CC BY
19Анализ отечественных и зарубежных исследований эффективности применения высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных стержнях
Зараковская Кристина Игоревна,
аспирант, Балтийский федеральный университет им. Канта, kizarakovskaya@gmail.com;
И.
Ввиду того, что железобетонные конструкции широкого используются при возведении и реконструкции зданий и сооружений, с точки зрения разработки новых и оптимизации существующих конструктивных решений зданий и сооружений интересная и актуальна область применения высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных элементах. Не смотря на то, что проведенные на сегодняшний момент исследования установили высокую эффективность применения высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных стержнях малой и средней гибкости, современные стандарты по расчету и проектированию железобетонных конструкций как в нашей стране, так и за рубежом рекомендуют применять арматуру со значением расчетного сопротивления
сжатию ^ат ^ МПа в СЛуЧае кратковременного на-гружения, а в случае длительного нагружения
Дас £ 509 МПа
Ключевые слова: бетон; железобетон; высокопрочная арматура; длительное сжатие; ползучесть; напряжения; деформации; перераспределение усилий; сжатые колонны; напряженно-деформированное состояние сечений.
Впервые опытные данные о кратковременном и длительном сопротивлении сжатых железобетонных элементов в зависимости от их гибкости, величины эксцентриситета продольной силы, прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры, содержания продольной арматуры и особенностей поперечного армирования нашли отражение в СНиП II—В.1—62 [16]. Этот нормативный документ дал рекомендации по учету длительного действия внешней нагрузки, которые были основаны на представлении расчетного значения продольной силы как суммы его кратковременной части внешней нагруз-
ки и увеличенной в раз длительной её составляющей. Коэффициент назначался на основании опытных данных, полученных в результате исследований К.Э. Таля и Е.А. Чистякова в НИИЖБ под руководством А.А. Гвоздева, также учитывал имевшиеся на то время экспериментальные данные зарубежных исследователей.
К настоящему моменту времени проведено немало теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при кратковременном и длительном действии нагрузки, в том числе доказывающих эффективность применения высокопрочной арматуры в сжатых стержнях как малой и средней, так большой гибкости. К этим исследованиям можно отнести работы Аутома Т., Аль Абед Ахмада, Баркая Т.Р., Бейсембаева М.К., Захарова В. Ф., Каляскина А.В., Кхлифи Х., Кусакина А.П., Матара П.Ю., Маткова Н. Г., Рискинда Б. Я., Су-рина В.В., Таля К.Э., Тарасова А.А., Узуновой Л.В.,, Хаита И.Г. , Чистякова Е.А., Шорниковой Г.И., Щелкунова В.Г. и др.
Одним из первых исследователей, который получил опытные данные, доказывающие увеличение несущей способности сжатых элементов с высокопрочной арматурой, стал советский ученый К.Э. Таль (начало 50-х годов прошлого века) [18-19]. Он получил диаграмму деформирования бетона с нисходящей ветвью, из кото-
0 55 I» £
55 П П
о ы
а
а
«
а б
рой видно, что предельное укорочение бетона при разрушении составила более 3 %о. Стоит заметить, что проведенные в то время испытания железобетонных призм, армированных арматурой класса АIII и ниже, зафиксировали разрушение при значениях деформаций сжатия бетона не превышающих (как правило) 2- 2,5 %о.
В 60-80 годы советские ученые Рискинд Б.Я. Сурин В.В., Шорникова Г.И. [11-14, 17] провели сравнительные исследования центрально и внецентренно сжатых колонн с продольной высокопрочной арматурой Ат-У1 (Ат1000) и Ат-У11 (Ат1200) и поперечным армированием в виде хомутов с аналогичными колонными с продольной арматурой класса А-111 (А400) (сечения -150x200 мм и 200x200 мм, длина образцов 1500 мм). В колоннах с высокопрочной арматурой предельные деформации бетона при центральном сжатии составили 2,4...5,5 %о , при внецен-тренном сжатии - 3.6 %о. Предельная дефор-мативность бетона колонн с обычной арматурой оказалась примерно такой, как для бетона не-армированных образцов. В данных экспериментах был установлен факт, что применение высокопрочной арматуры приводит к значительному увеличению несущей способности железобетонных колонн (до 50%).
В те же годы Бейсембаевым М.К., Тарасовым А.А., Чистяковым Е.А. и Хаитом И.Г. [3, 20, 2224] проводились кратковременные испытания железобетонных колонн сечением 400x400 мм высотой 3 м с продольной высокопрочной арматурой класса Ат-У (Ат800). В результате проделанной работы было установлено, что применение в связевых каркасах колонн с высокопрочной арматурой при больших расчетных нагрузках (порядка 12 000 кН) вполне обосновано и целесообразно и приводит к снижению расхода стали почти в 2 раза.
К таким же выводам пришли Матков Н.Г. [10], Кусакин А.П.[7], Щелкунов В.Г. [25, 26], они подтвердили ранее установленный факт, что повышение несущей способности железобетонных элементов малой гибкости с высокопрочной продольной арматурой (Ат-1У (Ат600) и Ат-У(Ат800)) происходит как при кратковременных, так при длительных испытаниях за счет значительного увеличения усилий в высокопрочной арматуре и соответственно их уменьшения в бетоне, работающем по нисходящей ветви. Ку-сакин А.П. указал также на то, что сварные соединения продольной арматуры не снижают прочности железобетонных колонн.
Экспериментальные исследования железобетонных гибких колонн и колонн средней гиб-
<*4 > «>
кости * в с продольной высокопрочной
арматурой и поперечным армированием в виде хомутов в разное время были проведены Заха-
ровым В.Ф. и его аспирантами Аутомом Т., Аль Абед Ахмадом., Баркая Т.Р., Каляскиным А.В., Кхлифи Х., Матаром П.Ю., Узуновой Л.В. [1, 2, 4, 5, 6, 8, 9, 21] Проведенные ими опыты показали, что и при кратковременных, и при длительных нагрузках несущая способность железобетонных колонн большой и средней гибкости с высокопрочной ненапрягаемой арматурой Ат-У (Ат800) выше, чем у аналогичных колонн с обычной арматурой. В частности, разница между показателями прочности уменьшалась при значениях гибкости колонн, больших
. Таким образом, был сделан вывод о возможности применения высокопрочной арматуры в колоннах гибкостью до
А=^/а= 20.
Опираясь на данные приведенных выше исследований, можно утверждать, что в процессе нагружения железобетонных элементов при достижении напряжений в бетоне, когда начинают заметно развиваться неупругие деформации, происходит перераспределение усилий с бетона на высокопрочную арматуру, которая является мощной упругой связью при сжатии. Это приводит к развитию нисходящего участка диаграммы аь — еь. Указанному процессу перераспределения внутренних усилий способствует проявление деформаций ползучести бетона прежде всего при длительном сжатии и в определенной степени при кратковременном сжатии.
При кратковременном нагружении начало заметного перераспределения усилий наступает, видимо, при напряжениях, близких к Рь, и сопровождается уменьшением этих напряжений в бетоне при заметном росте деформаций. Разрушение элемента наступает при достижении деформациями бетона значений, близких к 4-5
При длительном нагружении перераспределение усилий наступает при достаточно низких напряжениях в бетоне. В этом случае повышение напряжений в арматуре и уменьшения напряжений в бетоне зависят от времени действия нагрузки, самого уровня этой нагрузки и эксцентриситета ее равнодействующей.
Эксперименты [4, 5] показывают, что при кратковременном (после длительной выдержки) догружении элемента до разрушения колонны разрушаются при больших значениях усилий. Несущая способность элемента и степень эффективности использования высокопрочной арматуры зависят от величины деформаций бетона, развившихся при длительной выдержке элемента под постоянной нагрузкой. При этом несущая способность увеличивается по сравне-
нию с несущей способностью при кратковременном режиме нагружения в пределах 20-35%.
Зарубежные исследователи также занимались изучением эффективности использования высокопрочной арматуры в железобетонных конструкциях, в том числе сейсмостойких. В 1934 году Richart, F.E. и Brown, R.L. [34] впервые опубликовали результаты испытаний железобетонных колонн, которые показали, что использование высокопрочной арматуры продольной арматуры с пределом текучести 72 и 96 кси (496,4 и 661,9 МПа соответственно) эффективно в железобетонных колоннах в случае центрального сжатия.
Позже в 60-е годы прошлого столетия ассоциация производителей портландцемента (the Portland Cement Association (PCA)) выпустила серию докладов под названием «Высокопрочная арматура для железобетонных конструкций» (High strength bars as concrete reinforcement) [32, 33]. Она включала в себя анализ результатов испытаний балок и колонн (Hognestad, 1961 Hognestad, 1962; Gaston and Hognestad, 1962 Kaar and Mattock, 1963; Pfister and Mattock, 1963 Pfister and Hognestad, 1964; Kaar and Hognestad, 1965; and Kaar, 1966). Испытания были направлены для изучения прочности и микротрещино-образования при изгибе, прочности на сжатие соединений железобетонных колонн. Прочность арматуры варьировалось от 55-120 кси.
В 1964 году Todeschini, C.E. и другие [35] исследователи опубликовали результаты испытаний внецентренно сжатых колонн, аналогичных колоннам Richart, F.E., and Brown, R.L. В исследованиях были сделаны выводы о том, что эффективнее всего использовать высокопрочную арматуру с пределом текучести свыше 90 кси (620,5 МПа).
Результаты вышеупомянутых испытаний были учтены в редакции американского стандарта ACI 318 в 1963 году [27], который рекомендовал использовать арматуру для железобетонных колонн с пределом текучести до 75 кси (520 МПа). В 1971 году этот предел увеличился до 80 кси (550 МПа) [28]. В действующих нормах ACI 318-2011 [29] не рекомендуется использовать при проектировании железобетонных конструкций арматуру с пределом текучести выше 80 кси (550 МПа).
Ведущие европейские стандарты Model Code for Concrete Structures 2010 [31] и EN 1992-1-1 [30], делят стальную арматуру на четыре класса A, B, C и D в зависимости от соотношения величин предела прочности стали на растяжение и предела текучести. При этом данная классификация действительна только для стальной арматуры с пределом текучести менее 600 МПа.
Также как и зарубежные нормативы в области проектирования железобетонных конструкций отечественный свод правил СП 63.13330.2012
[16] рекомендует выполнять расчет прочности железобетонных элементов с ненапрягаемой арматурой при расчетном сопротивлении арматуры сжатию не более 500 МПа.
На основании приведенного выше материала, который содержит основные результаты отечественных и зарубежных исследований, можно сделать вывод о том, что использование высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных элементах целесообразно и эффективно не только с точки зрения повышения прочности сечений, но и из соображений экономии материала. Однако, не смотря на это, действующие нормативы как в нашей стране, так за рубежом ограничивают область применения высокопрочной арматуры в массовом строительстве. Поэтому исследования эффективности применения высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных стержнях особенно при длительном действии нагрузки продолжают быть актуальными и в настоящее время.
Литература
1. Аль Абед Ахмад. Несущая способность железобетонных внецентренно сжатых элементов средней гибкости с высокопрочной продольной арматурой: дисс... канд.техн.наук: 05.23.01 -строительные конструкции, здания и сооружения / Аль Абед Ахмад. - Тверь, 1997. - 167с.
2. Аутоум Т. Исследование влияния различных режимов нагружения на напряженно-деформированное состояние и несущую способность железобетонных колонн с арматурой класса Ат-У1: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения/ Т. Аутоум. - Тверь, 1994. - 202с.
3. Бейсембаев М. К. Прочность сжатых элементов с высокопрочной арматурой: дисс...канд.'техн.наук: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения / МИСИ, М. К. Бейсембаев. - М., - 1991. - 154с.
4. Захаров В. Ф. Несущая способность сжатых железобетонных стержней. Предельная эксплуатационная нагрузка / В. Ф. Захаров, Т. Р., Баркая, А. В. Каляскин // Сборник научных трудов инженеров строительного факультета / ТГТУ. - Тверь, - 1998. - вып.1. - с.31-33.
5. Захаров В. Ф. Несущая способность и деформации гибких железобетонных стоек при кратковременном нагружении / В. Ф. Захаров, П. Матар. - Тверь: ТвеПИ, - 1994. - 4с. деп. В ВИНИТИ № 502.
6. Каляскин А.В. Сопротивление длительному и осевому сжатию гибких золобетонных элементов с высокопрочной арматурой: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения/ А.В. Каляскин. - Тверь, 1999. - 146с.
7. Кусакин А.П. Провести исследования колонн с ненапрягаемой арматурой класса Ат-У,
О В
£
В
m fi H
о ы
а
s
«
а б
имеющей сварные соединения и разработать рекомендации по расчету и проектированию/ А. П. Кусакин // Макеевка: отчет МакИСИ, - 1987.-79с.
8. Кхлифи Х. Кратковременное и длительное сопротивление центрально-сжатых колонн средней гибкости с различным содержанием высокопрочной продольной арматуры: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения/ Х. Кхлифи. - Тверь, 1998. - 190с.
9. Матар П. Исследование возможности применения высокопрочной арматуры в гибких железобетонных колоннах: дисс. ... канд.техн. наук: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения / П. Матар. - Тверь, 1992. - 227 с.
10. Матков Н. Г. О диаграммах деформирования сжимаемых железобетонных элементов с продольным и поперечным армированием / Н. Г. Матков // Совершенствование методов расчета статически неопределимых железобетонных конструкций. Труды НИИЖБ - М., - 1987. -с.135-142.
11. Рискинд Б. Я. Прочность сжатых железобетонных стоек с термически упрочненной арматурой / Б. Я. Рискинд // Бетон и железобетон. - М., - 1972.- №11.-с.31-34.
12. Рискинд Б. Я. Применение высокопрочной сжатой арматуры в железобетонных конструкциях / Б. Я. Рискинд // Промышленность сборного железобетона. Серия 3. -М., - 1982. -Вып. 3. - 39с.
13. Рискинд Б. Я. Исследование сжатых железобетонных элементов с термически упрочненной арматурой / Б. Я. Рискинд, Г. И. Шорни-кова // Железобетонные конструкции. - Челябинск, - 1972. - Вып. 1. - с.42-71.
14. Рискинд Б. Я. Работа стержневой арматуры на сжатие / Б. Я. Рискинд, Г. И. Шорникова // Бетон и железобетон. - М., - 1974.- №10.-с.3-4.
15. СНиП 11-В.1-62. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1962.
16. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 М., ГУП НИИЖБ Госстроя России, 2012г., - 155с.
17. Сурин В.В. Прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с высокопрочной стержневой арматурой (при кратковременной нагрузке). - Дисс...канд. техн. наук. - Челябинск, 1981.-180 с.
18. Таль К.Э. О деформативности бетона при сжатии / К. Э. Таль // Исследование прочности и ползучести строительных материалов. -М.: Госстройиздат, - 1955. - с. 202-207.
19. Таль К.Э. Исследование несущей способности гибких железобетонных колонн, работающих по первому случаю внецентренного сжатия / К. Э. Таль, Е. А. Чистяков // Расчет же-
лезобетонных конструкций. - М:Росстройиздат, -1961. - 127с.
20. Тарасов А.А. Высокопрочная термоуп-рочненная арматура больших диаметров и условия ее применения в сжатых железобетонных элементах: дисс. канд.техн.наук: 05.23.01 -строительные конструкции, здания и сооружения / А. А. Тарасов - М., 1982. - 159с.
21. Узунова Л.В. Сопротивление кратковременному сжатию составных железобетонных стержней с высокопрочной арматурой: дисс. ... канд.техн. наук: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения / Л.В.Узунова. -Калининград, 2010. - 144 с.
22. Хаит И.Г. Применение высокопрочной арматуры в колоннах многоэтажных зданий/ И.Г. Хаит, Е.А. Чистяков// Научно-технический реферат. -М. : ВЦНИС. - 1979.-сер.8 вып.10. - с36-42.
23. Чистяков Е.А. Основы теории, методы расчета и экспериментальные исследования несущей способности сжатых железобетонных элементов при статическом нагружении: дисс.докт.техн.наук: 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения / НИИЖБ; Е. А.Чистяков - М., 1988. - 638с.
24. Чистяков Е.А. Прочность сжатых железобетонных колонн с продольной высокопрочной арматурой и поперечными сварными сетками / Е.А. Чистяков, К.К. Бакиров // Жилищно-гражданское строительство. Экспресс информация КазЦНТИС. - Алма-Ата, - 1975. - №3. - 130с.
25. Щелкунов В.Г. Экспериментальные исследования ползучести бетона при различных режимах загружения/ В.Г. Щелкунов // В кн.: Строительные конструкции. Межвед. Рес-публ.сб. - Киев: Будивельник, - 1971. - Вып.ХУ. -с.40-45.
26. Щелкунов В.Г. Прочность при длительном сжатии железобетона, армированного высокопрочной проволокой/ В.Г. Щелкунов // В кн.: Несущая способность и деформативность железобетонных конструкций.- Тр. КАДИ, Киев: Вища школа, - 1978. - с.31-38.
27. ACI Committee 318. Building code requirements for reinforced concrete (ACI 318-63). Detroit (MI): American Concrete Institute; 1963.
28. ACI Committee 318. Building code requirements for reinforced concrete (ACI 318-71). Detroit (MI): American Concrete Institute; 1971.
29. ACI Committee 318. Building code requirements for structural concrete (ACI 318-11) and commentary. Farmington Hills (MI): American Concrete Institute; 2011.
30. EN 1992-1-1:2005. Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings. CEN.
31. Fib (2012a): Model Code 2010 Final draft, Volume 1. Föderation Internationale du Béton Lausanne, Switzerland, 2012.
