И.Н.ТИХОНОВ, B.3.МЕШКОВ, Г.Н.СУДАКОВ, кандидаты техн. наук (НИИЖБ), К дискуссии по статье «О нормировании анкеровки стержневой арматуры»
Авторы статьи признательны г-ну Дегтяреву В.В., проживающему ныне в США, за внимание, оказанное нашей публикации, и критические замечания, относящиеся к обоснованию предпосылок повышения требований к длине анкеровки арматуры в последних изданиях американских норм ACI 318.
Касаясь анализа критериев оценки сцепления арматуры с бетоном и влияния на него различных факторов, на наш взгляд, необходимо различать две принципиальные концепции, сложившиеся в нашей стране и в США.
У нас было принято, что разрушение сцепления от продольного раскалывания бетона не может считаться расчетной моделью, так как этот очень опасный тип разрушения в принципе недопустим. Его недопустимость гарантированно обеспечивается конструктивными мерами (поперечным армированием, поперечным обжатием, толщиной защитного слоя, расстояниями между стержнями и т.п.). При этих условиях форма поверхности арматурного стержня играет превалирующую роль, так как нарушение сцепления происходит по схеме, называемой в США pull out failure.
Такая концепция способствовала в 60-80 г. г. возникновению и у нас, и на Западе множества изобретений в области периодических профилей, в том числе нескольких разновидностей серповидного. Для оценки сцепления и анкеровки во всем мире широко использовались испытания на вытягивание стержней из бетонных призм. В 1983 г. были разработаны рекомендации РИЛЕМ/ЕКБ/ФИП по методике таких испытаний. В рамках этой концепции в НИИЖБ под руководством проф. А.А. Гвоздева и в ряде других научных организаций были проведены масштабные, отличающиеся методическим разнообразием, экспериментально-теоретические исследования природы и прочности сцепления. Их результатом стали требования к определению длины анкеровки и нахлестки стержней и соответствующие конструктивные требования, вошедшие в СНиП 11-21-75. Значения длин lan и были существенно уменьшены по сравнению с требованиями норм западноевропейских стран.
В практически неизменном виде они сохранялись до 2003 г. Для страны с преимущественным распространением сборного железобетона это дало ощутимый народнохозяйственный эффект.
В США и ряде других стран в последние десятилетия возобладала концепция расчетной модели разрушения сцепления от раскалывания бетона (splitting failure), которое, по словам г-на Дегтярева, «является более типичным видом разрушения анкеровки и соединений внахлестку на практике». Это дало толчок многочисленным исследованиям по изучению факторов, влияющих на сцепление, именно в таких условиях. Естественно, приоритетными показателями здесь стали поперечное армирование (эффект обоймы), толщина защитного слоя и т.п. Форма поверхности профиля оказалась фактором второстепенным, так как, фигурально говоря, в продольно расколотом бетоне никаким профилем арматурного стержня хорошего сцепления добиться невозможно. Возникли иные, чем вытягивание из призм, методы испытаний, некоторые из которых были предложены для нормативных документов.
Результатом принятия данной концепции и соответствующих научных исследований стало существенное повышение длин анкеровки и нахлестки до еще более высокого уровня, чем требования Евронорм [1].
Можно ли с уверенностью считать эту новую концепцию безусловно лучшей и «сожалеть» о том, что «в России до сих пор действует старый подход»? Обратимся к практике эксплуатации реальных конструкций.
В СССР и позднее в РФ в обозримой ретроспективе не случалось аварийных разрушений запроектированных по действовавшим нормам конструкций по причине недостаточного сцепления арматуры с бетоном.
В США, по словам В.В. Дегтярева со ссылкой на американский источник, до введения повышенных требований ACI 318-89 таких разрушений не наблюдалось в связи с тем, что «требования норм проектирования к минимальным толщине защитного слоя и расстоянию между стержнями, а также наличие поперечной арматуры в большинстве балок и колонн предохраняли от этого».
Следует заметить, что за рубежом современные научные воззрения вовсе не столь категоричны, как это представляет г-н Дегтярев, в отношении влияния формы периодического профиля на сцепление. В хорошо известном оппоненту составленном международными авторитетами 427-страничном обзоре ФИБ «Сцепление арматуры с бетоном» [2] геометрические параметры периодического профиля и объединяющий их «индекс сцепления» fR (в пределах от 0,5 до 1,0) позиционируются как первостепенный критический фактор, гарантирующий уровень сцепления. Правда, подвергается сомнению линейный характер зависимости от fR прочности сцепления, установленной Рэмом в 1969 г.
Не отрицается столь рьяно в мире и ценность испытаний на вытягивание стержней из призм. Так, в окончательной редакции проекта Евростандарта prEN 10080 «Арматурная сталь свариваемая. Общие положения» 2005 г. [3] этот метод включен как рекомендуемый для сравнительной оценки профилей по сцеплению с бетоном. Намного раньше, по данным испытаний
С.А. Дмитриева и Н.М. Мулина (48 балочных образцов), «характер перемещений растянутой арматуры по отношению к грани бетона у опоры оказался аналогичным перемещению ненагруженного конца стержня при выдергивании из призм» [4], где прочность и деформации смещения стержней играют ключевую роль.
В наших исследованиях испытания на вытягивание проводились вовсе не для имитации работы реальных конструкций, как считает г-н Дегтярев. Этот метод был использован в целях сравнения взаимодействия с бетоном арматуры разных профилей при прочих равных условиях, именно так, как это и записано в стандарте prEN 10080. Критические же замечания в адрес методики таких испытаний в значительной части просто неверны и, как уже говорилось, идут вразрез с мнением авторитетнейших исследователей, отечественных и зарубежных.
Касаясь предложенного нами нового периодического профиля для арматурного проката класса А500 (А500СП), автор дискуссионных заметок уделил много места осуждению якобы занятой нами позиции о возможности сокращения длины анкеровки стержней только за счет увеличения fR без учета отрицательных последствий такого увеличения.
Но это не наша позиция!
На самом деле предпосылками разработки явились следующие.
1. Профиль ГОСТ 5781 с ребрами кольцевой формы, прослуживший у нас в стране как единственный для стержневой арматуры более 40 лет, из которых последние 30 лет в железобетоне применялись расчетные длины анкеровки в среднем на 30% ниже, чем по нормам ACI318-89 и Евронормам. При этом сцепление никогда не становилось причиной аварийных ситуаций (не считая, конечно, случаев раскалывания торцов тонких сборных плит при несоблюдении технологии отпуска натяжения).
2. Этот профиль имеет ряд недостатков с точки зрения технологии прокатки. Кроме того, в больших диаметрах из-за слишком частого оребрения значительная часть металла (до 7%) исключается из работы по восприятию стержнем осевых усилий, малые расстояния между ребрами препятствуют плотной компоновке частиц крупного заполнителя вокруг сердечника стержня, при этом значения fR выходят за верхний предел оптимального диапазона.
3. С начала 90 гг. ориентированные на экспорт крупные металлургические заводы стали выпускать арматуру всех классов с так называемым европрофилем с серповидными поперечными ребрами. Являясь более технологичным для металлургов, так как позволяет увеличивать скорость прокатки и долговечность валков, этот профиль страдал пониженным сцеплением с бетоном из-за того, что, согласно prEN 10080, до 25% поверхности стержня может быть лишена поперечного оребрения. Его нормируемое значение fR лежит на нижней границе приемлемого интервала. Проведенные в Украине и Белоруссии экспериментальные исследования ясно показали необходимость увеличения длин анкеровки до уровня Евронорм (на 25-30%), что и было оперативно сделано в этих странах [5,6,7]. Усиление профиля путем увеличения высоты ребер нежелательно с точки зрения технологии прокатки и, как справедливо замечает наш оппонент, неизбежно вызовет усиление распора в зонах анкеровки.
4. С развитием производства и распространением высокоэффективной арматуры класса А500С при сохранении все еще превалирующего объема арматуры класса А400 у строителей возникла проблема распознавания класса арматурных стержней на стройплощадках и заводах ЖБИ.
В этой связи представлялось целесообразным для арматуры класса А500С разработать технологичный в прокатке периодический профиль, легко отличимый даже на ощупь, причем, желательно, не уступающий по сцеплению профилю по ГОСТ 5781, с тем чтобы не требовалось увеличивать длину анкеровки по сравнению с требованиями СНиП 2. 03.01-84.
Созданный нами четырехсторонний (с четырьмя рядами серповидных ребер) профиль имеет оребрение всей поверхности сердечника при высоте ребер такой же, как у европрофиля, и несколько большем шаге ребер в каждом ряду. В этом профиле fR гарантируется на оптимальном уровне 0,075-0,078, но не за счет роста ребер и уменьшения их шага, а следовательно, без создания условий для опасного развития усилий распора. За счет более равномерно распределенной по периметру сечения площади смятия поперечных ребер естественно предположить и столь же равномерное распределение нормальных к поверхности стержня напряжений распора. Кстати, это, с точки зрения г-на Дегтярева, «умозрительное заключение» подтвердилось сравнительными испытаниями призм со стержнями 025 мм, разрушившихся от раскалывания бетона. Раскалывание образцов со стержнями с двухсторонним серповидным профилем происходило при меньшей осевой нагрузке на стержень, чем образцов со стержнями, имеющими четырехсторонний профиль.
В настоящее время это явление экспериментально проверяется нами более углубленно по иным методикам. В частности, первые данные в начатой серии испытаний по определению длины зоны передачи напряжений при отпуске натяжения также свидетельствуют о меньшей «распорности» четырехстороннего профиля.
5. Испытания на вытягивание из призм стержней серповидного, кольцевого и нового четырехстороннего профилей (суммарное количество образцов перевалило за полторы сотни) однозначно указывают на преимущественное положение нового профиля по таким показателям, как максимальное усилие вытягивания, деформации втягивания конца стержня, сохранение максимального усилия при значительных пластических деформациях стержня.
Это дало основание сделать вывод о возможности применения к арматуре нового профиля требований к длинам анкеровки и нахлестки, аналогичных установленным 30 лет назад для кольцевого профиля и доказавших за это время свою надежность.
Утверждения В.В. Дегтярева о том, что улучшение сцепления достигнуто нами только за счет увеличения fR, на наш взгляд, безосновательны и даже не умозрительны.
При этом нельзя, конечно, отказать в справедливости его суждений относительно положительного влияния на сцепление адекватного поперечного армирования.
Это влияние хорошо известно и учитывается во всех отечественных нормативных документах в разделах, регламентирующих длины анкеровки и нахлестки арматурных стержней.
Бетон и железобетон, 2007 №1