автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов, армированных сталью класса А500 с различным периодическим профилем

си

оит-1 * -

САВРАСОВ ИВАН ПЕТРОВИЧ

ПРОЧНОСТЬ, ТРЕЩИНОСТОИКОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АРМИРОВАННЫХ СТАЛЬЮ КЛАССА А500 С РАЗЛИЧНЫМ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ

Специальность: 05.23.01-Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Москва-2010г.

004615944

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона им. А.А.Гвоздева - ОАО « НИЦ « Строительство».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, доцент И.Н. Тихонов доктор технических наук, С. Б. Крылов

кандидат технических наук, доцент Вильдавский Ю.М.

Ведущая организация

ОАО "Моспроект"

Защита состоится «23» декабря 2010 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» по адресу: 109428, Москва, ул. 2-я Институтская, д.б (корпус 5, конференц-зал НИИЖБ им. A.A. Гвоздева)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО « НИЦ « Строительство». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО « НИЦ « Строительство». http:/www.cstroy.ru

Автореферат разослан «23» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Л.Н. Зикеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время арматурный прокат класса А500 завоевал широкое применение как за рубежом, так и в нашей стране. В России этот арматурный прокат выпускают с двумя основными видами периодического профиля - с кольцевым по ГОСТ 5781-82 и двухсторонним серповидным по ГОСТ Р 52544-2006 (рис. 1).

Широкое распространение в России арматуры с серповидным двухсторонним профилем, в частности - по СТО АСЧМ 7-93 и техническим условиям, потребовало пересмотра требований к анкеровке и соединениям внахлестку в сторону их ужесточения.

В России сложилась ситуация, когда производится арматура одного класса А500 или А400, но разного профиля, либо одного профиля, но разных классов прочности (А500; А400). По этой причине и строители, и проектировщики зачастую отказываются от использования преимуществ высокоэффективной арматуры класса А500, опасаясь пересортицы в цехах и на стройплощадках.

Изложенные обстоятельства существенно сдерживают эффективное применение в строительстве арматуры класса А500.

Для устранения указанных недостатков в НИИЖБ им. A.A. Гвоздева была разработана новая конфигурация профиля для арматуры класса А500, который назван четырехсторонним серповидным профилем. Арматура с этим профилем получила обозначение А500СП.

С целью оценки эффективности применения в железобетонных конструкциях арматуры класса А500СП потребовалось провести экспериментальные исследования влияния нового периодического профиля на механические свойства, выносливость и коррозионную стойкость арматуры, на сцепление ее с бетоном, а также на прочность, трещиностойкость и деформативностъ изгибаемых железобетонных элементов.

Целью диссертационной работы является экспериментальное обоснование возможности повышения эксплуатационной надежности и снижения металлоемкости железобетонных конструкций в результате применения арматуры класса А500, в том числе с эффективным периодическим профилем (А500СП).

Научную новизну 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 относительной площадью смятия поперечных ребер (Гя), 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. В результате проведенных исследований показана возможность расширения областей и объемов эффективного использования в строительстве арматуры класса прочности 500 Н/мм2 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 этой арматуры для предельных состояний первой группы до 450 Н/мм2, 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 способствуют повышению эксплуатационной надежности железобетонных конструкций, в том числе при сейсмических воздействиях.

Результаты работы использованы при разработке СТО 36554501-0052006* «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях» и СТО 36554501-016-2009 «Строительство в сейсмических районах. Нормы проектировании зданий», а также учтены при составлении пособия по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий» (И.Н. Тихонов, Москва, 2007г.)

С начала освоения в 2006 г. по настоящее время Западно-Сибирским металлургическим комбинатом (ОАО ЗСМК) было поставлено строителям более 500 тысяч тонн арматурного проката класса А500СП.

Достоверность результатов исследований обусловлена проведением экспериментов в соответствии с методическими требованиями соответствующих государственных стандартов и рекомендациями НИИЖБ.

На защиту выносятся:

- 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 группы;

- результаты и анализ экспериментальных исследований сцепления с бетоном арматуры диаметром 12, 16 и 25 мм класса А500 серповидного двухстороннего, кольцевого и серповидного четырехстороннего периодических профилей с разной относительной площадью смятия поперечных ребер (Гя), в том числе в условиях значительных пластических деформаций металла;

- рекомендации по уточнению расчета анкеровки в бетоне ненапрягаемых арматурных стержней с серповидным четырехсторонним периодическим профилем и конструктивные решения армирования опорных зон изгибаемых железобетонных элементов.

-экспериментальные данные о влиянии вида периодического профиля на прочность, трещиностойкость и деформативностъ 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, 2005г.

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

Публикации. Основные результаты работы изложены в 6 научных статьях, в т.ч. в 3 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость работы, дана краткая характеристика выполненной работы.

В первой главе изложено состояние вопроса, проведен краткий анализ и обобщение результатов исследований Мулина H. М., Мадатяна С.А., Тулеева Т.Д., Цанкова Ц., Михайлова К.В., Тереховой Г.Б., Рискинда Б.Я., Масленникова В.Н., Кучера Б.В., Шорниковой Г.Н., Городницкого Ф.М., Скоробогатова С. М., Mayer U., Engström В., Shima H., Chou L.L., Okamura H., Bigaj A J. и др., относящихся к теме диссертации.

В настоящее время основным признанным параметром, характеризующим эффективность сцепления арматуры с бетоном, является относительная площадь смятия поперечных ребер fR.

О влиянии характеристики fR на прочность, ширину раскрытия трещин и деформативность изгибаемых железобетонных элементов можно судить по выводам, сделанным в отечественных и зарубежных источниках:

-для обеспечения небольшой ширины трещин и достижения жесткого поведения сцепления, следовательно низкой деформативности железобетонных элементов, необходима высокая относительная площадь смятия поперечных ребер fR;

-с увеличением относительной площади смятия fR уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин и увеличивается ширина раскрытия продольных трещин;

- оптимальная область значений fR находится в диапазоне 0,07+0,08;

-влияние fR на сцепление с бетоном после достижения в арматуре предела

текучести стали практически не исследовано;

- влияние fR на прочность нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов достоверно не установлено;

- характер разрушения наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов, а также длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры зависит от величины 4 и наличия поперечной арматуры.

На основании анализа состояния вопроса поставлены следующие задачи: - экспериментально и статистическим анализом оценить влияние периодического профиля на механические свойства арматуры класса А500 опытно-промышленных и промышленных партий;

а)

б)

в)

Кольцевой. ГОСТ 5781-82 У 0,10

Серповидный двухсторонний: СТО АСЧМ 7-83, ГОСТ Р 52544-2008 ^ 0,066

Серповидный четырехсторонний, (конструкция НИИЖБ)

ТУ 14-1-5526-2006 V 0,075

Рис. 1 Внешний вид арматурных стержней с различным периодическим

профилем

- исследовать и дать сравнительную оценку сцепления с бетоном стержневой арматуры класса А500 с разными периодическими профилями, в том числе при значительных пластических деформациях металла;

- 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 работы в железобетоне арматуры класса А500 с разными периодическими профилями, в том числе класса А500СП, при расчете и конструировании железобетонных конструкций для включения в нормативные документы.

Вторая глава посвящена исследованию свойств арматуры класса А500С и А500СП опытно-промышленных партий.

Для проведения исследований ОАО ЗСМК из металла одних и тех же плавок и при одинаковых режимах термомеханической обработки были изготовлены опытно-промышленные партии арматурного проката с двухсторонним и четырехсторонним серповидным профилями номинальным диаметром от 10 до 28 мм. По результатам проведенных испытаний арматуры классов А500С и А500СП и их статистической обработки для партий, поставленных в НИИЖБ и на Домодедовский завод ЖБИ, были построены идеализированные диаграммы растяжения (рис.2).

Обращает внимание высокий уровень значений ат с обеспеченностью 0,95 у арматуры класса А500 производства ОАО ЗСМК, который превысил величину нормативного сопротивления ^„=5 ООН/мм2 на 9,7% для арматуры класса А500С и на 12% для А500СП. Это указывает на возможность для арматуры А500СП снижения принятого в СП 52-101-2003 значения коэффициента надежности для класса А500 ук= 1,15 (К8=435Н/мм2) до у3=1,10 (118=450Н/мм2).

ггН - 1 --г '1

• : - ГН ) А50

4- и

.... т •4

.... - _ -1 ..... -тг

Т"

- _ _ _ - -4- ц,.

-

КЛя- Средние шяченна (р-«Ц5) „

Г;!-» «1 «о. 14 «

ЛМОС11 2»$ 1,1* 31,63 »,71 13->.5 1,Н 7.40

Я" •ляюс 31н 606.6 1 709.7 1.17 ггл* ■».6.1 | 54Я.« 6 «Я.» 1.1» 20.21 7.81 7.Л.1

1-

т

-4-

л

Рис.2 Среднестатистические диаграммы растяжения арматуры классов А500С и А500СП диаметром 10-28 мм производства ОАО ЗСМК

Для обоснования возможности повышения К, были дополнительно проанализированы полученные из ЦЗЛ ОАО ЗСМК данные приемочного контроля арматурного проката класса А500СП, произведенного за 2006, 2007 и 2008 годы (более 3000 партий 010-36 мм). Определенная на основе

табулированных значений функции Лапласа вероятность, с которой среднее значение контролируемого показателя - предела текучести стт - превышает предлагаемое расчетное значение = 450 МПа, для исследованного массива результатов составило 0,99997, т.е. более необходимого для уровня обеспеченности 0,9985 при коэффициенте надежности 75=1Д.

Проведенное исследование послужило основанием для установления в СТО 36554501-005-2006* (2008 г.) для арматуры класса А500СП производства ОАО ЗСМК повышенного значения = 450 МПа. Следует заметить, что в нормах Беларуси и Украины, в значительной степени гармонизированных с Еврокодом 2 (ЕЫ 1992-1-1:2004), коэффициент надежности у5 для арматуры класса А500 принят равным 1,1 (Я5 = 450 МПа).

Испытания на холодный изгиб, выносливость и стойкость против коррозионного растрескивания показали положительные результаты.

В третьей главе проведена оценка сцепления арматуры разного периодического профиля с бетоном. В основу методики исследования была положена схема испытания, соответствующая международному рекомендательному документу ИС6 ЕКБ/ФИП/РИЛЕМ.

При испытаниях по этой методике в процессе вытягивания арматуры из бетонного куба регистрировали смещение незагруженного выпуска стержня относительно верхней плоскости куба, кроме того, на загруженном конце вытягиваемых из бетона стержней устанавливались измерительные приборы для синхронного контроля диаграммы растяжения арматуры в процессе испытаний.

Использованная методика испытаний дала возможность определить критические значения длины анкеровки в бетоне стержней с различными профилями, соответствующие достижению предела текучести в арматуре.

Всего было испытано 10 серий (3 группы) по 5-10 образцов-близнецов. Общее число испытанных образцов -129.

Варьируемыми параметрами были: прочность бетона на сжатие (от 23,6 до 52,6 Н/мм2), диаметр стержней (12, 16 и 25 мм), длина анкеровки стержней в бетоне (5-10с1н), вид профиля - кольцевой, двухсторонний и четырехсторонний серповидный. Каждая серия состояла из образцов со стержнями одного диаметра сравниваемых типов профиля.

Особый интерес представляют данные опытов второй группы образцов, в которых разрушение сцепления происходило при напряжениях в арматуре выше предела текучести ат (рис.3). Для удобства сопоставления графиков напряжения в арматуре ст8 представлены по вертикальной оси в относительных единицах о</от. Слева от вертикальной оси показаны кривые зависимости деформаций втягивания в бетон Д от о/ат, а справа - диаграммы растяжения арматурных стержней.

При испытании серии образцов с длиной заделки стержней 9с1„ и прочностью бетона 36,6 Н/мм2 удалось достичь стабильного разрушения сцепления для обоих видов серповидных профилей при растягивающих напряжениях в стержнях, превышающих предел текучести.

Как видно из рис. 3, способность стержней с четырехсторонним серповидным профилем развивать по сравнению с двухсторонним более высокую прочность и энергоемкость разрушения сцепления при напряжениях в арматуре как не превышающих, так и существенно превышающих ат, и значительных пластических деформациях, приближающихся к значениям полного относительного удлинения достаточно очевидна.

На стержнях, извлеченных из бетона после испытания, было измерено уменьшение поперечного размера стержня на длине заделки с шагом 10 мм. По этим измерениям были вычислены соответствующие значения локальных остаточных удлинений в каждом таком сечении к моменту исчерпания прочности сцепления. Данные измерений в виде графиков распределения по длине средних значений остаточных удлинений стержней (5) приведены на рис.4.

а) ____— ч*

1МК.Н1 им« 5,ИМ>У>»«'

4 1л" 10(1 (120 мн} --

Рис. 3 Деформации втягивания незагруженного конца стержня и энергоемкость разрушения сцепления арматуры класса А500 с бетоном : а, б • 012 мм; в, г - 016 мм; а, в- четырехсторонний серповидный профиль; б, г-двухсторонний серповидный профиль.

мм

Ц

4 3 2 10 Удлинение стержня б, %

6 5 4 3 2 I О Удлинение стержня б, %

V-

.. .. стержня б, %

Рис. 4 Распределение пластических удлинений арматурных стержней в пределах зоны заделки Для образцов с арматурой 016 мм распространение пластических деформаций стержня вглубь зоны его заделки в бетон при четырехстороннем периодическом профиле вдвое больше. Максимальное остаточное удлинение на

нижней границе заделки достигает в первом случае 6%, а во втором - лишь около 2%.

Подобная картина характерна и для образцов с арматурой 012 мм.

Результаты выполненных испытаний подтверждают более высокую надежность сцепления с бетоном арматуры класса А500СП после достижения в ней физического предела текучести по сравнению с арматурой класса А500С.

Полученные экспериментальные данные наряду с результатами исследований Зикеева JI.H. и Цыбы О.О. послужили основанием для предложения об увеличении для арматуры класса А500СП коэффициента r¡i с 2,5 до 2,8 в формуле 8.2 СП 52-101-2003 (Rbond = Л1 Л2 Rt* )■

В четвертой главе представлены сравнительные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния, прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса А500С и А500СП.

В качестве опытных образцов испытано 4 серии (16 образцов) железобетонных балок . Каждая серия включала по две пары балок - близнецов, с арматурой растянутой зоны различного периодического профиля.

Результаты испытаний и расчета балок 1 и 2 серий приведены в табл. 1.

Особенностями балок первой серии было слабое армирование и минимально допустимые значения fR рабочей арматуры . Вторая серия была запроектирована с близким к границе переармирования (рис. 5). При этом значения fR рабочей арматуры классов А500С и А500СП были близки к оптимальным.

В балках с арматурой класса А500СП первой серии (§=0,08) разрушающая нагрузка несколько превышала таковую для балок с арматурой класса А500С при одинаковых прочностных характеристиках бетона и арматуры (табл.1). Причиной этому может быть ранее отмеченное проф. М.Я. Штаерманом* благоприятное влияние бетона растянутой зоны и прочности

* Штаерман М.Е. Выбор оптимального расчета изгибаемых железобетонных элементов. - М., 1953. - 91 с.

Таблица 1

Результаты испытаний и расчета балок первой и второй серий (по средним значениям для балок-близнецов)

№ серии п/п Н/мм2) Шифр балок Механические свойства арматуры, Н/мм2 Опытные величины нагрузок при разрушении образцов, Р„р, кН Превышение БСП над БС Опытные величины нагрузок при образовании трещин, кН Превышение БСП над БС Расчетная нагрузка Ре по прочности при напряжениях в арматуре, соответствующих е,*, кН Превышение опытной разрушающей нагрузки над расчетной, --х100, Ре. % Опытная ширина раскрыт, трещин при Р,, <ч> ММ Расчетная ширина раскрытия трещин а **** сгс при К,„=500Н/мм3 Превышение расчетной ширины раскрытия трещин над опытной, а™""., хЮО, % <ч Прогибы при Ре , Т { /е 'н ММ Превышение БС над БСП

о. ч. <[>2=0,5 92=0,3 92=0,5 Ч>2=0.3

1 (40,0) 5=0,08 5С-1(1) 578,5 664,9 53,60 1,06 18,75 1,12 51,80 3,51 1,61 >0,4** 0,43 >0,4 - -73 - 21,45 2,8

ВС-1(2) 546,9 641,4 Уи>Х5 О'"

КСП-1(1) 538,9 632,1 56,60 20,95 49,79 13,69 0.21 <0,4 0,26 <0,4 +105 +24 7,75

5СП-1(2) 551,0 641,6 /"232 Х:50

2 (28,5) 5=0,37 БС-2(1) 594,0 724,5 116,50 1,03 16,5 1,24 112,92 3,18 0,34 <0,4 035 <0,4 - +3 - 18,00 1,12

;С-2(2) 590,4 718,6

5СП-2(1) 591,8 717,6 119,65 20,5 113,35 5,56 0,21 <0,4 0,21 <0,4 +59 ±0,0 16,00

5СП-2(2) 590,7 718,9 Кп>Х5 0

Примечание: Примечание: первая буква шифра балки обозначает вид конструкции («Б»-балка); вторая буква — вид периодического профиля арматуры растянутой зоны балки («С»- Серповидный двухсторонний; «СП»- Серповидный четырехсторонний). Первая цифра обозначает номер серии; вторая цифра — номер образца-близнеца. * е, — средние совместные остаточные относительные деформации арматуры и бетона балок после испытаний, определенные на базе 500 мм; ** предельно допустимое значение ширины раскрытия трещин при ее непродолжительном раскрытии (СНиП 52-01-2003);

*** предельно допустимый прогиб железобетонных элементов при действии постоянных и временных длительных и кратковременных нагрузок (СНиП 52-01-2003, СНиП 2.01.07);

**** расчетная ширина раскрытия трещин определена по формуле 7.13 СП 52-101-2003 для нормированного значения и ориентировочно принятого значения

92=0,3.

*10 Зля 1-Ц С8рЦЦ_ Аля 2-й серии

"7И ..V У / 1 ч

»10 Оля 1-0 серии 016 для 2-й серии

Рис. 5 Схема армирования опытных балок:

1 серия - §=0,08, ^=0,056(А500С), ^=0,075(А500СП);

2 серия - 4-0,37, ^=0,066(А500С), &=0,085(А500СП)

его сцепления с арматурой на несущую способность слабоармированных изгибаемых элементов.

Результаты испытаний показали, что у балок первой серии с арматурой класса А500СП характеристики по предельным состояниям второй группы были значительно лучше, чем у балок с арматурой класса А500С. Прогибы при достижении текучести арматуры балок у БСП были меньше, чем у балок БС в 2,8 раза (рис. 6). Момент трещинообразования был выше в 1,2 раза. Графики развития нормальных трещин были идентичны графикам прогибов. Ширина раскрытия трещин при испытаниях балок БСП была значительно меньше, чем у балок БС, на всех этапах нагружения.

Разрушающие нагрузки балок БС и БСП второй серии (£=0,37) были близки по величине.

В балках БСП этой серии значения основных показателей, относящихся ко второму предельному состоянию, также отличались в благоприятную сторону от таковых в балках БС, но в меньшей степени.

а)

6)

■всад

БС-2» -БСП-2(1)| БСП-2Й I

И

Г"

Рис. 6 Характер развития прогибов опытных балок: а - 1 серия (§=0,08,4=0,056(А500С), ^=0,075(А500СП)); 6-2 серия (£=0,37, ^=0,066(А500С), ^=0,085(А500СП))

Полученные данные указывают на целесообразность более дифференцированного учета интенсивности профиля, при расчете раскрытия трещин по формуле 7.13 СП 52-101-2003 аао = ф1ф2фзф5(ст5/Ес)1£. Значение коэффициента ср2 , который для любой арматуры периодического профиля принят равным 0,5, для арматуры четырехстороннего профиля рекомендуется снизить до уровня 0,3-5-0,4. Обоснование точного значения является предметом отдельного более детального исследования*.

Результаты испытаний и расчета балок 3 и 4 серий приведены в табл. 2.

Армирование и характер разрушения по наклонному сечению балок серий 3 и 4 приведены на рис. 7 и 8. Балки серии 3 различались по длине пролета среза. Один из трех стержней рабочей арматуры обрывался в пролете. В балках присутствовала поперечная арматура в приопорной зоне пролета, за осью опоры она отсутствовала. Испытания показали, что характер разрушения и трещинообразования балок БС и БСП практически не отличался. Прочность балок также была одинаковой. При этом, произошло характерное разрушение и

* Зикеев Л.Н., Цыба О.О. Трещиностойкость растянутых железобетонных элементов из высокопрочного бетона с арматурой различных профилей. // Бетон и железобетон. - 2009. -№3. - С. 8-11.

Рис. 7 Схема армирования и характер разрушения опытных балок третьей серии

БС-3(1) 4=0,066; Р =270кН

Тй 1 ' рнзр.

Вид сбоку

БС-3(2)

Р =375кН

Вид сбоку

Вид снизу

БС-3(1); БСП-3(1)

36

а=1,ЗЬ

БСП-3(1)

' =0,085; Р =275кН

БСП-3(2) ' =0.085: Р =370кН

БС-3(2); БСП-3(2)

\-о „10

* 1 I ■ I й

-й ' 1 л , 1

5

ж .!

БС-4(!) Рра1р=260кН

БС-4{2) {.4=0,066 Рр11р=241кН

БСП-4( 1) £?-0.085

БСП-4(2) Гк=0.085

БС-4(1); БС-4(2); БСП-4(1); БСП-4(2)

- : 350 8 Р Л Б , и ^ 1

Г......7 — 4 £

г С; гТ , ото

4=

А - А

22.5

20 13

«■(б

Л

- ч \ 1 ¡г

' #— %— «И 5р1 6 л 11

16

Рис. 8 Схема армирования и характер разрушения опытных балок четвертой серии

Таблица 2

Результаты испытаний и расчета балок третьей и четвертой серий

Л» серии п/п Шифр балок Расстояние от внешней силы до: мм Опытные величины нагрузок, кН Опытные величины при разрушающей нагрузке Расчетная разруш. нагрузка, Р,кН Р -Р х схр л

опоры, а обрыва стержня, (О При разрушении При образовании трещин При начал е смещен, арматуры относит, торца бетона Превышение. БСП над БС, % Ширина трещин, а, мм Смещ. арм. относ, торца балок при разр. натр., А, мм

р х Ш0-%

образцов, Превышение БСП над БС, % норм. Превышение БСП над БС, % накл. Превышение БСП над БС, % норм. накл. образца Прев. БС над БСП, %

За БС-3(1) 350 (2ВД 240 (15dJ 270,0 1,9 34,0 61,8 90,0 33,6 100,0 20,0 0,15 0,4 0,093 69,1 269,0 0,4

БСП-3(1) 275,0 55,0 120,0 120,0 0,12 0,3 0,055 2,2

36 БС-3(2) 2 30 (1,3 h0) 120 (7,5dJ 375,0 -1,3 80,0 6,3 100,0 40,0 150,0 66,7 0,14 0,3 0,195 146,8 377,0 -0,5

БСП-3(2) 370,0 85,0 140,0 250,0 0,15 0,4 0,079 -1,9

4 БС-4(1) 350 (2ho) - 260,0 13,7 - - 163,0 5,4 20,0 283,3 0,1 0,6 0,065 0,9 289,0 -13,3

БС-4(2) 241,0 - 150,0 40,0 0,1 0,4 0,048

БСП-4(1) 280,0 - 150,0 80,0 0,1 0,6 0,055 -1,4

БСП-4(2) 290,0 - 180,0 150,0 0,1 0,4 0,057

Примечание: характеристики (средние значения) балок серий 3 и 4: кубовая прочность бетона 1^=50,1 Н/мм2;

предел текучести арматуры балок БС сгт=573,2 Н/мм2, балок БСП от=566,1 Н/мм2; временное сопротивление арматуры балок БС о.=704, Ш/мм2, балок БСП а,=689,4Н/мм2

трещинообразование на нижней грани балок, указывающее на большие распорные усилия конца обрываемого стержня и его исключение из работы в предельной стадии разрушения несмотря на поперечное армирование.

Влияние на характер разрушения относительной площади смятия поперечных ребер арматуры не было установлено, возможно, вследствие того, что значения ^ продольной арматуры А500С и А500СП были близки к оптимальным и отсутствовала поперечная арматура за опорой при наличии поперечной пролетной арматуры.

Четвертая серия отличалась наличием поперечной арматуры за осью одной опоры, а также полным отсутствием ее в пролете и за осью другой опоры. В этом случае все три продольных стержня не обрывались в пролете. Разрушение произошло со стороны опоры, где отсутствовала поперечная арматура, несмотря на длину анкеровки продольной арматуры, значительно превышающую расчетную. Наличие продольных трещин на боковой грани указывает на большие раскалывающие усилия в бетоне в этой части балок. Разрушающая нагрузка балок БСП была выше, чем у балок БС в среднем на 13,7%, что позволяет сделать заключение об эффективности использования арматуры класса А500СП.

О влиянии эффективности профиля поверхности арматуры на сопротивление смещению ее концов относительно торцевых поверхностей опытных балок можно судить по результатам испытаний, приведенным на рис. 9. Начало процесса смещения торцов арматуры класса А500СП происходило при значительно больших нагрузках, чем у арматуры класса А500С. Величины смещения (втягивания) при увеличении нагрузки на каждом этапе приложения нагрузки вплоть до ее максимального значения у арматуры класса А500СП были меньше, чем у А500С в 1,5+2 раза.

Сравнение распределения остаточных деформаций концевых участков стержней арматуры, извлеченной из бетона опытных балок после испытания, подтверждают данные представленные в главе 3 (рис. 4).

В целом анализ экспериментальных данных позволяет сделать заключение о более эффективной работе арматуры класса А500СП в изгибаемых железобетонных элементах по сравнению с А500С, даже с профилем, имеющим близкое к оптимальному значение

Испытания балок третьей и четвертой серий еще раз подтвердили эффективность пролетного и заопорного поперечного армирования для восприятия усилий распора, создаваемого периодическим профилем арматуры, а также показали преимущества профиля арматуры А500СП в предотвращении проскальзывания концевых участков стержней, обрываемых в пролете и за опорой.

Рис. 9 Средние величины смещения торцов арматурных стержней 16 мм относительно бетона. БС-2(1) и БСП-2(1) - балки, разрушенные по нормальному сечению

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сопоставительные испытания арматуры класса А500СП и А500С не выявили какого-либо отрицательного влияния на прочность, пластичность, стандартные характеристики выносливости и стойкость к коррозионному растрескиванию четырехстороннего серповидного периодического профиля арматурных стержней.

2 Результаты статистического анализа механических свойств опытно-промышленных и промышленных партий арматуры класса прочности 500 Н/мм2 позволили обосновать возможность увеличения расчетного сопротивления арматуры класса А500СП до 450 Н/мм2 и включить это значение в рекомендации по применению СТО 36554501-005-2006*.

3 Прочность и жесткость сцепления с бетоном арматуры А500СП (^0,075) с четырехсторонним серповидным профилем выше, чем у арматуры с двухсторонним серповидным профилем ^>0,056). В случаях, когда разрушение сцепления сравниваемых образцов происходило при растягивающих напряжениях в арматуре менее предела текучести, превышение прочности сцепления составляло 19 - 27%, а при напряжениях свыше предела текучести 7 -16%, при этом арматура с четырехсторонним профилем превосходила арматуру с обычным серповидным профилем по критерию энергоемкости разрушения сцепления в 5 - 6 раз. В сравнении с кольцевым профилем превышение прочности сцепления составило 5 - 9%.

4. Экспериментально показаны преимущества использования в изгибаемых железобетонных элементах арматурной стали с относительной площадью смятия поперечных ребер £ц>0,07, в том числе класса А500СП ^>0,075) вместо А500С ^>0,056), для одновременного выполнения требований по предельным состояниям первой и второй групп по СП 52-1012003, а также для обеспечения эффективного перераспределения усилий в статически неопределимых конструктивных элементах. Это также относится к конструкциям, подвергаемым аварийным, в том числе сейсмическим,

нагрузкам, проектируемым с учетом предотвращения их внезапного прогрессирующего обрушения.

5 С учетом полученных данных по сцеплению с бетоном в формуле для определения базовой длины анкеровки рекомендаций по применению арматуры А500СП (СТО 36554501-005-2006*) принят коэффициент Tii =2,8.

6. На основе полученных экспериментальных данных предлагается при вычислении ширины раскрытия трещин изгибаемых элементов в формуле 7.13 СП 52-101-2003 для арматуры класса А500СП коэффициент <р2, учитывающий профиль продольной арматуры, принять уменьшенным до уровня 0,3-Ю,4.

6. Выполненными исследованиями экспериментально подтверждена высокая распорность концевых участков обрываемых в пролете и за опорой продольных арматурных стержней периодического профиля даже при наличии вязаной поперечной арматуры. На этом основании в приопорных зонах изгибаемых железобетонных элементов обрывать в пролете рабочую (расчетную) арматуру в составе вязаных сеток и каркасов не рекомендуется. Допустим обрыв части (не более 50%) рабочей арматуры в пролете в целях ее экономии. Но в этом случае необходимо обеспечить дополнительную анкеровку концов обрываемых стержней: например, путем приварки к ним на расчетной длине (£„), заводимой за место возможного теоретического обрыва, не менее двух поперечных стержней конструктивной (распределительной) арматуры или же посредством устройства отгибов согласно положений "Руководства по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без предварительного напряжения)". -М.: Стройиздат. 1978г.

7. При конструировании поперечного армирования изгибаемых железобетонных балок необходимо предусмотреть расположение не менее двух замкнутых хомутов в заопорной зоне из арматуры диаметром периодического профиля не менее 8 мм. В этом случае возможно при использовании продольной рабочей арматуры класса А500СП сохранить требования п.5.15 СНиП 2.03.01.-84*, где при Q>Qbi длину запуска растянутых стержней за

внутреннюю грань свободной опоры допускалось принимать равной 10d„, а не 15dH, как установлено по СП 52-101-2003.

8. Использование результатов настоящего исследования в практике проектирования позволит повысить надежность железобетонных конструкций и получить существенную экономию арматурной стали.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в статьях: Суриков И.Н., Саврасов И.П., Цыба О.О., Бондаренко А.Н. Экспериментальные исследования механических характеристик, выносливости и сцепления с бетоном стержневой арматуры класса А500С с различными типами периодического профиля// Сб. тр. /НИИЖБ. -М., 2005. - Научные труды 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону. Том 5. - С.486-494.

Тихонов И.Н., Саврасов И.П. Арматурная сталь класса прочности А500, с новым периодическим профилем// Сб. тр. /МГСУ. -М., 2007. - Научные труды.

- С.57-59.

Тихонов И.Н., Мешков В.З., Саврасов И.П. Влияние формы периодического профиля арматуры на прочность и деформативность сцепления с бетоном при растягивающих усилиях в стержнях, превышающих предел текучести // Сб. тр. /НИИЖБ. -М., 2007. - 80-летие НИИЖБ им. A.A. Гвоздева.

- С.57-68.

Саврасов И.П. Экспериментальные исследования механических свойств и сцепления с бетоном арматуры класса прочности 500 Н/мм2// Бетон и железобетон. - 2009. - №4. - С. 16-21.

Тихонов И.Н., Саврасов И.П. Экспериментальные исследования предельных состояний железобетонных балок с арматурой класса прочности 500 МПа // Жилищное строительство. - 2010. - №8. - С. 31-38.

Тихонов И.Н., Саврасов И.П. Исследования прочности железобетонных балок с арматурой класса А500 при действии поперечных сил. // Жилищное строительство. - 2010. - №9. - С. 32-37.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 19.11.2010 Тираж 110 экз. Усл. п.л. 1,25 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследований

1.1 Стержневая арматура железобетонных конструкций без предварительного напряжения

1.2 Основные виды периодического профиля арматуры, применяемой в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения

1.3 Результаты исследований

1.3.1 Механические свойства арматуры с различными видами профиля

1.3.2 Влияние вида и геометрических параметров периодического профиля арматуры на сцепление с бетоном и анкеровку

1.3.3. Зависимость трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов от вида профиля арматуры

1.3.4. Исследование прочности нормальных и наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различными профилями арматуры

1.4. Требования норм проектирования по учету в расчетах геометрических параметров периодического профиля

1.5 Конструкция профиля с четырехсторонним расположением поперечных ребер - арматура класса А500СП

1.6 Задачи исследований

2. Исследование свойств арматуры класса А500 опытно-промышленных партий

2.1 Технология производства термомеханически упрочненной арматуры класса А500СП и А500С

2.2 Характеристика опытно-промышленных партий арматурного проката

2.3 Исследование механических свойств арматурного проката

2.3.1 Результаты испытаний на растяжение

2.3.2 Оценка влияния вида периодического профиля на нормируемые характеристики прочности и пластичности арматуры

2.3.3 Изгиб в холодном состоянии

2.3.4 Выносливость арматурного проката

2.4 Исследование стойкости против коррозионного растрескивания

2.5 Обоснование расчетного значения сопротивления арматуры класса А500СП растяжению на основе анализа результатов исследований

2.6 Выводы по главе 2 82 3 Сцепление с бетоном арматуры класса А500 с различными видами профиля

3.1 Факторы, влияющие на сцепление арматуры с бетоном, выбор метода испытания

3.2 Экспериментальное исследование сцепления с бетоном арматуры класса А

3.2.1 Задачи исследований и особенности методики проведения испытаний

3.2.2 Конструкция образцов и процедура испытаний на вытягивание

3.2.3 Анализ результатов испытаний на вытягивание арматуры из бетона

3.2.4 Влияние пластических деформаций арматуры на ее сцепление с бетоном

3.3 .Выводы по главе 3 113 4 Прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов, армированных сталью класса А с различными видами периодического профиля

4.1 Постановка задачи

4.2 Характеристика опытных образцов и технология их изготовления

4.3 Методика испытания опытных образцов

4.4 Анализ результатов испытаний

4.4.1 Прочность по нормальным сечениям изгибаемых железобетонных элементов

4.4.1.1 Характер разрушения балок

4.4.1.2 Опытные и расчетные разрушающие нагрузки

4.4.2 Прочность по наклонным сечениям изгибаемых железобетонных элементов

4.4.2.1 Характер разрушения балок

4.4.2.2 Опытные и расчетные разрушающие нагрузки

4.4.3 Трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов

4.4.3.1 Опытные и расчетные нагрузки образования нормальных трещин

4.4.3.2 Деформации бетона и арматуры опытных балок в зоне чистого изгиба

4.4.3.3 Деформации бетона и арматуры опытных балок при действии поперечных сил

4.4.3.4 Ширина раскрытия трещин и прогибы балок от внешней нагрузки

4.6 Выводы по разделу

Предложения по конструированию опорных зон изгибаемых железобетонных элементов

Как было отмечено на П-й Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону, состоявшейся в 2005 году, «Железобетон - основной строительный- материал, применяемый .в. строительстве жилья, объектов соцкультбыта, промышленном- строительстве, 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 2005г. - 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 2010г. 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 10884-94 [10] с серповидным двухсторонним, профилем, а; для. 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 серповидным; двухсторонним профилем и В500С диаметром от 4 до 12'мм с серповидным; трехсторонним илш четырехсторонним, сегментным, профилем по ГОСТ Р 52544-2006, но допускается по согласованию с, потребителем, поставка, арматурного прокатам конфигурацией периодического профиля^ отличающейся-требований этого нормативного документа [15]. Следовательно, потребители могут получать арматуру разных классов- прочности 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 №2252991 [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. Овчинниковой; к.т.н. Л.Н. Зикееву, инж. И.Н: Сурикову за неоценимые консультацишпри выполненишработы.

Целыо диссертационной? работы* является экспериментальное обоснование: возможности- повышениям эксплуатационной; надежности и снижения* металлоемкости? железобетонных; конструкций? в результате применения-арматуры класса А500, в том числе с эффективным-периодическим профилем (А500СП).

Для- достижения- поставленной; цели? 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 преимущества; совместной 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 работы; в железобетоне арматуры класса; А500СП 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 и- методы проведения исследований. При- выполнении 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 В; результате 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 36554501-0052006* «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях» [54] и СТО 36554501-016-2009 «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, 2007г.).

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 группы; двухстороннего, кольцевого и серповидного четырехстороннего периодических профилей с разной площадью смятия поперечных ребер в том числе в условиях значительных пластических деформациях металла; рекомендации по уточнению расчета анкеровки в бетоне ненапрягаемых арматурных стержней с серповидным- четырехсторонним 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, 2005г.

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

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 серповидным- профилем 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 160x200x2000 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.

1800

05 Вр1 100 0

600

600 т-1 0

8x80 м7" д|

600 100

-Р/2 I крепежные элементы ;оо

8x80 щл

2000

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 V- \и5 (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 Ж -ч Г"! V 4 п 160

БС-4(1); БС-4(2); БСП-4(1); БСП-4(2)

Ч;-- '-—->

-1 -----« 8

1С 4 П ^ 0 А^1 /- 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 12004-84 [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 о -г . - о—к Г.-1ГП — БС-1(2) —^-БСП-1(1) —* —БСП-1(2)

111111111 ПИШИ НИШИ 111111111 11111

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)

-А- ш 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*100x100 мм и призмы размером 100*100x400 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.