» » Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами


Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

16.04.2016

Согласно современным воззрениям, опирающимся на большой экспериментальный материал, при деформировании железобетонного элемента с наклонной трещиной в последней возникают силы зацепления и нагельные силы (в стержнях, пересекаемых трещиной). Действуют они взаимосвязанно, и это серьезно затрудняет их дифференцированную оценку. Тем не менее попытаемся произвести такой анализ.
Экспериментально установлено, что в арматурных стержнях, пересекаемых трещиной, помимо осевых усилий возникают поперечные (нагельные) силы. Их изучению посвящены работы многих авторов. Однако мнения о величине этих сил существенно расходятся.
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

Например, А.С. Залесов считает, что в балочных элементах эти силы могут быть значительной величины. Примерно такого же мнения придерживаются многие зарубежные авторы, проводившие опыты с моделями стен. Можно назвать ряд работ, ставивших задачей непосредственное изучение нагельного эффекта. Образцы в этих опытах (рис. 4.7,а) выполнялись таким образом, чтобы исключить силы трения по плоскостям среза. С этой целью по этим плоскостям предусматривались смазанные латунные листы, прослойки из парафина и т. п. Эти опыты показали, что величина нагельного сопротивления арматурных стержней в основном зависит от их диаметра (рис. 4.8,а).
В отношении других параметров мнения исследователей расходятся. Так, P. Soroushian, К. Obaseki, М.С. Rojas, J. Sim считают, что влияние прочности бетона на величину нагельных сил незначительно (см. рис. 4.8,в), а Т. P. Tassios придерживается обратного мнения.
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

Нет единого мнения и о влиянии на величину нагельных сил угла наклона стержней к плоскости сдвига. Авторы работы полагают это влияние незначительным, но с ними не согласны J. Teble и H.М. Aktan.
Несмотря на наличие экспериментальных данных, подтверждающих существенность нагельного эффекта, многие исследователи придерживаются мнения, что арматурные стержни, пересекающие плоскость сдвига, лишь создают обжатие по ней, и тем самым вызывают силы трения, которые совместно с силами зацепления и обеспечивают сопротивление стыка срезу. Роль нагельного эффекта в формировании этого сопротивления, по мнению многих из этих исследователей, не превышает 1—2%. В работе зафиксированный максимум нагельного эффекта достиг 16% от полного сопротивления бетонных образцов сдвигу по технологическим швам. Причем проявился он при довольно значительных сдвиговых деформациях по плоскостям, где трение хотя и было ликвидировано в значительной мере, но все же не полностью. Авторы этих опытов Т. Paulay, R. Park, М.H. Phillips считают, что нагельный эффект нельзя рассматривать как существенную составляющую сопротивления железобетонных конструкций сдвигу по технологическим швам.
He вдаваясь в детальные изучения противоречий в суждениях о возможной величине нагельных сил, заключим, что основная причина этих противоречий кроется в методической несогласованности экспериментов различных авторов. В этой связи, например, заметим, что ни в одном из проведенных исследований не были обеспечены испытания образцов по чистой сдвиговой схеме. Фактически образцы стыков (швов) с нагелями испытывались на срез с обжатием, степень которого в разных опытах была различной и обычно не контролировалась.
Глубокое изучение природы нагельных сил провел Т.Р. Tassios в лаборатории железобетонных конструкций Национального технического университета в Афинах. Образцы с заранее сформированными плоскостями скольжения испытывались им как монотонно возрастающей, так и циклической знакопеременной нагрузкой.
Эти опыты подтвердили превалирующую зависимость величины нагельных сил от диаметра стержней и в меньшей степени от прочностных свойств бетона и стали.
Для случая монотонного загружения Т.P. Tassios предлагает величину нагельных сил (Dн) определять по формуле
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

где d — диаметр стержня;
σs — растягивающее напряжение в стержне.
Обратим внимание, что при стремлении σs к σт (что имеет место в реальных стенах зданий) величина нагельных сил стремится к нулю. Это же следует из работы (см. рис. 4.8,д).
Циклические испытания нагельных соединений показали, что с увеличением количества циклов загружения сдвиговые перемещения сопрягаемых плоскостей нарастают и происходит падение жесткости стыков. Нагельный эффект складывается из сопротивления стержней срезу и изгибу (рис. 4.9). Однако для проявления этих составляющих нагельных сил необходимо выполнение двух условий.
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

Во-первых, наличие сдвиговых деформаций вдоль трещин, которые должны быть особенно значительными для проявления изгибной составляющей нагельных сил.
Во-вторых, нагельный эффект возможен лишь при условии окружения арматурных стержней слоем довольно прочного бетона достаточной для этого толщины. На необходимость соблюдения этого условия указывают опыты, которые провели Т.P. Tassios и G. Utescher. Между тем в реальных стенах монолитных зданий толщина защитного слоя бетона контурных стержней, как правило, не превышает 2—2,5 см, что явно недостаточно для полноценного проявления нагельного эффекта. Об этом свидетельствуют отколы защитного слоя по растянутым граням стеновых панелей и обнажение контурных стержней, наблюдавшееся в опытах КПИ им. С. Лазо.
Насколько разноречивы суждения исследователей о роли нагельного эффекта в формировании сопротивления железобетонных конструкций сдвигу, настолько единодушна их оценка вклада в этот процесс сил зацепления. Природа этих сил обусловлена ломаной траекторией трещины, благодаря чему при перемещении относительно друг друга блоков конструкции, разделенных трещиной, происходит зацепление выступов и впадин по ее берегам.
Силы зацепления зависят от многих факторов, в числе которых ширина раскрытия трещины, структурный состав бетона, его прочность, арматурное обеспечение конструкции и др. Определить их величину практически возможно лишь экспериментальным путем. В ряде случаев эти силы достигают весьма существенных значений. Так, в опытах В. С.-Г. Бориева сопротивление бетонных панелей сдвигу на 30—50% определялось силами зацепления.
В опытах КПИ им. С. Лазо при испытании бетонной панели Э-1 равнодействующая сил зацепления составила 52% от несущей способности конструкции.
Всесторонним изучением сил зацепления занимались J.С. Walraven, Т. Paulay, P.J. Loeber, J.P. Laible, R.N. White, P. Gergeley, R. Park, М.H. Phillips и др.
В опытах образцы (см. рис. 4.7,б) выполнялись из бетона с пределом прочности при сжатии около 37 МПа трех структурных составов с использованием заполнителя крупностью 9,5 мм и 19 мм (зерна круглые и неправильной формы). Образцы изготавливались в виде двух блоков, разделенных трещиной шириной 0,13; 0,25 и 0,51 мм. При их испытании сопротивление сдвигу достигало 8 МПа, т, е. примерно в 3,5 раза превышало сопротивление бетона растяжению. Образцы с меньшей шириной раскрытия трещины разрушались обычно более внезапно, чем образцы с трещиной шириной ат = 0,51 мм.
Из графиков, представленных на рисунке 4.10, видно, что при одном и том же уровне сдвигового напряжения большие деформации сдвига фиксировались при большей ширине раскрытия трещины. Приблизительно сдвиг оказался пропорционален ширине раскрытия трещины.
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

При загружении образцов циклической нагрузкой довольно высокого уровня (τху = 5,6 МПа) происходило наращивание остаточных сдвиговых деформаций за счет истирания поверхностей трещины и разрушения мелких частиц заполнителя. По этой причине испытания образцов с ат = 0,51 мм после 17 циклов загружения пришлось прекратить.
В рассматриваемом исследовании особый интерес представляют испытания, в ходе которых напряжения сдвига в образце увеличивались пропорционально ширине раскрытия трещины, т. е. отношение τху/ат на всем протяжении испытания оставалось постоянным (13,8 МПа/мм). В этих опытах разрушение образцов наступало, когда за счет чрезмерного раскрытия трещины нарушался механизм зацепления (рис. 4.11). При такой методике испытаний степень истирания поверхностей трещин была большей, чем в образцах, испытанных с постоянной шириной раскрытия трещин.
Одним из выводов, содержащихся в работе, является утверждение, что ни размеры, ни форма крупного заполнителя бетона не оказывают заметного влияния на величину сил зацепления и сдвиговые деформации по сечению с трещиной. С этим выводом трудно согласиться, т. к. он противоречит самой природе сил зацепления. He подтверждают его и результаты опытов, полученные другими исследователями, в частности J. P. Laible, R. N. White, P. Gergeley. Они испытывали на срез бетонные образцы с площадью сдвига 0,194 м2 и трещинами шириной 0,25; 0,51 и 0,76 мм. Для этих опытов бетон изготавливался двух структурных составов: с заполнителем максимальной крупностью 13 мм и 38 мм. При циклическом загружении образцов из бетона с крупным заполнителем деформации сдвига на 1 и 15 циклах оказались соответственно на 50 и 30% меньше, чем у образцов из мелкозернистого бетона.
Исследования этих авторов подтвердили, что среди факторов, определяющих характер зависимости между напряжениями и деформациями сдвига по сечению с трещиной, в первую очередь следует выделить ширину раскрытия трещины. Если при ат = 0,25 мм циклическое загружение обусловило незначительное увеличение сдвиговых деформаций, то при ширине трещины 0,76 мм на 25 цикле загружения они возросли в 2,25 раза (рис. 4.12,а).
Своеобразным показателем живучести конструкции с трещинами при работе в динамическом режиме является изменение при циклическом загружении отношения (θ) сдвигового перемещения к максимальной ширине раскрытия трещины. У образцов с ат = 0,25 мм это отношение по мере роста числа циклов загружения изменялось незначительно, в то время как у образцов с ат = 0,5 и 0,76 мм оно неуклонно росло (рис. 4.12,б).
Судя по данным, некоторое увеличение сдвиговой жесткости бетонных конструкций с трещинами может быть достигнуто за счет повышения прочности бетона.
Силы зацепления и нагельный эффект в сечениях с наклонными трещинами

Суммируя многочисленные результаты различных работ, посвященных изучению сил зацепления в трещинах бетонных и железобетонных конструкций, можно уверенно заключить, что силы эти могут достигать весьма высоких значений даже в трещинах с довольно большой шириной раскрытия. Циклическое (особенно знакопеременное) загружение конструкции сопровождается истиранием поверхностей трещин и, как следствие, — уменьшением равнодействующей сил зацепления. Эффективным средством увеличения сопротивления конструкции сдвигу по сечению с трещиной является увеличение размеров и твердости заполнителя бетона и ограничение ширины раскрытия трещин. Реализация последнего условия достигается путем обжатия или армирования конструкции в направлении раскрытия критической трещины.
При наличии арматурных стержней, пересекающих трещину, силы зацепления и нагельные силы развиваются одновременно, но с раскрытием трещины отношение этих сил изменяется. Проследим динамику этого явления.
В момент появления трещины, когда ее извилистые берега по существу совмещены, в сечении развиваются значительные силы зацепления. Однако по мере раскрытия трещины контакт между мелкими выступами и впадинами в ее поверхностях теряется, что приводит к уменьшению сил зацепления. Этому же содействует многократная повторяемость нагрузки и изменение ее знака. Раскрытие наклонных трещин в бетонных стенах и вызванная этим полная или значительная ликвидация сил зацепления неизбежно приводят к хрупкому разрушению стен.
Иначе ведут себя под нагрузкой армированные конструкции. Во-первых, арматурные стержни, пересекающие трещину, сдерживают ее раскрытие, и тем самым замедляют процесс ликвидации сил зацепления. Во-вторых, по мере раскрытия критической трещины происходит перераспределение действующих в ней усилий с берегов трещины на пересекающие ее арматурные стержни, т. е. развивается нагельный эффект. Однако здесь необходимо сделать ряд оговорок. Прежде всего напомним, что изгибная составляющая нагельных сил может достичь сколь-нибудь ощутимых значений лишь при довольно больших сдвиговых деформациях. Помимо этого для проявления нагельного эффекта необходимо соблюдение ряда условий: сохранность защитного слоя бетона, наличие поперечной анкеровки стержней и др. Пытаясь оценить величину нагельных сил, нельзя забывать об обычно слабой арматурной насыщенности стен монолитных зданий.
Все эти обстоятельства побуждают отказаться от учета нагельных сил в практических расчетах стен сейсмостойких зданий. О том, насколько эти силы малы в реальных стеновых конструкциях, наиболее наглядно свидетельствуют испытания панели БВ-1.
Иначе надлежит решать вопрос с силами зацепления. Как мы могли неоднократно убедиться, их равнодействующая в стеновых конструкциях может достигать весьма высоких уровней, которые однако существенно уменьшаются по мере раскрытия трещин. Поэтому при учете сил зацепления в расчетах стен монолитных зданий по наклонным сечениям следует проявить осторожность, особенно в случаях работы конструкций в динамическом режиме.