И.Н. Тихонов канд. техн. наук (НИИЖБ), Эффективная стержневая арматура для железобетонных конструкций
Критериями эффективности стержневой арматуры, помимо экономических показателей, являются нормируемая прочность, способность к значительным пластическим деформациям перед разрывом стержня и надежное сцепление с бетоном.
Увеличение прочностных показателей арматурного проката позволяет снижать металлоемкость железобетона. Высокие характеристики пластичности арматуры дают возможность оптимального перераспределения усилий с наиболее нагруженных участков статически неопределимых железобетонных конструкций на менее нагруженные за счет образования пластических шарниров. Пластичность арматуры очень важна и для повышения энергоемкости деформирования строительных сооружений под действием нагрузок, вызванных чрезвычайными ситуациями (землетрясения, пожары, взрывы и т.п.), и .следовательно, для снижения риска прогрессирующего обрушения.
Сцепление арматуры с бетоном должно гарантировать надежное заанкеривание и стыкование арматурных стержней внахлестку на достаточно коротких участках, удерживать в допустимых пределах раскрытие трещин и прогибы в стадии эксплуатации и в тоже время обеспечивать контролируемую податливость участков конструкции, запроектированных как пластические шарниры.
Многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями последних лет показано, что комплекс механических свойств арматуры класса А500С является оптимальным для железобетонных конструкций без предварительного напряжения, так как во многих случаях дает возможность гармонизации расчетных требований, относящихся к первой и второй группам предельных состояний, при хороших экономических показателях.
Сегодня страны ЕЭС практически перешли на исключительное применение в обычном железобетоне арматурной стали со свойствами класса А500С, что позволило унифицировать производство арматурного проката и снизить металлоемкость железобетона в среднем на 10%.
Стержневая арматурная сталь в Европе производится с периодическим профилем согласно EN-10080- 1 (1998), в котором серповидные поперечные ребра не имеют пересечений с продольными ребрами (рис. 1, а). По геометрическим характеристикам, имеющим первостепенное влияние на сцепление с бетоном, этот профиль в значительной мере отличается от периодического профиля по ГОСТ 5781 (рис. 1, б) с кольцевыми поперечными ребрами, с которым до 1990 г. производилась вся отечественная горячекатаная и термомеханически упрочненная арматура.
Позднее металлургические заводы стран СНГ, производящие арматурный прокат для железобетонных конструкций, начали массовое освоение зарубежных рынков сбыта своей продукции. Многими предприятиями был освоен выпуск проката с профилем европейского образца по СТО АСЧМ 7-93 (с серповидным поперечным ребром). Однако широкое распространение этой арматуры и в России потребовало пересмотра требований канкеровке и стыкованию арматурных стержней внахлестку, так как соответствующие положения действующих СНиП 2.03.01-84, разработанные на основе многолетних исследований сцепления с бетоном арматуры с профилем по ГОСТ 5781, радикально отличаются от нормативов западных стран.
Согласно евронормам EN 19921 -1 (April 2003), требуемые значения длин анкеровки и нахлестки для стержневой арматуры с нормативным пределом текучести 500 МПа превышают аналогичные показатели по СНиП 2.03.01 в среднем на 50-60%, что, видимо, отражает накопленный многолетний опыт применения арматуры с серповидным периодическим профилем в странах Западной Европы.
Критерий Рема (относительная площадь смятия под поперечными ребрами), являющийся общепризнанной характеристикой периодического профиля арматуры с точки зрения сцепления с бетоном, определен по формуле
Образцы для испытаний представляли собой бетонные кубы размером 250x250x250 мм, армированные одним центрально расположенным стержнем с двумя выпусками: коротким (L=15 мм) и длинным (L=800 мм).
Длина зоны сцепления с бетоном стержней диаметром 16 мм составляет 100 мм (6,25d), а диаметром 25 мм -125 мм (5d); на остальной длине стержня (в пределах бетонного куба) сцепление было искусственно нарушено с помощью отрезка резиновой трубки, надетой на стержень до бетонирования. Использовались двухсекционные формы, в каждой из которых бетонировали два образца со стержнями одинакового диаметра (по одному с каждым видом профиля).В каждой серии все образцы были забетонированы из одного замеса и испытаны по прошествии 27 - 28 сут после бетонирования в течение одного дня.
Испытание заключалось в вытягивании из куба, который установлен на опорной плите испытательной машины, арматурного стержня, длинный выпуск которого закреплен в нижнем захвате машины. В процессе вытягивания регистрировали смещения торца короткого выпуска стержня относительно поверхности бетонного куба.
На рис. 5 приведены результаты испытаний на вытягивание в виде графиков зависимости среднего по серии смещения торца незагруженного выпуска от растягивающего напряжения в стержне.
Нарушение сцепления и разрушение всех образцов с арматурой диаметром 16 мм произошло в результате среза бетонных консолей между поперечными ребрами арматуры и носило пластический характер. Разрушение образцов с арматурой диаметром 25 мм произошло от хрупкого раскалывания кубов.
Результаты испытаний, представленные на рис. 5, демонстрируют преимущество в работе на сцепление стержней с новым профилем во всех сериях. Взаимное расположение кривых “нагрузка - смещение указывает на то, что для стержней диаметром как 16, так и 25мм, новый профиль обеспечивает большую прочность и жесткость сцепления. Тот факт, что раскалывание образцов со стержнями 025мм нового профиля происходило при нагрузке на 12-15% большей, чем со стержнями серповидного профиля (при равной высоте поперечных ребер), позволяет также заключить, что новый профиль может характеризоваться как менее “распорный, т.е. передающий на окружающий бетон относительно меньшие (или более равномерно распределенные) усилия, нормальные к оси стержня.
Следует отметить, что разница в нагрузке при одинаковых значениях смещения незагруженного конца для нового и европейского профилей у арматуры 025 мм была на всех этапах нагружения меньше, чем у арматуры 016 мм. Это можно объяснить тем, что фактическая относительная площадь смятия поперечных ребер fr (критерий Рема) нового профиля превышала fr европейского у стержней 016 мм на 37%, а у стержней 025 мм лишь на 16%.
Общеизвестно, что с увеличением fr (в определенных пределах) прочность сцепления стержня периодического профиля с бетоном возрастает. Для профилей с отношением расстояния между ребрами в свету к их высоте tjh=5-8 (в эту фуппу входят практически все применяемые у нас профили горячекатаной стали) в качестве критического уровня fr превышение которого не приводит к улучшению сцепления, в ряде источников [1,2] называется область значений 0,0750,080.
На рис.6 представлена интерпретация результатов испытаний в виде зависимости относительного усилия вытягивания ag/Rb стержней с разными профилями от относительной площади смятия fr На график также нанесены данные аналогичных опытов из [1] (наполовину зачерненные значки). Наличие вышеупомянутой обпасти критических значений критерия Рема подтверждается с достаточной очевидностью. К тем же выводам приходят и авторы фундаментальной работы [2], которые приводят зависимость от fr длины зоны заанкеривания стержней/ (рис.7).
Из-за конструктивных особенностей серповидного (европейского) профиля с вершинами поперечных ребер, расположенными в одной осевой плоскости арматурного стержня, обеспечение в массовом прокатном производстве стабильной большой высоты поперечных ребер, гарантирующей fT на уровне 0,075- 0,080 весьма проблематично в техническом отношении. К тому же, как уже отмечалось, увеличение высоты серповидных поперечных ребер в европейском профиле увеличивает усилия распора, снижающие эксплуатационные свойства железобетонных конструкций. Что касается нового профиля, то выполнение для него оптимальных требований по fr как показали опытные прокатки на РУП БМЗ, не встречает каких-либо производственно-технических трудностей и подтверждено введением в согласованный проект ТУ минимального значения 0,078 для сор- таментного ряда от 10 до 25 мм.
Изложенное выше позволяет заключить, что нормирование fr в стандартах на стержневую арматуру очень важно для обеспечения надежной работы железобетонных конструкций. При этом в нормах проектирования целесообразно введение дифференцированного подхода к расчету длин анкеровки в зависимости от устанавливаемых стандартом значений этого критерия.
В качестве безусловного преимущества европрофиля обычно называют повышенную выносливо- стойкость арматурных стержней по сравнению с арматурой с кольцевым профилем. Для сравнительной оценки поведения арматуры с европейским серповидным и новым профилем при многократно повторяющихся динамических нагрузках были проведены усталостные испытания прокатанных на БМЗ стержней диаметром 25 мм класса А500С с профилем обоих типов, которые имели практически одинаковые химический состав и механические характеристики. Испытания проводили в соответствии с требованиями европейских норм EN-10080 при отах= 300 Н/мм2, amin= 120 Н/мм2, До=180 Н/мм2, которые включены также и в проект нового стандарта на арматуру класса А500С.
Данные испытаний (табл.2) позволяют заключить, что выносливость арматуры с новым профилем не ниже, чем у арматуры с европейским серповидным профилем и соответствует требованиям как действующего СТО АСЧМ 7-93, так и проекта нового стандарта на арматуру А500С.
Выводы
1. Переход ряда металлургических предприятий на выпуск стержневой арматурной стали с профилем европейского образца (с серповидными поперечными ребрами) привел к необходимости изменения в сторону увеличения нормативных требований к длинам анкеровки и нахлестки рабочей арматуры, приблизив их к соответствующим значениям евронорм. Для конструкций без предварительного напряжения с арматурой класса А500С это увеличивает металлоемкость железобетонных конструкций, усложняет конструктивные решения элементов, требует переработки большого объема типовой проектной документации.
2. В НИИЖБе разработан новый арматурный профиль, который, по данным проведенных испытаний, обладает комплексом характеристик сцепления с бетоном, позволяющим не увеличивать проектных значений длин анкеровки и нахлестки арматурных стержней по сравнению с действующими СНиП 2.03.01-84; обеспечивает выносливостойкость стержней, соответствующую действующему и подготавливаемому к выпуску новому стандарту на арматурную сталь А500С; имеет форму, позволяющую безошибочно визуально идентифицировать класс арматуры, что будет способствовать ускорению массового внедрения и эффективного использования преимуществ арматуры класса А500С.
3. В подготавливаемые к выпуску новые нормы проектирования целесообразно введение требований к длинам анкеровки и нахлестки арматурных стержней, дифференцированных для двух групп профилей, имеющих соответственно:
1) от 0,056 до 0,075 ( профили по СТО АСЧ М 7 - 93 и ГОСТ 1088494);
2) 0,075 и более (профиль с кольцевыми ребрами по ГОСТ 578182 и новый профиль с серповидными поперечными ребрами, вершины которых размещаются во взаимно перпендикулярных осевых плоскостях стержня).
4. В формуле расчетного сопротивления сцепления арматуры с бетоном
В этом случае расчетные значения длин анкеровки и нахлестки арматуры с новым профилем останутся на уровне требований СНиП 2.03.01-84.
5. Учитывая выявленные в работе [1] недостатки периодического профиля по ГОСТ 5781 с кольцевыми ребрами, его применение в ограниченных масштабах можно допустить только для производства горячекатаной арматурной стали с нормативным сопротивлением не более 400 МПа.
Бетон и железобетон, 2004 №5