Понимание принципов структурной инженерии за бетонными блок-стенами

Инженерные науки за бетонными блок-стенами

Бетонные блочные стены, также известные как стены CMU (бетонная каменная кладка), являются основным элементом как жилого, так и коммерческого строительства, потому что они предлагают исключительную прочность на сжатие, огнестойкость и долгосрочную долговечность. Однако их производительность зависит гораздо больше, чем от укладки блоков - это требует глубокого понимания структурной механики, материаловедения и геотехнических принципов. В этой статье рассматриваются основные инженерные концепции, которые регулируют проектирование, строительство и долговечность бетонных блочных стен, предоставляя идеи для архитекторов, инженеров и строителей.

Основные компоненты бетонной блок-стены

Стена КМУ представляет собой композитную систему, в которой каждый элемент должен работать в гармонии.

• Бетонные кирпичные блоки (блоки): Как правило, изготовленные из портландцемента, агрегатов и воды, эти блоки бывают различной формы — стандартные полые, твердые, перемычки, балки связи и угловые блоки. Их прочность на сжатие колеблется от 1500 до 4000 фунтов на квадратный дюйм (10,3 до 27,6 МПа) в зависимости от конструкции смеси.
• Мортар: Смесь цемента, извести, песка и воды, которая связывает блоки вместе.Мортар должен иметь адекватную работоспособность, удержание воды и прочность связи.Мортары типа N, S и M являются общими, а тип S предлагает самую высокую растягивающую связь для структурных стенок.
• Усиление: Деформированная стальная арматура (обычно 60-й степени) размещена вертикально и горизонтально в затираемых ячейках. Усиление обеспечивает прочность на растяжение, которой не хватает каменной кладки, сопротивляясь изгибающим моментам и силам сдвига.
• Грута: Жидкая смесь цемента, песка и воды, заполняющая полые ядра вокруг арматуры.Граут должен легко течь и иметь низкую усадку, чтобы обеспечить полную инкапсулирование арматуры.
• Бонд-балки: Горизонтальные полосы из зашитых блоков, которые связывают стену вместе и распределяют боковые нагрузки.Они часто содержат непрерывную горизонтальную арматуру и размещаются на уровнях пола, крыши и с интервалами в высоких стенах.
• Коннекторы и якоря: Металлические галстуки, анкерные болты или ремни, которые связывают стену с фундаментом, напольными плитами, структурой крыши и любыми смежными каменными выемками в полости стен.

Каждый компонент должен быть выбран и установлен в соответствии с инженерными спецификациями, так как даже небольшие отклонения могут нарушить непрерывность пути нагрузки.

Основные структурные принципы

Вертикальное распределение нагрузки

Бетонные блочные стены предназначены в первую очередь для сопротивления сжатию. При вертикальной нагрузке — от ферм крыши, напольных балок или верхних стен — применяется, он проходит через блоки и распределяется в фундамент. Путь нагрузки должен быть прямым и непрерывным. Любое несоответствие, чрезмерная толщина минометного соединения или пустоты в затирке могут создавать концентрации напряжения, которые приводят к растрескиванию или дроблению. Инженеры вычисляют необходимую площадь сетки стены (твердая площадь блоков после вычитания полых ядер) и сравнивают ее с прочностью на сжатие кладочной сборки.

Эксцентриситет вертикальной нагрузки также имеет значение. Если на внутренней стороне стены, а не на ее центральной линии, наступающий момент изгиба должен противостоять усилению или толщине стенки. По этой причине часто используются несущие пластины и центрирующие устройства.

Сопротивление боковой нагрузке

Стены также должны противостоять горизонтальным силам ветра, землетрясений и почвы (при сохранении настенных применений). Бетонные блочные стены ведут себя как вертикальные кантилеверы или как часть системы сдвига стен. Основными механизмами бокового сопротивления являются:

• Сопротивление изгибу: Вертикальное усиление в зоне натяжения стены обеспечивает растягивающее свойство.Предположение состоит в том, что кладка принимает сжатие, а арматура принимает натяжение, образуя внутреннюю пару. Сгибательная прочность является функцией размера арматуры, интервала и модуля разрыва кладки.
• Сопротивление сдвига: Сама масонская система имеет ограниченную прочность сдвига. Горизонтальное усиление, лучи связи и затираемые ядра увеличивают пропускную способность сдвига. Многие коды требуют минимального горизонтального усиления в сейсмических зонах (например, непрерывная горизонтальная полоса на каждом втором курсе).
• Диафрагменное действие: В здании плиты крыши и пола (бетонные или деревянные) действуют как диафрагмы, которые передают боковые нагрузки на стены. Затем стены передают эти нагрузки на фундамент. Необходимы адекватные соединения между диафрагмой и верхом стены.

Конструкция боковых нагрузок соответствует принципам предельного состояния: стена не должна превышать допустимое напряжение при эксплуатационных нагрузках и должна иметь запас прочности от конечного отказа.

Усиление и долговечность

Неукрепленная кладка хрупкая и может внезапно выйти из строя. Усиление вводит пластичность - способность пластично деформироваться без потери грузоподъемности. Это имеет решающее значение в сейсмических зонах. Инженеры проектируют усиленные стены кладки с коэффициентом пластичности (часто от 2 до 4), что снижает расчетную сейсмическую силу. Укрепление должно быть подробным, чтобы обеспечить выход в стали перед дроблением кладки. Детальные правила включают:

• Минимальные коэффициенты усиления (от 0,07% до 0,3% от общей площади стенки в зависимости от кода).
• Длина разработки арматуры (крючки или прямая вставка) для разработки полной прочности на выходе.
• Правильное четкое расстояние между барами, чтобы обеспечить поток затирки и агрегированный проход.
• Сплайсы коленей только там, где это разрешено и достаточной длины.

Для предотвращения коррозии и обеспечения композитного действия, граут должен полностью инкапсулировать арматуру. Американский бетонный институт (ACI) 530/TMS 402 обеспечивает комплексные требования к конструкции для армированной кладки.

Расширенные соображения дизайна

Высота стен, стройность и пряжка

По мере увеличения высоты стен возрастает риск пристегивания под осевой нагрузкой. Инженеры используют соотношение стройности (эффективная высота, разделенная эффективной толщиной) для определения вместимости. Масонские стены обычно проектируются как неподвижные (поперечные) или поперечные (неподвижные). Для очень высоких стен — таких как на складах или в гимназиях — необходимы промежуточные боковые опоры (пилястры, поперечные стены или напольные плиты) для уменьшения неподвижной высоты.

Расчеты пристегивания в кладке учитывают трещину сечения после развития напряжения; используется уменьшенный момент инерции.Дополнительное усиление вдоль сжатия лица может помочь улучшить сопротивление пристегиванию.

Сейсмический дизайн

Землетрясения накладывают циклические боковые нагрузки, которые могут вызвать скольжение, раскачивание или опрокидывание. Ключевые положения сейсмической конструкции для бетонных стен блоков включают:

• Минимальное вертикальное усиление: Часто указывается как минимальный размер бара и интервал, например, #4 на 48 дюймов или выше вблизи отверстий.
• Горизонтальное усиление: Должна быть непрерывной на лучах связи и часто в каждом курсе или в любом другом курсе в высоких сейсмических районах.
• Стены сдвига: Стены должны быть спроектированы как часть полной системы сопротивления боковой силе. Проверяются соотношения сторон, сила сдвига и емкость смещения.
• Гибкие и жесткие диафрагмы: Тип конструкции пола влияет на распределение сил по стенам. Жесткие диафрагмы (бетонные плиты) распределяют силы пропорционально жесткости стен; гибкие диафрагмы (лесная обшивка) распределяют в соответствии с придаточной площадью.
• Пределы дрейфа: Интерсторальный дрейф не должен превышать значения, предписанные кодом (обычно от 0,007 до 0,025 высоты истории), чтобы предотвратить повреждение неструктурных элементов.

ACI 530-13/TMS 402-13 включает в себя конкретные требования к сейсмической детализации, такие как сплайсинг арматуры в средней трети высоты стены и обеспечение арматуры с ограничительным соединением на концах стен.

Дизайн ветровой нагрузки

Сильные ветровые явления, такие как ураганы и торнадо, подвергают стены значительным внешним (всасыванию) и внутренним (давлению) силам. Стены CMU должны быть спроектированы так, чтобы противостоять комбинированным воздействиям ветра и гравитации. Инженеры используют стандарт ASCE 7 для определения проектного давления ветра на основе местоположения здания, категории воздействия, высоты и фактора важности. Стены, которые являются частью оболочки здания (внешние стены), могут потребовать дополнительного усиления на углах, вблизи отверстий и на парапетах из-за вызванного ветром подъема и торсионного воздействия.

Особое внимание необходимо уделить соединениям с диафрагмой крыши: анкерные болты должны быть встроены в затираемые ячейки и привязаны к непрерывному горизонтальному усилению в верхнем луче связи.

Термический и влагостойкий эффекты

Бетонные блоки, раствор и затирка все расширяются и сжимаются с изменением температуры и влаги. Сухая усадка является особой проблемой, потому что она может вызвать растрескивание, если стенка сдержана. Инженеры определяют контрольные соединения (вертикальные зазоры, заполненные герметиком) через регулярные промежутки времени - обычно от 20 до 25 футов друг от друга - для снятия растягивающих напряжений. Горизонтальное усиление через контрольные соединения не используется, потому что это предотвратит движение; вместо этого сустав помещается там, где трещина естественным образом произойдет.

Долговечность при замораживании является еще одной критической проблемой. Блоки должны иметь низкую скорость поглощения (обычно менее 5% поглощения воды по весу для тяжелых районов выветривания). Миномет с воздушным покрытием и затирка также улучшают сопротивление замораживанию. Национальная ассоциация бетонного масонства (NCMA) предлагает обширные рекомендации по устойчивой к погодным условиям конструкции.

Фонд и почвенное взаимодействие

Несущая способность и урегулирование

Фундамент под бетонной блочной стенкой должен иметь достаточную несущую способность для поддержания всей нагрузки на стену плюс любые наложенные нагрузки. Инженеры проводят испытания грунта для определения допустимых давлений подшипников. В почвах низкого риска типична простая полоса подножия из литого бетона; в глинистых или экспансивных почвах могут потребоваться более глубокие фундаменты или просверленные пирсы.

Дифференциальное поселение, где одна часть стены оседает больше, чем другая, вызывает сдвига трещин и заклинило двери / окна. Для смягчения этого фундаменты спроектированы с усилением для охвата возможных мягких пятен. Лучи связи у основания стены также помогают распределять нагрузки.

Латеральное давление Земли (сохраняющие стены)

Когда бетонная стена блока используется для удержания земли (подвальные стены, садовые стены и т. Д.), Она должна противостоять горизонтальному давлению почвы. Есть два подхода к проектированию: гравитационные стены и консольные (укрепленные) стены. Последний более распространен для более высоких стен. Укрепление размещено на стороне натяжения (внутренняя сторона около удерживаемой почвы). Правильный дренаж за стеной - через гравийное засыпание и плачевные отверстия - жизненно важен для предотвращения гидростатического нарастания давления, которое может опрокинуть стену. Без дренажа эффективное боковое давление намного выше (использование эквивалентного давления жидкости).

Профилактика морозоустойчивости

В холодном климате подле морозной линии должны быть проложены опоры, чтобы морозная петля не поднимала стену. Для легконагруженных стен (например, заборов или садовых стен) может потребоваться более глубокое основание или изолирующий слой вокруг опоры. Морозная петля может вызвать катастрофическое растрескивание и наклон.

Строительные практики, влияющие на структурную целостность

Совместная минометная качество

Минометный сустав должен быть полностью заполнен и иметь однородную толщину (обычно 3/8 дюйма). Момбардировочные соединения лягушек (вкрапленные) или чрезмерно толстые суставы снижают прочность на сжатие. Тулеобразные суставы (вогнутые, V-образные) сжимают поверхность раствора, улучшая водостойкость. Для структурных стенок раствор следует наносить с полным слоем и головными суставами, полностью смазанными на каждом блоке. Суставы, которые поражены смывом и не оснащаются, могут быть склонны к инфильтрации воды и последующему повреждению от замерзания.

Процедуры выкрикивания

Вытирание должно выполняться осторожно, чтобы не оставалось пустот. Отверстия в верхней части стены используются для заливки затирки; затирка затем обмякнута, чтобы заполнить все пустоты. Кантовочные балки требуют особого внимания, потому что затирка должна проходить горизонтально вокруг арматуры. Для стен выше нескольких футов затирка выполняется в подъемниках, причем каждый подъемник может застыть до следующего заливки. Слишком сухая затирка не будет течь; слишком влажная будет чрезмерно сокращаться. Низкоподъемная затирка является общей для стен до 12 футов; высокоподъемная затирка требует больших портов и может нуждаться в специальных примесях.

Лечебное лечение и защита

Свежие кладки должны быть влажными в течение не менее 24 часов, чтобы обеспечить надлежащую гидратацию. В жаркую погоду быстрая сушка может ослабить связь. Покрытие стены пластиковым покрытием или использование мокрого чехла является стандартным. Холодная погода ниже 40°F может потребовать нагревательных корпусов или ускорителей для предотвращения замерзания раствора и затирки. Замораживание до того, как раствор приобретет достаточную прочность, может привести к постоянной потере связи.

Общие режимы неудач и их профилактика

Даже хорошо спроектированные стены могут выйти из строя, если конструкция не требует строгости.

• Вертикальное растрескивание: Вызвано дифференциальным расселением или ограничением теплового движения. Решение: контрольные соединения и правильная конструкция фундамента.
• Горизонтальное растрескивание вблизи основания: Часто от бокового давления земли или морозного хева.Решение: адекватное усиление и дренаж.
• Диагональное растрескивание: Обычно от чрезмерных нагрузок сдвига (землетрясение или сильный ветер). Решение: увеличение усиления сдвига или толщины стенки.
• Коррозия арматуры: Возникает, когда влага и кислород достигают стали через трещины или пористый раствор. Решение: надлежащее покрытие (1 дюйм минимум для наружных стен) и использование оцинкованных или покрытых эпоксидным покрытием стержней в агрессивных средах.
• Выпуклость или крен: Указывает на отказ пряжки при сжимающих нагрузках или избыточном боковом давлении.Решение: уменьшить стройность соотношения или добавить боковые опоры.

Регулярный осмотр при строительстве и периодическое техническое обслуживание (указание минометных соединений, уплотнение трещин, фиксация дренажа) значительно продлевает срок службы бетонной блочной стены.

Современные инновации в бетонной стене

Последние достижения позволили улучшить показатели:

• Сегментные подпорные стены (SRW): Они используют блоки с геосетчатой армированием в грунтовом засыпке, что позволяет строить высокие стены без массивных бетонных фундаментов.
• Изолированные бетонные формы (ICF): Хотя ICF не является традиционным блоком, в нем используются расширенные полистироловые формы, которые заполнены бетоном — блокоподобная конструкция, которая обеспечивает непрерывную изоляцию и прочность конструкции.
• Автоклавированные бетонные блоки (AAC): Более легкая, изоляционная альтернатива обычному CMU. Блоки AAC имеют меньшую прочность на сжатие, но отличные тепловые свойства и используются в не несущих перегородках или в качестве стенок для заполнения в стальных рамах.
• Волоконно-укрепленный раствор и затирка: Добавление синтетических волокон улучшает сопротивление трещинам и прочность связи, уменьшая необходимость в некоторой традиционной армации.
• Сейсмическая изоляция основания: В высокосейсмических зонах целые здания блочной стены могут быть изолированы от земли с помощью подшипников, которые позволяют структуре двигаться без повреждений.Сами стены также используют более пластичные узоры армирования.

Читатель может исследовать эти темы дальше с помощью таких ресурсов, как руководство FLT:0 по механически стабилизированным земляным стенам FLT:1 для подпорных стен или руководство ArchToolbox по бетонным кладким системам FLT:3.

Заключение

Бетонные блочные стены - это гораздо больше, чем простые стопки кирпичных блоков. Их безопасная и эффективная конструкция включает в себя глубокое понимание механики сжатия и растяжения, боковых путей нагрузки, взаимодействия почвы, армирующей пластичности и воздействия на окружающую среду. Применяя принципы, адаптированные из железобетонной конструкции и модифицированные для дискретного характера конструкции блока, инженеры могут доставлять стены, которые надежно стоят в течение десятилетий. Является ли применение жилой фундаментной стеной, коммерческой стеной сдвига или высокой удерживающей структурой, внимание к пути нагрузки, качеству материала и подробному усилению будет минимизировать сбои и максимизировать срок службы. Принципы структурной инженерии за бетонными блчными стенами хорошо установлены, но они продолжают развиваться с новыми материалами и исследованиями - делая постоянное образование необходимым для каждого практикующего.