EXPERIMENTAL STUDIES ON THE INFLUENCE OF TRANSVERSE REINFORCEMENT FOR STRENGTH OF COMPRESSED REINFORCED CONCRETE ELEMENTS

Full Text

Сжатые элементы представляют значительный сегмент конструкций в строительстве, исследованию которых посвящено множество научных работ [1-7]. В качестве экспериментальных образцов выбраны призмы с геометрическими размерами 150×150×600 мм. Гибкость и прогиб элемента при таких размерах не оказывает влияние на несущую способность образцов. В такой постановке прочность поперечного сечения можно отождествлять с несущей способностью опытного образца. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований в части прочности образцов магистров (Голубев М.А., Шарафутдинов К.Б., Васильева Е.Е.) направления подготовки 08.04.01 «Строительство», программа подготовки - «Теория и проектирование железобетонных конструкций». Данный профиль реализуется на кафедре железобетонных конструкций СамГТУ. Эксперименты проводились в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории при кафедре строительных конструкций (с 01.09.2020 г. - кафедра железобетонных конструкций). Все экспериментальные конструкции образцов испытывались на прессовом оборудовании П-250. Загружение осуществлялось однократное кратковременное с осевым приложением нагрузки. Помимо определения разрушающих нагрузок с помощью комплекса под названием ТК52, велось тензометрирование - определялись относительные деформации бетона и арматуры в процессе нагружения образцов, но в рамках данной статьи этот вопрос не освещается. I. Образцы с поперечным армированием в виде хомутов (рис. 1) Продольные арматурные стержни диаметром 12 мм из арматурной стали класса А500С Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 22 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 1. Конструкция экспериментальных образцов с замкнутыми хомутами приварены к стальной пластине толщиной 6 мм. В первом варианте исполнения поперечная арматура отсутствует, данный образец изготавливается с целью оценки влияния только продольной арматуры на несущую способность колонны. Во втором и третьем вариантах армирования добавлены поперечные хомуты диаметром 6 мм из арматурной стали класса А400 с шагом 180 и 100 мм для оценки эффекта обоймы. В образцах второй серии добавлен один вариант армирования с шагом поперечных хомутов 50 мм. Соединение продольной и поперечной арматуры производится вязальной проволокой. Приварка арматурных стержней к металлическим пластинам необходима для обеспечения их проектного положения. Геометрические характеристики экспериментальных образцов и прочностные показатели материалов, из которых они изготовлены, представлены в табл. 1. Разрушения армированных образцов происходили с выпучиванием продольных стержней и частичным разгибанием хомутов при их наличии в месте, где продольные стержни теряли устойчивость (рис. 2). При использовании сварных хомутов, а не вязаных, результаты прочности образца в эксперименте, возможно, оказались бы выше. Основные выводы по применению поперечного армирования в виде замкнутых хомутов (Голубев М.А.): 1. Получены экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких железобетонных колонн при значениях шага поперечного армирования от 4 до 15 диаметров рабочей продольной арматуры. С. С. Мордовский, К. Б. Шарафутдинов 23 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Рис. 1. (Окончание) Таблица 1 Результаты испытаний образцов с поперечным армированием в виде замкнутых хомутов Марка образца Длина, мм Высота сечения, мм Ширина сечения, мм Рабочая высота сечения, мм Rb, МПа σт, МПа (Ø12А500) σт, МПа (Ø6А400) Asc, мм2 Шаг хомутов, мм Nmax, кН № 1.1 600 151 151 - 33,15 - - - - 975 № 1.2 600 151 152 120 529,7 - 452 - 1300 № 1.3 600 152 151 120 355 180 1300 № 1.4 598 152 151 121 100 1300 № 2.1 600 150 151 120 29,96 529,7 355 452 180 900 № 2.2 600 151 150 120 50 1095 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 24 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ 2. Максимально допустимый, согласно нормативным документам, шаг установки поперечных хомутов (15d) не оказывает влияния на несущую способность колонны. При значении шага установки поперечной арматуры величиной 8,3d прочность колонн также осталась неизменной. 3. В рамках проведенного эксперимента при значении шага установки поперечной арматуры 4,2d прочность (несущая способность) колонны увеличилась на 21,7 % относительно значения прочности в образце с шагом поперечного армирования согласно конструктивным требованиям свода правил (СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменением №1). Однако данные сведения не дают оснований распространять полученные результаты на другие конструкции в связи с отсутствием выборки необходимого объёма, требуемой для получения статистических характеристик распределения. 4. Конечно-элементное моделирование опытных образцов в ПК Лира-САПР показало идентичность характера напряжённо-деформированного состояния с проведённым натурным экспериментом. Значения отклонений прочности экспериментальных образцов, рассчитанных в ПК Лира-САПР, от опытных значений находятся в интервале от -17,2 до +0,8 %. 5. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с расчётом прочности по своду правил (СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003) показало отклонения от -36,4 до -6,6 %. 6. При установке поперечных стержней в колоннах с шагом, согласно конструктивным требованиям СП 63.13330.2018, учёт влияния поперечного армирования при расчёте прочности (несущей способности) колонн не требуется. II. Образцы с поперечным армированием в виде сеток типа «зигзаг» (рис. 3-5). Сетка «зигзаг» чаще всего используется для армирования каменной кладки, однако тема данного исследования предполагает исследование использования этой сетки в сжатых железобетонных элементах вообще. Преимуществом применения сеток «зигзаг» в кладке является возможность их выполнения из относительно толстой арматурной проволоки диаметром 4-10 мм, поскольку в них нет тех узлов, которые создают подпирающие точки в перекрестных сетках. Толщина шва раствора, в которой закладываются сетки «зигзаг», остается нормальной и не требует увеличения при диаметрах проволок 8 мм и менее. Однако в железобетонных конструкциях данное преимущество не играет никакой роли. Для армирования образцов (рис. 3) использовалась проволока Вр-1 (ГОСТ 6727-80. Проволока из низкоуглеродистой стали холоднотянутая для армирования железобетонных конструкций. Технические условия (с Изменениями № 1-4), из которой гнулись сетки (рис. 4). Закрепление сеток в опалубке осуществлялось путём обвязки сеток с четырьмя продольными проволоками (рис. 3) из того же материала, как и сами сетки. В результате образовывался гибкий пространственный каркас, который затем помещался в стандартную стальную опалубку. Было выполнено две серии образцов по причине недостаточного уплотнения бетонной смеси на некоторых образцах первой серии (Оз.1.2), что наглядно было видно на срезе поверхности призмы после разрушения образцов. Геометрические характеристики экспериментальных образцов с поперечным армированием в виде сеток типа «зигзаг» и прочностные показатели материалов, из которых они изготовлены, представлены в табл. 2. Анализируя результаты определения прочности образцов первой серии, выявлено увеличение прочности на 7 % и уменьшение поперечных и продольных деформаций в образцах с арматурой в виде сетки «зигзаг». Согласно результатам эксперимента, наличие арматуры с сеткой «зигзаг» в образцах Рис. 2. Экспериментальный образец после испытания С. С. Мордовский, К. Б. Шарафутдинов 25 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 второй серии дает увеличение прочности на 14-17 %. Анализируя показания тензометрических датчиков образцов второй серии, можно увидеть, что применение сетки «зигзаг» с размером ячейки 50 мм значительно уменьшает поперечные и продольные деформации образцов, чем сетки «зигзаг» с размером ячейки 30 мм. Напряжения в бетоне достигали больших значений при приложении равной нагрузки именно у образца с меньшим размером ячейки сетки. Основные выводы по результатам исследования образцов с поперечным армированием в виде сеток типа «зигзаг» (Шарафутдинов К.Б.): 1. Получены экспериментальные данные о влиянии армирования сеткой «зигзаг» на прочность коротких железобетонных колонн. 2. Наличие арматуры с сеткой «зигзаг» дает увеличение прочности на 7-17 % относительно неармированного элемента, а также, создавая эффект «обоймы», уменьшает поперечные и продольные деформации образцов. 3. Использование сетки «зигзаг» позволяет сэкономить 12-22 % объёма и стоимости арматуры при установке её вместо прямоугольной сетки с теми же параметрами ячеек. III. Образцы с поперечным армированием в виде классических сеток с прямоугольной ячейкой (рис. 6, 7) Косвенное армирование является одним из способов повышения прочностных и деформационных характеристик железобетонных конструкций. Такое армирование, расположенное перпендикулярно сжимающему усилию, за счет ограничения поперечных деформаций создает объемное напряженное состояние и повышает эффективность работы бетона на сжатие. Косвенное армирование названо так, поскольку воспринимает не продольные напряжения в бетоне, а поперечные, вызванные продольными деформациями. Следуя такому определению, необходимо разграничить косвенное и поперечное армирование, а именно определить, что косвенное армирование является поперечным, но, как правило, под своим определением подразумевает более мощное армирование, призванное непосредственно воспринимать поперечные деформации бетона. Под поперечным армированием обычно подразумевают его назначение из конструктивных соображений, а именно: «Поперечную арматуру следует устанавливать исходя из расчета на восприятие усилий, а также в целях ограничения развития трещин, удержания продольных стержней в проектном положении и закрепления их от Рис. 3. Параметры сеток «зигзаг» для эксперимента Рис. 4. Элементы для сборки каркаса из сеток «зигзаг» Рис. 5. 3D-модель армирования образцов сетками «зигзаг» Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 26 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Таблица 2 Результаты испытаний образцов с поперечным армированием в виде сеток типа «зигзаг» Марка образца Длина, мм Высота сечения, мм Ширина сечения, мм Rb, МПа σв, МПа (Ø3Вр-1) Разрывное усилие арм, кН As, мм2 (Ø3Вр-1) Шаг сеток, мм Nmax, кН Оз. 1.1 600 150 150 28,88 - - - - 650 Оз. 1.2 600 150 150 819 5,67 6,92 50 400 Оз. 1.3 600 150 150 6,92 30 700 Оз. 2.1 600 150 150 17,02 - - - - 383 Оз. 2.2 600 150 150 744 4,79 6,44 50 450 Оз. 2.3 600 150 150 6,44 30 437 бокового выпучивания в любом направлении» (СП 63.13330.2018). Сетки с квадратной ячейкой, применяемые в конструкциях экспериментальных образцов, выполнялись вязаными, что в конечном счёте сказалось на не столь большом повышении прочности на осевое сжатие относительно образцов без косвенного армирования. Геометрические характеристики экспериментальных образцов с поперечным армированием в виде классических сеток с прямоугольной ячейкой и прочностные показатели материалов, из которых они изготовлены, представлены в табл. 3. Образцы с маркировкой Оп.1.1* и Оп.2.1* в табл. 3 это те же образцы, что и Оз.1.1 и Оз.2.1 в табл. 2 соответственно. Эксперимент проводился совместно. Основные выводы по результатам исследования образцов с поперечным армированием в виде классических сеток с прямоугольной ячейкой (Васильева Е.Е): 1. При использовании косвенного армирования в виде сеток с прямоугольной ячейкой прочность сжатого железобетонного элемента увеличивается: - для элементов с ячейкой 30х30 с шагом 50 мм - на 7-20 %; - для элементов с ячейкой 50х50 с шагом 50 мм - на 14 %. 2. В случае применения сварных сеток с квадратной ячейкой, а не вязаных, возможно, удалось бы повысить прочность образцов несколько больше. 3. Установка сеток с прямоугольной ячейкой является эффективным вариантом косвен- Рис. 6. Сетки с прямоугольной ячейкой: а - ячейка размером 50×50 мм; б - ячейка размером 30×30 мм а б Рис. 7. Готовые арматурные каркасы (второй и четвёртый) С. С. Мордовский, К. Б. Шарафутдинов 27 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 ного армирования сжатых железобетонных элементов. Выводы. 1. Получены экспериментальные данные о влиянии различных вариантов поперечного армирования (в том числе косвенного) на прочность коротких железобетонных колонн. 2. При установке поперечных стержней в колоннах, согласно конструктивным требованиям свода правил (СП 63.13330.2018), поперечное армирование в виде замкнутых гнутых хомутов не оказывает влияния на прочность (несущую способность) коротких колонн. 3. При значении шага установки поперечной арматуры в виде замкнутых хомутов 4,2d на образцах второй серии зафиксировано повышение прочности на 21,7 % относительно значения прочности в образце с шагом поперечного армирования согласно конструктивным требованиям. 4. Косвенное армирование сеткой типа «зигзаг» позволило увеличить прочность образца на 7-17 % относительно неармированного элемента, а также уменьшило его поперечные и продольные деформации. 5. Косвенное армирование в виде сеток с прямоугольной ячейкой, расположенных с шагом 50 мм по высоте, позволило увеличить прочность сжатого железобетонного элемента: а) для элементов с ячейкой 30х30 - на 7-20 %; б) для элементов с ячейкой 50х50 - на 14 %. 6. Использование в качестве косвенного армирования сетки «зигзаг» позволило уменьшить массу использованной арматуры на 12- 22 % в сравнении с образцами аналогичной прочности, армированными сетками с прямоугольной ячейкой. Таблица 3 Результаты испытаний образцов с поперечным армированием в виде классических сеток с прямоугольной ячейкой Марка образца Длина, мм Высота сечения, мм Ширина сечения, мм Rb, МПа σв, МПа As, мм2 Диаметр проволоки, мм Размер ячейки, мм Nmax, кН Оп. 1.1* 600 150 150 28,88 - - - - 650 Оп. 1.2 600 150 150 765,9 6,92 3 50 350 Оп. 1.3 600 150 150 30 700 Оп. 2.1* 600 150 150 17,02 - - - - 383 Оп. 2.2 600 150 150 758,8 6,315 3 50 450 Об. 2.3 600 150 150 30 475

About the authors

Sergey S. MORDOVSKIY

Samara State Technical University

Kamil B. SHARAFUTDINOV

Perm National Research Polytechnic University

References

Supplementary files