Бетон з тріщинами. Проєктування анкерів

1. Вступ. Що таке тріщини в бетоні?

Існує теорія, що взагалі весь бетон у всіх випадках матиме наявні тріщини, мікротріщини але вони присутні. Тобто не існує бетону без тріщин. Проте зазвичай для зручності класифікації в нормативних документах визначенно ділянки роботи з/б конструкцій, де ми розділяємо бетон на:

• розтягнутий (в якому ми проводимо аналіз тріщиноутворення із розкриттям тріщин)

• стиснутий бетон в якому вважається що тріщин не існує.

В залізобетонних елементах сталь (арматура) сприймає напруження розтягу, а бетон забезпечує лише опір стисненню. Бетон, природно, має високу міцність на стиск, але низьку характеристику міцності на розрив. Коли бетон піддається впливу розтягуючих зусиль, він схильний до розтріскування. «Потрісканий» бетон відноситься до бетону, на якому з'явилися видимі тріщини через внутрішні або зовнішні напруження, як правило, не менше 0,1 – 0,3 мм. Ці тріщини можуть утворюватися від конструктивних навантажень, теплового розширення, усадки, повзучості або факторів навколишнього середовища.

Поведінка бетону з тріщинами має свої специфічні особливості, які важливо враховувати в будівництві та експлуатації конструкцій:

Нелінійність роботи матеріалу

Після утворення тріщин бетон перестає працювати як монолітний однорідний матеріал. Поведінка конструкції стає нелінійною: жорсткість зменшується, деформації ростуть непропорційно навантаженню.

Збереження несучої здатності після тріщиноутворення

Бетон має здатність частково зберігати несучу здатність навіть після утворення тріщин завдяки:

• Армуванню, яке бере на себе розтягуючі зусилля.

• Зчепленню бетону з арматурою, що дозволяє локалізувати та контролювати тріщини.

Розвиток та відкриття тріщин

Зі збільшенням навантаження тріщини розкриваються ширше, з'являються нові. Ширина тріщин контролюється нормативами, щоб уникнути:

• Корозії арматури.

• Зниження довговічності.

• Втрати жорсткості.

Вплив тріщин на довговічність

Тріщини знижують герметичність бетону, що прискорює:

• Проникнення вологи.

• Доступ агресивних середовищ.

• Корозію арматури.

Це може призвести до прогресуючого руйнування конструкції.

Перерозподіл зусиль

Після тріщиноутворення навантаження перерозподіляється:

• На нетріщинуваті ділянки бетону.

• На арматуру.

• Це дозволяє конструкції працювати навіть у тріщинуватому стані.

Повзучість та деформації

Під впливом тривалих навантажень у тріщинуватому бетоні зростають:

• Повзучість (повільне збільшення деформацій).

• Усадки, що можуть збільшувати ширину тріщин.

Вчені дано зрозуміли, що через низьку здатність бетону до розтягування арматура зазвичай приймає на себе напруження розтягу в розтянутій зоні бетону (бетоні із тріщинами). Напруження в стиснутів зоніі бетону, в якій не виникає тріщин, залишається відносно беззмінною в плані цілісності і має приблизно лінійну схему розподілу напружень (рис. 1.1). Сучасні стандарти проєктування залізобетону вимагають щоб ширина тріщин, отримана при максимально допустимих експлуатаційних статичних і квазістатичних навантаженнях (тобто постійні навантаження плюс частковеа навантаження під напруженням), не перевищувала значення від 0,3 мм до 0,4 мм. В окремих випадках навантаженнях, таких як сейсмічні навантаження, ширина тріщин може досягати від 0,5 мм до 0,8 мм.

а) Розподіл напружень-деформацій в бетоні без тріщин б) Розподіл напружень-деформацій в бетоні з тріщинами

Рис. 1.1: Розподіл напружень-деформацій розтягування і стиснення в залізобетоні

2. Чому тріщини в бетоні є важливим фактором при проєктуванні анкерів?

Вплив тріщини на несучу здантність анкерних кріплень

Різні умови навантаження на бетонні ділянки спричиняють різні зони напружень, і залежно від розміщення анкерів впливає на їх несучу здатність (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Різні зони напруження і розміщення анкерів.

В загальному випадку, коли в бетонному елементі утворюються тріщини, велика ймовірність того, що вони будуть перетинатися із розташуванням анкера прямо або по дотичній (рис. 2.2) і радіальні напруження в бетоні діляться навпіл тріщиною. Це відбувається тому, що навколо анкера існують більш високі напруження на розтяг в результаті кільцевих напружень, пов'язаних з попереднім напруженням і навантаженням анкера, і концентрації напружень, викликаних наявністю круглого отвору під анкери (ефект виїмки) (рис. 2.3 а)

Рис. 2.2 Кріпильний елемент має тенденцію до ковзання, коли навколо бетону з'являються тріщини

a) Висвердлені круглі отвори виступають в ролі виїмок b) Величезні напруги на розтяг, викликані попереднім напруженням і навантаженням

Рис. 2.3 Характер напружень навколо анкерів в просвердлених отворах

Додатковим пунктом, який також потрібно врахувати це циклічні навантаження на анкерні кріплення. Тріщини мають високий розвиток розширюється і поширюється при повторних циклах навантаження (рис. 2.4). Це може призвести до зниження несучої здатності анкера та поступового ослаблення або посилення деформації і, отже, до зниження надійності з'єднання. Незважаючи на тенденцію до витягуванні анкерів із тіла бетону при відкритті і закритті тріщин, випробування на циклічність розвитку тріщин (рис. 2.5) дозволяють допускати зміщення анкера максимум на 3 мм після 1000 циклів. На основі цих результатів очікуваний термін служби конструкції (елемента) становить 50 років. Сучасні критерії оцінки вимагають більшої кількості циклів, особливо коли ми займаємось проєктуванням конструкції уже на більш тривалий термін служби (наприклад, 100 років).

Рисунок 2.4: Відкриття та закриття тріщини для повторного навантаження в балці або плиті

Рисунок 2.5: Випробування на циклічність тріщин

3. Що говорять стандарти про врахування тріщин у бетоні при конструюванні анкерів?

Стандарти проєктування, як EN 1992-4 [7], п. 4.5 і 4.7, рекомендують враховувати тріщини бетону при проєктуванні анкерів, що встановлюються після монтажу, якщо не встановлено, що це дійсно стиснутий бетон без тріщин, який таким і залишиться протягом усього терміну служби (елементи в постійному стисненні при постійних навантаженнях). EN 1992-4 [7] також надає деякі вказівки щодо розгляду стиснутого бетону для проєктування анкерів у формулі (4.4).

• 𝜎𝐿 + 𝜎𝑅 ≤ 𝜎𝑎𝑑𝑚 EN 1992-4, eq. (4.4)

• 𝜎𝐿 = напруження в бетоні через зовнішні навантаження, включаючи анкери.

• 𝜎𝑅 = напруження, що виникає в бетоні під час стримування власних і зовнішніх прикладених деформацій (наприклад, усадки, коливань температури або зміщення опори). Значення 𝜎𝑅 за замовчуванням становить 3 Н/мм2.

• 𝜎𝑎𝑑𝑚 = допустиме напруження розтягу для бетону без тріщин.

Крім того, відповідно до EN 1992-4 п. 9.2.2 проєктування анкерів для сейсміки повинно виконуватися тільки для бетону з тріщинами. Відповідно до EN 1992-4 табл. Д.1, анкери що піддаються впливу вогню, також повинні мати ETA сертифікат для використання в бетоні з тріщинами. Встановлення (прийняття*) базового матеріалу, як бетону без тріщин за будь-яких обставин очевидно є досить громіздким, тому рекомендується враховувати завжди бетон із тріщинами для проєктування та встановлення анкерів.

Формули, наведені в EN 1992-4 [7] для розрахунку опору при різних режимах руйнування при навантаженні на розтяг, наочно показують різницю в характеристичних значеннях для бетон із тріщинами та без тріщин (табл. 3.1).

Таблиця 3.1: Різниця несучій здатності анкерів для бетону з тріщинами і без тріщин відповідно до EN 1992-4

4. Як запроєктувати анкери у бетоні з тріщин?

Наше безкоштовне програмне забезпечення для проєктування конструкцій PROFIS Engineering від компанії Hilti пропонує варіанти проєктування як для бетону з тріщинами, так і без тріщин. На етапі проєктування, у вкладці «Основний матеріал», слід зробити вибір для «Бетон з тріщинами (розтягнута зона)» над міткою основного матеріалу (встановити галку), що допоможе вам врахувати властивості поведінки анкерних кріплень в даній зоні бетону (дивіться(рис. 4.1).). PROFIS Engineering, автоматично відобразить лише ті анкери, які підходять для бетону з тріщинами, і врахує у вашому розрахунку вимоги до конструкції бетону з тріщинами.

Більш детальна інформація про поетапні методи проєктування в PROFIS Engineering детально описана в довіднику S2C: З'єднання сталі з бетоном за допомогою систем після встановлення, Шаан: Корпорація Hilti, 2024.

Рисунок 4.1: Вибір бетону із тріщинами і рекомендованих анкерів для проєктування

5. Висновок

Бетон з тріщинами — типовий стан для залізобетонних конструкцій, який передбачено у проєктуванні. Головне — контролювати характер тріщин, їхню ширину та розвиток.

Ми рекомендуємо завжди розглядати бетон як такий, що має тріщини, якщо ви не маєте справи з випадками, де очевидно, що бетон ніколи не буде розтягуватися, наприклад, легке кріплення на попередньо напружених бетонних елементах. В іншому випадку анкери, сертифіковані для використання в розтягнутому бетоні, повинні використовуватися для забезпечення безпеки для врахування всіх вимог до роботи в даній ділянці з/б конструкції, тоді як анкерні рішення, ефективність яких не була оцінена в зонах розтягу бетону, не можуть гарантувати належну надійність.

Щоб якісно проєктувати та бути впевненим в розрахунку анкерів в бетоні із тріщинами, відвідайте сайт https://profisengineering.hilti.com/