Исследование прочности железобетонных балок с арматурой класса А500 при действии поперечных сил Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

------ЖИЛИЩНОЕ -

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.012.36

И.Н. ТИХОНОВ, канд. техн. наук, И.П. САВРАСОВ, инженер ([email protected]),

НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (Москва)

Исследование прочности железобетонных балок с арматурой класса А500 при действии поперечных сил

Представлены результаты исследования прочности изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса А500 при разрушении по наклонному сечению. В экспериментах использовали арматуру с периодическими профилями А500С по СТО АСЧМ 7-93 и А500СП по ТУ 14-1-5526-2006 для исследования характера разрушения наклонных сечений при обрыве части арматуры в приопорной зоне балок, а также особенностей деформирования концевых участков арматуры с различными видами профиля в стадии разрушения. Выявлены преимущества использования в изгибаемых железобетонных элементах арматуры класса А500СП вместо А500С.

Ключевые слова: арматура, периодический профиль, изгибаемые железобетонные элементы, поперечная сила.

Известно, что прочность наклонных приопорных сечений балочных железобетонных элементов обусловливается сопротивлением бетона этих сечений и сопротивлением стержней поперечной и продольной арматуры, пересекаемых наиболее опасной наклонной трещиной, образуемой в процессе нагружения. Величина этого сопротивления определяется местоположением от опоры поперечной силы; прочностью бетона, поперечной и продольной арматуры; эффективностью сцепления с бетоном концевых участков, заводимых за опору и обрываемых в пролете продольных арматурных стержней, а также «нагельным» эффектом арматуры. Множество опытов, выполненных в СССР по исследованию этого вопроса, было проведено еще до 1990-х гг. прошлого столетия для нужд широко используемого в то время сборного железобетонного строительства на образцах-балках с арматурой прочностью до 400 МПа, имеющей кольцевой периодический профиль поверхности по ГОСТ 5781-82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия». Для оценки сопротивления наклонных сечений железобетонных балок с арматурой класса прочности 500 МПа в более позднее время были выполнены ограниченные экспериментальные исследования [1]. В этом случае сопоставлялись опыты на балках с арматурой, имеющей кольцевой профиль по ГОСТ 5781-82 и

серповидный по СТО АСЧМ 7-93 «Прокат периодического профиля из арматурной стали. Технические условия». Полученные результаты были не в пользу последней, так как прочность и жесткость сцепления с бетоном у арматуры с серповидным профилем ниже, чем у арматуры по ГОСТ 5781-82 [2].

В НИИЖБ им. А.А. Гвоздева разработана и нашла широкое применение в строительстве арматура класса А500СП, имеющая четырехсторонний серповидный арматурный профиль по ТУ 14-1-5526-2006, который позволил обеспечить сцепление с бетоном не хуже, а в стадии пластического деформирования даже лучше, чем у арматуры по ГОСТ 5781-82 [3].

В жилищном строительстве в последние годы находит широкое применение монолитный железобетон с вязаными каркасами и сетками, в которых массово используется арматура повышенной прочности класса А500С и А500СП. Эта арматура с целью снижения металлоемкости железобетонных перекрытий часто обрывается в до- и послеопор-ных зонах плит и балок, что при выполнении требований СНиП по анкеровке не запрещается.

В то же время в [4] для плоских плит перекрытия из монолитного железобетона обрывы вязаной продольной арматуры в пролете не рекомендуются, а предлагается осуществлять непрерывное армирование этой арматуры с воз-

Таблица 1

Серия Шифр балок Фактические (опытные) характеристики арматуры (средние по трем стержням) Кубиковая прочность бетона при сжатии, Н/мм2

As, мм2 °т (0,2^ Н/мм2 ов, Н/мм2 65, % бр, % fR

III, IV БС-3(1), БС-4(1) 605,2 576,5 706,3 21,1 10 0,066 50

БС-3(2), БС-4(2) 603,8 570,2 702 21,8 9,8

БСП-3(1), БСП-4(1) 597,3 566 691,6 22 9,5 0,085

БСП-3(2), БСП-4(2) 594,6 566,1 687,1 22,3 9,7

Примечание. 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.

------жилищное

СТРОИТЕЛЬСТВО

Расчет конструкций

Таблица 2

Расстояние от поперечной силы до Опытные величины максимальных нагрузок, кН Опытные величины при разрушающей нагрузке

Серия Шифр 5 5 ш 3 при разрушении при образовании трещин « £ иь нл ее О Б д а н Ширина трещин, мм Смещение арматуры относительно торца балок при Расчетная разрушающая нагрузка, Р, кН Р -Р

балок а сс н N р Щоо л оа аыц чрр и ат рм пр а П С Б% е % разр. нагр., Д, мм

.а р о п о е т с а ей ы р б о образцов, р 1 ехр превышение БСП над БС, % нормальных превышение БСП над БС, % наклонных превышение БСП над БС, % и н е ш ы в е р п нормальных наклонных образца превышение БС над БСП, %

Ша БС-3(1) 350 240 270 1,9 34 61,8 90 33,6 100 20 0,15 0,4 0,093 69,1 269 0,4

БСП-3(1) (2И0) (15ф 275 55 120 120 0,12 0,3 0,055 2,2

111б БС-3(2) 230 120 375 -1,3 80 6,3 100 40 150 66,7 0,14 0,3 0,195 146,8 377 -0,5

БСП-3(2) (1.3Ио) (7,5d) 370 85 140 250 0,15 0,4 0,079 -1,9

БС-4(1) 260 - 163 20 0,1 0,6 0,065 -13,3

IV БС-4(2) 350 241 13,7 - 150 5,4 40 283,3 0,1 0,4 0,048 0,9 289

БСП-4(1) (2Ио) 280 - 150 80 0,1 0,6 0,055 -1,4

БСП-4(2) 290 - 180 150 0,1 0,4 0,057

можными отгибами ее части в верхнюю зону надопорных участков плит.

Учитывая то, что катастрофические обрушения монолитных железобетонных перекрытий зданий в последние годы происходили по причине разрушения их опорных зон из-за не предусмотренных при проектировании аварийных силовых воздействий, исследования по данной тематике, особенно с использованием арматуры нового поколения, являются актуальными [5]. Опытами, выполненными в НИИЖБ им А.А. Гвоздева, предполагалось экспериментально исследовать:

- влияние на сопротивление наклонных сечений железобетонных балок действию поперечных сил арматуры класса прочности 500 МПа с различными видами профиля;

- характер разрушения балок по наклонному сечению с обрываемыми в пролете стержнями продольной арматуры;

- степень влияния поперечной арматуры на анкерую-щую способность концевых участков продольной арматуры приопорных зон балок.

Исследования проводились на железобетонных балках, армирование и схема испытаний которых показаны на рис. 1, и являлись частью работ, выполняемых в НИИЖБ

80

БС-3(1); БСП-3(1)

_1840_

_350_

110

1140

И_^

Р/2.

120Д|ф9ЗДф(.

И1-2>

.80

230

110

250

Р/2

120)[40|ф040'фф!'

_350_

240

16100"

~800~

И6

JЩЩ0ЖШ

2000

.704;,

80

г

Ж

А-А

<-И4-5

02 о 05 01 л В>[ 6 ГУ

, к ,80 0

Б-Б 20 23

20 23

02 о ЕЖр 016

>р ,160* 1

|05Вр Г

о .'V ЬьВр

Г *160

БС-3(2); БСП-3(2)

_1840_

1380

Р/2

ТОГО"

-560-

1800=

230

2Ю

120

т!

ш

2000

80

Г

120

200

БС-4(1); БС-4(2); БСП-4(1); БСП-4(2)

.80. 350 350

Р

Т5Т

^И4-5 И1-3Ст

И4

101

VI

Б

Б

41

Рис. 1. Схема армирования и расстановки приборов (тензорезисторы, тензометры и прогибомеры не показаны)

ЖИЛИЩНОЕ

Рис. 2. Испытания железобетонных балок на стенде

по оценке эффективности использования в железобетоне разных видов арматуры класса прочности 500 МПа [5, 6]. Всего испытано 8 образцов-балок. Все балки формовались одновременно из одного замеса бетона. Образцы каждой серии отличались видом профиля арматуры класса 500 МПа, механические свойства которой были близки (табл. 1). Обозначение «БС» соответствовало использованию арматуры А500С с двухсторонним серповидным периодическим профилем по СТО АСЧМ 7-93, а «БСП» -арматуры А500СП с четырехсторонним профилем по ТУ 14-1-5526-2006 «Прокат арматурный класса А500СП с эффективным периодическим профилем. Технические условия». Так называемый критерий Рема (Щ, характеризующий эффективность сцепления с бетоном, у арматуры класса А500С был равен 0,066 и значительно превышал нормируемый браковочный минимум для этой арматуры ^>0,056. Образцы серий Ша и Шб (табл. 2) имели в растянутой зоне по три рабочих арматурных стержня 016 мм, один из которых обрывался в пролете. Поперечное армирование за опорой отсутствовало. Испытания этих двух серий балок осуществлялось с разной величиной пролета среза а = 2И0 и а = 1,3И0. Соответственно изменялась длина анкеровки в бетоне обрываемых арматурных стержней с 15 до 7,5 диаметров продольной арматуры. Образцы

IV серии были образованы путем распила алмазным инструментом оставшейся неразрушенной части образцов серий Ша и Шб, так чтобы их концевые заопорные участки всех трех стержней при последующих испытаниях, с одной стороны, имели поперечное армирование, а с другой - при его отсутствии большую длину анкеровки. При испытании длина пролета среза этих образцов была такой же, как у образцов серии Ша. Из-за особенностей конструкции балок IV серии и малой междуопорной длины испытываемая нагрузка прикладывалась в середине пролета. В процессе испытаний индикаторами часового типа замерялись величины смещения относительно бетона торцевых концов арматурных стержней и деформации поверхности бетона балок в приопорной зоне (рис. 1). На боковых поверхностях бетона наклеивались тензорезисторы и устанавливались тензометры Гугенбергера, прогибы замерялись прогибомерами Мокина. Нагружения балок при испытаниях осуществляли гидродомкратом на испытательном стенде (рис. 2).

Результаты испытаний приведены в табл. 2 и на рис. 3-5, 8. На рис. 6, 7 показаны фотографии характерных трещин на боковых и нижних поверхностях испытанных балок в местах их разрушения от действия поперечных сил.

Характер развития трещин на боковых поверхностях балок показывает их зависимость от пролета среза а. Так, при значениях а = 2И0 сформировавшиеся при разрушении наклонные трещины в зоне действия поперечных сил делят эту зону на ряд бетонных полуарок. Ближние к опоре полуарки имеют характерную выпуклость. При а = 1,3И0 прямолинейно направленные от силы к опоре трещины делят приопорную зону балок на клиновидные участки.

Следует отметить особенности развития трещин на нижней грани балок в зоне обрыва среднего арматурного стержня. Приведенный на рис. 6 фотографический материал показывает, как серьезно влияют концевые участки арматурных стержней, обрываемых в зоне действия поперечных сил, на характер разрушения приопорных зон балочных элементов. Расположение трещин в форме елки с вершиной у конца обрываемого стержня и основанием в месте приложения сосредоточенной нагрузки, а также значительное раскрытие продольной трещины по продольной оси убедительно указывают на наличие расклинивающих усилий в этой зоне. Такой характер разрушения оказался возможным даже при сильном поперечном армировании.

а=1,3И„

350 300 250 , 200 "150 100 50

и Т

а=1,3И0 'Р

43«-\-

БС-4(1) БС-3(1)^"=5йЕЩШ

гбсп-2(1) бс-2(1)

а=3,5"0

"=2"0о

^==аЕЙ1Е

Ш

0,05

Ц»,=6,2М|

0,1 а, мм

а=3,5"о-^-

_

11111 ' шгш

БС-4(1,2) БСП-4(1,2)

БС-3(2) БСП-3(2)

БС-3(1) БСП-3(1)

БС-2(1) БСП-2(1)

0,15

0,20

Рис. 3. Средние величины смещения торцов арматурных стержней 16 мм относительно бетона. БС-2(1) и БСП-2(1) — образцы-балки, разрушенные по нормальному сечению [5]

350 300 250 ^ 200 150 100 50

БС-3(2^БСП -3(2) а=1,3"о

БСП-3(1) БСП-4(2)

а=2"о

БС-3(1)

0 0,5 1

ЕЬ, %

Рис. 4. Деформации растяжения поверхности бетона в приопор-ной зоне балок

0

0

Расчет конструкций

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Рис. 5. Остаточные относительные удлинения концов арматурных стержней балок БС-3(1) и БСП-3(1) при а=2Н0: а — средние по двум стержням в заопорной зоне; б — в зоне обрыва среднего стержня в пролете

Несомненно, образующиеся трещины способствуют освобождению от бетона концевых участков, обрываемых в зоне действия поперечных сил арматурных стержней, и нарушению сцепления с ним в предельной стадии разрушения балок. Длина анкеровки заводимых за точку приложения поперечной силы стержней, количество поперечной арматуры в этой зоне и эффективность сцепления с бетоном профиля поверхности продольной арматуры активно влияют на величину сопротивления стержней, обрываемых в зоне действия поперечных сил.

О влиянии эффективности профиля поверхности арматуры на сопротивление смещению ее концов относительно торцевых поверхностей опытных балок можно судить по результатам испытаний, приведенным на рис. 3 и в табл. 2. Как видно из приведенных материалов, начало процесса смещения торцов арматуры класса А500СП происходило при значительно больших нагрузках, чем у арматуры класса А500С. Величины смещения при увеличении нагрузки вплоть до ее максимального значения на каждом этапе нагружения у арматуры класса А500СП были меньше, чем у арматуры А500С, в 1,5-2 раза.

Уменьшение расстояния от опоры до местоположения поперечной силы приводит к практически пропорциональному увеличению смещения торцов арматуры обоих видов относительно бетона в процессе нагружения.

Следует отметить, что средние величины смещения торцов стержней относительно бетона в балке БС-3(2) в процессе нагружения достигли 0,2 мм, а у балок БС-3(1) и БСП-3(2) приблизились к 0,1 мм. Таким образом, можно засвидетельствовать, что в предельной стадии нагружения у балок БС-3(2), БС-3(1) и БСП-3(2) значительно нарушено сцепление концевых участков арматуры как обрываемой в пролете, так и заводимой за опору.

На рис. 4 приведены графики деформирования поверхности бетона приопорных участков балок, построенные по показаниям индикаторов на базе 150 мм. Видно, что при пролете среза а = 2h0 значения относительных деформаций растяжения замеряемых участков поверхности всех балок III и IV серий достигают величин 0,3-0,45%, а в балке БС-3(1) - 1%.

В балках, испытанных с малым пролетом среза а = 1,3h0 деформации замеренных участков поверхности

бетона при растяжении достигли всего 0,15%. Так как полного нарушения сцепления концевых участков арматуры, доводимой до опор балок с пролетами среза а = 2И0, не было обнаружено, а относительные деформации поверхности бетона были близки величинам относительных деформаций в арматуре, соответствующих началу площадки текучести, можно сделать вывод, что разрушение этих балок произошло по наклонному сечению в результате доминирующего действия изгибающего момента. Несмотря на критические для сохранения сцепления величины смещения в бетоне концевых заопорных участков арматуры балок с а = 1,3И0, судя по незначительным деформациям

80

a=2h0 БС-3(1) 350

80

a=1,3h0 БС-3(2) 230

80

-350-f Расстояние

240 I до обрыва

среднего стержня

б , 80 к 230

Расстояние 120 I до обрыва

среднего стержня

БСП-3(1) a ,, 80 ,, 350

БСП-3(2)

■ Г»

80 „ 230

80

350

б 80 г 230

Рис. 6. Характер разрушения по наклонному сечению балок третьей серии: а — вид сбоку; б — вид снизу

5p, %

5p, %

a

б

а

б

БС-4(1) , 350 1 350 , 80

Р 1

Г

г 0 О 2

2

БС-4(2)

350 Р , 350 80

А

БСП-4(1)

Рис. 7. Характер разрушения по наклонному сечению балок четвертой серии

растяжения поверхности бетона в приопорных зонах, разрушение их произошло от сдвига по наклонному сечению в результате доминирующего действия поперечной силы. В табл. 2 приведено сравнение опытных значений разрушающих нагрузок с их расчетными значениями, определенными по формулам СП 52-101-2003 для наиболее опасного наклонного сечения с началом по месту обрыва среднего арматурного стержня с учетом сопротивления бетона и поперечной арматуры для балок с а = 2И0 - на действие моментов, с а = 1,3И0 - на действие поперечных сил. В расчетах на действие моментов учитывалось сопротивление на уровне фактического предела текучести только двух рабочих арматурных стержней, заводимых за опору. Сопротивление обрываемых в пролете стержней не принимали во внимание.

Заметного отличия опытных значений разрушающих нагрузок образцов серии 111а и 111б с арматурой А500С и А500СП не было установлено, причем расчетные и опытные значения разрушающих нагрузок балок этих серий также близки.

В образцах IV серии на одном из заопорных участков балок при длине анкеровки всех трех стержней продольной арматуры 1ап = 5d имелась поперечная арматура, в то время как на другом она отсутствовала при длине анкеровки продольной арматуры значительно большей ее необходимой расчетной величины. В этом случае пролетная поперечная арматура отсутствовала полностью. В образцах IV серии пролет среза был таким же, как у образцов серий 111а.

Принятое конструирование армирования образцов IV серии позволило оценить влияние профиля арматуры, отсутствия пролетного и наличия заопорного поперечного армирования, а также длины заопорной части анкеровки продольной арматуры на характер разрушения наклонного сечения и величину разрушающей нагрузки.

Наличие заопорного поперечного армирования с одного конца балок определило разрушение их по наклонному сечению на противоположном конце, где такое армирование отсутствовало, несмотря на большую длину анкеровки в этом случае и влияние обжатия бетона на опоре (рис. 7). Величина разрушающей нагрузки у образцов БСП была в среднем на 13,7% выше, чем у БС.

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

\

7

\ [

/

БСП-3(2) 1111 / БС-3(2) .....

3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Рис. 8. Остаточные относительные удлинения концов арматурных стержней балок БС-3(2) и БСП-3(2) при а=1,3Н0: а — средние по двум стержням в заопорной зоне; б — в зоне обрыва среднего стержня в пролете

8 6

5р, %

8р, %

Расчет конструкций

Близкие значения опытных и расчетных по моменту разрушающих нагрузок у балок БСП IV серии в отличие от балок БС позволяют сделать вывод о более эффективном сопротивлении арматуры класса А500СП разрушению по наклонному сечению.

При наличии поперечной арматуры за опорой нагрузка, соответствующая началу смещения в балке торцов арматуры класса А500СП, образцов IV серии более чем в три раза превысила аналогичную нагрузку для образцов с А500С. В образах серии Ша, где заопорная поперечная арматура отсутствовала, это превышение только в 1,2 раза (табл. 2). Данные результаты опыта позволяют сделать вывод о значительно более эффективном влиянии профиля арматуры класса А500СП (по сравнению с профилем арматуры А500С) на сопротивление проскальзыванию в бетоне концевых участков стержней при наличии поперечного армирования.

Эффективность работы профиля арматуры класса А500СП относительно А500С при сопротивлении наклонных сечений балок поперечной силе подтверждается сравнением распределения остаточных деформаций стержней на рис. 5, 8, где приведены характерные графики локальных относительных деформаций по длине концевых участков арматуры балок серий Ша и Шб, величины которых получены пересчетом по замерам уменьшения площади сечения стержней по длине после испытаний относительно их исходных значений до нагружения. Характер эпюр деформирования концевых участков за опорой и обрываемых в пролете арматурных стержней балок БСП и БС значительно отличаются. Концы арматуры класса А500СП в отличие от А500С претерпели в процессе нагружения наклонных сечений балок поперечной силой значительные пластические деформации практически по всей длине, что наглядно характеризует эффективность сцепления с бетоном этого профиля и подтверждает ранее полученные авторами экспериментальные данные по вытягиванию стержней этих видов арматуры из образцов-призм [6].

Таким образом, использование в изгибаемых железобетонных элементах арматурной стали класса А500СП с эффективным профилем взамен А500С позволяет повысить сопротивление их. наклонных сечений действию поперечных сил, особенно при доминирующем действии изгибающего момента.

В приопорных зонах изгибаемых железобетонных элементов обрывать в пролете рабочую (расчетную) арматуру в виде вязаных сеток и каркасов не рекомендуется. Допустим обрыв части (не более 50%) рабочей арматуры в пролете в целях ее экономии. Но в этом случае необходимо предусмотреть дополнительную анкеровку обрываемых концов - путем приварки с ними на расчетной длине (1ап), заводимой за место возможного теоретического обрыва, не менее двух поперечных стержней конструктивной (распределительной) арматуры или же посредством устройства их отгибов согласно [4].

При конструировании поперечного армирования изгибаемых железобетонных балок необходимо предусмотреть расположение не менее двух замкнутых хомутов в заопор-ной зоне из арматуры диаметром не менее 8 мм с периодическим профилем поверхности. В этом случае возможно при использовании арматуры класса А500СП сохранить требования п. 5.15 СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции», когда длину запуска растянутых

стержней за внутреннюю грань свободной опоры допускалось принимать равной 10d, а не 15^, как по СП 52101-2003 «Бетоны и железобетонные конструкции без предварительного армирования».

Список литературы

1. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. 256 с.

2. Климов Ю.А. Исследования и нормирование механических характеристик и служебных свойств арматурного проката по ДСТУ 3760-98. Опыт применения в конструкциях из обычного бетона и предварительно напряженного железобетона // Мат-лы II Всеросийской (международной) конференции по бетону и железобетону. Москва, 2005. Т. 5. С. 406-415.

3. Тихонов И.Н., Мешков В.З., Судаков Г.Н. О нормировании анкеровки стержневой арматуры // Бетон и железобетон. 2006. № 3. С. 2-7.

4. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без предварительного напряжения). М.: Стройиздат, 1978. 175 с.

5. Тихонов И.Н., Саврасов И.П. Экспериментальные исследования предельных состояний железобетонных балок с арматурой класса прочности 500 МПа // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 31-38.

6. Саврасов И.П. Экспериментальные исследования механических свойств и сцепления с бетоном арматуры класса прочности 500 Н/мм2 // Бетон и железобетон. 2009. № 4. С. 16-21.

Волгоградский Выставочный Центр "РЕГИОН"

РЕГИОН тел./факс: (8442) 24-26-02, 23-33-60, 26-51-86. 7 ¿е*"^ e-mail: [email protected] www.vzr.ru

Строительная выставка

9-11 ноября 2010 Волгоград