Испытание анкеров и дюбелей на вырыв

О корректности существующих методов испытаний анкеров на вырыв из различных стеновых материалов и возможных областях их применения

В последние 15-20 лет в России значительно вырос объем строительных работ, связанных с применением анкерного крепежа. При этом на строительном рынке лидирующее положение занимали и занимают такие зарубежные фирмы, как НИИ, Fischer, Sormat и MKT. Качество и надежность производимого ими анкерного крепежа достаточно высокие. Однако опыт применения анкерного крепежа в России выявил ряд проблем, без решения которых объективная оценка эксплуатационной надежности анкерного узла и тем более величины расчетного (рекомендуемого) усилия вырыва весьма затруднительна.

Среди этих проблем можно выделить следующие:

1. Выбор методики статических и динамических испытаний анкеров на вырыв и срез. При этом как у нас в стране, так и за рубежом утвержденной (нормативной) методики динамических испытаний анкеров в настоящее время не существует;
2. Разработка методики обработки результатов испытаний с целью получения необходимых для проектировщиков расчетных (рекомендуемых) значений нагрузок вырыва анкера из материала конструкции;
3. Оценка области применения и эффективности работы анкерного крепежа в зависимости от материала конструкции (сталь, железобетон, каменные материалы и т. д.) и его структуры (плотность, пустотность и т. д.).

Отметим, что такие немаловажные вопросы, как огнестойкость, коррозионная стойкость и т. д., либо решены, либо с учетом современного уровня развития техники решаются относительно просто.

Решение указанных выше проблем зависит от двух факторов:

• наличия подготовленных специалистов-исследователей в области анкерного крепежа;
• финансирования исследований в указанной области.

Анкерный крепеж разрабатывается и используется в строительстве достаточно давно. Так, в университете г. Штутгарта (Германия) имеются профессионалы высочайшего класса в области анкерного крепежа, которые проводят исследования и готовят специалистов в этой области. Фирмы- производители анкеров постоянно финансируют исследования по анкерному крепежу. На основании результатов таких исследований разрабатываются и совершенствуются как производственные технологии,конструкции анкеров, так и методики их испытаний, а также создаются нормативные документы по анкерному крепежу.

Статический метод испытания анкеров на вырыв

В настоящее время за рубежом для испытаний анкеров на вырыв принята единая методика, подробно изложенная в ETAG 001 [1]. Суть методики определения рекомендуемой (расчетной) величины нагрузки вырыва заключается в следующем:

1. Проводятся испытания серии анкеров, состоящей из n-образцов, на вырыв из материала основания. Скорость нагружения анкера до момента его вырыва (или разрушения анкерного узла) составляет 1-3 мин;
2. Далее проводится обработка результатов испытаний на основе принятого нормального закона распределения случайных величин. Исследуемая величина усилия вырыва зависит от многих факторов, каждый из которых мало связан с большинством других (например, параметры размещения анкера по полю основания и характеристики самого основания). Поэтому принятый закон нормального распределения позволяет с достаточной степенью точности и надежности оценить величины предельных расчетных нагрузок и перемещений анкера.

Суть алгоритма определения рекомендуемых нагрузок на анкер и перемещений самого анкера состоит в том, что на основе использования кривой распределения Гаусса (рис. 1) по результатам теста на выдергивание значение характерного сопротивления(предельной нагрузки) определяется в соответствии с так называемым 5%-ным фрактилем. Это величина означает такое значение нагрузки, когда в 5% всех опытов разрушения анкерного узла происходят при нагрузке ниже этой величины, а в 95% испытаний разрушения происходят при нагрузке выше этой величины. Те же рассуждения относятся и к определению предельных перемещений анкера.

Чтобы определить предельные (характерные) значения нагрузок вырыва (или соответствующие им значения перемещений), 5%-ный фрактиль используется в качестве базовой величины чаще, чем средняя величина по результатам испытаний.

Рассмотрим конкретный пример определения значения расчетной нагрузки вырыва анкера по методике ETAG 001. По результатам испытаний на выдергивание пяти анкеров получены следующие характеристические (разрушающие) значения нагрузок вырыва:

Среднее значение нагрузок: 

Величина среднего квадратичного отклонения вычисляется по формуле:

 S=0,920.

Коэффициент вариации:

При этом:

где k = 3,401 при числе испытаний n= 5 (величины k для различных значений приведены в методике [2]).

Согласно методике [1] коэффициент k рассчитывается в соответствии со статистическими процедурами при достоверности 90%.

Таким образом, принимается, что разрушение анкеров происходит при нагрузке ниже F_rk =14,65 кН, а в 95% испытаний разрушение происходит при нагрузке выше указанной.

Далее определяется значение рекомендуемой (расчетной)нагрузки путем деления на коэффициент надежности по материалу:

 

 

Данная методика обработки результатов экспериментальных исследований соответствует современному уровню развития науки и при правильно выбранной методике испытаний обеспечивает надежные показатели, характеризующие работу анкерного крепежа.

Однако подходы к методам испытаний анкеров в ETAG 001 и в нормах РФ существенно различаются между собой в части, принятой в процессе испытаний скорости нагружения конструкций.

Вопрос о влиянии скорости нагружения конструкций на их прочность и несущую способность в России изучен достаточно подробно. Так, в работах исследователей [4, 5] установлено, что:

• уменьшение скорости нагружения железобетонных колонн в 15 раз привело к увеличению деформаций в 2-2,5 раза;
• предел прочности бетона при сжатии увеличивается с ростом скорости нагружения;
• при увеличении скорости нагружения с 0,1 кг / (см² · сек.) до 1,6 кг /(см² · сек.) значения модуля упругости возрастают в среднем в 1,9-2,2 раза;
• по данным [5] прочность бетона на сжатие (Rb)при ударе в зависимости от скорости нагружения превышает это значение на 10-85%.

Методы испытаний опытных образцов с целью определения прочностных характеристик (марки) материала конструкций и методы испытаний самих конструкций регламентируются различными нормативными документами. Так, при определении прочностных характеристик материала время испытаний образцов составляет:

• 20-60 сек — при оценке прочности кирпича (ГОСТ 8462-85);
• 90 сек — при оценке условного предела прочности древесины (ГОСТ 16483-70*);
• 10 Мпа/сек-при определении предела прочности арматурной стали при растяжении (ГОСТ 12004-81);
• 1 Мпа/сек — при определении марок раствора по прочности на сжатие (ГОСТ 5802-86);
• 1 Мпа/сек — при определении марки бетона по прочности на сжатие (ГОСТ 10180-2012).

В то же время методика испытаний конструкций, включенная в ГОСТ 8829- 94 «Изделия строительные железобетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности и трещиностойкости», устанавливает следующий алгоритм испытаний:

• нагрузка на конструкцию прикладывается ступенями, каждая из которых составляет ∼10% от контрольной нагрузки;
• на каждой ступени нагружения конструкция выдерживается под нагрузкой 5-10 мин;
• в начале и в конце каждого этапа нагружения с помощью измерительных приборов фиксируются деформации (перемещения) конструкции либо ее элементов.

Таблица 1. Результаты испытаний анкеров на вырыв из стеновых материалов по методикам ETAG 001 и ГОСТ 8829-84

Поскольку анкерный узел — составная часть конструкции, то мы считаем, что для оценки его несущей способности может быть использована только методика ГОСТ 8829-94 с обязательной выдержкой нагрузки на каждой ступени нагружения.

Сравнительный анализ результатов испытаний анкеров на вырыв с использованием методик ETAG 001 и ГОСТ 8829-94 позволяет отметить следующее:

1. Для анкеров, установленных в легкие и ячеистые бетоны, предлагаемая в ETAG 001 скорость нагружения приводит к значительному завышению величины как предельной (разрушающей) нагрузки, так и, соответственно, назначаемой из испытаний расчетной нагрузки вырыва на анкер. Это связано с тем, что методика ETAG 001 из-за значительной скорости нагружения не позволяет учесть эффект стабилизации усилий на каждом этапе нагружения. Как видно из графика на рис. 2, при испытании анкера марки КАТ N 10 х 160 (SORMAT), установленного в ячеистый бетон, значение разрушающей нагрузки при испытании по методике ETAG 001 на 22% выше значения разрушающей нагрузки, полученной при испытаниях по методике ГОСТ 8829-94;
2. В табл. 1 приведены результаты испытаний анкеров ведущих фирм- производителей анкерного крепежа на вырыв из различных стеновых материалов по методикам ETAG и ГОСТ. Анализ результатов испытаний анкеров, приведенных в табл. 1, позволяет отметить, что значения предельных разрушающих нагрузок, полученные по европейской методике испытаний (время испытаний — 1 мин), для отдель- ных материалов конструкций на 30-37% выше, чем результаты испытаний, полученные по методике ГОСТ. При этом (как видно из табл. 1), чем выше модуль упругости и плотность материала основания, тем меньше влияет скорость нагружения на величину разрушающей нагрузки. На рис. 3 приведены графики испытаний анкеров марки HRD 10 х 100 (HILTI), установленных в железобетонную панель, по указанным выше методикам;
3. Испытания анкеров зарубежными специалистами осуществляются в основном в лабораторных условиях с использованием ЭВМ и специального программного комплекса. Проведение испытаний в полевых условиях по методике ETAG 001 требует специальной аппаратуры, позволяющей автоматически измерять перемещения анкера в процессе его нагружения. Выполнить эти измерения с использованием механических приборов за интервал времени в одну минуту нереально. Без данных о перемещении анкера полученная информация недостоверна.

Анализ результатов испытаний анкеров на вырыв из различных материалов с использованием указанных выше методик ETAG и ГОСТ, а также большого объема экспериментальных исследований в части испытаний различных марок анкеров, установленных в стены из материалов с различными физико-механическими характеристиками, позволил рекомендовать следующую методику испытаний анкеров:

• испытания анкеров на вырыв должны проводиться по методике ГОСТ 8829-94;
• нагрузка на анкер прикладывается ступенями, каждая из которых не должна превышать 1 /10 от величины разрушающей нагрузки вырыва;
• на каждой ступени нагружения производится полная разгрузка анкера с фиксацией величины остаточных деформаций (перемещений) анкерного узла;
• последующий этап нагружения осуществляется до величины нагрузки P_i = Р_i-1 + ΔР с его разгрузкой. Такое поэтапное увеличение нагрузки осуществляется до тех пор, пока величины остаточных деформаций не превысят величины Δ = 0,1 мм либо величина нагрузки на данном шаге нагружения будет составлять N_i ≥ 0,5 х N_разр;

Принимаемое предельное значение перемещения анкера Δ = 0,1 мм обусловлено тем, что, поданным многочисленных экспериментальных исследований, это значение перемещения анкера соответствует двум параметрам:

• в случае применения анкеров с полиамидным или другим дюбелем это значение перемещения анкера соответствует полной величине обжатия головки обоймы анкера из полиамидного дюбеля. После этого смещения, как показывает эксперимент, анкер включается в работу на вырыв;
• в случае применения химических или стальных анкеров после достижения указанного значения остаточных деформаций дальнейшее увеличение нагрузки на анкер приводит к значительному росту остаточных деформаций (при разгрузке) и снижению жесткости (повышению деформативности) анкерного узла. В связи с этим после того, как указанный фактор будет в процессе разгрузки установлен, дальнейшее пошаговое нагружение анкера следует проводить без разгрузки до достижения предельного разрушающего усилия. На рис. 4 приведена схема испытания анкеров по описанной выше методике.

Динамический метод испытания анкеров на вырыв

Как известно, сейсмические воздействия относятся к динамическим и возникают в связи с движением основания сооружения во время землетрясений.

Сейсмометрический анализ характера различных землетрясений позволил многим исследователям констатировать, что регистрируемый с помощью сейсмографов процесс колебаний грунтового основания и сооружения содержит три основные фазы:

• начальная фаза — начальный отрезок записи, на котором фиксируются относительно небольшие амплитуды с высокой частотой колебаний;
• основная фаза — наиболее интенсивный по амплитудам колебаний участок, переход к которому явно выражен на акселерограмме. На этой фазе часто наблюдаются довольно разнообразные периоды колебаний и имеют место «пиковые» циклы, в несколько раз превышающие значения, например, в спектре ускорений. При этом наибольшие ускорения грунта и, соответственно, сооружения находятся в диапазоне короткопериодного спектра: от 0,1 до 0,5 сек. Внезапное изменение скорости от нуля до некоторого значения характеризует импульсный характер воздействия. Изменения скоростей весьма большие, т. е. это как бы разрывы скоростей, аналогичные колебаниям грунтов, вызываемых взрывом. При этом возникающие максимальные ускорения почвы до 0,4 g и более (до 1,0 g) соответствуют периодам 0,05 и 0,1 сек, что хорошо увязывается с понятием импульсивного (одно- и многоразового) источника воздействия;
• конечная фаза-участокзаписи,характеризуемый низкими периодами и малыми амплитудами колебаний. Эта часть сейсмограммы имеет наименьшее практическое значение. Однако любое сейсмическое воздействие не только циклично, но и характеризуется ударными толчками, которые для конструкции могут быть опаснее, чем плавно меняющиеся нагрузки.

Ударные нагрузки характеризуются главным импульсом и сравнительно непродолжительны. При ударных (импульсных) нагрузках затухание сказывается значительно меньше, чем при циклических (периодических или гармонических) нагрузках. Это связано с тем, что максимальное значение ответной реакции конструкции или сооружения достигается мгновенно, за более короткий промежуток времени, прежде чем силы затухания смогут поглотить значительную долю энергии, как это имеет место при циклическом сейсмическом воздействии.

В Центре исследования сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко на основе анализа отечественных и зарубежных работ по экспериментальным исследованиям сейсмостойкости конструкций предложена методика испытаний анкерного крепежа на действие динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия различной интенсивности, в том числе ударные воздействия.

Методика динамических испытаний анкеров включает в себя три этапа:

• на первом этапе проводятся статические испытания анкеров(не менее пяти образцов) на вырыв из стенового материала. По результатам статических испытаний устанавливается предельная разрушающая (ультимативная — по терминологии ETAG 001) нагрузка вырыва. Статические испытания проводятся по одной из указанных выше методик:
• на втором этапе проводятся динамические испытания анкеров на воздействия, характеризуемые следующими параметрами:
• частота изменения нагрузки варьируется в интервале 5-15 Гц;
• количество циклов нагружения варьируется в интервале 300-500 в мин;
• длительность динамического воздействия на образец — 30-40 сек;
• нагрузка на анкер изменяется в интервале от 2 kN до 0,7 х N_pa3p (при вырыве) и от 0,2 kN до 0,2 · V_pa3p (при срезе). Интервал нагрузок принят на основе рекомендаций профессора Rainera Mallee [3];
• на третьем этапе после завершения динамических испытаний проводятся статические испытания этих же анкеров на вырыв из стенового материала. По результатам этих испытаний проводятся сравнения величин предельных разрушающих нагрузок вырыва с полученными величинами на первом этапе испытаний.

Кроме этого, в ЦНИИСК на основе использования специальной виброплатформы с двумя степенями свободы (горизонтальной и вертикальной) проводится четвертый этап динамических испытаний на действие ударной нагрузки. К сожалению, для проведения испытаний по первым трем этапам требуется специальное экспериментальное динамическое оборудование, которое имеется в зарубежных научно-исследовательских центрах, а в России — только в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Авторы настоящей статьи отрабатывали данную методику динамических испытаний анкеров в Научно-исследовательском Центре компании FISCHER (Германия) и в Центре исследования фасадных конструкций (г. Дрезден, Германия).

Для испытаний анкерных устройств рекомендуем использовать измерители адгезии ПСО-10МГ4АД с измерением перемещения анкера и построением зависимости «Нагрузка-перемещение».

Выводы

1. Предложенная в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко методика статических испытаний анкеров на вырыв из различных стеновых материалов позволяет на основе имеющегося отечественного опыта испытаний конструкций более корректно учесть их физико-механические характеристики при определении расчетной несущей способности анкера, чем это сделано в европейских нормах ETAG 001.
2. Предложенная методика испытаний анкеров на действие динамической нагрузки, моделирующей сейсмические воздействия, позволяет повысить надежность конструкций и достоверность результатов эксперимента и приблизить их к реальной работе конструкций при землетрясениях.

А. В. Грановский, к. т. н.;

Д. А. Киселев, к. т. н.

(ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко)

Список литературы:

1. ETAG 001. Guideline for European Technical Approval of Metal Anchors for Use in Concrete. Brussels, 1997.
2. Owen D. Handbook of Statistical Tables. Изд.ком- панияЭдисон / Уесли. 1968.
3. Eligehausen R., Malle R., Silva J. Anchorage in Concrete Construction. Ernst & Sohn, Berlin, 2006.
4. Квирикадзе О. П. Влияние скорости нагружения на прочность и деформации бетонов. Тбилиси, 1958 г. 53 с.
5. Корчинский И. Л., Беченева Г. В. Прочность строительных материалов при динамических нагружениях. М.: Стройиздат, 1966.

 

Также читайте:

Оконная фурнитура | Двери межкомнатные | Деревянные окна | Фурнитура для межкомнатных дверей