Влияние некоторых факторов на прочность и деформативность анкерных соединений

Аннотация

Приводится анализ испытаний на определение влияния скорости нагружения анкерных соединений на их прочность, выполненных по Европейским методикам и ДСТУ. Для сравнения выполнены испытания анкерных соединений в случае заделки анкеров в пенобетон и тяжелый бетон.

Ключевые слова: анкерное соединение, пенобетон, бетон, скорость нагружения, прочность, деформативность, трещиностойкость, несущей способности, модуль упругости, плотность.

Одна из важнейших задач реконструкции зданий и сооружений — утепление наружных стен системой «вентилируемый фасад», для зданий не отвечающих повышенными требованиями к энергосбережению. Для крепления системы «вентилируемый фасад» используются анкерные соединения. При проведении проектно-конструкторских работ, из-за отсутствия стандартов и нормативных документов нельзя точно оценить прочность анкеров и анкерных узлов при действии продольных и поперечных усилий. анкерный прочность стена пенобетон Из-за отсутствия необходимой методики по проведению испытаний анкерных соединений усложняется оценка их несущей способности.

ETAG (норматив европейского технического свидетельства) [1] и утвержденный Европейской организацией технических допусков разработал методику испытаний и определения прочностных и эксплуатационных характеристик анкерных соединений.

Применение анкерных креплений базировалось на оценке их несущей способности и исследованиях в случае применения сталеклеевых и распорных анкерных соединений. Все это позволило модернизировать нормативную базу в этом направлении.

R. Ballazini, S.P. Shah, L.M. Keer [2] провели ряд численных аналитических исследований анкерных соединений. В продолжении исследовательских работ R. Ballazini, R. Eligehausen, I. Ozbolt в своих трудах [3] описали характер работы стальных анкеров на отрыв из бетонных и железобетонных конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений.

Задача исследования работы анкерных соединений в бетоне и железобетоне определялась и оценкой их несущей способности, при этом бетон представлялся упругим материалов в областях сжатия и растяжения.

При эксплуатационных нагрузках, сжимающие и растягивающие напряжения в бетоне, возникали на контакте «анкер-бетон» превышали расчетные характеристики бетона, при одноосном сжатии и растяжении, что отмечено в работах R. Eliagehausen [3, 4], O. pusil [4] и p. wachtsmuth в виде некоторых допущений.

Методом конечных элементов проведены исследования работы распорных стальных анкеров, установленных в бетонные образцы R. Eliagehausen и Clausnirzer [3, 4]. В расчетной модели была принята нелинейная работа бетона при растяжении с наличием трещин по всей длине образца. При проведении исследований учтено влияние конечного элемента и ступени нагрузки при максимально предельных нагрузках на распорный анкер.

Для точного описания работы бетона была принята модель, позволяющая достоверно описать различные напряженно-деформированные состояния бетона. Данная модель представлена в работах Z.P. Bazant и I. Ozbolt [5] анкера с уширенной головкой установленные в бетонные блоки с глубиной заделки 130 мм и диаметром 22 мм численно исследовалась их работа в принятой модели, на растяжение.

Авторами [6] приведены результаты исследований прочности и деформативности анкерных соединений типа HILTI, MUNGO, SORMAT.

Нормативы (ETAG) на анкерные соединения допускают продолжительность приложения нагрузки на анкер в течение 1 мин. Поэтому скорость приложения нагрузки при испытаниях анкеров, является основополагающим фактором, влияющим на качество испытаний.

Скорость приложения нагрузки на различные конструкции и конструктивные элементов определяет их несущую способность, что отмечено в ряде исследований.

Прочность и деформативность бетона в зависимости от влияния скорости приложения нагрузок рассмотрено в работе [7], в ней отмечается следующее:

• — при испытании железобетонных колонн (призм) уменьшение скорости приложения нагрузки в 10 раз, привело к увеличению деформаций в 2−2,5 раза;
• — проведенные испытания, с различными скоростями приложения нагрузки, конструкции, позволило определить двукратное увеличение значения модуля упругости. Скорость приложения нагрузки варьировалась в пределах 0,1 кг/ (см2 сек) — 1, 6 кг / (см2 сек);
• — скорость приложения нагрузки на бетонные конструкции приводит к увеличению предела прочности бетона при сжатии.

Рост скорости приложения нагрузки на образцы бетона, увеличивает прочностные характеристики бетона [8]. Ударная прочность бетона при сжатии выше, данное превышение варьируется в зависимости от скорости приложения нагрузки от 15 до 80%.

Согласно ДСТУ Б В.2.6−7-95 «Вироби будівельні бетоні та залізобетонні збірні. Методи випробувань навантажуванням. Правила оцінки міцності, жорсткості та тріщиностійкості» разработанная методика испытаний строительных конструкций и конструктивных элементов зданий и сооружений:

• — ступенчатое нагружение конструкций, должно быть более 10% от основного значения контрольной нагрузки;
• — временной промежуток каждого нагружения составляет от 10 до 15 мин [9,10], в зависимости от условий проведения испытаний и прикладываемых нагружений;
• — деформации конструкций определяются специальными приборами в начале и конце каждого периода испытаний.

Анализируя результаты испытаний анкерных соединений на отрыв на основании методики ДСТУ В.2.6−7-95 приняты следующие выводы:

• — в период эксплуатации конструкций и конструктивных элементов невозможно применить методику ETAG;
• — испытание анкерных соединений специалистами FISHER, HILTI, MUNGO, SORMAT возможно только в лабораторных условиях с применением специального программного комплекса;
• — методика испытания анкерных соединений согласно ДСТУ В.2.6−7-95 более достоверная при определении предельных нагрузок на анкер, чем методика ETAG;
• — методика ETAG для анкерных болтов установленные легкие и ячеистые бетоны не учитывает эффективность стабилизации усилий.

Сравнивая испытания анкерных болтов по двум методикам видно, что при нагрузках на отрыв анкеров ETAG 2,75 кН, по методике ДСТУ В.2.6−7-95 2,25 кН, т. е. при испытании по методике ETAG значение разрушающей нагрузки на 23% выше, чем при испытании анкера на отрыв по методике ДСТУ В.2.6−7-95.

Результаты испытаний анкера на отрыв из различных стеновых материалов по методикам ETAG и ДСТУ В.2.6−7-95 приведены в таблице № 1.

Приведенные в таблице результаты испытаний анкеров на отрыв в различных стеновых материалах по методике ETAG показывают, что более высокий показатель плотности материала основания, модуль упругости меньше влияет на скорость нагрузки и на значение разрушающей нагрузки.

Авторами были проведены испытания по определению прочности и деформативности анкерных соединений в случае заделки анкеров типа HRD-SGS 10×100/50 (фирма «HILTI») с глубиной заделки в бетон различных типов мм. В качестве материалов образцов, в которые заделывались анкера, принимались пенобетон (класса В1) и тяжелый цементный бетон (класса В30). Испытания проводились по методикам ЕТАG и ДСТУ В.2.6−7-95. Результаты экспериментов приведены на графиках рис. 1 и 2.

Таблица № 1 Результаты испытаний анкера на вырыв из различных стеновых материалов по методике ETAG

Марка анкера.	Вид основания.	Количество испытанных образцов.	(кН) по методике ДСТУ В.2.6−7-95.	(кН) по методике ETAG.
MB-S 10X160 (MUNGO).	Пенобетон (класс В 1.2, D 650).		3,2.	4,0.
SDP-KB lOSxlOOV (EJOT).	Ячеистый бетон (класс В 1.5, D 600).			2,75.
МВК 10×120 (MUNGO).	Ячеистый бетон (класс В 1.0, D 600).		2,25.	2,6.
FЬR 10×100 FUS (FISCHER).	Керамзитобетон (М150).		11,7.	12,9.
HRD-S 10×100 (HILTI).	Керамзитобетон (М150).		9,0.	11,0.
KATN 10×100. (SORMAT).	Керамзитобетон (М150).		12,0.	14,6.
MBRK 10×100 (MUNGO).	Железобетон. (В30).		12,0.
KATN 10×100. (SORMAT).	Железобетон. (В30).		7,0.
SXS 10×100 FUS (FISCHER).	Железобетон. (В30).		20,0.

Рис. 1 График зависимости «нагрузка-деформация» в случае заделки анкеров в пінобетон

Рис. 2 График зависимости «нагрузка-деформация» в случае заделки анкеров в тяжелый бетон

Анализ экспериментов показал следующее. Прочность анкерных соединений зависит от прочности материалов образцов, в которые заделывались анкера. От материалов также зависит и деформация этих соединений.

Эксперименты также показали, что использованные методики позволяю с достаточной степенью достоверности определить зону упругой работы анкера при отрыве и, очевидно, могут приниматься для всех типов анкеров (стальных, с полиамидным дюбелем и химических) всех фирм производителей анкерный соединений (HILTI, MUNGO, SORMAT).

• 1. Guideline for European technical approval of metal anchors for use in concrete «ETAG» 1997 № 001// Brussels. 1997. 52p.
• 2. Ballarini R., Shal S.P., Keer L.M. Failure chargterictics of short anchor bolts embedded in brittle material. London: Proceedings Royl Society, 1986. P. 35−54.
• 3. Оzbolt J., Eligehausen R. Numerical Analysis of headed studs embedded in large plain concrete blocks. London: Mang, and Design of Concrete Structures, 1990. pp. 65−76.
• 4. Элингенхаузен Р., Пузиль Вахтмус П. Технологии крепления в конструкции из армированного бетона // Периодическое издание IV ВН. 1982. № 1. С. 17−19.
• 5. Bazant Z.P., Ozbolt I. Nonlocal Microplane Model for Fracture. Damage and size Effect in Structures // Journal of Engineering Mechanies Asce. 1990. № 11. pp. 112−116.
• 6. Золотов С. М., Канаан Али Прочность и деформативность анкерних крепежей, используемых при возведении зданий и сооружений // Комунальне господарство мiст. Харкiв: наук.-техн. зб. ХНАМГ, 2011. С. 527−532.
• 7. Квирикадзе О. П. Влияние скорости нагружения на прочность и деформации бетонов. Тбилиси: 1958. 53 с.
• 8. Корчинский И. Л., Беченева Г. В. Прочность строительных материалов при динамических нагружениях. Москова: М.: Стройиздат, 1966. 164 с.
• 9. Василькин А. А., Рахмонов Э. К. Системотехника оптимального проектирования элементов строительных конструкций // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203.
• 10. Фурсов В. В., Бидаков А. Н., Пурязданхах М. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований натурной арки из клееной древесины: // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2395.

References:

• 1. Guideline for European technical appro val of metal anchors for use in concrete «ETAG» 1997 № 001 // Brussels. 1997. 52 p.
• 2. Ballarini R., Shal S.P., Keer L.M. London: Proceedings Royl Society, 1986. pp. 35−54.
• 3. Ozbolt J., Eligehausen R. London: Mang, and Design of Concrete Structures, 1990, P. 65−76.
• 4. Jelingenhauzen R., Puzil' Vahtmus P. Periodicheskoe izdanie IV VN. 1982. № 1. pp. 17−19
• 5. Bazant Z.P., Ozbolt I. Journal of Engineering Mechanies Asce. 1990. № 11. pp. 112−116.
• 6. Zolotov S.M., Kanaan Ali. Komunal’ne gospodarstvo mist. Harkiv: nauk.-tehn. zb. HNAMG, 2011. pp. 527−532.
• 7. Kvirikadze O.P., Vlijanie skorosti nagruzhenija na prochnost' i deformacii betonov. [Influence of loading rate on the strength and deformation of concrete.] Tbilisi: 1958. 53 p.
• 8. Korchinskij I.L., Becheneva G.V. Prochnost' stroitel’nyh materialov pri dinamicheskih nagruzhenijah [Durability of building materials under dynamic loading.] Moskova: M.: Strojizdat, 1966. 164 p.
• 9. Vasil’kin A.A., Rahmonov Je.K. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 4, URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203.
• 10. Fursov V.V., Bidakov A.N., Purjazdanhah M. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 2, URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2395.