Свойства и особенности применения в железобетонных конструкциях резьбовых и опрессованных механических соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук ДЬЯЧКОВ, Вячеслав Владимирович

• ДЬЯЧКОВ, Вячеслав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук ДЬЯЧКОВ, Вячеслав Владимирович

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Требования норм проектирования железобетонных конструкций к механическим соединениям арматуры.

1.2. Типы механических соединений.

1.2.1. Механические соединения за рубежом.

1.2.2. Механические соединения в России.

Выводы по главе 1 и задачи работы.

2. Свойства опрессованных соединений.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Характеристика образцов и методика проведения испытаний.

2.3. Результаты испытаний.

2.4. Технология производства опрессованных соединений арматуры.

2.4.1. Подготовительные операции.

2.4.2. Изготовление опрессованых соединений арматуры.

2.4.3. Контроль качества работ.

Выводы по главе 2.

3. Исследование прочности и деформативности резьбовых соединений арматуры.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Характеристика опытных образцов и технология их изготовления.

3.3. Методика проведения испытаний на растяжение резьбовых соединений арматуры.

3.4. Результаты испытаний.

3.4.1. Прочность и деформативность соединений арматуры с конусной резьбой'.

3.4.2. Прочность и деформативность соединений арматуры с нарезанной цилиндрической резьбой. 70 •

3.4.3. Прочность соединений арматуры с нарезанной цилиндрической резьбой при отрицательных температурах.

3.4.4. Прочность и деформативность соединений арматуры с накатанной цилиндрической резьбой.

3.4.5. Прочность соединений арматуры с накатанной цилиндрической резьбой при испытании на выносливость.

Выводы по главе 3.

4. Прочность, деформативность и трещиностойкость центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, армированных арматурой класса А500С, соединенной резьбовыми соединениями. 91 4. Г. Постановка задачи.

4.2. Характеристика опытных образцов.

4.3; Методика проведения испытаний.

4.4. Результаты испытаний опытных образцов.

4.4.1. Характер разрушения опытных образцов.

4.4.2. Деформативность бетона и продольной арматуры опытных образцов.

4.4.3. Прочность железобетонных колонн, армированных арматурой класса А500С, соединенной резьбовыми соединениями.

4.4.4. Анализ влияния деформативности резьбовых соединений на прочность сжатых железобетонных элементов.

4.4.5. Анализ влияния эксцентриситета приложения нагрузки на прочность сжатых железобетонных элементов.

4.4.6. Влияние эксцентриситета приложения нагрузки и дефор-мативности соединения на трещиностойкость сжатых железобетонных элементов.

Выводы по главе 4.

5. Технико-экономическое обоснование применения механических соединений сжатой арматуры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства и особенности применения в железобетонных конструкциях резьбовых и опрессованных механических соединений»

В настоящее время в России широко развивается строительство из монолитного железобетона. Возрастающие объемы монолитного строительства диктуют необходимость перехода на более надежные и скоростные технологии возведения зданий и сооружений. При проектировании и возведении монолитных зданий и сооружений возникает проблема соединения стержней арматуры, так как, длина поставляемых металлургическими предприятиями стержней ограничена условиями транспортировки и не превышает 12 м.

В нашей стране в основном применяются сварные и нахлесточные соединения арматуры. Причем от применения, сварных соединений строители отказываются, это связано с высокой стоимостью электроэнергии, привлечением высококвалифицированных сварщиков, с более сложным контролем качества работ, большей трудоемкостью сварных соединений при большом количестве стыкуемых стержней.

Наиболее простым способом соединения стержневой арматуры является-соединение внахлестку без сварки, когда усилия1 с одного стыкуемого стержня-на другой передаются за счет сил сцепления с окружающим бетоном. Являясь наиболее простым, соединение внахлестку имеет ряд существенных недостатков: перерасход арматуры за счет перепуска стержней; необходимость установки дополнительной поперечной арматуры в зоне соединения; затруднение бетонных работ в густоармированных конструкциях, за счет скопления в зоне соединения большого количества арматуры, поэтому в некоторых случаях это приводит к увеличению размеров поперечного сечения элемента.

Длина нахлёстки по СП 52-101-2003 [22] примерно в два раза больше длины нахлёстки по СНиП 2.03.01-84* [24]. Это приведёт к ещё большему перерасходу арматуры за счёт перепуска стержней, который будет достигать 4050% и сделает применение нахлесточных соединений экономически невыгодным. Поэтому возникает необходимость поиска новых способов соединения арматурных стержней.

Альтернативным способом, исключающим эти недостатки, является соединение стержней периодического профиля с помощью механических соединений. Необходимо отметить, что получение экономии является второстепенной целью применения механических соединений арматуры, а главной целью является повышение надежности соединений, что особенно важно при строительстве высотных зданий и сооружений, поэтому в большинстве стран мира, в том числе в Великобритании, США и Германии, для стыкования арматуры диаметром 25—40 мм применяют механические соединения, гарантирующие надежность сооружения. .При этом выделяются сжатые стыки, которые воспринимают только сжимающие усилия, и передача усилий в которых с одного стержня на другой осуществляется опиранием торцов и сжато-растянутые стыки, которые могут воспринимать как сжимающие, так и растягивающие усилия.

Из всех типов механических соединений в нашей стране наибольшее применение нашли только опрессованные стыки [12, 13, 14, 15, 17] и соединения с помощью муфт арматуры винтового периодического профиля [16]. Это связано, прежде всего, с тем, что в СССР преобладало строительство из сборного железобетона, при котором соединения арматуры в заводских условиях, как правило, выполнялись с помощью сварки. I

Высокая надежность и экономическая эффективность рассматриваемых соединений арматуры создают перспективу их массового применения при возведении многоэтажных зданий из монолитного железобетона. Однако, вопросы прочности и деформативности механических соединений с арматурой периодического профиля, особенности напряженно-деформированного состояния центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, рабочая арматура которых соединена механическими соединениями, еще недостаточно изучены, поэтому для обеспечения внедрения таких соединений в практику строительства возникла необходимость проведения экспериментально-теоретических исследований этой проблемы.

Целью диссертационной работы является исследование свойств и особенностей применения в. железобетонных конструкциях резьбовых и опрессо-ванных механических соединений арматуры;

Для?достижениягпоставленной целирешались следующие задачи:

• разработать, оптимальную- технологию выполнения и контроля качествам опрессованных соединений арматуры в условиях строительной площадки;

• оценить механические свойства стандартных и переходных опрессованных соединений арматуры, выполненных в условиях стройплощадки;

•5 изучить механические свойства резьбовых соединений^ различным способом нанесения резьбы на концах арматурных стержней класса А500С; экспериментально и теоретически оценить, работу резьбовых соединений рабочей1 арматуры,класса А500С в центрально и внецентренно:сжатых железобетонных элементах;

• выполнить анализ технико-экономической эффективности практического' применения резьбовых и опрессованных соединений арматуры:

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются оп-рессованные и резьбовые соединения; арматуры^ центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы, рабочая арматура класса А500С которых соединена резьбовыми соединениями. Предметом исследования являются« механические свойства резьбовых и опрессованных соединений арматуры, а также прочность, деформативность и трещиностойкость центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, армированных арматурой класса А500С, соединенной резьбовыми соединениями.

Нау чную новизну работы составляют:

• данные по механическим соединениям арматуры различных стран;

• результаты испытаний стандартных и переходных опрессованных. соединений арматуры,.выполненных в построечных условиях;

• экспериментальные данные по прочности и деформативности конусных и цилиндрических резьбовых соединений арматуры класса А500С при испытании на растяжение;

• данные о влиянии отрицательных температур на прочность резьбовых соединений арматуры при испытании на растяжение;

• результаты испытаний резьбовых соединений арматуры на выносливость;

• экспериментальные данные о работе конусных, и цилиндрических резьбовых соединений-рабочей арматуры класса А500С в центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах;

• сравнение стоимости различных видов соединений арматуры.

Автор защищает:

• результаты экспериментальных исследований механических свойств резьбовых и опрессованных соединений арматуры;. данные о влиянии отрицательных температур и. выносливости'на, прочность резьбовых соединений;

• экспериментальные данные о работе конусных и цилиндрических резьбовых соединенишрабочей арматуры класса А500С в центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах;

• экономический эффект при использовании резьбовых и опрессованных механических соединений арматуры.

Практическое значение работы:

Научно-техническое сопровождение строительства жилого комплекса «Континенталь» позволило разработать оптимальную технологию выполнения и контроля качества опрессованных соединений.

Проведенные исследования соединений с конусной, цилиндрической нарезанной* и накатанной резьбой дали возможность их применения при- строительстве МДЦ «Москва-Сити», здания «Siemens» и др.

Экономический эффект за счет внедрения механических соединений арматуры достигнут благодаря тому, что данные соединения имеют меньшую стоимость по сравнению с ванной сваркой, за счет сокращения трудоемкости, сроков монтажа и снижения энергозатрат и сопоставимую стоимость с соединениями арматуры больших диаметров внахлест без сварки, за счет исключения перерасхода арматурной стали из-за перепуска стержней.

Результаты работы позволили разработать и выпустить технологические регламенты по производству опрессованных соединений арматуры для ООО «СПРУТ» и ЗАО «Трансмонолит», пособие по применению механических соединений арматуры для железобетонных конструкций зданий и сооружений атомных станций, а так же технические условия резьбовых соединений арматуры производства фирм ЬепШп, Бех1га и САВЫ.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на конференции молодых ученых в транспортной науке (г. Москва, ЦНИИС, 2005 г.)

Опубликованность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав основной части, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 61 наименования. Работа изложена на 135 страницах, содержит 31 таблицу и 90 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», ДЬЯЧКОВ, Вячеслав Владимирович

Общие выводы по работе

1. Экспериментальные исследования механических соединений арматуры класса А500С с различным способом нарезки резьбы показали их достаточную прочность. Прочность всех типов резьбовых соединений арматуры у класса А500С была не меньше 600 Н/мм . Деформативность соединений с конусной резьбой в среднем составила 0,023 мм, соединений с нарезанной цилиндрической резьбой 0,069 мм, соединений с накатанной резьбой 0,03 мм. Пластичность соединяемых стержней после разрушения соединений во всех случаях превышала 2%.

2. Испытания механических соединений арматуры выполнялись в соответствии с методикой ГОСТ 12004 с определением деформативности механических соединений арматуры, которая определяется при эксплуатационной нагрузке 0,6ах как разность между полными и упругими деформациями соединения: Лост=ДПолн.-Дупр.

3. Испытания на выносливость резьбовых соединений с накатанной цилиндрической резьбой показали, что разрушение образцов происходит не менее чем при 1 млн. циклов, при среднем значении более 1,5 млн. циклов.

4. Испытания соединений арматуры класса А500С с цилиндрической нарезанной резьбой при отрицательной температуре показали, что эти соединения могут эксплуатироваться при расчетной зимней температуре до -30 °С, включительно.

5. Проведенные испытания резьбовых соединений позволили разработать технические условия и руководящий документ по применению механических соединений арматуры для железобетонных конструкций зданий и сооружений атомных станций [18,25, 26,27,28].

6. Лабораторией арматуры НИИЖБ, в том числе и соискателем, в результате научно-технического сопровождения строительства жилого комплекса «Континенталь» выработана оптимальная технология производства и контроля качества опрессованных соединений в условиях стройплощадки, которая нашла своё отражение в «Регламентах по производству опрессованных соединений» для ООО «СПРУТ», ЗАО «Трансмонолит» и концерна «Росэнергоатом».

7. Деформативность соединений арматуры от 0,021 мм до 0,26 мм в центрально сжатых элементах и эксцентриситет приложения нагрузки от 0,25Ь до 0,65Ь во внецентренно сжатых элементах не привели к образованию дополнительных деформаций в бетоне в зоне стыка и не повлияли на прочность колонн по сравнению с колоннами с целыми стержнями.

8. Испытания показали, что деформативность резьбовых соединений от 0,021 мм до 0,26 мм не повлияла на характер развития трещин в центрально сжатых колоннах. Продольные трещины появлялись практически одновременно с исчерпанием несущей способности колонн. Испытания внецентренно сжатых колонн показали, что трещины появлялись в бетоне по краям муфт. Максимальная ширина раскрытия трещин при нагрузке 0,6ЫОП не превышала 0,1 мм. Максимальная ширина раскрытия трещин за 1-2 этапа до разрушения колонн с целыми стержнями составила 0,125 мм, а у образцов с резьбовыми соединениями 0,1-0,125 мм.

9. Результаты испытаний образцов и удовлетворительная сходимость результатов расчета с опытными данными показали, что расчет центрально и внецентренно железобетонных элементов с резьбовыми соединениями рабочей арматуры следует выполнять по методике СП 52-101-2003, а нормативные и расчетные сопротивления арматуры с резьбовыми соединениями следует принимать такими же, как для целых стержней.

10. Экономический анализ показал, что применение резьбовых и опрессо-ванных соединений арматуры в строительстве позволяет получить экономический эффект при соединении арматурной стали диаметром 20-40 мм.

136

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук ДЬЯЧКОВ, Вячеслав Владимирович, 2009 год

1. ГОСТ 12004. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. — М.: Изд-во стандартов, 1996. — 17 с.

2. ГОСТ 8734. Трубы стальные, бесшовные холоднодеформированные. Сортамент. — 17 с.

3. Дьячков В. В. Прочность и деформативность резьбовых механических соединений арматуры / Бетон и железобетон. 2006. - № 1. - С.11-14.

4. Дьячков В. В. Прочность и деформативность резьбовых механических соединений арматуры // Научные труды / ОАО ЦНИИС. М.,2005. - Вып.228. -Молодые ученые в транспортной науке. - С. 78-86.

5. Жук В. М. Прочность и деформативность,бессварных стыков колонн с высокопрочной стержневой арматурой. Дис. . канд.,техн. наук. М., 1986. -193 с.

6. К. Перри, Г. Лисснер. Основы тензометрирования. — М.: Изд-во иностр. литер., 1957.-324 с.

7. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воёнтех- -лит, 2000. - 256 с.

8. Мадатян С. А. Арматура железобетонных конструкций // Обзорная информация. М. :ВНИИНТПИ. - 2005. - Вып. 1. 2005. - 24 с.

9. Мадатян С. А. Кое-что об арматуре / Металлоснабжение и сбыт. 2006. -№3.-С. 78-81.

10. Мадатян С. А., Дьячков В. В. Исследование резьбовых соединений арматуры в сжатых железобетонных элементах / Бетон и железобетон. 2007. -№4.-С. 16-20.

11. И. Мадатян С.А., Терин В.Д. Влияние локального разупрочнения арматуры на прочность изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям // Новое в создании и применении арматуры железобетонных конструкций.-М.: НИИЖБ. 1986.-С. 10-19.

12. Несварные обжимные стыки арматуры в железобетонных конструкциях/ Н. Г. Матков, Э. Ä. Балючик, В. И. Губин и др. // Бетон и железобетон.2003. — № 4. — С.6-10.

13. НТО НИИЖБ по теме: Исследовать работу соединений арматуры винтового профиля класса A-III в изгибаемых железобетонных элементах и подготовить изменения в рекомендации по применению. М: 1989 г. 65 с:

14. НТО НИИЖБ по теме. Экспериментально-теоретические исследования механических соединений стержневой арматуры и разработка рекомендаций по их применению. М:: 2003. -81 с.

15. Пособие по применению механических соединений арматуры для железобетонных конструкций зданий и сооружений атомных станций. РД ЭО 0657-2006. М.: 2006 г. - 48 с.

16. Рекомендации по механическим соединениям арматурной стали для железобетонных конструкций. РА-10-1-04. М.: Ассоциация «Железобетон»,2004.-22 с.

17. Решетов Д.Н; Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

18. РТМ 393-94. Руководящие технологические материалы по сварке и контролю качества соединений арматуры-и закладных изделий железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ, 1994. - 316 с.

19. Свод правил по проектированию и строительству СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 53 с.

20. Сборник расценок на основные виды работ, осуществляемых при научно-техническом сопровождении строительства РД-15.01.07. — М: ОАО «КТБ-ЖБ», 2007.-22 с.

21. СНиП 2.03.01-84 . Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. М;:ГУП ЦПП; 2000.-76 с.

22. Технические условия 4842-196-46854090-2005. Соединения арматуры механические «LENTON» производства фирмы «ERICO». -М.: НИИЖБ, 2005. -28 с.; f

23. Технические условия 4842-192-46854090-2005. Соединения арматуры механические «BARTEC» производства фирмы «DEXTRA». М.: НИИЖБ, 2005. -19 с.

24. Технические условия 21-33-31-83. Анкеры и стыковые соединения типа «обжатая обойма». М.: ВНИИЖелезобетон, 1990. - 19 с.

25. Технические условия* 5880-109-46854090-2000. Стыки арматуры, пеjриодического профиля; несварные обжимные трубчатые для несущих монолитных и сборных железобетонных конструкций зданий, мостов и сооружений; — М.: НИИЖБ, 2000.

26. Технология и-индустриализация армирования железобетонных конструкций// ЕКБ-ФИП.-1975. №87. - С. 183. (перевод с нем. под ред. А. А. Гвоздева и Н. М. Мулина).

27. Фридлянов Б.Н. Применение винтовой, арматурной стали на стройках Москвы / Бетон.и железобетон; — 2001. №1. — С.10-12.

28. Экономическая эффективность новой сварочной техники. Киев: Из-во «Техника», 1976. - 168 с.

29. AASHTO 2005. LRFD Bridge design specification, 2005 Interim draft. American Association of State Highway and1 Transportation Officials, Washington DC.

30. AGI 318. Building Code Requirements for Structural'Concrete and Commentary. -Farmington Hills:,American Concrete Institute, 1983.

31. ACI 349. Code requirements for nuclear safety related concrete structures. -Farmington Hills: American Concrete Institute, 1980.

32. A1034/A1034M 05b Standard test methods for testing mechanical splices for steel reinforcing bars - 2005.

33. Bennett E. W. Fatigue tests of spliced* reinforcement in concrete beams// SP 75-8.

34. Bennett E. W. Report on tests of tensile bar splices in reinforced concrete beams. CCL Systems Ltd., London; August 1977/February 1978.

35. BNFL Specification ES.00391A. "Mechanical splices to reinforcement for concrete" from the British Nuclear Fuel Ltd.

36. BS 8110. Structural use of concrete. Code of practice for design and construction. BSI, 1985. 124 p.

37. Cagley James R. and Apple Richard. Economic analysis — mechanical butt splices vs. lap splicing. Erico. Solon. Ohio. 5 pp.

38. CalTrans. California Test 670 Method of Tests for Mechanical and Welded Reinforcing Steel' Splices. California Department of Transportation. Sacramento CA. 2004.

39. CEB-FIP Model Code 1990.,- Lausanne: Comité Euro-International du Beton, 1990:

40. Coogler, K.L. Investigation of the behavior of offset mechanical splices. School of engineering. University of Pittsburgh. 2006.

41. Coogler, K.L. Harries, K.A. Evaluation of offset mechanical reinforcing bar systems; Pennsylvania Department of Transportation. Project CE/ST-35 2006

42. DIN 1045. Structural use of concrete. Design and construction. — Berlin: Deutsches Institut fur Normung, 1988; — 91 p.

43. Hulshizer A. J., Ucciferro J. J., Gray G. E. Mechanical reinforcement meet demands of strength and constructability, Concrete International Vol'. 16, No. 12, pp. 47-52.-1994.

44. ISO 15835-1. Сталь для армирования бетона Механические.соединения стержней - Часть 1: Требования. - 2004.50; ISO 15835-2. Сталь для армирования бетона Механические соединения стержней - Часть 2: Методы испытаний. - 2004.,

45. Jack Healy, Р.Е. Splicing option for masonry construction. Masonry construction magazine. 2007.

46. James R. Cagley and Richard Apple. Comparing costs butt splices versus lap splices// Concretelnternational. - Julyl998. - pp. 55-56.

47. Mechanical connections of reinforcing bars//ACI Structural Journal, V.88, №2-1991.

48. Mechanical connection of reinforcing bars reported by ACI Committee 439, 1999.- 16 p.

49. Mete A. Sozen, William L. Gamble. Strength and cracking characteristics of beams with #14 and # 18 bars spliced with mechanical splices// ACI Journal. ,— V.66-№12- 1969.

50. Paulson C., Hanson J. M. Fatigue behavior of welded and mechanical splices in reinforcing steel. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP), Project 10-35 Final report. 1991.

51. Pearson, L., MDOT Technical Investigation TI-1745, Mechanical reinforcement splices, notes and memorandums from project file. Lansing, MI, 19951998.

52. Peter O. Jansson, P.E. Evaluation of Grout-Filled Mechanical Splices for Precast Concrete Construction. MDOT. Research Report R-1512. May 2008.

53. Section 703.05. Mechanical connectors for butt splices for reinforcing steel bars. May 5, 2003.

54. Woobum Kim. Flexural behavior of concrete beam with mechanical splices of reinforcement subjected to cyclic loading. Kongju University.