А.С. СЕМЧЕНКОВ, А.С. ЗАЛЕСОВ, доктора техн. наук, В.З. МЕШКОВ, канд. техн. наук, А.А. КВАСНИКОВ, инж., ХАРАКТЕР СЦЕПЛЕНИЯ С БЕТОНОМ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ПРОФИЛЕЙ
В настоящее время металлургические комбинаты нашей страны выпускают стержневую ненапрягаемую арматуру классов А400 (80%) и А500С (20%) двух профилей: старого, кольцевого, профиля по ГОСТ 5781-82 (рис. 1а) и двухстороннего серповидного европрофиля по ГОСТ 52544-2006 (рис. 16) [1]. При этом прокатная маркировка класса (в виде трудно читаемых шифров) наносится обычно только на арматуре, поставляемой на экспорт, что затрудняет определение класса прочности арматуры при входном контроле на стройплощадках и предприятиях стройиндустрии и часто приводит к пересортице арматуры. Такая ситуация недопустима.
По характеру разрушения сцепления с бетоном типы арматурных профилей можно условно подразделить на жесткие и мягкие” При жестком профиле стержень продергивается в бетоне при резко (при деформации сдвига V меньше граничного вследствие хрупкого среза бетонных выступов (рис.2а). При мягком профиле стержень продергивается в бетоне при плавно (при деформации сдвига больше граничного значения <Т) в результате постепенного смятия бетонных выступов (рис.2б), образования поперечных трещин, отслоения бетона от арматуры и раскалывания образца с образованием продольных трещин от среза.
Кольцевой профиль в СССР стали применять в конце 40-х годов. Его конфигурация соответствовала профилям, используемым в то время в Германии и США, однако геометрические параметры (табл 1), заложенные в стандарт на арматурный прокат ГОСТ 5781-61, были скорректированы на основании отечественных исследований с учетом преимущественно индустриального производства ЖБИ. Отечественный профиль обеспечивал более высокую прочность и жесткость сцепления
К недостаткам этого профиля относят следующие
• профиль жесткий допускающий возможность хрупкого среза бетонных выступов при выдергивании арматуры из-за частого шага поперечных ребер
• малые расстояния между ребрами, препятствующие плотной компоновке частиц крупного заполнителя вокруг сердечника стержня
• в стержнях большого диаметра из-за частого расположения ребер исключается до 7% металла из работы на восприятие осевых усилий
• ускоренный износ валков чистовой клети из-за частого расположения пересечений поперечных ребер с продольными
• возможность концентрации напряжений в точках пересечения поперечных ребер с продольными
Практически все недостатки кольцевого профиля в большей или меньшей степени связаны с малым шагом поперечных ребер, пересекающихся с продольными.
В 90-х годах крупные металлургические заводы, ориентированные тогда в основном на экспорт продукции, стали выпускать арматуру всех классов с так называемым европрофилем с серповидными поперечными ребрами. Этот профиль, заложенный в большинство западноевропейских стандартов, является более технологичным в производстве, чем кольцевой, позволяя увеличивать скорость прокатки и долговечность формующих валков
Согласно британскому стандарту на арматуру периодического профиля BS 4449-2005 (см табл.1), в наибольшей степени гармонизированному с проектом евростандарта prEN 10080 FINAL DRAFT January 2005 [1], конфигурация профиля должна отвечать следующим требованиям:
• иметь два и более рядов поперечных ребер, равномерно распределенных по окружности периметра стержня
• поперечные ребра должны иметь серповидную форму и плавное сопряжение концов с сердечником стержня
• в поперечном сечении стержня ребра должны покрывать не менее 75% длины номинального периметра стержня
• продольные ребра могут как присутствовать, так и отсутствовать
Параметры ребер (см. табл. 1) задаются комбинацией значений шага с, высоты h, толщины Ь, угла наклона поперечных ребер к оси стержня (3” и угла наклона боковых граней ребер а (см. рис. 1), либо значением характеристики (индекса) сцепления fR. В наших условиях ввиду отсутствия на большинстве заводов приборов для объективного автоматического измерения fR, надо использовать одновременно оба параметра.
В материалах ФИБ [2] геометрические параметры периодического профиля, гарантирующие необходимый уровень сцепления, характеризуются предложенным Рэмом в 1969 г коэффициентом
Считается [2, 3, 4], что геометрические параметры периодического профиля и объединяющий их индекс сцепления j)( в пределах 0,05-0,10 обеспечивают приемлемое сочетание таких показателей сцепления, как максимальная прочность сцепления, ограничение прогибов и раскрытия трещин, а также минимальный распор, вызывающий откалывание защитного слоя и продольное раскалывание. В настоящее время выдвинутое Рэмом предположение о линейном характере зависимости прочности сцепления от fK подвергается сомнению. Недостатком формулы (1) является также то, что она не учитывает возможность хрупкого разрушения от среза при изменении прочности бетона.
Индексы fR, приведенные в табл.1, определены как средние значения для заданных интервалов h и с. Они в разной степени отличаются от браковочных значений fR, установленных стандартами.
Определим качественную характеристику профиля (жесткий или мягкий), проанализировав теоретически характер возможного разрушения (срез или смятие) бетонных выступов (шпонок) между поперечными ребрами без учета влияния у поперечных ребер арматурных профилей углов наклона а и (3 (см. рис.1 и табл.1) и смягчающих профиль. Эти углы наклона, понижающие значение Тсм, могут заметно смягчить арматурный профиль. Чтобы исключить скольжение поперечных ребер по бетону, необходимо выполнение условия
Следовательно, все бетонные шпонки, образуемые кольцевым профилем, независимо от класса бетона должны разрушаться от среза, и профиль является безусловно жестким, а бетонные шпонки, образиемые серповидным профилем, должны разрушаться от смятия при В 15, В25 и В40, а при В60 - от среза. При увеличении прочности бетона у кольцевого профиля наблюдается смягчение сцепления, а у серповидного ужесточение.
Из графиков на рис.З, построенных по формуле (5) при разрушении от среза (6) и от смятия (7), видно, что прочность сцепления серповидного профиля даже при явно завышенном для него/Л« 0.066 ниже, чем у кольцевого, в среднем от 1,75 раза при В 15 и до 1,18 раза при В60, примерно настолько же у него больше и податливость.
Испытания подтверждают, что двухсторонний серповидный периодический профиль, по сравнению с кольцевым, обладает меньшей прочностью и большей податливостью при вытягивании из железобетонных призм из-за того, что в поперечном сечении до 25% периметра стержня не имеет поперечных ребер, и настолько же у них больше шаг. Это делает необходимым применение значительно больших, до 30-50%, расчетных длин анкеровки и нахлестки стержней, что отражено в зарубежных нормах проектирования [6].
Кроме того, при соблюдении расстояния между поперечными ребрами и ограничении их высоты в рамках технологических возможностей горячей прокатки проблематично получение гарантируемого уровня индекса сцепления fR более 0,056, что подтверждается данными по зарубежному профилю (см. табл.1). Усиление профиля путем увеличения высоты и/или уменьшения шага ребер нежелательно для процесса прокатки. К тому же увеличение высоты ребер без увеличения их шага неизбежно вызовет ужесточение сцепления и усиление распора в зонах анкеровки с двух, а не с четырех сторон, как у кольцевого профиля.
С развитием производства и распространением высокоэффективной арматуры класса А500С при сохранении все еще значительно превалирующего объема арматуры класса А400 на стройплощадках и заводах ЖБИ, как уже отмечалось выше, возникла проблема распознавания класса арматурных стержней. В этой связи представлялось целесообразным для арматуры класса А500С разработать технологичный в прокатке предпочтительно относительно мягкий периодический профиль, легко отличимый визуально и на ощупь, причем не уступающий по сцеплению (усилию вытягивания) профилю по ГОСТ 5781, с тем чтобы при проектировании не требовалось увеличивать длину анкеровки и нахлестки стержней по сравнению с требованиями СНиП 2.03 01-84.
Разработанный в НИИЖБе четырехсторонний профиль (рис.4) имеет серповидное (как у европрофиля) оребрение всей поверхности сердечника в каждом ряду. Коэффициент Рэма (1) для четырехрядного профиля определяется по формуле
В результате при одинаковой высоте основных и дополнительных поперечных ребер вычисленный осредненный индекс к для диаметров от 10 до 40 мм составляет 0,1008, а при уменьшенной вдвое высоте дополнительных ребер /, = 0,078. Даже если в запас прочности исключить пересекающиеся (накладывающиеся) участки дополнительных поперечных ребер, то коэффициент flt = 0,066. Здесь высокое значение jR у профиля НИИЖБа достигается не за счет увеличения высоты ребер и уменьшения их шага, а следовательно, без создания условий для опасного развития усилий распора. Для диаметров от 10 до 40 мм и h осредненные значения п равняются 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 [7] В настоящее время это явление экспериментально проверяется 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 [11].
Из графиков (см. рис.3) и табл. 2 следует, что четырехсторонний периодический профипь НИИЖБа при Л, = h имеет по осредненным показателям наиболее мягкий профиль п, оптимально высокое значение fH = 0,1, максимальную величину сцепления и соответственно минимальную длину анкеровки арматуры /„„. Экспериментальные исследования подтверждают высокий уровень сцепления с бетоном стержней данного профиля. Это дало основание сделать вывод о возможности применения к арматуре нового профиля требований к длинам анкеровки и нахлестки, близких к установленным для кольцевого профиля, и доказавших за 30 лет свою надежность.
При снижении высоты дополнительных поперечных ребер значения и у профиля НИИЖБа сравняются с таковыми у кольцевого профиля, но сам профиль останется мягким. При дальнейшем снижении показатели приблизятся к верхним значениям серповидного профиля. Но при этом профиль НИИЖБа останется более мягким и будет создавать меньшие поперечные распорные усилия, вызывающие раскалывание бетона. Сравнение основных характеристик рассмотренных профилей (см. табл. 2 и 3) показало значительное преимущество профиля НИИЖБа, что меньше т (12), соответствуют мягкому профилю и склонны к разрушению сцепления от смятия бетона. Из графиков (см. рис.З) следует, что наибольшая прочность сцепления арматуры с бетоном у профиля НИИЖБа по смятию для высоких классов В40 и В60, а у кольцевого профиля - по срезу для классов В 15 и В25. Новый профиль превосходит серповидный по прочности сцепления от 1,52 при В 15 до 1,61 при В60.
Благодаря более равномерно распределенной по периметру сечения площади смятия поперечных ребер у него, естественно, достигается более равномерное распределение напряжений распора, вызывающих раскалывание бетона при прочих равных условиях. По этому показателю новый профиль превосходит обычный серповидный, что в сочетании с улучшенным сцеплением позволяет уменьшить необходимую длину анкеровки стержней, по сравнению со стержнями серповидного профиля, и приравнять ее к стержням с кольцевым профилем. Это подтвердилось сравнительными испытаниями на вытягивание стержней 025 мм из бетонных призм,
Отрицательное влияние концентраторов напряжений. вызванных конфигурацией ребер профиля, на предел выносливости стержней при низких значениях коэффициента асимметрии цикла растягивающей нагрузки было установлено и подробно изучено многими исследователями На основе статистической обработки опытных данных в нормы проектирования [8] были введены дифференцированные (в зависимости от уровня асимметрии цикла нагрузки) значения понижающих коэффициентов условий работы wu, (Yu) для расчетных сопротивлений арматуры. Эти коэффициенты должны учитываться в расчетах подкрановых балок, мостов и некоторых конструкций промышленных зданий.
В жилищно-гражданском строительстве выполнение требований по выносливости арматуры вообще не требуется. Значения этих коэффициентов для основных видов арматуры не подверглись каким-либо изменениям по сей день [9], в том числе и для стержневой арматуры двухстороннего серповидного профиля, конфигурация которого позволяет уменьшить число зон на поверхности стержней, где возможно развитие концентрации напряжений. Заметим, что несмотря на это мостовики отказываются применять арматуру серповидного профиля, так как не уверены в адекватности её анкеровки в бетоне. При статических нагрузках рисунок профиля, наносимого горячей прокаткой, может оказывать влияние на прочность и пластичность арматуры только при криогенных температурах [10]. Исследования показали, что действительно опасными концентраторами напряжений, приводящими к квазихрупким и даже хрупким разрушениям арматуры, являются искусственные повреждения поверхности стержней в виде механического надреза, поджога сваркой или острой вмятины от удара (засечки). Они могут привести к авариям и при статическом приложении нагрузки.
В четырехстороннем профиле НИИЖБа число зон пересечения продольных и поперечных ребер, в наибольшей мере ответственных за концентрацию растягивающих напряжений в стержне, уменьшено, по сравнению с кольцевым профилем, примерно вдвое, причем пересечения эти имеют более скругленную форму, а серповидная форма окончания малых поперечных ребер благоприятна для затухания потенциально возможных усталостных трещин на поверхности стержня. Проведенные исследования показали, что стержни с четырехсторонним и двухсторонним серповидным профилем одинаково успешно выдерживают усталостные испытания в грузовых режимах, соответствующих требованиям отечественных стандартов на арматуру класса А500С [11, 12].
Выводы
Разработан метод оценки качества и прочности сцепления арматуры различного профиля с бетоном с учетом его прочности
Четырехсторонний серповидный профиль НИИЖБа имеет следующие преимущества:
- по прочности сцепления с тяжелым бетоном классов В 15-В60 не уступает арматуре с кольцевым профилем и превосходит арматуру с двухсторонним серповидным профилем
- имеет оптимальную величину коэффициента Рэма, легко достигаемую при изготовлении
- является наиболее мягким профилем исключающим хрупкий срез даже в высокопрочном бетоне
Все вышесказанное говорит в пользу применения арматуры А500СП с новым эффективным четырехсторонним профилем , разработанным в НИИЖБе.
Бетон и железобетон, 2007 №5