На правах рукописи

ДЬЯЧКОВ Вячеслав Владимирович

СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ РЕЗЬБОВЫХ И ОПРЕССОВАННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АРМАТУРЫ

Специальность 05.23.01 – строительные конструкции,

здания и сооружения

АВ ТО Р ЕФ Е РА Т

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектноконструкторском и технологическом институте бетона и железобетона - филиале ФГУП «НИЦ «Строительство».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор С.А. Мадатян

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор П.Д. Одесский кандидат технических наук С.Л. Ситников

Ведущая организация ОАО «ЦНИИЭП жилища»

Защита состоится 4 июня 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 303.020.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГУП «НИЦ «Строительство» по адресу: 109428, Москва, ул. 2-я Институтская, д.6 (корпус 5, конференц-зал НИИЖБ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИЦ «Строительство».

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ФГУП «НИЦ «Строительство» http://www.cstroy.ru.

Автореферат разослан «»2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Зикеев Л.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в России широко развивается строительство из монолитного железобетона. Возрастающие объемы монолитного строительства диктуют необходимость перехода на более надежные и экономичные технологии возведения зданий и сооружений. При проектировании и возведении монолитных зданий и сооружений возникает проблема соединения стержней арматуры, так как длина поставляемых металлургическими предприятиями стержней ограничена условиями транспортировки и не превышает 12 м.

В нашей стране в основном применяются сварные и нахлесточные соединения арматуры. Причем от применения сварных соединений строители отказываются, это связано с высокой стоимостью электроэнергии, привлечением высококвалифицированных сварщиков, с более сложным контролем качества работ, большей трудоемкостью сварных соединений при большом количестве стыкуемых стержней. Более простым способом стыкования стержневой арматуры является соединение внахлестку без сварки, но оно имеет ряд существенных недостатков: перерасход арматуры за счет перепуска стержней; необходимость установки дополнительной поперечной арматуры в зоне соединения;

затруднение бетонных работ в густоармированных конструкциях, за счет скопления в зоне стыка большого количества арматуры, поэтому в некоторых случаях это приводит к увеличению размеров поперечного сечения элемента. Нахлестка длиной от 20d до 40d, в зависимости от условий работы арматуры и количества стыков в одном сечении, приводит к потере от 3,5 до 27% арматуры при ее диаметрах от 10 до 40 мм и длине стыкуемых стержней 6,0 м. При этом наибольшие потери металла имеют место при стыковании стержней больших диаметров: 32—40 мм — соответственно до 22—27%. Необходимо сказать, что в соединении внахлестку передача усилия с одного стержня на другой осуществляется через окружающий бетон и при разрушении защитного слоя прочность соединения внахлестку становится равной практически нулю, что может привести к разрушению конструкции.

Альтернативным способом, исключающим эти недостатки, является соединение стержней периодического профиля с помощью резьбовых и опрессованных механических соединений. Необходимо отметить, что получение экономии является второстепенной целью применения механических соединений арматуры, а главной целью является повышение надежности соединений, что особенно важно при строительстве высотных зданий и сооружений. Поэтому в большинстве стран мира, в том числе в Великобритании, США, Германии, для стыкования арматуры диаметром 25—40 мм применяют механические соединения, гарантирующие надежность сооружения.

В нашей стране наибольшее применение нашли только опрессованные стыки и соединения с помощью муфт арматуры винтового периодического профиля. Это связано, прежде всего, с тем, что в СССР преобладало строительство из сборного железобетона, при котором соединения арматуры в заводских условиях, как правило, выполнялись с помощью сварки. Массовое применение опрессованных соединений сдерживает отсутствие оптимальной технологии выполнения и контроля качества опресованных соединений в условиях строительной площадки.

Вопросы прочности и деформативности резьбовых соединений арматуры класса А500С и их работа в центрально и внецентренно сжатых элементах еще недостаточно изучена, поэтому для обеспечения широкого внедрения таких соединений в практику строительства возникла необходимость проведения экспериментально-теоретических исследований.

Целью диссертационной работы является исследование свойств и особенностей применения в железобетонных конструкциях резьбовых и опрессованных механических соединений арматуры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать оптимальную технологию выполнения и контроля качества опрессованных соединений арматуры в условиях строительной площадки;

- оценить механические свойства стандартных и переходных опрессованных соединений арматуры, выполненных в условиях стройплощадки;

- изучить механические свойства резьбовых соединений с различным способом нанесения резьбы на концах арматурных стержней;

- экспериментально и теоретически оценить работу резьбовых соединений арматуры класса А500С в центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах;

- выполнить анализ технико-экономической эффективности практического применения резьбовых и опрессованных соединений арматуры.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются опрессованные и резьбовые соединения арматуры, центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы, рабочая арматура которых соединена резьбовыми соединениями. Предметом исследования являются механические свойства резьбовых и опрессованных соединений арматуры, а также прочность центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, рабочая арматура которых состыкована соединениями с конусной и цилиндрической резьбой.

Научную новизну работы составляют:

- данные по механическим соединениям арматуры различных стран;

- результаты испытаний стандартных и переходных опрессованных соединений арматуры, выполненных в построечных условиях;

- результаты исследований конусных и цилиндрических резьбовых соединений арматуры класса А500С при испытании на растяжение;

- данные о влиянии отрицательных температур на прочность резьбовых соединений при испытании на растяжение;

- результаты испытаний резьбовых соединений на выносливость;

- экспериментальные данные о работе конусных и цилиндрических резьбовых соединений рабочей арматуры класса А500С в центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах;

- сравнение стоимости различных видов соединений.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований механических свойств резьбовых и опрессованных соединений арматуры;

- данные о влиянии отрицательных температур и выносливости на прочность резьбовых соединений;

- экспериментальные данные о работе конусных и цилиндрических резьбовых соединений арматуры в центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементах;

- экономический эффект при использовании резьбовых и опрессованных механических соединений арматуры.

Практическое значение работы:

Научно-техническое сопровождение строительства жилого комплекса «Континенталь» позволило разработать оптимальную технологию выполнения и контроля качества опрессованных соединений.

Исследования резьбовых соединений с конусной, цилиндрической накатанной и нарезанной резьбой дали возможность их применения при строительстве МДЦ «Москва-Сити», здания «Siemens» и др.

Экономический эффект за счет внедрения механических соединений арматуры достигнут благодаря тому, что данные соединения имеют меньшую стоимость по сравнению с ванной сваркой, за счет сокращения трудоемкости, сроков монтажа и снижения энергозатрат и сопоставимую стоимость с соединениями арматуры больших диаметров внахлест без сварки, за счет исключения перерасхода арматурной стали из-за перепуска стержней.

Результаты работы позволили разработать и выпустить технологические регламенты по производству опрессованных соединений арматуры для ООО «СПРУТ» и ЗАО «Трансмонолит», пособие по применению механических соединений арматуры для железобетонных конструкций зданий и сооружений атомных станций, а так же технические условия резьбовых соединений арматуры производства фирм Lenton, Dextra и CABR.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на конференции молодых ученых в транспортной науке (г. Москва, ЦНИИС, 2005 г.).

Опубликованность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 3 печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, глав основной части, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 61 наименования. Работа изложена на 135 страницах, содержит таблицу и 90 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено обоснование актуальности исследуемой проблемы.

Приведена краткая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований, практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы и опубликованности результатов.

Первая глава посвящена обзору отечественных и зарубежных требований норм проектирования железобетонных конструкций к механическим соединениям арматуры. Рассмотрены различные типы механических соединений арматуры применяемых как за рубежом, так и в России. В результате анализа норм, механические соединения арматуры по условиям работы в железобетонных конструкциях подразделяются на:

• сжатые контактные – применяются для соединения арматурных стержней, в которых в процессе эксплуатации не возникает усилий растяжения, передача нагрузки с одного стержня на другой осуществляется опиранием их торцов;

• растянутые – применяются для соединения как сжатых, так и растянутых в процессе эксплуатации арматурных стержней, усилия с одного стержня на другой передаются через соединительную муфту.

Определены основные требования, предъявляемые к растянутым механическим соединениям арматуры:

• прочность соединения должна быть не менее в, где в – нормативное значение временного сопротивления соединяемой арматуры;

• деформативность соединения (сдвиг стержней в муфте) не должна превышать 0,1 мм при напряжении 0,6т, где т – нормативное значение предела текучести соединяемой арматуры;

• равномерное относительное удлинение арматуры р после разрушения соединения должно быть не менее 2%;

• для сжато-контактных соединений главным требованием является перпендикулярность обрезки торцов соединяемых стержней относительно их оси с предельным отклонением + 1,5.

В сжато-контактных соединениях арматуры применяются стальные муфты на болтах, жесткие полосовые муфты, заполненные сталью муфты. Для растянутых соединений применяются соединения стержней муфтами, заполненными раствором или сталью, со специальным винтовым профилем, резьбовые соединения с различным способом нанесения резьбы, механические соединения внахлест, опрессованные соединения и др.

Исследования, приведенные в работах Мете А. Созена и Вильяма Л. Гамбла, позволили определить прочность и трещиностойкость балок армированных арматурой, соединенной механическими соединениями с конусной резьбой. В работах Паулсона и Хансона были представлены результаты испытаний сварных и механических соединений арматуры. Испытания показали, что механические соединения по сравнению с целым стержнем имеют меньшую усталостную прочность, которая различна в зависимости от рассматриваемого соединения. В результате исследования авторы классифицировали соединения на различные категории по выносливости. Куглер и др. исследовали поведение механических соединений внахлест и не рекомендовали использовать данный вид соединения для арматуры размером больше #6 и в сейсмически активных районах.

Хулшизер и др. исследовали поведение штампованных соединений арматуры в корпусе железобетонного реактора. Было сделано заключение, что все из 3800 выполненных соединений соответствуют техническим требованиям, а проведенный мониторинг конструкции не выявил наличия дополнительных деформаций в зоне соединения.

Петер О. Янсон и Пеарсон исследовали поведение соединений арматуры муфтой заполненной раствором. Испытания таких соединений показали достаточную прочность, деформативность и пластичность.

Исследования, проводимые Мадатяном С.А. и Фридляновым Б.Н. показали, что муфтовые соединения арматуры винтового профиля не влияют на прочность изгибаемых элементов. Применение таких соединений с большой податливостью приводит к возрастанию прогибов и увеличению до недопустимых величин ширины раскрытия трещин. Матковым Н.Г., Балючик Э.А., Губиным В.И. были проведены исследования обжимных стыков арматуры с помощью оборудования фирмы «СПРУТ», в результате чего были получены геометрические размеры муфт для соединений. Позже Мадатяном С.А, Дегтяревым В.В. и др. была проведена работа, в результате которой были уточнены размеры муфт для опрессовки соединений. В НИИЖБ исследования Климова Д.Е. показали, что суммарный угол обрезки торцов арматурных стержней в сжато-контактных соединениях более 30 снижает прочность колонн по сравнению с колоннами с целыми стержнями.

Литературный обзор показал, что резьбовые соединения арматуры являются новым видом соединений, требующим комплексного изучения. В отечественной литературе приводится мало сведений о работе опрессованных соединений арматуры и практически нет информации о свойствах резьбовых соединений. Зарубежные же исследования ориентированны на работе механических стыков арматуры в изгибаемых элементах. Исследованиям центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с резьбовыми соединениями арматуры практически не уделено внимания.

Во второй главе изложены результаты научно-технического сопровождения применения опрессованных соединений при строительстве жилого комплекса «Континенталь» взамен сварных соединений на скобе накладке. В результате чего был разработан технологический регламент по выполнению опрессованных соединений арматуры. В общем, технологический регламент можно разбить на три этапа:

• подготовительный (проверка сертификатов на муфты и арматуру, выбор оборудования и т.д.);

• основной (описана оптимальная технология выполнения опрессованных соединений в горизонтальном и вертикальном положении);

• контроль качества (отбор образцов для испытания, акты скрытых работ).

В соответствии с регламентом было отобрано и испытано 65 образцов соединений арматуры класса А500С и А400С диаметром 32 и 36 мм, применяемых в фундаментной плите и в стилобатной части жилого комплекса. Всего в фундаментой плите было изготовлено 17000 стыков, а в стилобатной части комплекса 11000 стыков. Результаты испытаний показали, что все образцы соединений арматуры диаметром 32 и 36 мм, выполненные в соответствии с технологическим регламентом, разорвались по основному металлу при в> Н/мм2, при этом равномерное относительное удлинение арматурных стержней р>8%. Необходимо отметить, что все соединения выполнялись в зимний период со среднесуточной температурой -20 0С.

Статистические данные по результатам испытаний опрессованных соединений арматуры класса А400 и А500С, выполненных в построечных условиях, приведены в таблице 1.

В вертикальных элементах часто имеет место переход бльшего диаметра арматуры к меньшему, поэтому были испытаны переходные опрессованные соединения арматуры класса А500С. Муфты для переходных соединений выполнялись из Ст10. Для переходных соединений брались муфты с более толстой стенкой, затем с одной стороны муфта растачивалась под более крупный арматурный стержень (рис.1).

Геометрические размеры и условные обозначения муфт для переходных опрессованных соединений представлены в таблице 2.

Рисунок 1 - Переходная муфта для опрессованных соединений арматуры Геометрические размеры соединительных Номинальный диаметр ар- Длина Наружный Толщина Толщина Статистика по результатам испытаний переходных соединений арматуры класса А500С диаметров: 16/18, 22/25, 25/28, 28/32, 32/36, 36/40 мм приведена в таблице 3.

Испытания переходных соединений показали, что разрушение всех образцов происходило по основному металлу, при этом временное сопротивление колебалось от 646,8 Н/мм2 до 750,0 Н/мм2, деформативность соединений не превышала значения 0,095 мм, относительное равномерное удлинение р>5%.

Научно-техническое сопровождение строительства жилого комплекса «Континенталь» позволило разработать технологический регламент на выполнение опрессованных соединений арматуры, который нашел свое отражение в регламентах ООО «СПРУТ», ЗАО «Трансмонолит» и концерна «Росэнергоатом». Опрессованные соединения арматуры класса А400 и А500С, выполненные в построечных условиях, при средней температуре воздуха -20 0С, показали высокую надежность. Испытания переходных опрессованных соединений так же показали достаточную прочность, что позволило внести дополнения в технические условия для ООО « СПРУТ».

В третьей главе описываются исследования соединений арматуры класса А500С с конусной резьбой, с нарезанной и накатанной цилиндрической резьбой на концах арматурных стержней, которые включали в себя соединения следующих типов: стандартные (рис.2), переходные, болтовые, позиционные.

Рисунок 2 - Вид опытных образцов стандартных резьбовых соединений Нарезка конусной резьбы на концах арматурных стержней выполнялась резьбонарезными машинами на строительной площадке. Нарезка цилиндрической резьбы выполнялась на увеличенных путем холодной высадки концах арматурных стержней. За счет увеличения диаметра конца стержня, ослабления сечения стержня после нарезки не происходит. При накатке цилиндрической резьбы нет необходимости увеличивать диаметр стержня путем высадки головки, т.к. при этом способе нарезки накатные ролики обжимают тело стержня, тем самым происходит упрочнение стержня. Перед испытанием все образцы затягивались динамометрическими и трубными ключами.

Образцы резьбовых соединений арматуры были испытаны на растяжение в соответствии с требованиями ГОСТ 12004 со следующими изменениями:

- определение деформативности соединений, мм;

- предел текучести т, Н/мм2 – определялся только физический предел текучести по стрелке силоизмерителя испытательной машины;

- относительное удлинение 5, % – не определялось.

База измерения деформаций lб при испытании образцов соединений была равна длине соединительной муфты плюс расстояние равное не менее одного диаметра и не более трех диаметров, отложенных с каждой стороны муфты (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема испытаний образца механического соединения на Перед испытанием на растяжение образцы длиной 500-600 мм были размечены с шагом 10,0 мм. Предварительную разметку соединения использовали после испытания для определения относительного удлинения р. Для сравнения результатов испытаний изготавливались образцы целых стержней.

Образцы целых стержней взвешивались с точностью до 1,0 г и измерялась их длина с точностью до 1 мм. По результатам взвешивания и измерения длины целых стержней определяли фактическую площадь их поперечного сечения.

Геометрические размеры соединительных муфт проверяли штангенциркулем с точностью 0,5 мм.

Испытания образцов резьбовых соединений арматуры проводили в лабораторных условиях поэтапным нагружением вплоть до разрыва на испытательной машине Р-100 и «Шенк». После смыкания захватов разрывной испытательной машины показания измерительных приборов устанавливались на нуле.

Испытания начинались без какого-либо предварительного нагружения опытного образца, так как предварительное нагружение опытного образца обычно «забирает» бльшую часть деформативности (сдвига) соединения.

На каждом этапе нагружения измеряли деформации опытного образца.

Для этого использовали индикаторный тензометр конструкции НИИЖБ с индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.

За равномерное относительное удлинение р соединенных арматурных стержней после испытания на растяжение принимали наибольшее из значений р, определенных на каждом из соединенных стержней.

За деформативность соединения принимались пластические деформации стыка при напряжении в арматуре, равном 0,6т(0,60,2), что соответствует эксплуатационным напряжениям в арматуре, где т (0,2) - браковочное значение физического или условного предела текучести арматуры по нормативным документам на ее производство. Деформативность соединения определялась следующим способом.

Вычислялось усилие Р, соответствующее напряжениям в арматурных стержнях равных 0,6т (0,60,2):

где Fs,ф. – фактическая площадь сечения арматурных стержней.

По результатам испытаний определялись полные деформации полн. соединения на базе измерения. lб при усилии Р. Далее вычислялись упругие деформации упр. на базе измерения lб при усилии Р по формуле:

где lб – база измерения деформаций, мм;

Es – нормативный модуль упругости арматуры, 2105 МПа.

Деформативность соединения определялась как разность между полными деформациями соединения полн. и упругими деформациями упр.:

По полученным в процессе испытаний данным определяли временное сопротивление в и пластические деформации соединения на каждом этапе нагружения, а так же строились графики зависимости деформативности соединений от напряжений.

В общей сложности было испытано 211 образцов резьбовых соединений арматуры класса А500С диаметром 12-40 мм, кроме этого для сравнения результатов испытаний были испытаны целые стержни.

Статистические данные о механических свойствах соединений арматуры класса А500С с различным способом нанесения резьбы приведены в таблице 5.

Диаметр сор,, единяемой арматуры, мм Соединения арматуры с цилиндрической нарезанной резьбой --- --Соединения арматуры с цилиндрической накатанной резьбой Разрушение всех образцов резьбовых соединений арматуры класса А500С происходило при напряжении в>600 Н/мм2, деформативность соединений при напряжениях 0,6т=300 Н/мм2 не превышала 0,1 мм, а относительное удлинение соединяемых стержней р>2%.

Сравнение прочности целых стержней и резьбовых соединений, выполненных из арматурной стали одной плавки, позволило оценить относительную