Прочность, трещиностойкость и деформативность сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов с четырёхрядной винтовой арматурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тихонов Георгий Игоревич

• Тихонов Георгий Игоревич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Тихонов Георгий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1. 1 Обоснование темы исследования

1.2 Известные виды арматурного проката для железобетонных конструкций

1.2.1 Зарубежный опыт

1.2.2 Отечественный опыт

1.3 Инновационный вид арматурного проката с четырёхсторонним профилем класса А500СП

1.3.1 Конструктивные особенности периодического профиля арматуры класса А500СП

1.3.2 Результаты исследований и опыт внедрения

1.4 Оценка эффективности известных видов периодического профиля арматуры

1.5 Винтовая арматура

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА АРМАТУРНОГО ПРОКАТА С ВИНТОВЫМ ЧЕТЫРЁХРЯДНЫМ ПРОФИЛЕМ КЛАССОВ АВ500П И АВ600П

2.1 Конструктивные особенности нового профиля, механические характеристики арматуры при статических и динамических испытаниях

2.1.1 Конструктивные особенности

2.1.2 Механические характеристики арматуры при статическом нагружении

2.1.3 Динамические испытания арматуры

2.2 Испытания механических муфтовых соединений арматуры

2.2.1 Деформативность муфтовых соединений

2.2.2. Результаты испытаний муфтовых соединений арматуры на многоцикловые и малоцикловые нагрузки

2.2.3 Испытания муфтовых соединений при сжатии

2.2.4 Резьбоклеевое муфтовое соединение

2.3 Испытания на сцепление арматуры с бетоном

2.3.1 Этап 1 Сцепление с бетоном арматуры диаметром 16 мм

2.3.1.1 Опыты НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

2.3.1.2 Опыты АО ВНИИ Железобетон

2.3.2 Этап 2 Сцепление с бетоном арматуры диаметром 20 мм (опыты НИИЖБ им. А.А.Гвоздева)

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С

ВИНТОВОЙ ЧЕТЫРЁХРЯДНОЙ АРМАТУРОЙ

3. 1 Сжатые элементы

3.1.1. Задачи исследований

3.1.2 Методика проведения испытаний

3.1.3 Данные проведенных испытаний на сжатие

3.2 Растянутые элементы

3.2.1 Задачи исследований

3.2.2 Методика проведения испытаний

3.2.3 Данные проведённых испытаний на растяжение

3.3 Изгибаемые балочные элементы

3.3.1 Задачи исследований

3.3.2 Методика проведения испытаний

3.3.3 Результаты испытаний балок при изгибе

3.3.3.1 Иллюстративный материал результатов испытаний

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЁТУ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АРМАТУРЫ КЛАССОВ АВ500П И АВ600П

4.1 К расчёту прочности железобетонных конструкций при сжатии и растяжении

4.2 К расчёту прочности железобетонных конструкций при изгибе

4.3 Предложение по конструированию железобетонных конструкций. Патентные решения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Патенты

Приложение 2. Справки о внедрении

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность, трещиностойкость и деформативность сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов с четырёхрядной винтовой арматурой»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время в отечественной строительной отрасли нишу основной арматуры для строительства занимает прокат с «европейским» периодическим профилем, производящийся в России с 90-х годов. Данный профиль, отвечающий международным стандартам, обладает рядом серьёзных конструктивных недостатков в сравнении с «кольцевым», массово производившимся ранее (высокая распорность в бетоне, большой разброс по погонной массе проката, сложность обеспечения повышенного критерия сцепления с бетоном - критерий Рема). Из-за более низких прочностных характеристик сцепления с бетоном «европейского» профиля, обуславливающих высокую длину анкеровки и нахлёста, в железобетонных конструкциях происходит значительное переармирование, применяются неэффективные или трудозатратные способы механического стыкования стержней (сварка, обжимные и нарезные (накатанные) соединения). Сложившаяся ситуация представляет большую опасность для строительства объектов в сейсмических зонах и с повышенной ответственностью.

Отечественная арматура класса А500СП, разработанная в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева в 2000-х годах, имела повышенную прочность и высокие характеристики сцепление с бетоном, но не обладала возможностью механического стыкования.

Наиболее экономичным и безопасным способом стыкования арматурных стержней является механическое муфтовое соединение при помощи соединительных муфт и контргаек. Данная система на российском рынке представлена арматурой GEWI-Stahl, имеющей завышенную стоимость и не обеспеченной отечественными патентами, позволяющими производить её в больших объемах.

В данной работе представлены исследования инновационной винтовой арматуры с периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П, обладающей преимуществами А500СП с нововведением в виде винтовой двухзаходной

резьбы, которую образуют поперечные рёбра, что способствует быстрому стыкованию стержней муфтами в конструкциях любой сложности. Данный профиль является отечественной разработкой и создан при участии автора диссертации с целью импортозамещения. Испытания арматуры классов Ав500П и Ав600П и железобетонных элементов с данной арматурой проводились впервые. С 2020 г., благодаря исследованиям, вошедшим в данную работу, он производится Тульским металлопрокатным заводом и «Евраз ЗСМК». Результаты исследований позволили включить данную арматуру, как рекомендованную, в СП 14.13330.2018 и СП 35.13330.2011.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиям различных видов арматурного проката и железобетонных конструкций с его применением, посвящены работы Ли Т., Ван дер Хорста А., Цанко Ц., Бауса Р., Танаки Ё., Ларсона Ф., Хайё Б., Дамаса Ф., Магуры Д., Эрдельи А., Соретса С., Майера.А., Мулина Н.М., Михайлова К.В., Мадатяна С.А., Мамедова Т.И., Скоробогатова С.М., Тихонова И.Н., Гущи Ю.П., Митасова В.Н., Ратнера Б.Р., Белоброва И.К., Горячева Б.П., Терина В.Д., Дьячкова В.В., Рахманова В.А., Гуменюка В.С., Фредлянова Б.Н., Саврасова И.П., Цыбы О.О., Квасникова А.А., Положнова В.И., Мартынова А.А., Кудзиса А.П., Гвоздева А.А., Астровой Т.М., Холмянского М.М., Судакова Г.Н., Карпенко Н.И., Мешкова В.З., Тулеева Т.Д. и др.

Исследования механических свойств арматуры классов Ав500П и Ав600П, её механических соединений и их работы в сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементах проводились впервые и были основаны на экспериментальном опыте, полученном при внедрении в производство арматуры класса А500СП.

Целью диссертационной работы является исследование прочности, трещиностойкости и деформативности сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов, армированных винтовой четырехрядной арматурой нового профиля классов Ав500П и Ав600П.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в настоящей диссертации были сформулированы следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования для определения механических свойств новых видов арматурного проката с эффективным четырёхрядным периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П при статическом и динамическом нагружении.

2. Провести испытания резьбовых муфтовых соединений винтовой арматуры классов Ав500П и Ав600П на растяжение, сжатие, на многоцикловые и малоцикловые нагрузки, в том числе резьбоклеевых муфтовых соединений с разными клеевыми составами на растяжение.

3. Провести испытания для оценки сцепления арматуры классов Ав500П и Ав600П с бетоном.

4. Провести экспериментальные исследования прочности и деформативности сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов, армированных арматурой классов Ав500П и Ав600П, в том числе с резьбовыми муфтовыми соединениями.

5. На основе результатов проведённых экспериментальных исследований разработать рекомендации по расчёту и конструированию железобетонных конструкций с учётом прочностных и деформативных характеристик новой арматуры, её сцепления с бетоном и применения муфтовых резьбовых соединений стержней.

Объектом исследования является арматура нового профиля классов Ав500П и Ав600П и сжатые, растянутые и изгибаемые железобетонные элементы, изготовленные с её применением, в том числе с использованием резьбовых муфтовых соединений стержней.

Предметом исследования являются механические свойства и показатели сцепления с бетоном новых видов арматурного проката с эффективным четырехрядным периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П; несущая способность резьбовых и резьбоклеевых муфтовых соединений винтовой арматуры; характеристики прочности, трещиностойкости и деформативности

сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов, армированных арматурой нового профиля.

Научно-техническая гипотеза исследований. Арматура с четырёхрядным винтовым периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П по своим механическим характеристикам и сцеплению с бетоном соответствует показателям арматуры класса А500СП. Её механические соединения по прочности соответствуют цельному стержню. Научную новизну работы составляют:

1. Инновационный винтовой периодический профиль классов Ав500П и Ав600П (патент ЯИ 2680153 С2), обладающий повышенными прочностными характеристиками и улучшенным сцеплением с бетоном, а также возможностью стыкования стержней при помощи резьбовых муфт (патент ЯИ 198093 И1).

2. Резьбоклеевые соединения с данной арматурой, позволяющие устранить высокую деформативность в муфте без необходимости затягивать контргайки с большим усилием при помощи динамометрического ключа.

3. Результаты испытаний сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов с новой арматурой.

Теоретическая значимость. Работа содержит рекомендации по актуализации СП 63.13330.2018 для новой арматуры в части корректировки коэффициента в формуле 8.128 по расчёту ширины раскрытия трещин, а также рекомендации по проектированию сжатых, растянутых и изгибаемых элементов с данной арматурой.

Практическая значимость:

1. Арматура с периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П, обладающая более высокими прочностными характеристиками сцепления с бетоном по сравнению с повсеместно применяющимся «европейским» профилем.

2. Импортозамещение дорогостоящих и менее эффективных зарубежных видов винтовой арматуры.

Методология и методы исследования. Исследования проводились в соответствии с положениями ГОСТ 34028-2016 «Прокат арматурный для железобетонных конструкций Технические условия», ГОСТ 34227-2017 «Соединения арматуры механические для железобетонных конструкций. Методы испытаний» и СП 63.13330.2018 «СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований механических свойств новых видов арматурного проката с эффективным четырёхрядным периодическим профилем классов Ав500П и Ав600П и муфтовых соединений этой арматуры при статическом и динамическом нагружении, а также характеристик их сцепления с бетоном.

2. Результаты исследований сжатых, растянутых и изгибаемых железобетонных элементов с арматурой классов Ав500П, Ав600П, в том числе с резьбовыми муфтовыми соединениями стержней.

3. Рекомендации по расчёту и конструированию железобетонных конструкций с учётом свойств новой винтовой арматуры и её резьбовых муфтовых соединений.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается использованием современного оборудования и методик для проведения испытаний НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство». В процессе работы было испытано при статическом и динамическом нагружении в лабораторных условиях более 200 образцов стержней и их механических соединений, 36 сжатых, 12 растянутых и 20 изгибаемых балочных железобетонных элементов. По результатам выполненных исследований произведено и использовано в строительстве более 70 тысяч тонн арматуры с четырёхрядным профилем.

Личный вклад автора. Вклад автора заключается в постановке и реализации задач диссертационной работы, анализе литературных данных, выборе методики исследования, в подготовке программы экспериментальных

испытаний, проведении и получении результатов исследования, обработке и анализе данных проведенных численных расчетов и экспериментальных исследований, и оформлении материалов публикаций.

Соответствие диссертации научной специальности:

Работа по своему содержанию, предмету и методам исследования соответствует специальности 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения и следующим пунктам Паспорта специальности: п. 1 «Построение и развитие теории, разработка аналитических и вычислительных методов расчёта механической безопасности и огнестойкости, рационального проектирования и оптимизации конструкций и конструктивных систем зданий и сооружений»; п. 3 «Развитие теории и методов оценки напряжённого состояния, живучести, риска, надёжности, остаточного ресурса и сроков службы строительных конструкций, зданий и сооружений, в том числе при чрезвычайных ситуациях, особых и запроектных воздействиях, обоснование критериев приемлемого уровня безопасности»; п. 8 «Разработка новых и совершенствование рациональных типов несущих и ограждающих конструкций, конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, механической, пожарной и экологической безопасности».

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: Конференция студентов и молодых учёных «Проблемы технологического горения» (г. Алматы, 2018 г.), II Научно-практическая конференция молодых учёных, аспирантов и исследователей АО «НИЦ «Строительство» «Научный потенциал строительной отрасли» (г. Москва, 2021 г.), XIII, XIV и XV Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием) (г. Санкт-Петербург 2019 г., г. Сочи 2021 и 2023 г.), круглый стол «Перспективы развития нормативной базы с учетом внедрения новых видом арматурного проката для железобетона» в рамках промышленной выставки «Металл-Экспо'2021» (г. Москва, 2021 г.),

конференция «Проектирование и строительство зданий и сооружений из железобетона с использованием новой винтовой арматуры класса Ау500СП и Ав500СП» (АО «НИЦ «Строительство», г. Москва, 2022 г.), I Международный Строительный Конгресс (АО «НИЦ «Строительство», г. Москва, 2023 г.), BRICS 4th Scitech Forum on Space Flight Mechanics and Space Structures and Materials (РУДН, г. Москва, 2023 г.).

Внедрение результатов исследования. Результаты проводимых исследований были отражены в нормативных документах (СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах», СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы»), получено 7 патентов, Арматура классов Ав500П и Ав600П производится по ТУ 24.10.62-007-83936644-2020 Тульским металлопрокатным заводом и ТУ 24.10.62-311-05757676-2019 АО «ЕВРАЗ ЗСМК» и используется по СТО 36554501-068-2022 и СТО 36554501-065-2020* на строительных объектах Республики Чувашия, Республики Киргизия, стройках Сибири и Дальнего Востока. Её производство составило, к настоящему времени, около 100 тыс. т. (4 справки о внедрении).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в журналах, включённых в перечень РУДН/ВАК и получено 7 патентов на изобретения.

Структура и объём работы. Научная квалификационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и списка литературы. Общий объём работы 202 страницы, в том числе: 121 рисунок, 25 таблиц, 2 приложения.

Автор выражает свою благодарность научному руководителю Окольниковой Г.Э., а также сотрудникам НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО «НИЦ «Строительство» Тихонову И.Н., Блажко В.П., Гришину Г.Е., Гладышевой Л.А., Мешкову В.З., Терину В.Д., Саврасову И.П., Бучкину А.В., Кузьменко Н.В., Квасникову А.А., Дьячкову В.Д., Слышенкову С.О., Рыкову Ю.В., Казаряну В.А., Вострову М.С., Груню Ю.И., Юрину Е.Ю.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 1.1 Обоснование темы исследования

Арматура является одним из двух компонентов железобетона. В связи с этим от её механических свойств зависит безопасность и технико-экономические показатели строительства.

Одним из способов значительного увеличения безопасности строительства из железобетона является способность железобетонных конструкций к пластическому деформированию, в результате которого в статически неопределимых железобетонных элементах осуществляется перераспределение усилий, обеспечивающих эффективность сопротивления конструкций различным видам внешнего воздействия (сейсмика, динамика, удары, взрывы и т.п.). В результате этого СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» предусматривает использование арматуры с повышенными деформационными характеристиками и показателями сцепления. Повсеместное использование анкеровки и нахлёсточных соединений арматурных стержней требует хорошего сцепления их поверхностей с бетоном. Недооценка этого фактора, особенно в случае массового использования нахлёсточных соединений стержней арматуры, может быть одной из причин катастрофических разрушений при статическом и, особенно, сейсмическом нагружении (рисунок 1). Уменьшение длин анкеровки и нахлёстки, а также повышение прочности арматуры, способствует снижению себестоимости железобетона. Эффективность сцепления арматуры с бетоном имеет важное значение для определения ширины раскрытия трещин. Отказ от сварных и нахлёсточных соединений арматуры, в результате их замены на механические муфтовые соединения, позволяет не только обеспечить их надёжное сопротивление различным видам статических и динамических воздействий, но также значительно повысить технологичность и экономические показатели арматурных работ. В результате вышесказанного, разработка и внедрение новых эффективных видов арматурного проката, имеющих высокие прочностные и

деформационные характеристики, а также повышенную прочность сцепления с бетоном, сохраняемую в запредельной стадии деформирования (после достижения ^т(02)), и возможность механического стыкования на стройке, имеет большое практическое значение для повышения безопасности и снижения стоимости строительства [1-5].

статическое разрушение

динамическое разрушение

Рисунок 1.1 - Характерные разрушения железобетонных конструкций: а,б) - при статическом нагружении (Москва, Краснодар); в,г) - при сейсмическом нагружении (Турция)

1.2 Известные виды арматурного проката для железобетонных

конструкций

1.2.1 Зарубежный опыт

Зарубежные экспериментальные и теоретические исследования, касающиеся разработки новых видов арматурного проката, в т.ч. и его периодического профиля, выполнялись учёными: (Raffaele Cantone, Miguel Fernández Ruiz, Aurelio Muttoni, Gambarova P. G., Ruiz M. F., Muttoni A., Gambarova P. G. Balazs G. L., F. Capece Minutolo, M. Durante, F. Lambiase, A. Langella, Magee J. H., Schnell R. E., Phan T. S., Rossi P., Tailhan J. L., Wang D., Hu Y., Zhao D., Maffei B., Salvatore W., Valentini R., Saleem M. A., Alharbi Y. R., Haskett M., Oehlers D. J., Ali M. S. M., Duffó G. S., Rocha M., Brühwiler E., Nussbaumer A. и др.) [6-20].

Согласно евронормам EN 10080:2005 [21], BS 4449:2005 Великобритания) [22] и DIN 488(1998) (Германия) [23] о форме арматурного профиля: «Поперечные выступы должны быть по форме близки к серповидным и плавно переходить в тело арматуры» (рисунок 1.2).

Общепринятой (в настоящее время, как правило, нормируемой) комплексной характеристикой анкерующей способности периодического профиля арматуры является значение относительной площади смятия поперечных ребер профиля /r (критерий Рема).

Рисунок 1.2 - «Европрофиль» (верхний) по EN 10080:2005, (средний) [21] BS 4449:200 [22], (нижний) DIN 488(1998) [23]

По международному стандарту EN ISO 15630-1:2001 (D) [24] относительную площадь смятия определяют по общей формуле:

1 i

! „ ^ Z FRi,j sin Pi,j

fR -, (1.1)

mis i=x Cl

где f - площадь проекции серповидных поперечных ребер на плоскость, нормальную оси стержня;

n - количество поперечных выступов на площади;

m - количество различных наклонов поперечных выступов каждого ряда.

Ниже приводятся результаты опытов, приведенных в [25] и полученных при испытании анкеровки арматуры в железобетонных плитах.

На рисунке 1.3 показано относительная длина анкеровки lefR)/le(/R=0,045), в случае нарушения сцепления от выдергивания, как функция fn для стержневой арматуры диаметром 8 мм элементов забетонированных горизонтально.

Рисунок 1.3 - Относительная длина анкеровки 1в(/к)/1в(/к=0,045), как функция относительной площади поперечных ребер /к для стержней 8 мм, бетон

С30/37

Как видно из рисунка 1.3, уменьшение значения /к от 0,045 до 0,03 приводит к увеличению длин анкеровки в 1,5 раза. При увеличении /к от 0,045 до 0,06 уменьшение длин анкеровки составило около 30%, а при увеличении /к до 0,08- около 50%. Увеличение значения /к более 0,08 не приводит к уменьшению длин анкеровки.

Основные выводы, сделанные в работе [25], а также из обзора зарубежных исследований по совершенствованию профиля арматурного проката [25-29].

- для достижения полной несущей способности бетонных консолей между поперечными рёбрами арматуры необходимо отношение между шагом рёбер в свету и высотой рёбер е/И > 8;

- высота поперечных рёбер не должна быть слишком маленькой;

- наклон рёбер к оси стержня в (45о < в < 90о) и угол наклона боковой поверхности ребра а (45о < а < 90о) имеют небольшое влияние на характеристики сцепления в стадии эксплуатации;

- влияние /к на поведение сцепления после достижения арматурой предела текучести стали мало исследовано;

- при наличии поперечной арматуры увеличение /к обуславливает значительное увеличение несущей способности соединений внахлёстку;

- влияние поперечной арматуры более ощутимо при больших значениях /к из-за увеличения раскалывающего действия профиля арматуры в этом случае и более сильной мобилизации поперечной арматуры;

- увеличение относительной площади поперечных рёбер по сравнению с минимальными величинами данными в pf БК 10080-1:1999Е [30], приведёт к значительному увеличению несущей способности анкеровок и соединений внахлёстку, если установлено достаточное количество поперечной арматуры.

- ширина трещин при кратковременной и длительно действующей нагрузке значительно уменьшается с увеличением относительной площади поперечных ребер (/к) (рисунок 1.4);

W (f J / W (f , )

r m 4 R' I m v R.mln'

Related rib area f.

Рисунок 1.4 - Зависимость относительной ширины раскрытия трещин от

параметра /я [25]

- при увеличении отношения ав/0Г(од) и относительных деформаций при максимальной нагрузке (А^) при одинаковых /я=0,075 наблюдается увеличение пластических поворотов до 40%;

- для обеспечения небольшой ширины трещин и достижении жесткого поведения сцепления необходима высокая относительная площадь поперечных ребер /я;

- увеличение относительной площади поперечных ребер по сравнению с минимальными величинами, данными в рг БК 10080-: 1999Е [30], приведет к значительно меньшей ширине трещин. Уменьшение /я приводит к большей ширине трещин, которая во многих случаях может быть критической, в особенности для стержней большого диаметра. Уменьшение /я арматуры сварных проволочных сеток оценивается как менее критическое из-за влияния приваренных поперечных стержней на формирование трещин;

- с целью повышения эффективности двухстороннего серповидного профиля предлагается независящее от пластичности стали уменьшение отношений между шагом ребер в свету и высотой ребер в середине ребра от существующего ныне значения 7-10 (см. рг БК 10080-:1999Б) [30] до -5-8.

Это позволит для двухстороннего серповидного профиля обеспечить минимальные значения /к -0,067-0,073.

1.2.2 Отечественный опыт

Отечественные экспериментальные и теоретические исследования, касающиеся разработки новых видов арматурного проката, в т.ч. и его периодического профиля, выполнялись учёными: (Мулин Н.М., Михайлов К.В., Мадатян С.А., Мамедов Т.И., Скоробогатов С.М., Тихонов И.Н., Гуща Ю.П., Митасов В.Н., Ратнер Б.Р., Белобров И.К., Горячев Б.П., Терин В.Д., Дьячков В.В., Рахманов В.А., Гуменюк В.С., Фредлянов Б.Н., Саврасов И.П., Цыба О.О., Квасников А.А., Положнов В.И., Мартынов А.А., Кудзис А.П., Гвоздев А.А., Астрова Т.М., Холмянский М.М., Судаков Г.Н., Карпенко Н.И., Мешков В.З., Тулеев Т.Д. и др.) [31-83].

Учитывая приоритет сборного строительства, в СССР исследования свойств арматурного проката были направлены, в основном, на ее совершенствование для железобетонных конструкций, производимых заводами ЖБИ. Наиболее значимыми свойствами арматуры, применяемой при производстве сборного железобетона, кроме прочности и деформативности, являются ее сцепление с бетоном и свариваемость. По результатам многочисленных исследований, в ГОСТ 5781 (55, 58, 61, 77, 82 годы издания) «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», был принят арматурный прокат с кольцевой формой поперечного ребра (рисунок 1.5). Данный профиль обладает высоким, не нормируемым, критерием Рема /д > 0,1, положительно влияющим на сцепление, а также трещиностойкость бетона [56-59].

Однако, кроме преимущества кольцевого профиля в сцеплении с бетоном, при массовом производстве выявился ряд существенных недостатков, как в эксплуатационных характеристиках, так и у производителей [56, 58, 59]:

- низкая динамическая выносливость арматуры в результате наличия очагов концентрации напряжений в местах пересечения продольных и поперечных рёбер;

- сколы металла в местах входа резца в тело валка;

- быстрая изнашиваемость прокатных валков в узких местах калибров между поперечными канавками, выкрошка калибров в местах выхода поперечного ребра на продольное;

- большой разброс до ± 6% по погонной массе проката.

- потери сцепления с бетоном после достижения в арматуре предела текучести (0"тш)).

Рисунок 1.5 - Кольцевой периодический профиль: а - общий вид; б - конфигурация профиля

Усиленный интерес к исследованиям влияния вида и геометрических параметров периодического профиля на прочностные (предел текучести отрд) и

временное сопротивление ов) и пластические (65; бр, дтах) свойства арматуры появился с началом работ по обоснованию массового внедрения в строительство арматуры с серповидным периодическим профилем. В то же время многолетние исследования по разработке новых видов арматурного проката, выполняемые в НИИЖБ в течение всего времени его существования, всегда сопровождались оценкой влияния вида профиля и его геометрических параметров на прочностные и деформативные свойства арматуры и ее динамические характеристики. В работе Н.М. Мулина, В.П. Коневского и Г.Н. Судакова [56] приводятся результаты исследований 10 -ти вариантов периодического профиля горячекатаной арматуры класса А400 (А-Ш) из марки стали 35ГС, изготовленной на Макеевском металлургическом заводе им. С.М. Кирова в 1966 году (рисунок 1.6). По результатам механических испытаний, приведенных в таблице 1.1, можно отметить, что геометрия профиля лишь на 3 -5% влияет на показатели механических свойств горячекатаной арматуры. В наибольшей степени это влияние сказывается на величине предела текучести. В работе сделано заключение, что в зависимости от вида профиля образцы имели различную длину площадки текучести.

Представляется интересным также выполненная в этой работе оценка степени участия металла выступов профиля стержней в работе при растяжении. Подсчеты показали, что металл выступов профиля по ГОСТ 5781 (ГОНГ) как при разрыве, так и на уровне предела текучести вовлекается в работу на 50%, а нового типа профиля «впадина-гребень» (ВГ и ВНГ) несколько больше (70-80%).

Исследования, проведенные в Болгарии, показали, что при переходе с кольцевого профиля по ГОСТ 5787-81 на двухсторонний серповидный профиль предел текучести От(0,2) увеличивается в среднем на 7^12%, временное сопротивление ов - на 5,4% [57].

Большие исследования влияния геометрических параметров двухстороннего серповидного периодического профиля на механические свойства термомеханически упрочненной арматуры проводились в 90 -х годах прошлого столетия в НИИЖБ совместно с металлургами [59, 60]. Так на

комбинате «Криворожсталь» был изготовлен арматурный прокат диаметром 16 мм класса Ат 1000 (Ат-У1) из марки стали 20ГС с шестью вариантами двухстороннего серповидного периодического профиля с высотой поперечных выступов И от 0,069^ до 0,106^ (И=1,1^1,7 мм), шагом поперечных выступов / от 0,54^н до 1,54^н (/=8,7^24,7 мм) и углом наклона к продольной оси в от 32,60 до 610, а также гладкий (круглый) и кольцевой профиль по ГОСТ5781-82.

По результатам проведенных исследований выявлено, что среднее значение предела текучести о^д), временного сопротивления Ов и относительного удлинения 85 у арматуры класса А1000 двухстороннего периодического профиля соответственно на 4,56%, 4,1% и 20,2% выше, чем у стержней кольцевого профиля той же партии (рисунок 1.7).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тихонов Георгий Игоревич, 2024 год

// ( /// / ///

/ / /'$ М

- лХш? /...../Щ ДЗ-Од/наб/ / /// '■-1^-1-.......

0 / ¿1 /¿?/ у ш 'Л2-1 : / // 3/>ИД4-0555 мм « Ьс, ММ

7 "//' //

¡Аг

Рисунок 2.8 - Определение остаточного удлинения стандартного муфтового соединения арматурного проката класса Ав500 П 0 20 мм с четырехрядным

винтовым профилем (образец №2) при малоцикловом знакопеременном (растяжение - сжатие) нагружении (Б2) после 4-х и 8- ми циклов нагружения при высоком уровне пластических деформаций в механическом соединении и = (Д1 + Л2)/2 = (0,27+0,30)/2= 0,285 мм; Пн= (Лз + Л4)/2 = (0,43 + 0,55)/2 =

0,49 мм

Рисунок 2.9 - Характер разрушения образцов соединений арматуры Ав500

Разрушение образцов всех соединений арматуры происходило вне муфтового соединения (по основному металлу) (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Характер разрушения образцов

2.2.3 Испытания муфтовых соединений при сжатии

В соответствии с программой работ были выполнены испытания муфтовых соединений арматуры на сжатие с построением диаграммы деформирования.

Во избежание быстрой потери устойчивости образца во время испытаний на сжатие, образцы были приняты минимальной длины с учетом возможности установки тензометра (рисунок 2.11).

Нагружение выполняли до момента потери устойчивости образца.

Результаты испытаний образцов муфтовых соединений винтовой арматуры на сжатие представлены в таблице 2.9.

Диаграммы деформирования представлены на рисунке 2.12 и 2.13.

Рисунок 2.11 - Испытание образца муфтового соединения винтовой арматуры

на сжатие

■0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1

Относительные деформации, (%) Относительные деформации, (%)

Рисунок 2.12 - Диаграммы деформирования муфтовых соединений винтовой арматуры диаметром 16 мм класса Ав500П при сжатии

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1

Относительные деформации, (%) Относительные деформации, (%)

Рисунок 2.13 - Диаграммы деформирования муфтовых соединений винтовой арматуры диаметром 16 мм класса Ав600П при сжатии

Таблица 2.9 - Результаты испытаний образцов муфтовых соединений

винтовой арматуры на сжатие

Максимальная нагрузка при сжатии, кН Максимальные напряжения при сжатии, Н/мм2 Относительные деформации при максимальной нагрузке, %

016 Ав500П

138,8 609,7 0,69

140,7 641,0 0,35

016 Ав600П

147,4 653,3 0,44

144,5 648,6 0,45

Рисунок 2.14 - Образцы муфтовых соединений после испытаний на сжатие

В процессе исследований было выполнено сравнение диаграмм деформирования целого арматурного стержня с муфтовым соединением арматуры диаметром 16, 20 и 25 мм класса Ав500П при растяжении с затяжкой контргаек усилием 350 Нм. Диаграммы деформирования представлены на рисунке 2.15.

Л—

/ /

/1

/1

/ /

/

1 1

а)

1,500 2,000 2,500 3,0С

б)

В)

Рисунок 2.15 - Сравнение диаграмм деформирования муфтового соединения и целого арматурного стержня диаметром: а -16 мм; б - 20 мм; в - 25 мм

класса Ав500П

2.2.4 Резьбоклеевое муфтовое соединение

Резьбоклеевое муфтовое соединение - то же что винтовое с предварительным заполнением муфты анкерным эпоксидным или цементным составом для уменьшения податливости соединения (рисунок 2.16).

В процессе исследований была выполнена работа по оценке различных клеевых составов на основе эпоксидного и цементного связующего.

Были использованы: эпоксидный состав ERX 585 S; цементные составы Master Emaco A640, Master Flow.

Преимущества резьбоклеевых соединений:

- те же что у винтового;

- дополнительная защита соединения от коррозионного воздействия;

- исключение высокой податливости винтового соединения. Недостатки:

- уход с российского рынка производителей клеевых анкерных составов;

- повышенная цена одного соединения с клеевым анкерным составом [24, 120-125].

Рисунок 2.16 - Резьбоклеевые соединения

Положительные результаты испытаний резьбоклеевых соединений винтовой арматуры приведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 - Результаты испытаний муфтовых соединений арматуры Ав500П с клеевыми составами на эпоксидной и цементной основе

№ образца Характеристика образца Диаметр соединяемых стержней, мм Разрывное усилие, кН Деформативность, мм

факт Норма по ГОСТ 34278 факт Норма по ГОСТ 34278

1 2 3 4 5 6 7

1 Эпоксидный состав ERX 585 S, момент затяжки 350 Нм 20 222 >188.5 0.00 <0,1

2 20 223 0.00

3 20 226 0.00

4 20 221 0.00

5 20 224 0.00

6 20 221 0.00

1 Цементный состав Master Emaco A640, момент затяжки 350 Нм 20 223 >188.5 0.00 <0,1

2 20 222 0.00

3 20 223 0.00

4 20 224 0.00

5 20 223 0.00

6 20 222 0.00

1 Цементный состав Master Flow, момент затяжки 350 Нм, при нормальных условиях 20 227 >188.5 0.00 <0,1

2 20 222 0.00

3 20 226 0.00

4 20 223 0.00

5 20 223 0.00

6 20 227 0.00

1 Эпоксидный состав ERX 585 S, момент затяжки 350 Нм 25 319 >294.5 0.00 <0,1

2 25 321 0.018

3 25 321 0.008

4 25 323 0.00

5 25 318 0.001

6 25 323 0.00

1 Цементный состав Master Emaco A640, момент затяжки 1000 Нм 36 662 >610,7 0.0 <0,1

2 36 660 0.00

3 36 683 0.00

4 36 683 0.0

5 36 661 0.02

6 36 658 0.00

2.3 Испытания на сцепление арматуры с бетоном 2.3.1 Этап 1 Сцепление с бетоном арматуры диаметром 16 мм 2.3.1.1 Опыты НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Методика проведения испытаний на вытягивание арматуры из кубов.

Для оценки сцепления арматуры с бетоном применялась методика испытаний НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, несколько отличающаяся от стандартной методики EN.

В данном случае, как и стандартном, использовались образцы в виде бетонных кубов размерами 250x250x250 мм, в которые замоноличиваются арматурные стержни. Длина зоны анкеровки обеспечивается установкой на стержень пластиковой или резиновой трубки требуемой длины. На торце незагруженного конца арматурного образца, противоположного выпуску, предусматривается выступ арматуры из бетона куба, на который при испытаниях опирается индикатор часового типа, измеряющий смещение арматуры относительно бетона. На противоположной стороне загруженного конца арматурного образца, закрепляемого в траверсе разрывной машины, устанавливаются индикаторы часового типа для измерения деформаций арматуры. Данное измерение не предусматривается стандартной методикой. База измерений 100 мм. На рисунках 2.19, 2.20 показан общий вид образца и его положение в разрывной машине. Для равномерной передачи нагрузок на образец между опорной плитой пресса и нижней плоскостью образца устанавливается лист резины. Испытания производились на разрывной машине Amsler с гидравлическим приводом. Загружение выполнялось ступенями с выдержкой 1 -2 мин. для снятия отсчетов с индикаторов. Образцы загружались до тех пор, пока не происходил срез (смятие) бетонных межрёберных консолей вокруг стержня в пределах анкеровки.

В процессе исследований длина анкеровки арматурных стержней в бетоне разной прочности варьировалась от 5ё до 10ё. Это делалось для того, чтобы достигнуть одновременного разрушения сцепления арматуры с бетоном и её предела текучести. Необходимо было оценить энергоёмкость сцепления арматуры с новым профилем в запредельной стадии (после достижения в арматуре ат) её деформирования.

Рисунок 2.17 - Схема испытаний арматуры на выдергивание: 1 - образец 250x250x250 мм.; 2 - арматурный стержень 016Ав5ООП; 3 - стальная плита; 4

- резиновая прокладка; 5 - индикатор (№1) для измерения перемещений свободного конца стержня относительно бетона; 6 - индикаторы (№2, №3) -измерение деформаций арматурного стержня

Рисунок 2.18 - Бетонирование образцов

Рисунок 2.19 - Вид арматурного стержня после испытаний. Срезанные (смятые) бетонные консоли, расположенные с двух сторон стержня в шахматном порядке, иллюстрируют равномерное распределение распорных усилий по контактной поверхности арматуры с бетоном

Рисунок 2.20- Испытание куба 250x250x250 мм на сжатие после испытаний на вытягивание. Позволяет определить фактическую прочность бетона

каждого испытанного образца

В таблице 2.11 и на рисунках 2.21 и 2.22 приведены все основные данные по результатам испытаний.

Таблица 2.11 - Результаты испытаний на сцепление с бетоном

Длина анкеровк и Максимальная нагрузка на стержень, кН Прочность бетона, МПа Максимальное напряжение, Н/мм2 Характер разрушения

111 43,1 489**/0,98 Я8п* Вырыв из бетона

90 31,4 527**/1,05 Я8п* Вырыв из бетона

5ё 82 35,1 446**/0,88 Я8п* Вырыв из бетона

5ё 97 30,4 603**/1,20 Я8п* Вырыв из бетона

9ё 93 26,4 474*/0,95 Я8п* Вырыв из бетона

9ё 97 27,4 491*/0,98 Я8п* Вырыв из бетона

9ё 106 26,9 540*/1.08 Я8п* Вырыв из бетона

9ё 144 51,4 783**/1,3 Язп** Разрыв арматуры

9ё 141 56,3 718*/1,44 Я8п* Разрыв арматуры

9ё 140 56,3 713*/1,43 Я8п* Разрыв арматуры

9ё 142 61,0 723*/1,45 Я8п* Разрыв арматуры

10ё 143 35,2 777** /1,3 Я8п** Разрыв арматуры

10ё 144 42,9 782**/1.30 Я^** Вырыв из бетона

10ё 113 31,7 575* /1,15 Я8п* Вырыв из бетона

Ш 125 31,5 636* /1,27 Я8п* Вырыв из бетона

*Прочность арматуры (min) бт =600 Н/мм2 бв =713 Н/мм2 А8=196,4мм2 Я8п* =500Н/мм2

**Прочность арматуры (тах) бт =680 Н/мм2 бв =780 Н/мм2 А8=184мм2 ^п**=600Шмм2

Я^- нормативное сопротивление арматуры по СП 63.13330 -2012

Исходные данные. В исследованиях принята арматура 016 Ав500П, изготовители ЕВРАЗ и ТМПЗ. Всего испытывались не менее четырёх образцов от каждого производителя.

Состав смеси приведен в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Состав смеси

Наименования Вес компонентов Вес компонентов

компонентов на 1м3, на замес 33 литров,

кг кг

Цемент М500 400 13,2

Песок 623 20,6

Щебень 1206 39,8

Вода 190 6,27

Суперпластификатор С-3 3,2 0,106

В/Ц = 190/400=0,475.

Подвижность смеси - П3.

,2

96 90

80 70 60 50 40 30 20 10 мм

вырыв хН

а).

\

\

\

1 2 1 2 3 4 5

н/мм'

Рисунок 2.21 - графики деформаций втягивания незагруженного конца арматуры с четырёхсторонним винтовым профилем 016 мм в бетон, 1ап =

а). А3 = 184 мм2; Яь = 30,4 Н/мм2; ат = 652 Н/мм2; ав = 713 Н/мм2;

б). А3 = 184 мм2; Яь = 43,1 Н/мм2; ат = 652 Н/мм2; ав = 713 Н/мм2

Рисунок 2.22 - Характерные графики деформации втягивания незагруженного конца стержня и энергоёмкость разрушения сцепления арматуры с четырёхсторонним винтовым профилем 016 мм с бетоном

Длина зоны анкеровки обеспечивалась установкой на стержни пластиковых трубок с внутренним диаметром 17 мм.

2.3.1.2 Опыты АО ВНИИ Железобетон

Для экспериментальной оценки сцепления винтового арматурного проката с бетоном в ООО «Институт ВНИИ железобетон» были изготовлены опытные образцы, представляющие собой кубы бетона размером 250x250x250 мм, в центре которых был замоноличен арматурный стержень. Эффективная длина сцепления арматурного стержня составляла 50 арматуры. Заделка арматуры в образце осуществлялась с одной стороны образца, в другой части образца сцепление отсутствовало. Испытуемый стержень продолжается за две стороны образца. Напряжение прикладывается к длинному концу, а устройство измерения сдвига устанавливается на коротком конце.

Всего было изготовлено три партии опытных образцов из бетона класса В30, В40 и В50 (рисунок 2.23).

Рисунок 2.23 - Опытные образцы для экспериментальной оценки прочности сцепления арматурного проката с бетоном

Каждая партия состояла из восьми образцов, по четыре образца с арматурой с двухрядным (аналог GEWI-Stahl) и четырехрядным профилем (Ав500П). К каждой партии бетона для контроля фактической прочности были изготовлены контрольные образцы - кубы 100x100x100 мм. Составы бетона опытных образцов и прочность при сжатии представлены в таблице 2.13.

Для оценки фактических физико-механических характеристик используемого арматурного проката 016 мм были испытаны контрольные образцы в количестве 6 шт., в том числе:

-с двухрядным винтовым профилем (аналог GEWI-StaЫ), широко используемым в зарубежном сейсмостойком, транспортном и других видах строительства - 3шт.

-с четырехрядным винтовым профилем производства Тульского МПЗ- 3

шт.

Таблица 2.13 - Состав бетона опытных образцов

Наименование материала Ед. изм Расход на м3 бетонной смеси

В25 В40 В60

Цемент (Вольский, Цем I 42,5 Н) кг 320 400 470

Щебень (известняковый фр. 5-20 мм) кг 1150 1150 -

Щебень (гранитный фр.5-20 мм) - - 1200

Песок (Чаадаевское месторождение) кг 800 760 665

Добавка («ешит ACE430) кг 1,28 1,60 1,90

Вода л 170 160 140

В/ц 0,53 0,40 0,30

Плотность бетона Рт г/см3 2,413 2,428 2,478

§т г/см3 0,008 0,009 0,013

Ут % 0,3 0,4 0,5

Прочность бетона при сжатии Кт МПа 43,18 62,37 72,17

Зт МПа 1,81 2,19 0,95

Ут % 4,2 3,5 1,3

Испытания контрольных образцов - кубов для оценки прочности бетона при сжатии проводили по методике ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Статические испытания по оценке механических свойств арматурного проката 016 мм с двухрядным и четырехрядным винтовым профилем проводили по методике ГОСТ 12004-81 «Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение и их соответствия» с использованием сервогидравлической испытательной системы «SCHENCK POZ 0691» с регулируемым контуром обратной связи в режиме пост янной скорости

перемещения активного захвата составляющей £ = 0,02мм / с. Статическая скорость испытаний была подобрана в соответствии с требованиями ГОСТ 12004 таким образом, чтобы средняя скорость нагружения при испытании до предела текучести не превышала 10 МПа/с.

Результаты испытаний приведены на рисунке 2.24.

а)

б)

Рисунок 2.24 - Механические испытания двухрядной (аналог GEWI-Stahl) -(а) и четырёхрядной (Ав500П) - (б) винтовой арматуры

Испытания по оценке прочности сцепления арматуры с бетоном проводились по методике ГОСТ Р 57357-2016 «Сталь для армирования железобетонных конструкций. Технические условия» (EN 10080:2005, Steel for the reinforcement of concrete — Weldable reinforcing steel — General, IDT). Метод базируется на RILEM Рекомендациях RC 6, Испытание на сцепление арматурной стали — 2. Испытание выдергиванием, Издание 1983.

Принцип испытания заключался в следующем. Образец упирался вертикально в опорную плиту натяжного устройства, в которой имелась центральная полость размером -2ё. Сдвиг измеряется в начале и в конце каждого приращения нагружения. К длинному концу арматурного стержня замоноличенного в бетонный куб с заделкой составляющей 5 ё прикладывалось растягивающее усилие. Другой конец стержня, выступающий из образца на 10 мм, оставался без напряжения. Соотношение между усилием растяжения и сдвигом (т. е. относительное смещение между арматурой и бетоном) измерялось до полного выдергивания арматуры из бетона. Растягивающую нагрузку увеличивали ступенями, составляющими -10 % от расчетного усилия разрушения сцепления арматуры с бетоном. Выдержка после приложения каждой ступени составляла 5 мин. В процессе испытания непрерывно регистрировалось прикладываемое к арматуре усилие и перемещение активного захвата динамометром и датчиком перемещения испытательной системы. В начале и конце каждой ступени выдержки регистрировался сдвиг ненагруженного конца арматуры относительно плоскости заделки в бетонный образец и удлинение (деформация) нагруженного конца арматуры. Схема испытания показана на рисунке 2.25.

Результаты испытаний приведены на рисунке 2.26.

Рисунок 2.25 - Схема испытания сцепления арматурного проката с бетоном

а, МПа

1 6 = 6^ 4,4 МПа

п 529,1 МПа

1

- 1 \ 1

1

к....... ^— ....... ........ .......

10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Сдвиг незагруженного Сдвиг +удлнненне загруженного конца арматуры, мм

конца арматуры, мм

Рисунок 2.26 - Деформации втягивания незагруженного и сдвиг с удлиннением загруженного концов арматуры ^=16 мм, заделка 5d) при выдёргивании из бетона прочностью 72,2 МПа:

— - арматура с четырёхрядным винтовым профилем (Ав500П) ^=0,072;

— - арматура с двухрядным винтовым профилем (аналог GEWI-Stahl), /г=0,091

На рисунке 2.26 графики левой части от вертикальной оси характеризуют величину сдвига незагружённых концов испытанных арматурных стержней двух сопоставляемых видов относительно торцевой поверхности опытных бетонных кубов, построенные вручную по показаниям приборов.

В правой части приводятся графики, оценивающие суммарную величину сдвига стержней относительно бетона и удлинение загруженного конца арматуры в процессе поэтапного нагружения, записанные автоматическими датчиками, регистрирующими перемещение захватов испытательной машины.

По полученным результатам испытаний можно заключить:

- арматура с четырёхрядным винтовым профилем (/к = 0,072) имеет прочность сцепления с бетоном выше на 20-30%, чем арматура с двухрядным винтовым профилем (/к = 0,091);

- арматура с четырёхрядным расположением поперечных рёбер с длиной анкеровки 5d сохраняет сцепление с бетоном прочностью 72,2 МПа на упругом и пластическом участках деформирования стержня. Более того, прочность сцепления с бетоном продолжала увеличиваться при нагружении загруженного конца стержня в зоне упрочнения до относительных деформаций, достигающих £ = 5%. Всплески показаний датчиков на графиках после достижения от фиксируют процесс поэтапного перераспределения усилий сцепления по длине анкерующей части стержня без потери его прочности, что свидетельствует о высокой энергоёмкости сцепления новой арматуры в запредельной стадии деформирования;

- полученные результаты исследований подтверждают результаты выполненных ранее работ и позволяют с ещё большим основанием сделать выводы об эффективности применения арматуры с многорядным периодическим профилем [86], из-за его меньшей распорности в бетоне и высокой энергоёмкости сцепления, для обеспечения перераспределения усилий и диссипации (рассеяния) энергии в железобетонных конструкциях, определяющих высокую надёжность их сопротивления различным видам нагружения.

2.3.2 Этап 2 Сцепление с бетоном арматуры диаметром 20 мм (опыты

НИИЖБ им. А.А.Гвоздева)

Задачи исследований

Оценка сцепления с бетоном винтовой арматуры с четырёхрядным профилем поверхности при статическом нагружении.

Исследования предусматривали отсутствие и наличие поперечного армирования в начале контактной зоны анкерующего участка арматуры.

Оценивались смещение нагруженного конца арматуры относительно бетона и деформации арматуры на её загруженном свободном от бетона участке.

Для проведения исследований были изготовлены кубы из бетона класса В60, в которых заанкеровались на участке 5 диаметров стержни четырёхрядной винтовой арматуры диаметром 20 мм класса Ав500П и Ав600П. Всего было изготовлено 8 образцов, в половине из которых (4 шт.) на расстоянии 2 см от торца кубов располагалось по одной арматурной сетке (рис. 2.27).

Рисунок 2.27 - Изготовление образцов

Бетонирование образцов производилось на заводе ЖБИ из заводского состава класса В60.

По истечению 28 суток твердения бетона в естественных условиях образцы испытывались на оборудовании АО «НИЦ «Строительство».

Для проведения испытаний были изготовлены специальные приспособления, с помощью которых появилась возможность одновременного опытного замера смещения свободного конца заанкерованного в бетоне стержня и деформаций его нагруженного конца не только в стадии упругого, но и пластического деформирования арматуры (рис. 2.28).

Рисунок 2.28 - Испытания образцов

На рисунках 2.29-2.36 приведены графические материалы, иллюстрирующие полученные результаты опытов.

Основные характеристики результатов испытаний приведены в таблице

2.14.

Таблица 2.14 - Основные характеристики результатов испытаний

№ п/ п Образе ц Прочност ь бетона* кгс/см2 Класс арматур ы Нагрузка при потере сцеплени я, кгс Напряжен ие в арматуре кгс/см2 Перемещен ие свободного конца х0,01 мм Деформаци и арматуры, %

1 К-1-2 614 Ав500П 16000 5090 330 0,072

2 К-1-4 614 Ав500П 17600 5600 330 1,277

3 К-1-1 (сетка) 616 Ав500П 17900 5700 300 1,78

4 К-1-3 (сетка) 653 Ав500П 18500 5889 320 >2,0

5 К-2-6 673 Ав600П 16000 5090 180 0,119

6 К-2-8 649 Ав600П 16000 5090 190 0,113

7 К-2-5 (сетка) 614 Ав600П 18700 5950 380 0,118

8 К-2-7 (сетка) 667 Ав600П 17800 5670 235 0,112

*Прочность бетона определена неразрушающими методами.

Прочность сцепления винтовой арматуры с четырёхрядным профилем с бетоном зависит от наличия поперечного армирования в зоне анкерующих участков. Превышение прочности сцепления образцов с арматурой класса Ав500П составило 8,3%, с арматурой класса Ав600П - 14,1%.

В арматуре класса Ав500П диаметром 16 мм при длине анкеровки 5ё и бетоне класса В60 был достигнут предел текучести. При пластическом деформировании арматуры до величин, превышающих 2%, её сцепление с бетоном сохранялось. Это в очередной раз подтвердило ранее полученные результаты опытов по сцеплению четырёхрядной арматурой и убедительно доказывает высокую надёжность сопротивления её анкерующих участков внешнему силовому воздействию из-за низкой распорности в бетоне.

Учитывая высокие характеристики сцепления винтовой четырёхрядной арматуры возможно уменьшение длины её анкеровки и нахлёстки относительно нормируемых величин, что может дать значительный экономический эффект от применения.

Рисунок 2.29 - В60, К-1-1, с сеткой, диаметр 20, Ав500П

Рисунок 2.30 - В60, К-1-2, без сетки, диаметр 20, Ав500П

Рисунок 2.31 - В60, К-1-3, с сеткой, диаметр 20, Ав500П

Рисунок 2.32 - В60, К-1-4, без сетки, диаметр 20, Ав500П

Рисунок 2.33 - В60, К-2-5, с сеткой, диаметр 20, Ав600П

Рисунок 2.34 - В60, К-2-6, без сетки, диаметр 20, Ав600П

Рисунок 2.35 - В60, К-2-7, с сеткой, диаметр 20, Ав600П

Рисунок 2.36 - В60, К-2-8, без сетки, диаметр 20, Ав600П 2.4 Выводы по главе 2

Выводы по механическим свойствам арматуры и соединительных элементов:

1. Арматура класса Ав500П из марки стали 25Г2С с винтовым четырёхрядным периодическим профилем, произведённая Тульским МПЗ, соответствует требованиям ГОСТ 34028-2016 по механическим свойствам, в том числе, по категории свариваемости (С), пластичности (Е) и выносливости

(У).

2. Прочность муфтовых соединений винтовой арматуры классов Ав500П и Ав600П, изготовленных Тульским МПЗ всех диаметров от 12 ^40 мм удовлетворяет требованиям ГОСТ 34278 «Соединения арматуры механические для железобетонных конструкций. Технические условия».

3.Требования ГОСТ 34278 по деформативности соединений для арматуры диаметром 16 мм при затяжке контргаек усилием 350 Нм выполняются.

Требования ГОСТ 34278 по деформативности соединений арматуры диаметром до 20 мм включительно могут быть обеспечены путём затяжки контргаек с усилием до 1500 Нм. Требования ГОСТ 34278 по деформативности соединений арматуры диаметром более 20 мм могут быть

обеспечены, либо затяжкой гидравлическими ключами, либо с помощью специальных мероприятий (см. п. 4).

4. Исследованиями установлено, что выполнение требований по деформативности ГОСТ 34278 муфтовых соединений винтовой четырёхрядной арматуры может быть обеспечено использованием резьбоклеевых соединений с использованием смесей на основе эпоксидных и цементных связующих. Обмазка этими смесями резьбового соединения обеспечит облегчение навинчивания муфт и их усиленную защиту от коррозии.

5. Арматура класса Ав500П диаметров 12 ^ 40 мм из марки стали 25Г2С и арматура класса Ав600П диаметров 12 ^ 25 мм удовлетворяют требованиям ГОСТ 34028 в части многоцикловой выносливости.

Усталостная прочность арматуры класса Ав500П диаметром 16 мм выше нормируемой более, чем на 33%.

6. Муфтовые соединения арматуры с винтовым четырёхрядным профилем диаметром 20 мм с затяжкой контргаек усилием 1500 Нм соответствуют требованиям ГОСТ 34278 в части многоцикловой выносливости.

7. Результаты испытаний на малоцикловую выносливость при переменном растяжении и сжатии в зоне пластических деформаций (категория «82») показали, что муфтовые соединения арматуры диаметром 20 мм класса Ав500П при затяжке контргаек усилием 1500 Нм соответствуют требованиям ГОСТ 34278 по прочности и деформативности.

8. Полученные положительные результаты исследований позволяют прогнозировать высокую надёжность применения винтовой арматуры с четырёхрядным профилем и её муфтовых соединений в зданиях и сооружениях, эксплуатируемых при различных видах особых нагрузок, в том

числе многократных циклических, сейсмических, взрывных, ударных и пр. после отладки массового производства данного вида арматурного проката.

Выводы по испытаниям арматуры на сцепление с бетоном:

1. Арматурный прокат класса Ав500П и Ав600П с винтовым четырёхрядным профилем имеет прочность сцепления с бетоном выше, а деформативность ниже, чем у арматуры с двухсторонним серповидным (европейским) и винтовым (аналог GEWI Stahl) профилем на 15 ^ 30%.

2. Повышенные качественные и количественные технические показатели сцепления с бетоном нового профиля арматуры стабильны, так как обеспечиваются высоким нормируемым браковочным минимумом критерия Рема/я > 0,075, превышающим на 34% / > 0,056) браковочную величину для арматуры с двухсторонним серповидным (европейским) профилем.

3. Конструкция профиля новой арматуры с четырёхрядным расположение поперечных рёбер на поверхности в шахматном порядке обеспечивает равномерное распределение распорных усилий от поперечных рёбер по периметру и длине стержня, а, следовательно, уменьшает их влияние на прочность сцепления арматуры с бетоном, особенно в запредельной стадии деформирования, то есть после достижения предела текучести в металле арматуры (ö"s > о"т(02)).

Этот эффект специфичен для арматуры с многорядным расположением поперечных рёбер. Он неоднократно подтверждался ранее, например в опытах с арматурой класса А500СП [68] и ещё раз ярко проявился в представленных выше опытах НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ВНИИ Железобетон.

4. Полученные результаты исследований показали, что длина анкеровки арматуры класса Ав500П и Ав600П ниже нормируемой величины в 4 ^ 5 раз, что даёт основание рекомендовать уменьшения в нормах базовой длины анкеровки (lo,an) для данной арматуры.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВИНТОВОЙ ЧЕТЫРЁХРЯДНОЙ АРМАТУРОЙ

3.1 Сжатые элементы 3.1.1 Задачи исследований

1) Оценка поведения винтовой арматуры с четырёхрядным профилем поверхности в сжатом бетоне при статическом нагружении.

2) Исследование влияния отсутствия и наличия стыкового муфтового соединения без контргаек и с контргайками на прочность сжатых армированных образцов.

3) Оценка прочности сжатых железобетонных элементов с полностью и частично контактными, а также бесконтактными стыковыми муфтовыми соединениями арматуры.

3.1.2 Методика проведения испытаний

Для проведения исследований были изготовлены образцы-призмы размером 20х20х50 см.

Известно, что результаты испытаний образцов-призм из армированного бетона при сжатии, близком к центральному могут иметь значительный разброс в показаниях разрушающей нагрузки из-за наличия случайного эксцентриситета, учитываемого расчётными формулами норм.

В связи с этим, в образцах данного эксперимента было предусмотрено расположение сжатого арматурного стержня диаметром 20 мм и 32 мм строго в центре сечения призмы. Фиксирование местоположения арматурных стержней осуществлялось с помощью металлических пластин, располагаемых по торцам призм, в середине которых с помощью раззенкованных отверстий и сварки крепились испытываемые стержни (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схемы армирования образцов на сжатие 020 - муфты без контргаек; 032 - муфты с контргайками и без

контргаек

Варианты конструкции муфтовых соединений приведены на рисунке

3.2.

200x200x10

Рисунок 3.2 - Конструкция муфтовых соединений. 1. Контактный, а = 0о; 2. Контактный, а ~ 6о; 3. Бесконтактный, А ~ 10 мм; 4. Бесконтактный, А ~

20 мм.

Металлические элементы образцов-призм производились на Тульском МПЗ (рисунок 3.3). Муфтовые соединения арматуры 020 мм производились без контргаек, а арматуры 032 мм - с контргайками и без них. Контргайки затягивались динамометрическим ключом с усилием 350 Н-м. Изготовление

образцов с арматурой диаметром 20 мм выполнялось на заводе ЖБИ (рисунок 3.4). Образцы с арматурой диаметром 32 мм изготавливались в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (рисунок 3.5).

Образцы изготавливались из бетонов классов В30 и В60 составов завода ЖБИ и НИИЖБ. Твердение бетона образцов, изготовленных на заводе ЖБИ, осуществлялось в естественных условиях, образцов, изготовленных в НИИЖБ, в пропарочной камере. Испытания проводились по истечению 28 суток твердения. Испытания выполнялись на прессовом оборудовании ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (рисунок 3.6).

Рисунок 3.3 - Металлические элементы с арматурой 020 мм и 032 мм, изготовленные на ТМПЗ: а) - образцы с арматурой 020 мм с муфтовыми соединениями без контргаек; б) - образцы с арматурой 032 мм с муфтовыми

соединениями с контргайками и без них

При изготовлении образцов на заводе ЖБИ для упрочнения бетона использовался глубинный игольчатый вибратор, в НИИЖБ - виброплощадка. Из-за ограничения объёма бетономешалки, в НИИЖБ для изготовления образцов из бетона класса В30 приходилось делать два замеса, что отразилось на их прочности (таблица 3.2).

При проведении испытаний замерялись продольные деформации бетона всех 4-х боковых поверхностей призм (рисунок 3.6).

Рисунок 3.4 - Изготовление образцов на заводе ЖБИ

Рисунок 3.6 - Испытания в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

Диаграммы деформирования призм, построенные по средним деформациям их боковых сторон приведены на Рис. 7^19 (020 мм) и 20^42 (032 мм).

Сопоставление результатов испытаний приведено в таблицах 3.1 и 3.2. Здесь же выполнен оценочный анализ усилий в арматуре и бетоне в стадии нагружения, близкой к предельной. При изготовлении опытных образцов делались из того же состава бетона классов В30 и В60 кубы размером 10х10х10 см и призмы 10х10х40 см по ГОСТ 10180 -2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Для определения призменной прочности учитывался масштабный коэффициент а = 0,95 по таблице 4 ГОСТ 10180-2012 для призм с размером сечения 10х10 см.

При изготовлении образцов с арматурой 032 мм класса Ав600П делались дополнительные образцы-призмы из бетона того же состава, размером, как и основные образцы, 20х20х50 см.

Сопоставление результатов испытаний и результатов расчёта прочности опытных образцов по предельным усилиям, выполненного по положениям СП 63.13330 для внецентренно сжатых бетонных и железобетонных элементов с учётом нормируемого случайного эксцентриситета приведено в таблицах 3.3 и 3.4. Для расчёта использовалась средняя фактическая призменная прочность бетона, определённая по испытаниям трёх контрольных образцов, изготовленных для каждого замеса бетона. Контрольная нагрузка по прочности определялась по ГОСТ 8829-2018 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления».

Реош по прочности принята равной нагрузке, определённой при расчётных сопротивлениях бетона проектного класса прочности Яь и арматуры Яs, умноженной на коэффициент С = 1,3. Результаты сопоставления расчётной и опытной прочностей образцов-призм приведены в таблицах 3.3 и 3.4.

3.1.3 Данные проведенных испытаний на сжатие

Таблица 3.1. Данные проведённых испытаний на сжатие призм с арматурой

020 мм класса Ав600П

№ п/п

Образец

Разрушающая нагрузка Р

кгс

Напряжения в арматуре кгс/см2 при

_£<; = _

при

при

О* = <гп

т(02)

Прочность бетона , кгс/см2

Призменная прочность

Расчётная при

£я=еЬ

Пс-5-11 Без муфты

140000 (130000*)

>3175

Пс-5-12 Без муфты

91500 (90000*)

>3350

Пс-1-1

С муфтой, стык арматуры без зазора

140000

3300

Пс-1-2

С муфтой, стык арматуры без зазора

135000 (130000*)

>3588

Пс-2-3

С муфтой, стык арм. без зазора, скос 6°

170000

4070

Пс-2-4

С муфтой, стык арм. без зазора, скос 6°

160000

3285

Пс-3-6

С муфтой, стык арм. с зазором 10 мм

180000

3268

Пс-4-7

С муфтой, стык арм. с зазором 20 мм

170000 (160000*)

>3570

6000

409 х 0,9=388

6000

6000

6000

>364

>226

363

>347

440 423

419 395

475 451

>

445 423

£

Б

1

2

3

4

5

6

7

8

9 Пс-4-8 С муфтой, стык арм. с зазором 20 мм 123000 2230 - 325

10 Пс-5-13 Без муфты 270000 4725 6000 677 х 0,9 = 609 715 703

11 Пс-5-14 Без муфты 230000 (220000*) >3375 - >615

12 Пс-4-9 С муфтой, стык арм. с зазором 20 мм 235000 (230000*) >3450 6000 628 > 605

13 Пс-4-10 С муфтой, стык арм. с зазором 20 мм 220000 3767 - 583

*нагрузка, при которой сделаны последние замеры деформации

Таблица 3.2. Данные проведённых испытаний на сжатие призм с арматурой

032 мм класса Ав600П

№ п/п Разрушающая Напряжения в арматуре о>, кгс/см2 Прочность бетона , кгс/см2

Образец нагрузка Р, кгс при ^ = еь при о* = ^т(02) Призменная прочность Расчётная при ^ = °<> = °т(02)

1 Бетонный 100000 - - 278

2 Пс-1-1 Без муфты 89000 (80000*) >2730 - >190

Пс-2-4

3 С муфтой, стык арм. без зазора, с контргайками 130000 (125000*) >3890 - >280

4 Пс-3-7 С муфтой, стык арм. без зазора, скос 6о, с контргайками 171000 (160000*) >5000 6000 383 х 0,9 = 345 (1-й замес) 372 > 349

Пс-4-10

С муфтой,

5 стык арм. с зазором 10 мм, без контргаек 135000 3010 - 315

Пс-5-13

С муфтой,