• Главная
  • Статьи
  • Инновационные решения для эффективного армирования железобетонных конструкций

Инновационные решения для эффективного армирования железобетонных конструкций

Инновационные решения для эффективного армирования железобетонных конструкций
armirovanie

Статья из журнала "Жилищное строительство" №8, август, 2018,
Авторы: Тихонов И.Н., Блажко В.П,
Тихонов Г.И., Казарян В.А., Краковский М.Б., Цыба О. О.  

Приведены результаты сопоставительных расчетов длины анкеровки и нахлестки арматурных стержней, а также изгиба- емых железобетонных элементов по СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 52-01–2003» и СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции». Установлена необходимость увеличения армирования (до 40%) из-за измененных методов расчета в новом СП 63.13330.2012 по причине массового использования в строительстве, в настоящее время, арматуры с двухсторонним серповидным (европейским) профилем, взамен арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781–82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», применяемой ранее и имеющей лучшее сцепление с бетоном....

Прочитать статью

armirovanie

Статья из журнала "Жилищное строительство" №8, август, 2018,
Авторы: Тихонов И.Н., Блажко В.П,
Тихонов Г.И., Казарян В.А., Краковский М.Б., Цыба О. О.  

Приведены результаты сопоставительных расчетов длины анкеровки и нахлестки арматурных стержней, а также изгиба- емых железобетонных элементов по СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 52-01–2003» и СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции». Установлена необходимость увеличения армирования (до 40%) из-за измененных методов расчета в новом СП 63.13330.2012 по причине массового использования в строительстве, в настоящее время, арматуры с двухсторонним серповидным (европейским) профилем, взамен арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781–82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», применяемой ранее и имеющей лучшее сцепление с бетоном. Внедрение в массовое строительство новой эффективной арматуры с четырехсторонним (четырехрядным) периодическим, (в том числе винтовым) профилем поверх- ности, разработанным в России, позволит обеспечить высокую эффективность проектирования и строительства из железобетона, а также повысить конкурентоспособность и экспортные возможности отечественного арматурного проката.

Железобетон состоит их двух основных компонентов – бетона и арматуры.

Стоимость этих составляющих в кубическом метре железобетонных конструкций в настоящее время примерно одинакова. Следовательно, уменьшение армирования приведет к значительному снижению стоимости железобетона и строительства в целом.

Наиболее эффективным путем снижения армирования является применение арматуры с высокой прочностью.

В последнее время в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева с целью снижения армирования ненапряженного железобетона выполнялись исследования по оценке эффективности использования арматуры классов А500, А600 и В500 в сжатых и изгибаемых элементах взамен арматуры класса А400 (А-III) массово применяемой ранее при проектировании по СНиП 2.03.01–84* «Бетонные и железобетонные конструкции».

В СНиП 52-1–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» и его актуализированной редакции СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. В актуализированную редакцию СНиП 52-01–2003» введены для проектирования механические характеристики арматуры классов А500, А600 и В500.

В настоящее время практически все железобетонные конструкции гражданского и промышленного строительства проектируются по СП 63.13330.2012 и производятся с использованием арматуры класса А500 вместо А400, что дает снижение армирования в сжатых элементах до 20%.

Результаты расчетов изгибаемых элементов по старому СНиП и новому СП показывают, что в обоих случаях переход с использования арматуры класса А400 на А500 с целью уменьшения расхода арматуры целесообразен (табл. 1). Однако эффективность замены по расчетам СП 63.13330.2012 несколько ниже. Так, в приведенных примерах No 1, 2 и 4 эффективность замены А400 на А500 по старому СНиП составила соответственно 14,2%, 38% и 11,3%, а по новому СП 11%, 20% и 11,3%.

В рассмотренных достаточно простых примерах No 1, 2 и 4, в которых расчет прочности по новому СП выполнялся по деформационной модели, а по старому СНиП по предельным усилиям, армирование, необходимое для обеспечения несущей способности, было практически одинаковым.

Однако, в примерах No 1 и 4 при расчетах по новому СП оказалось, что армирования определенного по прочности не достаточно для выполнения условий по предельной ширине раскрытия трещин. Для выполнения этого условия потребовалось дополнительное армирование, что и объясняет снижение в этом случае эффективности замены арматуры класса А400 на А500С.

По приведенным результатам расчета видно, что для выполнения требований по предельной ширине раскрытия трещин по СП 63.13330.2012 следует увеличить армирование относительно СНиП 2.03.01–84* при арматуре класса А400 и А500, соответственно, в примере No 1 на 31% и 36%, примере No 4 на 13% и 12,7%, примере No 2 только при армировании классом А500С на 29%.

В табл. 2 показаны результаты сопоставления расчетов, касающихся анкерующей способности арматуры. В приведенных случаях видно, что выполнение требований нового СП приводит к увеличению длин анкеровки и нахлестки стержней относительно СНиП 2.03.01–84* на 26–50%.

Полученные результаты можно объяснить принятой новой методикой расчета для определения ширины раскрытия трещин и длины анкеровки и нахлестки арматуры в СП 63.13330.2012. 

Новые расчетные предложения были сделаны с целью обеспечения необходимой безопасности проектирования и унификации отечественных норм с евронормами в результате перехода металлургической промышленностью России, в основном из-за требований экспортных поставок, на производство арматурного проката с так называемым двухсторонним серповидным (европейским) профилем поверхности.

По материалам, приведенным в табл. 2 видно, что даже увеличенные по СП 63.13330.2012 длины анкеровки и нахлестки стержней ниже полученных по требованиям ЕN на 11,1 и 28,8% соответственно. Это говорит о недостаточной надежности результатов расчета по СП и необходимости принятия специальных технических решений.

Экспериментальными исследованиями, выполненными в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и в других отечественных и зарубежных организациях убедительно подтверждена более низкая эффективность сцепления «европейской» арматуры относительно отечественной арматуры с кольцевым профилем по ГОСТ 5781–82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций», используемой в опытах для обоснования положений СНиП 2.03.01–84* (рис. 1, а–б) [1–8].

Таким образом в результате внесенных изменений в новый СП 63.13330.2012, эффективность применения арматуры класса А500, а тем более класса А600, значительно снизилась (табл. 1), что не способствует их массовому использованию при производстве железобетонных конструкций.

Есть два пути повышения эффективности применения арматуры классов А500 и А600.

Первый – это внесение в нормы увеличенной допускаемой ширины раскрытия трещин, которое возможно только при увеличении коррозионной стойкости арматуры путем введения в химический состав дорогостоящих добавок (марганца, необия, ванадия, титана и т. п.). Удорожание арматуры в этом случае не компенсируется за счет уменьшения армирования. При этом прогибы конструкции при эксплуатационных нагрузках еще более увеличиваются и могут значительно превысить допускаемые величины.

tipy-periodicheskogo-prof
Рис. 1. Основные типы периодического профиля: а – кольцевой (ГОСТ 5781–82) fR≥0,10 (не нормируется); б – двухсторонний серповидный (СТО АСЧМ 7-93 «Прокат арматурный периодического профиля" ) fR≥0,056; в – четырехсторонний серповидный (ТУ 14-1-5526–2006 «Прокат арматурный класса А500СП с эффективным периодическим профилем») fR≥0,075; г – универсальный профиль (ТУ 0950-007-83936644–2018)

Сравнительный анализ результатов расчетов железобетонных элементов по СНиН 2.03.01–84 и СП63.13330.2013 по прочности, раскрытию трещин и деформациям*

Таблица 1

sravnitelnyj-analiz 

Второй – это увеличение эффективности сцепления арматуры с бетоном за счет изменения профиля ее поверхности. Эффективность этого пути установлена исследованиями НИИЖБ, выполненными еще под руководством А.А. Гвоздева, а также в более позднее время [1, 3, 5, 6, 8].

В 2003–2004 гг. в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева был разработан профиль с условным названием «четырехсторонний (четырехрядный) серповидный» (рис. 1, в), который объединил в себе положительные особенности как кольцевого, так и двухстороннего серповидного профилей, и имеет оценочные показатели по эффективности сцепления с бетоном даже более высокие, чем у всех профилей известных видов [5, 6, 8].

До настоящего времени влияние вида профиля и его геометрических характеристик (fR) на поведение сцепления с бетоном после достижения пластических деформаций в арматуре очень мало исследовано [9].

Выполненные в НИИЖБ исследования выявили способ- ность при вытягивании из бетона стержней класса прочности А500СП с новым четырехсторонним серповидным профилем сохранять прочность сцепления даже при очень больших (до 10%) пластических деформациях стержней при растягивающих напряжениях на уровне и выше предела текучести. Экспериментально установлено, что данный показатель в 4–5 раз выше аналогичных показателей у двухстороннего и кольцевого профилей, что дает основание сделать вывод о низкой распорности четырехстороннего серповидного профиля арматуры и его высокой энерго- емкости сцепления с бетоном.

srednyaya-shirina-raskryt
Рис. 2. Средняя ширина раскрытия трещин в бетоне образцов, армированных стержнями с различным периодическим профи- лем, при центральном растяжении [6]: – с серповидным про- филем (fR=0,057); – с четырехсторонним профилем (fR=0,075); – с кольцевым профилем (fR=0,12); – с гладким профилем; –––– – по СП 52-101–2003 с учетом коэффициента φ2

Данный показатель во многом обеспечивает стойкость конструкций зданий и сооружений против прогрессирующего обрушения в условиях запредельной (катастрофической) стадии сопротивления внешним воздействиям так как способствует более надежной работе анкерующих участков и нахлесточных соединений арматуры, а также перераспределению усилий в статически неопределимых системах и диссипации (рассеянию) энергии при однократном кратковременном и циклическом динамическом нагружении [10].

Выборочные результаты сопоставительного анализа рекомендаций нормативных документов для сочетания:
бетон В25; арматура А500; растянутые стержни; нагрузки продолжительного действия

Таблица 2

vyborochnye-rezultaty

Арматура класса А500СП с четырехсторонним серповидным профилем с 2005 г. массово производится «Евраз ЗСМК» по ТУ 14-1-5526–2006 и применяется в строительстве по СТО 36554501-005–2006* «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях». Объем произведенной арматуры класса А500СП превысил к 2018 г. 3,5 млн т. Экспериментальные исследования и многолетний опыт эксплуатации железобетонных конструкций с использованием арматуры класса А500СП позволили дать высокую оценку их трещиностойкости и деформативности [5, 6]. В действующих СП 63.13330.2012 ширина раскрытия трещин определяется из уравнения:

formula

В этом выражении коэффициент φ2 учитывает влияние профиля арматуры на величину раскрытия трещин в бетоне и принимается равным φ2=0,5 для арматуры периодического профиля и φ2=0,8 для гладкой арматуры.

На основании результатов многочисленных исследований установлено, что для арматуры с четырехсторонним профилем класса А500СП коэффициент φ2 можно принимать равным 0,35 (рис. 2). Это было учтено в СТО 36554501-005–2006* в формуле для расчета ширины раскрытия трещин.

Результаты расчета железобетонных конструкций с использованием арматуры класса А500СП и выполнением требований СТО 36554501-005–2006* приведены в табл. 1. Эффективность применения арматуры класса прочности А500СП взамен А400 и А500С очевидна.

Установленные преимущества арматуры класса А500СП позволили рекомендовать ее в СТО 365545501-016–2009 «Строительство в сейсмических районах» для предпочтительного использования в сейсмостойком строительстве. Арматура класса А500СП применялась при проектировании и строительстве Олимпийских объектов и реконструкции морского порта г. Сочи, в высотном монолитном и сборном строительстве Москвы, Санкт-Петербурга, городов Поволжья, Сибири, Дальнего Востока, Астаны и Алматы (Казахстан), а также стартового комплекса «Космодрома «Восточный», атомной электростанции «Воронежская» и многих других объектов промышленного и гражданского строительства России.

Переработка более 26 типовых проектов сборных железобетонных конструкций, а также серии панельных домов И-155 и каркасных зданий 1.020 и ИИ-04 с заменой арматуры А400 на А500СП позволило обеспечить экономию арматуры от 5 до 25%.

В то же время, конструкция четырехстороннего серповидного профиля арматуры класса А500СП не позволяет повысить ее динамические характеристики из-за наличия продольных ребер и пересечений их с половиной поперечных ребер (рис. 1, в).

Для решения данного вопроса была разработана новая модификация конструкции четырехстороннего серповидного профиля, позволившая исключить продольные ребра арматуры и осуществить прерывистое равномерное по поверхности, четырехстороннее и спиралеобразное расположение серповидных поперечных ребер, теоретически обоснованное как оптимальное в работе [11] (рис. 1, г).

vidy-soedinenij-armaturny

Рис. 3. Виды соединений арматурных стержней: а – сварные соединения с несъемными накладками; б, в, г – обжимные муфтовые соединения; д, е, ж, з – резьбовые муфтовые соединения; и – контактные муфтовые соединения; к – анкерные соединения крепежа щитов опалубки

Стоимость стыков внахлестку из арматуры А500С и с применением муфт и арматуры Ав500П, р

Таблица 3

stoimost-stykov

Замена растянутой и сжатой рабочей арматуры классов А400С и А400 (А-ІІІ) на арматуру класса В500 без перепроектирования железобетонных конструкций*

Таблица 4

zamena-rastyanutoj

Одним из преимуществ данной конструкции профиля арматуры, значительно упрощающем внедрение, является возможность ее прокатки по традиционной двухвалковой технологии.

При прокатке этого вида арматуры в обычных чистовых клетях без синхронизации валков, ее себестоимость не будет превышать себестоимость обычного проката. Когда выполняется синхронизация валков новая конструкция четырехстороннего профиля позволяет образовать поперечными ребрами на поверхности стержня двухзаходную винтовую резьбу и таким образом обеспечить производство винтового арматурного проката новой модификации. В этом случае себестоимость арматуры может несколько увеличиться, но также значительно увеличивается и ее рыночная стоимость из-за дополнительных потребительских качеств присущих винтовой арматуре.

Ожидается, что новый арматурный прокат будет успешно конкурировать со всеми известными видами обычного и винтового арматурного проката так как:

1. Изготавливается по традиционной технологии двухвалковой прокатки с возможностью производства на одних валках обычной и винтовой арматуры.

2. Обладает улучшенным сцеплением с бетоном в эксплуатационной и запредельной стадиях сопротивления внешним воздействиям, в том числе сейсмическом, из-за низкой распорности присущей арматуре с четырехсторонним серповидным профилем, и высокого Критерия Рема что позволяет обеспечить выполнение требований второго предельного состояния СНиП по ширине раскрытия трещин и прогибам для железобетонных конструкций с арматурой классов прочности А500 и А600.

3. Имеет более высокую выносливость при импульсивных динамических нагрузках чем известные виды арматуры, в результате спиралеобразного, прерывистого и равномерного расположения серповидных поперечных ребер по поверхности стержня, а также отсутствия продольных ребер.

4. Универсален, так как может быть эффективно применен для армирования всех видов ненапряженного и напряженного железобетона, в том числе, с заменой нахлесточных, сварных, а также, известных безсварных механических (муфтовых) обжимных и резьбовых соединений, используемых в строительстве и в областях традиционного применения винтовой арматуры (грунтовые анкера, тяжи, крепеж опалубки и т. п.) (рис. 3).

5. Обладает всеми признаками инновационной разработки, отвечающей современным требованиям Правительства РФ к отечественному промышленному комплексу по развитию передовых прорывных технологий и материалов для повышения эффективности народного хозяйства, импортозамещения и улучшения экспортных возможностей отечественного продукта.

6. Отвечает основным требованиям отечественных и зарубежных нормативных стандартов, а также рекомендациям теоретических и практических научных разработок и исследований в данной области.

Опытные партии арматуры с новым профилем, прокатанные на «ЕВРАЗ ЗСМК» г. Новокузнецк, позволили сделать заключение о технологичности ее производства на стандартном прокатном оборудовании.

Результатом сертификационных испытаний арматуры класса прочности 500 МПа с новым профилем (Ав500П) позволили высоко оценить ее технические характеристики и подтвердить возможность эффективного использования в качестве обычной и винтовой арматуры. Арматура с новым профилем класса Ав500П успешно выдержала испытания на выносливость по стандартной методике, что позволяет рекомендовать ее для широкомасштабного использования в железобетонных конструкциях, эксплуатируемых при динамических воздействиях.

Новый арматурный прокат способен обеспечить импортозамещение на внутреннем рынке и составить конкуренцию на внешних рынках дорогостоящей винтовой арматуре фирмы «Dywidag» (рис. 3, к).

Он найдет массовое применение в любых обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкциях с целью обеспечения их повышенной безопасности и получения большого технологического и экономического эффекта, в том числе на объектах высотного, атомно-энергетического, транспортного, оборонного и сейсмостойкого строительства, а также везде, где рекомендуется использование винтовой арматуры и механических муфтовых соединений стержней вместо сварных и нахлесточных.

Массовое производство и применение нового арматурного проката с четырехсторонним расположением поперечных ребер классов Ав500П и Ав600П, при соответствующей корректировке нормативных документов для проектирования, позволит значительно повысить эффективность строительства из железобетона и снизать его стоимость, в том числе за счет механической (муфтовой) стыковки арматуры вместо стыковки внахлестку (табл. 3) и электродуговой сваркой.

В последнее время большое внимание уделяется использованию в строительстве холоднодеформируемой арматуры (ХДА) (табл. 4).

Технология ее изготовления в мотках позволяет осуществлять безотходное производство арматурных изделий (сеток, каркасов), как на заводах ЖБИ, так и в цехах металлосервисных центров и на арматурных участках строительных площадок. Данная арматура может производиться классом прочности В500 диаметром до 16 мм. Широкому распространению (ХДА) способствует возможность ее производства на оборудовании, смонтированном на базах региональных металлосервисных центров, что значительно укорачивает сроки и уменьшает стоимость доставки ее потребителю. Отсутствие окалины, возможность производства арматуры с промежуточными диаметрами и ее использование здесь же при производстве арматурной продукции (сеток, каркасов и др.), также способствуют распространению (ХДА) (табл. 4).

Исследованиями, выполненными в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева установлена возможность использования для (ХДА) одинакового расчетного сопротивления при растяжении и сжатии как у арматуры класса А500 [7]. В этом случае, эффективность применения (ХДА) класса В500 взамен А400 6, 12, 14 мм при растяжении, приведенная в табл. 4 может быть распространена и на сжатые железобетонные элементы.

После внесения соответствующих коррективов в нормативную базу для проектирования и в результате вышеприведенных преимуществ ХДА, значительно увеличатся объемы и эффективность ее применения в строительстве.

Выводы

Замена металлургами России производства арматурного проката с кольцевым периодическим профилем по ГОСТ 5781–82 (рис. 1, а) на двухсторонний серповидный по СТО АСЧМ 7-93 (рис. 1, б) привел к необходимости изменения методик расчета в СНиП 52-1–2003 (СП 63.13330) длины анкеровки и нахлестки арматуры, а также ширины раскрытия трещин в железобетоне. Это привело к значительному (до 40%) перерасходу арматуры и удорожанию строительства.

Внедрение новых инновационных разработок и исследований по созданию арматуры с эффективным четырехсторонним периодическим (в том числе винтовым) профилем и холоднодеформированной арматуры (ХДА) позволит обеспечить высокую эффективность проектирования и строительства из железобетона, а также повысить конкурентоспособность и экспортные возможности отечественного арматурного проката.

Назад

Адрес: 117218, г. Москва, ул. Кржижановского, д. 29, корп. 2
E-mail: info@stroyanker.ru
Телефоны: +7 (499) 753-33-29