АРМАТУРНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ Российский патент 2015 года по МПК E04C5/03 

Изобретение относится к арматурным элементам, предназначенным для армирования железобетонных конструкций.

Известны арматурные стержни периодического профиля, у которых наклонные поперечные ребра чередуются с впадинами цилиндрического сердечника /1/.

Недостатком известного профиля является то, что за счет серповидности происходит снижение высоты поперечных ребер и как следствие уменьшение относительной площади смятия f_r и анкерующей способности арматуры в бетоне. При этом не учитываются физико-механические характеристики бетона и специфика работы опорных бетонных цилиндров между поперечными ребрами арматуры.

Наиболее близким является арматурный стержень периодического профиля, который включает продольные ребра и расположенные по винтовой линии выступы и впадины. Поверхность впадин имеет форму вогнутого катеноида, образованного вращением вокруг продольной оси кривой $$x=C\cdot ch\cdot (\frac{\gamma }{C})$$ , где х, y - текущие координаты кривой, С - постоянная профиля. Выполнение впадин по кривой $$x=C\cdot ch\cdot (\frac{\gamma }{C})$$ позволяет выдержать необходимое отношение площади среза бетона к площади смятия, которое определяется по формуле $$\frac{F_{см}}{F_{ср}}=\frac{t-b}{h_{ср}}$$ , где h_ср - средняя высота выступов /2/.

Недостатком известного арматурного стержня является то, что геометрические размеры профиля $$\frac{t-b}{h_{ср}}$$ определяют в зависимости от отношения $$\frac{F_{см}}{F_{ср}}$$ , при этом соотношение площадей смятия и среза не связано с геометрическими параметрами профиля арматуры.

В то же время выполнение поперечных ребер серповидными, непересекающимися с продольными ребрами, позволяет снизить величину относительной площади смятия f_r и, как следствие, прочность сцепления арматуры с бетоном.

Техническая задача заключается в повышении прочности сцепления арматурного стержня с бетоном.

Поставленная задача решается таким образом, что в арматурном стержне периодического профиля, включающем сердечник круглого сечения, продольные и наклонные поперечные ребра постоянной высоты, согласно изобретению, параметры поперечного ребра определены в соответствии с пределами прочности бетона при сжатии и срезе между поперечными ребрами при условии нарушения анкеровки по характеру "срез" при достижении бетоном под рабочими площадкам поперечных ребер призменной прочности R_b и предела прочности при срезе R_cp части оснований опорных бетонных цилиндров по следующей зависимости:

$$\frac{t-b}{h}=\frac{R_b}{R_{ср}}+4=\frac{R_b}{0,7\cdot \sqrt{R_b\cdot R_{bt}}}+4$$

где t - шаг поперечных ребер;

b - ширина верхней части ребра;

h - высота ребра;

R_h - призменная прочность бетона;

R_cp - предел прочности бетона при срезе;

R_bt - прочность бетона на осевое растяжение,

а продольные ребра выполнены серповидными и размещены между поперечными без пересечения с ними. Причем продольные ребра могут быть расположены под углом к продольной оси сердечника.

Предлагаемая конструкция арматурного стержня отличается от известной тем, что параметры поперечного ребра определены в соответствии с пределами прочности бетона при сжатии и срезе между поперечными ребрами при условии нарушения анкеровки по характеру "срез" при достижении бетоном под рабочей площадкой поперечного ребра призменной прочности R_b и предела прочности при срезе R_cp части основания опорного бетонного цилиндра, а продольные ребра выполнены серповидными и размещены между поперечными без пересечения с ними.

Для увеличения прочности сцепления продольные ребра выполнены наклонными к продольной оси сердечника.

Наклонные поперечные ребра выполнены постоянной высоты, с углом охвата стержня 180° и обеспечивают максимально возможную относительную площадь смятия f_r.

Технический результат - установление такого расстояния в свету между поперечными ребрами, когда происходит разрушение бетона под рабочей площадкой при достижении призменной прочности R_b одновременно со срезом части оснований опорных бетонных цилиндров, что обеспечивает максимальную прочность сцепления арматурного стержня с бетоном.

На фиг.1 представлен арматурный стержень; фиг.2 - А-А фиг.1; фиг.3 - то же, что и на фиг.2, вариант выполнения продольных ребер под углом к продольной оси сердечника; фиг.4 - схема к расчету параметров профиля после образования и развития трещины в основании бетонного опорного цилиндра и нагрузка от рабочей площадки поперечного ребра арматуры.

Продольные ребра 2 выполнены серповидными и не пересекаются с поперечными ребрами 1.

Геометрические размеры профиля устанавливаются на основании напряженно-деформированного состояния опорного бетонного цилиндра и характера разрушения бетона между поперечными ребрами арматуры. В предельной стадии прочность сцепления арматуры с бетоном обеспечивается одновременно призменной прочностью R_b бетона под рабочей площадкой поперечного ребра арматуры (линия "а-б") и сопротивлением срезу части основания бетонного опорного цилиндра (линия "д-г").

Условие прочности имеет вид

$$R_b\cdot 2\cdot F_r=R_{ср}\cdot \frac{2\cdot F_r}{h}\cdot (t-b-4\cdot h)$$

где 2·F_r - площадь боковой поверхности поперечного ребра арматуры

или

$$R_b=R_{ср}\cdot \frac{t-b-4\cdot h}{h}$$

откуда

$$\frac{R_b}{R_{ср}}=\frac{t-b-4\cdot h}{h}=\frac{t-h}{h}-4$$

Отношение длины основания бетонного опорного цилиндра к высоте поперечных ребер арматуры, при котором достигается одновременное разрушение бетона под рабочей площадкой поперечного ребра и срез части основания бетонного опорного цилиндра

$$\frac{t-b}{h}=\frac{R_b}{R_{ср}}+4=\frac{R_b}{0,7\cdot \sqrt{R_b\cdot R_{bt}}}+4\text{ (1)}$$

Пример

Выполняем расчет кольцевого периодического профиля по ГОСТ 5781 (1991 г.) /3/.

Исходные данные для расчета:

Диаметр стержня - 16 мм;

Класс бетона В 35;

Призменная прочность бетона R_b-25,5 МПа;

Прочность бетона на осевое растяжение R_ht=1,95 МПа.

В соответствии с возможностями технологии прокатки арматуры примем ширину верхней части ребра и высоту ребра по ГОСТ 5781 b=h=1,5 мм.

Из формулы 1 определяем шаг поперечных ребер

$$t=\left(\frac{R_b}{0,7\cdot \sqrt{R_b\cdot R_{bt}}}+4\right)\cdot h+b=\left(\frac{25,5}{0,7\cdot \sqrt{25,5\cdot 1,95}}\right)\cdot 1,5+1,5=15,249мм$$

Тангенс угла наклона поперечных ребер к продольной оси

$$tg\beta =\frac{d+2\cdot h}{\frac{t}{2}}=\frac{2\cdot (16+2\cdot 1,5)}{15,249}=2,492$$

Угол наклона поперечных ребер к продольной оси

β=arctg(2,492)=68°.

Таким образом, периодический профиль арматуры для применения в бетоне класса В 35 должен иметь:

шаг поперечных ребер t=15,249 мм;

ширину верхней части ребра b=1,5 мм;

высоту ребра h=1,5 мм;

угол наклона поперечных ребер к продольной оси β=68°.

При выдергивании арматурного стержня с такими параметрами из бетонных кубов в соответствии с Рекомендациями РС-6 РИЛЕМ/ФИП/ЕКБ, разрушение анкеровки происходит по характеру "срез" при достижении бетоном под рабочими площадкам поперечных ребер (линия "а-б") призменной прочности R_h 25,5 МПа и предела прочности при срезе R_ср части оснований опорных бетонных цилиндров (линия "д-г").

Таким образом, достигается максимальная прочность сцепления арматурного профиля с бетоном образца.

Источники информации

1. ТУ 14-1-5254-2006 "Прокат периодического профиля для армирования железобетонных конструкций. Технические условия", М, 2006 г.

2. Патент РФ №2031207, кл. Е04С 5/00, 20.02.1995, (прототип).

3. ГОСТ 5781 (1991 г.) "Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия". - М, Госстандарт, 76 с.

Использование: для армирования железобетонных конструкций. Арматурный стержень периодического профиля состоит из сердечника круглого поперечного сечения с наклонными поперечными ребрами постоянной высоты на поверхности. Геометрические размеры поперечных ребер в виде соотношения $$\frac{t-b}{h}$$ устанавливаются на основании физико-механических характеристик и характера разрушения бетона между ними по формуле

$$\frac{t-b}{h}=\frac{R_b}{R_{ср}}+4=\frac{R_b}{0,7\cdot \sqrt{R_b\cdot R_{bt}}}+4$$

где t - шаг поперечных ребер;

b - ширина верхней части ребра;

h - высота ребра;

R_h - призменная прочность бетона;

R_cp - предел прочности бетона при срезе;

R_bt - прочность бетона на осевое растяжение.

Для увеличения прочности сцепления продольные ребра выполнены наклонными к продольной оси сердечника. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Арматурный стержень периодического профиля, включающий сердечник круглого сечения, продольные и наклонные поперечные ребра постоянной толщины, отличающийся тем, что параметры поперечного ребра определены в соответствии с пределами прочности бетона при сжатии и срезе между поперечными ребрами при условии нарушения анкеровки по характеру "срез" при достижении бетоном под рабочими площадкам поперечных ребер призменной прочности R_b и предела прочности при срезе R_cp части оснований опорных бетонных цилиндров по следующей зависимости:
$$\frac{t-b}{h}=\frac{R_b}{R_{ср}}+4=\frac{R_b}{0,7\cdot \sqrt{R_b\cdot R_{bt}}}+4$$
где t - шаг поперечных ребер;
b - ширина верхней части ребра;
h - высота ребра;
R_h - призменная прочность бетона;
R_cp - предел прочности бетона при срезе;
R_bt - прочность бетона на осевое растяжение,
а продольные ребра выполнены серповидными и размещены между поперечными без пересечения с ними.

2. Арматурный стержень по п.1 отличающийся тем, что продольные ребра выполнены серповидными и расположены под углом к продольной оси сердечника.