Прочность нормальных сечений внецентренно сжатых железобетонных конструкций с петлевыми стыками арматуры. Подготовка и проведение экспериментальных исследований

Введение

В действующих нормативно-технических документах, как отечественных (СП 63.13330.2018 [1]), так и зарубежных (ЕN 1992-1-1 Eurocode 2 [2] и DIN 1045 [3]), вопросы особенностей расчета и конструирования рассмотрены недостаточно. В российских, европейских и немецких нормативных документах приведены только конструктивные требования, предусматривающие возможность устройства петлевых соединений арматуры в железобетонных конструкциях и снижение за счет этого требуемой длины нахлеста. Влияние устройства петли на концах арматурных стержней в нахлесточных соединениях во всех указанных нормах основано на едином принципе анкеровки стержней и снижает требуемую длину нахлеста до 30 %. При этом подход к конструктивным требованиям петлевых нахлесточных соединений, отраженный в [4], несколько отличается от отечественного СП 63.13330.2018 [1] и европейских норм [2] и [3]. Согласно [4] прочность петлевого соединения определяется в первую очередь прочностью сжатой полосы между петлями, а минимальная длина соединения петлевого стыка зависит только от диаметра соединяемой продольной арматуры и составляет 20d.

Анализ американского нормативного документа ACI 318 [5] показал, что его положения по конструкциям арматурных стержней с крюками и петлями на концах основаны преимущественно на опытах и исследованиях стандартных крюков, загнутых под углом 90 градусов. В связи с этим в [5] прослеживается рекомендация, что крюки с углом 90 градусов предпочтительнее, чем крюки или петли на 180 градусов, за исключением необходимых случаев.

Отдельные отечественные нормы – СП 35.13330.2011 [6] – содержат положения по расчету петлевых анкеров, объединяющих конструкционную сталь и железобетон. Согласно этим нормам, петлевое соединение арматуры допускается и в стыках сборных элементов.

Следует отдельно отметить новый отечественный нормативный документ ГОСТ Р 70447 [7], касающийся проектирования железобетонных конструкций с петлевыми стыками арматуры. Данный стандарт содержит достаточно детальные указания по расчету и конструированию железобетонных конструкций с петлевыми стыками арматуры. В основу данного стандарта легли результаты исследований, отраженные в [8] и основанные преимущественно на результатах испытаний изгибаемых элементов. Также в стандарте были учтены результаты новых исследований [9], касающиеся изгибаемых и растянутых элементов балочных конструкций.

Анализ отечественной и зарубежной литературы не позволил выявить опытные исследования для петлевых соединений сжатой арматуры. Отсутствие экспериментальных исследований в целом служит ограничением в нормативной базе и препятствием для более широкого применения таких стыков в строительной практике.

Между тем в настоящее время в железобетонных конструкциях находят применение петлевые нахлесточные соединения арматурных стержней. Наиболее широко такие типы соединений рабочей арматуры применяют в сооружениях АЭС при устройстве конструкций плит и стен из монолитного железобетона. Петлевые стыки в данных конструкциях применяют для соединения смежных объемных армоблоков, собираемых заранее и устанавливаемых в проектное положение перед бетонированием. Данный вид соединений приводит к повышению технологичности строительно-монтажных работ, т. к. значительно сокращает трудозатраты на строительной площадке при устройстве арматурных каркасов.

Положительный опыт применения таких стыков в промышленном строительстве, в частности при строительстве объектов использования атомной энергии, позволяет распространить петлевые стыки в область гражданского строительства. Учитывая такую перспективу применения конструкций петлевых стыков арматуры в массовых вертикальных железобетонных конструкциях, в т. ч. гражданских и общественных зданий, представляется целесообразным выполнить ряд экспериментальных исследований для внецентренно сжатых железобетонных конструкций с петлевыми стыками арматуры. Наряду со снижением трудозатрат на устройство арматурного каркаса это также позволит обеспечить необходимую надежность и механическую безопасность конструкций, включая достоверность теоретической методики расчета. Дополнительно это позволит оценить вклад различных факторов в несущую способность железобетонных конструкций с петлевыми стыками арматуры, таких как общая длина петлевого соединения, а также наличие поперечной арматуры в соединении.

Исходя из этого, представляется необходимым исследовать различные конструктивные решения петлевых стыков и их влияние на прочность нормальных сечений внецентренно сжатых элементов при действии статических нагрузок.

Целью является проведение экспериментальных исследований с оценкой несущей способности (прочности) нормальных сечений для серий железобетонных внецентренно сжатых элементов с различными вариантами петлевых стыков и выявление предпосылок для совершенствования системы градостроительной деятельности в части уточнения и дополнения действующих нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций.

Материалы и методы

В 2023 году сотрудниками НИИЖБ им. А. А. Гвоздева была выполнена работа по исследованию влияния различных конструктивных решений петлевых стыков на прочность нормальных сечений внецентренно сжатых железобетонных элементов.

Для экспериментальных исследований были изготовлены и испытаны 7 серий опытных образцов (по 3 шт. в каждой серии), условно разделенных в зависимости от конструктивных решений петлевых стыков арматуры. При этом первая серия образцов К.1 является базовой (без петлевых стыков). Образцы с петлевыми соединениями предусмотрены нескольких типов: серия К.2 с перехлестом петлевых стыков без прямой вставки (бетонное ядро круглого очертания), серия К.3 с длиной прямой вставки в петлевом стыке, равной 5d (d – диаметр продольной арматуры), а также серия К.4 с длиной прямой вставки в петлевом стыке, равной 10d. Также предусмотрены аналогичные опытные образцы с установкой поперечной арматуры в зоне петлевого стыка (серии К.5, К.6 и К.7). Петлевые стыки арматуры располагались в средней части опытных образцов.

Конструктивные решения опытных образцов приведены на рис. 1.

Маркировка опытных образцов и их характеристики по разработанной программе испытаний представлены в табл. 1. Дополнительно были изготовлены и испытаны контрольные образцы бетона и арматуры.

Испытания опытных образцов проводились на гидравлическом прессе Instron 1000 HDX. Опытный образец помещали и фиксировали в специально сконструированных оголовках. Затем их устанавливали и центрировали на упорных пластинах, закрепленных на опорах пресса. Задание эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы производилось при помощи установки стального стержня круглого сечения, помещаемого между упорными пластинами и оголовками в соответствующие задаваемому эксцентриситету желоба. Таким образом обеспечивалась возможность свободного поворота образца в плоскости изгиба (шарнирное закрепление) на каждом опорном участке при заданной постоянной величине эксцентриситета. Общий вид и схема испытаний образцов приведены на рис. 2.

Перед проведением испытания для каждого образца замерялись фактические размеры его поперечного сечения, длина образца и величина эксцентриситета приложения сжимающей нагрузки, а после испытания уточнялась рабочая высота сечения и толщина защитного слоя бетона.

Нагрузка прикладывалась ступенями 1/10 от теоретической разрушающей нагрузки. На каждой ступени проводилась выдержка под нагрузкой около 5 мин. За это время выполнялся визуальный осмотр, зарисовка трещин, отмечались нагрузки образования и развития трещин. Затем снимались все величины деформаций опытного образца. При испытаниях нагрузка доводилась до исчерпания несущей способности (до разрушения) опытного образца.

Также измерялись прогибы опытных образцов в характерных точках образца с помощью индикаторов часового типа (И1 в середине пролета; И2 и И3 на удалении от середины пролета на расстояниях 5d и 10d соответственно; схема установки приведена на рис. 2). Ширина раскрытия трещин на поверхности образца измерялась с помощью отсчетного микроскопа. Дополнительно к указанным выше приборам использовалась бесконтактная оптическая система измерения деформаций Vic-3D (рис. 3).

Результаты

По результатам экспериментальных исследований определены разрушающие нагрузки, установлены схемы трещинообразования, а также определены прогибы опытных образцов.

Результаты испытаний показали, что характер разрушения для всех образцов соответствует прогнозируемому – разрушение образцов произошло по нормальному сечению в средней зоне.

При анализе результатов испытаний были оценены значения разрушающих нагрузок для образцов с петлевыми стыками по отношению к базовым образцам (серия К.1). Отклонения средних по каждой серии образцов значений разрушающих нагрузок с петлевыми соединениями от среднего значения для базовых образцов приведены на рис. 4.

Для всех образцов с петлевыми стыками прочность нормальных сечений при внецентренном сжатии ниже на 3–12 % прочности контрольных образцов без соединений арматуры (серия К.1). При этом наблюдается тенденция к увеличению несущей способности по мере увеличения длины прямой вставки в стыке, а также по мере увеличения площади поперечной арматуры в зоне стыка.

Анализ трещиностойкости опытных образцов показал, что ширина раскрытия трещин в целом не превышала величин 0,05 мм, в отдельных случаях – 0,1 мм. При этом наблюдается влияние длины прямой вставки в стыке и наличия поперечной арматуры в зоне стыка на характеры деформирования, трещинообразования и разрушения опытных образцов.

Анализ опытных прогибов при разрушении показал, что при появлении прямой вставки и ее увеличении прогибы образцов с петлевыми стыками при разрушении увеличиваются и по своим значениям приближаются к прогибам базовых образцов. При установке поперечной арматуры в стыке значения прогибов могут практически соответствовать прогибам базовых образцов либо быть несколько выше.

В последующем предполагается более детальная публикация результатов анализа полученных опытных данных проведенного исследования.

Выводы

На основании проведенного анализа нормативно-технической документации установлено, что в действующей нормативной базе имеются только общие указания по конструктивным требованиям к такого рода соединениям, а влияние петлевых соединений на несущую способность нормальных сечений внецентренно сжатых элементов не учитывается.

В рамках работы были изготовлены опытные образцы с различными конструктивными решениями и проведены их испытания. По результатам экспериментальных исследований были определены разрушающие нагрузки, установлены схемы трещинообразования, определены прогибы опытных образцов (в дальнейшем предполагается более детальная публикация результатов анализа полученных опытных данных).

Для всех образцов с петлевыми стыками прочность нормальных сечений при внецентренном сжатии ниже на 3–12 % прочности контрольных образцов без соединений арматуры (серия К.1). При этом наблюдается тенденция к увеличению несущей способности по мере увеличения длины прямой вставки в стыке, а также по мере увеличения площади поперечной арматуры в зоне стыка.