п образная арматура в стене
Об отличиях анкеровки арматуры плит перекрытий Г-образными и П-образными стержнями
Рамные узлы соединения плит перекрытий со стенами — это неотъемлемая часть монолитных ж/б зданий. Для восприятия опорного момента в узле, верхнюю арматуру плиты необходимо надежно анкеровать в стену. В настоящее время используется три основных типа анкеровки верхней арматуры: анкеровка отгибом основной арматуры в стену (вверх или вниз), анкеровка с установкой Г-образных дополнительных стержней (также вверх или вниз) и анкеровка с установкой П-образных арматурных стержней (вместо Г-образных).
В чем же отличие между этими тремя типами анкеровки?
Определяющим фактором при выборе типа анкеровки является диаметр основной арматуры плиты и усилия в узле, от этого зависит длина анкеровки, возможный радиус загиба арматуры и необходимость дополнительной арматуры. В реальных конструкциях, из-за небольшой толщины стен (180-200 мм), требуемый нормами прямой участок сделать не удается, поэтому, в рамном узле арматура должна загибаться по увеличенному радиусу (10d(1-Lпрям.уч./Lанк), см. Пособие к СП 52), а не по обычному радиуса загиба по ГОСТу на арматуру (гарантирующему только целостность поверхности арматурного стержня). Это делается для того, чтобы избежать большой концентрации напряжений в бетоне в точке перегиба. В литературе также встречается анкеровка с установкой поперечных стержней в местах перегиба (см. «Standard Method of Detailing Structural Concrete»). Считается, что отгибаемый растянутый стержень, при растрескивании бетона в зоне загиба (смятии), зацепится за поперечный стержень, но это конструктивное мероприятие, методики расчета данного стыка нет.
Самой простой и экономичной является анкеровка с помощью отгибания основной арматуры плиты. Почему данный вид анкеровки не является единственным? Это связано с особенностью возведения ж/б конструкций, армирование плит начинается после бетонирования вертикальных конструкций и шов бетонирования под плитой не позволяет завести арматуру плиты на необходимую длину в стену. Самое очевидное и простое решение — отогнуть арматуру вверх, но это нельзя делать в плитах покрытия, так как вышележащих стен уже нет и арматуру плиты необходимо соединить с арматурой нижележащей стены для равномерной передачи момента с плиты на стену. Кроме того есть сложности и с местами, где располагаются дверные проемы, в этих местах также отогнуть арматуру вверх не получится.
Есть и другие причины, по которым нельзя обойтись только отгибанием основной арматуры, например, концентрация моментов во внутренних углах стен (лестнично-лифтовые блоки), на этих участках, как правило, требуется дополнительная арматура. В этом случае приходится считать необходимую длину отгиба и после этого принимать решение о типе дополнительной арматуры. Удобнее использовать U-образные арматурные элементы, так как нет необходимости устанавливать заранее в стены, в уровне перекрытий, дополнительные стержни для плиты и не нужно потом их отгибать в плиту. U-образные элементы можно монтировать вместе с армированием плиты перекрытия. Однако, применение U-образных элементов ограничено используемым диаметром арматуры. Если по расчету требуется дополнительно установить арматуру диаметром 20 мм, а плита толщиной 200 мм и менее, то U-образные элементы делать нельзя, так как в результате загиба может повредиться поверхность арматуры и уменьшится несущая способность рамного узла. В таких случаях используют L-образные стержни или приваривают стальные фиксаторы из поперечной арматуры или пластин. Кроме того, U-образные элементы (нижняя часть которых выходит за грань стены в зону нижней арматуры плиты) нельзя использовать, если по расчету требуется нижняя арматура, так как бетон передает сжимающие напряжения на арматуру и U-образный элемент будет воспринимать дополнительное усилие в нижней зоне плиты, т.е. стержень будет подталкиваться снизу и дополнительно растягиваться сверху. В таком случае, узел должен быть запроектирован из двух Г-образных элементов (один вверх — из нижней зоны плиты с анкеровкой в стену следующего этажа, а другой вниз — из верхней зоны плиты с анкеровкой в стену нижнего этажа). Такие узлы применяют на нижних этажах, где из-за осадок может требоваться нижняя арматура. Действующие нормы также разрешают использовать U-образные стержни для рамных узлов при раскрывающих узел моментах, когда нижняя грань плиты растянута. В этом случае необходимо добавлять дополнительный наклонных стержень (см. рис. 10.2 «б» СП 63 и рисунок J.4 «b» ТКП EN 1992-1-1-2009). U-образные стержни, можно использовать, если оба участка стержня растянуты (например в верхней зоне балок), т.е. U-образный стержень устанавливается параллельно плоскости плиты и не заходит в нижнюю зону, при этом он должен охватывать вертикальные арматурные стержни в стене или колонне. Также U-образные стержни применяют для обрамления торца плиты в зоне отверстия либо на свободных торцах плиты, в этом случае стена отсутствует и такой стержень воспринимает крутящий момент. Эффективнее всего использовать U-образные элементы, когда требуется верхняя арматура небольшого диаметра (8-10 мм), можно уменьшить шаг и диаметр арматуры, чтобы использовать U-образные элементы и тем самым упростить и ускорить возведение плит перекрытий. В любом случае, при использовании U-образных арматурных элементов, в местах загиба необходимо устанавливать (или приваривать) перпендикулярные стержни.
В каждом конкретном случае нужно подробно проанализировать все места, где необходимо отгибать арматуру и принять унифицированное решение, которое лучше всего подойдет для всех рамных участков плиты и с точки зрения трудозатрат, и с точки зрения стоимости и удобства монтажа. При балочных перекрытиях чаще всего отгибают верхнюю арматуру балки в стену или колонну, при безбалочных чаще всего устанавливают дополнительные U-образные элементы, но при этом уменьшают шаг, чтобы арматура была диаметром не более 10 мм. На плите покрытия устанавливать U-образные элементы не рекомендуется, в таких случаях отгибают арматуру стены, а если нужна дополнительная арматура, также устанавливают ровные стержни в стену до бетонирования, а потом отгибают в плиту. Минус данного способа в том, что трудно проконтролировать требуемый радиус загиба стержней.
Рис. 1. Фрагмент из британских норм по железобетону
Рис. 2. Еще один вариант анкеровки верхней и нижней арматуры
Рис. 3. Требования к Г-образным стержням в США
Фрагмент с ресурса: http://www.housingauthority.gov.hk/common/pdf/business-partnerships/resources/concrete.pdf)
Рис. 4. Анкеровка арматуры путем её отгиба при наличии прямого участка (l1) или при его отсутствии (из Пособия к СП 52-101-2003). В соответствии с пунктом 3.125 Руководства по конструированию 1978 г. дополнительные хомуты, препятствующие разгибанию стержня должны устанавливаться с шагом 100 мм
Рис. 6. Два типа анкеровки с помощью загиба арматуры (из японского стандарта JSCE 2007): (а) — при загибе стержня по радиусу не менее 10 его диаметров, эффективной считается вся длина, включая изогнутую часть; (b) — если радиус загиба менее 10 диаметров стержня, но прямой участок за зоной загиба не менее 10 его диаметров, то прямой участок считается эффективным
Рис. 7. Пример определения радиуса загиба арматуры диаметром 25 мм по BS 8110 (Источник: «https://issuu.com/mebuild/docs/191283720-reinforced-concrete-desig»)
Рис. 9. Допустимые диаметры оправки для арматурных стержней (из ТКП EN 1992-1-1-2009)
Рис. 10. Диаметры оправки арматуры разных классов из «Методическое пособие Проектирование железобетонных конструкций с применением сварных сеток и каркасов заводского изготовления. Москва 2016»
Рис. 11. Анкеровка с помощью анкерной пластины. Американские нормы (ACI).
Рис. 12. Горизонтальные и вертикальные хомуты воспринимают растягивающие усилия в узле и упрочняют узел в зоне анкеровки верхней арматуры (ACI).
Рис. 13. Дополнительные П-образные хомуты для анкеруемого в верхней зоне колонны арматурного стержня. Использование П-образных стержней для анкеровки продольной арматуры допускается пунктом 10.3.21 СП 63.13330.2018: «- с установкой дополнительных арматурных изделий в виде П-образных стержней с заведением концов в сжатую зону бетона на длину анкеровки»
Рис. 14. Примеры установки дополнительной арматуры на длине анкеруемого стержня с отгибом, из ACI 318
Рис. 15. Расположение хомутов перпендикулярно и параллельно арматурному стержню
Фрагмент книги с ресурса: https://www.slideshare.net/peakpilgrim/27-jun2015-splicing-of-reinforcement/p>
Рис. 16. Фрагмент из «Рекомендаций по проектированию железобетонных монолитных каркасов с плоскими перекрытиями. 1993 г.». Аналогичные узлы показаны и в «Сборник норм и правил по проектированию железобетонных безригельных каркасных зданий с плоскими плитами перекрытий. Краснодар — 2006»
Рис. 17. Фрагмент из книги «Руководство для проектировщиков к Еврокоду 2: проектирование железобетонных конструкций: руководство для проектировщиков к EN 1992-1-1 и EN 1992-1-2» о необходимости установки П-образных элементов на свободном краю плиты в зоне колонн
Рис. 18. Схема распределения напряжений в арматурном стержне.
Фрагмент книги с ресурса: https://www.slideshare.net/peakpilgrim/27-jun2015-splicing-of-reinforcement/p>
Рис. 19. Напряжения в арматурном стержне при при отгибе на 90 и 180 градусов.
Фрагмент книги с ресурса: https://www.slideshare.net/peakpilgrim/27-jun2015-splicing-of-reinforcement/p>
Рис. 20. Соединение балки с колонной.
Фрагмент книги с ресурса: https://www.slideshare.net/peakpilgrim/27-jun2015-splicing-of-reinforcement/p>
Рис. 21. Примеры образования трещин в результате экспериментов на выдергивание.
Фрагмент книги с ресурса: http://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/1326.pdf /p>
Рис. 22. Распределение усилий в узле соединения балки с колонной.
Рис. 23. Два типа трещин, которые могут образоваться в колонне при двух вариантах анкеровки арматуры балки
Рис. 24. Распределение трещин в узле соединения балки с колонной при различных вариантах анкеровки арматуры балки.
Фрагмент книги с ресурса: https://www.concrete.org/publications/internationalconcreteabstractsportal.aspx?m=details&ID=51685465 /p>
Рис. 25. Распределение трещин в узле соединения балки с колонной при растянутом узле. Австралийские нормы.
Фрагмент книги с ресурса: https://books.google.ru/books?id=8tSYCgAAQBAJ&pg=PA664&lpg=PA664&dq=Australian+Standards+on+Concrete+Structures+(AS3600+-2001)&source=bl&ots=TKda9zBmin&sig=6c6M3Yx4xEFtgtqh_RANkG_Zwvk&hl=ru&sa=X&ved=0ahUKEwi_q6Puvv7TAhWIFZoKHXWGCJkQ6AEISzAG#v=onepage&q&f=false/p>
Рис. 26. Распределение трещин в узле соединения балки с колонной при сжатом узле. Австралийские нормы.
Фрагмент книги с ресурса: https://books.google.ru/books?id=8tSYCgAAQBAJ&pg=PA664&lpg=PA664&dq=Australian+Standards+on+Concrete+Structures+(AS3600+-2001)&source=bl&ots=TKda9zBmin&sig=6c6M3Yx4xEFtgtqh_RANkG_Zwvk&hl=ru&sa=X&ved=0ahUKEwi_q6Puvv7TAhWIFZoKHXWGCJkQ6AEISzAG#v=onepage&q&f=false/p>
Рис. 27. Распределение напряжений в расходящемся узле
Рис. 28. Пример армирования жестких узлов из СП 63.13330.
Рис. 29. Пример армирования жестких узлов из ТКП EN 1992-1-1-2009.
Испытание рамного узла соединения балки и колонной большого сечения
Рис. 30. Схемы армирования угловых сопряжений
железобетонных конструкций (из Пособия к СНиП 2.06.08-87); а — при наличии сжатой арматуры; б — при отсутствии сжатой
арматуры; в — при массивных конструкциях; 1 — сжатая арматура; 2 — сварка; 3 — армосетки; 4 — неравнобокие уголки (приварить)
Рис. 31. Примеры армирования наклонных ригелей.
Фрагмент взят с ресурса: http://detailsconstructifs.cype.fr/FIX130.html
Рис. 32. Схема армирования узла сопряжения наклонного ригеля а — при угле сопряжения менее 160 град, б — то же при угле сопряжения более 160 град (Руководство по конструированию 1978 г)
Рис. 33. Фрагмент из книги В. И. Мурашова «Расчет железобетонных элементов по стадии разрушения», 1938 г.
Рис. 34. Схема определения требуемой длины изогнутой части стержня в узле, зависящей от значения требуемой величины анкеровки ld и меньшим из углов между осью одного из растянутых стержней и равнодействующей усилий С3 (ACI 318-19)
Рис. 35. Фрагмент из книги В. И. Мурашова «Расчет железобетонных элементов по стадии разрушения», 1938 г.
Рис. 36. Из книги: «ЖЕЛЕЗОБЕТОН его расчет и проектирование. Рудольф Залигер. Москва 1931 г.»
Рис. 37. Стык Г. П. Передерия: а — при осевом растяжении плиты; б — при изгибе. Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства
Аналог стыка Передерия используется при строительстве сооружений гражданской обороны (убежищ) в Швеции. Применение этого стыка позволило строить ж/б убежища внутри существующих зданий, применять сборные конструкции и сократить время строительства данных сооружений. Также он используется при строительстве тоннелей. (Данный стык может также применяться, например, при строительстве подземных паркингов из сборных элементов). Выполнение арматурных П-образных деталей на заводе позволяет уменьшить ошибки, связанные с гнутьем арматуры больших диаметров, так как увеличение диаметра приводит к увеличению радиуса загиба, что, в условиях обычных строительных площадок, часто приводит к нарушениям величины радиуса загиба арматуры.
В статье: «Structural Behaviour in Concrete Frame Corners of Civil Defence Shelters. Non-linear Finite Element Analyses and Experiments. Morgan Johansson. Sweden 2000» автор описывает проведенное в Швеции экспериментально-аналитическое исследование стыка железобетонных плит со стенами, в котором показывает, отличия в работе стыка при разном типе армирования. Далее приводятся фрагменты данного исследования.
Рис. 38. Стыки (а) и (b) были рекомендованы к использованию в шведских нормах проектирования убежищ, стык (c) — новый тип стыка, который предлагает автор исследования, вместо двух прежних стыков
В статье автор обращает внимание на требование шведских норм о величине максимального армирования узла для возможности пластической работы стыка и перераспределения усилий, чтобы большие усилия не концентрировалось в одном месте конструкции и не происходило хрупкого разрушения. Это особенно важно для сооружений гражданской обороны, на которые действуют импульсные (мгновенные) нагрузки большой силы. Поэтому одной из задач исследования была задача уменьшения количества арматуры в данном узле с сохранением несущей способности.
Рис. 39. Примеры конструкций с рамными узлами
Расходящийся угол
При рассмотрении расходящегося угла очевидным является наличие трещины с внутренней стороны угла, в точке соединения конструкций, однако, при работе узла возникает и вторая, диагональная, трещина. Усилия сжатия, как бы упираются во внешний угол и растягивающие усилия отсоединяют внутреннюю часть узла от наружной, и, при отсутствии там арматуры, появляется диагональная трещина.
Рис. 40. Пример образования диагональной трещины при неправильном армировании расходящегося угла
Рис. 41. На рисунке (а) показана ферменная идеализация распределения напряжений в расходящемся узле, описанная Нильссоном в 1973 г., на рисунке (b) показано распределение напряжений, сделанное автором исследования с заменой параболической (экспериментальной) эпюры напряжений на треугольную
Одним из вариантов решения проблемы образования диагональной трещины отрыва является установка диагональной арматуры, соединяющей наружный и внутренний углы. Однако, такое решение не в полной мере решает проблему, диагональная арматура находится на некотором расстоянии от грани бетона и, при больших усилиях, трещина образуется с наружной стороны арматуры. Кроме того, установка диагональных хомутов затруднительна при соединении плиты со стеной, поэтому это решение чаще применяется при соединении балок с колоннами, при относительно небольших усилиях.
Рис. 42. На рисунке (а) показана дополнительная диагональная арматура, на рисунке (b) показана трещина с наружной стороны угла
Решить проблему образования диагональной трещины можно также с помощью замены Г-образных стержней на U-образные. При этом происходит обжатие бетона внутри петель и диагональная трещина смещается (выдавливается) в сторону наружного угла, в результате происходит откол бетона за арматурой, по аналогии с узлом с установленными диагональными хомутами.
Диагональные стержни сдерживают развитие первой трещины с внутренней стороны угла и таким образом препятствуют распространению трещины за пределы сжатой арматуры, т.е. способствует повышению общей несущей способности узла. По экспериментальным исследованиям получено то, что площадь наклонных стержней должна равняться половине площади U-образных стержней.
Рис. 43. На рисунке (а) показано армирование в виде петель, на рисунке (b) показано армирование в виде петель с диагональным стержнем
Рис. 44. На рисунке (а) показана схема с порядком образования трещин с 1-ой по 4-ю, при испытаниях узлов с петлевой арматурой, на рисунке (b) показано распределение трещин в испытанной конструкции
Сходящийся угол
В узлах со сходящимися моментами разрушение может происходить по следующим причинам:
а) смятие бетона с внутренней стороны угла в зоне сжатого бетона (происходит при усиленном армировании и невысоком классе бетона);
б) раздавливание диагональной сжатой полосы в пределах угла (может произойти при коэффициенте армирования узла более 0,24);
в) скол бокового бетонного покрытия в соединениях ригелей с колоннами, что приводит к выходу из работы арматуры (может произойти при большом диаметре отгибаемой арматуры и маленьком защитном слое бетона до боковых поверхностей. Проблема более актуальна для соединения ригеля с колонной, чем для соединения плиты со стеной).
Скол бокового защитного слоя бетона происходит при отгибе арматурного стержня, в месте отгиба, там возникают радиальные сжимающие напряжения, которые приводят к появлению растягивающих напряжений, которые пытаются отколоть бетон в плоскости изгиба. Величина раскалывающих напряжений зависит от предела текучести стали, диаметра арматурного стержня и его радиуса загиба. В петлевых стыках напряжения скола выше чем в Г-образных стержнях. Чтобы уменьшить напряжения скола перпендикулярно изгибу можно использовать диагональные хомуты от наружного угла к внутреннему, продольные стержни внутри петель или увеличенный защитный слой.
Рис. 45. Пример скола бокового защитного слоя при испытаниях рамного стыка со сходящимися моментами
Рис. 46. На рисунке (а) показана схема распределения радиальных сжимающих напряжений в месте загиба арматурного стержня, на рисунке (b) показана возможная откалывающая защитный слой бетона трещина в плоскости изогнутого стержня
Рис. 47. Правильное и неправильное расположения стыков арматуры при использовании наклонных стержней
Вместо наклонных стержней можно использовать дополнительные петли, площадью не менее 35% от площади основных петель.
Рис. 48. На рисунке (а) показаны хомуты, приваренные к наружной анкерной пластине, на рисунке (b) показан фибробетон в месте заделки углового стыка
Для более полного использования петлевой арматуры в стыках со сходящимися моментами автор исследования рекомендует использовать петли из арматуры небольшого диаметра, а угол заделывать прочным фибробетоном с количеством фибры не менее 1%. Также, можно использовать пластины с наружной стороны угла с приваренными диагональными хомутами, для избежания откалывания защитного слоя бетона за зоной установки хомутов.
Аналогичное исследование расходящегося узла с различным армированием описано в статье: «REINFORCEMENT DETAILING FOR OPENING CORNERS. Prof. Roshan Lal, Dr. N.P.Devgan, Dr. Bhupinder Singh, Dr. S.P.Singh. Roshan Lal, 4 (6): June,2015». Авторы статьи приводят результаты экспериментального исследования рамного узла с 4-мя видами армирования и делают вывод о том, что максимально эффективным является тип армирования с петлей и диагональным стержнем.
Рис. 49. Четыре вида армирования, которые исследовались в эксперименте с расходящимся узлом. Тип 1 — без диагональной арматуры, с разрывом и анкеровкой нижней арматуры в верхнюю зону; Тип 2 — без разрыва верхней и нижней арматуры, но с диагональной шпилькой, соединяющей арматуру; Тип 3 — с пересекающимися П-образными арматурными элементами (стык Передерия); Тип 4 — с петлей нижней арматуры и диагональным стержнем, анкерующимся в зоне верхней арматуры
Рис. 50. Таблица с результатами испытаний 4-х типов узлов. Максимально эффективным оказалось армирование Тип 4, коэффициент эффективности узла 93,5%
Рис. 51. Узел Тип 4 соответствует узлу из СП 63.13330.2018 рекомендуемого для расходящихся узлов
Рис. 52. Три стадии работы узла Тип 4. Стадия 1 — бетон работает в упругой стадии, угол не растрескивается, напряжения воспринимаются бетоном и частично арматурой; Стадия 2 — в углу появляется трещина, усилия с бетона переходят в арматуру, затем образуется диагональная трещина, зона напряжения сдвигается к внешней стороне угла и диагональный стержень помогает углу сопротивляться отсоединению от внешней стороны; Стадия 3 — диагональная трещина резко поворачивается в сторону сжатия в диагональном направлении и узел разрушается
Авторы другой статьи «Behaviour of nodal regions of reinforced concrete frames subjected to opening moments and proposals for their reinforcement Stefano Campana, Miguel Fernández Ruiz, Aurelio Muttoni» (источик: «https://infoscience.epfl.ch/record/186974») также провели серию экспериментов с целью определения зависимости поведения расходящихся узлов от вида их армирования и угла наклона элементов узла. В конце статьи приводятся формулы для определения количества требуемой поперечной арматуры для узла, указанного в СП 63.13330.2018, с наклонной поперечной арматурой.
Рис. 53. Рамный узел с наклонной арматурой из СП 63.13330.2018 рекомендуемый для расходящегося узла
Рис. 54. Fw — усилие в поперечной арматуре
Рис. 55. pw — требуемая площадь поперечной арматуры
Рис. 56. Определение коэффициента перераспределения усилий в узле
Рис. 58. Различные виды армирования исследуемых узлов и схемы образования трещин в них. Сводная таблица результатов экспериментов (коэффициент эффективности узла принят, как отношение момента MR, при котором узел разрушился к аналитическому моменту Mflex, который может воспринять узел по расчету)