нагрузка будет на среднюю нижнюю колонну. Именно ее и следует рассчитывать на прочность. Нагрузка на колонну зависит от множества факторов, в частности от района строительства. Например, Санкт-Петербурге составляет 180 кг/м 2 , а в Ростове-на-Дону - 80 кг/м 2 . С учетом веса самой кровли 50-75 кг/м 2 нагрузка на колонну от кровли для Пушкина Ленинградской области может составить:
N с кровли = (180·1.25 + 75)·5·8/4 = 3000 кг или 3 тонны
Так как действующие нагрузки от материала перекрытия и от людей, восседающих на террасе, мебели и др. пока не известны, но железобетонная плита точно не планируется, а предполагается, что перекрытие будет деревянным, из отдельно лежащих обрезных досок, то для расчетов нагрузки от террасы можно принять равномерно распределенную нагрузку 600 кг/м 2 , тогда сосредоточенная сила от террасы, действующая на центральную колонну, составит:
N с террасы = 600·5·8/4 = 6000 кг или 6 тонн
Собственный вес колонн длиной 3 м будет составлять:
N с колонны = 1500·3·0.38·0.38 = 649.8 кг или 0.65 тонн
Таким образом суммарная нагрузка на среднюю нижнюю колонну в сечении колонны возле фундамента составит:
N с об = 3000 + 6000 + 2·650 = 10300 кг или 10.3 тонн
Однако в данном случае можно учесть, что существует не очень большая вероятность того, что временная нагрузка от снега, максимальная в зимнее время, и временная нагрузка на перекрытие, максимальная в летнее время, будут приложены одновременно. Т.е. сумму этих нагрузок можно умножить на коэффициент вероятности 0.9, тогда:
N с об = (3000 + 6000)·0.9 + 2·650 = 9400 кг или 9.4 тонн
Расчетная нагрузка на крайние колонны будет почти в два раза меньше:
N кр = 1500 + 3000 + 1300 = 5800 кг или 5.8 тонн
2. Определение прочности кирпичной кладки.
Марка кирпича М75 означает, что кирпич должен выдерживать нагрузку 75 кгс/см 2 , однако прочность кирпича и прочность кирпичной кладки - разные вещи. Понять это поможет следующая таблица:
Таблица 1 . Расчетные сопротивления сжатию для кирпичной кладки (согласно СНиП II-22-81 (1995))
Но и это еще не все. Все тот же СНиП II-22-81 (1995) п.3.11 а) рекомендует при площади столбов и простенков менее 0.3 м 2 умножать значение расчетного сопротивления на коэффициент условий работы γ с =0.8 . А так как площадь сечения нашей колонны составляет 0.25х0.25 = 0.0625 м 2 , то придется этой рекомендацией воспользоваться. Как видим, для кирпича марки М75 даже при использовании кладочного раствора М100 прочность кладки не будет превышать 15 кгс/см 2 . В итоге расчетное сопротивление для нашей колонны составит 15·0.8 = 12 кг/см 2 , тогда максимальное сжимающее напряжение составит:
10300/625 = 16.48 кг/см 2 > R = 12 кгс/см 2
Таким образом для обеспечения необходимой прочности колонны нужно или использовать кирпич большей прочности, например М150 (расчетное сопротивление сжатию при марке раствора М100 составит 22·0.8 = 17.6 кг/см 2) или увеличивать сечение колонны или использовать поперечное армирование кладки. Пока остановимся на использовании более прочного лицевого кирпича.
3. Определение устойчивости кирпичной колонны.
Прочность кирпичной кладки и устойчивость кирпичной колонны - это тоже разные вещи и все тот же СНиП II-22-81 (1995) рекомендует определять устойчивость кирпичной колонны по следующей формуле :
N ≤ m g φRF (1.1)
где m g - коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки. В данном случае нам, условно говоря, повезло, так как при высоте сечения h ≈ 30 см, значение данного коэффициента можно принимать равным 1.
Примечание : Вообще-то с коэффициентом m g все не так просто, подробности можно посмотреть в комментариях к статье.
φ - коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости колонны λ . Чтобы определить этот коэффициент, нужно знать расчетную длину колонны l 0 , а она далеко не всегда совпадает с высотой колонны. Тонкости определения расчетной длины конструкции изложены отдельно , здесь лишь отметим, что согласно СНиП II-22-81 (1995) п.4.3: "Расчетные высоты стен и столбов l 0 при определении коэффициентов продольного изгиба φ в зависимости от условий опирания их на горизонтальные опоры следует принимать:
а) при неподвижных шарнирных опорах l 0 = Н ;
б) при упругой верхней опоре и жестком защемлении в нижней опоре: для однопролетных зданий l 0 = 1,5H , для многопролетных зданий l 0 = 1,25H ;
в) для свободно стоящих конструкций l 0 = 2Н ;
г) для конструкций с частично защемленными опорными сечениями — с учетом фактической степени защемления, но не менее l 0 = 0,8Н , где Н — расстояние между перекрытиями или другими горизонтальными опорами, при железобетонных горизонтальных опорах расстояние между ними в свету."
На первый взгляд, нашу расчетную схему можно рассматривать, как удовлетворяющую условиям пункта б). т.е можно принимать l 0 = 1.25H = 1.25·3 = 3.75 метра или 375 см . Однако уверенно использовать это значение мы можем лишь в том случае, когда нижняя опора действительно жесткая. Если кирпичная колонна будет выкладываться на слой гидроизоляции из рубероида, уложенный на фундамент, то такую опору скорее следует рассматривать как шарнирную, а не жестко защемленную. И в этом случае наша конструкция в плоскости, параллельной плоскости стены, является геометрически изменяемой , так как конструкция перекрытия (отдельно лежащие доски) не обеспечивает достаточную жесткость в указанной плоскости. Из подобной ситуации возможны 4 выхода:
1. Применить принципиально другую конструктивную схему
например - металлические колонны, жестко заделанные в фундамент, к которым будут привариваться ригеля перекрытия, затем из эстетических соображений металлические колонны можно обложить лицевым кирпичом любой марки, так как всю нагрузку будет нести металл. В этом случае, правда нужно рассчитывать металлические колонны, но расчетную длину можно приниматьl 0 = 1.25H .
2. Сделать другое перекрытие ,
например из листовых материалов, что позволит рассматривать и верхнюю и нижнюю опору колонны, как шарнирные, в этом случае l 0 = H .
3. Сделать диафрагму жесткости
в плоскости, параллельной плоскости стены. Например по краям выложить не колонны, а скорее простенки. Это также позволит рассматривать и верхнюю и нижнюю опору колонны, как шарнирные, но в этом случае необходимо дополнительно рассчитывать диафрагму жесткости.
4. Не обращать внимания на вышеприведенные варианты и рассчитывать колонны, как отдельно стоящие с жесткой нижней опорой, т.е l 0 = 2Н
В конце концов древние греки ставили свои колонны (правда, не из кирпича) без каких-либо знаний о сопротивлении материалов, без использования металлических анкеров, да и столь тщательно выписанных строительных норм и правил в те времена не было, тем не менее некоторые колонны стоят и по сей день.
Теперь, зная расчетную длину колонны, можно определить коэффициент гибкости:
λ h = l 0 /h (1.2) или
λ i = l 0 /i (1.3)
где h - высота или ширина сечения колонны, а i - радиус инерции.
Определить радиус инерции в принципе не сложно, нужно разделить момент инерции сечения на площадь сечения, а затем из результата извлечь квадратный корень, однако в данном случае в этом нет большой необходимости. Таким образом λ h = 2·300/25 = 24 .
Теперь, зная значение коэффициента гибкости, можно наконец-то определить коэффициент продольного изгиба по таблице:
Таблица 2 . Коэффициенты продольного изгиба для каменных и армокаменных конструкций (согласно СНиП II-22-81 (1995))
При этом упругая характеристика кладки α определяется по таблице:
Таблица 3 . Упругая характеристика кладки α (согласно СНиП II-22-81 (1995))
В итоге значение коэффициента продольного изгиба составит около 0.6 (при значении упругой характеристики α = 1200, согласно п.6). Тогда предельная нагрузка на центральную колонну составит:
N р = m g φγ с RF = 1х0.6х0.8х22х625 = 6600 кг < N с об = 9400 кг
Это означает, что принятого сечения 25х25 см для обеспечения устойчивости нижней центральной центрально-сжатой колонны недостаточно. Для увеличения устойчивости наиболее оптимальным будет увеличение сечения колонны. Например, если выкладывать колонну с пустотой внутри в полтора кирпича, размерами 0.38х0.38 м, то таким образом не только увеличится площадь сечения колонны до 0.13 м 2 или 1300 см 2 , но увеличится и радиус инерции колонны до i = 11.45 см . Тогда λ i = 600/11.45 = 52.4 , а значение коэффициента φ = 0.8 . В этом случае предельная нагрузка на центральную колонну составит:
N р = m g φγ с RF = 1х0.8х0.8х22х1300 = 18304 кг > N с об = 9400 кг
Это означает, что сечения 38х38 см для обеспечения устойчивости нижней центральной центрально-сжатой колонны хватает с запасом и даже можно уменьшить марку кирпича. Например, при первоначально принятой марке М75 предельная нагрузка составит:
N р = m g φγ с RF = 1х0.8х0.8х12х1300 = 9984 кг > N с об = 9400 кг
Вроде бы все, но желательно учесть еще одну деталь. Фундамент в этом случае лучше делать ленточным (единым для всех трех колонн), а не столбчатым (отдельно для каждой колонны), в противном случае даже небольшие просадки фундамента приведут к дополнительным напряжениям в теле колонны и это может привести к разрушению. С учетом всего вышеизложенного наиболее оптимальным будет сечение колонн 0.51х0.51 м, да и с эстетической точки зрения такое сечение является оптимальным. Площадь сечения таких колонн составит 2601 см 2 .
Пример расчета кирпичной колонны на устойчивость при внецентренном сжатии
Крайние колонны в проектируемом доме не будут центрально сжатыми, так как на них будут опираться ригеля только с одной стороны. И даже если ригеля будут укладываться на всю колонну, то все равно из-за прогиба ригелей нагрузка от перекрытия и кровли будет передаваться крайним колоннам не по центру сечения колонны. В каком именно месте будет передаваться равнодействующая этой нагрузки, зависит от угла наклона ригелей на опорах, модулей упругости ригелей и колонн и ряда других факторов, которые подробно рассматриваются в статье "Расчет опорного участка балки на смятие ". Это смещение называется эксцентриситетом приложения нагрузки е о. В данном случае нас интересует наиболее неблагоприятное сочетание факторов, при котором нагрузка от перекрытия на колонны будет передаваться максимально близко к краю колонны. Это означает, что на колонны кроме самой нагрузки будет также действовать изгибающий момент, равный M = Ne о , и этот момент нужно учесть при расчетах. В общем случае проверку на устойчивость можно выполнять по следующей формуле:
N = φRF - MF/W (2.1)
где W - момент сопротивления сечения. В данном случае нагрузку для нижних крайних колонн от кровли можно условно считать центрально приложенной, а эксцентриситет будет создавать только нагрузка от перекрытия. При эксцентриситете 20 см
N р = φRF - MF/W = 1х0.8х0.8х12х2601 - 3000·20·2601 · 6/51 3 = 19975, 68 - 7058.82 = 12916.9 кг > N кр = 5800 кг
Таким образом даже при очень большом эксцентриситете приложения нагрузки у нас имеется более чем двукратный запас по прочности.
Примечание: СНиП II-22-81 (1995) "Каменные и армокаменные конструкции" рекомендует использовать другую методику расчета сечения, учитывающую особенности каменных конструкций, однако результат при этом будет приблизительно таким же, поэтому методику расчета, рекомендуемую СНиПом здесь не привожу.
