Настоящее методическое пособие разработано в развитие положений СП 63.13330.2018 "СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения".

В настоящее время на строительных площадках Российской Федерации все большее применение начинают находить соединения арматуры с помощью муфт на резьбе взамен ранее применявшихся соединений стержней внахлестку. Поставщиком таких муфт, в основном, выступают как различные зарубежные фирмы ("LENTON", "Dextra", "Hebei Yada reinforcing Bar Connecting Technology Co."), так и российские поставщики ("CONCON", "Энерпром", "Rollcon"). Однако, диаграммы деформирования резьбовых механических соединений отличаются от диаграмм деформирования арматурных стержней по ГОСТ 34028-2016, что сказывается на несущей способности железобетонных конструкций с резьбовыми механическими соединениями.

Цель разработки состоит в определении различий диаграмм деформирования резьбовых механических соединений по сравнению с диаграммами деформирования цельных арматурных стержней и на основании этого в уточнении современного, наиболее эффективного, диаграммного метода оценки прочности железобетонных конструкций с резьбовыми механическими соединениями арматуры.

Методическое пособие разработано для применения широким кругом специалистов, чья деятельность связана с проектированием, строительством и эксплуатацией сооружений, в том числе специалистами:

- проектных организаций;

- государственных и иных органов экспертизы и согласования;

- надзорных служб, органов декларирования и сертификации.

Методическое пособие содержит рекомендации по расчету железобетонных конструкций с механическими соединениями арматуры по предельным состояниям первой и второй групп и требования к правилам проектирования и конструирования железобетонных конструкций с механическими соединениями арматуры.

Согласно требованиям национальных нормативных документов несущая способность конструкций с резьбовыми механическими соединениями арматуры должна быть не ниже несущей способности аналогичных конструкций, армированных цельными стержнями. Выполнение этого требования позволяет определять диаграммная методика определения прочности резьбовых механических соединений.

Диаграммная методика указывает на то, что прочность резьбового механического соединения ниже прочности цельного стержня. Она также позволяет определять коэффициенты условия работы, понижающие прочность и повышающие деформативность резьбового механического соединения. Значения этих коэффициентов необходимо учитывать при проектировании.

Применение настоящего методического пособия дает возможность оценивать качество резьбовых механических соединений на основе сопоставления диаграмм деформирования резьбового механического соединения и целого стержня, а именно:

- выявлять резервы прочности стыков арматуры с помощью муфт на резьбе путем сопоставления их диаграмм с диаграммами деформирования цельных стержней;

- определять характеристики резьбовых механических соединений их преимущества и недостатки.

Применение качественных резьбовых механических соединений позволяет снижать расход арматуры на 15% вследствие замены размерных нахлесточных соединений на точечные соединения арматуры резьбовыми механическими соединениями. Ожидаемая экономическая эффективность использования настоящего методического пособия позволит повысить качество резьбовых механических соединений в практике проектирования железобетонных конструкций с указанным выше снижением расхода арматуры.

В настоящее время в практику расчета и проектирования железобетонных конструкций по предельным состояниям двух групп все в большей степени начинает входить диаграммный метод, который считается наиболее точным.

В основу этого метода закладываются реальные диаграммы деформирования арматуры и бетона, в том числе арматуры в местах установки ее стыковых соединений.

Методическое пособие включает теоретическую часть по построению общей зависимости для диаграмм и экспериментальную, включающую обширные экспериментальные исследования диаграмм деформирования и прочности стыковых соединений.

Показано, что диаграмма деформирования цельных стержней арматуры и диаграмма деформирования механических резьбовых соединений может быть записана одним выражением, где корректируются ее основные параметры: модуль упругости, предел упругих деформаций, предел текучести и разрывные усилия. Корректировка выполняется на основании найденных экспериментальным путем корректирующих коэффициентов. Для выявления этих коэффициентов испытано 41 стыковое соединение арматуры различных диаметров различных производителей. Кроме этого выявлены два вида разрушения стыковых соединений: от разрыва арматурных стержней, от выдергивания стержней из стыковой муфты и дана оценка разности усилий от двух видов разрушения. Таким образом, построен единообразный подход к моделированию полных диаграмм деформирования арматуры и ее стыковых соединений для диаграммного метода расчета железобетонных конструкций.

Методическое пособие разработано авторским коллективом НИИСФ РААСН (руководитель работы - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. И.Г. Чепизубов, отв. исполн. - д-р техн. наук, гл. науч. сотр. Н.И. Карпенко, д-р техн. наук, гл. науч. сотр. С.Н. Карпенко, исполнители - вед. инж. Г.А. Моисеенко, вед. инж. М.В. Степанов, вед. инж. Н.Г. Семенова).

Настоящее методическое пособие предназначено для применения при проектировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений.

Методическое пособие следует применять при определении несущей способности различных железобетонных конструкций (балок, колонн, плит перекрытий, фундаментных плит и др.), проектируемых для применения резьбовых механических соединений.

В настоящем методическом пособии использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения

ГОСТ 34028-2016 Прокат арматурный для железобетонных конструкций. Технические условия

ГОСТ Р 52544-2006 Прокат арматурный свариваемый периодического профиля класса A500C и B500C для армирования железобетонных конструкций. Технические условия

ГОСТ 34227-2017 Соединения арматуры механические для железобетонных конструкций. Методы испытаний

СП 63.13330.2018 "СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" (с изменением N 1)

Примечание - При пользовании настоящим пособием целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего пособия в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде технических регламентов и стандартов.

В настоящем методическом пособии использованы следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 диаграммы деформирования стыковых соединений: Связь между напряжениями в стыкуемых стержнях и деформациями стыкового соединения.

3.2 диаграммный метод расчета: Метод расчета железобетонных конструкций, в основу которого положены реальные нелинейные диаграммы бетона и арматуры.

3.3 резьбовые механические соединения арматуры: Соединения арматуры с помощью специальных муфт с внутренними резьбовыми отверстиями для закручивания в них арматурных стержней с нанесенной на их стыкуемые концы соответствующей наружной резьбы.

3.4 испытательная машина: Универсальная машина для статических, малоцикловых и многоцикловых испытаний.

4.1 Предмет рассмотрения методического пособия - корректировка диаграммного (деформационного) метода расчета, изложенного в СП 63.13330 для областей конструкций с резьбовыми механическими соединениями, используется для широкого класса статически неопределимых железобетонных конструкций, изложенных в [1]. В пособии приведены результаты экспериментальных исследований, значительная часть которых получена при испытаниях основных видов резьбовых механических соединений.

4.2 На основе экспериментальных исследований резьбовых механических соединений получены коэффициенты , , , , с помощью которых осуществляется переход от диаграмм деформирования арматурных стержней к диаграммам деформирования стыковых соединений.

4.3 Расчетные характеристики стыковых соединений при сжатии осуществляются умножением расчетных сопротивлений арматуры при сжатии на понижающий коэффициент , а при растяжении на понижающий коэффициент .

4.4 При определении деформаций железобетонных элементов с трещинами и при определении ширины раскрытия трещин, снижение модуля деформации резьбового механического соединения осуществляется с помощью коэффициента согласно ГОСТ 27751.

4.5 Качество выполнения резьбы на строительной площадке влияет на прочность и деформативность резьбовых механических соединений.

4.6 Применение коэффициентов и позволяет контролировать степень изношенности резьбонарезного оборудования принятием значений коэффициентов не менее 0,75.

4.7 Количество стыкуемых стержней в одном сечении с помощью резьбовых механических соединений рекомендуется устанавливать не более 50%. Длина анкеровки стержней влияет на расстояние между ближайшими краями резьбовых соединений.

4.8 Конструктивное поперечное армирование необходимо устанавливать в местах применения резьбовых механических соединений.

Для оценки прочности и деформативности механических соединений арматуры согласно ГОСТ 34227 необходимы следующие исходные данные:

а) разрывное усилие P_В, кН - не менее ,

где A_s - номинальная площадь поперечного сечения соединяемой арматуры, - браковочное значение временного сопротивления соединяемой арматуры, определяется по ГОСТ Р 52544, ГОСТ 34028;

б) деформативность при растяжении, мм.

За деформативность соединения принимается значение пластической деформации стыка при напряжении в арматуре, равном , где - браковочное значение физического или условного предела текучести арматуры по нормативным документам на ее производство;

в) равномерное относительное удлинение соединенных арматурных стержней после испытания соединения на растяжение или сжатие.

За равномерное относительное удлинение соединенных арматурных стержней после испытания соединения на растяжение принимается наибольшее из значений , определенных на каждом из соединенных стержней;

г) база B, на которой производится измерение деформаций механического резьбового соединения (см. 6.1).

Примеры испытаний стыковых соединений и контрольных цельных стержней арматуры, в виде протоколов с результатами обработки согласно программе испытаний, приведены в приложении А:

для образцов "LENTON" - таблицы А.1 - А.3;

для образцов "Bartec Dextra" - таблицы А.4 - А.6.

Анализ результатов экспериментальных данных по диаграммной методике необходимо проводить по плану выполнения работ в разделе 6.

Механические стыковые соединения арматуры на резьбе, как правило, обладают повышенной деформативностью по сравнению с арматурными стержнями за счет податливости резьбовых соединений, что сказывается на диаграммах деформирования и на прочности конструкций [2].

Испытания образцов стыковых соединений арматуры выполняются на испытательной машине, предназначенной для статических, малоцикловых и многоцикловых испытаний арматуры и других цилиндрических образцов металлов.

Наибольшая воспринимаемая и измеряемая нагрузка - 1000 кН, наибольшая амплитуда нагрузки - от 0 до 1000 кН. Предел допустимой погрешности измерения - +/- 1%.

Компьютерная система измерения и управления должна обеспечивать:

- вывод текущих значений параметров нагружения на экран монитора;

- определение экспериментальных значений параметров нагружения;

- визуальное наблюдение за формой цикла нагружения с помощью программного осциллографа;

- вывод на экран монитора диаграммы нагружения в координатах "нагрузка-деформация", "нагрузка-перемещение" или "нагрузка-деформация + перемещение";

- обсчет диаграммы растяжения арматурного образца;

- вывод на экран монитора протокола испытания;

- распечатку на принтере протокола испытания и диаграммы нагружения;

- сохранение (архивирование) результатов испытания;

- поддержание заданной скорости нагружения по любому из параметров: нагрузка, перемещение, деформация.

Указанная система предназначена для измерения параметров образцов на их длине между захватами машины. При испытании стыковых соединений необходимо производить измерения деформаций на базе B стыкового соединения, приведены в 6.1.2 и на рисунке 6.1.

Испытания проводят в следующем порядке:

- измерение параметров образца: длины, массы, параметров муфты, определение площади сечения образца базы измерения B;

- установка на образец датчиков деформаций (индикаторов, по два индикатора на образец на базе B);

- установка образца в испытательную машину;

- ввод данных образца в компьютер;

- испытания.

Реализуется многоступенчатый метод испытаний:

- на каждой ступени фиксируются: нагрузка, напряжения в стыкуемых стержнях и показания датчиков (индикаторов) измерения деформаций;

- приращение нагрузки на каждой ступени составляет 10% - 15% нагрузки, соответствующей с корректировкой ступени при текучести арматуры;

- испытания продолжаются до текучести арматуры (до );

- после напряжений датчики снимаются и испытание продолжается до разрушения образца.

Схематически испытания резьбовых механических соединений арматуры совместно с испытаниями цельных стержней арматуры приведены на рисунке 6.1. Удлинения образцов на базе B измеряются индикаторами часового типа ИЧ с ценой деления 0,01 мм.

Длина B (база), на которой выполняется измерение деформаций резьбового механического соединения, согласно схеме (рисунок 6.1 б), составляет

где l_m - длина муфты;

d_s - диаметр стыкуемых стержней (принимается по 1,5d_s в каждую сторону от резьбового механического соединения).

В качестве напряжений здесь, так же, как и в случае цельных стержней, используются напряжения в стыкуемых стержнях.

Детальные измерения удлинений стыкового соединения должны проводиться до начала текучести арматуры, после чего образцы доводятся до разрыва с фиксацией разрывного усилия. Результаты измерений для каждого образца представляются в табличной форме. Кроме этого, фотографируются образцы после испытания для фиксации характера разрушения (по арматуре или путем выдергивания стержня из резьбового механического соединения).

Наиболее удобна для расчета конструкций диаграммных методов диаграмма в секущих и касательных модулях, представленная в [1].

Диаграммы деформирования арматуры представляются в секущих и касательных модулях для различных классов арматуры, а трансформирование такой диаграммы для механических стыковых соединений представлено в [3], [4], [5].

Диаграммы состояния (деформирования) арматуры применяются при расчете железобетонных элементов по нелинейной деформационной модели.

Диаграмма арматуры разделяется на два участка: линейный от до и нелинейный от до ,

где - предел упругости арматуры, равный ;

- сопротивление арматуры разрыву, равное ;

- относительная деформация, соответствующая .

Коэффициенты , и значения приведены в таблице 6.1.

На линейном участке (при ) диаграмма описывается формулой , при этом v_s = 1.

На нелинейном отрезке (при )

где v_s - коэффициент изменения секущего модуля арматуры, определяемый по формуле

- коэффициент изменения секущего модуля в вершине диаграммы (при )

- уровень приращения напряжении

- коэффициент, характеризующий кривизну диаграммы

- уровень напряжений при ( - в расчетах по предельным состояниям первой группы, - в расчетах по предельным состояниям второй группы);

v_0,2 - коэффициент изменения секущего модуля при .

Представленную выше диаграмму деформирования арматуры для горячекатаной арматуры (таблица 6.1) разрешается применять до нарушения условия

Для остальной арматуры, представленной в таблице 6.1, диаграмму деформирования арматуры разрешается применять до нарушения условия

При нарушении условий (6.6), (6.7) стержень выключается из работы.

Для арматуры с физическим пределом текучести (таблица 6.2) принимается: , , где , - напряжение и деформация, соответствующие концу первого нелинейного участка диаграммы до начала самоупрочнения, при этом

где - напряжение в арматуре в начале участка самоупрочнения, соответствующее относительным деформациям . Коэффициент , а также деформация приведена в таблице 6.2.

Допускается для арматуры с площадкой текучести использовать диаграмму до деформаций , заменяя , на условные величины , , представленные в таблице 6.2.

Если стержень выключается из работы.

Для предельных состояний второй группы .

Коэффициент изменения секущего модуля может определяться через уровень деформаций из решения квадратного уравнения

(при решении уравнения (6.7) перед квадратным корнем принимается знак плюс).

Трансформирование включает корректировку следующих величин (параметров трансформирования), представленных в пункте 6.3:

а) модуля упругости арматуры E_sc, где

б) предела упругости арматуры - заменяется на предел упругости стыкового соединения , где

в) предела текучести арматуры - заменяется на предел текучести стыкового соединения , где

г) напряжения разрыва арматуры

Для практических расчетов используются диаграммы до , .

Коэффициент изменения секущего модуля стыкового соединения, которое обозначается v_sc, определяется по формуле (6.2) как v_s, где входящие в эту формулу величины изменяются согласно формулам (6.10) - (6.13).

Значения , , , коэффициентов определяются экспериментальным путем. Исходные данные представлены в разделе 5 и приложении А.

Общее физическое соотношение, связывающее моменты M_X, M_Y, действующее в двух плоскостях конструкции, и нормальную силу N с кривизнами и в двух плоскостях и относительным удлинением на уровне выбранной оси согласно СП 63.13330 представляется в виде:

где установленные в 6.1 и 6.2 параметры диаграмм деформирования резьбовых механических соединений учитываются в значениях жесткостных параметров D_ij (ij = 11, 12, 13, 22, 23, 33):

Согласно формулам (6.17) - (6.22) в областях конструкций с резьбовыми механическими соединениями величины E_sj, v_si заменяются на величины , v_sci.

Изменения диаграмм деформирования стыковых соединений, согласно 6.2, могут применяться для расчета различных статически неопределимых железобетонных конструкций (плит перекрытий, фундаментных плит, ядер жесткости и др.) согласно [1].

В основу методики перехода от диаграммы деформирования цельных стержней арматуры к диаграммам деформирования ее механических стыковых соединений на резьбе положено определение, на основании экспериментов, коэффициентов корректировки основных точек диаграммы деформирования арматурных стержней [6].

При этом сопоставляется диаграмма, связывающая напряжения с относительными деформациями арматурного стержня (диаграммы без муфты), с аналогичной диаграммой двух стыкуемых стержней с помощью муфты. Длина (база), на которой производится измерение деформаций резьбовых механических соединений l = l_m + 3d_s, где l_m - длина муфты, d_s - диаметр соединяемой арматуры; в качестве напряжений здесь (как и в случае цельных стержней) используются напряжения в стыкуемых стержнях.

В начале испытаний получают экспериментальным путем диаграмму деформирования исходной арматуры. Схематически эта диаграмма представлена на рисунке 6.2 в виде линии I. На линии выделяются три характерные точки: 3, 4, 5, где точка 3 соответствует концу линейного участка диаграммы арматурного стержня (с напряжениями ), точка 4 - соответствует максимально допустимым значениям при растяжении, а точка 5 - напряжениям разрыва арматуры . Получаемая экспериментальным путем диаграмма деформирования резьбового механического соединения на рисунке 6.2 показана линией II. Точкам 3, 4, 5 диаграммы деформирования арматуры соответствуют экспериментальным способом установленные точки 3', 4', 5' диаграммы деформирования резьбового механического соединения. Точке 3' соответствует предел упругости стыкового соединения . При этом переход от точки 3 к точке 3' осуществляется через коэффициент (по формуле (6.11)). Переход от точки 4 к точке 4' осуществляется через коэффициент согласно формуле (6.12).

Переход от точки разрыва 5 к аналогичной точке 5' стыкового соединения осуществляется через коэффициент согласно формуле (6.13). При этом полагается, что .

Модуль упругости резьбового механического соединения E_sc определяется через модуль упругости арматурного стержня E_s путем умножения его на коэффициент (согласно зависимости (6.10)).

Согласно рисунку 6.2 , где и - относительные деформации, соответствующие точкам 2 и 2' на диаграммах I и II, хотя при обработке экспериментов используются данные нескольких горизонтальных линий, расположенных ниже линии 2-2'.

Следует заметить, что коэффициент можно определять путем сопоставления напряжений в арматурном стержне и стыковом соединении, определяемом в точке 4" на рисунке 6.2. Однако разница в значениях коэффициента получается при этом пренебрежимо малой.

Вычисленные значения коэффициентов , , , на основании экспериментальных исследований приведены в таблице 6.3.

Следует еще указать на дополнительные точки 1 и 1' на диаграммах I и II. Они имеют важное значение при определении прочности резьбового механического соединения при сжатии. Точка 1 соответствует максимальным сжимающим напряжениям в арматуре , которые допускается (по СП 63.13330) применять при работе арматуры на сжатие (соответственно при кратковременном и длительном действиях нагрузки). Точка 1' соответствует аналогичным напряжениям стыкового соединения. Понижающий коэффициент находится из равенства .

Так как деформации арматуры в сжатом бетоне равны деформациям арматуры , то в момент разрушения бетона деформации арматуры равны . Отсюда значение (при модуле упругости арматуры E_s = 2,0·10⁵ МПа) должно быть не более значения 400 МПа.

Следует указать на некоторые совпадения. Так при растяжении элементов напряжения в арматуре не должны превышать физического (или условного) предела текучести арматуры . Этим напряжениям соответствует точка 4 на диаграмме I (рисунок 6.2). Точке 4 должны соответствовать остаточные деформации в арматуре при разгрузке, равные 2·10^-3, то есть здесь имеет место чисто случайное совпадение нормируемых остаточных деформаций арматуры и упругих деформаций арматуры, соответствующих напряжениям сжатия , а также деформациям бетона в вершине диаграммы сжатия.

При расчете конструкций на длительно действующую часть нагрузки (по СП 63.13330) рекомендуют принимать расчетное сопротивление арматуры не более . Этой величине соответствуют деформации бетона при длительном действии нагрузки вместо .

В качестве основной контролируемой величины используют деформации резьбового механического соединения , соответствующие напряжениям в стыкуемых арматурных стержнях, равных . Значениям соответствуют напряжения в цельном арматурном стержне. Понижающий коэффициент при этом определяется из равенства . Анализ показывает, что .

Приведенная методика может использоваться в контроле качества в условиях строительной площадки. Найденные при этом значения коэффициентов , , , должны быть не меньше значений, указанных в паспорте и сертификате на поставляемую продукцию. При этом должен учитываться вероятностный характер разбросов указанных характеристик с учетом точности изготовления резьбовых механических соединений в условиях строительной площадки (величины , , , должны определяться с вероятностью 0,95). Такие значения коэффициентов являются нормированными. Все нормированные значения коэффициентов , , , должны указываться изготовителем в паспорте, а задача научного сопровождения на строительной площадке должна заключаться в их контроле.

Резьбовые механические соединения должны быть допущены только при условии введения понижающих коэффициентов , , , к расчетным характеристикам арматуры, полученным экспериментальным путем на основе предлагаемой методики.

Характер разрушения резьбовых механических соединений представлен на рисунке 6.3.

В практике проектирования находят применение соединения арматуры с помощью муфт на резьбе взамен затратных нахлесточных соединений. При этом должен учитываться фактор, что диаграммы деформирования арматуры в местах резьбовых механических соединений отличаются от диаграмм деформирования цельных арматурных стержней повышенной деформативностью. Это оказывает влияние на несущую способность железобетонных конструкций:

а) для учета этого фактора определяются диаграммы деформирования арматуры в местах стыковых соединений, сопоставляют их с диаграммами деформирования цельных стержней и учитывают в диаграммном (деформационном) методе расчета по СП 63.13330;

б) на основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований устанавливается переход от диаграмм деформирования цельных стержней к диаграммам деформирования стыковых соединений. Этот переход осуществляется на основании корректирующих коэффициентов , , , ;

в) переход к расчетным характеристикам стыковых соединений при сжатии осуществляется путем умножения расчетных сопротивлений арматуры при сжатии на понижающий коэффициент ;

г) переход к расчетным сопротивлениям стыковых соединений при растяжении осуществляется умножением расчетных характеристик арматуры на понижающий коэффициент ;

д) снижение модуля деформации резьбового механического соединения с помощью коэффициента учитывается при определении деформаций железобетонных элементов с трещинами и при определении ширины раскрытия трещин;

е) прочностные характеристики резьбовых механических соединений в значительной степени зависят от качества выполнения резьбы в условиях строительной площадки;

ж) в условиях строительной площадки в качестве коэффициентов условия работы используют значения , , которые указывают на степень изношенности оборудования для нарезания резьбы (рекомендуемые значения не менее 0,75);

и) отличия физико-механических характеристик резьбовых механических соединений учитываются как при расчете прочности, так и при расчете деформаций, наиболее точно этот фактор учитывает диаграммная методика;

к) учитывая пониженное сопротивление резьбовых механических соединений, количество стыкуемых стержней в одном сечении с помощью резьбовых механических соединений устанавливается не более 50%. Расстояние между ближайшими краями резьбовых механических соединений должно быть не менее 0,5l_an, где l_a - длина анкеровки стержней, и не менее 2l_m, где l_m - длина муфтового соединения;

л) в местах установки резьбовых механических соединений применяется дополнительное конструктивное поперечное армирование в виде не менее трех замкнутых хомутов арматуры диаметром 6 мм, окаймляющих резьбовое механическое соединение.