Na przełomie lat 2006/2007 na zlecenie Centrum Promocji Jakości Stali w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej przeprowadzono badania żelbetowych belek zbrojonych na ścinanie stalami o średniej (klasa B) oraz o dużej ciągliwości (klasa C – EPSTAL®).
W trakcie badania zaobserwowano rozginanie się zakotwienia strzemion oraz ich wysunięcie z betonu, co powodowało utratę nośności belek (szczegółowy opis w nr. 6/2009 „Inżyniera budownictwa” i na www.cpjs.pl). Zastosowany w tych badaniach typ kotwienia strzemion, tj. hak prosty, jego długość, a także promień zagięcia były zgodne z obowiązującymi przepisami (wg PN-B-03264:2002). Spostrzeżenia te zachęciły do wykonania nowych badań, mających na celu określenie warunków takiego zakotwienia strzemion wykonanych ze stali EPSTAL®, która jest obecnie bardzo powszechnie stosowana do zbrojenia konstrukcji, aby w pełni wykorzystać jej bardzo dobre właściwości – wysoką wytrzymałość (klasa A-IIIN wg PN-B-03264:2002) i ciągliwość (klasa C wg Eurokodu 2). Opracowany w trakcie badania kształt haków powinien sprawić, iż pręty strzemion będą mogły być zniszczone jedynie przez zerwanie (po osiągnięciu naprężeń równych wytrzymałości stali na rozciąganie). Haki te nie powinny ulegać prostowaniu i wyrywaniu z betonu (co może spowodować zniszczenie elementów konstrukcji przed osiągnięciem przez pręty strzemion wytrzymałości na rozciąganie). Rozwiązania te przyczynią się zatem do znacznej poprawy bezpieczeństwa konstrukcji.
W I etapie badań testowano różne rodzaje zakotwień na modelach drobnowymiarowych imitujących fragment elementu konstrukcyjnego, obejmującego strefę krawędziowego zakotwienia strzemion. W każdym modelu zastosowano zbrojenie poprzeczne w postaci strzemion wykonanych ze stali o granicy plastyczności ≥ 500 MPa. Strzemiona o śr. 10 i 12 mm wykonano ze stali EPSTAL® o wysokiej ciągliwości (klasa C wg Eurokodu 2), natomiast strzemiona o śr. 8 mm ze stali o średniej ciągliwości (klasa B). Zakotwione były one hakiem normowym prostym (rys. 1a) lub ostrym (rys. 1b), a także w sposób pozanormowy (rys. 1c). Modele różniły się poza tym grubością otuliny zbrojenia (10, 15, 20 mm) oraz wytrzymałością betonu (18, 25, 35 MPa). Niektóre elementy wykonano bez zbrojenia podłużnego. Zastosowano obciążenie modeli w postaci siły przyłożonej do końca pręta strzemienia i wyrywającej go z betonu. Wybrane modele umieszczano dodatkowo w prasie i poddawano dużym naciskom wywołującym w badanym elemencie powstanie dużych naprężeń ściskających.
a)
b)
c)
Rys. 1. Przykłady modeli zbrojonych hakiem: a) normowym prostym 90°; b) normowym ostrym 135°; c) pozanormowym
Zbadano 166 wyżej opisanych modeli. Oto najważniejsze z zanotowanych obserwacji:
– W przypadku zakotwienia hakiem prostym osiągnięcie naprężenia równego wytrzymałości stali na rozciąganie i tym samym zerwanie pręta (bez uprzedniego prostowania się haka) następowało wyłącznie w modelach dodatkowo obciążonych w prasie siłą ściskającą.
– Najmniejsze zarysowania poziome (w płaszczyźnie haka – fot. 1) powstałe na czole modelu – będące wynikiem prostowania się strzemion – wystąpiły w przypadku zakotwień pozanormowych. W takich modelach rysa nie pojawiała się lub, przy podobnych wartościach jej rozwarcia, uzyskano nawet o 100 MPa większe naprężenie w pręcie poprzecznym niż w modelach z zakotwieniem normowym.
– Bardzo dobre efekty w ograniczeniu zarysowań poziomych na czole modelu uzyskano przy zastosowaniu większego (8 φ) niż minimalny normowy (4 φ) promienia zagięcia pręta strzemienia oraz przy zwiększeniu średnicy pręta podłużnego.
Fot. 1. Zarysowanie w płaszczyźnie haka na czole elementu w modelu bez zbrojenia podłużnego
Obserwacje te skłoniły autorów do sformułowania kilku podstawowych zaleceń dotyczących zakotwienia strzemion wykonanych ze stali żebrowanej o fyk ≥ 500 MPa i εuk ≥ 5% (wszystkie wyniki i zalecenia zostaną opublikowane w biuletynie informacyjnym CPJS):
1) Należy unikać stosowania rozwiązań normowych kotwienia strzemion (w szczególności haka prostego) przy jednocześnie niewielkich grubościach otuliny (10, 15 mm), gdyż wówczas podczas wyrywania pręta bardzo mało prawdopodobne jest osiągnięcie naprężeń o wartości równej wytrzymałości na rozciąganie zastosowanej stali zbrojeniowej (pręt zostanie wcześniej wyciągnięty z betonu).
2) Przy zakotwieniu hakiem prostym lub ostrym, dla umożliwienia pełnego wykorzystania wytrzymałości stali zbrojeniowej, zaleca się stosowanie betonu klasy co najmniej C30/37. W przypadku elementów z betonu niższych klas powinno się w tym celu stosować zakotwienia o kształcie pozanormowym (wg rys. 1c).
3) Należy zawsze stosować w strefie zakotwienia strzemienia co najmniej dwa pręty podłużne, z czego jeden w zagięciu pręta strzemienia.
Zastosowanie się do tych oraz pozostałych zaleceń pozwoli na bardziej efektywne wykorzystanie zapasu bezpieczeństwa, jaki daje wysoka granica plastyczności oraz duża ciągliwość użytej do zbrojenia poprzecznego stali – zmniejszy się prawdopodobieństwo zniszczenia strzemion przy obciążeniu wywołującym naprężenie mniejsze od wytrzymałości stali (poprzez ich wyrwanie z betonu).
Wszystkie zalecenia opracowane przez autorów w I etapie badania posłużyły do wykonania modeli dwóch belek jednoprzęsłowych, badanych na ścinanie w etapie II. Wkrótce ukaże się biuletyn informacyjny CPJS, w którym zaprezentowane zostaną wyniki obu etapów. Będzie on dostępny na stronie www.cpjs.pl.
Materiał przygotowano na podstawie wykonanego w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej opracowania „Badanie zakotwienia strzemion wykonanych ze stali o wysokiej ciągliwości” autorstwa prof. dr. hab. inż. Włodzimierza Starosolskiego oraz mgr. inż. Radosława Kupczyka.
ul. Koszykowa 54
00-675 Warszawa
tel. 22 630 83 75, faks 22 625 50 49
e-mail: biuro@cpjs.pl, www.cpjs.pl
