Вопрос 4. Сцепление бетона с арматурой. Анкеровка арматуры. Коррозия. Стадии напряженно-деформированного состояния при изгибе железобетонных элементов.
Сцепление бетона с арматурой является основной характеристикой, т.к. благодаря ему обеспечивается совместная работа бетона и арматуры при эксплуатационных нагрузках, вплоть до разрушающих, сцепление зависит в основном от трёх факторов:
1) от склеивания арматуры с бетоном за счёт клеящей способности геля.
2) от сил трения, возникающих по поверхности контакта арматуры и бетона вследствие обжатия арматурных стержней при усадке бетона.
3) от усилия зацепления бетона за выступы на поверхности арматуры (для главной арматуры сцепление уменьшается в 2-3 раза)
При выдёргивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения. Распределённые касательные напряжения происходит неравномерно. Величина касательных напряжений зависит от длины анкеровки.
Rdond = N / (lan*U), где U – периметр
Rdond = N / ( lan*П*D)
Следовательно, длина анкеровки должна быть тем больше, чем больше прочность арматуры, чем больше диаметр арматуры. Lan = (δs*П*d2)/(4*Rbond*П*d) сокращаем, получаем Llan = (δs*d)/4*Rbond
Сцепление будет тем больше, чем больше количество вяжущего, чем меньше водоцементное отношение, чем больше класс бетона, чем больше возраст бетона.
Анкеровка – закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, рассчитанных на восприятие определённого усилия. Анкеровка осуществляется: 1) силами сцепления 2)устройством специальных анкерных приспособлений на концевых участках арматуры (характерно для гладкой арматуры): крюк-
3) поперечными стержнями
4) специальными анкерами
Длину анкеровки определяют из условия по которому усилие, действующее в арматуре должно быть воспринято силами сцепления арматуры с бетоном, действующих по длине анкеровки и силами сопротивления анкерующих устройств в зависимости от диаметра профоиляарматуры, прочности бетона на растяжение, толщины защитного слоя, вида анкерующих устройств, поперечного армирования в зоне анкеровки, характера усилия в арматуре и напряжённого состояния бетона в зоне длины анкеровки, базовую (основную) длину анкеровки, необходимой для передачи усилия в арматуре с полным, расчётным сопротивлением на бетон определяется:
Где Аs и Us – соответственно площадь поперечного сечения, анкеруемого стержня и периметр его, определяется по номинальному диаметру стержня
Rbond – расчётное сопротивление сцепления арматуры с бетоном Rbond = ɳ1*ɳ2*Rbt
ɳ1 - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры и принимаемой =1,5 – для гладкой арматуры и = 2 – для холоднодеформируемой арматуры периодического профиля и = 2,5 – для горячечекатанных и термомеханически обработанной арматуры периодического профиля
ɳ2 - коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый =1 – для всех d<30мм, =0,9 – для 36 и 40 мм
Зона анкеровки, требуемая по расчёту, с учётом конструктивных решений элемента в зоне анкеровки определяется Lan = α*lo an*(As,cal/As,ef)
As,саl и Ae,ef – площади поперечного сечения арматуры, соответственно требуемая по расчёту и фактически установленная
α - коэффициент, учитывающий влияние на анкеровку напряжённого состояния бетона и арматуры и также конструктивных решений элемента в зоне анкеровки для арматуры периодического профиля с прямыми концами или гладкой арматуры с крючками или петлями без дополнительных анкерующих устройств. Принимается а) для растянутых стержней = 1 б) для сжатых стержней = 0,75.
Фактическая длина анкеровки принимается 0,3*lo an (базовая длина акеровки).
Усилие, воспринимаемое анкерным стержнем определяется Ns = Rs*As*ls/lan <= Rs*As
Где ls – расстояние от конца анкерного стержня до рассматриваемого поперечного сечения
Арматура, располагаемая на некотором расстоянии от краёв элемента а и а’ – соотв. Защитный слой растянутой и сжатой арматуры.
Защитный слой необходим: 1) для защиты арматуры от непосредственного воздействия высокой температуры. 2) для защит от коррозии 3) для обеспечения совместной работы арматуры и бетона за счёт сцепления.
Защитный слой как правило обеспечив. при бетонировании. При бетонировании в некоторых случаях напряжения при натяжении арматуры на бетон ( резервуары, трубы) защитный слой наносится ТОРКРЕТИРОВАНИЕМ. Толщина защитного слоя зависит от вида и размера конструкции, условий эксплуатации, диаметра и назначения арматуры (рабочая или конструктивная), но во всех случаях толщина защитного слоя не может быть меньше диаметра арматуры.
Min толщина защитного слоя при эксплуатации: 1) закрытое помещение при нормальной и пониженной влажности – 20 мм
2) в закрытом помещении при повышенной влажности (но при отсутствии специальных защитных мероприятий – 25 мм.
3) на открытом воздухе (при отсутствии специальных мероприятий) – 30 мм
4) в грунте, в фундаментах при наличии бетонной подготовки – 40 мм.
Для сборных элементов все min толщины уменьшаются на 5 мм.
Коррозия – разрушает железобетонные конструкции с течением времени под воздействием агрессивной среды. Коррозия арматуры может протекать одновременно с коррозией бетона и независимо от него, продукт коррозии арматуры (РЖАВЧИНА) в несколько раз превосходит первоначальный объём арматуры, поэтому ржавчина создаёт значительное радиальное давление на бетон, окружающий арматуру – это приводит к отколу защитного слоя и оголению арматуры, что в свою очередь ускоряет процесс коррозии арматуры. В промышленности и в с/х имеются предприятия, на которых производят химически агрессивные вещества (например, минеральные удобрения, кислоты) – они вызывают коррозию бетона и арматуры.
В агрессивной среде также работают очистные сооружения, животноводческие комплексы и тд.
Агрессивные среды подразделяются на:
1)мягкая вода фильтруется через бетон, выносит Ca(OH)2 (составляющая часть цементного камня)
2)кислоты, их растворы, конденсаты паров, содержащие кислые газы (СО2, сернистый газ) растворяют соединения цементного камня и образуют соединения не обладающие достаточной прочностью. 3) вещества, содержащие сульфаты при взаимодействии с цементным камнем разрушают его.
Под нагрузкой коррозия идёт интенсивнее, т.к. образуются микротрещины, что способствует проникновению вглубь бетона агрессивных веществ, для уменьшения коррозии принимаются следующие меры:
1) снижают агрессивность среды (отведение агрессивных вод, улучшение вентиляции)
2) используют плотные бетоны на сульфатостойких и других вяжущих
3) устраивают защитные покрытия (лакокрасочные, мастичные, полимерные) или увеличивают толщину защитного слоя.
4)ограничивают ширину раскрытия трещин или не допускают их вовсе.
5) применение армополимербетона
Стадии напряженно-деформированного состояния при изгибе железобетонных элементов.
Стадия 1 – напряженно-деформируемое состояние ж/б элемента до образования трещин в его растянутой зоне.
В начале первой стадии эпюра нормальных напряжений в сжатой и растянутой зоне в бетоне близки к треугольной, усилие в растянутой зоне в основном воспринимает бетон, роль арматуры незначительна, напряжения в ней во много раз ниже предела текучести арматуры. Такое состояние бывает при малой внешней нагрузке, составляет 15-20% от нагрузки.
Конец первой стадии. За расчётную эпюру первой стадии принимается треугольная эпюра в сжатой зоне и прямоугольная с ординатой Rbt,ser в растянутой зоне.
Расчёт на образование трещин производится по первой стадии.
Стадия 2 – при дальнейшем повышении нагрузки, а растянутой зоне образуются трещины и бетон постепенно выключается из работы, наступает новое напряжённо-деформируемое состояние – образование и раскрытие трещин в растянутой зоне – т.е. вторая стадия.
В растянутой зоне в местах трещин растягивающие напряжения в основном воспринимают арматура и частично бетон. На участке между трещинами арматура и бетон работают совместно, т.к. на этих участках сцепление между арматурой и бетоном не нарушено. Эпюра нормальных напряжений в бетоне сжатой зоны по мере увеличения нагрузки за счёт развития упругих деформаций постепенно искривляется. По мере возрастания нагрузки в местах трещин начинают появляться неупругие деформации арматуры, что свидетельствует о приближении напряжений к пределу текучести, т.е. наступает конец второй стадии НДС. Стадия два сохраняется значительное время и характерна для эксплуатационных нагрузок, составляющих 0,65% от N разрушения, т.к. для многих элементов допускается появление трещин. По стадии 2 производят расчёт величины раскрытия трещин и определяют кривизну и прогиб.
Стадия 3 – стадия разрушения ж/б элементов. По продолжительности она является самой короткой, различают 2 характерных случая разрушения элементов.
А) случай 1 – Разрушение начинается с появлением текучести арматуры. Вследствие чего растёт прогиб, интенсивно уменьшается высота сжатой зоны за счёт развития трещин по высоте сечения элемента.
Деформации участка, на котором наблюдается текучесть арматуры и пластические деформации бетона нарастают практически при постоянном предельном моменте. Этот участок называется пластическим шарниром. Напряжения в арматуре достигают физического или условного предела текучести. Напряжения в сжатой зоне бетона достигают временного сопротивления сжатию. Эпюра напряжений в сжатой зоне имеет ярко выраженный криволинейный характер и может приближаться по очертанию к кубической параболе. У высокопрочных бетонов эпюра напряжений в сжатой зоне приближается к треугольной, таким образом учитывая, что в момент разрушения арматура и бетон достигает предельных значений можно составить уравнение равновесий внешних и внутренних усилий для определения прочности, изгибаемых и внецентренносжатых элементов.
Б) случай 2 – Разрушение элемента с избыточным содержанием растянутой арматуры. Разрушение таких элементов всегда происходит внезапно (хрупкое разрушение) от полного исчерпания несущей способности бетона в сжатой зоне; при неполном исчерпании несущей способности арматуры.
Элементы, разрушающиеся по случаю 2 – называются переармированными. Обычно такие элементы в строительстве стараются не применять. Они допускаются только в случаях, когда Sсеч.арматуры лимитируется по расчёту по 2 группе предельных состояний или когда арматура принята по конструктивным соображениям.