CC BY
61УДК 693.564
И.Н. ТИХОНОВ1, д-р техн. наук ([email protected]), В.З. МЕШКОВ1, канд. техн. наук; А.И. ЗВЕЗДОВ2, д-р техн. наук, И.П. САВРАСОВ2, канд. техн. наук
1 НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» (109428, г. Москва, ул. 2-я Институтская, 6)
2 АО «Научно-исследовательский центр «Строительство» (АО «НИЦ «Строительство») (109428, г. Москва, 2-я Институтская ул., 6)
Эффективная арматура для железобетонных конструкций зданий, проектируемых с учетом воздействия особых нагрузок
Важным критерием проектирования зданий является предотвращение прогрессирующего обрушения конструкций, в первую очередь для сохранения жизни людей. Актуальными являются исследования и учет при проектировании характеристик прочности и деформативности арматуры и бетона конструкций в стадиях, близких к разрушению, а также разработка и исследование новых видов арматурного проката, обеспечивающих высокую прочность и энергоемкость сцепления стержней с бетоном в стадии пластического деформирования растянутой арматуры на участках ее анкеровки и в наиболее нагруженных сечениях элементов. Сопоставлены требования нормативных документов Российской Федерации и Еврокода 2 «Design of concrete structures» к механическим свойствам арматуры, обеспечивающим в значительной степени прочность железобетонных конструкций. Приведены принципиальные отличия, показывающие, что требования Еврокода 2 заслуживают серьезного внимания, так как они более конкретны в оценке прочностных и деформационных характеристик арматурных сталей. Сформулированы основные положения для руководства при разработке геометрических параметров эффективных видов арматуры периодического профиля. Показано, что новый профиль арматуры с условным названием «серповидный четырехсторонний» за счет увеличения сопротивления смятию и срезу зигзагообразных, непрерывных по длине междуреберных бетонных шпонок, а также благодаря эффективной работе внедренных в них зерен крупного заполнителя позволяет значительно повысить прочность и жесткость сцепления арматуры с бетоном.
Ключевые слова: прогрессирующее обрушение конструкций, арматура, сопротивление смятию, анкеровка, арматурная сталь, профиль арматуры, сцепление арматуры с бетоном, железобетонные конструкции.
Для цитирования: Тихонов И.Н., Мешков В.З., Звездов А.И., Саврасов И.П. Эффективная арматура для железобетонных конструкций зданий, проектируемых с учетом воздействия особых нагрузок // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 39-45.
I.N. TIKHONOV1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), V.Z. MESHKOV1, Candidate of Sciences (Engineering); A.N. ZVEZDOV2, Doctor of Sciences (Engineering), I.P. SAVRASOV2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 NIIZHB named after A.A. Gvozdev, JSC "RC of Construction") (6, 2nd Institutskaya Street, 109428, Moscow, Russian Federation)
2 JSC Research Center of Construction (JSC "RC of Construction") (6, 2nd Institutskaya Street, 109428, Moscow, Russian Federation)
Efficient Reinforcement for Reinforced Concrete Structures of Buildings Designed With Due Regard for Impact of Special Loads
The main design criterion is to prevent progressive collapse of structures in the first place to save people's lives. When designing, studies and account of strength and deformability characteristics of reinforcement and concrete structures at stages close to the destruction as well as development and studies of new types of reinforcing bars ensuring the high strength and power intensity of adhesion between concrete and reinforcement at the stage of plastic deformation of tensile reinforcement on the anchorage and in the most loaded cross-sections of elements are very relevant. The requirements of normative documents of the Russian Federation and Eurocode 2 «Design of concrete structures» for mechanical properties of reinforcement ensuring greatly the strength of reinforced concrete structures are mapped. The principal differences showing that the requirements of Eurocode 2 deserve serious attention, as they are more specific in the evaluation of strength and deformation characteristic of reinforcement steels. Basic provisions to guide when developing geometric parameters of efficient types of the deformed reinforcement are formulated. It is shown that the new profile of reinforcement with the conventional name "sickle-shaped four-sided" makes it possible to significantly improve the strength and rigidity of adhesion between concrete and reinforcement due to the increase in bearing and shear resistance of zigzag intercostal concrete keys of continuous length as well as due to the efficient operation of grains of coarse aggregate introduced in them.
Keywords: progressive collapse of structures, reinforcement, crushing resistance, anchorage, reinforcement steel, reinforcement profile, adhesion between concrete and reinforcement, reinforcement structures.
For citation: Tikhonov I.N., Meshkov V.Z., Zvezdov A.N., Savrasov I.P. Efficient reinforcement for reinforced concrete structures of buildings designed with due regard for impact of special loads. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 3, pp. 39-45. (In Russian).
Эффективность использования в строительстве того или иного вида арматурного проката определяется предъявляемыми к нему потребительскими требованиями, такими как: прочность, деформативность, сцепление с бетоном, свариваемость, коррозионная стойкость, выносливость при многократно повторяющихся нагрузках и др. [1—6].
Оптимальные значения прочностных и деформационных характеристик свойств арматурного проката во многом оцениваются эффективностью его совместной работы с бетоном как при сжатии, так и при растяжении. Известно, что в первом случае верхний предел прочности арматуры ограничивается величиной пре-
дельных деформаций бетона при сжатии, зависящей от скорости нагружения, эффективности поперечного армирования, состава и прочности бетона. Во втором случае верхний предел прочностных характеристик растянутой арматуры определяется не только требованиями первого предельного состояния (несущей способностью), но и требованиями второго предельного состояния (трещиностойкостью и деформативностью) [6—12].
За последние десятилетия проблемы безопасности зданий и сооружений обострились как в связи с внешней террористической угрозой, так и с участившимися природными, производственными и бытовыми экстремальными ситуациями, которые при проектировании
M ®
март 2017
39
учитываются выполнением расчетных и конструктивных требований по предотвращению прогрессирующего обрушения конструкций.
Анализ причин катастрофических разрушений несущих частей зданий показывает, что принятые на основе современных нормативных требований конструктивные решения, в первую очередь касающиеся армирования, недостаточно надежны и требуют переоценки [3].
Из-за низкой вероятности возникновения особых нагрузок (взрывы, удары, сейсмика и др.) главным критерием проектирования является предотвращение прогрессирующего обрушения конструкций, в первую очередь для сохранения жизни людей. В этом случае большими прогибами конструкций и раскрытием в них трещин можно пренебречь.
Учитывая эксклюзивный характер особых нагрузок, для обеспечения безопасности зданий и сооружений актуальными являются исследования и учет при проектировании характеристик прочности и деформативно-сти арматуры и бетона конструкций в стадиях, близких к разрушению.
Также актуальными в этом случае становятся разработки и исследования новых видов арматурного проката, обеспечивающих высокую прочность и энергоемкость сцепления стержней с бетоном в стадии пластического деформирования растянутой арматуры на участках ее анкеровки и в наиболее нагруженных сечениях элементов.
Сопоставляя требования норм России и Еврокода 2 Design of concrete structures к механическим свойствам арматуры, обеспечивающим в значительной степени прочность железобетонных конструкций, можно отметить следующие принципиальные отличия:
1. В СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения (актуализированная редакция СНиП 52-01—2003)» сохранена традиционная для СССР и России классификация арматуры по прочности и способу производства, в то время как в Еврокоде 2 арматурная сталь классифицируется не только по прочностным, но и по деформационным характеристикам.
2. Минимальные значения деформаций при максимальном усилии (£s2, £uk) в СП для всех классов арматуры £s2>2,5%, тогда как в Еврокоде 2 в зависимости от класса пластичности арматуры: для класса «А» — tuk>2,5%; «В» - £uk>5%; «С» - £uk>7,5%.
В СП допускается при соответствующем обосновании принимать величину £s2 менее или более значения 0,025 в зависимости от марки стали, типа армирования, критерия надежности конструкции и других факторов.
3. Минимальные значения отношений сопротивления арматуры при растяжении (ов, f ) к пределу текучести арматуры (от, fy) в СП не нормируются, а в Еврокоде 2 нормируются в зависимости от класса пластичности арматуры в диапазоне от 1,05 до 1,15 с ограничением верхнего предела для класса «С» K=(f//y)<1,35.
4. В отличие от СП в Еврокоде 2 ограничивается максимальное значение предела текучести (fymax) относительно их нормированных значений по классам (fK),
fymax —1,3^ук.
5. В соответствии со специальными правилами, разработанными как дополнение к EN 1992-1-1:2004, для использования в практике проектирования сейсмостойких зданий рекомендовано:
- не допускать местной потери устойчивости при продольном изгибе сжатой арматуры в пределах потенциальных областей образования пластических шарниров в основных сейсмостойких элементах (колоннах, балках, плитах);
- применять стальную арматуру для использования в критических областях основных сейсмостойких эле-
ментов с высоким равномерным пластическим удлинением (£и£>5%) и периодическим профилем, а также с отношением временного сопротивления (ов) к пределу текучести (от,02)) существенно выше 1 (ов/от(02))>1,08).
В СП 14 13330 «Строительство в сейсмических районах» не допускается применять как рабочую арматуру, имеющую полное относительное удлинение при максимальном напряжении бмакс менее 2,5%.
В результате приведенного сопоставления можно заключить, что требования Еврокода 2 заслуживают серьезного внимания, так как они более конкретны в оценке прочностных и деформационных характеристик арматурных сталей, что, несомненно, отражается на эффективности их применения при проектировании железобетонных конструкций, особенно при учете воздействий нагрузок аварийного характера, когда с целью обеспечения высокой надежности зданий и экономии материалов используются нелинейные (пластические) расчеты.
В последнее время наметился значительный интерес к исследованиям сцепления арматуры с бетоном. Многочисленными исследованиями установлено, что вид и геометрические размеры профиля поверхности арматуры влияют как на прочность, так и на деформа-тивность сцепления на всех этапах нагружения железобетонного элемента [14—15].
В течение многих десятилетий государственная политика в СССР направляла отечественную науку на развитие и массовое внедрение сборных железобетонных конструкций. Это наложило свой отпечаток на конструктивные требования, обеспечивающие надежное сцепление арматуры с бетоном, которые значительно отличались от зарубежных. Для сборных конструкций, являющихся основным видом железобетона того времени, было необходимо обеспечить повышенную надежность заделки концов арматуры на участках, длина которых, как правило, весьма ограничена. Отличительная черта отечественных преднапряженных конструкций заключается в преимущественном использовании высокопрочной стержневой арматуры периодического профиля, передача напряжений от которой на бетон в торцах элементов осуществляется только за счет сцепления [6].
Очевидно, что для выполнения вышеупомянутых требований эффективность сцепления арматуры периодического профиля для сборного железобетона должна быть достаточно высокой. Это и определило использование отечественной строительной промышленностью арматуры с жестким, так называемым кольцевым, периодическим профилем (рис. 1, а) в отличие от серповидного европейского профиля (рис. 1, б), нашедшего широкое применение за рубежом начиная с 1950-х гг. в условиях преимущественного использования для объектов массового гражданского строительства монолитных железобетонных конструкций, в которых обеспечение достаточно больших длин анкеровки и нахлестки стержней конструктивно более доступно.
Известно, что у стержней с кольцевым профилем по ГОСТ 5781—82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», принятым в СССР и разработанным на основе анализа множества экспериментов, эффективность сцепления была значительно выше, чем у арматуры ряда зарубежных стран [14—16].
Форма стержней арматуры по ГОСТ 5781—82 и установленные геометрические размеры профиля обеспечивали:
— постоянную по всей длине стержня расчетную прочность сечения;
— достаточную прочность и жесткость сцепления арматуры с бетоном, благодаря которым можно было использовать стали с высоким значением предела текучести, назначать уменьшенные по сравнению с зару-
научно-технический и производственный журнал ^ О >г i -
март 2017 Й1 LsJ *
Кольцевой ГОСТ 5781 /к > 0,1 (не нормируется)
fj LVIVI
Серповидный двухсторонний ГОСТ Р 525442006 /к > 0,056
'VN
«Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500С и В500С для армирования железобетонных конструкций».
В них как основной рекомендуемый принят периодический профиль европейского образца.
Отсутствие в серповидном двухстороннем (европейском) профиле пересечения продольных ребер с поперечными существенно снижает значения показателя сцепления — относительной площади смятия поперечных ребер ^ по сравнению с кольцевым профилем по ГОСТ 5781—82 при одинаковой высоте ребер. Этот показатель определяют из выражения:
Л
Л=к-
n-d-c'
Рис. 1. Стержневая арматура периодического профиля: а - кольцевой профиль; б - серповидный двухсторонний профиль
бежными значения длины анкеровки, нахлестки и зоны передач усилий обжатия от напрягаемой арматуры на бетон;
— эффективность сцепления арматуры в стадиях, близких к разрушению, позволявшую обеспечивать малые значения ширины раскрытия трещин при их частом расположении на эксплуатационных стадиях на-гружения и способность к перераспределению усилий в слабоармированных железобетонных элементах на стадиях, близких к разрушению при различных видах на-гружения;
— возможность прокатки арматуры на станах для сортового проката без снижения их производительности по сравнению с прокаткой гладких стержней.
Производство арматуры с рассматриваемым периодическим профилем осуществляется металлургическими заводами и по настоящее время.
В начале 1990-х гг. металлургические предприятия России и других стран СНГ, производящие арматурный прокат, начали массовое освоение зарубежных рынков сбыта своей продукции, естественно, ориентируясь при этом на требования стандартов стран — покупателей арматуры для железобетона. С учетом положений международных стандартов, в частности ИСО 6935-2 Steel for reinforcement of concrete, в России были разработаны стандарты СТО АСЧМ 7—93 «Прокат периодического профиля из арматурной стали», ГОСТ 10884—94 «Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций» и ГОСТ Р 52544—2006
где К — количество вертикальных рядов поперечных ребер, равное 2; ds — номинальный диаметр стержня; с — шаг поперечных ребер по их осям; ^ — проекция площади одного поперечного ребра на плоскость поперечного сечения стержня.
В результате сцепление стержней европейского профиля с бетоном характеризуется меньшей прочностью и жесткостью. Это особенно заметно на бетонах низких и средних классов прочности. Исследованиям влияния геометрических параметров периодического профиля на прочность сцепления в зависимости от длины заделки стержней в бетоне посвящено множество работ как в России, так и за рубежом. Зарубежные исследования выполнялись в основном с использованием стержней с серповидным профилем, отечественные — с кольцевым по ГОСТ 5781—82 [16], серповидным и другими видами профилей [13].
В результате анализа исследований сформулированы следующие основные положения для руководства при разработке геометрических параметров эффективных видов арматуры периодического профиля:
1. Геометрические параметры стержневой арматуры должны обеспечивать получение профиля, преимущественно сминающего бетон при смещении стержня.
2. Основным параметром, характеризующим эффективность сцепления, является величина относительной площади смятия бетона под поперечными выступами ^ (оптимальные значения ^ = 0,07—0,073).
3. Необходимо стремиться располагать выступы по всему периметру стержня, обеспечивая наиболее полный охват (значение Кох > 0,8—0,9).
4. Соотношение между высотой выступов и номинальным диаметром стержня следует назначать в пределах 0,1—0,05; абсолютное значение высоты выступа желательно назначать возможно большим.
Среди геометрических параметров двухстороннего серповидного профиля наибольшее влияние на прочность и деформативность сцепления с бетоном оказывает высота поперечных ребер «Ь».
В то же время увеличение высоты поперечных ребер ограничено, с одной стороны, технологическими возможностями прокатного производства, а с другой — возрастанием одноосно направленных усилий от распора в окружающем бетоне.
5. Форму поперечного сечения выступа целесообразно принимать трапециевидной, что позволяет сократить ширину выступа у вершины и иметь наклонную боковую поверхность (в среднем под углом 60о).
Наклон ребер к оси стержня |3 (45°<Р<90°) и угол наклона боковой поверхности ребра а (45°<а<90°) имеют небольшое влияние на характеристики сцепления в стадии эксплуатации.
6. Шаг поперечных ребер «?» должен быть соизмерим с размерами зерен заполнителя и должен способствовать вовлечению его в работу сцепления.
Оптимальная величина <Ф> составляет от до 0,8^,.
б
rJ научно-технический и производственный журнал
ft ' !
r^P'j.U:Jii ® март 2017 41
Рис. 2. Серповидный четырехсторонний профиль НИИЖБ
Для достижения полной несущей способности бетонных консолей между поперечными ребрами арматуры необходимо отношение между шагом ребер в свету и высотой ребер t/h > 8.
7. Влияние fR на прочность сцепления после достижения арматурой предела текучести стали мало исследовано:
— при отсутствии поперечной арматуры влияние fR на расклинивание, приводящее к раскалыванию бетона, невелико в пределах значений 0,05</д<0,12;
— при наличии поперечной арматуры повышение fR обусловливает значительное увеличение несущей способности соединений внахлестку;
— влияние поперечной арматуры более ощутимо при больших значениях fR из-за увеличения раскалывающего действия профиля арматуры в этом случае и более интенсивной мобилизации работы поперечной арматуры;
— увеличение относительной площади смятия серповидных поперечных ребер по сравнению с минимальными величинами fR, установленными в Евростандарте EN 10080 «Steel for the reinforcement of concrete», приведет к заметному увеличению несущей способности ан-керовки и соединений стержней внахлестку, только если будет установлено адекватное количество поперечной арматуры.
8. В рамках общепринятых технологий прокатки возможности совершенствования кольцевого и двухстороннего серповидного профиля арматуры в части улучшения сцепления с бетоном путем корректировки геометрических параметров, в значительной степени исчерпаны.
В НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, руководствуясь перечисленными положениями, был разработан, исследован и внедрен новый профиль арматуры с условным названием «серповидный четырехсторонний», объединяющий в себе положительные особенности как кольцевого, так и серповидного двухстороннего профилей (рис. 2).
Арматурный прокат класса А500СП с этим видом профиля массово производится предприятием АО «ЕВРАЗ ЗСМК» по ТУ 14-1-5526-2006 и широко применяется в строительстве. Общий объем его выпуска превысил 3 млн т.
По сравнению с серповидным двухсторонним новый профиль позволяет при той же высоте поперечных ребер за счет их чередующегося четырехстороннего расположения увеличить относительную площадь смятия
^ арматуры в 1,3—1,4 раза, при том, что шаг ребер в каждом ряду увеличивается на 10—15% (см. таблицу).
Такая конструкция профиля за счет увеличения сопротивления смятию и срезу зигзагообразных, непрерывных по длине междуреберных бетонных шпонок, а также благодаря эффективной работе внедренных в них зерен крупного заполнителя позволяет значительно повысить прочность и жесткость сцепления арматуры с бетоном.
Четырехрядная компоновка ребер делает более равномерным по контуру сечения стержня распределение расклинивающих бетон усилий распора, возникающих в зонах анкеровки или нахлестки арматуры, и уменьшает опасность возникновения продольных трещин раскалывания.
При разработке конструкции нового профиля предполагалось улучшить не только показатели по сцеплению с бетоном, трещиностойкости и деформативности железобетонных конструкций, но и их выносливости при многократно повторяющихся нагрузках. Для этого было в два раза относительно кольцевого профиля сокращено число потенциальных очагов концентрации напряжений в местах пересечения поперечных ребер с продольными и исключена замкнутость поперечных ребер по периметру. Кроме того, в технических условиях на изготовление нового профиля предусмотрена плавность сопряжения боковых поверхностей поперечных и продольных ребер с поверхностью сердечника.
Серповидная конфигурация поперечных ребер нового профиля позволила сохранить технологические преимущества изготовления профиля европейского типа. Более того, увеличение расстояния между поперечными ребрами снизило вероятность разрушения перемычек между канавками на поверхности формующих прокатных валков, что позволило повысить их стойкость при прокатке.
Симметричное расположение поперечных ребер по поверхности стержней арматуры обеспечило их прямолинейность при выходе из чистовой клети прокатного стана на холодильник. Округлость внешнего контура сечения нового вида арматуры позволила сохранить высокие технологические показатели переработки ее в арматурные изделия (правка, гнутье, сварка и т. п.), какими обладает арматура с кольцевым профилем по ГОСТ 5781. Кроме того, новый профиль позволяет без прокатной маркировки на поверхности стержней специальных символов безошибочно идентифицировать класс прочности арматуры, что практически исключает возможность случайного попадания в конструкции арматуры низшего класса прочности (А400).
Для объективной оценки влияния вида профиля на жесткость и прочность сцепления обычно достаточно использования упрощенных методов сравнительных испытаний в условиях, максимально уравнивающих влияние прочих факторов.
Именно этой цели служит международная методика испытаний на вытягивание из бетона арматурных стержней RC6 ЕКБ/ФИП/РИЛЕМ/, разработанная коллегиально мировыми авторитетами в данной области и широко применяемая научными лабораториями многих стран.
Испытание заключается в вытягивании плавно возрастающим усилием из куба размером 250x250x250 мм центрально расположенного в нем арматурного стержня с двумя выпусками: коротким (£=15 мм) и длинным (£=800 мм), закрепляемым в нижнем захвате испытательной машины.
По общепринятой методике в процессе вытягивания регистрируют только смещение торца короткого незагруженного выпуска стержня относительно верхней плоскости куба. По методике, используемой в НИИЖБ, дополнительно в процессе испытаний образцов произ-
научно-технический и производственный журнал ^ О >г i -
"Ü март 2017 Ä ¿TiV/JÄJ 1Ы '
водились замеры деформирования металла, загруженного конца стержня для одновременного построения диаграммы о—еу Такая методика испытаний позволяет объективно оценить уровни напряжений в испытываемом стержне, соответствующие характерным участкам графика его смещения в бетоне, информирующим о процессе нарушения сцепления (рис. 3). Эта методика была успешно использована для оценки характера нарушения сцепления стержней с бетоном в предельной стадии, т. е. после достижения физического или условного предела текучести в арматуре.
Длина зоны сцепления стержня с бетоном в различных сериях устанавливалась посредством искусственного нарушения сцепления на некотором участке стержня (в пределах высоты куба с помощью отрезка резиновой трубки, укрепленного на стержне до бетонирования).
Характерные результаты исследований приведены на рис. 3.
Каждый график смещения торца короткого выпуска стержня относительно поверхности бетонного куба построен по 3—10 образцам-близнецам. Приведенные графики построены для арматуры классов А500 диаметром 16 мм с серповидным двухсторонним и серповидным четырехсторонним профилями при длинах анкеровки в бетоне 6,25, 8, 9 и Ш.
Нарушение сцепления и разрушение всех образцов с длиной анкеровки 6,25; 8 и 9 диаметров произошло в результате среза бетонных консолей между поперечными ребрами арматуры и носило пластический характер. При длине анкеровки 10 диаметров все образцы, кроме двух, с серповидным двухсторонним профилем были разрушены от разрыва арматуры.
Жесткость сцепления, характеризуемая наклоном кривых у арматуры с новым профилем (серповидным четырехсторонним) была заметно выше, чем у арматуры европейского профиля (серповидного двухстороннего).
Превышение максимального усилия при вытягивании стержней с новым профилем над арматурой с европейским профилем достигало 27%.
Таким образом, выполненные исследования позволили установить способность стержней с новым профилем при определенных условиях сохранять максимально достигнутую прочность сцепления даже при значительных пластических деформациях стержней при напряжениях на уровне предела текучести и даже выше.
В аналогичных условиях стержни и серповидного двухстороннего, и кольцевого профилей теряют прочность сцепления при существенно меньших пластических деформациях. То есть затраты энергии на разрушение сцепления (энергоемкость сцепления) при испытаниях на вытягивание, которая на рис. 3 выражена как площадь под диаграммой растяжения загруженного конца стержня, для нового профиля заметно выше.
Это очень существенный фактор увеличения стойкости конструкции против прогрессирующего обрушения в условиях запредельной (пластической) стадии сопротивления внешним воздействиям.
Ранее исследователи придерживались мнения, что достижение стержнем предела текучести должно радикально снижать усилие сцепления с бетоном из-за уменьшения сечения стержней при пластическом удлинении. В этом случае предполагается изменение геометрии поперечных ребер и уменьшение площади их контакта с бетоном, т. е. площади смятия [14].
Втягивание в бетон свободного конца арматурного стержня
Hi")S1 ш
СИ. LK 41 HI Ifem
I..1H1
FT~*I 4 iLwd' Hi;?. I.b 11 |.ti*T..
UIS
<h/<m
Диаграмма растяжения загруженного конца арматурного стержня
Л, чк и
Втягивание в бетон свободного конца арматурного стержня
Диаграмма растяжения загруженного конца арматурного стержня
Рис. 3. Деформации втягивания незагруженного конца стержня и энергоемкость разрушения сцепления арматуры 016 мм с бетоном: а - А500СП; б - А500С
С целью выявления влияния типа профиля на особенности механизма взаимодействия бетона и арматурного стержня при вытягивании в условиях значительных деформаций металла было детально исследовано распределение пластических деформаций по длине стержня на участке его анкеровки в бетоне.
Для этого на стержнях, извлеченных из бетона после испытания, в пределах длины их анкеровки, в сечениях, расположенных с шагом 10 мм, измерено в плоскости продольных ребер уменьшение поперечного размера стержня. По этим измерениям были вычислены соответствующие значения локальных остаточных удлинений в каждом таком сечении.
Данные измерений в виде графиков распределения по длине средних значений остаточных деформаций удлинения стержней (б) в пределах зоны изначального
А500СП
012 мм
б
4 3 2 1 0
Удлинение стержня 5, %
016 мм
6 5 4 3 2 1 0 Удлинение стержня 5, %
0 1 2 Удлинение стержня 5, %
Рис. 4. Распределение пластических удлинений арматурных стержней в пределах зоны заделки арматуры в бетон с /„„=М: а - 012 мм; б - 016 мм
а
б
Р
rJ научно-технический и производственный журнал
ЕВдоЗВДШВ ® март 2017 43
Оценка эффективности применяемых в РФ типов периодических профилей стержневой арматуры
Геометрические параметры и оценочные характеристики периодического профиля стержней, определяющие высокие эксплуатационные качества арматуры (нормируемые параметры выделены жирным шрифтом) Оптимальные уровни значений и показателей Значения геометрических параметров и оценочных характеристик для применяемых в РФ типов арматурных профилей. Число значков (+) - условно балльная оценка эксплуатационных качеств
Кольцевой по ГОСТ 5781 Серповидный двухсторонний по ГОСТ Р 52544 Серповидный четырехсторонний по ТУ 14-1-5526
Относительная площадь смятия поперечных ребер /х 0,07-0,08 Фактическая 0,093-0,128 (++) Нормируемая не менее 0,043-0,056 (++) Нормируемая не менее 0,075-0,078 (+++)
Шаг поперечных ребер (с учетом допусков) t (0,6-0,8) dн 0,3-0,7 dн (++) Табл. 2: (0,4-1,0) dн Прил. А: (0,42-0,69) dн (++) (0,50-0,86) dн (+++)
Высота поперечных ребер (для серповидных ребер -максимальная)к >0,065 dн (0,04-0,05) dн (++) Табл. 2: (0,065-0,1) dн Прил. А:(0,067-0,083) dн (+++) (0,063-0,083) dн (+++)
Плавность сопряжения боковых поверхностей поперечных и продольных ребер с поверхностью сердечника (радиус сопряжения г) Максимально возможный 1,5-3,5 мм (только для поперечных ребер) (++) Не предусматривается и не нормируется (рис. А.1 в прил. А) (++) Предусматривается (рис. 1), но не нормируется (+++)
Коэффициент охвата сердечника поперечными ребрами (0,8-0,9) яdн (0,85-0,95) яdн (+++) (0,75-0,80) яdн (++) (0,85-0,95) яdн (+++)
Отношение расстояния в свету между поперечными ребрами к их высоте с/к >8 3,12-6,5 (+) 4,72-7,1 (++) 7,12-10,75 (+++)
Возможность увеличения высоты поперечных ребер для достижения оптимальной площади смятия ребер Не требуется до 0,07-0,08 Не требуется (+++) Средняя (++) Высокая (+++)
Способность при минимальных нормируемых значениях сохранения сцепления с бетоном при пластических деформациях арматуры за пределом текучести - Средняя (++) Средняя (++) Высокая (+++)
Возможность усиления сцепления с бетоном при повышении площади смятия ребер (при адекватном поперечном армировании конструкции) Высокая Малая (++) Средняя (++) Высокая (+++)
Способность обеспечения нормируемого уровня сопротивления динамическим, в том числе циклическим, нагрузкам Высокая Средняя (++) Высокая (+++) Высокая (+++)
Деформативность железобетонных изгибаемых элементов (балок, плит) при нормативной нагрузке Низкая Низкая (+++) Средняя (++) Низкая (+++)
Трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов (балок, плит) при нормативной нагрузке Высокая Высокая (+++) Средняя (++) Высокая (+++)
Защита от воздействия агрессивных сред (с учетом п. 12) Высокая Высокая (+++) Средняя (++) Высокая (+++)
Способность при минимальных нормируемых значениях /х к обеспечению надежности и жесткости концевых анкеров (обжатых шайб) на предварительно напрягаемых арматурных стержнях с натяжением на упоры форм Высокая Высокая (+++) Средняя (++) Высокая (+++)
Длина зоны передачи напряжений на бетон при отпуске натяжения арматуры Малая Малая (+++) Средняя (++) Малая (+++)
Распорность профиля на длине зоны передачи напряжений на бетон при значениях /Е: - минимальных нормируемых, - при фактических высоких и близких к оптимальным Низкая Низкая Высокая (+) Высокая(+) Низкая (+++) Средняя (++) Низкая (+++) Низкая (+++)
Узнаваемость (простота идентификации) класса арматуры на стройплощадке Высокая Средняя (++) Средняя (++) Высокая (+++)
Технологичность в производстве Высокая Средняя (++) Высокая (+++) Высокая (+++)
Суммарная условно балльная оценка эффективности типов периодического профиля арматурных стержней (+)42 (+)42 (+)57
44
март 2017
\Л ®
контакта с бетоном приведены на рис. 4. Различия в характере распределения этого параметра по длине стержней в зоне заделки для серповидного четырехстороннего профиля (А500СП) и серповидного двухстороннего профиля (А500С) достаточно очевидны. Для стержней с серповидным двухсторонним профилем глубина распространения пластических деформаций в среднем вдвое меньше, чем у стержней с новым профилем.
Полученные данные наглядно показывают, что новый периодический профиль при длине анкеровки в 3—4 раза меньше требуемой СП для восприятия расчетного сопротивления не только обеспечивает более значительные усилия вытягивания стержней из бетона по
Список литературы
1. Тихонов И.Н. Проектирование элементов зданий из железобетона на аварийные нагрузки с учетом свойств арматурного проката // Строительная механика и расчет сооружений. 2007. № 4. С. 52—56.
2. Тихонов И.Н. Эффективное армирование железобетонных конструкций без предварительного напряжения // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 25-27.
3. Снимщиков С.В., Харитонов В.А., Суриков И.Н., Харитонов В.А., Петров И.М. Анализ уровня качества арматурного проката класса В500С на основе методов математической статистики // Черная металлургия. 2013. № 8. С. 48-59.
4. Тихонов И.Н. Исследование железобетонных элементов с эффективной арматурой класса А500 // Сборник научных трудов НИИЖБ. 2013. С. 179-190.
5. Семченков А.С., Залесов А.С., Мешков В.З., Квасников А.А. Характер сцепления с бетоном стержневой арматуры различных профилей // Бетон и железобетон. 2007. № 5. С. 2-7.
6. Тихонов И.Н., Гуменюк В.С. К вопросу об оценке влияния холодного упрочнения арматуры на ее сопротивление сжатию // ЖБИ и конструкции. 2010. № 2. С. 16-20.
7. Тихонов И.Н., Гуменюк В.С. О расчетном сопротивлении сжатию арматуры, упрочненной в холодном состоянии // Метизы. 2008. № 2 (18). С. 26-30.
8. Мадатян С.А. Свойства арматуры железобетонных конструкций в России на уровне лучших мировых стандартов // Бетон и железобетон. 2013. № 5. С. 2-5.
9. Мадатян С.А. Новая арматурная сталь класса А 600 С // Стройметалл. 2010. № 5. С. 7-10.
10. Мадатян С.А. Холоднодеформированная арматура класса В 500 С // Метизы. 2008. № 2. С. 20-25.
11. Тихонов И.Н. Оценка эффективности арматурного проката с различными видами периодического профиля поверхности // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 29-34.
12. Звездов А.И., Снимщиков С.В., Харитонов В.А., Sokol H., Харитонов А.В. Формат поставки бухтово-го арматурного проката и его качество на отечественном рынке // Черная металлургия. 2016. № 10 (1402). С. 53-62.
13. Тихонов И.Н., Мешков В.З., Расторгуев Б.С. Проектирование армирования железобетона. М.: ЦНТП им. Г.К.Орджоникидзе, 2015. 273 с.
14. Mayer, U (2002), Zum Einfluss der Oberflachengestalt vonRipptnstahlen fufdas Trag -undVerformungsverhalten von Stahlbetonbauteilen, Dissertation,Universitat Stuttgart, Institut fur Werkstoffe im Bauvesen, IWB -Mitteilungen 2002/1.
15. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. 256 с.
16. Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1974. 233 с.
сравнению с обычным серповидным двухсторонним профилем, но и удерживает максимальное усилие сцепления при в несколько раз больших пластических деформациях арматурного стержня и, следовательно, способен обеспечить более высокую «живучесть» конструкций в экстремальных ситуациях.
Оценка эффективности применяемых в России типов периодических профилей стержневой арматуры приведена в табл. 1, в конце которой дана суммарная условно балльная оценка применяемых в РФ видов профиля стержневого арматурного проката, наглядно демонстрирующая преимущество нового четырехстороннего периодического профиля арматуры класса А500СП.
References
1. Tikhonov I.N. Designing of elements of buildings from a lezobeton on emergency loadings taking into account properties are of maturny hire. Stroitel'naja mehanika i raschetsooruzhenij. 2007. No. 4, рр. 52—56. (In Russian).
2. Tikhonov I.N. Effective reinforcing of steel concrete designs without preliminary tension. Promyshlennoe igrazh-danskoestroitel'stvo. 2013. No. 1, рр. 25—27. (In Russian).
3. Snimshchikov S.V., Kharitonov V.A., Kharitonov V.A., Surikov I.N., Petrov I.M. Analysis of the level of quality of reinforcing B500C class hire on the basis of methods of mathematical statistics. Chernaia metalurgia. 2013. No. 8, рр. 48-59. (In Russian).
4. Tikhonov I.N. Investigation of reinforced concrete elements with an effective reinforcement of class A500. Sbornik nauchnyh trudovv NIIGB. Moscow: NIIZhB. 2013, pp. 179-190. (In Russian).
5. Semchenkov A.S., Zalesov A.S., Meshkov V.Z., Kvasnikov A.A. Character coupling rod to concrete reinforcement of various profiles. Beton i zhelezobeton. 2007. No. 5, рр. 2-7. (In Russian).
6. Tikhonov I.N., Gumenyuk V.S. To a question of assessment of influence of cold hardening of fittings on her resistance to compressionconcrete goods. ZhBI i konstrukt-sii. 2010. No. 2, рр. 16-20. (In Russian).
7. Tikhonov I.N., Gumenyuk V.S. About the settlement resistance to compression of fittings strengthened in a cold state. Metizy. 2008. No. 2 (18), рр. 26-30. (In Russian).
8. Madatyan S.A. Properties of an armature of steel concrete designs in Russia at the level of the best international standards. Beton i zhelezobeton. 2013. No. 5, рр. 2-5. (In Russian).
9. Madatyan S.A. New reinforcing steel of the class A 600 C. Strojmetall. 2010. No. 5, рр. 7-10. (In Russian).
10. Madatyan S.A. Holodnodeformirovanny armature of the class B 500 C. Metizy. 2008. No. 2, рр. 20-25. (In Russian).
11. Tikhonov I. N. An efficiency evaluation of reinforcing hire with different types of a periodic profile of a surface. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2013. No. 3, рр. 29-34. (In Russian).
12. Zvezdov A.I., Snimshchikov S.V., Kharitonov V.A., Sokol H., Haritonov A.V. Format of delivery of bukhtovy reinforcing hire and its quality in the domestic market. Chernaja metallurgija. 2016. No. 10 (1402), рр. 53-62. (In Russian).
13. Tikhonov I.N., Meshkov V.Z., Rastorguyev B.S. Proekti-rovanie armirovanija zhelezobetona [Steel concrete reinforcing designing]. Moscow: TsNTP of G.K. Ordzho-nikidze, 2015. 273 p.
14. Mayer, U (2002), Zum Einfluss der Oberflachengestalt von Ripptnstahlen fuf das Trag - und Verformungsverhalten von Stahlbetonbauteilen, Dissertation, Universitat Stuttgart, Institut fur Werkstoffe im Bauvesen, IWB - Mitteilungen 2002/1.
15. Madatyan S.A. Armatura zhelezobetonnyh konstrukcij [ Armature of steel concrete designs]. Moscow: Voyentekhlit, 2000. 256 p.
16. Mulin N. M. Sterzhnevaja armatura zhelezobetonnyh konstrukcij [Rod armature of steel concrete designs]. Moscow: Stroyizdat. 1974. 233 p.
j'yJ ®
март 2017
45
