Об особенностях работы соединений арматуры внахлест в ж.б. конструкциях

Работа стыков арматуры при чистом изгибе балок
Материалы данной главы взяты из статьи Мехрана Ghasabeh (с ресурса: http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12615530/index.pdf).

Два типа разрушений балок, при недостаточном сцеплении арматуры:

1. Образование трещин на растянутой грани балки, если защитный слой арматуры менее половины расстояния в свету между стержнями


2. Образование трещин на боковой грани балки, если расстояние в свету между стержнями менее защитного слоя арматуры

В первом эксперименте Мехрана Ghasabeh балка хрупко разрушилась в месте нахлеста не достигныв предельных напряжений в арматуре, рассчитанных по уравнениям прочности.

Схема установки для испытания балок на чистый изгиб

Схема армирования экспериментальной балки без хомутов в зоне нахлеста


Изгибная трещина на боковой грани балки возле свободного конца стержня

Изгибная трещина на верхней грани балки

Разрушение произошло на растянутой грани от изгибной трещины в конце стыка.

Во втором эксперименте защитный слой до верхней и боковых граней балки был больше расстояния между стержнями, разрушение балки произошло по боковым граням. После образования трещин на боковых гранях, изгибные трещины раскрылись еще больше.

Образование трещин на боковой грани с раскрытием изгибной трещины

В последнем эксперименте была та же арматура и защитные слои, что и в прошлом эксперименте, но было установлено 6 хомутов, вместо 4-х, чтобы добиться разрушения от изгибных трещин. Первыми появились изгибные трещины, далее, при образовании боковых продольных трещин, из-за небольшого защитного слоя (менее допустимого по ACI) произошло хрупкое разрушение балки при напряжениях, меньших, чем балка несла в прошлом эксперименте (с 4 хомутами). Таким образом, при нарушении величины защитного слоя поперечная арматура не только не увеличила прочность стыка, но даже ухудшила работу стыка.

Изгибная и боковая продольная трещина при разрушении балки

Схема расположения тензодатчиков на арматурных стержнях

Продольные деформации при разрушении балки

По результатам экспериментов были сделаны следующие выводы:

  1. Первые трещины всегда появлялись на концах нахлестываемых стержней. Из-за этих трещин на концевых участках, в сплошных стержнях возрастают напряжения и деформации;
  2. Результаты аналитического расчета предельных усилий очень близки к экспериментальным данным;
  3. Максимальные напряжения были зафиксированы на непрерывных стержнях, в начале стыка и уменьшались, практически, до нуля на свободных концах стыкуемых стержней, деформации на свободных концах также были около нуля;
  4. Напряжения в поперечной арматуре оказались различными, были зафиксированы, как растягивающие напряжения, так и сжимающие, поэтому трудно сделать общий вывод, однако, во всех балках, напряжения в угловых зонах хомутов оказались выше чем в средних зонах. Деформации поперечной арматуры, расположенных на концах стыков, были выше, чем деформации на поперечной арматуре, расположенной ближе к середине стыкуемых стержней;
  5. Увеличение поперечной арматуры не привело к ожидаемому увеличению несущей способности балки из-за того, что защитные слои сверху и на боковых поверхностях балки были меньше допустимых по нормам. Следует обращать особое внимание к защитному слою и расстоянию между стержнями в балках со стыкуемыми внахлест стержнями, так как эти параметры сильно влияют на несущую способность.

Работа изгибаемых стыков с дополнительным поперечным армированием  

В данной главе использованы материалы кандидатской диссертации Мохамеда Кассема Омара «Влияние косвенного армирования на несущую способность стыковых соединений арматуры железобетонных конструкций» (с сайта tekhnosfera.com).

В диссертации рассматриваются экспериментальные исследования бессварных стыков с косвенной спиральной арматурой и дополнительной продольной арматурой внутри кольцевой спирали, создающей эффект обоймы, и рассматривается влияние данного эффекта на несущую способность стыкового соединения. Установлено увеличение касательных напряжений на торцах стыка и близкое к линейному распределение в средней части стыка.

Отличие работы сжатых и растянутых стыков арматуры в колоннах
Материалы данной главы взяты из зарубежной литературы к коду EC2.

Особенностью работы сжатых бессварных стыков арматуры является передача сжимающего усилия не только по длине стыкуемых стержней, но и через их торцы (по аналогии со сваями в грунте), которые опираются  на бетон и передают на него часть сжимающего усилия. Кроме того, из-за отсутствия растяжения в бетоне (и соответственно трещин в нем), он воспринимает больше усилий, чем в растянутых стыках. В растянутом стыке напряжения в стержнях увеличиваются в местах образования трещин по длине стыка, в сжатом усилия более равномерные, из-за отсутствия трещин. Силы сцепления арматуры с бетоном до образования трещин непрерывны, после образования трещин становятся прерывными, и на стержни, в местах образования трещин, передается больше растягивающих усилий. В середине стыка каждый из растянутых стержней воспринимает половину усилия, действующего в стержнях в начале соединения внахлест.

В сжатом стыке, в отличии от растянутого, нет такой сильной зависимости несущей способности стыка от защитного слоя бетона, однако, есть зависимость несущей способности от расстояния между торцом стержня и кромкой бетона (из-за эффекта опирания торца стержня на бетон). Влияние поперечной арматуры больше в сжатом стыке, чем в растянутом. При сжатии, торец стержня упирается в бетон и создает эффект «протыкания» бетона, чтобы этот эффект предотвратить, в европейских нормах есть требование об установке дополнительного поперечного стержня за зоной нахлеста, на расстоянии не менее 4 диаметров анкеруемого стержня.

Соединение внахлест сжатой арматуры по Еврокоду 2

Если в колонне есть растянутые стыки, они работают аналогично растянутым стыкам в плите перекрытия.

Следует также отметить, что в действующем СП63, в отличие от СП52, нет требования по разбежке сжатых стержней стыкуемых внахлест в одном сечении, из СП63 это требование убрали, а оставили только для растянутых стержней.

Особенность работы стыков внахлест, в колоннах, при циклических сейсмических нагрузках

У сейсмических нагрузок есть 2 главных отличия от обычных нагрузок: 1) эта нагрузка является циклической (повторяющейся), 2) эта нагрузка приводит к знакопеременным усилиям в колоннах.

Работа стыков арматуры в колоннах при сейсмических нагрузках