Совместная работа арматуры с бетоном

Основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в конструкции и позволяющим работать железобетону как единому монолитному телу является надежное сцепление арматуры с бетоном.

Совместная работа бетона и арматуры в железобетонной конструкции становится возможной благодаря выполнению следующих условий:

– бетон и арматура имеют достаточно близкие значения коэффициента температурного расширения;

– силы сцепления, возникающие по границе контакта между бетоном и арматурой обеспечивают выполнение условия равенства деформаций арматуры и бетона e_c = e_s при действии усилий от нагрузок.

Совместная работа арматуры и бетона обусловлена, кроме того, правильным определением необходимого количества арматуры, размещаемой в конструкции. Это означает, что должны соблюдается требования по размещению арматурных стержней в сечении элемента и выдержан минимальный коэффициент армирования сечения, определяемый отношением площади арматуры (A_s) к площади бетона (А_с)

Силы сцепления, приходящиеся на единицу поверхности арматуры, обусловливают напряжения сцепления арматуры с бетоном по длине элемента. Количественно сцепление оценивают величиной соответствующих напряжений сдвига.

Можно выделить следующие факторы, влияющие на величину напряжений сцепления арматурной стали и бетона:

– трение арматуры о бетон, появляющееся в результате усадки бетона;

– структурные и искусственно созданные неровности (шероховатость) на поверхности арматурного стержня, вызывающие механическое зацепление;

– адгезия (склеивание) или взаимное притяжение между частицами на стыке двух контактирующих материалов;

– химические взаимодействия между сталью и бетоном.

Силы сцепления по контакту двух материалов зависят от целого ряда конструктивно-технологических факторов, в том числе от прочности бетона и технологических параметров бетонной смеси (количества цемента, водоцементного отношения, направления бетонирования, способа уплотнения, условий твердения и т.д.).

Как показывают экспериментальные исследования, распределение напряжений сцепления по длине стержня не является равномерным (Рис. 5.1).

Рис. 5.1. К определению длины анкеровки l_b арматурного стержня

Характер взаимодействия с бетоном арматуры различных видов профилей также отличается. Так нарушение сцепления с бетоном арматуры, имеющей отношение высоты поперечных выступов к их шагу превышающее 0.1, происходит в результате среза бетонных шпонок, заключенных между поперечными выступами арматуры. При меньшем значении данного отношения, нарушение сцепления сопровождается смятием и оттеснением бетонной оболочки (рис. 5.2). Эти положения имеют важное значение при определении длины анкеровки арматурного стержня в конструкции.

а) Серповидный профиль б) Четырехсторонний профиль

Рис. 5.2. Внешний вид арматуры различных видов периодического профиля после выдергивания из бетонных призм

Существенное влияние на величину сцепления оказывает вид напряженного состояния по контакту арматурного стержня с бетоном. Сжимающие напряжения, вызванные внешними нагрузками и действующие в направлении, перпендикулярном к арматурному стержню, существенно повышают напряжения сцепления. Влияние на сцепление оказывает также направление действия усилия в арматурном стержне (так, усилия, вдавливающие стержень в бетон (продольное сжатие), являются большими, чем усилия, выдергивающие стержень из бетона).

Напряжения (t_b), действующие по периметру забетонированного стержня (u), могут быть определены из уравнения равновесия сил, действующих на участке длиной (dx) при выдергивании его растягивающим усилием (F). Для бесконечно малого участка длиной (dx) можно записать условие равновесия в виде:

(5.1)

Тогда

(5.2)

При известном законе распределения касательных напряжений по длине стержня усилие F можно определить:

(5.3)

Усилие F вызывает появление растягивающих напряжений s_s в стержне, имеющем площадь сечения A_s и касательных напряжений сцепления t_b, действующих по поверхности контакта арматурного стержня с бетоном. Нормальные напряжения s_s уменьшаются до нуля на некоторой длине l_b, причем их максимальное значение может равняться s_s = f_yd.

Из граничных условий следует, что на конце и в начале искомого участка l_b напряжения сцепления равны нулю. Усредненное значение этих напряжений определяется как предельное напряжение сцепления f_bd (расчетное значение).

Из условий равновесия в предельном состоянии (при s_s = f_yd и t = f_bd) получаем:

(5.4)

Тогда в общем случае при расчете по предельным состояниям первой группы можно определить т.н. базовую длину анкеровки арматурного стержня:

(5.5)

Для круглого стержня диаметром Æ получаем:

(5.6)

и . (5.7)

Тогда:

(5.8)

Полученная зависимость показывает, что длина анкеровки l_b увеличивается с ростом расчетного сопротивления арматуры и диаметра арматурного стержня. Поэтому, для уменьшения длины анкеровки целесообразно использовать стержни меньшего диаметра.

Предельное напряжение сцепления по контакту арматуры с бетоном f_bd, определяется по формуле

(5.9)

f_ctd – расчетное сопротивление бетона растяжению (при g_с = 1,5);

h₁ – коэффициент, учитывающий влияние условий сцепления и положение стержней при бетонировании;

h₂ – коэффициент, учитывающий влияние диаметра стержня;

h₃ – коэффициент, учитывающий вид периодического профиля арматуры;

Расчетную длину анкеровки ненапрягаемых стержней l_bd нормы рекомендуют рассчитывать по формуле:

(5.10)

где A_s,req – площадь продольной арматуры, требуемая по расчету;

A_s,prov – принятая по сортаменту площадь продольной арматуры;

a₁, a₂, a₃, a₄ – коэффициенты, определяемые по табл. 5.5 СНБ 5.03.01.02 и зависящие от толщины защитного слоя бетонная, вида армирования поперечными стержнями по длине анкеровки, давления, приложенного перпендикулярно к линии скольжения стержня и действующее на расчетной длине анкеровки;

l_b,min – минимальная длина анкеровки, принимаемая по СНБ5.03.01.02

Длина анкеровки (l_bd) концов отогнутой арматуры должна быть не менее:

- в растянутом бетоне – 20Æ;

- в сжатом бетоне – 10Æ.

Обрываемые в пролете стержни арматуры следует заводить за точку теоретического обрыва:

- в растянутой зоне – не менее 0,5h + 20Æ и не менее l_bd

где h – высота конструкции в точке теоретического обрыва;

- в сжатой зоне – не менее 20Æ и не менее 250 мм.

Для обеспечения анкеровки стержней продольной арматуры, заводимых за внутреннюю грань свободной опоры их длина должна быть не менее:

- в элементах, где арматура ставится на восприятие поперечной силы конструктивно – 5Æ;

- в элементах, где поперечная арматура ставится по расчету, а до опоры доводится не менее 1/3 сечения арматуры, определенной по наибольшему моменту в пролете – 15Æ;

- тоже, если до опоры доводится 2/3 сечения арматуры – 10Æ;

Для арматуры, имеющей дополнительные анкерные элементы (отгибы, петли и т.д.) значение l_bd, принимают равным не менее 70% значения l_b.