Плоские плиты с поперечной арматурой

Исследований работы плоских плит на продавливание, усиленных поперечной арматурой недостаточно для разработки методики расчёта, учитывающей все особенности их работы, в том числе учитывающих напряженное состояние плиты в момент усиления. Как правило, расчёт прочности на продавливание усиленных конструкций выполняют по зависимостям, разработанным для плит с предустановленной поперечной арматурой.

В нашей стране исследования на продавливание плоских плит с предустановленной поперечной арматурой проводились Фишеровой М.Ф., Морозенским В.Л., Пыжовым Ю.К., Качановским С.Г. и др.

Исследования работы плоских плит на продавливание с жёсткой арматурой и совместно жесткой и гибкой арматуры, проведенные в работах [3], [15,16], [25], [29], [60], [70], показали, что гибкость воротников и скрытых капителей оказывает значительное влияние на размеры пирамиды продавливания и на несущую способность плиты при продавливании.

Исследования поперечного армирования в плоских плитах в виде «корзин» [55], [60], [70] выявили тот факт, что эффективность поперечного армирования при наклонном положении хомутов в толстых и средних по толщине плитах снижается по сравнению с вертикальным положении хомутов. На основании этого сделан вывод о целесообразности применения каркасов – «корзин» лишь в тонких плитах.

Работа поперечного армирования в плоских плитах в виде отгибов были выполнены и изучены в трудах [4], [6], [18, 19], [25], [35], [37], [45], [51], [53], [61], [69]. В результате было установлено, что при армировании отгибами возможно умешьшение толщины плиты до 10 см, а вертикальные хомуты недостаточно эффективны в тонких плитах.

Поперечное армирование в плоской плите в виде жесткого и смешанного (жесткое + гибкое) армирования были исследованы в работе М.Ф. Фишеровой [15]. В результате работы было установлено, что поперечное армирование, рассчитанное на 100% восприятия продавливающей силы по нормам СССР, фактически воспринимает только 42%, т.е. автор имеет ввиду, что вклад поперечной арматуры в общую несущую способность на продавливание составил лишь 42%. В результате анализа автором было показано, что армирование, рассчитанное на восприятие 75-100% полной нагрузки на колонну, на самом деле приводит к повышению несущей способности на продавливание только на 40%. Но эти рекомендации так и не вошли в нормы СССР.

Качановский С.Г. в своей работе [10] провёл исследование на продавливание семи опытных образцов с предустановленной поперечной арматурой. В образцах варьировались процент поперечного армирования, схема расположения и шаг поперечных стержней. В результате проведённых исследований было установлено, что:

− в теле плит образуются замкнутые трещины в тангенциальном направлении от центра колонны, не наблюдаемые визуально снаружи;

− замкнутые трещины близки к поверхности усеченной пирамиды с углом наклона граней в 45°;

− исчерпание несущей способности наступало в результате разрушения бетона над вершиной критической наклонной трещины при достижении величины предела текучести в поперечных стержнях, пересекающих критическую трещину;

− разрушение плит с поперечной арматурой имеет пластичный, а не присущий плитам без поперечной арматуры, хрупкий характер;

− увеличение поперечного армирования существенно (до двух раз) повышает несущую способность плит на продавливание.

Большое количество исследований на продавливание плит с поперечной арматурой было проведено за рубежом. В опытах [30], [47], [71], [78] получены экспериментальные данные о работе плит с предустановленной поперечной арматурой в виде хомутов, каркасов, отогнутых стержней и стержней с высаженными головками. Исследованы и другие виды поперечной арматуры, но многие из них не практичны из-за трудностей при монтаже.

В результате авторы сделали следующие выводы:

− для эффективной работы хомутов, плита должна быть толщиной не менее 250 мм и форма должна состоять из замкнутых хомутов с крюками под 1350 и продольными стержнями в углах.

− одиночные вертикальные стержни с крюками 1800 (шпильки), охватывающими продольные стержни обоими концами, довольно эффективны в увеличении прочности на продавливание, при этом шпильки с крюками под 90° неэффективны. В то же время, анкеровка шпилек загибами крюков не всегда позволяет достигать предела текучести в поперечной арматуре, особенно, в тонких плитах.

− наклонные стержни показывают хорошее сопротивление продавливанию, но большинство образцов разрушилось за пределами поперечного армирования.

Следует отметить, что большинство испытаний проводились на плитах небольшой толщины.

В университете Калгари (г. Калгари, США) в работах [26], [30], [37], [71], [75], чтобы решить проблему анкеровки поперечного стержня, было предложено применить стержень с высаженными головками для поперечного армирования.

Большинство образцов были выполнены по схемам, представленным на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4. Схемы расположения поперечных стержней с высаженными головками

Оба вида расстановки одинаково эффективны. Важным параметром при поперечном армировании является первый шаг s ₀. В своем исследовании Dilger W.H. et al. [30] показал, что при расположении первого шага дальше, чем на s ₀ > 0,5∙ h ₀ может привести к преждевременному разрушению. С другой стороны, слишком близкое расположение тоже не эффективно, так как трещина может обойти первый ряд. Также авторы в опытах [22], [75] получили, что для плоских плит расположение стержней с высаженными головками с шагом s ≤ 0.75· h ₀ является оптимальным.

В своих работах Amin Ghali и Neil Hammill провели сравнение результатов испытания двух плоских плит на продавливание с различными системами поперечного армирования: стержней с высаженными головками и шпильками. В результате проведенных исследований авторы заключили следующее:

− плиты с поперечной арматурой в виде стержней с высаженными головками показывают большее значение на продавливание, чем плиты со шпильками (рис. 1.5);

− анкеровка шпилек загибом крюков даже под 180° недостаточна, чтобы шпильки достигли предела текучести в плите при продавливании;

− стержни с высаженными головками показывают более высокие значения напряжения при продавливании, чем шпильки. Причём напряжения в стержнях находились за пределом текучести;

− стержни с высаженными головками не требуют дополнительной анкеровки за пределами высаженных головок;

− стержни должны иметь механическую анкеровку, обеспечивающие достижения предела текучести в стержне.

Рисунок 1.5. Сравнение несущей способности плит с поперечной арматурой в виде стержней с высаженными головками и замкнутыми хомутами: А – плита со стержнями с высаженными головками, В – с замкнутыми хомутами

В 2000 г. Megally и Ghali в своих исследованиях [59] сравнили работу на продавливание пяти образцов, моделирующих промежуточные колонны, толщиной плиты 150 мм. Образцы были усилены с помощью устройства капители, установки хомутов и поперечных стержней с высаженными головками. Данные исследования показали, что плиты, усиленные с помощью капителей увеличивают несущую способность на продавливание, но не увеличивают деформативность плит. Хомуты также показали увеличение несущей способности образцов на продавливание, но не показали увеличение деформативности. Авторы заключили, что хомуты не эффективны в тонких плитах, так как они не успевают включиться в работу. Установка поперечных стержней с высаженными головками показало увеличение несущей способности и деформативности плит при продавливании.

Недавние опыты в Германии [28], [31] и Великобритании [66], [68] на плитах, армированных стержнями с высаженными головками с пределом текучести f_y > 500 МПа, показали, что необходимо ограничить f_y до 500 МПа. Данное ограничение авторы объясняют тем, что для стержней из более высокопрочной стали сложно обеспечить достаточную анкеровку. В свою очередь анкеровку стержня обеспечивают диаметром головки, равным приблизительно трем диаметрам стержня.

В работе [62], выполненном в политехническом институте в г. Лозанна (Швейцария, 2010 г.), были испытаны шесть плит с одинаковыми геометрическими и механическими характеристиками, но с различными видами поперечного армирования (с открытыми хомутами, наклонные стержни, установленные после бетонирования плиты на эпоксидный клей, непрерывные стержни, образующие хомуты, гвозди с высаженными головками как вертикальные, так и наклонные (рис. 1.6).

Рисунок 1.6. Опытные образцы: а – геометрические размеры; b – продольное армирование образцов (коэффициент продольного армирования = 1,5%); с – схема расположения исследуемых систем поперечного армирования

Нужно отметить, что исследования, представленные в данной статье, были основаны на результатах испытаний одного образца на каждый вид поперечного армирования. Для достоверного суждения по каждому виду поперечного армирования необходимо испытание большего количества образцов. Однако, по результатам эксперимента можно сделать следующие выводы:

− прочность на продавливание в случае разрушения по грани колонны сильно зависит от конструктивных требований;

− системы с хорошей анкеровкой (стержни с высаженными головками) показывают высокие значения прочности и жесткости плит на продавливание. Хорошую работу демонстрируют и замкнутые хомуты. Открытые же хомуты с загибами на растянутой поверхности плиты показывают самые низкие значения увеличения прочности на продавливание;

− наклонная арматура – эффективный способ увеличить сопротивление на продавливание плит по грани колонны, так как наклонная арматура, если рассматривать ферменную аналогию, повышает прочность условного раскоса за счёт его армирования в поперечном направлении. При ферменной аналогии существенная доля нагрузки передается по условному раскосу, которая начинается от площадки нагружения.

В работе Stefan Lips и Aurelio Muttoni [57] приведены исследования плоских плит на продавливание с поперечной арматурой в виде хомутов и стержней с высаженными головками. В данной работе было испытано 16 полномасштабных образцов, где варьировались следующие параметры: размер колонны, толщина плиты, коэффициент поперечного армирования, вид поперечного армирования.

В данных опытах постоянными сохранялись размеры плиты в плане (3,0х3,0 м), форма колонны (квадратные) и коэффициент продольного изгиба (ρ=1,5%).

Для изучения влияние исследуемых параметров на продавливание образцы были разделены на три серии. В первой серии варьировалось соотношение размеров колонны к рабочей высоте плиты в пределах от 0,62 до 2,48. Во второй серии варьировалась толщина плиты от 250 до 400 мм, сохраняя отношение размера колонны к рабочей высоте плиты равное 1,24. В третьей серии варьировался коэффициент поперечного армирования. Причем в двух сериях поперечное армирование было выполнено двумя различными видами: хомутами и стержнями с высаженными головками.

В данной работе авторами были сделаны следующие выводы:

− поперечное армирование увеличивает несущую способность на продавливание, увеличение зависит от вида используемой поперечной арматуры. Показано, что плиты с поперечной арматурой в виде стержней с высаженными головками дают более высокие значения несущей способности, чем плиты с обычными непрерывными хомутами (рис. 1.7);

− даже небольшое увеличение коэффициента поперечного армирования повышает несущую способность на продавливание, а также сопротивление повороту (жесткость) плиты;

− с помощью вертикальных стержней с высаженными головками, прочность на продавливание увеличивается до двух раз, а сопротивление плиты повороту (деформативность) до 3 раз.

− вертикальные стержни с высаженными головками работают лучше, чем замкнутые хомуты, в рамках выбранных конструкций;

− методика расчёта на продавливание плит с поперечной арматурой в виде стержней с высаженными головками по нормам проектирования [21], [38], [72] дает большой запас. Хорошие совпадения с результатами испытаний дает методика расчёта по теории критической трещины продавливания, предложенная автором [40].

 

 

Рисунок 1.7. График зависимости поперечной силы от поворота плиты при продавливании с поперечной арматурой в виде неразрывных хомутов и стержней с высаженными головками

В работах ряда зарубежных авторов [36], [43], [48], [57], [59], [64], [78] показано, что несущая способность на продавливание плит с обычной поперечной арматурой значительно ниже, чем алгебраическая сумма вкладов сопротивлений бетона и поперечной арматуры. По мнению авторов это происходит из-за того, что бетон разрушается раньше, чем напряжения в поперечной арматуре успевают достичь предела текучести. В ряде случаев, при использовании хомутов, повышенная податливость их анкеровки в месте загиба ухудшает их эффективность. Исследования напряжений в хомутах [30] подтверждают справедливость последнего. Если поперечная арматура достаточно заанкерена, то ее вклад в сопротивление продавливанию увеличивается.

В нормативной литературе встречается два основных подхода по учету вклада в несущую способность на продавливание бетона и поперечной арматуры. Одна группа исследователей, таких как Moe [60], Franz [42], Herzog [49], Petcu [65], Kordina/Nölting [54] предлагают учитывать вклад поперечного армирования с коэффициентом условия работы в пределах от 0,25 до 0,8. На таком подходе базируются и Российские нормы.

Другие исследователи, как Elstner/Hognestadt [37] и Regan [67], предлагают использовать принцип суммирования, однако с уменьшенным вкладом по бетону (коэффициент условия работы в пределах от 0.5 до 0.8). ЕС2 и ACI 318 базируются на втором подходе.