CC BY
35УДК 666.982
Е.А. ЧИСТЯКОВ, д-р техн. наук ([email protected]), С.А. ЗЕНИН, канд. техн. наук, Р.Ш. ШАРИПОВ ([email protected]), канд. техн. наук, О.В. КУДИНОВ, инженер
Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева (НИИЖБ), АО «НИЦ «Строительство» (109428, Москва, 2-я Институтская ул., 6)
Армирование монолитных
постнапряженных железобетонных конструкций,
выполняемых без сцепления арматуры с бетоном
Приводится описание принимаемых технических решений предварительно напряженной арматуры для постнапряженных конструкций (предварительно напряженных конструкций с натяжением арматуры на бетон). Рассматриваются постнапряженные конструкции, в которых арматура не имеет сцепления с бетоном. Вопросы армирования таких конструкций, а также указания по расчету и конструированию монолитных конструкций из тяжелого бетона с натяжением канатной арматуры на бетон в построечных условиях подробно изложены в новом методическом пособии «Конструкции железобетонные монолитные с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном. Правила проектирования». Одним из важных разделов пособия, описываемых в данной статье, является раздел о применяемом армировании постнапряженных железобетонных конструкций. Данное армирование предварительно напряженных конструкций с натяжением на бетон (без сцепления арматуры с бетоном) производят специальными арматурными элементами, которые включают в себя стальные высокопрочные канаты, размещаемые в закрытых гибких пластиковых трубках-каналообразователях. Трубки-каналооборазователи содержат защитную смазку. Как правило, применяют канаты высшей категории качества (стабилизированные стальные канаты) из круглой гладкой проволоки (К7) и пластически обжатые канаты из круглой гладкой проволоки (К7О). Также рассмотрены существующие технические решения анкеров и муфтовых соединений для таких арматурных элементов.
Ключевые слова: арматурный элемент, постнапряжение, стальные канаты, анкеры, железобетон.
Для цитирования: Чистяков Е.А., Зенин С.А., Шарипов Р.Ш., Кудинов О.В. Армирование монолитных постнапряженных железобетонных конструкций, выполняемых без сцепления арматуры с бетоном // Строительные материалы. 2018. № 5. С. 32-37.
E.A. CHISTYAKOV, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), S.A. ZENIN, Candidate of Sciences (Engineering), R.Sh. SHARIPOV ([email protected]), Candidate of Sciences (Engineering), O.V. KUDINOV, Engineer
Research Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev (NIIZHB), JSC "Research Center of Construction" (6, 2nd Institutskaya Street, 109428, Moscow, Russian Federation)
Prestressing Unbonded Tendons for Cast In-Situ Post-Tensioned Reinforced Concrete Members
The description of the adopted technical solutions of prestressing tendons for post-tensioned members is presented. Post-tensioned members in which the prestressing steel has not bond with concrete are considered. Issues of unbonded tendons of such members as well as instructions for design of cast in-situ structures of normal weight concrete with post-tensioning of tendons under the construction conditions are outlined in details in the new methodical manual "Reinforced cast in-situ post-tensioned concrete structures with unbonded tendons. Design Rules". One of the important sections of the manual described in this article is the section about prestressing steel used in post-tensioned concrete structures. These tendons for post-tensioned members (without bond with concrete) are conducted with special prestressing elements which include high-strength steel strands coated with the closed flexible plastic sheaths. Sheaths contain a protective grease. As a rule, strands of the highest level of quality (low relaxation steel strands) made of round smooth wire (K7) and compacted strands made of round smooth wire (K7O) are used. The existing technical solutions of anchorages and couplers for such prestressing elements are also considered.
Keywords: prestressing element, post-tensioning, steel strands, anchorages, reinforced concrete.
For citation: Chistyakov E.A., Zenin S.A., Sharipov R.Sh., Kudinov O.V. Prestressing unbonded tendons for cast in-situ post-tensioned reinforced concrete members. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 5, pp. 32-37. (In Russian).
В 2017 г. в лаборатории № 1 НИИЖБ им. А.А. Гвоздева по заказу ФАУ ФЦС было разработано пособие «Конструкции железобетонные монолитные с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном. Правила проектирования» [1].
Настоящее методическое пособие, составленное в развитие положений СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», распространяется на проектирование железобетонных предварительно напряженных монолитных конструкций перекрытий с натяжением арматуры на бетон в зданиях жилого и гражданского назначения. Некоторые аспекты применения постнапряженных конструкций без сцепления арматуры с бетоном были рассмотрены в [2—6]. В пособии приведены указания по расчету и конструированию балочных элементов и элементов плит перекрытий, которые выполняют из тяжелого бе-
тона с натяжением канатной арматуры на бетон в построечных условиях. Применяемая канатная арматура в таких конструкциях не имеет сцепления с бетоном.
Одним из важных разделов пособия является раздел о применяемом специфическом армировании постнапряженных железобетонных конструкций.
На рис. 1 показано принципиальное решение данного армирования.
Армирование предварительно напряженных конструкций с натяжением на бетон (без сцепления арматуры с бетоном) производят арматурными элементами, которые включают в себя стальные высокопрочные канаты, размещаемые в закрытых гибких пластиковых трубках-каналообразователях.
Для предварительно напряженных конструкций с натяжением арматуры на бетон без ее сцепления с бетоном, как правило, применяют канаты высшей катего-
Рис. 1. Принципиальная конструкция арматурных напрягаемых элементов и анкеров для систем без сцепления арматуры с бетоном: а - канат; б - напрягаемый элемент с канатной арматурой; в - напрягаемый элемент с канатной пластически обжатой арматурой; г - анкерный узел
Таблица 1
Механические характеристики канатной арматуры К7 по ГОСТ 13840
Классы по прочности при растяжении Условный предел текучести б02, МПа Временное сопротивление 6т, МПа Нормативное сопротивление Rs,„, МПа Расчетное сопротивление R,, МПа Классы по виду профиля Классы по релаксации Номинальные диаметры, мм
1400/1670 1400 (см. примеч. 2) 1670 1400 1215 К7 1; 2 15
1500/1770 1500 (см. примеч. 2) 1770 1500 1300 К7 1; 2 6; 9; 12
Примечания: 1. В обозначениях классов по прочности при растяжении в числителе указан условный предел текучести, а в знаменателе - временное сопротивление. 2. Условный предел текучести б02 для арматурных канатов по ГОСТ 13840 указан при остаточном относительном удлинении 0,2%. 3. Принятые обозначения классов канатов по виду профиля: К7 - изготовленные из круглой гладкой проволоки. 4. Принятые обозначения классов канатов по релаксации: релаксация составляет не более 8 и 2,5% соответственно для классов 1 и 2 при начальной нагрузке 70% от фактического разрывного усилия в течение 1000 ч.
рии качества (стабилизированные стальные канаты) из круглой гладкой проволоки (К7) и пластически обжатые канаты из круглой гладкой проволоки (К7О) (рис. 1), выпускаемые по ГОСТ 53772 «Канаты стальные арматурные 1x7. Технические условия» и частично по ГОСТ 13840—68 «Канаты стальные арматурные семи-проволочные стабилизированные. Технические условия». Данные по классам и механическим свойствам стальных канатов представлены в табл. 1 и 2. В таблицах диаметры канатов, используемые в конструкциях без сцепления с бетоном, обозначены звездочкой.
Указанные канаты имеют минимальный уровень потерь напряжения от релаксации арматуры (не более 2,5% после 1000 ч выдержки при температуре +20оС), что соответствует классу релаксации 2 по табл. 1 и 2.
Каналообразователи выполняют в виде пластиковых трубок гладкого профиля из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) или полипропилена (ПП). Для их производства запрещается использование пластиков на основе соединений хлора.
Каналообразователи имеют кольцевую форму поперечного сечения. Внутренний диаметр трубок равен наружно-
му диаметру канатов. При этом свободное пространство между проволоками канатов, а также между наружным профилем канатов и пластиковой оболочкой полностью заполнено защитной противокоррозионной смазкой.
Защиту канатов выполняют в заводских условиях предприятий метизной промышленности с обеспечением электронного контроля предупреждения образования воздушных полостей, пор и разрывов в смазке.
Нанесение защитной смазки, а также протяжку канатов в каналообразователях производят сразу после завершения термомеханической обработки канатной арматуры.
Каналообразователи проектируют и устанавливают как неизвлекаемые элементы конструкции, при этом в одном каналообразователе размещают только один канат.
Соотношение площади поперечного сечения кана-лообразователя к площади поперечного сечения каната, как правило, принимают в диапазоне 2—2,5.
Производство арматурных элементов для систем без сцепления с бетоном осуществляют в соответствии с СТО 71915393-ТУ100—2011 «Канаты защищенные и в
научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Механические характеристики канатной арматуры К7 по ГОСТ 53772
Классы по прочности при растяжении Условный предел текучести 601, МПа Временное сопротивление бт, МПа Нормативное сопротивление МПа Расчетное сопротивление К„, МПа Классы по виду профиля Классы по релаксации Диаметры, мм
1450/1670 1450 1670 1450 1260 К7 2 15,2
1550/1770 1550 770 1550 1350 К7 2 6,9; 9; 9,3; 9,6; 11; 12,5*; 12,7; 12,9*; 15,2*; 15,7*; 18
1600/1820 1600 1820 1600 1390 К7О 2 15,2*
1650/1860 1650 1860 1650 1435 К7 2 6,9; 9; 9,3; 9,6; 11; 12,5*; 12,7; 12,9*; 15,2*; 15,7*
1740/1960 1740 1960 1740 1515 К7О 2 12,7; 15,2*
К7 2 9,0; 9,3
1840/2060 1840 2060 1840 1600 К7 2 6,9
1920/2160 1920 2160 1920 1670 К7 2 6,9
Примечания: 1. В обозначениях классов по прочности на растяжение в числителе указан условный предел текучести, в знаменателе - временное сопротивление. 2. Принятые обозначения классов канатов по виду профиля: К7 - изготовленные из круглой гладкой проволоки; К7О - пластически обжатые, изготовленные из гладкой проволоки. 3. Принятые обозначения классов канатов по релаксации: релаксация составляет не более 8 и 2,5% соответственно для классов 1 и 2 при начальной нагрузке 70% от фактического разрывного усилия в течение 1000 ч. 4. Знаком * обозначены диаметры, используемые для производства канатов в защитной оболочке по СТО 71915393-ТУ100-2011 для систем с натяжением арматуры на бетон без сцепления арматуры с бетоном.
оболочке для предварительного напряжения. Скользящие канаты. Технические условия». В табл. 3 представлена номенклатура производимых в России арматурных элементов в защитной оболочке согласно указанному документу. В настоящее время заканчиваются работы по переводу документа СТО в ранг ГОСТ Р.
В зарубежных странах такая арматура производится с учетом соответствующих стандартов, например [7—9], ведущими производителями, а проектирование постна-
пряженных конструкций с указанной арматурой выполняют в соответствии с указаниями [10, 11].
Допускается при соответствующем технико-экономическом и расчетном обосновании применение в арматурных элементах канатной арматуры первой категории качества по ГОСТ 13840.
Номинальный диаметр арматурных канатов принимают от 12,5 до 15,7 мм, а диаметр арматурных элементов (с учетом каналообразователя) — не более 20 мм.
Обжатая обойма в защитной оболочке
■ #■* • t , í
V «
I 4 .1 "Ч
Шайба
v-
-Га •1. i
Защитный колпачок со смазкой
*
--» i
Цанга
¡A •' у - > -
'i/ Защитный ко
Стопорная пружина
Защитный колпачок со смазкой Рис. 3. Технические решения конструкций пассивных анкеров: а - на основе обжатых обойм; б - на основе цанговых зажимов
а
б
Для фиксации данной арматуры по торцам конструкций используют механические анкерные крепления, а для стыкования арматурных канатов по длине — соединительные муфты.
Механические анкерные крепления используют для передачи усилия предварительного напряжения арматуры на бетон конструкции. Указанные крепления применяют разнообразной конструкции. У концов каждого напрягаемого арматурного элемента устанавливают два анкера, активный и пассивный.
Пассивный анкер располагают со стороны напрягаемого арматурного элемента, противоположной размещению гидродомкрата. Активный анкер — это анкер, который располагают со стороны гидродомкрата для передачи усилия натяжения на бетон после завершения натяжения и снятия гидродомкрата.
Принципиальная конструкция активного анкера представлена на рис. 2, а конструкция пассивных анкеров — на рис. 3.
Как следует из рис. 3, б, пассивный и активный анкера в принципе могут иметь одинаковую конструкцию.
Отличие состоит в полной изоляции пассивного анкера в бетоне конструкции. У активного анкера опорная
поверхность открыта для установки гидродомкрата и натяжения арматуры, но после осуществления натяжения и фиксации арматурных канатов в цанговых зажимах активный анкер должен быть надежно защищен от возможных коррозионных повреждений.
В общем виде конструкция активных анкеров представляет собой литую прямоугольную или круглую стальную распределительную деталь с круглой полостью для пропуска в ней конца арматурного каната, защитную трубку и цангу в виде трехлепестковых клиньев. Сами цанги размещают в специальных гнездах-углублениях на торцах конструкций. Указанные гнезда проектируют таким образом, чтобы после их обетонирования была обеспечена необходимая толщина защитного слоя бетона до цанг и распределительных деталей.
После осуществления натяжения излишнюю часть арматуры обрезают и производят защиту анкеров. Защиту анкеров и выступающих частей канатов производят в два последовательных этапа. На первом этапе защиту выполняют путем устройства защитных покрытий в виде полимерных пленок, смазок и защитных колпачков. На втором этапе пассивные анкера полностью омоноличивают, а активные — частично, при бето-
Втулка Муфта
Рис. 4. Конструкция муфт на примере технических решений фирмы «Дивидаг» [10]: а - муфта фиксированного положения; б - подвижная муфта
Пассивный анкер
Активный анкер
Арматурный элемент Муфтовое соединение фиксированного положения
Рис. 5. Устройство муфтового соединения в стыках смежных захваток монолитных конструкций
Таблица 3
Номенклатура напрягаемых арматурных элементов
Условное обозначение арматурных элементов Номинальный диаметр каната, мм Номинальная площадь поперечного сечения, мм2 Внешний диаметр оболочки, мм
минимальный максимальный
К7-12,5-1550/1770-ТУ100 12,5 93 14,5 15,9
К7-12,9-1550/1770-ТУ100 12,9 100 14,9 16,3
К7-15,2-1550/1770-ТУ100 15,2 139 18,2 19,4
К7-15,7-1550/1770-ТУ100 15,7 150 18,7 19,9
К70-15,2-1600/1820-ТУ100 15,2 165 18,2 19,4
К7-12,5-1650/1860-ТУ100 12,5 93 14,5 15,9
К7-12,9-1650/1860-ТУ100 12,9 100 14,9 16,3
К7-15,2-1650/1860-ТУ100 15,2 139 18,2 19,4
К70-15,2-1650/1860-ТУ100 15,2 165 18,2 19,4
К7-15,7-1650/1860-ТУ100 15,7 150 18,7 19,9
Примечание. Применение пластически обжатых канатов К7О допускается только при специальном обосновании.
нировании самой конструкции. После завершения натяжения арматуры производят омоноличивание установочных гнезд активных анкеров (рис. 2).
В отдельных случаях пассивный анкер образуют из концевого участка канатной арматуры путем распуше-ния и изгиба отдельных проволок каната с помощью специального оборудования.
Как уже указывалось, в ряде случаев применяют соединения арматурных элементов по длине с использованием муфт. Конструктивно муфты выполняют с фиксированным положением и подвижными. Муфты с фиксированным положением образуют стыкованием активного анкера (с натянутым и закрепленным в нем арматурным элементом) и полумуфты.
Стыкование производят втулкой с резьбовым соединением (рис. 4, а).
Муфты с фиксированным положением устраивают в стыках смежных захваток поэтапно бетонируемых и предварительно напрягаемых плит (рис. 5).
Подвижные муфты образуют стыкованием двух полумуфт втулкой с резьбовым соединением (рис. 4, б). Подвижные муфты применяют для стыкования арматурных элементов по длине конструкций.
Анкеры и муфты проектируют таким образом, чтобы была обеспечена прочность бетона на смятие под опорными поверхностями анкеров при натяжении арматуры, а также чтобы не происходило образование продольных трещин от раскалывания бетона сосредоточенным усилием обжатия.
Все элементы анкеров и муфт должны удовлетворять требованиям по прочности и коррозионной стойкости. Выводы
1. Среди постнапряженных железобетонных конструкций в последнее время получили широкое распространение монолитные конструкции с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном. В таких конструкциях не производят инъецирования каналов и арматура не имеет сцепления с бетоном на протяжении всего цикла эксплуатации конструкций. Особенности проектирования данных конструкций и применения предварительно напряженной арматуры для них изложены в разработанном в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева методическом пособии [1].
2. Для внедрения постнапряженных железобетонных конструкций с арматурой без сцепления с бетоном в Российской Федерации созданы соответствующие условия, в числе которых одними из главных являются налаженное промышленное производство высокопрочных стабилизированных арматурных канатов в защитной оболочке, а также наличие нового нормативного документа [1] по проектированию таких конструкций.
3. Представляется необходимым дальнейшее развитие нормативной базы проектирования постнапряженных железобетонных конструкций в части разработки стандартов на муфтовые соединения и стандартов на анкеры для арматурных элементов.
Список литературы
1. Методическое пособие «Конструкции железобетонные монолитные с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном. Правила проектирования». М.: ФАУ ФЦС Минстроя России, 2017. 108 c. https:// www.faufcc.ru/upload/methodical_materials/ mp53_2017.pdf
2. Шарипов Р.Ш., Зенин С.А., Кудинов О.В. Проблемы расчета предварительно напряженных железобетонных конструкций без сцепления арматуры с бетоном по первой и второй группам предельных состояний и способы их решения // Academia. Архитектура и строительство. 2017. № 1. С. 129—132.
3. Зенин С.А., Шарипов Р.Ш., Кудинов О.В., Семенов В.А. Статический расчет элементов конструктивных систем с постнапряженными перекрытиями без сцепления арматуры с бетоном // Строительная механика и расчет сооружений. 2017. № 4 (273). С. 11—16.
4. Матар П.Ю., Баркая Т.Р., Бровкин А.В., Демидов А.В. Потери предварительного напряжения в постнапряженных железобетонных конструкциях без сцепления арматуры с бетоном // Бетон и железобетон. 2015. № 6. С. 10-15.
5. Кишиневская Е.В., Ватин Н.И., Кузнецов В.Д. Усиление строительных конструкций с использованием постнапряженного железобетона // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 3. С. 29-32.
6. Поликарпов Д.Е. Предварительно-напряженные железобетонные конструкции с натяжением арматуры на бетон. Региональный строительный комплекс: проблемы и перспективы развития в современных условиях: Сборник материалов региональной научно-практической конференции. Восточно-Европейский институт, Научно-исследовательский институт «Строительная лаборатория», Союз строителей Удмуртской Республики. 2016. С. 91—95.
7. ACI 423.7-07. Specification for unbounded single-strand tendon. American Concrete Institute. Farmington Hills. USA. 2008.
8. Integrated solutions for building prestressing by post-tensioning. Freyssinet Report CIII 2, 2012.
9. Dywidag-Systems International. Post-Tensioning Kit for Prestressing of Structures with Unbonded Monostrands for Concrete (1 to 5 Monostrands), 2009.
10. European committee for standardization. EN 1992-1-1. Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-1. General rules and rules for buildings.
11. ACI 423.3R-05. Recommendations for concrete members prestressed with unbonded tendons. American Concrete Institute. Farmington Hills. USA. 2005.
References
1. Methodical Manual "Post-tensioned concrete structures with unbonded tendons. Design rules». Moscow: FAU FTsS Minstroya Rossii, 2017. 108 p. https://www.faufcc. ru/upload/methodical_materials/mp53_2017.pdf
2. Sharipov R.Sh., Zenin S.A., Kudinov O.V. Problems of analysis of post-tensioned concrete structures with unbonded tendons of the first and second groups of limit states and solutions. Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2017. No. 1, рр. 129-132. (In Russian).
3. Zenin S.A., Sharipov R.Sh., Kudinov O.V., Semyo-nov V.A. Static analysis of members of structural systems with post-tensioned concrete floors having unbonded tendons. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzhenii. 2017. No. 4 (273), pp. 11-16. (In Russian).
4. Matar P.Yu., Barkaya T.R., Brovkin A.V., Demidov A.V. Losses of prestressing in post-tensioned reinforced concrete structures without adhesion of reinforcement to concrete. Beton i zhelezobeton. 2015. No. 6, pp. 10-15. (In Russian).
5. Kishinevskaya E.V., Vatin N.I., Kuznetsov V.D. Strengthening of building structures using post-tensioned reinforced concrete. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2009. No. 3, pp. 29-32. (In Russian).
6. Polikarpov D.E. Pre-stressed reinforced concrete structures with reinforcement tension on concrete. Regional building complex: problems and development prospects in modern conditions Collection of materials of the regional scientific and practical conference. East European Institute, Research Institute "Construction Laboratory", Union of Builders of the Udmurt Republic. 2016. pp. 91-95. (In Russian).
7. ACI 423.7-07. Specification for unbounded single-strand tendon. American Concrete Institute. Farmington Hills. USA. 2008.
8. Integrated solutions for building prestressing by post-tensioning. Freyssinet Report CIII 2, 2012.
9. Dywidag-Systems International. Post-Tensioning Kit for Prestressing of Structures with Unbonded Monostrands for Concrete (1 to 5 Monostrands), 2009.
10. European committee for standardization. EN 1992-1-1. Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-1. General rules and rules for buildings.
11. ACI 423.3R-05. Recommendations for concrete members prestressed with unbonded tendons. American Concrete Institute. Farmington Hills. USA. 2005.
