Элементы железобетонные, усиленные методом анкеровки

Для современного строительства характерно все более широкое применение сталежелезобетонных и сборно-монолитных конструкций [1]. Их преимуществом является высокая скорость возведения при сохранении требуемых параметров несущей способности и долговечности [2]. Ограниченность применения обусловлена недостаточностью нормативной базы и, соответственно, теоретических и экспериментальных исследований [3].

Примерами изучения особенностей работы сталежелезобетонных конструкций являются приведенные ниже работы ряда исследователей.

Брэдфорд М.А. [4], [5], [6] выполнил долговременные испытания перекрытий по профилированному стальному настилу. Установлено, что процесс высыхания бетона в таких перекрытиях протекает неоднородно вследствие односторонней снизу гидроизоляции конструкции сплошным стальным профилем. На основе результатов экспериментов предложена методика расчета деформаций таких перекрытий.

Валдманн Д. [7] выполнил экспериментальное исследование 22 образцов элементов перекрытий по профилированному настилу, в которых варьировалась форма и толщина стального листа. На основании выполненных исследований сформулированы выводы о влиянии параметров профиля на несущую способность перекрытия.

Дериш Я. [8] провел испытания безбалочного сталежелезобетонного перекрытия, где сталежелезобетонная балка включена в состав его плиты. Во избежание нарушения совместности работы стального профиля и железобетонной балки была применена специальная анкеровка. Полученные результаты позволили создать методику расчета таких конструктивных систем.

Билый П. и Монако А. исследовали работу различных типов анкеров, обеспечивающих совместность работы, стали и бетона: шпильки с головками, L-образный упор [9], болтовое соединение, оптимизированное для применения в сейсмоопасных районах [10].

Бания В.Я. [11] испытал сталежелезобетонные плиты на ударные воздействия и сформировал математическую модель их разрушения.

Фасан М. [12] предложил использовать анкеровку с амортизирующими спиралями для компенсации сейсмических воздействий.

Лю Я. [13] исследовал 7 образцов сталежелезобетонных перекрытий на воздействие вибрационных нагрузок, имитирующих ходьбу людей. По результатам эксперимента установлено, что сечение и тип конструкции перекрытия значительно влияют на параметры вибрации, тогда как вес человека и время его контакта с поверхностью практически не оказывают подобного влияния.

Мохаммед Т.А. [14] проводил численные исследования сталежелезобетонной плиты на воздействие комбинированной ударно-взрывной нагрузки. Исследование показало влияние прочности бетона и стальной части конструкции на стойкость по отношению к прикладываемой нагрузке. Увеличение прочности арматуры и анкеров прироста стойкости не дало.

Медведевым В.Н. [15] предложено использование многоцелевого усиливающего стального элемента в конструкции перекрытия, который служит для обеспечения надежного сцепления между стальным листом и бетоном, воспринимает строительные и эксплуатационные нагрузки. Уточнены методы расчета конструкций с применением данного элемента.

Гравит М.В. [16] провела экспериментальное исследование на огнестойкость сталежелезобетонной сборно-монолитной плиты перекрытия с целью совершенствования методики расчета подобных конструкций на огневое воздействие.

Снигирева В.А. [17] выполнила численное исследование нелинейного напряженно-деформированного состояния трубобетонных конструкций двух типов: трубобетонной колонны и бетонной колонны в обойме из стальной трубы. Результаты исследования показали, что при заполнении трубы бетоном может возникать дефект в виде нарушения связи между бетоном и сталью. В случае устройства стальной обоймы дефект такого типа отсутствует.

Замалиевым Ф.С. [18], [19] выполнены долговременные испытания сталежелезобетонных перекрытий на действие изгибающих нагрузок. По результатам были предложены аналитические выражения для расчета прочности конструкций данного типа с учетом ползучести.

В работе [20] выполнены экспериментальные исследования комбинированных конструкций из железобетона и алюминия.

Фаттахова А.И. [21], [22] исследовала анкерующие устройства сталежелезобетонных перекрытий – стад-болтов и гибких упоров.

Тонких Г.П. [23] исследовал сдвиговое соединение монолитных сталежелезобетонных перекрытий на уголковых анкерных упорах.

В 2020 году авторами исследованы особенности работы при изгибе сборно-монолитных перекрытий системы «МАРКО-УНИВЕРСАЛ» (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург) [24], в которых тонколистовой оцинкованный профиль специальной конструкции используется в качестве опорной конструкции для легкобетонных вставок на этапе изготовления. При этом вопрос эффективности включения тонколистового профиля в несущую способность железобетонных балок перекрытия не был исследован в достаточной мере. Показано, что в конструкциях без специальной анкеровки тонколистовой профиль работает на восприятие растягивающих напряжений в нижней зоне балок до уровня порядка 0.25 от предельного изгибающего момента. Затем наблюдалось проскальзывание с отслоением листа от конструкции и последующая работа железобетонной конструкции без влияния на ее несущую способность листового профиля. Устройство дополнительной анкеровки путем крепления листа к конструкции с помощью забиваемых в бетон стальных дюбелей позволило включить в работу тонколистовой профиль и обеспечить его надежную работу в составе конструкции вплоть до максимальных нагрузок, воспринимаемых конструкциями. В данной статье представлены результаты Korsun, V.; Vinogradova N.

Steel-reinforced concrete elements strengthened by the anchoring method;

экспериментального исследования влияния способов и параметров анкеровки листового профиля в железобетоне на его способность воспринимать сдвигающие усилия и на количественные параметры эффективности включения в совместную работу с железобетоном.

Объектом исследования являются элементы железобетонных конструкций перекрытий системы «МАРКО-УНИВЕРСАЛ» (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург) с внешним тонколистовым профилем в нижней зоне [25]. Предметом исследования являются усилия сдвига в узлах сопряжения тонколистового профиля с железобетоном при различных способах анкеровки.

Целью исследований является определение несущей способности на сдвиг узлов соединений листового профиля с бетоном железобетонной конструкцией и разработка методики расчетного определения предельных напряжений в конструкциях тонколистового проката в составе сборно-монолитного сталежелезобетонного перекрытия системы «МАРКО-УНИВЕРСАЛ».

• 2    Materials and Methods

В процессе выполнения работы авторами применены экспериментальный и численный методы исследования.

Конструкция испытательной установки представляет собой опорную плиту с приваренными к ней двумя вертикальными швеллерами. К швеллерам шестью болтами с каждой стороны симметрично с каждой из сторон прикреплялись листы профиля опытной конструкции (рисунки 1, 2). Сдвигающее усилие создавалось с помощью гидравлического домкрата. Опытные образцы были изготовлены в форме бетонного элемента призматической формы размерами 200 х 124 х 500 (мм), обрамленного с двух сторон листами стального профиля «МАРКО-УНИВЕРСАЛ» (рисунок 3). Размеры опытных образцов определялись размерами листов стандартного стального профиля, условиями обеспечения равномерности поля напряжений в бетоне при передаче усилий от домкрата, а также исключения взаимовлияния элементов анкерных креплений.

Реализованы 4 типа анкерного крепления листов профиля к бетону опытных образцов:

• -    тип 1 – без анкеров, за счет клеящей способности цементного камня;

• -    тип 2 – с помощью замоноличенных при бетонировании анкерных болтов М8 (по 6 болтов с каждой стороны);

• -    тип 3 – с помощью стальных дюбелей Ø4 мм, забиваемых в набравший прочность бетон (без нарушения сцепления за счет склеивания листа профиля с бетоном)

• -    тип 3а – то же, что и тип 3, но с предварительно нарушенным сцеплением профиля с бетоном;

• -    тип 4 – с помощью загибов внутрь бетонного блока участков листа (рисунок 3).

В процессе испытаний на всех этапах нагружений измерялись величины взаимных смещений листов профиля и бетонного ядра опытного образца, определялась несущая способность анкерных креплений по максимальным величинам нагрузки в момент разрушения.

Теоретические исследования характеристик напряженно-деформированного состояния элементов составного сечения и количественных параметров исчерпания прочности неоднородных сталежелезобетонных элементов с внешним тонколистовым профилем в растянутой зоне выполнены для этапов нагружения возрастающим изгибающим моментом с помощью программы «BRUS» на основе нелинейной деформационной модели железобетона [26], [27]. Наличие в сечении тонколистового профиля моделировалось заданием участка неоднородного поперечного сечения элемента с соответствующими профилю характеристиками продольной жесткости. Частичная податливость анкерных соединений, определенная в экспериментальной части исследований соответственно типам анкерных устройств, учитывалась путем задания соответствующих дополнительных деформаций для элементов профиля. Результаты численных исследований, показавшие близкое соответствие опытным данным, явились основой для разработки представленной ниже инженерной методики расчета изгибаемых железобетонных элементов с внешним листовым армированием с учетом параметров эффективности включения в работу листового профиля соответственно принятым способам анкеровки.

Рис. 1 – Схема испытаний

Fig. 1 – Tests scheme

Рис. 2 -Процесс испытаний

Fig. 2 -Testing

Рис. 3 - Конструкции типов анкеровки образцов для испытаний

Fig. 3 – Designs of anchor types for testing

• 3    Results and Discussion / Результаты и обсуждения

Экспериментальные исследования выполнены в научно-испытательной лаборатории «Политех-СКиМ-тест» СПбПУ Петра Великого. Приложение нагрузки осуществлялось ступенями. В процессе испытаний измерялись взаимные смещения листов стального профиля и бетонного блока по показаниям прогибомеров П-1 ÷ П-3 с точностью 0.001 мм (рисунок 2). Показания приборов фиксировались в начале и в конце каждого этапа приложения нагрузки после 5минутной выдержки. Величина прикладываемой нагрузки определялась по показаниям манометра гидродомкрата.

Исходные характеристики механических свойств стального профиля определены из испытаний на растяжение его фрагментов с рабочей длиной 120 мм, шириной 22–24 мм (рисунок 4б). Испытания выполнены в лаборатории СПбГАСУ на испытательной установке IbertestPowertestu-600 (рисунок 4а). По результатам испытаний построены графики зависимостей относительных перемещений от напряжений (рисунок 4в).

в)

Рис. 4 - Испытательная машина (а), вид опытных образцов (б) и диаграмма деформирования стали листового проката (в)

Fig. 4 - Testing machine (a), type of prototypes (b), and deformation diagram of sheet steel (в).

Средние по результатам испытаний образцов листового проката значения напряжений, соответствующих достижению состояния текучести, составили ~ 235 МПа, временному сопротивлению ~265 МПа.

По результатам испытаний на сдвиг листов профиля относительно бетонного блока построены графики зависимости величин их взаимных смещений от величины приложенной сдвигающей силы (рисунок 5).

Разрушение образца с листами профиля без анкерных креплений к бетону (тип 1) произошло в результате отслоения листов профиля от бетона при сдвигающей силе F порядка 8 кН, что соответствовало максимальным величинам касательных напряжений, равных τ = 0.06 МПа, и нормальных напряжений в листе профиля, равных, в среднем, по сечению листа, значению порядка σ = 12.3 МПа.

Разрушение образцов с анкерными креплениями по типам 2 и 3 происходило в результате смятия листов профиля в местах контакта с анкерными болтами (рисунок 6а) и дюбелями (рисунок 7) и сопровождалось последующим их отрывом от бетонного блока.

Рис. 5 -Величины взаимных смещений листового профиля и бетонного блока в зависимости от величины сдвигающей силы при принятых способах анкеровки

Fig. 5 –Values of mutual displacements of a sheet profile and a concrete block depending on the magnitude of the shear force with the adopted anchoring methods

Разрушение образца с анкеровкой по типу 4 происходило в результате разрыва металла профиля в местах загиба и замоноличивания в бетоне с отделением стальных листов от бетонного блока (рисунок 6б).

Величины разрушающих усилий и расчетных напряжений в листах профиля представлены в таблице 1.

• а)                                    б)

  

  Рис. 7 -Виды разрушения листов прокатного профиля с типом анкеровки 3

  Fig. 7 - Types of destruction of rolled profile sheets with anchoring type 3

  
  

Рис. 6 - Виды разрушения листов прокатного профиля с типами анкеровок 2 и 4

Fig. 6 - Types of destruction of rolled profile sheets with anchoring types 2 and 4

Методика расчета параметров включения в работу листового профиля системы МАРКО (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург).

Рассматриваемые типы анкерных креплений позволяют частично включить в работу тонколистовой профиль совместно с железобетоном на восприятие усилий, действующих в расчетном сечении. Степень включения в работу листов профиля зависит от типа примененного анкерного устройства, количества анкерующих элементов и может быть оценена величиной напряжений σ _y , воспринимаемых листами профиля в предельном состоянии.

Расчет таких сталежелезобетонных конструкций системы МАРКО (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург), как составных конструкций, может быть выполнен в соответствии с требованиями российских сводов правил СП 63.13330.2018 [28] и СП 266.1325800.2016 [29]. В расчетной схеме усилий в нормальном сечении изгибаемого элемента (рисунок 8) важным является назначение расчетных напряжений σ y в листе профиля. На основе нормативных методов расчета согласно российскому своду правил СП 16.13330.2017 [30] и с учетом результатов выполненных экспериментальных исследований разработана методика определения величин σ _y соответственно типам анкерных креплений.

Таблица 1. Характеристики несущей способности анкерных соединений применительно к листовому профилю «МАРКО-УНИВЕРСАЛ» (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г.

Санкт-Петербург)

Table 1. Characteristics of the bearing capacity of anchor joints concerning the sheet profile "MARCO-UNIVERSAL" (manufacturer LLC "SMP MARKO," Russia, St. Petersburg)

Метод определения характеристик	Параметр	Характеристики несущей способности элементов анкерных соединений исследованных типов на сдвиг
		Тип 1	Тип 2	Тип 3	Тип 3а	Тип 4
92 _Q си с[ 92 _Q н _Q О	Максимальная сдвигающая сила F для анкерного соединения при двухстороннем креплении к бетонному блоку, кН	8	60	30	22	40
	в т.ч. приходящаяся на одностороннюю конструкцию анкерного крепления - N = F /2 , кН	4	30	15	11	20
	в т.ч. приходящаяся на один конструктивный элемент (болт, дюбель, листовой загиб) анкерного крепления - N / n s , кН	4	5	2.5	1.83	10
	Максимальные напряжения в листе профиля МАРКО (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург) при принятом типе анкеровки a y = N / Asl , МПа	12.3	92.3	46.2	33.8	61.5
	Напряжения в металле листового профиля МАРКО (производитель ООО «СМП МАРКО», Россия, г. Санкт-Петербург), обусловленные сопротивлением на смятие одного элемента анкерного             крепления ^ y = N / ( n s • A sl ) , МПа	-	15.4	7.7	5.63	10.25
	То же, обусловленное сопротивлением на растяжение одного листа-анкера в месте загиба, МПа	-	-	-	-	30.8*
Относительные величины напряжений в профиле	На 1 элемент анкерного крепления 7. = ^ y / R s (i – номер типа анкеровки)	0	0.07	0.03	0.02	0.13