New knitted mesh for indirect concrete reinforcement of compressed elements

Texto integral

В настоящее время в строительстве широко применяют железобетонные конструкции из обычного и преднапряженного железобетона. Одним из эффективных путей получения экономии бетона и арматуры является косвенное вооружение бетона. В конце прошлого и начале нынешнего столетия учеными и инженерами выполнены значительные теоретические и экспериментальные исследования различных способов косвенного армирования железобетонных конструкций.

Важное значение приобретает совершенствование метода исследования железобетонных конструкций, теории их расчета, а также результаты новых конструктивных форм [1‒7].

Одной из актуальных задач проектирования железобетонных конструкций является достижение их долговечности и огнестойкости [1, 4]. Для повышения долговечности и огнестойкости железобетонной конструкции важно увеличение их прочности, что достигается применением высокопрочных бетонов и рациональным армированием бетона различной арматурой (продольной, поперечной, косвенной).

Рациональное проектирование железобетонных конструкций с косвенным вооружением бетона, армированной стали показано в работах [3‒7].

Косвенное вооружение бетона сжатых железобетонных элементов позволяет повысить нагрузку, уменьшить размеры сечения колонн, снизить расход бетона и арматурной стали.

Известно армирование концевых участков стыкуемых железобетонных колонн, где установлено косвенное вооружение бетона в виде сварных арматурных сеток, типовые сварные арматурные сетки конструкций с прямоугольным контуром и взаимно перпендикулярным расположением стержней, с концевыми выпусками не менее 20 мм; сварные арматурные сетки конструируют из арматуры классов А 240 (А-I), А 400 (А-III), В 500 (В-I) диаметром стержней сварных сеток от 5 до 10 мм [1].

Новое конструктивное решение представляет собой более рациональное изготовление вязаной арматурной сетки, усовершенствование конструктивной формы арматурной сетки, сокращение числа резок мерных стержней и сварных работ, снижение расхода арматурной стали, повышение сцепления стержней арматурной сетки с бетоном, снижение трудозатрат и стоимости вязаной сетки [3].

Технико-экономический результат представляет собой: 1) более рациональное конструктивное исполнение арматурной сетки «зигзаг» за счет использования закруглений стержней вязаной сетки; 2) усовершенствование конструктивной формы арматурной сетки; 3) повышение в 1,5‒2 раза напряжений сцепления стержней арматурной сетки с бетоном сжатого элемента за счет закругления концов рабочих стержней и применения, как правило, арматуры периодического профиля; 4) сокращение числа резок рабочих стержней в 8‒10 раз, сварных работ в 2‒3 раза; 5) снижение расхода арматурной стали на 15‒20 %; 6) снижение трудозатрат и стоимости вязаной сетки; 7) улучшение работы вязаной сетки в бетоне за счет кольцеобразного закругления рабочих стержней [3].

Технико-экономический результат при использовании нового конструктивного решения достигается тем, что арматурное изделие выполнено в виде плоской сетки с продольными и поперечными стержнями, особенностью которого является следующее:

1. Арматурная плоская сетка выполнена вязаной, образованной в каждом из двух рядов и/или плоской сетки в целом непрерывной арматурной проволокой, изогнутой зигзагообразно, с закруглениями по полуокружности; вязаная двухрядная сетка «зигзаг» выполнена с крестообразным соединением рабочих стержней, с электроприхватками продольных и поперечных стержней на участках их закругления по полуокружности; рабочие стержни вязаной арматурной сетки «зигзаг» выполнены, как правило, из арматурной стали периодического профиля диаметром 3–12 мм класса Вр 500 и/или диаметром 6–14 мм арматуры периодического профиля класса А400, с ячейками сетки размерами от 45×45 мм до 100×100 мм; производство плоской двухрядной вязаной арматурной сетки «зигзаг» осуществлено с использованием станка для изготовления арматурного изделия; оптимальная схема непрерывного навивания арматурной проволоки заданной длины выбрана в зависимости от числа продольных и поперечных стержней двухрядной арматурной сетки «зигзаг»; вязаная арматурная сетка выполнена или с круглыми отгибами в виде колец, или в виде упрощенной спирали Архимеда на крестовине.
2. Длина рабочего стержня (L_n, мм) прямого отгиба непрерывной проволоки двухрядной арматурной сетки определена по уравнению

$L_n=m\cdot (a+\stackrel{⌢}{n}\cdot D_0/2)+n\cdot (в+\stackrel{⌢}{n}\cdot D_0/2)+2I_{ф},$ мм, (1)

где m и n – число продольных и поперечных стержней двухрядной сетки; а и в – расстояние в осях крайних цилиндрических сердечников станка для изготовления изделия по осям координат, мм; D₀ – диаметр цилиндрического сердечника, мм; l_ф ‒ длина фиксатора арматурной сетки, мм; $\stackrel{⏜}{n}$ = 3,142 – иррациональное число.

3. На начальном и конечном участках конце непрерывного стержня предусмотрены фиксаторы проектного положения вязаной двухрядной арматурной сетки «зигзаг» в виде устройства однократного использования, остающиеся в бетоне, обеспечивая требуемую толщину защитного слоя бетона.
4. На начальном и конечном участках стержня арматурной вязаной сетки «зигзаг» устроены концевые петли, образованные посредством обвивания цилиндрических сердечников станка по изготовлению арматурного изделия.
5. Вязаная двухрядная арматурная сетка «зигзаг» изготовлена из двух отдельно выполненных сеток-полуфабрикатов, соединенных между собой по крайним стержням сетки посредством электроприхватки соприкасающихся стержней.
6. Для временного крепления продольных и поперечных стержней арматурной сетки использована вязальная проволока.
7. Для реализации отрезков, полученных при заготовке стержней арматурной проволоки, их соединяют контактной стыковой сваркой для последующей безотходной резки.
8. Рабочие стержни двухрядной арматурной сетки «зигзаг» выполнены из гладкой арматуры класса А 240 диаметром 6–14 мм и/или из гладкой арматурной проволоки класса В 500 диаметром 3–12 мм.
9. Схема навивания без прерывания арматурной проволоки заданной длины выбрана в зависимости от числа продольных и поперечных стержней двухрядной вязаной арматурной сетки «зигзаг».
10. Рабочий стержень вязаной арматурной сетки выполнен из неразрезной проволоки диаметром 3‒8 мм с круглыми отгибами-кольцами диаметром D_к, мм, которые скреплены с соединительными стержнями крестовины диаметром 6‒12 мм, при этом требуемый диаметр каждого кругового кольца сетки D_к, мм, вычислен по уравнению

$D_{к}=L_{\mu }/m,$(2)

где L_µ – длина средней окружности кольцевого стержня арматурной сетки, вычислена по уравнению

$L_{\mu }=\stackrel{⌢}{n}\cdot D_{\mu }$;(3)

m – число круговых колец, шт.;  = 3,142 – иррациональное число; D_µ – диаметр средней окружности кольцевого стержня, мм.

11. Круглая вязаная арматурная сетка выполнена в виде упрощенной спирали Архимеда на соединительных стержнях крестовины диаметром 6‒12 мм, при этом число (m_вит) витков спирали диаметром 3‒8 мм рассчитано по уравнению

${т}_{вит}=\mathrm{0,5}\cdot L_{кр}/С,$(4)

где L_кр – длина соединительного стержня крестовины, мм, вычислена по уравнению

$L_{кр}=D-D_{c1}-2\cdot U,$(5)

где D – диаметр железобетонной колонны, мм; D_c1 – диаметр центрального кольца крестовины, мм; U – толщина защитного слоя бетона арматурной сетки, мм; C – размер ячейки сетки, мм (С = 45–100 мм) [3].

Причинно-следственная связь между существующими признаками и технико-экономическим результатом заключена в следующем [3]:

1. Рациональное конструктивное исполнение арматурной вязаной сетки «зигзаг» получено за счет закругления продольных и поперечных стержней сетки, которое меняет вид напряженного состояния элементов вязаной сетки (вместо изгиба-растяжения), благоприятно влияет на работу стержней арматуры в бетоне; совершенствование конструктивной формы арматурного изделия повышает в 1,5‒2 раза фактические напряжения сцепления стержней арматурной сетки с бетоном сжатого элемента вследствие применения, как правило, арматуры периодического профиля.
2. Сокращение числа резок стержня в 8‒10 раз и сварных работ в 2‒3 раза возможно при замене контактной точечной сварки крестообразных соединений на электроприхватку крайних стержней вязаной сетки «зигзаг».
3. Снижение расхода арматурной проволоки на 15‒20 % происходит за счет закруглений концевых участков рабочих стержней арматурной сетки.
4. Улучшение работы вязаной сетки «зигзаг» в бетоне за счет кольцеобразного закругления рабочих стержней приводит к снижению трудозатрат и стоимости вязаной арматурной сетки «зигзаг».
5. Сварная арматурная сетка выполнена или из U-образно гнутых в одной плоскости на 180° продольных и поперечных стержней, перпендикулярно расположенных друг к другу; или из овально-замкнутых поперечных стержней и U-образно гнутых продольных стержней; или из группы кольцевых стержней, соединенных между собой в одной плоскости; или из частично укороченных крайних продольных и поперечных стержней; или из стальной прямоугольной пластины с отверстиями площадью 30‒70 % от площади пластины; или в виде круглой сетки, содержащей соединительные стержни крестовин и два круговых арматурных стержня, пространство между которыми заполнено группой кольцевых стержней, расположенных по средней окружности сетки; или в виде круглой сетки, содержащей соединительные стержни крестовины и концентрические кольца с шагом С (здесь С – размер ячейки сетки, мм).

Вязаная арматурная сетка «зигзаг» законструирована из арматуры класса В 500 (Вр – I), диаметр стержней арматурной сетки в обоих направлениях 12 мм (f_a = 113,1 мм²; R_s = 415 МПа); размеры вязаной арматурной сетки 250 × 250 мм, размеры ячейки сетки 50 × 50 мм; при шаге сеток 150 мм объемный коэффициент косвенного вооружения бетона (U = 3 × 10^-2 > 1,25 × 10^-2 – min допустимого); схема неразрывного навивания арматурной проволоки двухрядной вязаной сетки «зигзаг», запроектированной для железобетонного сжатого элемента с размерами поперечного сечения 300 × 300 мм, при числе продольных и поперечных стержней n₁ = n₂ = 5, изображена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема неразрывного навивания арматурной проволоки двухрядной вязаной сетки «зигзаг» при числе стержней продольных n₁ = 4 и поперечных n₂ = 3 (фиг. 1); то же при n₁ = n₂ = 4 (фиг. 2); то же при n₁ = n₂ = 5 (фиг. 3); то же при n₁ = n₂ = 6 (фиг. 4): 1 – продольные стержни; 2 – поперечные стержни; 3 – концевые петли; 4 – фиксаторы сетки; 5 – электроприхватки; х и у – оси координат; цифры (1‒13) внутри сеток – порядок навивания проволоки; С – размер ячейки сетки, мм
Fig. 1. Diagram of non-breaking winding of reinforcing wire of double-row knitted mesh “zigzag” at the number of longitudinal rods n₁ = 4 and transverse rods n₂ = 3 (fig. 1); the same at n₁ = n₂ = 4 (fig. 2); the same at n₁ = n₂ = 5 (fig. 3); the same at n₁ = n₂ = 6 (fig. 4): 1 ‒ longitudinal rods; 2 ‒ transverse rods; 3 ‒ end loops; 4 ‒ mesh retainers; 5 ‒ electric tacks; x and y are coordinate axes; figures (1 ‒ 13) inside the grids ‒ order of wire winding; С ‒ mesh size, mm

 

При проектировании вязаной арматурной сетки из неразрядного (цельного) стержня с круглыми отгибами, т. е. кольцами по окружности со средним диаметром D_µ, мм·c (рис. 2), сначала устанавливают: а) размер диаметра основного сечения железобетонной колонны (D, мм); б) размер среднего диаметра сечения (D_µ, мм); в) длину окружности (L_µ, мм); г) число колонн (m_кол), расположенных по окружности среднего диаметра; затем, используя проектные данные, выявляют диаметр каждого кругового кольца по уравнению (2).

 

Рис. 2. Круглая вязаная сетка из арматурного стержня с круглыми отгибами: 4 – фиксаторы сетки; 5 – электроприхватки; 9 – соединительные стержни крестовины; 10 – точечная сварка; 11 – арматурный стержень (проволока) с круглыми отгибами (m = 8 шт.); 12 – средний диаметр D_µ, мм; L_C – длина круга со средним диаметром, мм
Fig. 2. Round knitted mesh made of rebar with round bends: 4 ‒ mesh retainers; 5 ‒ electric tacks; 9 ‒ connecting rods of the spider; 10 ‒ spot welding; 11 ‒ reinforcement rod (wire) with round bends (m = 8 pcs.); 12 ‒ average diameter D_µ, mm; L_C ‒ length of circle with average diameter, mm

 

Пример 1. Дано: Основное сечение железобетонной колоны диаметром D = 300 мм, защитный слой бетона до колец арматурной сетки U = 30 мм, число колец по окружности сетки m_кол = 8. Требуется выявить диаметр каждого кругового кольца D_к.

Решение: 1) Средний диаметр окружности арматурной сетки

D_µ = D - 2 × U = 300 - 2 × 30 = 240 мм.

2) Длина средней окружности вычисляют по уравнению (3):

L_µ = $\stackrel{⏜}{n}$ × D_µ = 3,142 × 240 = 754 мм.

3) Диаметр каждого кругового кольца вычисляют по уравнению (2):

D_к = L_µ / m_кол = 754 / 8 = 94 мм.

при D_к = С = 94 мм < [100 мм], здесь С – размер ячейки сетки, мм.

При проектировании вязаной арматурной сетки, выполненной подобно спирали Архимеда (рис. 3), сначала устанавливают: а) длину соединительного стержня крестовин сетки L_кр; б) диаметр центрального кольца крестовины D_с1, мм; в) толщину защитного слоя бетона арматурной сетки U, мм; г) размер ячейки арматурной сетки С, мм;

Затем выявляют требуемое число витков спирали (m_вит, шт.), используя уравнение (4).

 

Рис. 3. Круглая витая арматурная сетка типа упрощенной спирали Архимеда на крестовине: 4 – фиксаторы сетки; 5 – электроприхватки; 6 – центральное кольцо диаметром D_c1, мм; 7 – средние витки спирали диаметром D_c2, мм; 8 – крайние витки спирали (не менее двух) диаметром D_c3, мм; 9 – соединительные стержни крестовины; 10 – точечная сварка; О₁ и О₂ – центры дуг окружностей, соединяющих витки спирали; С – размер ячейки сетки, мм
Fig. 3. Round twisted reinforcement mesh of the type of simplified spiral of Archimedes on the cross: 4 ‒ mesh fixators; 5 ‒ electric tacks; 6 ‒ central ring with diameter D_c1, mm; 7 ‒ middle turns of spiral with diameter D_c2, mm; 8 ‒ extreme turns of spiral (at least two) with diameter D_c3, mm; 9 ‒ connecting rods of the spider; 10 ‒ spot welding; O₁ and O₂ are the centers of the arcs of the circles connecting the turns of the spiral; С ‒ mesh size, mm

 

Пример 2. Дано: круглая железобетонная колонна диаметром D = 400 мм, диаметр центрального кольца крестовины D_с1 = 100 мм; толщина защитного слоя бетона U = 30 мм. Требуется выявить число витков спирали (m_вит, шт.).

Решение: 1) Длину соединительного стержня крестовин выполняют по уравнению (5):

L_кр = D - D_с1 - 2 × U = 400 - 2 × 30 - 100 = 240 мм.

2) Требуемое число витков спирали вычисляют по уравнению (4):

m_вит = 0,5 × L_кр / С = 0,5 × 240 / 60 = 2 витка.

Вязаная арматурная сетка «зигзаг» содержит продольные стержни 1 поперечные стержни 2, концевые петли 3, фиксаторы сетки 4, электроприхватки 5 (см. рис. 1).

Круглая вязаная сетка из арматурного стержня с круглыми отгибами-кольцами на крестовине содержит: фиксаторы сетки 4, электроприхватки 5, соединительные стержни крестовины 9, точечную сварку 10, арматурный стержень с круглыми отгибами (кольцами) 11 (см. рис. 2).

Круглая витая арматурная сетка типа упращенной спирали Архимеда на крестовине содержит: фиксаторы сетки 4, электроприхватки 5, центральное кольцо крестовины 6, средние витки спирали 7, крайние витки спирали (не менее двух) 8, соединительные стержни крестовин 9, точечную сварку 10 (см. рис. 3).

Разработанные арматурные изделия [5, 6] в виде вязаных арматурных сеток использованы в ОНИЛЖБК в Центре инженерно-технических разработок Академии строительства и архитектуры СамГТУ (Самара, 2021 г.)

Следовательно, разработанная вязаная арматурная сетка «зигзаг» косвенного вооружения бетона сжатых железобетонных элементов представляет собой рациональное решение усовершенствованной конструктивной формы, снижающей расходы арматурной стали и стоимость арматурной сетки.

Вывод. Технико-экономический результат предложенного нового конструктивного решения представляет собой: 1) более рациональное конструктивное исполнение арматурной сетки «зигзаг» за счет использования закруглений стержней вязаной сетки; 2) усовершенствование конструктивной формы арматурной сетки; 3) повышение в 1,5-2 раза напряжений сцепления стержней арматурной сетки с бетоном сжатого элемента за счет закругления концов рабочих стержней и применения, как правило, арматуры периодического профиля; 4) сокращение числа резок рабочих стержней в 8‒10 раз, сварных работ в 2‒3 раза; 5) снижение расхода арматурной стали на 15‒20 %; 6) снижение трудозатрат и стоимости вязаной сетки; 7) улучшение работы вязаной сетки в бетоне за счет кольцеобразного закругления рабочих стержней.

Sobre autores

Nikolay Ilyin

Samara State Technical University

Email: panda-w800i@yandex.ru

PhD of Engineering Sciences, Professor of the Reinforced Concrete Structures Chair

Rússia, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Denis Panfilov

Samara State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: panda-w800i@yandex.ru

PhD of Engineering Sciences, Head of the Reinforced Concrete Structures Chair

Rússia, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

German Vasyuchkin

Samara State Technical University

Email: Plato2008@yandex.ru

Laboratory Assistant of the Reinforced Concrete Structures Chair

Rússia, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Bibliografia

Arquivos suplementares