Прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов, армированных сталью класса А500 с различным периодическим профилем

Как было отмечено на П-й Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону, состоявшейся в 2005 году, «Железобетон — основной строительныйматериал, применяемый .в. строительстве жилья, объектов соцкультбыта, промышленномстроительстве, эффективном освоении подземного пространства, транспортном строительстве, возведении зданий и сооружений, определяющих облик городской архитектуры» [40].

Основной объем железобетона (около 75−80% от общего объема) используется в жилищно-гражданском и транспортном строительстве [35].

В 2004 г. объем введенного жилья составил 41 млн. м2, в 2005 г. — 43,6 у 2 млн. м~. В 2009 же году введено в строй 59,8 млн. м общей площади жилья, что составляет 93,3% по сравнению с 2008 г. [56]. В 2010 году возможен существенный спад работы застройщиков, так как большинство строительных компаний достраивали ранее начатые объекты [27]. В сложившейся ситуации без реконструкции производственной базы, внедрения инноваций и пересмотра собственной финансовой стратегии в число эффективных застройщиков смогут войти только те строительные компании, которые готовы направить свои усилия на создание современных предприятий стройиндустрии, которые будут стремиться к снижению энергоемкости, материалоемкости строительных технологий и продукции, которые способны в перспективе обеспечить доступным жильем россиян.

Федеральной целевой программой «Жилище-200б-2010гг.» и Национальным проектом «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» было предусмотрено поэтапное увеличение объема строительства жилья с достижением в 2010 г. уровня -80,0 млн.м. И хотя в силу ранее существовавших проблем и возникших в результате происходящего сейчас кризиса этому прогнозу скорее всего не суждено сбыться, существует огромная потребность в строительстве жилья, составляющая ежегодно около 140 млн. м" .

7].

В' настоящее время в РФ арматура для железобетона наиболее распространенных классов прочности выпускается по следующим, стандартам: А400 по ГОСТ 5781–82 с кольцевым^ профилем [16]- Ат400С и. Ат500С по ГОСТ 10 884–94 [10] с серповидным двухсторонним, профилем, адля. диаметров 6- 8, 10мм-допускается выпуск арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781–82- A400G и А500С по СТО АСЧМ 7−93 с серповидным двухсторонним профилем, допускается изготовление проката периодического профиля другой < конфигурации [53]- Вр-1 (В500) диаметром 3, 4, 5 мм по ГОСТ 6727–801 с периодическим профилем в виде неглубоких вмятин [17]- А500С диаметромот 6 до 40 мм (по требованию, потребителя до 50мм) с серповиднымдвухсторонним профилем и В500С диаметром от 4 до 12'мм с серповиднымтрехсторонним илш четырехсторонним, сегментным, профилем по ГОСТ Р 52 544−2006, но допускается по согласованию с, потребителем, поставка, арматурного прокатам конфигурацией периодического профиля^ отличающейся-требований этого нормативного документа [15]. Следовательно, потребители могут получать арматуру разных классовпрочности с одинаковым, периодическим профилем либо арматуру одного класса прочности с разным профилем. Например, некоторые отечественные металлургические предприятия (Северсталь, Оскольский электро-металлургический. комбинат, Магнитогорский, металлургический комбинат) выпускают арматуру классов А400 и А500С с периодическим профилем по ГОСТ 5781–82, а ОАО'"Западно-Сибирский металлургический комбинат" (далее по тексту ЗСМК) выпускает арматуру класса А400 (AIII) с периодическим профилем по, ГОСТ 5781–82 и СТО АСЧМ 7−93. По этой причине и строители, и проектировщики зачастую отказываются от использования преимуществ высокоэффективной арматуры класса А500С, опасаясь пересортицы в цехах и на стройплощадках.

Изложенные обстоятельства существенно сдерживают применение в строительстве арматуры класса А500С.

Следует отметить, что широкое распространение в России арматуры разных классов прочности с серповидным двухсторонним профилем потребовало пересмотра в сторону ужесточения требований к анкеровке и стыкованию арматурных стержней внахлестку, так как соответствующие положения СНиП 2.03.01−84*[49], разработанные на основе многолетних исследований сцепления с бетоном арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781–82 [16], радикально отличаются от нормативов западных стран. Ужесточение требований по анкеровке арматуры и стыкованию ее внахлестку приводит к дополнительному расходу стали.

Для активизации внедрения арматуры класса А500С в НИИЖБ была разработана арматурная сталь с оригинальным четырехсторонним серповидным 1 периодическим профилем, улучшающим её сцепление с бетоном (патент РФ № 2 252 991 [38]), арматура имеет условное обозначение А500СП, для ее выпуска разработаны ТУ14−1-5526−2006 [71].

С целью эффективного применения в железобетонных конструкциях арматуры класса А500СП потребовалось провести исследование влияния нового периодического профиля на механические свойства проката, на выносливость и на коррозионную стойкость арматуры, а также на особенности совместной работы с бетоном, включая оценку прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов.

Исследованию указанных вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона им. A.A. Гвоздева (НИИЖБ им. A.A. Гвоздева) с 2003 по 2010 г. Автор выражает искреннюю благодарность за значительную помощь и поддержку в подготовке диссертационной работы научному руководителю, к.т.н. И. Н. Тихонову. Особая благодарность к.т.н. Б. С. Гумешоку, к.т.н. В. З. Мешкову, к.т.н. Г. Н. (Рудакову, к.т.н. И. Г. Овчинниковойк.т.н. Л. Н. Зикееву, инж. И. Н: Сурикову за неоценимые консультацишпри выполненишработы.

Целыо диссертационной? работы* является экспериментальное обоснование: возможностиповышениям эксплуатационнойнадежности и снижения* металлоемкости? железобетонныхконструкций? в результате применения-арматуры класса А500, в том числе с эффективным-периодическим профилем (А500СП).

Длядостиженияпоставленнойцели? необходимо решить следующие задачи:

-: экспериментально и статистическим^ анализом оценить влияние: периодического* профиля на механические свойства арматуры опытно-промышленных и промышленных партий;

— исследовать и дать сравнительную оценку сцепления с бетоном стержневой арматуры класса А500 с разными периодическими профилями-, в том числе при значительных пластических деформациях металла-: выявить и обосновать факторы, обеспечивающие преимуществасовместной работы* с бетоном арматуры класса А500СП;

— экспериментально и теоретически проанализировать напряженно-деформированное состояние, прочность, трещиностойкость и: деформативность изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса прочности 500 Н/мм2, имеющей разные периодические профили;

— разработать предложения? по учету особенностей работыв железобетоне арматуры классаА500СП при расчете и конструировании железобетонных конструкций для включения в нормативные документы.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования? является термомеханически упрочненная арматура класса А500 с различными видами периодического профиля и железобетонные изгибаемые элементы, армированные: ею. Предметом исследования: являются эксплуатационные механические свойства, выносливость, стойкость против коррозионного растрескивания, совместная работа с бетоном) характеристики арматуры класса А500- включая характеристики сцепления ее с бетоном, а также прочность, трещиностойкость и деформативность. железобетонных изгибаемых элементов, с рабочей арматурой5 класса5 прочности А500, имеющей двухсторонний и" четырехсторонний серповидный лериодический профиль.

Методология иметоды проведения исследований. Привыполнении данной работы использовали общепринятые экспериментальные методы исследований, а > также статистические методы обработки экспериментальных данных.

Научную новизну и значимость работы составляют:

— результаты экспериментальных исследований механических свойств термомеханически упрочненной арматуры, класса А500СП;

— рекомендации по уточнению расчетного значения* сопротивления! арматуры класса А500СП растяжению для предельных состояний первой группы;

— методики^ и результаты экспериментальных исследований сцепления с бетоном арматуры диаметром 12- 16 и 25 мм класса, А500, имеющей двухсторонний серповидный, кольцевой и четырехсторонний серповидный периодические профили с разной, площадью смятия поперечных ребер в том числе в условиях значительных пластических деформаций металла;

— рекомендации по уточнению расчета анкеровки в бетоне арматурных стержней с четырехсторонним серповидным периодическим профилем;

— экспериментальные данные о влиянии вида периодического профиля арматуры класса А500 на прочность, трещиностойкость. и деформативность изгибаемых железобетонных элементов.

Практическая значимость полученных результатов Врезультате проведенных исследований показана возможность расширения областей и объемов эффективного использования в строительстве арматуры* класса.

— л прочности 500 Н/мм за счет усовершенствования конфигурации периодического профиля ее поверхности.

Выполненные исследования позволили оценить механические свойства термомеханически упрочненной арматуры класса. А500СП и на основании' статистической обработки полученных результатов обосновать возможность увеличения расчетного значения сопротивления растяжению для предельных состояний первой группы до-450 Н/мм, что позволяет снизить металлоемкость железобетонных конструкций.

Экспериментально обоснованные рекомендации по уточнению расчета базовой длины анкеровки в бетоне арматуры класса А500СП способствуют ее эффективному внедрению в практику строительства. Предлагаемые конструктивные решения армирования опорных зон изгибаемых железобетонных элементов обеспечивают высокую эксплуатационную надежность железобетонных конструкций, в том числе при сейсмических воздействиях.

Результаты работы использованы при разработке СТО 36 554 501−52 006* «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях» [54] и СТО 36 554 501−016−2009 «Строительство в сейсмических районах. Нормы проектировании зданий» [55] «, а также учтены при составлении пособия по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий» (И.Н. Тихонов, Москва, 2007 г.).

С начала освоения в 2006 г. по1 настоящее время ЗСМК поставил строителям более 500 тысяч тонн арматурного проката класса А500СП.

Автор защищает:

— результаты и анализ экспериментальных исследований механических свойств термомеханически упрочненной арматуры класса А500СП;

— рекомендации по уточнению, расчетного значения сопротивления арматуры класса А500СП растяжению для предельных состояний первой группыдвухстороннего, кольцевого и серповидного четырехстороннего периодических профилей с разной площадью смятия поперечных ребер в том числе в условиях значительных пластических деформациях металларекомендации по уточнению расчета анкеровки в бетоне ненапрягаемых арматурных стержней с серповиднымчетырехсторонним периодическим профилем и конструктивные решения армирования опорных зон изгибаемых железобетонных элементов1.

— экспериментальные данные о влиянии вида периодического профиля на прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов и предложения по их учету при проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

— II Всероссийская (Международная) конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития», г. Москва, 2005 г.

— Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Строительные конструкции-2007», г. Москва, МГСУ, 2007 г.

Опубликованность результатов диссертации. Основные результаты работы изложены в б научных статьях, в т. ч. в 3 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 4,4 печатных листа.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, общих выводов, списка использованной литературы из 85 наименований. Работа изложена на 217 страницах, содержит 27 таблиц, 81 рисунок и 2 приложения.

З.З.Выводы по главе 3.

1. Во всех сериях испытаний образцов из бетона с различной прочностью от 26,5 до 52,6Н/мм и длинами заделки стержней от 5,0'до 9,0с1н прочность сцепления с бетоном арматуры А500СП с четырехсторонним серповидным профилем превышала таковую для арматуры с двухсторонним серповидным. В случаях, когда разрушение сцепления сравниваемых образцов происходило при растягивающих напряжениях в арматуре менее предела текучести, это превышение составляло 19 — 27%, а при напряжениях свыше предела текучести 7 -16%. В сравнении с кольцевым профилем превышение было 5 — 9%.

2. Жесткость сцепления арматуры с четырехсторонним профилем была более высокой, чем арматуры с двухсторонним профилем, на всех стадиях нагружения вплоть до достижения максимального усилия вытягивания. В сравнении с арматурой кольцевого профиля жесткость её сцепления была одинаковой или меньшей в начальной стадии роста нагрузки с постепенным превышением или выравниванием по мере приближения к максимальному усилию вытягивания.

3. Прочность сцепления зависит от степени проявления пластических деформаций стержня. Достижение деформаций текучести в стержне снижает прочность сцепления с бетоном арматуры с четырехсторонним профилем в меньшей степени, чем арматуры с двухсторонним профилем.

В качестве дополнительного критерия комплексной оценки результатов испытаний на вытягивание предложено использовать энергоемкость разрушения сцепления, условно характеризуемую площадью под диаграммой растяжения арматурного стержня в пределах усилий и деформаций достигаемых при исчерпании прочности сцепления. В случаях, когда разрушение сцепления сравниваемых образцов происходило при напряжениях в арматуре выше предела текучести, арматура с четырехсторонним профилем превосходила арматуру с обычным серповидным профилем по критерию энергоемкости в 5 — 6 раз.

4. В стадии пластического деформирования арматуры класса А500 прочность и деформативность сцепления с бетоном существенно зависит от эффективности профиля поверхности стержней.

С применением оригинальной методики измерения остаточных удлинений металла стержня на длине заделки в бетон, установлено, что к моменту разрушения сцепления пластические деформации в арматурных стержнях с четырехсторонним серповидным профилем (А500СП с ^ = 0,0750,077) распространялись вглубь заделки стержня в бетоне на длину, в 2 раза превышающую аналогичную величину для арматуры двухстороннего серповидного профиля (А500С с fR = 0,061−0,068). Соответственно в 2−3 раза большими были остаточные удлинения стержней в начале длины заделки.

5. Конструкция профиля арматуры класса А500СП и гарантированные минимальные значения ^>0,075 обеспечивают высокие значения прочности и жесткости сцепления с бетоном, в том числе при больших пластических деформациях после достижения предела текучести стали.

Последнее особенно важно для обеспечения безопасности статически неопределимых железобетонных конструкций, рассчитываемых с учетом перераспределения усилий, а также для конструкций, подвергаемых аварийным, в том числе сейсмическим, нагрузкам, в целях предотвращения их внезапного прогрессирующего обрушения.

4 Прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов, армированных сталью класса А500 е различными видами периодического профиля.

4.1 Постановка задачи.

Известно, что характер диаграммы деформирования арматуры после достижения физического или условного предела текучести и эффективность ее совместной работы с бетоном влияют на способность к перераспределению усилий изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных конструкций. Профиль арматуры в значительной степени определяет ее эффективность сцепления с бетоном, а следовательно, выполнение требований норм по прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных элементов [66].

Целью исследований было выявление и оценка особенностей работы термомеханически упрочненной арматуры класса А500 с новым четырехсторонним серповидным профилем в сравнении с арматурой того же класса с широко распространенным двухсторонним серповиднымпрофилем в изгибаемых железобетонных элементах.

Для достижения поставленной цели необходимо было исследовать влияние вида профиля на прочность по нормальному и наклонному сечениям, а также на трещиностойкость и деформативность изгибаемых элементов (соответственно в зонах чистого изгиба и действия поперечных сил).

Изучению подлежало влияние следующих параметров:

— собственно вида профиля арматурных стержней;

— процента армирования (относительной высоты сжатой зоны х/Ь0);

— прочности бетона.

— количества и расположения поперечной арматуры в пролетах среза и торцевых зонах;

— обрыва в пролете части стержней продольной арматуры.

4.2 Характеристика опытных образцов и технология их изготовления.

Для проведения испытаний были изготовлены 3 серии (по 4 образца в каждой) железобетонных балок прямоугольного сечения размером 160×200×2000 мм из тяжелого бетона с кубовой прочностью на сжатие 28,5, 40,0 и 50,1 Н/мм2.

Конструкции образцов балок показаны на рис. 4.1 и 4.2.

В соответствии с программой исследований балки первой серии (4 шт.) изготавливались из тяжелого бетона с кубовой прочностью на сжатие 40,0 Н/мм2, армированных в растянутой зоне стержнями класса А500 диаметром 10 мм. Диаметр был подобран таким образом, чтобы в предельном по прочности состоянии напряжения в арматуре достигли значения близкому к временному сопротивлению. Серия состояла из 2 балок-близнецов, армированных в растянутой зоне стержнями с четырехсторонним серповидным периодическим профилем, и из двух других со стержнями с двухсторонним серповидным профилем. На участке от опоры до ближайшего груза, была установлена поперечная арматура (хомуты) класса Вр1 диаметром 5 мм, с шагом 80 мм (рис. 4.1). Сжатая зона на всей длине балки была армирована двумя стержнями арматуры класса Вр1 диаметром 5 мм.

Балки второй серии (4 шт.) изготавливались из тяжелого" бетона с кубовой прочностью на сжатие 28,5 Н/мм, армированных в растянутой зоне стержнями класса А500 диаметром 16 мм. Диаметр был подобран таким образом, чтобы в предельном по прочности состоянии напряжения в арматуре достигли значения близкому к пределу текучести. Серия состояла из 2 балок-близнецов, армированных в растянутой зоне стержнями с четырехсторонним серповидным периодическим профилем, и из двух других со стержнями с двухсторонним серповидным профилем. На участке от опоры до ближайшего груза была установлена поперечная арматура (хомуты) класса Вр1 диаметром 5 мм, с шагом 80 мм (рис. 4.1). Сжатая зона на всей длине балки была армирована двумя стержнями арматуры класса Вр1 диаметром 5 мм.

Балки третьей серии (4 шт.) изготавливались из тяжелого бетона с кубовой прочностью на сжатие 50,1 Н/мм Образцы этой серии имели в растянутой зоне по три рабочих арматурных стержня 016 мм, один из которых обрывался в пролете на расстоянии по 110 мм от каждой опоры. Поперечное армирование за опорами отсутствовало. В пролете среза была установлена поперечная арматура класса Вр1 диаметром 5 мм в идее хомутов с шагом 40 мм (рис. 4.2), сжатая зона балки была также армирована стержнями класса Вр1 диаметром 5 мм.

Так как испытания этих балок планировалось произвести при разной длине пролетов среза а=2,ОЬ0 и а=1,ЗЬ0, в условное обозначение этих образцов были введены дополнительные индексы, соответственно «а» и «б» (т.е. За и 36). Длина анкеровки в бетоне обрываемых арматурных стержней соответственно пролетам среза была равна 15 и 7,5 диаметров продольной арматуры.

05 Вр1 100 0.

600 т-1 0.

8x80 м7″ д|.

600 100.

— Р/2 I крепежные элементыоо.

8x80 щл.

Б — Б.

05 Вр1 1.

160 010 для 1-й серии с 016 Зля 2-й серии.

А — А Ж.

05 Вр1.

160 V.

010 Зля 1-й серии 016 для 2-й серии.

Рис. 4.1 Конструкция образцов первой и второй серий балок.

350 из — ад.

Р/2 шт. но.

Р/2 Г.

0^0р

БС-3(1) — БСП-3(1).

Р/2 ив.

5иг.

— г1.

0 ?0.

003 г.

О," 120.

БС-3(2) — БСП-3(2) гзо.

Р/2,г.

— г1 120 :!±1 л.

— Л 1.

2000 5 а-а.

20 225 т у.

О Vи5 (И 5 Л V > 4. е. 1, и з е.

1 б-б 20 23 (Г.

1 а еЗ* N О Г Л V г. см 1 > У I1], 16″ в-в.

20 23 ч. ч. о (?<5 Жч Г" ! V 4 п 160.

БС-4(1) — БС-4(2) — БСП-4(1) — БСП-4(2).

Ч—- '-—->

— 1 ——-" 8.

1С 4 П ^ 0 А¹ /- Г А.

Рис. 4.2 Конструкция образцов третьей и четвертой серий балок.

Балки четвертой серии были изготовлены путем вырезки фрагментов из балок серии 3, предварительно испытанных с укороченным по сравнению с первыми двумя сериями пролетами среза, и разрушение которых происходило по одному из наклонных сечений. Для этого от испытанной балки на высокоточном отрезном станке с алмазным канатом отделяли с одного конца балки участок, на котором произошло разрушение (примерно 1/3 общей длины балки), а с другого конца участок длиной 390 мм (рис. 4.3). Оставшуюся среднюю часть балки использовали как образец с пролетом 700 мм для испытания на изгиб одним центрально расположенным сосредоточенным грузом, как показано на рис. 4.2. Как видно из рисунка концевые заопорные участки всех трех стержней при последующих испытаниях с одной стороны имели поперечное армирование, а с другой при его отсутствии, достаточно большую длину анкеровки.

Перед изготовлением арматурных каркасов на продольные ребра арматуры растянутой зоны с помощью разметочной машины наносили риски с шагом 10 мм для определения остаточных удлинений, достигнутых при разрушении.

Соединение продольной и поперечной арматуры осуществлялось вязальной проволокой.

Для определения механических свойств арматуры каждого вида от стержней, используемых в каждой конкретной балке, отбирались по 3 образца, которые испытывались на растяжение по ГОСТ 12 004;84 [11]. Диаграммы растяжения по опытным данным (средние значения) представлены на рис. 4.4 и 4.5. Были также измерены геометрические параметры периодического профиля, по которым для оценки эффективности сцепления с бетоном была вычислена относительная площадь смятия поперечных ребер.

Рис. 4.3 Распил балок машиной для резки алмазным канатом.

С, 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0.

Н/мм ог. — о—к Г.-1ГП — БС-1(2) —^-БСП-1(1) —* —БСП-1(2).

111 111 111 ПИШИ НИШИ 111 111 111 11 111.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12.

7, Н/мм и—"'11.

— БС-2(1) -БС-2(2) -БСП-2(1) — БСП-2(2).

— Аш 1 ш 11 иитггтт) шипи).

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 4.4 Диаграммы растяжения арматуры растянутой зоны: а — 1 серии балок- 6−2 серии балок с,.

750 700 650 600 550 500- 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0.

Н/мм.

11||111III111111111II.

БС-3(1), БС-4(1).

—-БС-3(2), БС-4(2).

БСГГ-3(1). БСП-4(1) — * —БСГ1−3(2), БСП-4(2) щи и 1|11|||Щ111|||||Ц|||Ц||||||1 пнищ.

3 4 6 щи).

8 9 10 11 12 й О/.

Чя /0.

Рис. 4.5 Диаграммы растяжения арматуры растянутой зоны 3 и 4 серий балок.

Опытные балки бетонировали в металлических формах (рис. 4.6). Одновременно с балками для контроля физико-механических свойств бетона на момент испытаний изготавливались кубы размером 100*100×100 мм и призмы размером 100*100×400 мм. Укладку бетонной смеси в опалубку производили вручную. Для ее уплотнения использовался глубинный вибратор.

В таблице 4.1 приведены составы бетонных смесей для изготовления опытных образцов.