автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние косвенного армирования на несущую способность стыковых соединений арматуры железобетонных конструкций

РГб од

у {1 Г'

I} ^ Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованно

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

МОХАМЕД КАССЕМ ОМАР

УЖ: 624.01.

ВЛИЯНИЕ КОСВЕННОГО АРМИРОВАНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИИ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ

05.23.01 - строительные конструкций, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена в ордена Дружбы народов Российском университете дружбы народов

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Касабьян Л.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Маковенко С.Я. - кандидат технических наук, доцент Котельников Г. В. Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

бетона и железобетона С НИШЕ) Госстроя России Защита диссертации состоится 14 Декабря 1993 г. в 15 часов 30 минут на заседании специализированного совета К 053.22.20 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в ордена Дружбы народов Российском университете дружбы народов по адресу: 117198, г.Москва, ул. Орджоникидзе 3, ауд. 348.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов С117198, г.Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6).

Автореферат разослан " Н^Л^А 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент С. Н.Кривошапко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: При решении ряда инженерных задач в строи-ельстве часто приходится сталкиваться с вопросами проектирования тыковых соединений арматурных стержней.От надежности соединения за-исит надежность всей конструкции в целом. Обеспечение надежности оединения обычно связано с увеличением расхода арматуры при пере-уске ее, либо с применением сварки или специальных соединительных стройств из металла.

В железобетонных конструкциях соединение арматуры в ряде лучаев вызывает трудности, связанные с несвариваемостью арматуры, еобходимостыо производства сварных работ на большой высоте или в еудобных местах. Поэтому наиболее часто стыки арматуры выполняются нахлестку с перепуском до 50 диаметров. Нормы проектирования елезобетонных конструкций допускают применение таких стыков для абочей арматуры диаметром не более 36 мм. Не допускается применение тыков в полностью растянутых линейных элементах, а также в случаях спользования арматуры классов А-1У и выше. Не рекомендуется асполагать стыки в местах полного использования арматуры.

Сварные соединения позволяют уменьшить перехлест и поэтому снизит расход материала, а также расширяют диапазон классов применяе-эй арматуры. К числу недостатков сварных соединений можно отнести ысокую трудоемкость сварных работ в условиях строительной площадки, рудность контроля качества соединения, несвариваемость отдельных вдов стали.

Прогресс в развитии строительных конструкций и совершенствовало конструктивных форм возможны лишь при появлении новых решений зединений. Основной целью разработки новых соединений должно зляться обеспечение равнопрочности соединений и соединяемых цементов, при этом сварку желательно исключить.

Повышение несущей способности и надежности работы соединения эматуры может быть достигнуто применением косвенного армирования шы стыков. При этом бетон стыкового соединения работает в обойме, зспринимащей распор и не происходит хрупкого разрушения. Обойма эедставляет собой каркас, состоящий из кольцевой и продольной шатуры.

Совместная работа арматуры и бетона осуществляется благодаря деплению, которое обеспечивает их связь и создает сопротивление

проскальзыванию арматуры. Исследования теории сцепления основаны основном на принятии в той или иной форме функции сцепления и полу чении иногда существенно различных закономерностей распределена касательных напряжений в зоне контакта арматуры с бетоном по длин заделки. Достаточно полной и хорошо разработанной теории сцепленк арматуры с бетоном нет. Создание ее осложняется тем, что сцеплеш между арматурой и бетоном на разных стадиях работы железобетонног элемента имеет качественно различный характер. Например, в изгибае мых элементах до образования трещин в растянутой зоне распределен сил сцепления по длине элемента представляет собой некоторую непре рывную функцию, а после образования трещин функция сил сцеплени становится разрывной.

На основании излаженного можно считать, что тема диссертацион ной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является:

- обоснование целесообразности и эффективности приыенени бессварных соединений арматуры с косвенным армированием в виде обой мы из продольной и спиральной арматуры;

- установление закона изменения касательных напряжений по длин арматурного стержня в зоне контакта арматуры с бетоном на основ экспериментальных и теоретических исследований в упругой стадии ( да момента появления трещин);

- исследование влияния спиральной и дополнительной продольно] арматуры на несущую способность соединения и характер распределена напряжений в арматуре и бетоне.

Научная новизна работы заключается в предложении новых стыковье бессварных соединений с косвенным армированием, которые можно создавать в процессе бетонирования. Новыми также являются:

- экспериментальное установление закона изменения касательно напряжений по длине заделки в зоне контакта арматуры с бетоном;

- предложение приближенного метода теоретического определена закона изменения касательных напряжений в зоне контакта арматуры с бетоном;

- экспериментальное определение напряжений в стьпеуемой, дополнительной продольной и кольцевой спиральной арматур« соединений;

- установление влияния эффекта обоймы на несущую способност! стыкового соединения;

Достоверность результатов подтверждается сопоставлением полу-

энных на основе использования метода Бубнова-Галеркина решений с шными экспериментальных исследований автора и других исследователи.

Практическая значимость работы состоит в том, что проведенные сспериментальные исследования подтвердили надежность и эффективном» предложенного соединения и позволили рекомендовать в практику 'роительства новый вид Оессварного стыкового соединения с примене-[ем косвенного армирования, которое исключает вероятность хрупкого крушения. Предложен практический метод определения касательных шряжений в зоне контакта арматуры с бетоном, который может быть ¡пользован в проектной практике при разработке конструкции соедине-й арматуры железобетона.

На защиту выносятся:

- стыковое бессварное соединение арматуры с косвенным армирова-ем кольцевой спиральной арматурой;

- методика и результаты экспериментальных исследований стыковых единений образцов с различными длинами заделки;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований за-на изменения касательных напряжений вдоль контакта арматуры с беном;

- приближенный метод теоретического определения напряженно-де-рмированного состояний стыкового соединения в зоне, где отсутству-

касателыше напряжения;

- приближенный метод теоретической оценки напряженного состоя-ч стыкового соединения в зоне контактных напряжений.

Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных следований, составляющих содержание диссертационной работы, тожены и обсузздены на XXV (1988 г.) - XXIX (1933 г.) гчно-технических конференциях инженерного факультета Российского юерситета Дружбы Народов.

Публикации: по теме диссертационной работы опубликована одна 1тья и одна находится в печати.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех ш, выводов, списка литературы (78 наименований). Она изложена на 2 страницах текста и содержит 53 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационн работы, определяется цель работы и задача исследования. Излагают основные положения научной новизны работы, определяется облас практического использования результатов исследований.

В первой главе изложено состояние вопроса конструирования ст ковых соединений и сцепления арматуры с бетоном. Рассматриваются с ществущие методы стыкования арматуры, производится обз литературных источников, в том числе патентных, по проектирован стыковых соединений, исключающих сварочные работы и снижающих расх металла. Анализируются данные по исследованию вопросов сцеплен арматуры с бетоном.

Исследования сцепления арматуры с бетоном рассматривались в р ботах многих Российских и зарубежных авторов: В.Юрьева; Ш.А.Алиев А.А.Гвоздева; Д.П.Серова; И.Г.Овчинниковой; Г.Рема; И.Гото; И.Гийо и других. В работах М.М.Холмянского при решении задачи выдергивании арматурного стержня из упругого полупространства свя между арматурой и бетоном предполагается дискретной, а услов совместной деформации представляют собой систему линейн алгебраических уравнений, включающую в качестве неизвестных усил взаимодействия арматуры с бетоном, сосредоточенные в узл дискретизации. Н.Н.Карпенко, на основе использования ЭВМ, лримен метод сеток, решил плоскую задачу теории сцепления.

Обосновывается эффективность применения косвенного армирован в виде дополнительной продольной и кольцевой спиральной арматуры п решении конструкций стыковых соединений. Таким образом, стыков соединение представляет собой бетонный элемент в виде щшгад (рис.1) с расположенной по его оси арматурой, работающий как бетон обойме. Наличие обоймы значительно повышает несущую способность со динения и исключает возможность хрупкого внезапного разрушения бет на. Это позволило рекомендовать применение соединения при тяжел условиях его работы.

Во второй главе рассматривается железобетонный цилиндр, в кот ром основная стыкуемая арматура рассматривается как непрерывный эл мент, расположенный по оси бетонного цилиндра. Приведены результа исследований осесимметричной задачи теории упругости (рис. 2 связанных с определением закона изменения касательных напряжений зоне контакта арматуры с бетоном при действии растягивающих усил

Рис.1. Соединение арматурных стержней с помощью косвенного армирования.1-концы стержней,2-дополнительные продольные стерши, 3-кольцевая спиральная арматура,4-бетон.

V

1 N ,_ —[— г

— А/ н

1.*21о

Рис.2. Осесимметричная задача. 1 2

N

V

/

N

Рис.3.Зоны напряженно-деформированного состояния. 1-зоны контактных напряжений, 2-зона совместных деформаций ( касательные напряжения отсусгвуют).

в арматурном стержне.

Поскольку отношение диаметра железобетонного цилиндра к ег< длине (исходя из принятых данных в экспериментальных исследованиях больше ,то его можно рассматривать как бесконечно длинный элемент к которому применим принцип Сен-Венана, позволяющий считать местны напряжения в зоне приложения нагрузки быстро затухающими. В данно: задаче в качестве местных напряжений выступают касательные напряжения в зоне контакта арматуры с бетоном. Исходя из этого в цилиндре можно выделить две зоны напряженно-деформированноп состояния (рис. 3): среднюю часть, где касательные напряжени; отсутствуют (зона совместных деформаций) и концевые части (зон, контактных напряджений). Для зоны совместных деформаций (зон основного напряженного состояния) (рис. 4,6) задача решается просто так как удовлетворение граничных условий затруднений не вызывает Для зоны контактных напряжений (рис. 4,а) задача усложняется и да ее решения можно ввести вспомогательное напряженное состояние (рис 4,в), для которого можно применить метод Бубнова-Галеркина.Тогд; решение для зоны контактных напряжений можно получить суммирование! двух более простых решений.

В гоне совместных деформаций рассматривается железобетонньп цилиндр, по торцам которого приложены нормальные напряжения ] арматуре (ф) и в бетоне (С£). Распределение усилий между арматурой ] бетоном в пределах этой зоны можно принять соответствующей отношенм их жесткостей. Для решения задачи удобно использовать обобщенна функцию напряжения (<р) в полярных координатах, удовлетворяйте условиям:

2 2 V V Ч> = О

и;

2

Понимая в данном случае под оператором V выражение:

4 ' тъг } '

При этом, компоненты напряжений и перемещений через функцик напряжений выражаются следующим образом:

где: (з , (¿>д , (¿2, » РаДиальные> кольцевые, нормальные и

касательные напряжения;

Ы^ , - радиальные и продольные перемещения;

\) , - коэффициент Пуассона; ^/Л - модуль сдвига.

Граничные условия в зоне совместных деформаций задаются с учетом наличия двух цилиндров: арматурного стержня и бетонного цилиндра. В основу задания граничных условий положено равенство радиальных напряжений и перемещений в арматуре и в бетоне, а также равенство продольных перемещений по контакту арматуры с бетоном. 3>ункции напряжений подбираются таким образом, чтобы касательные напряжения в пределах зоны основного напряженного состояния равнялись нулю:

0) ъ

для арматуры: ф = С, £ +С2 2. (4)

(2) г

где: С^ , , С5 , С4 , С5 - произвольные постоянные.

Учет влияния дополнительной и кольцевой арматуры сводится к исследованию эффекта обоймы, приведенная толщина которой определя-этся по формуле:

СХ Рпр

гдеобщая площадь поперечного сечения всех стержней дополнительной продольной арматуры; К0 - радиус сечения бетонного дилиндра.

Работа обоймы в кольцевом направлении обеспечивается спиральной арматурой, которая должна соответствовать приведенной толщине обоймы

для бетона: 0> С5 Л + С* ^ ЬлЪ _

С, для чего шаг спирали обоймы должен быть не более '1 ^ 0/4 С где: С(0 - диаметр спиральной арматуры. Функция напряжения для обоймы принимается в виде: (ъ) „ ,

Дополнительно к ранее введенным граничным условиям добавляют еще условия сопряжения двух цилиндров: бетонного и обоймы.

В зоне контактных напряжений (вспомогательное состояние) к торцу соединения приложены нормальные напряжения в арматуре = (Ь -<¿1 (<о - растягивающее напряжение) и напряжения в бетоне <2>г • В сере-редине цилиндра напряжения в арматуре и в бетоне отсутствуют. Такай постановка задачи позволяет сравнительно просто получить решение для бесконечно-длинного составного цилиндра, нагруженного на торцах садауравновешенной нагрузкой. Задача существенно облегчается при переходе к безразмерным величинам. В качестве основных параметров перехода приняты: растягивающее усилие в арматуре у торца цилиндра С; и радиус поперечного сечения арматуры .Безразмерными координатами являются:

§

= • п -Л-г0 > " г0

Решение задачи ищется в виде:

где:ио(^Д)>М0(^Д)- частные решения, удовлетворяющие граничным условиям на торцах цилиндра ( при ^ = О ), для определения которых использовалась функция напряжения Лява:

для арматуры: СР^тК^ч^Я^Д) € " (8)

<2> ^ 1 гг\т! к п)ег»гСп (к

для бетона: ^ПЧ» И^и (9)

где: - корни уравнения

Ки - корни уравнения:

Внешнюю нагрузку, действующую на арматуру и на бетон, также представим в виде ряда. Удерживая только один член ряда, вводится корректирующий коэффициент для определения эквивалентной нагрузки (коэффициент эквивалентности), учитывающий влияние остальных членов ряда. .

От частного решения Л/АЧч^Д/ требуется выполнение следующих условий:

при 5=0 и,СОЛ>-?'и(1)=0;фч1Ц-(г>

у/,(.л)-С(г) (ю)

(О со

и — йУ* ¿w* п

при <31 ~~"

где , Ф(д - произвольные функции своих аргументов и могут быть связаны между собой некоторыми дифференциальными соотношениями.

Для определения ЦД^Д),^* использован метод Еубнова-Галер-югаа, применение которого связано с выбором аппроксимирующих функций, удовлетворяющих всем граничным условиям на контуре цилиндра. Выбор таких функций был осуществлен с помощью алгоритма Б.Ф.Власова,пост-

а)

о -а

62 шттт

¿г;

1шШ

Йб-

га

Яо

Ш

6)

"5Ч

пш

Яс

ш

га

62

ГШ

Рис.4. Напряженное состояние соединение. а- исходное,

6- при отсустели касательных наоряаений, в-вспомогательное

(2) €¿01,

гри кН

при ы^заокн При #<>20,0 ни ЩСмН

_ 2 V б ь гэ & ¿о

Рис.5. Эпюры изменения касательных напряжений.

2-

Гв

/

роенного на подборе системы аппроксимирующих функций с помощью структурных формул.

В конечном итоге получена формула для определения закона изменения касательных напряжений в зоне контакта арматуры с бетоном:

г ОлМ<п+ьг2)еК1'г-0 (")

где: Q и Ь - коэффициенты, определяемые с помощью частных решении

В результате решения численного примера получены графики изменения касательных напряжений, приведенные на рис. 5 для цилиндра диаметром 125 мм при выдергивании арматуры диаметром 21 мм.

Третья глава диссертации посвящена описании экспериментальных исследований, проведенных автором для оценки эффективности предложенного типа соединения, а также полученной теоретической закономерности распределения касательных напряжений.

Была изготовлена серия образцов в количестве 9 штук: 3 образца с косвенным армированием в виде продольной и. кольцевой арматуры (рис.1) с длинами заделки (L0) 15, 20 и 25 диаметров стыкуемой арматуры, и 6 образцов без косвенного армирования, где стыкование арматуры осуществлялось внахлестку с длинами заделки (1^ в 15, 20, 25 диаметров, что дало возможность оценить влияние косвенного армирования. Диаметр стержней стыкуемой арматуры во всех образцах был принят номинально 22 мм класса А-Ш. В качестве дополнительной арматуры были использованы 3 стержня диаметром 12 мм класса А-Ш, что обеспечивало равнопрочность дополнительной и основной стыкуемой арматуры. Кольцевая спиральная арматура была принята диаметром 5 мм класса В-1 с шагом витков 50 мм. Бетон класса В15. В ходе экспериментальных исследований были уточнены диаметр стыкуемой арматуры и ее модуль упругости. Фактический диаметр арматуры оказался равным 21 мм, а модуль упругости £"р - 2,18 10 МПа.

Для измерения деформаций и определения напряжений в основной стыкуемой, дополнительной продольной и кольцевой спиральной арматуре были использованы электрические тензорезисторы, места установки которых определялись с учетом наиболее полного представления о величинах и характере напряжений в арматуре. На каждом стержне стыкуемой арматуры было установлено по 8 тензорезисторов в 4-х

точках. По два тензорезистора были установлены на одном из стержней образца за его пределами для контроля величины напряжений в арматуре, возникающих от приложения нагрузки. На одном из стержней дополнительной продольной и на спиральной арматуре были установлены по 9 тензорезисторов.

Для проведения испытаний были запроектированы и изготовлены металлическая опалубка и специальный испытательный стенд. Нагружение образцов производилось ступенями с приращением нагрузки по 10 кН. На каждой ступени нагружения снимались показания с регистрирующих приборов. Нагружение продолжалось до разрушения образцов, ¡соторое произошло при нагрузке 140 кН при длине заделки 15 6 и 210 кН при длине заделки 25 <3.

В результате испытаний была подтверждена высокая эффективность косвенного армирования. Несущая способность соединения повышается в 2,5-3 раза и ограничивается достижением пластических деформаций в арматуре.

Полученный экспериментально закон изменения касательных напряжений по контакту арматуры с бетоном, подтверждает определенный теоретически характер распределения. Наибольшая интенсивность изменения касательных напряжений зафиксирована в зоне контактных напряжений (у торцов соединения). В средней части соединения касательные напряжения оказались очень незначительными, а интенсивность их изменения близкой к нулю. В конце соединения величина касательных напряжений стабилизировалась.

ВЫВОДЫ

1. Предложенные стыковые соединения арматурных стержней с при менением косвенного армирования в виде каркаса из кольцевой спиральной и дополнительной продольной арматуры обладают высокой надежностью, повышенной, по сравнению с обычно применяемыми соединениями с перепуском арматуры, несущей способностью. Соединение практически исключает возможность хрупкого раарушения, и может быть рекомендовано к применению в условиях динамических нагрузок и т.д.

2. Проведенные испытания соединения показали, что применение кольцевой обоймы в 2,5-3 раза повышает несущую способность стыка.

3. Соединение с использованием косвенного армирования можно применять для стыковки стержней арматуры периодического профиля классов А-П и А-Ш обеспечивая, при необходимости, равнопрочность

¡оедкнения с основной арматурой, что подтверждено проведенными ¡спытаниями, при которых значительно превышался предел текучести рматуры и достигались напряжения, близкие к временному опротивлению арматуры при длине заделки, равной 25 диаметрам .рматуры.

4. Длина заделки основной арматуры может приниматься от 15 до 5 диаметров стыкуемой арматуры. Повышенная длина заделки (до 30 диметров) может быть принята в случае необходимости достижения рав-опрочности соединения и при использовании арматуры класса А-IV и ыше.

5. Простота соединения позволяет создавать его. в процессе бето-ирования, не требуя при этом специального оборудования, применения еханических крепежных элементов ( муфт, гаек и т.д.) и сварки.

6. Замоноличивание стыкового соединения с кольцевой и продоль-ой арматурой не требует применения зачеканки. Для обеспечения высо-эго качества замоноличивания соединений можно использовать для мест к установки бетон с фракционированным мелким заполнителем.

7. Предлагаемое стыковое соединение может быть использовано для гыкования арматуры классов А-1У и выше, что подтверждается резуль-атами испытания, , опыташх.. .образцов , -при - которых- напряжения в стыкуе-эй арматуре достигали 800 МПа. Однако при этом требуется экономи-зское обоснование принимаемого решения.

8. Экспериментально установлен характер изменения усилий (нор-зльных напряжений) в стыкуемой арматуре по длине заделки. Особен-эстыо закона изменения этих напряжений является снижение, независи-

з от длины заделки, интенсивности уменьшния усилий в средней зоне эделки.

9. В результате экспериментальных исследований установлено, что ?сущая способность предложенного соединения с кольцевым армировани-« в основном зависит от несущей способности дополнительной хэдольной арматуры, диаметр которой значительно меньше диаметра шовной арматуры, а следовательно, относительная длина ее заделки да>те, чем у основной арматуры.

10. Экспериментальные исследования показали, что максимальные ¡ачения напряжений в спиральной арматуре, диаметр которой составля-1 примерно 0,2 диаметра основной арматуры ( в середине и у торцов ¡разца) к моменту разрушения сравнительно невелики и не достигают ючетнъл сопротивлений, что позволяет более рационально армировать ¡единения, увеличив шаг арматуры в средней части заделки.

11. Экспериментальными исследованиями установлено, что мак мальные значения касательных напряжений имеют место у торцов сое, нения вблизи точки приложения нагрузки (на расстоянии в 2-3 см торцов). Поэтому повышение несущей способности может быть достигн1 дополнительным армирование торцевых зон.

12. Экспериментальное определение характера распределения кал тельных напряжений в зоне контакта арматуры соединения с бетоно! упругой стадии позволяет выделить 2 участка (зоны): зону перерасщ деления (зона контактных напряжений) и зону совместных деформа! (зона, где отсутствуют касательные напряжения). Это позволяет срг нительно просто получить теоретическое решение задачи, возникали при необходимости расчета соединения.

13. Предлагаемые на основе теоретических исследований спосс определения закона изменения касательных напряжений в зоне кантам арматуры с бетоном дают результаты довольно близко совпадающие экспериментом; расхождение составляет примерно 10-20 X , ч позволяет считать полученные в пределах упругих деформаи результаты достоверными.

14. Проведение исследования позволяет сделать вывод о сложное решения всех задач, связанных с созданием соединения. Среди этих з дач можно указать на необходимость исследований соединений:

- с перехлестом арматуры;

- с различными кольцевыми обоймами (как по диаметру арматур так и по диаметру самой обоймы);

- с различным процентом армирования дополнительной продольн арматуры;

- с различным эксцентриситетом действующих растягивающих усил:

Необходимо также создать практические методы оценки напряже;

но-деформированного состояния соединения.

По результатам исследований опубликована статья:

1. Мохамед Кассем Омар. Влияние косвенного армирования на анк< ровку арматуры // Тезисы докладов П конференции НУЦ физико-химичеа методов исследования. -М.; Кад-во УДН, 1989. -С.225.

2. Мохамед Кассем Омар, Касабьян Л.В., Еаргути Фу а) Исследование бессварных соединений с обоймой в виде спиралънс арматуры для большеразмерных железобетонных конструкций // Вестнике РУДН, Серия Строительство. -М.: Изд-во РУДН, 199< -С.119-131. (В печати).

9. // Зак. С * ^ Объем ///-_/ Тираж

Типография РУДН, Орджоникидае 3;'