Чем обеспечивается сцепление арматуры с бетоном

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

СЦЕПЛЕНИЕ АРМАТУРЫ С БЕТОНОМ

Под сцеплением арматуры с бетоном подразумевают непрерывную связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, обеспечивающую их совместную работу.

Сцепление обусловливает перераспределение усилий между арматурой и бетоном при развитии неупругих деформаций бетона и при возникновении и развитии в нем трещин, предотвращает от чрезмерного раскрытия трещин и обеспечивает в большинстве случаев передачу усилий обжатия с предварительно напряженной арматуры на бетон.

Сцепление арматуры с бетоном определяется характеристиками арматурной стали (состояние ее поверхности, профиль, диаметр и механические свойства) и бетона (прочность, деформативность, возраст, состав, свойства цемента и заполнителей), технологией приготовления бетонной смеси, способом ее укладки и уплотнения, условиями твердения бетона, а также напряженным состоянием железобетонных конструкций, вызывающим передачу и распределение усилий между арматурой и бетоном.

Основными факторами определяющими, сопротивление сдвигу арматуры в бетоне, являются в общем случае сопротивление бетона смятию и срезу, вызванное механическим зацеплением неровностей и выступов на поверхности арматурных стержней, и склеивание арматуры с бетоном вследствие клеющей способности цементного геля, находящегося при затворении бетона в коллоидальном состоянии. До недавнего времени рассматривались и силы трения, возникающие будто бы на поверхности арматуры из-за обжатия стержней при усадке бетона. Однако последние опыты свидетельствуют о том, что в реальных условиях в большинстве случаев такие силы отсутствуют и более того — усадка отрицательно сказывается на сопротивление арматуры сдвигу в бетоне.

Склеивание цементного камня с арматурой в период схватывания и твердения бетона определяется химическими и физическими процессами, которые приводят к возникновению на поверхности контакта капиллярных и молекулярных сил притяжения. Однако нарушение сил адгезии происходит при сравнительно небольших напряжениях сцепления арматуры и бетона, поэтому они не играют решающей роли. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в 5 раз ниже, чем у гладких горячекатанных стержней в состоянии поставки. Особенно значительное увеличение сцепления арматуры с бетоном достигается за счет придания ее поверхности специального профиля. Сопротивление такой арматуры выдергиванию, благодаря заклиниванию ее в бетоне, в 2. 3 раза выше, чем гладкой. Решающее значение при выборе обоазцов для исследования сцепления имеют напряженное состояние железобетонных конструкции и условия передачи и распределения напряжений между арматурой и бетоном. В реальных условиях приходится сталкиваться со следующими основными случаями (рис. 2.1):

анкеровка концов арматуры в бетоне при различных силовых воздействиях;
анкеровка концов арматуры в опорных участках изгибаемых конструкций (балок, ферм), а также в узла ферм;
распределение сцепления арматуры с бетоном между трещинами в растянутых, изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементах и конструкциях.

На рис. 2.1 вдоль стержня условно показана возможная эпюра касательных напряжений.

Наиболее простым является случай заделки конца стержня в бетонный массив (рис. 2.1, а) при приложении к стержню выдергивающей силы.

Существенно сказываются на анкеровке арматуры толщина защитного слоя и возможные силовые воздействия (рис. 2.1, б).

Особые условия анкеровки концов арматуры возникают на опорах изгибаемых конструкций. Как видно из рис. 2.1, в, при появлении косой трещины у опор растягивающие усилия в арматуре стремятся выдернуть стержень из опорного участка конструкции. На анкеровку арматуры в опорном участке сильно влияют обжатие бетона, вызванное опорной реакцией, геометрия опорной части и ее косвенное армирование. Аналогичная картина наблюдается и в опорных узлах ферм (рис. 2.1, г, д).

Особенность предварительно напряженных конструкций без специальных анкерных устройств на концах стержней состоит в передаче напряжений на бетон при отпуске натяжения арматуры (рис. 2.1, е). При этом обжатие бетона целиком обеспечивается сцеплением арматуры с бетоном в зоне анкеровки.

Для испытания на сцепление используют различные способы, каждый из которых имеет свои особенности. Наиболее часто применяют испытания на выдергивание и продавливание. Первый способ заключается в выдергивании забетонированного стержня с упором призмы в торец. При этом силы сцепления вызывают продольное сжатие бетона и растяжение его в поперечном направлении. Сопротивление продав- ливанию больше, чем выдергиванию, так как при сжатии стержня его поперечное сечение увеличивается, а при растяжении — наоборот, уменьшается. Этот способ не характеризует условий анкеровки арматуры в обычных конструкциях, однако условия передачи напряжений от арматуры на бетон в данном случае близки к предварительно напряженным конструкциям. При сложном напряженном состоянии конструкции анкеровку арматуры приходится проверяться на моделях узлов конструкций, например, опорных участков ферм, примыкания ригелей к сжатым колоннам и т. п.

Напряжения сцепления по длине заделки стержня при нагружении образца распределяются неравномерно (рис. 2.2, а). Для определения указанных напряжений необходимо рассмотреть два близких сечения стержня (,рис. 2.2, б) с переменным растягивающим усилием Z. Обозначив через и периметр стержня, найдем

Если разбить длину заделки гладкого стержня на элементарные участки, характер его взаимодействия с прилегающим бетоном в процессе нагружения образца схематически может быть представлен следующим образом.

Взаимное смещение арматуры и бетона начинается со стороны нагруженного торца образца, причем проявляется оно не сразу, а лишь после того, как касательные напряжения у него достигнут предельных значений (кривая 1, рис. 2.3, а). Заметных деформаций в начальной стадии нагружения нет, что обусловлено упругой работой бетона выступов микрорельефа на изгиб и сдвиг, а также жесткостью адгезионных связей. Начало взаимного смещения вызывается срезом отдельных наиболее мелких и часто расположенных неровностей цементного камня на ближайшем к торцу образца участке стержня и сопровождается перераспределением напряжений с этого участка на последующие, т.с происходит смещение “горба” эпюры вглубь образца (кривая 2, рис. 2.3, а). При дальнейшем повышении нагрузки сцепление арматуры с бетоном нарушается на все большей длине стержня, “горб» эшоры т еще больше смещается к ненагруженному торцу и так до тех пор, пока не произойдет сдвиг стержня (но без потери общей сопротивляемости его сдвигу).

Эпюры удлинений и напряжений арматуры, соответствующих эпюрам касательных напряжений, показаны на рис. 2.3, б, в.

Таким образом, в процессе нагружения образца все элементарные участки стержня по длине его заделки от нагруженного торца до ненагруженного проходят, последовательно, все стадии напряженного состояния по срезу (в условиях объемного напряженного состояния) вплоть до предельного.

При арматуре периодического профиля картина взаимодействия заметно усложняется. Рост нагрузки сопровождается последовательным смятием выступов бетона и соответственно перераспределение напряжений с более нагруженных на менее нагруженные. Сдвиг стержня происходит после среза всех выступов, а его выдергивание заканчивается обычно раскалыванием образца.

При испытании на выдергивание и продавливание в процессе нагружения образца измеряют смещение арматуры относительно бетона и напряжения в арматуре. Нагрузку прикладывают ступенями по 10. 15% ожидаемой предельной с минутной выдержкой после каждой ступени. При этом скорость нагружения должна соответствовать приросту напряжений в арматуре на 5 МПа/с. За начало сдвига арматуры принимают (условно) момент, соответствующий началу деформаций на ненагруженном конце.

Если испытание доведено до сдвига арматуры, то можно рассчитать среднее (условное) предельное напряжение сцепления (см. рис. 2.2, а)

Этой характеристикой и пользуются обычно в практических расчетах.

Более точно напряжения сцепления можно определить, если воспользоваться формулой (2.2). Измеряя на каждой ступени нагружения изменения напряжений в арматуре по длине стержня, можно получить закон изменения rg по его длине на всех ступенях нагружения вплоть до сдвига арматуры.

Наиболее надежное повышение сопротивления сдвигу арматуры в бетоне достигают устройством крюков па концах гладких стержней, применением сварных сеток и каркасов, а также специальных анкеров.

Сцепление арматуры с бетоном

Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагружен­ных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению не происходит скольже­ния арматуры в бетоне.

Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важ­ных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его востребованность как строительного материала.

Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротив­лением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, за­деланных в бетоне (рис. 26).

Рис. 26. Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном:

а – на выдёргивание; б – на вдавливание

При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, кото­рые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ _max действуют на некото­ром расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 27).

Надёжность сцепления по опытным данным зависит от трёх сле­дующих факторов:

1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т.е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис. 27, г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бе­тоном;

2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бето­на развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;

3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля бетона.

Выявление точного влияния каждого из перечисленных факто­ров в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большо­го практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней пе­риодического профиля оказывает первый фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.

Среднее напряжение сцепления (если испытание доведено до сдвига арматуры) определяют как частное от деления усилия в стержне N на площадь поверхности заделки (рис. 27, б, в):

откуда необходимая длина заделки:

Рис. 27. Сцепление арматуры с бетоном:

а – арматурный стер­жень в бетоне; б – эпюра касательных напряжений сцепления; в – эпюра нормальных напряжений; г – при арматуре периодического профиля

Сцепление стержней периодического профиля с бетоном в 2. 3 раза выше по сравнению со сцеплением гладкой горячекатаной ар­матуры и достигает для бетонов средних классов при статической на­грузке 7 МПа. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в пять раз ниже, чем у гладких горячекатаных в состоя­нии поставки.

Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением клас­са бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания це­мента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона τ растет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.

Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечи­вает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.

Анкеровка арматуры в бетоне

В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне – анкеровка – осуществляется выпуском арматуры за рас­сматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).

Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по кон­цам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5d (рис. 28, а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крю­ков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно луч­шим сцеплением с бетоном.

Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:

— прямое окончание стержня (прямая анкеровка);

— загиб на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;

— приварка или установка поперечных стержней;

— применение специальных анкерных устройств на конце стержня.

Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.

Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.

При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления R_s на бетон, определяют по формуле:

где A_s и u_s – соответственно площадь и периметр поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры, определяемые по номинальному диаметру стержня;

R_bond – расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:

,

здесь R_bt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;

h₁ – коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:

1,5 – для гладкой арматуры,

2,5 – для арматуры периодического профиля;

h₂ – коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:

1,0 – при диаметре арматуры d_s £ 32 мм,

0,9 – при диаметре арматуры 36 и 40 мм.

Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:

(1.25)

где l_o,an – базовая длина анкеровки;

A_s,cal, A_s,ef – площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;

a – коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.

При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают a = 1,0; для сжатых a = 0,75.

Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.

В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3× l_o,аn, а также не менее 15d_s и 200 мм.

Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры N_s определяют по формуле:

,

где R_bond , u_s, A_s, α – см. выше;

l_s – расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.

На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q £ Q_b1 должна составлять не менее 5d_s.

При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.

Совместная работа бетона и арматуры

Одно из основных свойств железобетона — это сцепление ар­матуры с бетоном, которое обеспечивается связью арматуры с це­ментным камнем, трением, возникающим от давления при усадке бетона, зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверх­ности арматуры.

При выдергивании стержня из бетона (рис. ниже) касательные напряжения сцепления т_bd распределяются вдоль стержня неравно­мерно. Максимальное значение т_{bd max} возникает на некотором рас­стоянии от начала заделки стержня и не зависит от длины заделки стержня в бетон l_аn.

К совместной работе бетона и арматуры

Для оценки сцепления используют средние (условные) напря­жения на длине анкеровки

Для обычных бетонов и гладкой арматуры т_{bd m} = 2,5-4 МПа, а для арматуры периодического профиля т_{bd m} = 7 МПа.

Напряжения сцепления арматуры с бетоном, а также напряже­ния в арматуре распределяются по длине заделки неравномерно. Наибольшие напряжения т_{b max} действуют вблизи начала заделки и не зависят от ее длины l_аn. Выражая продольное усилие через на­пряжение в арматуре (N = σ_sπd 2 /4), получим

Из формулы видно, что с увеличением диаметра стержня и на­пряжения в нем (прочности арматуры) длина заделки возрастает. Ее можно уменьшить, если повысить прочность бетона (т_bm) или применить арматуру периодического профиля. Опыты показывают, что длина заделки, при которой обеспечивается сцепление, для глад­кой арматуры составляет (30—40)d, периодического профиля (15- 20)d. При этом в случае продавливания сцепление стержня больше, чем при выдергивании, что связано с сопротивлением бетона попе­речному расширению сжатого стержня. Поэтому длина заделки ра­стянутых стержней принимается больше, чем сжатых, а их диаметр для лучшего сцепления с бетоном следует ограничивать.

В железобетонных конструкциях анкеровка арматуры осущест­вляется запуском ее за рассматриваемое сечение на длину, обуслов­ленную достаточным сцеплением с бетоном.

Длину зоны анкеровки l_an для ненапрягаемой арматуры перио­дического профиля определяют по формуле

но не менее l_an = λ_and, где значения ω_an, λ_an а также допускаемые минимальные величины l_an принимаются по таблице ниже.

Коэффициенты для определения анкеровки

Условия работы арматуры

растянутой в рас­тянутом бетоне

растянутой или сжатой в сжатом бетоне

Стыки арматуры внахлестку:

в растянутом бетоне

в сжатом бетоне

В формуле выше введены обозначения:

Δλ_an — коэффициент запаса;

ω_an — коэффициент условий работы.

Гладкие арматурные стержни класса А240 в вязаных каркасах должны оканчиваться на концах анкерами в виде крюков (рис. ниже). В сварных сетках и каркасах анкерами гладких стержней служат край­ние поперечные стержни, что позволяет не устраивать крюков (рис. ниже). Арматурные стержни периодического профиля не требуют на концах крюков или анкерующих поперечных стержней.

Анкеровка ненапрягаемой арматуры

Если невозможно разместить в элементе длину анкеровки, оп­ределенную по формуле выше, то на концах стержней устраивают специальные анкеры в виде пластин, гаек, уголков, высаженных головок и т. п. (рис. выше) или отгибают анкеруемый стержень на 90° (рис. выше).

Размеры анкеров определяют из условия прочности бетона на смятие. Так, площадь контакта анкера с бетоном должна быть не менее N_an/2,5R_b, где N_an — усилие в анкеруемом стержне. При при­менении специальных анкеров длину заделки стержней можно уменьшить до 10d.

На крайних свободных опорах изгибаемых элементов продоль­ные растянутые стержни заводят для анкеровки за внутреннюю грань опоры на длину l_an > 5d, если наклонные трещины не образуются, или на l_ап > 10d, если трещины образуются (рис. выше).

Предварительно напрягаемая арматура в зависимости от спо­соба натяжения анкеруется в бетоне либо за счет сил сцепления, либо с помощью специальных анкеров, расположенных в теле бе­тона или на торце конструкции.

При натяжении на упоры (до бетонирования) высокопрочной рифленой проволоки, канатов однократной свивки, стержней пери­одического профиля анкеровка арматуры обеспечивается ее сцеп­лением с бетоном, и установка анкеров у концов элемента не требу­ется (рис. ниже). Длина анкеровки арматуры в этом случае прини­мается равней длине зоны передачи напряжений с арматуры на бетон и определяется по формуле

где ω_p и λ_р определяют по таблице ниже; R_bp— передаточная прочность бетона, т. е. его кубиковая прочность к моменту обжатия; σ_sp —при­нимается равной большему из значений R_s и σ_sp с учетом первых потерь.

Анкеровка напрягаемой арматуры

При недостаточном сцеплении с бетоном арматуры, натягивае­мой на упоры (гладкая проволока класса В-ll), устраивают внут­ренние анкеры, располагаемые у конца элемента, например, в виде колец с коротышами (рис. выше).

Значения ω_р и λ_р

Вид и класс арматуры

Стержневая периодического профиля независимо от класса

Высокопрочная проволока периодического профиля

Для анкеровки арматуры, натягиваемой на бетон (после бето­нирования), а также для захвата, натяжения и закрепления на упо­рах арматуры, натягиваемой до бетонирования, применяют специ­альные анкеры.

Типы анкеров весьма разнообразны и зависят от вида арматуры и арматурных изделий. Для стержневой арматуры применяют анке­ры в виде высаженных головок, приваренных коротышей (рис. выше) или шайб, гаек, навинчиваемых на нарезанный конец стержня (рис. выше), и т. п.

Проволочные арматурные изделия (пакеты, канаты, пучки), на­тягиваемые на бетон, закрепляют на торце конструкции с помощью гильзового анкера, анкера с колодкой и пробкой, стаканного типа и другими анкерными устройствами. Пакеты из высокопрочных про­волок (УНАЭ), натягиваемые до бетонирования, анкеруют на упо­рах с помощью стальных колодок с отверстиями, в которых закреп­ляют проволоки с высаженными головками. Для закрепления одно­рядных пучков применяют анкеры, состоящие из круглой колодки и конической пробки (рис. ниже). Мощные арматурные пучки, со­стоящие из нескольких концентрических рядов проволок или не­скольких канатов, закрепляют на конструкции анкерами стаканно­го типа (рис. ниже).

Если невозможно разместить в элементе длину анкеровки, то на концах стержней устанавливаются анкеры в виде пластин, гаек, уголков, высаженных головок и т.п.

Анкеровка напрягаемой арматуры в бетоне допускается без спе­циальных анкерных устройств на концах. Анкеровка такой арматуры в бетоне происходит в результате сил сцепления. Анкеровка напряга­емой арматуры при натяжении на бетон или упоры в условиях недо­статочного сцепления с бетоном достигается применением анкерных устройств (цанговых захватов, металлических стаканов, конусных колодок, коротышей, шайб и гаек), высадкой головок, гильзовых ан­керов, петлевых и других захватов.

Сцепление арматуры с бетоном

Бетон и металлические стержни при их соединении, начинают работать вместе, добавляя друг другу механические и физические свойства.

Это успешное взаимодействие возможно, из-за появления между ними силы сцепления. Связь возникает по всей площади их соприкосновения, а после появления нагрузок не дает арматуре сдвигаться. Так железобетон получает свое фундаментальное свойство, за что он и ценится как строительный материал.

От чего зависит прочность сцепления?

Эта величина зависит от сопротивляемости цементного камня выдергиванию из него стержня, также на нее влияют факторы:

• проскальзыванию арматуры препятствует ее периодический профиль, продольные ребра и выступы. Их связь с бетоном создает в нем сопротивление, которое при нагрузках не дает стержню двигаться.
• Механические свойства арматурной стали, высота профильного ребра и ее диаметр.
• Склеивание цементного раствора и поверхности металла.
• Существенно влияют свойства и качество бетонной смеси, возраст, М цемента, заполнители и их % составления. Значение имеет низкое водоцементное отношение.
• Приготовление и заливка б/смеси по нормам стандартной технологии, с уплотнением и соблюдением влажного режима для ее схватывания.

Ранее считалось, что на поверхности соприкосновения прута и цементной смеси, при ее усадке и схватывании, образуются силы трения. Но недавние опыты привели к заключительному выводу, что в действительности такие силы отсутствуют. Еще выяснилось, что обжим прута при схватывании смеси негативно влияет на его сопротивляемость выдергиванию.

В какой степени влияет адгезия на прочность связи? При адгезии в местах соединения начинают работать силы притяжения и взаимосвязи на молекулярном уровне. Но при возникновении даже небольших усилий, силы адгезии разрушаются, поэтому их влияние не будет значимым.

Результаты испытаний над образцами показывают, что в основном прочность сцепления зависит от состояния поверхности арматуры. Чем более гладкая, даже полированная поверхность, тем быстрее выдергивается стрежень. Первостепенную роль для величины сцепления выполняет периодический профиль (ребра жесткости и выступы). Профилированная поверхность сопротивляется сдвигам сильнее в 3 раза, чем гладкий пруток.

Зависимость длины заделки от напряжения и диаметра сечения

Возникающее сцепление рассредотачивает нагрузки между стальными прутами и цементным камнем, это особенно нужно, когда в нем начинаются деформации неупругого характера и появляются трещины. Распределение напряжений помогает избежать избыточного расширения трещин.

Напряжения Tbd вдоль стержня располагаются неравномерно. Их максимальные значения Tmax образуются через небольшой интервал от конца, на это указывает эпюра напряжений испытуемого образца, и они не зависят от длины заделки Lan. Их величина может быть больше прочности цементного камня в несколько раз, поэтому в торцах необходимо контролировать плотность укладки бетона к арматуре.

Величину сцепления выражают через отношение среднего напряжения к площади поверхности заделки формулой:Tbd m=NdLan.

Для гладкой арматуры средние значения Tbd m от 2,5 до 4 МПа, а для профилированной до 7 МПа.

Если длину заделки выразить через напряжение N=d2/4, то получим ее выражение:

Прямая пропорциональность формулы показывает, что с увеличением диаметра сечения и напряжения, нужно увеличивать протяженность заделки. При увеличении Tbm прочности бетона можно уменьшить длину заделки, или для ее уменьшения можно применить периодический профиль.

Экспериментальным путем определили, что для прочной связи протяженность заделки при гладких поверхностях прута 30-40 диаметров, а для профилированных 15-20 диаметров.

Также обнаружили разную реакцию опытного образца на продавливание и выдергивание. При продавливании сила взаимосвязи больше, потому что сжатый стержень начинает расширяться поперек и возникает добавочное сопротивление бетона.

Поэтому продольное растягивание стержней предполагает большую длину их заделки, а также ограниченный размер диаметра.

Анкера

Для гладких прутков, без профиля, в торцах необходима анкеровка. На конце балки, где эпюра напряжений показывает максимальные значения, превышающие прочность цементного камня, монтируется анкер. Для гладких прутьев это будет загнутый крюк, петля, поперечный отрезок.

Для сварной сетки из прутьев без профиля функцию анкеров будут выполнять ее крайние поперечные связи.

Профилированная арматура не нуждается в крюках, но у нее может быть отгиб (лапка.)

Длина анкера рассчитываются, и она не менее 15 d анкеруемого прута или 200 мм.

Недостаточное сцепление

При недостаточной связи металла и цементного камня их взаимодействие резко сокращается. Металл уже не может передавать упругие свойства, делая цементный камень жестким, и возникают трещины. В арматуре появляются удлинения, которых не было бы при достаточном сцеплении. Трещины увеличиваются, быстро раскрываются и наступает аварийное состояние конструкции.

Чем обеспечивается сцепление арматуры с бетоном

КАЧЕСТВЕННО

БЫСТРО

SEO оптимизация

адаптивная верстка

Ремонт в регионах

1. Главная
2. Строительство
3. Монтаж сборных железобетонных конструкций
4. Сцепление арматуры с бетоном

Возможность сочетания двух столь разновидных материалов, как бетон и железо, в один монолит обусловливается тремя нижеследующими обстоятельствами.

• 1) Арматура, находящаяся в бетоне, при отсутствии в последнем трещин не ржавеет. Это доказано многочисленными наблюдениями над железобетонными сооружениями и объясняется по-видимому щелочной реакцией схватывания цемента (Rohland). По существующему в настоящее время взгляду, чтобы обеспечить арматуру от коррозии:

а) количество цемента в бетоне не должно быть менее 220 кг на 1 м3 бетона, а при наличии агрессивных для железа влияний не менее 250 кг;

б) арматура у наружных поверхностей конструкции должна быть покрыта защитным слоем бетона не менее 1,5 см для плит и 2,5 см для балок и стоек;

в) бетон должен быть плотным и не иметь трещин.

• 2) Близость коэффецмента линейного расширения для железа и бетона в пределах обычных темп-p эксплоатации железобетонных сооружений не вызывает нарушения сцепления между арматурой и бетоном.
• 3) Цементный раствор, находясь в коллоидальном состоянии при затвердении бетона, обладает клеящей способностью и пристает к поверхности арматуры.

Сцепления железного стержня с бетоном

Кроме того бетон вследствие усадки сдавливает стержень арматуры и вызывает трение на его поверхности при деформации стержня под нагрузкой. Эти два фактора обусловливают необходимое сцепление арматуры с бетоном, если бетон содержит достаточное количество вяжущего и арматура правильно закреплена в бетоне. Средняя величина сцепления железного стержня с бетоном определяется на опыте путем выдергивания стержня из бетона или продавливания его через бетон и равна

где Р — сила, нарушающая сцепление, ι — длина заделки стержня, υ — периметр его сечения. Величина τ сц возрастает с количеством цемента в бетоне, возрастом бетона и уменьшением водоцементного фактора.

Большое влияние имеет также характер поверхности стержня: стержень, покрытый ржавчиной, лучше сцепляется с бетоном, чем чистый. Для увеличения сцепления в Америке часто применяют специальное сортовое железо с переменным сечением (рис. 6).

Напряжение сцепления на поверхности стержня в действительности распределяется неравномерно по длине его заделки: при действии выдергивающей силы напряжение увеличивается от свободного конца стержня к заделанному, при продавливающее силе, наоборот, оно уменьшается к заделанному концу; это объясняется влиянием поперечных деформаций стержня, которые при действии осевой силы или увеличивают давление на бетон (и, стало быть, трение) или уменьшают его. В обоих случаях закон распределения напряжений можно выразить формулой

τ = τ’е + α υ ( ι — х) / f

где f — сечение стержня, υ — его периметр, τ’ и α — некоторые постоянные, зависящие от свойства бетона и поверхности стержня, а е — основание неперовых логарифмов. Предельная величина сцепления железа с бетоном, определяемая опытным путем, обычно не меньше временного сопротивления бетона срезу; но стержни арматуры в конструкции обычно находятся вблизи наружных поверхностей последней, что уменьшает силу нажатия бетона на стержни и трение. Это обстоятельство заставляет в расчетах на сцепление арматуры брать более значительный запас прочности; к тому же побуждает и неравномерное распределение напряжений по длине арматуры.

Обзор и сравнение методов исследования характеристик сцепления арматуры с бетоном

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Дата публикации: 06.06.2021 2021-06-06

Статья просмотрена: 10 раз

Библиографическое описание:

Стахов, Д. О. Обзор и сравнение методов исследования характеристик сцепления арматуры с бетоном / Д. О. Стахов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 23 (365). — С. 62-68. — URL: https://moluch.ru/archive/365/82107/ (дата обращения: 09.10.2021).

В статье рассматриваются получившие наибольшее распространение методики исследования характеристик сцепления металлической арматуры с бетоном. В ходе сравнения определяются достоинства, недостатки и области рационального применения данных методик. Подтверждение слов производится на основе результатов численных экспериментов, проведенных в соответствии с рассматриваемыми методикам в программном комплексе ANSYS Workbench при учёте физической, геометрической и конструктивной нелинейности.

Ключевые слова: анкеровка, сцепление, железобетон, арматура, эксперимент.

В настоящее время в нормах проектирования железобетонных конструкций разных стран, а также в международных нормах [1], господствует эмпирический подход в построении зависимостей по определению длины анкеровки и нахлёстки. Значительное расхождение длин анкеровки на уровне как расчётных, так и базовых значений [2, 3] свидетельствует о том, что различия появляются уже при получении экспериментальных значений прочности сцепления.

Чтобы разобраться в причинах этого, рассмотрим основные методики исследования характеристик сцепления, получившие наибольшее распространение в международной практике.

Несмотря на то, что понимание общих принципов механики и общемировой опыт проведения этих исследований позволяет судить о напряженно-деформированном состоянии используемых в испытаниях образцов, для получения более полной, часто недосягаемой в реальных экспериментах, информации о распределении усилий в образцах, прибегнем к проведению численного эксперимента в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS Workbench.

Описание расчётных моделей

При построении моделей была учтена симметрия расчётной области. Плоскость продольных ребер арматуры соответствует плоскости симметрии.

Для моделирования арматуры, стали и бетона применены трехмерные 20-ти узловые твердотельные конечные элементы SOLID 186. Для повышения точности решения и возможности учёта геометрии арматурного профиля конечно-элементная сетка измельчается по мере приближения к контакту между бетоном и испытуемым стержнем.

Учёт физической нелинейности обусловлен применяемыми моделями материалов:

– для описания поведения бетона был использован стандартный нелинейный материал Concrete NL доступный в библиотеке материалов ANSYS , который поддерживает модель Друкера-Прагера ( Drucker-Prager Strength Piecewise);

– для описания поведения арматуры и стали применена модель полилинейного изотропного упрочнения ( Multilinear Isotropic Hardening ). За характерные точки кусочно-линейной диаграммы были приняты: предел упругости, начало и конец площадки текучести, а также одна промежуточная точка на ветви упрочнения. Координаты точек определялись согласно зависимостям, приведенным в пособии [4].

Прочностные и деформативные характеристики материалов задавались в нормативных значениях и соответствовали: для бетона образцов — тяжелому бетону класса B25; для испытуемого стержня — арматуре класса A500С; для конструктивного армирования — арматуре класса A240; для опорных конструкций — стали Ст3.

Диаметр испытуемого стержня был принят равным 16 мм. Геометрия арматурного профиля была задана на основе данных приложения А ГОСТ 34028–2016 [5].

В общем случае сцепление арматуры периодического профиля и бетона обеспечивается за счёт адгезии, трения и механического зацепления поперечных ребер арматуры за бетон. Учитывая, что после начала сдвига, неизбежно происходящего уже на ранних стадиях нагружения, адгезия будет потеряна, а вклад трения в общую емкость сцепления невелик, в целях облегчения сходимости задачи, при моделировании контактной зоны учтено только механическое зацепление, что реализовано путем применения модели контакта Frictionless . Контакт бетонного образца и опорных конструкций реализован подобным образом, за исключением случая моделировании испытания по выдергиванию стержня из призмы, опёртой торцом, где применена модель контакта Frictional . Данный тип контакта назначен по плоскости соприкосновения между бетонным образцом и стальной опорной плитой. Коэффициент трения принят равным 0,35. Таким образом, в расчётной модели произведен учёт конструктивной нелинейности.

Учёт геометрической нелинейности реализован пошаговым приложением нагрузок и активацией опции Large Deflection.

В нелинейных задачах характер распределения усилий в значительной степени зависит от уровня нагружения. Поэтому важно в расчётных схемах задать значения усилий, наиболее ожидаемые на практике, т. е. в средних, а не в расчётных значениях. Такое усилие может быть определено по полуэмпирическим выражениям международного кодекса MC 2010 [1]. Данные о задаваемых в расчётные схемы нагрузках представлены в табл. 1.

Силы, выдергивающие испытуемый стержень