Экспериментальные исследования прочности железобетонных элементов с нахлесточными соединениями сжатой арматуры в одном расчетном сечении при осевом сжатии

Введение

В настоящее время в железобетонных конструкциях широко используются нахлесточные соединения арматурных стержней без сварки. Популярность данного вида соединений обусловлена простотой и низкой трудоемкостью его устройства по сравнению, например, с механическими или сварными соединениями. Экономическая эффективность нахлесточного соединения особенно высока для арматуры небольших диаметров. В вертикальных конструкциях, воспринимающих преимущественно сжимающие нагрузки, такой вид соединений используют над узлом сопряжений с горизонтальными конструкциями. При этом разбежку стыков арматурных стержней часто не предусматривают, так как это приводит к увеличению трудоемкости монтажа, связанной с дополнительными затратами на размещение и фиксацией стержней на определенной высоте. В связи с этим распространено конструктивное решение по устройству нахлесточных соединений в вертикальных конструкциях в одном расчетном сечении, когда вертикальная арматура верхней конструкции устанавливается на выполненную горизонтальную конструкцию (например, плиту) и соединяется внахлест с выпусками вертикальной арматуры из нижележащей конструкции.

В российских нормах к нахлесточным соединениям арматурных стержней, выполняемым в одном сечении конструкции, установлены более жесткие требования по длине нахлестки арматурных стержней по сравнению с нахлесточными соединениями вразбежку. Ввиду недостаточной изученности вопроса в целом данные требования не имеют достаточного обоснования и приняты с некоторой осторожностью, что приводит к повышенному расходу арматуры.

Анализ положений отечественных и зарубежных нормативных документов показал, что не во всех нормах рассматривается фактор относительного содержания нахлесточных соединений сжатой арматуры в одном сечении железобетонного элемента. Среди рассмотренных нормативных документов этот вопрос учтен в отечественных нормах СП 63.13330.2018 [1], европейских нормах ЕN 1992-1-1 Eurocode 2 [2] и уже не действующем ModelCode1990 [3], который лег в основу европейских норм. Нормативные документы США ACI 318-19 [4], Германии DIN 1045-1 [5], а также ModelCode 2010 [6] таких указаний не содержат. В бюллетене fib № 72 [7] неоднократно подчеркивается, что известно лишь небольшое количество испытаний сжатых нахлесточных соединений стержней периодического профиля, несмотря на важность таких соединений с точки зрения прочности конструкции. Среди опытных исследований оценки влияния стыков сжатой арматуры внахлест в сжатых элементах можно отметить работы Кэрнса [8][9], а также Пфистера и Мэттока [10], где приведены достаточно детальные описания опытных образцов и результатов исследований.

В связи с этим были проведены дополнительные экспериментальные исследования прочности сжатых железобетонных конструкций с нахлесточными соединениями, расположенными в одном сечении. Результаты настоящего исследования, наряду с уже имеющимися, но немногочисленными данными, могут быть использованы в дальнейшем для верификации численных моделей и оценки надежности предлагаемых методов расчетов и конструирования.

Целью работы является проведение экспериментальных исследований с оценкой несущей способности сжатых железобетонных элементов с различными вариантами нахлесточных стыков арматуры, а также оценка возможности уточнения и дополнения существующих методов расчета и конструирования нахлесточных стыков сжатой арматуры.

Материалы и методы

Перед проведением экспериментальных исследований для выявления основных факторов, влияющих на прочность элементов с нахлесточными соединениями сжатой арматуры, расположенными в одном сечении, был выполнен анализ существующей отечественной и зарубежной нормативно-технической базы, а также имеющихся опытных данных по этому вопросу. Результаты анализа приведены в работе [11]. На основе выполненного анализа была составлена программа экспериментальных исследований, в рамках которых в НИИЖБ им. А. А. Гвоздева были подготовлены и испытаны на сжатие опытные образцы с различными конструктивными решениями нахлесточных стыков арматуры.

Всего было изготовлено и испытано 20 опытных образцов с арматурой двух диаметров – 14 и 20 мм, класс арматуры – А500. Образцы представляли собой призмы, размеры которых отличались в зависимости от диаметра соединяемой арматуры. Для образцов с арматурой диаметром 14 мм длина призм составляла 1000 мм с размерами основания 170 × 170 мм. Для образцов с арматурой диаметром 20 мм длина призм составляла 1300 мм с размерами основания 180 × 180 мм. Образцы предусматривались из бетонов двух классов по прочности на сжатие. Также для каждого класса бетона и диаметра арматуры предусмотрены эталонные образцы – без нахлесточных соединений (образцы К.1, К.5, К.10 и К.15). Образцы с нахлесточными соединениями арматуры предусматривали различные конструктивные решения, позволяющие оценить влияние минимально допустимой длины нахлеста, равной 20d (d – диаметр соединяемой арматуры), расчетной длины нахлеста, а также различное содержание поперечной арматуры в зоне нахлеста. Нахлесточные соединения арматуры расположены в средней части опытных образцов.

По конструктивным решениям для анализа результатов образцы условно были разделены на четыре группы:

– группа 1: из бетона с призменной прочностью 34,1 МПа и стержнями диаметром 14 мм (образцы К.1–К.4);

– группа 2: из бетона с призменной прочностью 28,2 МПа и стержнями диаметром 14 мм (образцы К.10–К.14);

– группа 3: из бетона с призменной прочностью 34,1 МПа и стержнями диаметром 20 мм (образцы К.5–К.9);

– группа 4: из бетона с призменной прочностью 28,2 МПа и стержнями диаметром 20 мм (образцы К.15–К.20).

Маркировка опытных образцов и их характеристики по разработанной программе испытаний представлены в табл. 1. Конструктивные решения опытных образцов приведены на рис. 1, 2.

Дополнительно были изготовлены и испытаны контрольные образцы бетона и арматуры.

Испытания опытных образцов проводились на осевое сжатие на гидравлическом модернизированном прессе П-500, дооснащенном цифровым измерительным оборудованием и программным обеспечением на действие кратковременных нагрузок (рис. 3).

Опытный образец помещали в гидравлический пресс и перед испытанием проводили его центровку при помощи пробного нагружения не более 10 % от разрушающей нагрузки.

Регистрация деформаций сжатого бетона, а также напряжений в поперечной арматуре в зоне нахлесточного соединения арматуры в опытных образцах выполнялась с помощью системы установленных тензодатчиков. Тензодатчики расположены по боковым граням образцов в средней их части, а также на крайних хомутах в зоне нахлеста. Датчики на поверхности образцов также использовались для оценки равномерности загружения при центрировании образца. Снятие показаний с тензодатчиков выполнялось при помощи измерительного многоканального цифрового комплекса.

Также при проведении испытаний была использована цифровая система измерений Vic-3D для оценки деформативности и образования трещин в опытных образцах.

Перед проведением испытания для каждого образца замерялись фактические размеры его поперечного сечения, длина образца, 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 3 мин. За это время выполнялся визуальный осмотр, отмечались нагрузки образования и развития трещин. Также снимались все показания тензометрии с опытного образца. При испытаниях нагрузка доводилась до исчерпания несущей способности (до разрушения) опытного образца.

Результаты

По результатам экспериментальных исследований установлен характер разрушения, определены разрушающие нагрузки, установлена схема трещинообразования, определены деформации укорочения образцов, а также получены данные по тензометрии для дальнейшей обработки и анализа.

Проведенные испытания опытных образцов показали, что характер разрушения всех образцов носил пластичный характер. Разрушение во всех случаях происходило за пределами нахлесточного соединения, то есть в трети длины образцов.

Как указывалось выше, для анализа результатов опытные образцы были условно разделены на четыре группы. Сравнительный анализ результатов основывался на оценке прочности нормального сечения эталонных образцов в каждой группе: К.1, К.5, К.10 и К.15, в которых отсутствовали нахлесточные соединения арматуры, а также прочности остальных элементов с различными конструктивными решениями нахлестки.

Как показал сравнительный анализ, в зависимости от конструктивного решения образца значения разрушающих нагрузок для исследованных образцов с нахлесточными стыками арматуры могут быть как ниже в среднем на 4 %, чем для образцов без стыков, так и выше них на 2–3 % (рис. 4–7).

По результатам испытаний образцы с длиной нахлестки арматуры, отвечающей минимально допустимому значению по конструктивным требованиям, равному 20d, в большинстве случаев показали прочность, идентичную эталонному образцу в группе. При этом образцы со сгущением шага поперечной арматуры по длине нахлеста показали наименьшие значения несущей способности, которые ниже на 2–14 % по сравнению с эталонными образцами как при минимальной длине нахлеста, так и при увеличенной.

Также анализ результатов испытаний показал, что установка дополнительных хомутов за длиной нахлеста сжатой арматуры на расстоянии 2,5–3d не оказала влияния на несущую способность опытных образцов.

Выводы

На основании проведенного анализа нормативно-технической документации установлено, что ввиду недостаточной изученности вопроса в действующей нормативной базе требования по назначению длины нахлестки сжатой арматуры в одном расчетном сечении не имеют достаточного обоснования и приняты с некоторой осторожностью, что приводит к повышенному расходу арматуры.

В связи с этим были проведены дополнительные экспериментальные исследования прочности сжатых железобетонных конструкций с нахлесточными соединениями, расположенными в одном сечении. По результатам экспериментальных исследований установлен характер разрушения, определены разрушающие нагрузки, установлена схема трещинообразования, определены деформации укорочения образцов, а также получены данные по тензометрии для дальнейшей обработки и анализа. Разрушение для всех опытных образцов происходило за пределами нахлесточного соединения.

Анализ опытных данных показал, что в зависимости от конструктивного решения образца значения разрушающих нагрузок для исследованных образцов с нахлесточными стыками арматуры могут быть как ниже в среднем на 4 %, чем для образцов без стыков, так и выше них на 2–3 %. При этом образцы с длиной нахлестки арматуры, отвечающей минимально допустимому значению по конструктивным требованиям, равному 20d, в большинстве случаев показали прочность, идентичную образцам без нахлесточного соединения сжатой арматуры.