Proprietati mecanice ale zidariilor

Zidaria este un material neomogen in care, datorita diverselor solicitari mecanice, iau nastere eforturi complexe in blocuri si in mortar. Atat piatra de zidarie cat si mortarul sunt materiale care lucreaza favorabil la compresiune, dar se comporta defavorabil la intindere. Din aceasta cauza solicitarea la care zidaria rezista in bune conditii este compresiunea (centrica sau excentrica cu mica excentricitate).

1 Comportarea zidariei supusa la compresiune

Blocurile de zidarie si mortarul sunt supuse, chiar si in cazul unei solicitari globale de compresiune centrica, la eforturi de compresiune locala, incovoiere, forfecare si intindere. Aceasta stare de eforturi se explica prin:

- neuniformitatea formei si pozitiei blocurilor si a stratului de mortar; blocul ajunge astfel sa rezeme in unele portiuni discontinuu si sa se incarce neuniform;

- deformatiile diferite ale blocurilor si ale mortarului (in special cel din rosturile orizontale); deformatiile transversale ale mortarului sunt mai mari decat ale blocurilor si, fiind impiedicate de frecarea si adeziunea cu piatra de zidarie, conduc la aparitia eforturilor de compresiune in mortar si de intindere in blocuri.

Fig. 1 Starea complexa de eforturi in caramizi si mortar:

1-gol de aer ; 2- caramizi; 3- mortar ; 4- zona de compresiune locala (concentrare de eforturi); 5- zona de forfecare; 6- zona de incovoiere;

7- tensiune transversala in caramizi

In timpul incarcarii treptate a elementelor de zidarie solicitate la compresiune centrica, se deosebesc urmatoarele stadii de lucru (Fig. 2):

Fig. 2 Stadiile de lucru ale zidariei solicitate la compresiune

Stadiul I nu apar fisuri in zidarie (N < N_fis); elementul se comporta aproape elastic;

Stadiul II - incepe odata cu aparitia primelor fisuri in unele blocuri (N = N_fis), datorita eforturilor de intindere, incovoiere si forfecare;

Stadiul III - fisurile existente se dezvolta (ca lungime si deschidere) si apar fisuri noi, iar elementul de zidarie incepe sa se desfaca in stalpisori verticali separati (N_fis < N < N_r); la mentinerea constanta a incarcarii, dezvoltarea fisurilor inceteaza;

Stadiul IV - considerat stadiu de avarie, incepe cand deschiderea fisurilor continua incet chiar la incarcare constanta si are loc atunci cand N = (0,8. . .0, 9)N_r; la un mic spor al incarcarii fisurile se deschid brusc si se produce ruperea elementului datorita flambajului stalpisorilor izolati formati prin unirea fisurilor (N = N_r ).

2 Rezistenta zidariei la compresiune

Rezistenta de rupere a zidariei la compresiune centrica este influentata direct de urmatorii factori:

- caracteristicile fizico-mecanice ale blocurilor: rezistenta, inaltime, forma si planeitatea fetelor, prezenta unor fisuri, aspectul suprafetei etc.;

- caracteristicile mortarului: rezistenta si plasticitatea, grosimea stratului de mortar, uniformitatea, prezenta unor granule mai mari etc.;

- alti factori: sistemul legaturilor, calitatea executiei, varsta zidariei, durata de incarcare, actiunea factorilor climatici etc.

Exista relatii care permit stabilirea rezistentei la compresiune centrica a zidariei tinand seama de factorii enumerati anterior.

3 Rezistenta zidariei la intindere

Zidaria lucreaza defavorabil la solicitarile de intindere, incovoiere si forfecare, evitandu-se in general utilizarea ei in astfel de cazuri. Intinderea apare la peretii silozurilor, rezervoarelor si depozitelor, ca urmare a impingerii laterale date de lichide sau de anumite solide si are loc in sectiuni nelegate (continue), cand efortul de intindere actioneaza perpendicular pe asize (Fig. a) sau in sectiuni legate (tesute), cand forta de intindere este paralela cu rosturile orizontale (Fig. b).

Fig. 3 Ruperea zidariei la intindere. a- dupa sectiuni nelegate; b- dupa sectiuni legate

1 Ruperea zidariei in sectiuni nelegate este posibila prin desprinderea blocurilor de stratul de mortar, prin ruperea stratului de mortar sau prin ruperea blocurilor. in mod obisnuit, ruperea are loc prin stratul de mortar sau prin desprinderea blocurilor.

Rezistenta zidariei la intindere este determinata in mare masura de aderenta dintre blocuri si mortar, care depinde la randul ei de: marca, compozitia, lucrabilitatea si varsta mortarului, precum si de starea suprafetelor blocurilor (netede sau rugoase).

2 Ruperea zidariei in sectiuni legate poate avea loc in zig-zag (1), in trepte (2) sau prin sectiuni verticale (3) care trec prin mortar si prin blocuri, functie de aderenta tangentiala intre mortar si blocuri si de rezistenta la intindere a blocurilor. Se neglijeaza aderenta dintre blocuri si mortar in rosturile verticale, umplute incomplet cu mortar.

4. Rezistenta zidariei la forfecare

Solicitarea de forfecare se intalneste la reazemele constructiilor, la arce, buiandrugi etc.

Ca si in cazul solicitarii de intindere, ruperea poate avea loc prin sectiuni nelegate (Fig. 4.a) sau legate (Fig. 4.b), dupa cum forta taietoare actioneaza paralel cu asizele, respectiv perpendicular pe asize.

Fig. 4 Forfecarea zidariei: a- dupa sectiuni nelegate; b- dupa sectiuni legate; c- rezistenta la forfecare

5 Rezistenta zidariei la strivire

Solicitarea de strivire (compresiune locala) are loc atunci cand numai o parte a sectiunii unui element este supusa la eforturi de compresiune (Fig. 5).

Deoarece in acest caz zonele invecinate nesolicitate (sau slab solicitate) impiedica deformatiile transversale ale portiunii comprimate, zidaria lucreaza mai favorabil, iar rezistenta sa la strivire Rⁿ_str este mai mare decat rezistenta la compresiune Rⁿ_z.

Fig. 5 Solicitarea zidariei la strivire

Rezistenta la strivire este cu atat mai mare cu cat raportul dintre aria totala (conventionala) a elementului (A_c) si suprafata strivita (A_str) este mai mare. Aria conventionala de calcul A_c se determina functie de conditiile concrete de rezemare (Fig. 6), dar intotdeauna va fi mai mare decat aria de strivire.

Fig. 6 Stabilirea ariei conventionale de calcul la strivire

6 Deformatiile zidariilor

1 Modulul de elasticitate

Comportarea zidariei sub aspectul deformatiilor care apar la actiunea sarcinilor verticale reflecta, in esenta, proprietatile materialelor componente (bloc de zidarie si mortar) precum si gradul de conlucrare dintre aceste materiale. Experimental s-a constatat ca deformatia totala a unei probe comprimate se datoreaza in cea mai mare masura deformatiei rosturilor orizontale. Desi 85% din volumul zidariei este ocupat de caramizi, deformatia zidariei este in proportie de 90% rezultatul deformatiei mortarului, deformatiile blocurilor contribuind cu numai 10%.

Fig. 7 Curbele caracteristice ale blocului (Bl), mortarului (M) si zidariei (Z)

Curbele caracteristice ale celor doua materiale (Fig. 7) arata o comportare aproape elastica (liniara) pentru blocul de zidarie si o comportare elasto-plastica pentru mortar, aceasta din urma caracteristica imprimandu-se si zidariei.

Caracterul deformatiei zidariei se reflecta prin modulul de elasticitate (E), definit ca fiind panta tangentei la curba caracteristica (Fig. 8).

Se considera o variatie liniara a modulului de elasticitate cu efortul unitar normal si se defineste:

unde

E₀ = α Rⁿ

Desi modulul de elasticitate al zidariei este variabil, in calcule se pot considera urmatoarele valori medii:

E = 0,8 E₀ - pentru calculul deformatiilor la sistemele static nedeterminate sub influenta sarcinilor de exploatare;

E = 0,5 E₀ - pentru calculul la starea limita a capacitatii portante sau in stadiul de rupere.

Fig. 8 Proprietatile de deformare ale zidariei

a- curba caracteristica; b- variatia modulului de elasticitate

7 Flambajul elementelor din zidarie

Influenta flambajului asupra zidariei nu se poate stabili cu formala Iui Euler zidaria nefiind un material elastic. in cazul zidariei coeficientul de flambaj φ are semnificatia unul coeficient de reducere a rezistentei datorita flambajului.

Avand in vedere variatia modulului de elasticitate al zidariei cu incarcarea, coeficientul de flambaj se poate calcula pe baza unui coeficient de flambaj φ₀ corespunzator unui material elastic al carui modul de elasticitate ar fi E₀ cu relatia:

in care

Rezulta dependenta coeficientului de flambaj al zidariei de zveltetea (subtirimea) elementului si de caracteristica elastica a zidariei. in prescriptiile tehnice valorile coeficientului de flambaj se dau pentru α = 1000, functie de coeficientul de zveltete sau de gradul de zveltete . Pentru alte valori ale caracteristicii de elasticitate diferite de 1000, coeficientul de flambaj se determina considerand lungimea de flambaj multiplicata cu .

La stabilirea lungimii de flambaj se tine seama de inaltimea reala a elementului si de modul de rezemare (rigiditatea legaturii capatului superior):

capat superior fix ℓ_f = H;

- capat superior deplasabil ℓ_f = 1,5H - Ia constructii cu o singura deschidere si ℓ_f = 1,25H - la constructii cu mai multe deschideri;

- capat superior liber ℓ_f = 2H, H fiind distanta dintre reazeme (plansee sau grinzi).