Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований 18
1.1 Обоснование темы исследований 18
1.2 Механические свойства арматуры с различными видами профиля 25
1.3 Изменение механических свойств арматуры и бетона при кратковременном динамическом нагружении 31
1.4 Сцепление арматуры с бетоном 38
1.4.1 Взаимодействие арматурного стержня с бетоном и причины разрушения сцепления 39
1.4.2 Конструктивные требования к геометрическим параметрам и свойствам эффективного периодического профиля арматурного проката 51
1.4.3 Влияние на сцепление характера нагружения 65
1.5 Исследования прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов с различными видами арматуры 68
1.6 Поведение железобетонных элементов при однократном динамическом нагружении 75
1.7 Анализ нормативных требований по учету свойств арматурного проката при проектировании железобетонных конструкций 82
1.8 Требования к армированию, конструктивным решениям и расчету несущих элементов каркасных зданий в целях предотвращения их прогрессирующего обрушения 88
1.9 Предельные состояния железобетонных конструкций при аварийных динамических нагрузках 101
1.10 Выводы и задачи исследований 111
ГЛАВА 2 Исследования и разработка новых видов арматуры для эффективного армирования железобетонных конструкций 115
2.1 Исследования механических свойств и особенностей деформирования арматуры классов А600 -А1200 при растяжении и сжатии статической и однократной динамической нагрузкой 116
2.2 Разработка конструкции периодического профиля для эффективного арматурного проката 125
2.2.1 Механические свойства арматуры с новым серповидным четырехсторонним профилем 131
2.2.2 Прочность и жесткость сцепления с бетоном арматуры с различными видами профиля 134
2.2.3 Влияние вида профиля арматуры на трещиностойкость и деформативность железобетона при растяжении 157
2.3 Разработка арматурного проката поставляемого в мотках (бунтах) класса А500 и В500 159
2.4 Выводы 170
ГЛАВА 3 Исследования влияния свойств арматурного проката на несущую способность, трещиностойкость и деформативность железобетонных конструкций в стадии близкой к разрушению при различных видах нагружения 175
3.1 Сжатые элементы при статических и однократных динамических нагрузках 175
3.1.1 Задачи исследований и методика испытаний 175
3.1.2. Прочность и деформативность стоек при сжатии близком к центральному 180
3.1.3 Прочность и деформативность при внецентренном сжатии 205
3.1.4 Расчет прочности внецентренно сжатых элементов
при однократных динамических нагрузках 221
3.1.5 Выводы 235
3.2 Изгибаемые балочные элементы 237
3.2.1 Балки с арматурой разной прочности при кратковременных и длительных статических нагрузках, в том числе при наличии распора 251
3.2.2 Балки с арматурой разного профиля поверхности (А500С и А500СП) при кратковременном нагружении 259
3.2.2.1 Разрушение по нормальному сечению 259
3.2.2.2 Разрушение по наклонному сечению 275
3.2.3 Выводы 292
ГЛАВА 4 Предложения по расчету прочности железобетонных элементов монолитных каркасных зданий с целью предотвращения прогрессирующего обрушения 296
4.1 Методика расчета прочности балок 296
4.2 Пример расчета 300
4.3 Методика комплексного нелинейного расчета железобетонных конструкций каркасных зданий на статические и аварийные, в том числе динамические нагрузки с целью предотвращения прогрессирующего обрушения 305
4.4 Пример расчета 316
ГЛАВА 5 Внедрение в практику нормирования, проектирования и строительства результатов исследований, их технико-экономическая эффективность и перспективы дальнейшего использования 319
Заключение 329
Список условных обозначений 338
Список литературы
- Изменение механических свойств арматуры и бетона при кратковременном динамическом нагружении
- Разработка конструкции периодического профиля для эффективного арматурного проката
- Задачи исследований и методика испытаний
- Методика комплексного нелинейного расчета железобетонных конструкций каркасных зданий на статические и аварийные, в том числе динамические нагрузки с целью предотвращения прогрессирующего обрушения
Введение к работе
Актуальность проблемы. После распада СССР в производстве и применении строительного арматурного проката для железобетона в России по ряду объективных причин назрели кардинальные перемены.
Практически одновременно металлургами решались задачи:
- освоения массового производства термомеханически упрочненного
арматурного проката из недорогих марок стали СтЗ и 28С взамен легированных
марок 35ГС, 25Г2С и других по ГОСТ 5781;
внедрения высокопроизводительных технологий непрерывной разливки сталей и продольного разделения заготовок в процессе проката (слиттинг-процесс);
производства, вместо кольцевого профиля по ГОСТ 5781, серповидного двухстороннего (европейского) профиля арматуры, удовлетворяющего требованиям стандартов основных развитых европейских стран.
Все изменения выполнялись с одновременным производством и поставкой нового арматурного проката на стройки России и стран СНГ.
В этих условиях строительной науке было необходимо обеспечить безопасность и экономическую эффективность строительства и особенно нового в условиях России массового монолитного домостроения.
За последние десятилетия проблемы безопасности зданий и сооружений обострились также внешней террористической угрозой и участившимися природными, производственными и бытовыми экстримальными ситуациями, которые за рубежом учитываются при проектировании выполнением расчетных и конструктивных требований по предотвращению прогрессирующего обрушения конструкций.
Массовое применение новых видов арматурного проката в железобетонных конструкциях требует повышенного внимания при строительстве зданий и сооружений высокого уровня ответственности и особенно при проектировании с учетом воздействия особых нагрузок.
При динамическом характере этих нагрузок (взрывы, удары, сейсмические воздействия) в конструкциях могут быть достигнуты значения усилий, превышающие предусмотренные статическим расчетом, и тогда опасность прогрессирующего обрушения зданий значительно увеличивается.
Анализ причин катастрофических прогрессирующих разрушений несущих частей зданий после завершения строительства показывает, что принятые, на основе современных нормативных требований, конструктивные решения, в первую очередь касающиеся армирования, недостаточно надежны и требуют переоценки (рисунок 1).
a)
б)
/1
Рисунок 1 - Последствия прогрессирующего обрушения
железобетонных монолитных конструкций зданий:
а - подземной автостоянки в г. Москве; б - бассейна в г. Краснодаре
Таким образом^ исследования по разработке и экспериментальной оценке эффективности арматурного проката, конструктивных решений, методик расчета и принципов конструирования армирования с целью использования при проектировании для обеспечения безопасности зданий и сооружений из железобетона при разных видах силового воздействия являются актуальными.
Цель работы: разработка комплекса решений для эффективного армирования железобетонных конструкций зданий, обеспечивающих их безопасность при воздействии особых нагрузок.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
1 Оценка потребительских свойств массово производимого металлургичес
кой промышленностью по новым технологиям арматурного проката, в том числе на
предмет эффективности использования в железобетонных конструкциях зданий,
проектируемых с учетом воздействия особых нагрузок.
-
Разработка, исследования и внедрение в практику производства, проектирования и строительства новых видов стальной арматуры, обладающих высокой прочностью, деформативностью и надежным сцеплением с бетоном в запредельных стадиях, близких к разрушению^при различных видах нагружения.
-
Исследования и сопоставительный анализ несущей способности и деформативности сжатых железобетонных элементов с арматурой разной прочности при статическом и кратковременном динамическом нагружении.
4 Исследования прочности, трещиностойкости и деформативности
изгибаемых железобетонных элементов с арматурой, отличающейся прочностью,
деформативностью и сцеплением с бетоном; оценка влияния длительного
предварительного нагружения, усилий от распора и последствий разгружения
конструкций после их деформирования в пластической стадии.
5 Разработка инженерных методов расчета прочности сжатых и изгибаемых
железобетонных конструкций зданий с учетом механических свойств арматуры,
эффективности ее сцепления с бетоном и влияния усилий от распора с целью
предотвращения прогрессирующего обрушения при воздействии особых нагрузок.
-
Разработка рекомендаций по конструктивным решениям армирования железобетонных конструкций зданий, имеющим целью предотвращение прогрессирующего обрушения.
-
Внедрение в практику нормирования, проектирования и строительства результатов опытных и теоретических исследований.
Научную новизну работы составляют:
результаты исследований новых видов арматурных сталей разной прочности и с разными профилями поверхности при растяжении и сжатии статическими и однократными динамическими нагрузками, а также влияния на их прочностные и деформативные свойства эффекта Баушингера;
предложения по нормированию предельных деформаций и значений коэффициента динамического упрочнения арматуры разных классов при
растяжении и сжатии;
разработка нового вида периодического профиля арматуры, обуславливающего высокую энергоемкость сцепления с бетоном при деформировании после достижения предела текучести;
результаты исследований совместной работы с бетоном новых видов арматуры с разной прочностью и геометрией периодического профиля, с оценкой влияния этих факторов на прочность, трещиностойкость и деформативность железобетона, а также на энергоемкость сцепления с бетоном в запредельной стадии деформирования;
экспериментальные данные о влиянии прочностных и деформативных характеристик арматуры на несущую способность сжатых железобетонных элементов при статическом и кратковременном динамическом нагружении, а также прочности арматуры, эффективности сцепления с бетоном периодического профиля стержней, величины длительного предварительного нагружения и усилий от распора на прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов;
- предложения к расчету по предельным состояниям, армированию сжатых и
изгибаемых железобетонных элементов, учитывающие характеристики
пластичности арматуры и её сцепления с бетоном, а также влияние усилий от
распора, при статических и кратковременных динамических нагружениях,
направленные на предотвращение прогрессирующего обрушения конструкций;
предложения по методике комплексной расчетной оценки несущей способности и стойкости против прогрессирующего обрушения монолитных железобетонных конструкций каркасных зданий при статических и кратковременных динамических нагрузках посредством использования компьютерных программ для нелинейного расчета, учитывающих пластическое деформирование арматуры разной прочности;
рекомендации по конструированию армирования железобетонных конструкций, проектируемых с учетом воздействия особых нагрузок.
Практическое значение работы, внедрение и достоверность результатов
Арматурная сталь класса А500СП с эффективным периодическим профилем поверхности (профиль НИИЖБ) успешно освоена в металлургическом производстве и использована в строительстве 2006-^2015 годов в объеме превышающем 2,5 миллиона тонн.
Переработано под руководством автора более 26 наименований серий типовой проектной документации для применения арматуры класса А500СП и В500 взамен арматуры класса А400 (А-Ш), что позволило обеспечить экономию металлопроката в железобетонных конструкциях до 28%.
Сформулированы расчетные и конструктивные предпосылки проектирования железобетонных конструкций зданий с целью предотвращения прогрессирующего обрушения, в том числе с учетом воздействия аварийных
7 кратковременных динамических нагрузок. Ряд предложений по расчету, конструированию и применению арматуры в железобетонных конструкциях были учтены при составлении СП 63.13330.2012 и СП 14.13330.2011 (актуализированных редакций СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» и СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах»), СП 52-103-2007 «Железобетонные монолитные конструкции зданий», СП 28.13330.2012 «Защита строительных конструкций от коррозии», СТО 36554501-005-2006 «Применение арматуры класса А500СП в железобетонных конструкциях» и СТО 36554501-016-2009 «Строительство в сейсмических районах».
Разработано в 2007 году пособие по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий». Оно широко используется проектировщиками, а также в учебном процессе строительных специальностей ВУЗов.
Издана в 2015 году книга «Проектирование армирования железобетона», где отражены последние достижения в нормировании и конструировании армирования, в том числе эффективным арматурным прокатом классов А500СП и В500, а также приведены авторские методики расчета железобетонных конструкций зданий, рекомендуемые для проектирования с целью предохранения от прогрессирующего обрушения при воздействии особых нагрузок.
Результаты исследований и практические рекомендации автора
использовались при разработке технической документации, освоении производства
и внедрении в строительство термомеханически упрочненного арматурного
проката, изготавливаемого по современной высокопроизводительной технологии
непрерывной разливки стали и с использованием «слиттинг-процесса», классов
А400, А500, А600 (Ат-IVC), А800 (Ат-V), А1000 (Ат-VI), а также
холоднодеформированной арматуры классов В400 и В500 с разными видами
периодического профиля и с промежуточными размерами сортамента,
выпускаемых Белорусским (РУП «БМЗ»), Молдавским (ММЗ), Нижнесергинским
(НСММЗ), Березовским (БЭМЗ), Белорецким (БМК), Ростовским (РЭМЗ), Западно
сибирским (ОАО «Евраз - Объединенный ЗСМК»), Криворожским(Арселор
Миттал Кривой рог), Череповецким (ЧерМК), Челябинским (ЧМК) и другими
металлургическими предприятиями. Материалы диссертации использованы при
составлении рекомендаций по применению эффективного
холоднодеформированного арматурного проката совместно с арматурой класса А500СП в унифицированных арматурных изделиях (сетках, каркасах) для ведущих предприятий по переработке арматурного проката таких как ДиПОС (Москва), ЕВРАЗ Металл Инпром (Москва), Л енстрой деталь (Санкт-Петербург), Центрметалл (Ижевск), Мечел-Сервис (Москва), Хромбур (Москва) и др.
Массовое внедрение термомеханически упрочненного арматурного проката из марок СтЗ и 28С при производстве железобетонных конструкций взамен арматуры из легированных марок сталей 35ЕС, 25Е2С с повышением прочности арматуры позволило значительно снизить себестоимость железобетона и имело
8 большое народохозяйственное значение. Эти работы были отмечены в 1998 и 2006 годах Премиями Правительства Российской Федерации в области науки и техники.
Наиболее успешно зарекомендовал себя опыт массового внедрения арматуры класса А500СП и холоднодеформированной арматуры класса В500, в том числе с промежуточными диаметрами, в серии панельных домов И-155 (экономия арматуры до 15%) и на строительных объектах Чувашии, Удмуртии, Татарстана, Сибири и Дальнего Востока. Арматура класса А500СП использована при проектировании и строительстве Олимпийских объектов и реконструкции морского порта г. Сочи, в высотном монолитном и сборном строительстве городов Москвы, Санкт-Петербурга, Астаны и Алматы (Казахстан), а также стартового комплекса «Космодрома «Восточный», атомной электростанции «Воронежская» и многих других объектов промышленного и гражданского строительства России.
Предложенная методика расчета была применена для оценки несущей способности при аварийных нагружениях и устойчивости против прогрессирующего разрушения железобетонных колонн и длинномерных (до 32 м) балок без предварительного напряжения ТРМК «МореМолл» в г.Сочи площадью 165 тысяч м2, а также несущего остова здания «Президент-Отель» в г.Москве и других зданий с монолитным железобетонным каркасом.
Результаты исследований и расчетные предпосылки базируются на классических положениях сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, строительной механики и подтверждены испытаниями опытных образцов и конструкций с использованием автором известных и новых методик.
Достоверность результатов исследовательской части работы аргументируется использованием оборудования, методик и приборов принятых в НИИЖБ им. А.А.Гвоздева и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, являющихся головными организациями в области исследований строительных материалов и конструкций.
Автор защищает:
-
Опытно-теоретические разработки по обоснованию механических свойств и профиля поверхности арматуры для обеспечения ее эффективной работы в железобетонных конструкциях на стадиях, близких к разрушению (диаграммы деформирования, форма профиля и его геометрические параметры).
-
Новый серповидный, четырехсторонний, эффективный по сцеплению с бетоном профиль арматурного проката, запатентованный в России (А500СП) и ряде зарубежных стран.
-
Результаты исследований:
диаграмм растяжения и сжатия, прочностных и деформативных характеристик арматуры разных классов при статических и однократных динамических нагрузках, влияния на них эффекта Баушингера;
прочности, деформативности и энергоемкости сцепления с бетоном арматуры разных классов, диаметров и профилей поверхности в эксплуатационной стадии и стадии, близкой к разрушению;
- влияния геометрии профиля поверхности арматуры на трещиностойкость
железобетона;
- несущей способности и деформативности железобетонных сжатых
элементов с арматурой разной прочности при статическом и кратковременном
динамическом нагружении;
несущей способности изгибаемых железобетонных элементов с арматурой разной прочности при кратковременном нагружении, а также после длительного действия нагрузки и при наличии усилий от распора;
прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов, армированных стержнями класса А500 с различными видами периодического профиля.
4 Предложения для использования в практике проектирования:
- по значениям коэффициентов динамического упрочнения арматуры классов
А400-А1200 при сжатии, а также бетона при сжатии в зависимости от наличия и
механических свойств сжатой арматуры внецентренно сжатых и изгибаемых
железобетонных элементов;
конструированию и армированию железобетонных элементов, направленные на предотвращение прогрессирующего разрушения при аварийных динамических нагрузках;
уточнению расчета длины анкеровки арматуры в бетоне и ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций в зависимости от эффективности сцепления арматуры с бетоном;
принципиальным основам расчета прочности сжатых и изгибаемых железобетонных элементов, в том числе с учетом усилий от распора при статических и кратковременных динамических нагрузках в целях предотвращения их прогрессирующего разрушения и оптимизации армирования;
- методике комплексного расчета железобетонных конструкций перекрытий
монолитных каркасных зданий на статические и аварийные, в том числе
динамические, нагрузки с использованием компьютерных программ для
нелинейного расчета, учитывающих пластическое деформирование арматуры
разной прочности, с целью исключения прогрессирующего обрушения и
оптимизации армирования;
5 Нормативную, справочную и проектную документацию для армирования и
применения железобетонных конструкций, разработанную с использованием
эффективного арматурного проката классов А500СП и В500.
Личный вклад соискателя
Диссертационная работа основывается на технических идеях, экспериментальных и теоретических исследованиях автора, а также на экспериментальных исследованиях И.П. Саврасова, О.О. Цыбы, А.А. Квасникова, ВА.Казаряна, X. Якуба, выполненных под руководством и с участием автора в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева.
10 Апробация результатов диссертации
Основные результаты и рекомендации, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:
- на II и III Всероссийских (международных) конференциях по бетону и
железобетону (Москва, 2005 и 2014г.г.);
- на конференциях (с международным участием) по сейсмостойкому
строительству (Сочи, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015 гг.);
- на конференциях и семинарах по тематике производства и применения
арматурного проката, проводимых в рамках ежегодных Международных
промышленных выставок «Металл-Экспо» (Москва, 2005-К2015гг.);
на 1 и 3 Международных научно-практических конференциях «Модернизация крупнопанельного домостроения-локомотив строительства жилья экономического класса» и «Развитие крупнопанельного домостроения в России», проводимых ЦНИИЭПжилища (Москва, 2011, Ростов-на-Дону 2013г.);
- на семинарах, проводимых с проектировщиками, преподавателями и
экспертами в МГСУ, ЦНИИЭПжилища, ПИ-2, Мосгосэксперизе,
Госархстройнадзоре, Росгосстройэкспертизе и других организациях г.Москвы;
- на семинарах и конференциях, для проектировщиков и строителей городов:
Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ижевск, Чебоксары, Волгоград,
Саратов, Самара, Сочи, Краснодар, Ростов-на-Дону, Владивосток, Новосибирск,
Омск, Томск, Красноярск, Жлобин, Днепропетровск, Алматы и др.
Публикации по тематике диссертации
Результаты диссертационной работы, представлены в 63 публикациях, включая три монографии, две из которых используется также как пособия для проектирования. По тематике диссертации получено 16 авторских свидетельств и патентов, из которых 8 зарубежных. Из общего числа опубликованных работ 48 -относятся к изданиям, включенным в перечень ВАК РФ для публикаций основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора технических наук.
За работы, связанные с тематикой диссертации, автору дважды присваивалось звание лауреата Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 1998 и 2006 годы.
Структура и объем диссертации
Изменение механических свойств арматуры и бетона при кратковременном динамическом нагружении
На ранней стадии производства арматуры главными определяющими её потребительских свойств были технические возможности сталелитейного и прокатного технологического оборудования. Тогда строители были вынуждены довольствоваться той арматурной продукцией, которую производила металлургическая промышленность.
В связи с бурным развитием металлургического производства и рыночных отношений в последние годы практически все технологические ограничения с производства арматуры были сняты. В настоящее время металлурги готовы производить ту арматурную продукцию, которая может быть эффективно использована в строительстве.
Также после принятия России в ВТО и, в результате этого, ужесточения конкуренции на внутреннем рынке металлопродукции наметилась тенденция у отечественных металлопроизводителей к освоению новых конкурентоспособных видов арматурного проката, востребованного у строителей из-за высоких потребительских и экономических показателей.
Эффективность использования арматурной стали в строительстве выражается в первую очередь в ее расходе на один квадратный метр общей площади здания. Этот показатель зачастую является определяющим при заключении контрактов на проектирование и строительство зданий и сооружений, так как экономическая составляющая проектов вызывает повышенный интерес у инвесторов и строительных подрядчиков.
Экономия рабочей арматуры при проектировании железобетонных конструкций возможна в результате применения эффективных видов арматуры, конструктивных решений и методов расчета. Существенное снижение расхода стали возможно также при совершенствовании проектных решений конструктивного армирования, закладных деталей и анкерных устройств, которые зачастую применяются с большими запасами по прочности.
Оптимальное проектирование зданий из монолитного железобетона предусматривает в первую очередь минимальный расход бетона и арматуры при его возведении. При этом должна быть обеспечена достаточная надежность сооружений при действии всех видов нагрузок в стадии строительства и эксплуатации. Особое внимание при проектировании железобетонных конструкций следует уделять эксплуатационной надежности и долговечности выбираемого строительного арматурного проката, определяемой его прочностными и деформативными свойствами, эффективностью сцепления с бетоном и коррозионной стойкости к внешним воздействиям агрессивных сред.
До 80- годов прошлого столетия основной объем производства и применения в строительстве составляла арматура с пределом текучести 7т=400МПа. За период 1991-1997 г.г. основные европейские страны практически перешли на единый класс свариваемой арматуры периодического профиля для ненапряженных железобетонных конструкций с пределом текучести тт=500МПа.
Унифицированная свариваемая арматура имеет химический состав, определяемый содержанием в стали углерода не более 0,22%.
Применение арматуры класса А500 вместо арматуры класса А400 (А-Ш) обеспечивает более 10% экономии стали в строительстве. Для отечественного строительства возможна замена этим классом стали не только арматуры класса А400 (А-Ш), но и гладкой арматуры класса А240 (A-I), применяемой в монтажных петлях, в закладных деталях и т.п. Для этого арматура при с- 500 Н/мм2 должна иметь максимальную пластичность при растяжении и изгибе как в целых стержнях, так и после сварки, и удельную энергию разрушения на уровне горячекатаной стали класса А240 как при положительных, так и при низких отрицательных температурах [84].
Этим условиям в термомеханически упрочненном состоянии могут соответствовать низкоуглеродистые стали марок: СтЗсп, СтЗпс, СтЗГпс или низколегированные стали типов 18ГС, 20ГС и т.п.
Учитывая зарубежный опыт и экономическую целесообразность в качестве эффективной арматуры для ненапряженных статически нагруженных железобетонных конструкций, устанавливаемой по расчету, было рекомендовано отечественным строителям применять горячекатаную и термомеханически упрочненную арматуру класса А500, а также холоднодеформируемую арматуру класса В500 [84].
Массовое практическое внедрение новой для отечественных строителей арматуры класса А500 выявило необходимость широкомасштабных исследований ее свойств, так как эта арматура в России и странах СНГ изготавливается металлургами с использованием метода термомеханического упрочнения и производится из низколегированных марок сталей. Кроме этого внедрение так называемого европейского серповидного профиля арматуры определило необходимость решения задач по оценке эффективности сцепления его с бетоном и возможности применения взамен ранее повсеместно использованной в СССР горячекатаной арматуры класса А-Ш (А400) из марок стали 35ГСи 25Г2С.
Исследования свойств арматуры класса А500 и условий ее применения в конструкциях выполнялись в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, МГСУ, МАДИ, Полоцком государственной университете и других организациях, С.А. Мадатяном, Г.Н. Судаковым, А.С. Семченковым, В.З. Мешковым, И.С.Гуменюком, Климовым Ю.А., И.Н. Суриковым, Л.Н. Зикеевым, В.Д. Тереным, Г.И. Поповым, Г.Д. Тулеевым, А.А. Хотько, В.В. Дектяревым, И.П. Саврасовым, О.О. Цыбой, А.А. Квасниковым и др. [36, 61, 73, 74, 75, 76 84, 122, 125, 127, 145, 153, 191, 192, 194, 195].
Представляют интерес исследования по использованию в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения арматуры более высоких классов А600 и А800. Этому вопросу было уделено большое внимание в фундаментальных работах Н.М. Мулина, Ю.П. Гущи, С.А. Мадатяна и др. [32, 84, 93].
Практической оценке и теоретическому обоснованию рационального использования в железобетонных конструкциях прочностных и деформативных свойств арматуры и её сцепления с бетоном были посвящены работы Ю.П. Гущи, И.К. Белоброва, Г.И. Бердичевского, В.Н. Бондаренко, Веселова А.А., А.А. Гвоздева, А.С. Залесова, С.А. Дмитриева, Н.И. Карпенко, Кодыша Э.Н., С.А. Мадатяна, Р.Л. Маиляна, К.В. Михайлова, Н.М. Мулина, С.М.Скоробогатова, Трекина Н.Н.,А.А. Оатула, Е.А. Чистякова, К.И. Колчунова, Ю.А.Коршунова, Т.А. Мухамедиева, М.М. Холмянского, Т.И. Мамедова и др. [18, 19, 20, 21, 23, 32, 37, 38, 39, 46, 49, 52, 53, 56, 57, 59, 62, 65, 67, 68, 84, 85, 89, 93, 95, 104, 129, 180, 184].
Известно, что надежность зданий из железобетона при различных внешних воздействиях обеспечивается не только прочностными показателями бетона и арматуры, но и во многом их деформативными характеристиками, а также видом диаграмм деформирования под нагрузкой в пластической стадии [ 5, 20, 24, 32, 68, 85, 94,95, 109-112, 114].
Разработка конструкции периодического профиля для эффективного арматурного проката
Первые попытки создания нормативных документов для проектирования были сделаны в Великобритании в 1968 году после обрушения в этом же году части сборного панельного здания Ronan Point в Лондоне. Изданные «Стандарты во избежание прогресс-сирующего обрушения для крупнопанельных зданий» в апреле 1970 года стали обязательной частью строительных норм. Примерно в это же время в нормах США, Канады и других стран также были введены изменения, связанные с предотвращением прогрессии-рующего обрушения. Отечественные документы по защите панельных и монолитных зданий из железобетона от прогрессирующего обрушения были созданы в 1999 и 2005 годах и носят рекомендательный характер [86, 116-118]. С этого же времени были значительно ужесточены требования Мосгосэкспертизы к проектированию зданий, с целью выполнения рекомендаций вышеупомянутых документов. Приведенные примеры разрушения железобетонных конструкций только что построенных зданий подземного гаража и бассейна показывают, что рекомендуемых мер защиты от прогрессирующего обрушения было недостаточно или же они игнорировались при проектировании и строительстве.
В соответствии с рекомендациями по предотвращению прогрессирующего обрушения [116-118] расчет устойчивости здания необходимо производить на особое сочетание нагрузок, включающих постоянные и длительные нагрузки, а также при наиболее опасной схеме локального разрушения от нагрузки одного из гипотетических воздействий.
Величины деформаций и ширина раскрытия трещин в конструкциях не регламентируются. Расчетные прочностные и деформативные характеристики материалов принимаются равными их нормативным значениям согласно действующим нормам проектирования железобетонных конструкций с учетом коэффициентов условий работы. Для арматуры коэффициент условий работы принят единым у/=1,1.
Для расчета зданий при прогрессирующем обрушении рекомендовано использовать пространственную модель. Расчетную модель предпочтительнее представлять в виде системы пластинок (с проемами или без них), моделирующих стены, диафрагмы, пилоны и перекрытия, и стержней моделирующих колонны, а также при необходимости ригели и балки. Элементы между собой должны быть соединены связями, прочность которых эквивалентна прочности фактических связей. В модели могут учитываться элементы, не являющиеся несущими в обычных условиях (наружные навесные стены, ограждения балконов и т.п.), которые в случае прогрессирующего обрушения могут воспринимать аварийные нагрузки и активно участвовать в перераспределении усилий в элементах конструктивной системы.
Расчет здания предпочтительно выполнять с использованием распространенных в России сертифицированных программных комплексов (SCAD, Лира, STARK-ES и другие), допускающих возможность учета физической и геометрической нелинейности жесткостных характеристик элементов, что обеспечивает наибольшую достоверность расчета и снижение дополнительных материалозатрат.
В известных современных расчетных комплексах физическая нелинейность учитывается двумя способами: введением нелинейных диаграмм материала (Лира, СКАД, ANSYS, COSMOS, NASNRAN и др.); или же введением диаграммы деформирования конструкций в виде пластических шарниров (SAP 2000, ETABS, ...).
Принимая во внимание перечисленные выше допущения к расчету зданий при прогрессирующем обрушении, следует предположить, что эти допущения могут при определенных обстоятельствах обеспечить положительные результаты расчета при отсутствии или минимальном увеличении расхода материалов (бетона и арматуры).
Обеспечение противодействия прогрессирующему обрушению необходимо для всех зданий и сооружений. В зданиях третьего уровня ответственности высотой менее 5-ти этажей до настоящего времени не требовалось расчета сопротивления ПР. В этих зданиях минимальное сопротивление ПР, достаточное для его исключения и обеспечения возможности эвакуации людей и оборудования в критической ситуации, должно предусматриваться конструктивными мероприятиями.
Актуальность и необходимость указанных конструктивных мероприятий была остро обозначена в результате анализа вышеупомянутого прогрессирующего разрушения железобетонных перекрытий и покрытий с бескапительным и безригельным конструктивным решением 2-х этажной подземной автостоянки в районе Павелецкого вокзала г.Москвы [126]. В результате локального перегруза одного из приколонных участков покрытия массой привезенного и складированного в этом месте накануне обрушения грунта за очень короткий промежуток времени утром следующего дня произошло лавинообразное обрушение на большой площади всех вертикальных и горизонтальных несущих железобетонных конструкций двух этажей здания (рисунок 1.29). Наибольшую обеспокоенность вызывает состояние поверхности арматуры после разрушения. Отсутствие явных признаков адгезии бетона на поверхности стержней позволяет сделать вывод о значительных распорных усилиях вокруг них, имевших место в процессе разрушения. Практическое отсутствие поперечной вертикальной арматуры и бессварные соединения продольной и поперечной горизонтальной арматуры практически не препятствующих поперечным усилиям, подтверждают эти предположения (рисунок 1.29 б).
При этажности зданий более 5-ти этажей достаточность конструктивных мероприятий должна быть определена расчетом. В случае необходимости должно быть предусмотрено усиление конструкций путем дополнительного армирования, изменения сечений элементов, их узловых соединений и другими конструктивными мероприятиями.
Таким образом, практически все здания повышенной этажности необходимо рассчитывать на устойчивость против прогрессирующего обрушения, а степень удорожания строительства зданий в этом случае будет зависеть от объективности принятых на стадии проектирования планировочных и конструктивных решений.
Следовательно, целесообразен предварительный анализ возможных объемно-планировочных и конструктивных решений с целью выбора оптимального с экономической точки зрения варианта.
Наиболее экономически выгодными будут варианты, когда объемноплани-ровочная и конструктивная схема здания, назначенные сечения конструктивных элементов и их армирование удовлетворяют требованиям первой и второй групп предельных состояний при обычных эксплуатационных нагрузках и обеспечивают устойчивость здания от прогрессирующего обрушения при аварийных нагрузках. Наиболее оптимальным по экономичности является вариант решения, когда после аварийного воздействия сохраняется несущая способность конструкций, а пригодность их к нормальной не обеспечивается. По этому варианту необходимо любыми методами предотвратить хрупкое разрушение сжатой зоны бетона расчетных сечений железобетонных элементов в образующихся при разрушении пластических шарнирах.
Арматура в этом случае находится в состоянии пластического деформирования, ограничиваемого нормируемыми критериями исключающими ее разрыв, а краевые волокна бетона сжатых зон достигают деформаций не превышающих установленных для этого случая предельных значений.
Для оценки критических величин габаритных размеров сетки колонн разноэтажных каркасных зданий с регулярной структурой из монолитного железобетона могут быть использованы приведенные в таблице 1.3 результаты их статических расчетов на прогрессирующее разрушение по ниже предлагаемой методике. Расчеты выполнялись с использованием возможностей программного комплекса «Лира 9.4». Принятая очередность расчета:
- статический расчет здания в упругой постановке по расчетным нагрузкам и сопротивлениям материалов для 1 и 2 групп предельного состояния. Жесткостные характеристики материалов - условные, принятые одинаковыми отдельно для перекрытий и колонн;
Задачи исследований и методика испытаний
Момент образования трещин, ширина их раскрытия, величина прогибов при нормативных нагрузках являются определяющими для оценки эксплуатационной пригодности железобетонных конструкций. В стадии эксплуатации ширина раскрытия трещин и величина прогибов должны быть меньше, чем допустимые величины, устанавливаемые из-за требований по водонепроницаемости, защите арматуры от коррозии, эстетическим и технологическим требованиям.
В предельном состоянии по потере несущей способности усилия в бетоне и арматуре не должны превышать их предельных расчетных значений.
Профиль арматурной стали при расчете по предельным состояниям влияет на ширину раскрытия трещин и величину прогибов. Вид профиля учитывается в расчетной формуле 8.128 СП63.13330.2012 коэффициентом ср2.
В расчетах сечений железобетонных элементов на основе нелинейной деформационной модели влияние вида профиля арматуры не учитывается.
В тоже время учет этого фактора при расчете кривизны мог бы быть осуществлен путем назначения усредненной диаграммы деформирования растянутой арматуры на участках с трещинами, так как вид, характерные участки и точки этой диаграммы зависят от момента трещинообразования, соотношения деформаций арматуры в трещине и между ними, на участках деформирования до предела текучести и после, практически до ее временного сопротивления.
Еще большее значение жесткость и прочность сцепления арматуры с бетоном оказывает на длину анкеровки и нахлесточных соединений арматуры без сварки. Эти показатели во многом определяют надежность анкеровки закладных деталей в железобетоне, прочность и поддатливость заделки обрываемой в пролетах и на опорах растянутой рабочей арматуры изгибаемых элементов, характер разрушения по наклонному сечению, способность к пластическому деформированию и, следовательно, к перераспределению усилий узловых соединений железобетонных элементов монолитных, сборных и сборно-монолитных систем зданий и сооружений и т.п.
Оценке анкеровки арматуры в бетоне посвящено много отечественных и зарубежных научных, экспериментальных и теоретических исследований (см. раздел «Список литературы»).
Для получения полного представления о работе стержня в бетонном окружении необходимо учитывать целый ряд особенностей работы конкретной конструкции в целом, ее сечений и зон, условий работы арматуры в ней при различных сочетаниях внешних воздействий.
Определяющим могут являться характеристики различных стадий процесса нарушения сцепления при возрастающей нагрузке. Приоритеты этих характеристик зачастую противоречивы и даже спорны.
Для объективной оценки влияния вида профиля на жесткость и прочность сцепления обычно достаточно использования упрощенных методов сравнительных испытаний, в условиях, максимально уравнивающих влияние прочих факторов.
Именно этой цели служит международная методика испытаний на вытягивание из бетона арматурных стержней RC6 ЕКБ/ФИП/РИЛЕМ/, разработанная коллегиально мировыми авторитетами в данной области и широко применяемая научными лабораториями многих стран.
Испытание заключается в вытягивании плавно возрастающим усилием из куба размером 250x250x250 мм центрально расположенного в нем арматурного стержня с двумя выпусками: коротким (L=15 мм) и длинным (L=800 мм), закрепленным в нижнем захвате машины.
По принятой методике в процессе вытягивания регистрируют только смещения короткого торца выпуска стержня относительно верхней плоскости куба. По методике, используемой в НИИЖБ, в процессе испытаний отдельных серий образцов производились замеры деформирования металла, загруженного конца стержня для одновременного построения диаграммы os - es. Такая методика испытаний позволяет объективно оценить уровни напряжений в испытываемом стержне соответствующие характерным участкам его смещения в бетоне, информирующих о процессе нарушения сцепления (рисунок 2.13 и рисунок 2.15). Эта методика была успешно использована для оценки характера нарушения сцепления стержней с бетоном в предельной стадии, то есть после достижения физического или условного предела текучести в арматуре.
Каждый график смещения торца короткого выпуска стержня относительно поверхности бетонного куба построен по 3- 10 образцам близнецам.
На рисунках 2.16 и 2.17 приведены графики, построенные для арматуры классов А500 диаметров 12 и 16 мм с серповидным двухсторонним и серповидным четырехсторонним профилями при длинах анкеровки в бетоне 6,25, 8, 9 и 10d.
Нарушение сцепления и разрушение всех образцов с длиной анкеровки 6,25; 8 и 9 диаметров произошло в результате среза бетонных консолей между поперечными ребрами арматуры и носило пластический характер. При длине анкеровки 10 диаметров все образцы, кроме двух, с серповидным двухсторонним профилем были разрушены от разрыва арматуры.
Жесткость сцепления, характеризуемая наклоном кривых у арматуры с новым профилем (серповидного четырехстороннего) была заметно выше, чем у арматуры европейского профиля (серповидного двухстороннего).
Методика комплексного нелинейного расчета железобетонных конструкций каркасных зданий на статические и аварийные, в том числе динамические нагрузки с целью предотвращения прогрессирующего обрушения
Решение было найдено путем применения углеродистой стали, микролегированной ванадием. Исследования механических свойств и свариваемости прокатанных партий бунтовой арматуры диаметром 5,5 и 7 мм показали возможность производства без снижения производительности стана арматуры класса А500С из марки стали 20ГФ.
Это позволило разработать технические условия на свариваемый арматурный прокат класса А500С расширенного сортамента, поставляемого в мотках, и рекомендации по применению такого проката в железобетонных конструкциях.
Установлено, что себестоимость арматуры класса А400 с промежуточными диаметрами не выше себестоимости масово производимой арматуры класса А400, а проката класса А500С из стали марки 20ГФ выше примерно на 8%. Учитывая материалы таблицы 2.8 можно сделать вывод о рентабельности производства и применения арматуры класса А400 с промежуточными диаметрами с целью использования ее в нерасчетном, монтажном и конструктивном армировании, а горячекатаной бунтовой арматуры класса А500С из стали марки 20ГФ, в основном с промежуточными диаметрами, вместо арматуры класса А400 во всех областях применения.
Эффективность применения холоднодеформированной арматуры для армирования железобетонных конструкций напрямую зависит от ее механических свойств, улучшение которых позволит изменить нормативные требования к этому виду арматурного проката в сторону их сближения с требованиями к горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуре.
Общеизвестным фактором является также снижение предельных величин пластических деформаций арматуры при ее механическом упрочнении.
Данные обстоятельства во многом определяют эффективность применения арматурной продукции, изготовленной тем или иным способом упрочнения в холодном состоянии.
Холоднотянутая проволока (Вр-1), изготовленная по ГОСТ 6727 из катанки с упрочнением поперечным деформированием и вытяжкой, с последующим нанесением периодического профиля имеет низкие фактические значения пластических свойств.
Так исследованиями НИИЖБ установлено, что при нормированном значении д10о Ъ% проволока Bpl диаметром 5 мм имеет средние значения ёр \,5% и полное относительное удлинение при максимальной нагрузке Smax=Agt 2% [142]. Холоднокатаная арматура, упрочненная путем холодной прокатки в двух, трех и четырех валковых станах с одновременным нанесением периодического профиля за счет меньшего усилия растяжения, имеет более высокие, чем холоднотянутая проволока Bpl, пластические характеристики. Так этим способом обеспечиваются значения Agt 2,5% и даже А 5%.
В СП 52-101-2003 холоднотянутая проволока класса Вр-1 и холоднокатаная арматура класса В500С были объединены в единый класс холоднодеформированной арматуры В500, несмотря на то, что они отличаются технологией изготовления, механическими свойствами и видом периодического профиля. В СП 52-101-2003 для холоднодеформированной арматуры класса В 5 00 при длительном действии нагрузки было принято равенство Rs-Rsc.
Из-за такого объединения составители СП были вынуждены при назначении расчетного сопротивления холоднодеформированной арматуры ориентироваться на особенности свойств проволоки Вр-1, в том числе учитывать тот факт, что при а02 500 МПа по ГОСТ 6727 для нее предусмотрен значительный минусовой допуск на массу, что соответствует уменьшению на 6,3- 6,8% фактической площади поперечного сечения по сравнению с номинальной. Снижение расчетного сопротивления составило 5% (415 МПа) по сравнению с теми же показателями для стали класса А500, что соответствует принятию коэффициента надежности равному 1,2.
При кратковременном действии нагрузки также как и для арматуры класса А500 вводится коэффициент условий работы понижающий расчетное сопротивление при сжатии арматуры класса В 5 00 до 360 МПа.
В Европейском Стандарте EN 1992, Еврокод 2 по проектированию железобетонных конструкций приняты одинаковые диаграммы состояния при растяжении и сжатии холоднодеформированной и горячекатаной или термомеханически упрочненной арматуры.
В этих евронормах для холоднодеформированной и иной ненапряженной арматуры коэффициент надежности одинаков и равен 1,15.
Таким образом в действующем до последнего времени СП 42-101-2003 необосновано дискриминирована холоднодеформированная арматура класса В500С, что сдерживало ее производство и применение из-за неконкурентоспособности относительно арматуры класса прочности А500. Необходимо разделение холоднотянутой арматурной проволоки класса Вр-1 и холоднокатаной арматуры класса В500С, что было сделано в СП 63.13330.2012 с участием автора. Это становится также возможным с принятием концепции классификации арматурного проката по техническим требованиям к их механическим свойствам независимо от способа его изготовления (таблица 2.9).
Такой подход позволит металлопроизводителю стремиться к совершенствованию технологии производства арматурного проката с целью достижения его потребительских свойств, декларируемых в проектно-технической документации и назначенных проектировщиками с учетом климатических условий строительства, внешних силовых воздействий, степени ответственности зданий и сооружений и т.п.
В России в последнее время наметился значительный интерес к производству холоднодеформированного арматурного проката класса прочности В500С, который еще более усилится при принятии концепции таблицы 2.9.
Для оценки практической возможности упрочнения бунтовой арматуры класса А400 (А-Ш) до свойств класса А600 (A-IV) методом знакопеременного изгиба на Кунцевском заводе ЖБИ (г. Москва) в начале 90-х годов 20-го века сотрудниками Днепропетровского металлургического института совместно с автором выполнялись специальные исследования, которые привели к положительному результату. Ивченко А.В. с коллективом, включая автора, получен патент на оборудование для эффективного упрочнения арматуры этим способом [107].
С 2005 года к технологии механического упрочнения горячекатаной бунтовой арматуры периодического профиля знакопеременным изгибом наблюдается значительный интерес как у металлопроизводителей, так и потребителей арматурного проката.