Критерии разрушения каменной конструкции — условия необратимого изменения начального состояния каменной конструкции под действием внешних нагрузок или силовых воздействий. Необратимым изменением считается образование трещин в кладочных элементах и / или растворных швах, раздробление материала, взаимное скольжение частей кладки.
В механике разрушения принято различать пять уровней разрушения, зависящих от рассматриваемого масштаба задачи: масштаб конструктивного элемента, макро масштаб, мезо масштаб, микро масштабе и атомный масштаб. Применительно к каменным конструкциям зданий и сооружений обрушение каменной конструкции (простенка стены, каменной колонны, арки и т. п.) является разрушением в масштабе конструктивного элемента. Локальное разрушение кладки, ограниченное небольшим объёмом кладки, длина которого вдоль постели кладки равна средней длине кладочного элемента, а высота — одному — двум рядам кладки, рассматривается как макро разрушение. Мезо разрушением кладки является образование сквозной трещины в одном кладочном элементе или на участке растворного шва по длине или высоте кладочного элемента. Образование поверхностных трещин, например, усадочных, не считается мезо разрушением, хотя наличие таких трещин при необходимости может учитываться. Микро разрушением считается разрушение внутренней структуры материала кладочных элементов и раствора вследствие образования под нагрузкой микротрещин из-за внутренней неоднородности материала (внутренних пор, слоистости и неодинаковой плотности естественных каменных материалов, разной крупности заполнителя искусственных материалов, и т. п.). Нарушения внутриатомных связей являются разрушениями атомного масштаба.
При однородном напряженном состоянии локальное макро разрушение одновременно является глобальным разрушением, связанным с обрушением конструкции в целом. При неоднородном напряженном состоянии изолированное локальное разрушение, как правило, не вызывает обрушения каменной конструкции в целом, но приводит к перераспределению внутренних напряжений в конструкции, что может вызывать образование новых локальных разрушений, которые объединяясь могут приводить к обрушению конструкции. Поэтому определение макро разрушений является основной задачей расчёта прочности кладки.
Классификация По масштабу разрушения: глобальное; локальное.
По геометрии расчётной схемы: одномерные; двухмерные; трёхмерные.
По способу механического моделирования: микромеханическое; макромеханическое.
По характеру разрушения: хрупкое; пластическое; хрупко-пластическое.
Формы разрушения кладки Каменная кладка, состоит из кладочных элементов (кирпича, природных или искусственных камней, бетонных блоков и др.) и строительного раствора. В зависимости от вида напряженного состояния и прочностных характеристик материалов, из которых выполнена кладка, разрушение происходит по кладочным элементам, растворным швам, одновременно по кладочным элементам и растворным швам или по плоскостям (интерфейсам) их контактов.
Согласно механике разрушения на микроскопическом уровне в плоском твёрдом теле возникает три основных типа трещин: Зайцев Ю. В. Механика разрушения для строителей. М., «Высшая школа», 1991: 288 с.
I. Разрыв (Opening) — раскрытие трещины от растяжения перпендикулярно берегам трещины.
II. Скольжение (Sliding) — взаимное смещение берегов трещин от сдвигающих напряжений в плоскости конструкции.
III. Разрез (Shearing) — взаимное смещение берегов трещин от сдвигающих напряжений из плоскости конструкции.
При простых видах напряжённого состояния два первых типа трещин можно достаточно чётко проследить для каменной кладки и на макроскопическом уровне. Однако при совместном действии нормальных и касательных напряжений не всегда можно заранее установить механизм образования трещин в кладке.
Разрушение отрыва, имеющее хрупкий характер, вызывают нормальные растягивающие напряжения. Разрушение сдвига вызывают касательные напряжения. Разрушение сдвига сопровождаются пластическими деформациями, которые возникают после достижения предела текучести материала. Во многих формах разрушения одновременно проявляются оба механизма. Так, например, при растяжении кладки параллельно постели происходит разрыв интерфейса торцовых растворных швов и срез по интерфейсу постельных швов.
Формы разрушения при сжатии При сжатии кладки перпендикулярно постели сначала появляются волосяные трещины в отдельных камнях. Эти трещины вызывают растягивающие напряжения, возникающие в кладочных элементах из-за внутренней неоднородности их материалаБерг О. Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. — М.: Госстройиздат, 1961: 96c.. По мере роста сжимающей нагрузки волосяные трещины прорастают и объединяются в общие сквозные трещины, которые располагаются, как правило, вдоль торцевых растворных швов. В дальнейшем возникают дополнительные трещины, которые разделяют кладку на неустойчивые тонкие столбики, разрушающиеся при сжатии.
Прочность кладки при сжатии значительно меньше сопротивления сжатию камня (кирпича), причины чего можно разделить на две группы. Первая группа связана с тем, что раствор и кладочные элементы имеют разную жесткость. Даже при равномерном сжатии кладки, сжимающие напряжения распределяются неравномерно по длине постельных швов кладки, что приводит к возникновению растягивающих напряжений в кладочных элементах над и под вертикальными швами кладки. Сжатие кладки вызывает неодинаковые поперечные деформации постельных растворных швов и кладочных элементов. В результате чего в кладочных элементах возникают дополнительные растягивающие напряжения. Причины второй группы имеют случайный характер и связаны с неоднородностью растворной постели (неровности, неодинаковая толщина и плотность постельных швов кладки) и камней и их неправильной формой, обуславливающей концентрацию напряжений на выступающих частях камнейОнищик Л. И. Прочность и устойчивость каменных конструкций. Часть 1. Работа элементов каменных конструкций. — М.: ОНТИ, 1937: 291с..
Растягивающие напряжения, обусловленные первой группой факторов, в принципе, можно определить расчетом на основе микро-моделирования кладки, если известны характеристики прочности и жесткости её материалов. При этом необходимо знать призменную прочность кладочных элементов, что весьма проблематично, так она не нормирована и нет стандартных методов её опытного определения. Факторы второй группы обуславливают сложное напряженное состояние, при котором отдельные кладочные элементы работают на изгиб, растяжение, срез и местное сжатие, что приводит к существенному снижению прочности кладки. Поэтому самым надежным способом определения прочности кладки при сжатии нормально постели является прямое испытание образцов кладки. Могут быть также использованы табличные данные норм или эмпирические формулы, полученные на основе обобщения испытаний. В Eurocode 6, европейском стандарте по проектированию каменных конструкций, приведена формула, позволяющая определить характеристическую прочность кладки при сжатии с учётом нормируемой прочности кладочного элемента, кубиковой прочности раствора и типа кладки.
При сжатии кладки параллельно постели в ней образуются горизонтальные трещин между кладочными элементами и постельными растворными швами, которые разделяют кладку на слои, высотой в один или нескольких рядов кладки. Причиной расслоения кладки являются касательные напряжения, возникающие по длине камня из-за наличия торцовых растворных швов, расположенных со смещением для перевязки кладки. Дополнительной причиной является неизбежные при ручной кладке искривления рядов кладки. Эти искривления имеют случайный характер, хотя их влияние на прочность может быть весьма существенным. Прочность кладки при сжатии параллельно постели не нормирована.
При двухосном сжатии кладки перпендикулярно и параллельно постели, в случае, когда сжимающие напряжения в обоих направлениях близки по величине, разрушение кладки происходит в форме раскалывания по плоскости, проходящей примерно посередине толщины кладки. Главной причиной раскалывания являются растягивающие напряжения, возникающие из-за неодинаковых деформаций камней и раствора в швах кладки.
При трехосном сжатии происходит раскрашивание материала камней и раствора. Такое разрушение возникает, например, в сжатых углах заполнения каркаса кладкой при его перекосе. Причиной разрушения являются сдвигающие напряжения, возникающие при трёхосном сжатии из-за неоднородности материала камней и раствора. Разрушение имеет пластический характер в отличие от хрупкого разрушения при двухосном сжатии.
Формы разрушения при растяжении При растяжении перпендикулярно постели кладки происходит разрыв одного из горизонтальных сечений кладки. Как правило, трещина разрыва проходит по верху одного из постельных швов. Если камни тщательно очищены от пыли и смочены перед укладкой, то прочность нормального сцепления может оказаться более высокой по сравнению с прочностью раствора на растяжение. В этом случае горизонтальная разрушающая трещина может проходить по одному из постельных швов или камням, если их прочность на растяжение ниже прочности на растяжение камня. Для определения прочности кладки при растяжении перпендикулярно постели достаточно знать сопротивление нормальному сцеплению камня с раствором, а также прочность раствора и камня на растяжение. В качестве расчетного сопротивления принимается меньшее значение.
При растяжении параллельно постели кладки разрушение имеет зубчатую форму. Разрушающая трещина проходит по интерфейсам камней и растворных швов. При обжатии кладки перпендикулярно постели форма разрушения может измениться, так как силы трения увеличивают сопротивление срезу участков постельных швов. Если сопротивление срезу этих участков больше прочности на растяжение вертикального сечения камня, то разрушающая трещина пересекает камни и торцовые растворные швы кладки.
Двухосное растяжение кладки изучено недостаточно. Предположительно можно принять, что сопротивление одинаковому двухосному растяжению равно сопротивлению одноосному растяжению перпендикулярно постели кладки.
Формы разрушения при сдвиге Разрушение кладки при сдвиге имеет три основных формы: образование ступенчатой трещины, проходящей по торцовым и постельным швам кладки, скольжение по постели, и раскалывание по наклонной трещине. Форма разрушения зависит от сочетания нормальных и касательных напряжений в кладке и соотношения прочностей раствора и камней.
Развитие теории разрушения каменных конструкций Сырцовый и обожженный кирпич,натуральный камень (известняк, песчаник, мрамор и многие другие каменные материалы) на протяжении тысячелетий, были, наряду с древесиной, практически единственными строительными материалами для всех конструкций зданий и сооружений. Из камня возведены все дошедшие до нашего времени шедевры древнего зодчества, поражающие не только архитектурными достоинствами, но смелостью инженерной мысли. Выдающиеся здания и сооружения возводились без каких-либо инженерных расчетов, на основе инженерной интуиции и критического использования предыдущего опыта проектирования и строительства.
Долговечность и относительно высокая прочность на сжатие каменных материалов определили основное их использование в опорных конструкциях (фундаментах, опорах мостов, колоннах, несущих стенах). В пролетных конструкциях каменные материалы применяли в основном в районах, где не было древесины, а также для монументальных построек. В Древнем Египте и Древней Греции широко применяли при строительстве храмов стоечно-балочную систему, принципы которой были заимствованы из опыта деревянного строительства. Пролёт каменных балок был весьма ограничен из-за слабого их сопротивления изгибу.