С.А.МАДАТЯН, д-р техн. наук, проф., В.В.ДЕГТЯРЁВ, канд. техн. наук (НИИЖБ), Деформативность и трещиностойкость изгибаемых элементов, армированных стержнями класса А500С, соединёнными внахлёстку без сварки
В первом номере журнала за 2002 г. была опубликована статья, посвящённая прочности железобетонных изгибаемых элементов, армированных стержнями класса А500С, соединёнными внахлёстку без сварки. В ней была описана методика проведения эксперимента и конструкция опытных балок.
В данной статье рассматривается влияние длины нахлёстки при наличии и отсутствии в её пределах поперечной арматуры (огибающих хомутов), объёмного коэффициента армирования в пределах длины нахлёстки, вида периодического профиля арматуры и прочности бетона на деформативность и трещиностойкость железобетонных изгибаемых элементов.
Следует отметить, что в большинстве случаев первые нормальные трещины были обнаружены в сечениях у границы зоны стыка и под грузами.
В балках с составными стержнями наблюдалось образование продольных трещин в зоне стыка.
На рис. 1 показан график зависимости относительного момента образования нормальных трещин
МсгсРсост./МсгсРц (МРсост - момент образования нормальных трещин в балках с составными стержнями, Мсгсд.— момент образования нормальных трещин в балках с целыми стержнями) от относительной длины нахлёстки I/d при отсутствии в её пределах поперечной арматуры (серия 1).
Из этого графика видно, что при длине нахлестки 20d и 30d значение момента образования нормальных трещин в балках с составными стержнями было равно значению момента образования нормальных трещин в балках с целыми стержнями. Значение момента образования нормальных трещин в балках с длиной нахлёстки 10d составляло 0,75МХСРЦ.
Во всех балках серии 1 продольные трещины образовывались одновременно с разрушением.
Из рис. 2 следует, что с увеличением длины нахлёстки увеличивается и момент образования продольных трещин. Эта зависимость является линейной.
Проведённые исследования показали, что при наличии в пределах длины нахлёстки поперечной арматуры в виде огибающих хомутов, установленных с шагом 40 мм (l =0,016) момент образования нормальных трещин не зависит от длины нахлёстки. Он был равен моменту образования нормальных трещин в балках с целыми стержнями.
На рис. 3 показан график зависимости относительного момента образования продольных трещин в зоне стыка от относительной длины нахлёстки, при наличии в пределах стыка огибающих хомутов с объёмным коэффициентом армирования
Из рис. 3 следует, что увеличение длины нахлёстки при наличии в её пределах огибающих хомутов приводит к практически линейному увеличению момента образования продольных трещин.
Постановка в пределах длины нахлёстки хомутов с шагом 40 мм (1=0,016) привела к увеличению момента образования продольных трещин в опытных балках с длиной нахлестки 10d, 20d и 30d соответственно на 45, 54 и 31 %.
При длине нахлёстки равной 30d и наличии в её пределах огибающих хомутов (=0,016) момент образования продольных трещин был равен разрушающему моменту балок с целыми стержнями.
В результате проведённых исследований было установлено, что при изменении объёмного коэффициента армирования от 0,005 до 0,016 и длине нахлёстки 30d момент образования нормальных трещин равен 0,75МРЦ и не зависит от шага хомутов.
На рис. 4 приведён график зависимости относительного момента образования продольных трещин в зоне стыка от объемного коэффициента армирования. Из него следует, что при уменьшении объемного коэффициента армирования от 0,016 до 0,01 момент образования продольных трещин уменьшается от 0,73Мд до 0,59МР. При дальнейшем уменьшении’объёмного коэффициента армирования от 0,01 до 0,005 момент образования продольных трещин не изменяется и равен 0,59МдР .
В исследованном интервале изменения относительной площади смятия поперечных рёбер от 0,071 (серповидный профиль) до 0,117 (кольцевой профиль) при длине нахлёстки 20d и объёмном коэффициенте армирования в пределах стыка (=0,01 момент образования нормальных трещин не зависел от вида периодического профиля арматуры и был равен в среднем 0,88МЦ .
Абсолютная величина момента образования продольных трещин также не зависела от вида периодического профиля и была равна 14 кНм.
В исследованном интервале изменения прочности бетона от 31,5 до 42,3 Н/мм2, длине нахлёстки 30d и объёмном коэффициенте армирования в пределах стыка =0,016 прочность бетона не повлияла на значение момента образования нормальных трещин, которое было равно опытному моменту образования нормальных трещин в балках с целыми стержнями Мрц .
Значение момента образования продольных трещин увеличивается с ростом прочности бетона. Эта зависимость может быть описана уравнением
Влияние исследуемых факторов на ширину раскрытия трещин состояло в следующем:
- в балках, армированных стержнями, соединёнными внахлёстку без сварки, ширина раскрытия нормальных трещин была больше, чем в балках с целыми стержнями;
- с увеличением длины нахлёстки как при отсутствии в её пределах поперечной арматуры, так и при её наличии, уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин;
- с увеличением относительной площади смятия fr уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин и увеличивается ширина раскрытия продольных трещин. Ширина раскрытия продольных трещин в балках с арматурой кольцевого периодического профиля достигала 0,1 мм, в то время как в точно таких же балках с арматурой серповидного периодического профиля она не превышала 0,025 мм.
- влияние объёмного коэффициента армирования в пределах стыка и прочности бетона на ширину раскрытия трещин установлено не было.
Рассмотрим влияние исследуемых факторов на деформативность изгибаемых элементов.
Было установлено, что прогибы балок с целыми стержнями в большинстве случаев были больше, чем прогибы балок с составными стержнями. Этот факт можно объяснить следующим. Стыкуя арматуру внахлёстку, мы в одном сечении (в середине пролёта) устанавливаем вдвое большее количество арматуры. Это приводит к некоторому повышению жёсткости элемента. С другой стороны, в пределах стыка происходит смещение стержней относительно бетона, что приводит к снижению жёсткости. В проведённых опытах, по-видимому, превалирующим было первое.
Это подтверждается тем, что пред разрушением балок с длиной нахлёстки 10d и 20d их прогиб был больше прогиба балок, армированных целыми стержнями. То есть при нагрузках, близких к разрушающим, большее влияние на жёсткость стало оказывать смещение стержней относительно бетона в пределах стыка. При наличии в пределах стыка огибающих хомутов, увеличение длины нахлёстки приводит к уменьшению прогибов. Влияние длины нахлёстки при отсутствии в её пределах поперечной арматуры на прогибы установить не удалось, также как и влияние объёмного коэффициента армирования и прочности бетона.
Вид периодического профиля арматуры не повлиял на прогибы.
Кроме этого, было установлено, что
- поперечные деформации растяжения бетона на уровне арматуры в зоне стыка были больше у балок с составными стержнями по сравнению с балками, армированными целыми стержнями;
- поперечные деформации растяжения бетона на уровне арматуры в зоне стыка с увеличением объёмного коэффициента армирования уменьшались;
- у балок, армированных как целыми, так и составными стержнями кольцевого периодического профиля, поперечные деформации растяжения бетона на уровне арматуры были больше, чем у балок, армированных стержнями серповидного периодического профиля.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В балках, армированных стержнями, соединёнными внахлёстку без сварки, ширина раскрытия нормальных трещин была больше, а прогибы меньше, чем в балках, армированных целыми стержнями.
2. С увеличением длины нахлёстки при отсутствии в её пределах поперечной арматуры повышается момент образования нормальных трещин и продольных трещин, уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин.
3. Постановка в пределах длины нахлёстки огибающих хомутов с объёмным коэффициентом армирования 1=0,016 обеспечивает независимость момента образования нормальных трещин от длины нахлёстки и приводит к повышению момента образования продольных трещин на 31-54 % (в зависимости от длины нахлёстки). С увеличением длины нахлёстки при наличии в её пределах огибающих хомутов с =0,016 повышается момент образования продольных трещин и уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин.
4. При изменении объёмного коэффициента армирования от 0,016 до 0,005 и длине нахлёстки 30ds момент образования нормальных трещин был равен 0,75 МссРнорМ.ц и не зависел от Уменьшение от 0,016 до 0,01 привело к уменьшению момента образования продольных трещин на 24 %. Дальнейшее уменьшение от 0,01 до 0,005 не повлияло на момент образования продольных трещин.
5. Момент образования нормальных и продольных трещин, а также прогибы не зависят от вида периодического профиля арматуры (серповидный или кольцевой). С увеличением относительной площади смятия fr уменьшается ширина раскрытия нормальных трещин и увеличивается ширина раскрытия продольных трещин.
6. При наличии в пределах длины нахлёстки огибающих хомутов увеличение длины нахлёстки приводит к уменьшению прогибов.
7. Поперечные деформации растяжения в зоне стыка были больше у балок с составными стержнями по сравнению с балками, армированными целыми стержнями.
8. Поперечные деформации растяжения в зоне стыка с увеличением объёмного коэффициента армирования уменьшались.
9. У балок, армированных как целыми, так и составными стержнями кольцевого периодического профиля, поперечные деформации растяжения были больше, чем у балок, армированных стержнями серповидного периодического профиля.
Бетон и железобетон, 2003 №2