Свойства и особенности применения в железобетонных конструкциях резьбовых и опрессованных механических соединений

В настоящее время в России широко развивается строительство из монолитного железобетона. Возрастающие объемы монолитного строительства диктуют необходимость перехода на более надежные и скоростные 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.

Наиболее простым способом соединения стержневой арматуры является-соединение внахлестку без сварки, когда усилия1 с одного стыкуемого стержня-на другой передаются за счет сил сцепления с окружающим бетоном. Являясь наиболее простым, соединение внахлестку имеет ряд существенных недостатков: перерасход арматуры за счет перепуска стержнейнеобходимость установки дополнительной поперечной арматуры в зоне соединениязатруднение бетонных работ в густоармированных конструкциях, за счет скопления в зоне соединения большого количества арматуры, поэтому в некоторых случаях это приводит к увеличению размеров поперечного сечения элемента.

Длина нахлёстки по СП 52−101−2003 [22] примерно в два раза больше длины нахлёстки по СНиП 2.03.01−84* [24]. Это приведёт к ещё большему перерасходу арматуры за счёт перепуска стержней, который будет достигать 4050% и сделает применение нахлесточных соединений экономически невыгодным. Поэтому возникает необходимость поиска новых способов соединения арматурных стержней.

Альтернативным способом, исключающим эти недостатки, является соединение стержней периодического профиля с помощью 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 и Германии, для стыкования арматуры диаметром 25—40 мм применяют механические соединения, гарантирующие надежность сооружения. .При этом выделяются сжатые стыки, которые воспринимают только сжимающие усилия, и передача усилий в которых с одного стержня на другой осуществляется опиранием торцов и сжато-растянутые стыки, которые могут воспринимать как сжимающие, так и растягивающие усилия.

Из всех типов механических соединений в нашей стране наибольшее применение нашли только опрессованные стыки [12, 13, 14, 15, 17] и соединения с помощью муфт арматуры винтового периодического профиля [16]. 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. I.

Высокая надежность и экономическая эффективность рассматриваемых соединений арматуры создают перспективу их массового применения при возведении многоэтажных зданий из монолитного железобетона. Однако, вопросы прочности и деформативности механических соединений с арматурой периодического профиля, особенности напряженно-деформированного состояния центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, рабочая арматура которых соединена механическими соединениями, еще недостаточно изучены, поэтому для обеспечения внедрения таких соединений в практику строительства возникла необходимость проведения экспериментально-теоретических исследований этой проблемы.

Целью диссертационной работы является исследование свойств и особенностей применения в. железобетонных конструкциях резьбовых и опрессо-ванных механических соединений арматуры;

Для?достижениягпоставленной целирешались следующие задачи:

• разработать, оптимальнуютехнологию выполнения и контроля качествам опрессованных соединений арматуры в условиях строительной площадки;

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

•5 изучить механические свойства резьбовых соединений^ различным способом нанесения резьбы на концах арматурных стержней класса А500Сэкспериментально и теоретически оценить, работу резьбовых соединений рабочей1 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 оп-рессованные и резьбовые соединенияарматуры^ центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы, рабочая арматура класса А500С которых соединена резьбовыми соединениями. Предметом исследования являются" механические свойства резьбовых и опрессованных соединений арматуры, а также прочность, деформативность и трещиностойкость центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов, армированных арматурой класса А500С, соединенной резьбовыми соединениями.

Нау чную новизну работы составляют:

• данные по механическим соединениям арматуры различных стран;

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

• экспериментальные данные по прочности и деформативности конусных и цилиндрических резьбовых соединений арматуры класса А500С при испытании на растяжение;

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

• результаты испытаний резьбовых соединений арматуры 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 арматуры.

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 соединенишрабочей арматуры класса А500С 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.

Проведенные исследования соединений с конусной, цилиндрической нарезанной* и накатанной резьбой дали возможность их применения пристроительстве 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 ЬепШп, Бех1га и САВЫ.

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, 5 глав основной части, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 61 наименования. Работа изложена на 135 страницах, содержит 31 таблицу и 90 рисунков.

Общие выводы по работе.

1. Экспериментальные исследования механических соединений арматуры класса А500С с различным способом нарезки резьбы показали их достаточную прочность. Прочность всех типов резьбовых соединений арматуры у класса А500С была не меньше 600 Н/мм. Деформативность соединений с конусной резьбой в среднем составила 0,023 мм, соединений с нарезанной цилиндрической резьбой 0,069 мм, соединений с накатанной резьбой 0,03 мм. Пластичность соединяемых стержней после разрушения соединений во всех случаях превышала 2%.

2. Испытания механических соединений арматуры выполнялись в соответствии с методикой ГОСТ 12 004 с определением деформативности механических соединений арматуры, которая определяется при эксплуатационной нагрузке 0,6ах как разность между полными и упругими деформациями соединения: Лост=ДПолн.-Дупр.

3. Испытания на выносливость резьбовых соединений с накатанной цилиндрической резьбой показали, что разрушение образцов происходит не менее чем при 1 млн. циклов, при среднем значении более 1,5 млн. циклов.

4. Испытания соединений арматуры класса А500С с цилиндрической нарезанной резьбой при отрицательной температуре показали, что эти соединения могут эксплуатироваться при расчетной зимней температуре до -30 °С, включительно.

5. Проведенные испытания резьбовых соединений позволили разработать технические условия и руководящий документ по применению механических соединений арматуры для железобетонных конструкций зданий и сооружений атомных станций [18,25, 26,27,28].

6. Лабораторией арматуры НИИЖБ, в том числе и соискателем, в результате научно-технического сопровождения строительства жилого комплекса «Континенталь» выработана оптимальная технология производства и контроля качества опрессованных соединений в условиях стройплощадки, которая нашла своё отражение в «Регламентах по производству опрессованных соединений» для ООО «СПРУТ», ЗАО «Трансмонолит» и концерна «Росэнергоатом».

7. Деформативность соединений арматуры от 0,021 мм до 0,26 мм в центрально сжатых элементах и эксцентриситет приложения нагрузки от 0,25Ь до 0,65Ь во внецентренно сжатых элементах не привели к образованию дополнительных деформаций в бетоне в зоне стыка и не повлияли на прочность колонн по сравнению с колоннами с целыми стержнями.

8. Испытания показали, что деформативность резьбовых соединений от 0,021 мм до 0,26 мм не повлияла на характер развития трещин в центрально сжатых колоннах. Продольные трещины появлялись практически одновременно с исчерпанием несущей способности колонн. Испытания внецентренно сжатых колонн показали, что трещины появлялись в бетоне по краям муфт. Максимальная ширина раскрытия трещин при нагрузке 0,6ЫОП не превышала 0,1 мм. Максимальная ширина раскрытия трещин за 1−2 этапа до разрушения колонн с целыми стержнями составила 0,125 мм, а у образцов с резьбовыми соединениями 0,1−0,125 мм.

9. Результаты испытаний образцов и удовлетворительная сходимость результатов расчета с опытными данными показали, что расчет центрально и внецентренно железобетонных элементов с резьбовыми соединениями рабочей арматуры следует выполнять по методике СП 52−101−2003, а нормативные и расчетные сопротивления арматуры с резьбовыми соединениями следует принимать такими же, как для целых стержней.

10. Экономический анализ показал, что применение резьбовых и опрессо-ванных соединений арматуры в строительстве позволяет получить экономический эффект при соединении арматурной стали диаметром 20−40 мм.