CC BY
33Научно-технический ГТРШТг If J ГШ! Расчет
и производственный журнал '' конструкций
УДК 691.328:624.072.22
И.Н. ТИХОНОВ, канд. техн. наук, И.П. САВРАСОВ, инженер (odon_chato@mail.ru),
НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (Москва)
Экспериментальные исследования предельных состояний железобетонных балок с арматурой класса прочности 500 МПа
Представлены результаты сравнительных испытаний, проведенных с целью определения прочности, трещи-ностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса прочности 500 МПа. В экспериментах использовали арматуру различных диаметров с профилями по СТО АСЧМ 7-93 (А500С) и по ТУ 14-1-5526-2006 (А500СП). Выявлены преимущества использования в изгибаемых железобетонных элементах, арматуры класса А500СП с эффективным профилем (1Н>0,075) над А500С (1Я>0,056).
Ключевые слова: арматура, периодический профиль, изгибаемые железобетонные элементы, второе предельное состояние.
В последние годы в практике строительства широко используется термомеханически упрочненный арматурный прокат класса прочности 500 МПа из марок стали СтЗсп, СтЗпс, СтЗГпс.
Диаграмма деформирования этого проката отличается от диаграммы широко известной горячекатаной арматуры класса А400 (А-Ш) из марки 35ГС.
Кроме того, за последние 20 лет произошла широкомасштабная замена арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781-82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» на арматуру класса А500С с двухсторонним серповидным профилем по СТО АСЧМ 7-93 «Прокат периодического профиля из арматурной стали. Технические условия».
Широкое применение в последнее время нашла также арматура класса А500СП с четырехсторонним серповидным профилем по ТУ 14-1-5526-2006 «Прокат арматурный класса А500СП с эффективным периодическим профилем. Технические условия».
Известно, что характер диаграммы деформирования арматуры после достижения физического или условного предела текучести и эффективность ее совместной работы с бетоном влияют на способность к перераспределению усилий изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных конструкций. Профиль арматуры в значительной степени определяет ее эффективность сцепления с бетоном, а следовательно, выполнение требований нормативных документов по прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных элементов [1].
С целью оценки степени влияния указанных факторов на предельные состояния нормальных сечений изгибаемых балочных железобетонных элементов в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева были выполнены специальные опыты.
Для проведения испытаний были изготовлены две серии балок прямоугольного сечения с арматурой класса А500С (БС) и А500СП (БСП).
Габариты и армирование балок, а также схема их испытаний приведены на рис. 1.
Таблица 1
Серия Шифр балок* Фактические (опытные) характеристики арматуры (средние по двум стержням) Кубиковая прочность бетона при сжатии, Н/мм2
As, мм2 °т (0,2), Н/мм2 аВ, Н/мм2 65, % 6Р, %
I БС-1(1) 160,6 578,5 664,85 25,2 10,7 0,056 40
БС-1(2) 160 546,9 641,4 25,8 12,4 0,056 40
БСП-1(1) 158,2 538,9 632,1 24,2 12 0,075 40
БСП-1(2) 157,8 551 641,6 23,6 10 0,075 40
II БС-2(1) 404,8 594 724,5 21,4 9 0,066 28,5
БС-2(2) 402,6 590,4 718,6 21,4 11 0,066 28,5
БСП-2(1) 398,2 591,8 717,6 22,5 10,4 0,085 28,5
БСП-2(2) 396,4 590,7 718,9 22,5 9,8 0,085 28,5
* Первая буква шифра балки обозначает вид конструкции («Б»-балка); вторая буква - вид периодического профиля арматуры растянутой зоны балки («С» - серповидный двухсторонний; «СП» - серповидный четырехсторонний). Первая цифра обозначает номер серии; вторая цифра -номер образца-близнеца.
100
КПП
1800
600
600
100
А
40 40
80 ^80_
Ж
Ж
80 , 80 , 80
Крепежные элементы 500
2000
80
80
Ж
Ж
80 , 80
80
40
05 Вр1
160
010 для 1-й серии 016 для 2-й серии
Рис. 1. Схема армирования 1-й и 2-й серий опытных балок
Испытания проводились по методике НИИЖБ на стенде с использованием гидродомкратов при статическом приложении нагрузки. Всего было испытано 8 балок. Маркировка балок; характеристики бетона и арматуры; величины испытательных нагрузок приведены в табл. 1. Фактические диаграммы арматуры опытных балок показаны на рис. 2.
При проведении испытаний предполагалось оценить влияние процента армирования (относительной высоты сжатой зоны ^=х/110) и профиля арматуры класса прочности 500 МПа на сопротивление балок до и после достижения в растянутой ар-
А-А
05 Вр1
010 для 1-й серии 016 для 2-й серии
матуре предела текучести, их трещиностойкость и деформа-тивность. Для этого загружение опытных балок после достижения растянутой арматурой предела текучести осуществлялось поэтапно с минимально возможным увеличением нагрузки.
Для замеров деформаций бетона использовался метод электротензометрирования с дублированием его механическими тензометрами Гугенбергера. Замеры совместного деформирования бетона и арматуры на базе 500 мм в зоне чистого изгиба балок, а также прогибов осуществлялись с помощью прогибомеров.
а 750 700 650 600 550 500 % 450 §- 400 350 300 250 200 150 100 50 0
750 700 650 600 550 500 ^ 450 400 о 350 300 250 200 150 100 50 0
! -
БС-2(1) БС-2(2) — БСП-2(1) - БСП-2(2)
__
--
■
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 1
2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 2. Диаграммы растяжения арматуры опытных балок: а — серия 1 (арматура 010 мм); б — серия 2 (арматура 016мм):
40
20
12
% %
% %
Расчет конструкций
5 4
3-2 1 0
Р/2
Отн. деф. арм.
100 200 300 400 500 600
на базе 500 мм ^ 1_, мм
£„ %
39
Р/2
.17 о со сэ 12 Я
\ / 1—\—1 ' 1 сэ со
Г 7 Т ■ 1(2 3 - -«г 0
—1 " (- 0 со сэ сэ см
Р/2" Т Р/2
100 200 300 400 500 600
1_, мм Отн. деф. арм.
на базе 500 мм ^
е,, %
Отн. деф. арм. , на базе 500 мм ^
1_, мм
Отн. деф. арм. , на базе 500 мм ^
1,4-1,21
0,8 0,6 0,4 0,20
Отн. деф. арм.
на базе 500 мм s:
е,, %
100 200 300 400 500 600 Р/2 Р/2
284 * 325
Ь, мм
Р/2 0 р 0,20,40,60,811,21,48, ! 1,41,2-1-0,8-0,6 0,4 0,21 0
Р/2
100 200 300 400 500 600
Ь, мм
Отн. деф. арм.
на базе 500 мм ^
е,, %
V—£
100 200 300 400 500 600 Р/2 Р/2
"" 348
Отн. деф. арм. е % на базе 500 мм
Ь, мм
---К-
/и/
Ч1 2
Р/2 0 0,2 0,4 0,6 0,811,21,4-
[ Р/2
100 200 300 400 500 600
Ь, мм
Отн. деф. арм.
Рис. 3. Деформации бетона и расположение трещин при макси- Рис. 4. Деформации бетона и расположение трещин при максимальной нагрузке; остаточные деформации арматуры по длине мальной нагрузке; остаточные деформации арматуры по длине балок: а - БС-1(1); б - БСП-1(1) балок: а - БС-2(1); б - БСП-2(1)
8р, %
8р, %
8
3
пах
а
а
8
200
8
3
тах
5
8
3
5
2
8
6
4
8р %
8р, %
ШШКШ
Таблица 2
Серия Шифр балок Расч. отн. выс. сжат. зоны Ё - х "0 Нагрузка, соответствующая разрушению Р, кН Расчетная нагрузка по прочности при напряжениях в арматуре, соответствующих Е * 6 ** 6 ртах Превышение разрушающей нагрузки над расчетной, % Опытные относительные деформации арматуры балок, соответствующие расчетным нагрузкам Ре5 РбРти К -
Р-Ре х 100 Р-Р6Ртах
РЕ , кН Рбртах' КН Ре Еву, % Евп, %
образца средняя образца средняя образца средняя образца среднее образца среднее образца 0 ^ 1 с 0 о о со0 образца 0 ^ X 13 0 а о 1 ю со
I БС-1(1) 0,089 54 53,6 52,96 51,8 55,83 54,95 1,96 3,51 -3,28 -2,43 1,5 0,98 2,17 2,16 2,2
БС-1(2) 0,083 53,2 50,64 54,06 5,06 -1,59 0,8 2,15
БСП-1(1) 0,08 56,3 56,6 49,87 49,79 52,55 52,81 12,89 13,69 7,14 7,19 0,25 0,22 2,23 2,05 9,3
БСП-1(2) 0,082 56,9 49,7 53,06 14,49 7,24 0,18 1,87
II БС-2(1) 0,37 115 116,5 113,46 112,92 114,61 114 1,36 3,18 0,34 2,2 0,35 0,34 0,94 0, 88 2,58
БС-2(2) 0,37 118 112,37 113,39 5,01 4,07 0,32 0,82
БСП-2(1) 0,37 120 119,65 113,47 113,35 114,36 114,17 5,75 5,56 4,93 4,8 0,38 0,37 1,16 0,98 2,6
БСП-2(2) 0,36 119,3 113,23 113,98 5,36 4,67 0,35 0,8
* е8 - средние остаточные относительные деформации арматуры после испытаний, определенные на базе 500 мм; ** 6р - максимальные остаточные деформации арматуры в зоне чистого изгиба после испытаний, определенные на базе 50 мм.
Для определения остаточных деформаций металла после проведения испытаний все арматурные стержни опытных балок размечались перед бетонированием по длине с шагом 10 мм.
Образцы каждой серии изготавлялись из одного состава бетона. Для них подбиралась арматура с близкими механическими свойствами. Для определения механических свойств и построения диаграммы деформирования металла образцы для испытаний при разрыве отрезались от тех же стержней, что и рабочая арматура опытных балок.
В табл. 2 приведены результаты расчета и испытаний опытных балок по несущей способности, в табл. 3, 4 - по трещиностойкости и деформативности. На рис. 3, 4 показаны развертки боковых и нижней сторон опытных балок в зоне чистого изгиба с трещинами, зафиксированными перед разрушением балок.
Здесь же приведены результаты замеров средних совместных остаточных деформаций арматуры и бетона Ев на базе 500 мм и локальных остаточных деформаций обоих арматурных стержней растянутой зоны 6р на базе 50 мм по длине зоны чистого изгиба.
На одной из боковых поверхностей балок показаны эпюры деформаций бетона разных сечений балок по длине в предельной стадии нагружения, замеренные перед разрушением.
Результаты испытаний, приведенные в табл. 2 и на рис. 3-5, анализировались путем сравнения нагрузки, соответствующей разрушению образцов, с расчетными нагрузками, определенными по формулам СП 52-101-2003 «Бетоны и железобетонные конструкции без предварительного армирования» с использованием фактических прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры балок.
Таблица 3
Серия
Шифр балок Нагрузка, соответствующая образованию нормальных трещин, кН Превышение БСП над БС Ширина раскрытия трещин при достижении РЕ , мм Превышение БС над БСП Количествово трещин при достижении РЕ на базе 500 мм в Прогибы, мм К -п К - Т
При РЕ , мм Превышение БС над БСП На момент разрушения, мм Превышение БС над БСП
образца средняя образца аЕ средняя аЕ образца ч средние ч -Р /1 образца 'п средние -п
БС-1(1) 17,5 18,75 1,12 1,76 1,61 > 0,4* 7,7 3 27,5 21,45 2,8 37 40,7 0,92 1,9
БС-1(2) 20 1,45 3 15,4 1/84>(1/150)** 44,4
БСП-1(1) 21 20,95 0,21 0,21 < 0,4* 4 7,5 7,75 44,8 44,4 5,7
БСП-1(2) 20,9 0,2 4 8 1/232<(1/150)** 44
БС-2(1) 15 16,5 1,24 0,3 0,34 < 0,4* 1,55 5 17 18 1,12 21 23 0,72 1,2
БС-2(2) 18 0,38 5 19 1/100>(1/150)** 25
БСП-2(1) 21 20,5 0,2 0,22 < 0,4* 7 15 16 31,8 31,8 2
БСП-2(2) 20 0,23 6 17 1/113>(1/150)** 31,8
* Предельно допустимое значение ширины раскрытия трещин при ее непродолжительном раскрытии (СНиП 52-01-2003); ** Предельно допустимый прогиб железобетонных элементов при действии постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок (СНиП 52-01-2003, СНиП 2.01.07).
I
Расчет конструкций
а 60
50
40
30
20
500
1000
1500
2000
2500 1, мм у 10-2
3000
3500
4000
4500
120
100
80
а: 60
40
20
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
1, мм у 10-2
Рис. 5. Характер развития прогибов опытных балок: а - серия 1; б - серия 2
10
0
0
Таблица 4
Серия Шифр балок Расч. ширина раскрытия трещин (при = 500 МПа) в сравнении с асгс, мм асгс - -Е - ^ х 100, % аЕ Расч. прогиб г (при Я^ = 500 МПа), 'его' 1 г - г Р 00 ^ х 100, % г ре.
по СНиП 2.03.01-84* по СП 52-101-2003 по СНиП 2.03.01-84* по СП 52-101-2003 по СНиП 2.03.01-84* по СП 52-101-2003 по СНиП 2.03.01-84* по СП 52-101-2003
I БС-1(1) БС-1(2) 0,38<0,4* 0,43>0,4* -324 -73 9,8 10,6 -54 -51
БСП-1(1) БСП-1(2) +81 +105 1/ <1/ ** '84< /150 1/ <1/ ** /70< /150 +26 +37
II БС-2(1) БС-2(2) 0,31<0,4* 0,35<0,4* -9 +3 14,37 15,02 -20 -17
БСП-2(1) БСП-2(2) +41 +59 1/ >1/ ** /125> '150 1/ >1/ ** /120> М50 -10 -5
* Предельно допустимое значение ширины раскрытия трещин при ее непродолжительном раскрытии (СНиП 52-01-2003); ** Предельно допустимый прогиб железобетонных элементов при действии постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок (СНиП 52-01-2003, СНиП 2.01.07).
При этом в расчетах использовалось два значения предельных напряжений в растянутой арматуре, определенных по диаграммам на рис. 2 с использованием е5 и бр, приведенных на рис. 3, 4.
Как видно из рис. 3 и 4, локальные остаточные деформации арматуры зоны чистого изгиба балок неравномерны по длине. В местах трещин балок пики остаточных деформаций достигают величины в слабоармированных (^=0,08) образцах 1-й серии - 5,5%; сильноармированных 2-й серии (^=0,37) - 1,4%. Между трещинами остаточные деформации арматуры значительно меньше.
В балках 1-й серии локальные остаточные деформации арматуры (бр) превышали их средние значения (е5) в 3,7 раза, - в балках 2-й серии - 2,2 раза, при соответствующих значениях е5 - 1,5% и 0,65%.
Превышения опытных разрушающих нагрузок Р над расчетными Р^ составили РбРта)( в среднем для балок БС 1-й серии соответственно +3,51% и -2,43%; для балок БСП 13,69% и 7,19%. Аналогичные превышения в образцах 2-й серии: для балок БС 3,18% и 2,2%; соответственно БСП 5,56% и 4,8%.
В табл. 2 также приведены значения относительных деформаций арматуры Е5у при РЕ и е5П при определенные по графикам на рис. 5. Коэффициент превышения
_ _ £
средних значений е$п над Е5у Кз — Л для балок БС и БСП
£
^зу
1-ой серии составил соответственно 2,2 и 9,3, для балок
2-ой серии - 2,58 и 2,6, что убедительно показывает эффективность арматуры А500СП для осуществления возможности перераспределения усилий в слабоармиро-ванных железобетонных изгибаемых элементах.
При расчете статически неопределимых железобетонных балок по методу предельного равновесия допускается развитие в расчетных сечениях пластических деформаций в растянутой арматуре, значительно превышающих величины е5, соответствующие достижению стт. Естественно, что в этом случае бетон сжатой зоны должен быть нагружен в стадии, далекой от разрушения. Такое поведение сечений балок возможно только в случае их проектирования с мини-
мальными значениями
— . Естественно, что приня-
тые допущения при проектировании балок с арматурой
класса А500 не должны приводить к снижению эксплуатационной надежности железобетонных конструкций и здания в целом. В данных опытах была произведена экспериментальная оценка остаточной несущей способности, трещин и прогибов балок с ^«0,08 после достижения в их растянутой арматуре класса А500 относительных деформаций более 1% и отношения полных упругопластических прогибов балок гп к их упругой составляющей гу больше или
равном 3 ( Кг — — > З). Данная проверка осуществлялась
1У
путем полного снятия достигнутой нагрузки и последующего нагружения балок до их полного разрушения. На рис. 5, а и 6, а приведены результаты опытов, которые убедительно доказывают высокую остаточную несущую способность, деформативность и трещиностойкость сла-боармированных балок после кратковременного нагру-жения в зоне больших пластических деформаций растянутой арматуры класса А500. Сопоставление полученных в опытах площадей петель гистерезиса прогибов и трещин балок БС и БСП указывает на преимущества последних.
Трещиностойкость и деформативность опытных балок можно оценить по результатам испытаний, приведенным на рис. 5, 6 и в табл. 3 и 4.
Характер развития трещин и прогибов опытных слабо-армированных балок 1-ой серии отличался в зависимости от эффективности сцепления профиля арматуры использованной для их армирования и Начиная с момента тре-щинообразования прогибы и ширина раскрытия трещин балок БС (гя=0,056) превышали прогибы балок БСП (гя=0,075). После достижения зоны упругопластического деформирования арматуры превышение прогрессировало и становилось более заметным. Так, если на уровне нагружения, соответствующего 0,5Р, превышение прогибов и ширины трещин балок БС над БСП составляло около 40%, то при достижении РЕг прогибы балок БС превысили прогибы балок БСП в 2,8 раза, а ширина раскрытия трещин в 7,7 раза. В балках 2-ой серии прогибы и трещины при РЕг были превышены соответственно в 1,55 и 1,1 раза.
Как видно из опытов, прогибы группы сильноармиро-ванных балок БС (гя=0,066) и БСП (гя=0,085) 2-ой серии отличались не столь значительно (в среднем 12,5%). В
Расчет конструкций
а 60
50
40
30
20
Число трещин, п
120 110 100 90 80
8 9
Число трещин, п
Рис. 6. Характер развития трещин опытных балок: а - серия 1; б - серия 2
10
0
2
3
4
5
70
60
50
0
4
5
6
7
этом случае сближение результатов опыта можно объяснить наличием достаточно высокого fR у использованной арматуры класса А500С. Следует отметить, что при достижении Ре5 опытные значения ширины раскрытия трещин и прогибов балок БС 1-ой серии были значительно больше их предельных нормируемых значений, в то время как в балках БСП эти же предельные значения не были превышены. Если опытные значения ширины раскрытия трещин при Ре5 балок БС и БСП 2-ой серии не превышали предельных, то предельные значения прогибов были превышены.
Сопоставление результатов опыта и расчета по СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» и СП 52-101-2003 приведено в табл. 4, где показано, что по расчетным формулам СП 52-101-2003 получаются значения ширины раскрытия трещин и прогибов, более близкие к опытным, чем по формулам СНиП 2.03.01-84*. Наибольшая сходимость результатов расчета и опыта была у образцов 2-ой серии балок (^=0,37). Следует отметить, что опытные значения ширины раскрытия трещин и величины прогибов у балок БС первой серии (^«0,08) были значительно больше их расчетных значений в то время как у балок БСП меньше. Последнее дает основание рекомендовать широкомасштабное использование арматуры класса А500СП в изгибаемых железобетонных элементах, особенно тех, армирование которых определяется требованиями второго предельного состояния СНиП (шириной раскрытия трещин и величиной прогибов).
Экспериментально показаны преимущества использования в изгибаемых железобетонных элементах арматурной стали класса А500СП с эффективным профилем (^>0,075) вместо А500С (^>0,056) для одновременного выполнения требований первого и второго предельных состояний по СП 52-101-2003 без перерасхода металла, а также для осуществления перераспределения усилий в статически неопределимых конструктивных решениях.
В случае использования арматуры с прочностью более 400 МПа (500, 600 МПа) для снижения армирования в ЖБК при выполнении требований первого предельного состояния по СП 52-101-2003 необходимость выполнения требований второго предельного состояния в изгибаемых элементах с ^>0,1 может обусловливать дополнительное армирование, которое снижает эффективность применения арматуры повышенной прочности до минимума.
В проектировании изгибаемых железобетонных элементов целесообразно учитывать опытно установленную эффективность использования арматурного проката с fR>0,07. Этому требованию удовлетворяет прокат ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» класса А500СП с браковочной минимальной величиной fR>0,075 (СТО 36554501-005-2006* «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях»).
Литература
1. Тихонов И.Н. Снижение стоимости строительства из железобетона при оптимальном проектировании армирования // Жилищное строительство. 2009. № 7. С. 2-7.
СТАРЕЙШАЯ ОТРАСЛЕВАЯ ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА
ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ И АРХИТЕКТУРЕ
яО
ОТМЕЧАЕТ 80-ЛЕТИЕ И ПРИГЛАШАЕТ
воспользоваться ее уникальными фондами - свыше 1,5 млн печатных единиц, включая редкие книги, отечественную и иностранную периодику. Тематика библиотеки охватывает издания по всем разделам истории и теории архитектуры, градостроительства,
строительства, строительных материалов и смежных искусств. Представлены материалы по живописи, графике, скульптуре, прикладным искусствам, географии и картографии. Особо ценен выверяемый фонд норматив но-технических документов по проектированию и строительству.
ОКАЗЫВАЕТ ЧИТАТЕЛЯМ СЛЕДУЮЩИЕ УСЛУГИ: * библиографическую помощь для написания научных трудов, диссертаций, курсовых и дипломных работ; • методические консультации по работе с фондом нормативно-технических документов; • абонементное обслуживание и приоритетное обслуживание по договорам; • заказ литературы по электронной почте: сп!Ь„еэ2001 @таЛ.ги; • ксерокопирование; • фотографирование документов фонда; • сканирование.
Студентам и аспирантам профильных вузов предлагаем работу с частичной занятостью.
Более подробную информацию об услугах библиотеки можно получить по телефонам:
отдел обслуживания - (495) 976-03-65
дежурный библиограф - 495) 976-45-48
дежурный библиограф _
тел./факс - (495) 976-48-82
e-mail: cntb_sa2001@rnail.ru Адрес: Москва, Дмитровское ш.. 9, стр. 3 (проезд: ст. м. »Тимирязевская»)
