Как распределяются напряжения сцепления на длине заделки lan
Обновлено: 07.07.2024
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Бенин Андрей Владимирович
При переходе к расчету железобетонных конструкций с учетом дискретного расположения арматуры требуется выбрать закон, описывающий связь касательных напряжений сцепления τс со смещениями арматуры относительно бетона s. Ввиду значительного разброса данных по этому вопросу, приводимых в различных источниках, в настоящей работе формулируется новый вариант описания касательных напряжений , основанный на экспериментальных исследованиях автора.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Бенин Андрей Владимирович
Моделирование процессов деформирования и разрушения при вытягивании арматурного стержня из бетонного блока Приложение метода конечных элементов к решению задачи о плоском напряженном состоянии железобетонных пластин Учет ползучести бетона и коррозии арматуры при расчете железобетонных конструкций на сейсмостойкость Расчетно-экспериментальное исследование процесса разрушения связей сцепления при вдавливании стержня жесткой арматуры в бетон i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Текст научной работы на тему «Новый вариант закона распределения касательных напряжений сцепления арматуры с бетоном»
Проблематика транспортных систем УДК 539.4:624.012
НОВЫЙ ВАРИАНТ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ СЦЕПЛЕНИЯ АРМАТУРЫ С БЕТОНОМ
При переходе к расчету железобетонных конструкций с учетом дискретного расположения арматуры требуется выбрать закон, описывающий связь касательных напряжений сцепления тс со смещениями арматуры относительно бетона s. Ввиду значительного разброса данных по этому вопросу, приводимых в различных источниках, в настоящей работе формулируется новый вариант описания касательных напряжений, основанный на экспериментальных исследованиях автора.
сцепление арматуры с бетоном; касательные напряжения; закон распределения.
1 Варианты описания сил сцепления
Экспериментальные и теоретические исследования сил сцепления между арматурой и бетоном проводились начиная с 20-х годов прошлого столетия [1]. Существенным шагом вперед в 50-х годах стали классические работы А. А. Гвоздева [2], В. И. Мурашева [3], О. Я. Берга [4]. Предлагались различные варианты зависимости касательных напряжений сцепления от величины проскальзывания арматуры относительно бетона: линейный закон, степенной закон, закон идеальных упругопластических деформаций. По результатам большой серии опытов, проводившихся в НИИЖБ, в 1959 г. М. М. Холмянским [5] был предложен так называемый «нормальный закон»:
где т - касательное напряжение сцепления; s - смещение арматуры относительно бетона; B, a - параметры закона сцепления, зависящие от величины кубиковой прочности бетона, от типа и диаметра арматуры. Максимального значения касательное напряжение достигает при величине смещения s = (е — 1)/a; при этом само напряжение tmax = B / e.
Аналогичные исследования выполнялись и зарубежными учеными. Результаты этих исследований нашли отражение в действующих нормах расчета и проектирования, таких как DIN 1045-1, Eurocode 2, CEB-FIP Model Code 90. В частности, в Model Code 90 для тяжелых бетонов сцепление определяется аналитическими выражениями, приведенными на рисунке 1. Параметры этого закона зависят от прочности бетона и качества сцепления, но не зависят от диаметра арматуры [6], [7].
Касательные напряжения сцепления т т = Tmax
1815-588 X. Известия ПГУПС
при 0 < s < s1 при s1 < s < s2 при s2 < s < s3 пр и s ^ s2006/2
Проблематика транспортных систем
Рис. 1. Диаграмма сдвиг - касательные напряжения сцепления по CEB-FIP Model Code 90
Сравнивая два указанных закона сцепления, можно отметить, что «нормальный закон» М. М. Холмянского имеет определенные преимущества, а именно:
«нормальный закон» определяется единым математическим выражением во всем диапазоне изменения взаимных смещений бетона и арматуры;
«нормальный закон» учитывает влияние диаметра арматуры на величину сил сцепления;
в соответствии с «нормальным законом» силы сцепления стремятся к нулю при неограниченном росте смещений, что больше соответствует физическому смыслу задачи;
по М. М. Холмянскому получается, что при s = 0 производная dt / ds отлична от нуля, то есть сцепление бетона с арматурой обладает (в отличие от «европейского» закона) ограниченной начальной жесткостью:
(dt / ds) = 0 = a • B < ¥.
Можно, кроме того, показать, что производная по перемещению s от работы сил сцепления пропорциональна площади эпюры т в пределах длины арматурного стержня. Следовательно, при значительных перемещениях приращение работы сил сцепления (подсчитанное по закону М. М. Холмянского) становится ничтожно малым. Это означает, что сопротивление материала росту смещений практически исчерпано; в зоне контакта происходит «расструктуривание» материала, сопровождаемое его разделением на части, первоначально работавшие совместно в составе единой системы.
Сопоставим диаграммы, получаемые при использовании различных вариантов связи между касательными напряжениями сцепления Ts и соответствующим проскальзыванием арматуры относительно бетона s.
При расчетах по теории М. М. Холмянского [5] рассматриваются три варианта кубиковой прочности бетона (Rcube = 20, 25 и 32 МПа) и три варианта диаметров поперечного сечения арматуры периодического профиля, а именно: d = 10, 12, 14 и 20 мм. В таблицах книги [5] отсутствует значение кубиковой проч-
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
ности, равное 32 МПа, поэтому для бетона этого класса нужные данные получены по интерполяции между данными для бетонов с прочностью 30 и 35 МПа. Ниже приводятся значения параметров Во и ао для всех рассмотренных вариантов (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Значения параметров Во, МПа, и ао, м
Диаметр Кубиковая прочность, МПа
арматуры, 20 25 32
мм В0 а0 В0 а0 В0 а0
10 15,60 7200 19,5 11300 24,18 17580
12 1 9,30 11000 24,10 17100 30,92 28580
14 19,30 12800 24,10 20000 30,92 33300
20 1 7,60 17000 22,00 26400 28,16 43260
В соответствии с нормами CEB-FIP Model Code 90 (см. [7]) параметры сцепления в рассматриваемых случаях имеют следующие значения: s1 = s2= 0,0006 м; s3 = 0,001 м; а = 0,4;
Rcube = 20 МПа; ттах = 8,944 МПа; Т/ = 1,342 МПа;
Rcube = 25 МПа; Ттах = 10,000 МПа; I/ = 1,500 МПа;
Rcube = 32 МПа; ттах = 10,282 МПа; Т/ = 1,542 МПа.
Заметим, что приведенные здесь данные взяты для случая «хорошего» сцепления (Good Bond) арматуры с бетоном. При «ином» сцеплении (Other Bond) значения ттах оказываются в 1,5-2 раза меньше, чем по таблицам М. М. Холмянского, в связи с чем сопоставление получаемых диаграмм теряет смысл. Полученные для рассматриваемых случаев диаграммы приведены на рисунке 2.
Рассмотрение полученных графиков показывает, что по «нормальному закону» М. М. Холмянского касательные напряжения достигают максимума при смещениях арматуры 0,06. 0,16 мм (в зависимости от класса бетона и диаметра арматуры), а по нормам Model Code 90 - при смещении 0,6 мм. То есть в случае закона М. М. Холмянского вершина графика оказывается намного ближе к началу координат, чем в случае «европейского» закона. Таким образом, в результате решения задачи на основе концепции М. М. Холмянского оказывается, что прогрессирующее нарушение контакта между арматурой и бетоном наступает существенно раньше; несущая способность конструкции может получиться намного меньшей, чем при использовании европейской концепции. Полученное расхождение является существенным и указывает на необходимость проведения дополнительных экспериментальных исследований для уточнения вида диаграмм Is — s.
Проблематика транспортных систем
Рис. 2. Диаграммы касательные напряжения сцепления - проскальзывание арматуры, полученные для бетона с кубиковой прочностью 32 МПа
2 Методика проведения эксперимента
Для испытаний в лабораторных условиях были изготовлены образцы трех типов: контрольные кубики с ребром 10 см; кубы с ребром 15 см и цилиндры высотой 15 см из бетона различных классов (за счет изменения водоцементного отношения В/Ц = 0,5; 0,6 и 0,7 при одинаковом цементе и крупном заполнителе) с арматурой различных диаметров (d = 10, 14 и 20 мм). Учитывая, что в своей монографии [5] М.М. Холмянский указывал на возникновение при испытаниях на выдергивание погрешностей, возникающих, во-первых, из-за стеснения развития трещин раскалывания (эта погрешность особенно велика, если сцепление происходит не по всей длине образца), во-вторых, из-за образования «сводика». В связи с этим, во-первых, арматура была заделана в бетонные образцы практически на всю длину I0 = 14,5 см, во-вторых, при испытаниях между бетонным образцом и жесткой плитой использовались антифрикционные прокладки из фторопласта, также значительно уменьшающие стесненность.
Испытания проводились в Механической лаборатории им. проф. Н. А. Белелюбского ПГУПС на специально сконструированном стенде на базе испытательной машины МИРИ-500К. Схема испытания представлена на рисунке 3. Испытательная машина МИРИ-500К оснащена компьютерным управлением, позволяющим точно регулировать и поддерживать заданную скорость нагружения, получать информацию с датчика силоизмерителя и датчика перемещения на мониторе ПЭВМ в цифровом и графическом виде. На переднюю свободную поверхность крепились пьезоприемники для регистрации акустических сигналов при образовании микроповреждений. Для регистрации образования и развития повреждений типа трещин, отслоений, сдвигов использовалась также акустоэмиссионая аппаратура, изготовленная фирмой ИНТЕРЮНИС, с программным обеспечением для анализа экспериментальных данных, развитом в отделе Физики прочности ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
Проблематика транспортных систем
Испытания проводились до полного разрушения образца; полученные в результате испытаний графические зависимости сила P - перемещение арматуры s пересчитывались для получения диаграммы касательные напряжения сцепления t - перемещения s.
Влияние диаметра арматуры на распределение касательных напряжений представлено на рисунке 4, влияние кубиковой прочности - на рисунке 5. Отметим, что влияние кубиковой прочности на вид диаграммы оказывается значительно большим, чем влияние диаметра арматуры, что согласуется с «европейским» законом.
Представляет интерес сопоставление диаграммы нагружения или выдергивания арматурного стержня из бетонного кубика и кинетики накопления повреждений. На рисунке 6, а приведено изменение напряжения вытягивания, на рисунке 6, б - интенсивность акустической эмиссии, свидетельствующей об образовании повреждений.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
Проблематика транспортных систем
Рис. 4. Влияние диаметра арматуры на распределение напряжений (при Rcube = 32 МПа)
Сдвиг арматуры относительно бетона, м
Рис. 5. Влияние класса бетона на распределение напряжений (при d = 14 мм)
Отметим, что на диаграмме увеличения нагрузки не наблюдается никаких заметных изменений, тогда как акустическая эмиссия появляется задолго до разрушения, а за десятки секунд резко нарастает. Это служит достаточно надежным прогностическим признаком ожидаемого макроскопического разрушения. Можно отметить, что на этом участке возникают акустические сигналы больших амплитуд и длительностей, свидетельствуя о появлении коллективных процессов, что, согласно двухстадийной модели, связано с образованием активно развивающегося очага разрушения.
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
0 50 100 150 200 250
Рис. 6. Нарастание нагрузки (а) и интенсивность акустической эмиссии (б)
3 Предлагаемый вариант закона распределения касательных напряжений сцепления арматуры с бетоном
Анализ экспериментально полученных графиков Ts — s (рис. 4, 5) показывает, что диаграмма состоит из двух характерных участков. На первом их них касательные напряжения растут от нуля до некоторого максимального значения Tmax (при смещении S(max)), на втором - уменьшаются, асимптотически приближаясь к нулевому значению. Соответственно для каждого из этих участков принимаются различные аппроксимирующие функции. Для первого участка (при s < S(max)) принимается квадратная парабола:
где To - тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс в начале координат.
На втором участке (s > s(max)) для аппроксимации функции Ts(s) удобно использовать гиперболу:
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Проблематика транспортных систем
где Х(да) - предельное значение касательного напряжения.
Параметр ds можно определить, зная координату какой-либо еще (кроме начальной) точки второго участка. Если при s* = ks s(max) (ks > 1) касательное напряжение t* =kttmax (k < 1), то
где k(x> Т(да) / Tmax.
Следовательно, для полного описания кривой Ts(s) необходимо знать шесть параметров: Tmax, Т(да), s(max), Го, ks и kT, каждый из которых является, в общем случае, функцией класса бетона и диаметра арматуры. Численные значения параметров могут быть найдены в результате обработки экспериментальных данных.
В качестве примера рассмотрим случай с кубиковой прочностью бетона 32 МПа и диаметром арматуры 20 мм. Для параметров сцепления найдены значения: Tmax = 9,7 МПа; s(max) = 0,017 м; г0 = 35,714 МН/м3; ks = 1,529; kT = 0,206; Т(да) = 0. На рисунке 7 приведены графики опытной и теоретической кривых для данного случая.
Рис. 7. Опытный и теоретический графики сцепления
Экспериментально получены количественные характеристики параметров, описывающих силы сцепления между арматурой и бетоном. Предложен и численно реализован новый вариант теоретического описания сил сцепления в зависимости от класса бетона и диаметра арматурных стержней.
Исследована кинетика накопления повреждений при выдергивании арматуры из бетона и подтверждена двухстадийная модель разрушения гетерогенных материалов.
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
1. Залигер Р. Железобетон, его расчет и проектирование / Пер. с нем. - М.; Л.: ГНТИ, 1931. - 671 с.
2. Гвоздев А. А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. - М.: Стройиздат, 1949. - 279 с.
3. Мурашев В. И. Трещиноустойчивость, жесткость и прочность железобетона. - М.: Машстройиздат, 1950. - 267 с.
5. Холмянский М. М. Контакт арматуры с бетоном. - М.: Стройиздат, 1981. - 184 с.
6. Determination of the bond creep coefficient for lightweight aggregate concrete (LWAC) under cycle loading / Konig G., Dehn F., Holshemacher K., WeiBe D. // Concrete for Extreme Conditions: Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK on 9-11 September 2002. - London: Tomas Telford Publishing, 2002. - P. 673-683.
7. Zheng L., Wan E. Experimental investigation of the failure patterns and mechanical proper ties for plain concrete with cracks // Repair, rejuvenation and enhancement of concrete. Proc. of the Int. Seminar at the Univ. Of Dundee, Scotland, UK, 5-6 Sept. 2002. - Thomas Telford Publishing, London, 2002. - P. 257-266.
Под сцеплением арматуры с бетоном подразумевают непрерывную связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, обеспечивающую их совместную работу.
Сцепление обусловливает перераспределение усилий между арматурой и бетоном при развитии неупругих деформаций бетона и при возникновении и развитии в нем трещин, предотвращает от чрезмерного раскрытия трещин и обеспечивает в большинстве случаев передачу усилий обжатия с предварительно напряженной арматуры на бетон.
Сцепление арматуры с бетоном определяется характеристиками арматурной стали (состояние ее поверхности, профиль, диаметр и механические свойства) и бетона (прочность, деформативность, возраст, состав, свойства цемента и заполнителей), технологией приготовления бетонной смеси, способом ее укладки и уплотнения, условиями твердения бетона, а также напряженным состоянием железобетонных конструкций, вызывающим передачу и распределение усилий между арматурой и бетоном.
Основными факторами определяющими, сопротивление сдвигу арматуры в бетоне, являются в общем случае сопротивление бетона смятию и срезу, вызванное механическим зацеплением неровностей и выступов на поверхности арматурных стержней, и склеивание арматуры с бетоном вследствие клеющей способности цементного геля, находящегося при затворении бетона в коллоидальном состоянии. До недавнего времени рассматривались и силы трения, возникающие будто бы на поверхности арматуры из-за обжатия стержней при усадке бетона. Однако последние опыты свидетельствуют о том, что в реальных условиях в большинстве случаев такие силы отсутствуют и более того — усадка отрицательно сказывается на сопротивление арматуры сдвигу в бетоне.
Склеивание цементного камня с арматурой в период схватывания и твердения бетона определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к возникновению на поверхности контакта капиллярных и молекулярных сил притяжения. Однако нарушение сил адгезии происходит при сравнительно небольших напряжениях сцепления арматуры и бетона, поэтому они не играют решающей роли. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в 5 раз ниже, чем у гладких горячекатанных стержней в состоянии поставки. Особенно значительное увеличение сцепления арматуры с бетоном достигается за счет придания ее поверхности специального профиля. Сопротивление такой арматуры выдергиванию, благодаря заклиниванию ее в бетоне, в 2. 3 раза выше, чем гладкой. Решающее значение при выборе обоазцов для исследования сцепления имеют напряженное состояние железобетонных конструкции и условия передачи и распределения напряжений между арматурой и бетоном. В реальных условиях приходится сталкиваться со следующими основными случаями (рис. 2.1):
анкеровка концов арматуры в бетоне при различных силовых воздействиях;
анкеровка концов арматуры в опорных участках изгибаемых конструкций (балок, ферм), а также в узла ферм;
распределение сцепления арматуры с бетоном между трещинами в растянутых, изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементах и конструкциях.
На рис. 2.1 вдоль стержня условно показана возможная эпюра касательных напряжений.
Наиболее простым является случай заделки конца стержня в бетонный массив (рис. 2.1, а) при приложении к стержню выдергивающей силы.
Существенно сказываются на анкеровке арматуры толщина защитного слоя и возможные силовые воздействия (рис. 2.1, б).
Особые условия анкеровки концов арматуры возникают на опорах изгибаемых конструкций. Как видно из рис. 2.1, в, при появлении косой трещины у опор растягивающие усилия в арматуре стремятся выдернуть стержень из опорного участка конструкции. На анкеровку арматуры в опорном участке сильно влияют обжатие бетона, вызванное опорной реакцией, геометрия опорной части и ее косвенное армирование. Аналогичная картина наблюдается и в опорных узлах ферм (рис. 2.1, г, д).
Особенность предварительно напряженных конструкций без специальных анкерных устройств на концах стержней состоит в передаче напряжений на бетон при отпуске натяжения арматуры (рис. 2.1, е). При этом обжатие бетона целиком обеспечивается сцеплением арматуры с бетоном в зоне анкеровки.
Для испытания на сцепление используют различные способы, каждый из которых имеет свои особенности. Наиболее часто применяют испытания на выдергивание и продавливание. Первый способ заключается в выдергивании забетонированного стержня с упором призмы в торец. При этом силы сцепления вызывают продольное сжатие бетона и растяжение его в поперечном направлении. Сопротивление продав- ливанию больше, чем выдергиванию, так как при сжатии стержня его поперечное сечение увеличивается, а при растяжении — наоборот, уменьшается. Этот способ не характеризует условий анкеровки арматуры в обычных конструкциях, однако условия передачи напряжений от арматуры на бетон в данном случае близки к предварительно напряженным конструкциям. При сложном напряженном состоянии конструкции анкеровку арматуры приходится проверяться на моделях узлов конструкций, например, опорных участков ферм, примыкания ригелей к сжатым колоннам и т. п.
Напряжения сцепления по длине заделки стержня при нагружении образца распределяются неравномерно (рис. 2.2, а). Для определения указанных напряжений необходимо рассмотреть два близких сечения стержня (,рис. 2.2, б) с переменным растягивающим усилием Z. Обозначив через и периметр стержня, найдем
Если разбить длину заделки гладкого стержня на элементарные участки, характер его взаимодействия с прилегающим бетоном в процессе нагружения образца схематически может быть представлен следующим образом.
Взаимное смещение арматуры и бетона начинается со стороны нагруженного торца образца, причем проявляется оно не сразу, а лишь после того, как касательные напряжения у него достигнут предельных значений (кривая 1, рис. 2.3, а). Заметных деформаций в начальной стадии нагружения нет, что обусловлено упругой работой бетона выступов микрорельефа на изгиб и сдвиг, а также жесткостью адгезионных связей. Начало взаимного смещения вызывается срезом отдельных наиболее мелких и часто расположенных неровностей цементного камня на ближайшем к торцу образца участке стержня и сопровождается перераспределением напряжений с этого участка на последующие, т.с происходит смещение “горба” эпюры вглубь образца (кривая 2, рис. 2.3, а). При дальнейшем повышении нагрузки сцепление арматуры с бетоном нарушается на все большей длине стержня, “горб" эшоры т еще больше смещается к ненагруженному торцу и так до тех пор, пока не произойдет сдвиг стержня (но без потери общей сопротивляемости его сдвигу).
Эпюры удлинений и напряжений арматуры, соответствующих эпюрам касательных напряжений, показаны на рис. 2.3, б, в.
Таким образом, в процессе нагружения образца все элементарные участки стержня по длине его заделки от нагруженного торца до ненагруженного проходят, последовательно, все стадии напряженного состояния по срезу (в условиях объемного напряженного состояния) вплоть до предельного.
При арматуре периодического профиля картина взаимодействия заметно усложняется. Рост нагрузки сопровождается последовательным смятием выступов бетона и соответственно перераспределение напряжений с более нагруженных на менее нагруженные. Сдвиг стержня происходит после среза всех выступов, а его выдергивание заканчивается обычно раскалыванием образца.
При испытании на выдергивание и продавливание в процессе нагружения образца измеряют смещение арматуры относительно бетона и напряжения в арматуре. Нагрузку прикладывают ступенями по 10. 15% ожидаемой предельной с минутной выдержкой после каждой ступени. При этом скорость нагружения должна соответствовать приросту напряжений в арматуре на 5 МПа/с. За начало сдвига арматуры принимают (условно) момент, соответствующий началу деформаций на ненагруженном конце.
Если испытание доведено до сдвига арматуры, то можно рассчитать среднее (условное) предельное напряжение сцепления (см. рис. 2.2, а)
Этой характеристикой и пользуются обычно в практических расчетах.
Более точно напряжения сцепления можно определить, если воспользоваться формулой (2.2). Измеряя на каждой ступени нагружения изменения напряжений в арматуре по длине стержня, можно получить закон изменения rg по его длине на всех ступенях нагружения вплоть до сдвига арматуры.
Наиболее надежное повышение сопротивления сдвигу арматуры в бетоне достигают устройством крюков па концах гладких стержней, применением сварных сеток и каркасов, а также специальных анкеров.
Бетон и металлические стержни при их соединении, начинают работать вместе, добавляя друг другу механические и физические свойства.
Это успешное взаимодействие возможно, из-за появления между ними силы сцепления. Связь возникает по всей площади их соприкосновения, а после появления нагрузок не дает арматуре сдвигаться. Так железобетон получает свое фундаментальное свойство, за что он и ценится как строительный материал.
От чего зависит прочность сцепления?
Эта величина зависит от сопротивляемости цементного камня выдергиванию из него стержня, также на нее влияют факторы:
- проскальзыванию арматуры препятствует ее периодический профиль, продольные ребра и выступы. Их связь с бетоном создает в нем сопротивление, которое при нагрузках не дает стержню двигаться.
- Механические свойства арматурной стали, высота профильного ребра и ее диаметр.
- Склеивание цементного раствора и поверхности металла.
- Существенно влияют свойства и качество бетонной смеси, возраст, М цемента, заполнители и их % составления. Значение имеет низкое водоцементное отношение.
- Приготовление и заливка б/смеси по нормам стандартной технологии, с уплотнением и соблюдением влажного режима для ее схватывания.
Ранее считалось, что на поверхности соприкосновения прута и цементной смеси, при ее усадке и схватывании, образуются силы трения. Но недавние опыты привели к заключительному выводу, что в действительности такие силы отсутствуют. Еще выяснилось, что обжим прута при схватывании смеси негативно влияет на его сопротивляемость выдергиванию.
В какой степени влияет адгезия на прочность связи? При адгезии в местах соединения начинают работать силы притяжения и взаимосвязи на молекулярном уровне. Но при возникновении даже небольших усилий, силы адгезии разрушаются, поэтому их влияние не будет значимым.
Результаты испытаний над образцами показывают, что в основном прочность сцепления зависит от состояния поверхности арматуры. Чем более гладкая, даже полированная поверхность, тем быстрее выдергивается стрежень. Первостепенную роль для величины сцепления выполняет периодический профиль (ребра жесткости и выступы). Профилированная поверхность сопротивляется сдвигам сильнее в 3 раза, чем гладкий пруток.
Зависимость длины заделки от напряжения и диаметра сечения
Возникающее сцепление рассредотачивает нагрузки между стальными прутами и цементным камнем, это особенно нужно, когда в нем начинаются деформации неупругого характера и появляются трещины. Распределение напряжений помогает избежать избыточного расширения трещин.
Напряжения Tbd вдоль стержня располагаются неравномерно. Их максимальные значения Tmax образуются через небольшой интервал от конца, на это указывает эпюра напряжений испытуемого образца, и они не зависят от длины заделки Lan. Их величина может быть больше прочности цементного камня в несколько раз, поэтому в торцах необходимо контролировать плотность укладки бетона к арматуре.
Величину сцепления выражают через отношение среднего напряжения к площади поверхности заделки формулой:Tbd m=NdLan.
Для гладкой арматуры средние значения Tbd m от 2,5 до 4 МПа, а для профилированной до 7 МПа.
Если длину заделки выразить через напряжение N=d2/4, то получим ее выражение:
Прямая пропорциональность формулы показывает, что с увеличением диаметра сечения и напряжения, нужно увеличивать протяженность заделки. При увеличении Tbm прочности бетона можно уменьшить длину заделки, или для ее уменьшения можно применить периодический профиль.
Экспериментальным путем определили, что для прочной связи протяженность заделки при гладких поверхностях прута 30-40 диаметров, а для профилированных 15-20 диаметров.
Также обнаружили разную реакцию опытного образца на продавливание и выдергивание. При продавливании сила взаимосвязи больше, потому что сжатый стержень начинает расширяться поперек и возникает добавочное сопротивление бетона.
Поэтому продольное растягивание стержней предполагает большую длину их заделки, а также ограниченный размер диаметра.
Анкера
Для гладких прутков, без профиля, в торцах необходима анкеровка. На конце балки, где эпюра напряжений показывает максимальные значения, превышающие прочность цементного камня, монтируется анкер. Для гладких прутьев это будет загнутый крюк, петля, поперечный отрезок.
Для сварной сетки из прутьев без профиля функцию анкеров будут выполнять ее крайние поперечные связи.
Профилированная арматура не нуждается в крюках, но у нее может быть отгиб (лапка.)
Длина анкера рассчитываются, и она не менее 15 d анкеруемого прута или 200 мм.
Недостаточное сцепление
При недостаточной связи металла и цементного камня их взаимодействие резко сокращается. Металл уже не может передавать упругие свойства, делая цементный камень жестким, и возникают трещины. В арматуре появляются удлинения, которых не было бы при достаточном сцеплении. Трещины увеличиваются, быстро раскрываются и наступает аварийное состояние конструкции.
Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагруженных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению не происходит скольжения арматуры в бетоне.
Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его востребованность как строительного материала.
Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заделанных в бетоне (рис. 26).
Рис. 26. Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном:
а – на выдёргивание; б – на вдавливание
Надёжность сцепления по опытным данным зависит от трёх следующих факторов:
1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т.е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис. 27, г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бетоном;
2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бетона развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;
3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля бетона.
Выявление точного влияния каждого из перечисленных факторов в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большого практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней периодического профиля оказывает первый фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.
Среднее напряжение сцепления (если испытание доведено до сдвига арматуры) определяют как частное от деления усилия в стержне N на площадь поверхности заделки (рис. 27, б, в):
откуда необходимая длина заделки:
Рис. 27. Сцепление арматуры с бетоном:
а – арматурный стержень в бетоне; б – эпюра касательных напряжений сцепления; в – эпюра нормальных напряжений; г – при арматуре периодического профиля
Сцепление стержней периодического профиля с бетоном в 2. 3 раза выше по сравнению со сцеплением гладкой горячекатаной арматуры и достигает для бетонов средних классов при статической нагрузке 7 МПа. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в пять раз ниже, чем у гладких горячекатаных в состоянии поставки.
Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечивает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.
Анкеровка арматуры в бетоне
В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне – анкеровка – осуществляется выпуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).
Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по концам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5d (рис. 28, а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крюков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно лучшим сцеплением с бетоном.
Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
- прямое окончание стержня (прямая анкеровка);
- загиб на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;
- приварка или установка поперечных стержней;
- применение специальных анкерных устройств на конце стержня.
Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.
Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.
При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).
Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, определяют по формуле:
где As и us – соответственно площадь и периметр поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры, определяемые по номинальному диаметру стержня;
Rbond – расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:
здесь Rbt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
h1 – коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:
1,5 – для гладкой арматуры,
2,5 – для арматуры периодического профиля;
h2 – коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:
1,0 – при диаметре арматуры ds £ 32 мм,
0,9 – при диаметре арматуры 36 и 40 мм.
Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:
где lo,an – базовая длина анкеровки;
As,cal, As,ef – площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;
a – коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.
При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают a = 1,0; для сжатых a = 0,75.
Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.
В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3× lo,аn, а также не менее 15ds и 200 мм.
Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры Ns определяют по формуле:
ls – расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.
На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q £ Qb1 должна составлять не менее 5ds.
При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.
Читайте также: