Совместная работа арматуры и бетона возможна только при наличии надежного сцепления между ними. Параметры геометрических форм периодического профиля арматуры являются основными факторами, влияющими на сцепление. За оценку влияния параметров периодического профиля стержневой арматуры на сцепление с бетоном обычно принимаются отношение высоты поперечных выступов к их шагу и величина относительной площади смятия (fR) [1–5].
В настоящее время на строительном рынке Республики Беларусь появляется арматура с отличающимися геометрическими параметрами профилей: с серповидным профилем и различными значениями относительной площади смятия поперечных выступов, с винтовым профилем. На РУП “Белорусский металлургический завод” освоен выпуск арматуры по ТУ BY 400074854.026-2005 с эффективным периодическим профилем [7]. Однако действующая нормативная методика расчета анкеровки не учитывает геометрические параметры профиля арматуры. Опытные данные, полученные при испытании железобетонных элементов с арматурой различного периодического профиля, не соответствуют расчетным данным, полученным не только по методике СНиП 2.03.01-84*, но и по методике СНБ 5.03.01 [3,4].
Исследованиям влияния параметров периодического профиля арматуры на сцепление ее с бетоном посвящены работы многих ученых. По результатам испытаний стержней на выдергивание из бетона, выполненных различными авторами, прослеживается достаточно четкая линейная зависимость возрастания предельных напряжений в стержнях с увеличением значения относительной площади смятия fR [1,4–6]. Однако такие испытания обычно проводились с арматурой, имеющей одну определенную конфигурацию периодического профиля. Не учитывалось влияние характера взаимодействия с бетоном на прочность сцепления. Недостаточно данных о влиянии профиля арматуры на деформативность сцепления, а на распределение напряжений сцепления по длине заделки арматурного стержня в бетон они отсутствуют.
Цель данного исследования — разработка рекомендаций к расчету анкеровки в бетоне ненапрягаемых арматурных стержней с учетом геометрических параметров периодического профиля арматуры.
Для решения данной задачи проведены испытания на вытягивание арматурных стержней Ж 25 мм класса S500 с кольцевым, серповидным и винтовым периодическими профилями из бетонных кубов. В качестве варьируемых факторов эксперимента были приняты:
– вид периодического профиля арматуры (кольцевой периодический профиль (fR=0.21), соответствующий ГОСТ 5781-82, серповидный профиль (fR=0.08), соответствующий ТУ 14-1-5254, и винтовой периодический профиль (fR=0.123), соответствующий ТУ РБ 400074854.025-2002);
– максимальная высота поперечных выступов арматуры, hS, мм (2,1; 1,5 и 0,6 мм — для случая с арматурой кольцевого периодического профиля и 2,4; 1,3 и 0,8 мм — для случая с арматурой серповидного периодического профиля);
– величина заделки (lan) арматуры в бетон для образцов с арматурой кольцевого и серповидного профилей (5Ж, 7Ж, 8Ж и 11Ж).
Проектирование опытных образцов производилось согласно требованиям рекомендаций РИЛЕМ/ЕКБ/ФИП РС
6. Опытный образец для испытания на сцепление представлял собой центрально армированную бетонную призму с размерами поперечного сечения 300ґ300 мм. Высота призмы варьировалась в зависимости от величины заделки арматуры в бетон. Уплотнение бетонной смеси при укладке в форму осуществлялось с помощью глубинного вибратора. После уплотнения бетона образцы выдерживались в течение 3 суток под слоем влажных опилок, после распалубки они хранились в естественных условиях. Среднее значение предела текучести для пяти опытных образцов арматуры — fy = 509,3 МПа, временное сопротивление — ft = 616,8 МПа. Призменная прочность бетона по результатам испытаний бетонных призм составила 24,5 МПа.
Испытания опытных образцов проводились на разрывной машине Р50. Для обеспечения надежного крепления арматуры в захватах со стороны загружаемого конца предусматривался выпуск арматуры из бетона. Бетонный образец фиксировался при помощи системы траверс, 4 тяжей и зажимов к подвижному захвату разрывной машины так, чтобы свободный конец арматуры проходил между нижними фиксирующими траверсами и закреплялся в неподвижном захвате разрывной машины. Перед нагружением производилось центрирование образца. Усилия прикладывались к стержню этапами с разностью в 10–20 кН и выдерживались на каждом этапе в течение 3 минут.
Анализ опытных данных испытаний 45 образцов показал несоответствие с утверждениями о линейной зависимости между максимальными напряжениями и относительной площадью смятия профиля арматуры, согласно которым напряжения на загруженном конце арматуры серповидного профиля в момент нарушения сцепления должны быть значительно меньше максимальных напряжений на загруженном конце арматуры кольцевого профиля, имеющей значение относительной площади смятия в несколько раз больше аналогичного параметра для арматуры серповидного профиля. Величина предельной нагрузки оказалась примерно одинаковой для арматуры данных видов профилей.
Напряжения сцепления tbond(х) по длине анкеровки определялись по значениям деформаций арматуры, измеряемым при помощи наклеенных по длине ее заделки тензодатчиков. Наклейка тензодатчиков производилась в пазы, выточенные на половинках арматуры, предварительно разрезанной вдоль. В этих же пазах размещались и выводящие провода, после чего половинки склеивались и прихватывались сваркой. Анализ распределений напряжений показал, что нормальные напряжения в арматуре кольцевого периодического профиля, соответствующего ГОСТ 5781, и винтового периодического профиля, соответствующего ТУ РБ 400074854.025, распределялись по длине заделки более равномерно, чем в случае с арматурой серповидного периодического профиля, соответствующего ТУ 14-1-5254. Анализ картины распределения напряжений сцепления по длине заделки показал, что с увеличением нагрузки максимальное значение напряжений сцепления увеличивается и перемещается от загруженного конца арматуры к незагруженному концу, что приводит к сравнительно высоким значениям данной величины (до 60 МПа) в сечениях, близких к незагруженному концу стержня. При одинаковой предельной нагрузке, при которой сцепление еще не нарушалось, значение максимального напряжения сцепления с бетоном арматуры с кольцевым и винтовым профилем было меньше, чем в случае с арматурой серповидного профиля (рис. 1).
Решить задачу определения длины анкеровки арматурных стержней в бетоне с учетом вида периодического профиля арматуры представляется возможным, если установить зависимость между средним значением предельного напряжения сцепления (fbd) и значением относительной площади смятия поперечных выступов арматуры (fR). Согласно СНБ 5.03.01-02 [8], для условий проведенных испытаний (a2= = a3 = a4 =1, a1 = 0,7) расчетная длина анкеровки ненапрягаемой арматуры должна быть не менее величины, рассчитанной по формуле
Заменяя в формуле (1) расчетное сопротивление бетона растяжению (fctd) фактической прочностью на растяжение (fct) и расчетное сопротивление арматуры (fyd) фактическими нормальными напряжениями в арматуре (sS), по опытным значениям напряжений, соответствующих нарушению сцепления арматурного стержня с бетоном, можно определить опытные значения коэффициента h3, зависящего от периодического профиля арматуры:
Величина анкеровки арматуры в бетоне должна быть такой, чтобы при длительном действии нагрузки не происходило дальнейшего смещения незагруженного конца арматуры. Поэтому важным критерием сцепления является величина напряжений в арматуре при начале сдвига всего стержня [2]. За критерий такой нагрузки в эксперименте принимали усилия, соответствующие смещению незагруженного конца арматуры на величину равную 0,2 мм. Методом регрессионного анализа строили эмпирические зависимости коэффициента h3 от относительной площади смятия профиля (fR) и относительной длины анкеровки (lan/Ж). Указанные зависимости устанавливали по опытным значениям:
1) напряжений, соответствующих максимальным усилиям в арматуре (sS,max), когда сцепление ее с бетоном не нарушено;
2) напряжений, соответствующих усилиям, при которых происходит сдвиг всего арматурного стержня относительно бетона. Выполняли статистический анализ как отдельных коэффициентов, так и построенных моделей в целом. После удаления незначимых коэффициентов построенные модели имеют следующий вид.
Для арматуры кольцевого периодического профиля:
Для арматуры серповидного периодического профиля:
Полученные полиноминальные модели справедливы при значениях относительной площади смятия 0,038…0,21 и относительных длинах анкеровки 5Ж…11Ж. Проверка адекватности и информационной способности моделей по критерию Фишера показала, что при принятом уровне значимости (a = 0,05) уравнения адекватно представляют результаты эксперимента и информационно полезны. Зависимости коэффициента h3 от относительной площади смятия профиля (fR) и относительной длины анкеровки (lan/Ж) для арматуры винтового профиля по ТУ РБ 400074854.025 соответствуют модели для арматуры кольцевого периодического профиля.
Список литературы
1. Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М.: Стройиздат. 1974. 232 с.
2. Астрова Т.И., Дмитриев С.А., Мулин Н.М. Анкеровка стержней арматуры периодического профиля в обычном и предварительно напряженном железобетоне // Расчет железобетонных конструкций: Сб. тр. НИИЖБ. М., 1961. С. 74–126.
3. Дегтярев В.В. Требования отечественных и зарубежных норм к анкеровке и соединениям внахлестку без сварки стержневой арматуры периодического профиля // Бетон на рубеже третьего тысячелетия: Материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. Кн. 2. М., 2001. С. 941–954.
4. Сатаров У.М. Совместная работа стержневой арматуры нового серповидного периодического профиля с легким бетоном: Автореф. дис. … канд. техн. наук. 05.23.01. Ташкент, 1993. 17 с.
5. Холмянский М. М. Контакт арматуры с бетоном. М.: Стройиздат. 1981. 184 с.
6. Darwin D., Tholen M., Idun E., Zuo J. Splice strength of high relative rib area reinforcing bars // Aci structural journal. 1996. January-February. P. 95–107.
7. Тихонов И.Н., Мешков В.З., Судаков Г.И. Эффективная стержневая арматура для железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2004. №5. С. 18–23.
8. СНБ 5.03.01-02. Бетонные и железобетонные конструкции / Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. Мн., 2003. 139 с.