О конструктивных требованиях СП 63.13330.2018

В прошлом году, в США и России, появились два новых нормативных документа по железобетону. В июне вступил в силу СП 63.13330.2018, а в июле, вышел ACI 318-2019. Американский нормативный документ не переиздавался с 2014 года, а с момента появления СП 63.13330.2012 прошло более семи лет и конечно, каждому конструктору, занимающемуся железобетоном, интересно, для чего понадобилось выпускать СП 63.13330.2018. О чем новом удалось узнать авторам. После внимательного прочтения выясняется, что в основных главах не так много новинок, но чувствуется явное тяготение разработчиков к достижениям науки советской эпохи, что не может не радовать, так как добавить в него могли что угодно. Возможно, авторы посчитали, что в существующем СП уже достаточно требований и методик для «классического железобетона» на обычных бетонах и дополнять их или изменять нет причин. Но тогда зачем его переиздавать, не лучше ли было выпустить обновленную версию Пособия к СП 63. В целом, если не учитывать добавление в пункте 5.1 о том, что расчеты по предельным состояниям второй группы следует производить на действие кратковременных и длительных нагрузок, без упоминания о постоянных нагрузках, которые тоже должны входить в основное сочетание, то остальные добавления можно считать более менее удачными. Например, в пункте 5.2.1, помимо необходимости расчета прочности по деформационной модели, добавили возможность расчета по предельным усилиям. Этот метод расчета хорошо себя зарекомендовал в советский период и используется сейчас во многих расчетных программах, поэтому его возвращение должны поприветствовать разработчики расчетных комплексов. Реализация полноценного расчета по нелинейной деформационной модели всей расчетной схемы требует большой переработки расчетных комплексов, а также привлечение соответствующих специалистов и времени, а главное — дополнительных финансовых затрат. В пункте 8.1.23 появилось полезное уточнение: «При статическом расчете конструкции по недеформированной схеме значения Mx и My определяют с учетом влияния прогибов согласно 8.1.2». В пункте 8.1.34 также добавили полезную поправку: «Значения коэффициента фn принимаются равными 1 — для изгибаемых конструкций без предварительного напряжения арматуры». Например, для изгибаемых конструкций, в которых не учитывается продольная сила коэффициент фn тоже теперь можно не учитывать. Пункт 8.1.46 дополнили следующим текстом: «Значение сосредоточенной силы следует принимать за вычетом сил, действующих в пределах основания пирамиды продавливания в противоположном направлении». Это допущение было описано в «Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений (к СНиП 2.03.01-84 и СНиП 2.02.01-83)», в пункте 2.8: «Величина продавливающей силы F принимается равной величине продольной силы N, действующей на пирамиду продавливания, за вычетом величины реактивного давления грунта, приложенного к большему основанию пирамиды продавливания (считая до плоскости расположения растянутой арматуры)», и позволяло экономить арматуру в тех случаях, когда расчет на продавливание проходил с небольшим запасом. Этот пункт позволял немного увеличить запас и поперечную арматуру не устанавливать. Впрочем, сейчас в таких случаях принято устанавливать поперечную арматуру конструктивно (в связи с некачественным производством работ и возможными отклонениями толщины плит от проектных значений), поэтому данное уточнение поможет Заказчикам более аргументированно требовать обоснования расходов арматуры. В 10-й главе, в пункте 10.3.2 появилось требование из пункта 5.8 «Пособия к СП 52-101-2003» о необходимости установки конструктивной арматуры в виде сеток при толщине защитного слоя более 50 мм и отношении усилий M/N > 0.3h. Это требование позволяет предотвращать скалывание защитного слоя, поэтому добавление понятно и оправдано. О главе 10 и о конструктивных требованиях хочется упомянуть более подробно в связи с тем, что к этим требованиям часто относятся не так серьезно, как к расчетным, возможно из-за того, что не все понимают их важность, поэтому лишний раз обратить внимание на эти пункты будет полезно.

Почему конструктивные требования нужно обязательно выполнять? Во-первых, формально, глава 10 СП 63 указана в перечне национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Т. е. выполнение требований главы 10, наравне с другими обязательными главами СП 63, является условием, гарантирующим надежность и безопасность здания в течении всего срока службы. Во-вторых, выполнение конструктивных требований прямым и косвенным образом влияет на возможность выполнения расчетных требований, например, позволяет защищать арматуру от атмосферных (и других) воздействий и обеспечивать её совместную работу с бетоном. Чтобы лучше понять логику некоторых конструктивных требований можно вспомнить историю их появления и развития. Конструктивные требования, до появления в том виде, в каком они сейчас в СП, формировались на протяжении более чем 80 лет с момента выпуска ОСТ 90003-38 («Нормы и технические условия проектирования железобетонных конструкций»). Они менялись, дополнялись, сокращались по мере развития строительных технологий, технологий производства бетона, развития методик расчета и накопления данных испытаний. (Немного истории). Первые испытания железобетона, начались сразу после того, как в 1854 году в Англии и в 1867 году во Франции патенты на него получили Уильям Уилкинсон и Жозеф Монье. В 1861 году, во Франции, строитель Франсуа Куанье публикует первую брошюру о десятилетнем опыте применения железобетона под названием «Применение железобетона в строительном искусстве». А в 1884 году, в Германии, профессор механики И. Баушингер и инженер Г. А. Вайс выполнили первые масштабные исследования для изучения особенностей работы железобетонных конструкций. Кстати, Гюстав Вайс первым начал осознанно устанавливать арматуру в растянутую зону бетона. Например, Монье считал, что арматуру лучше устанавливать в середине сечения. Таким образом, конец 19 века стал периодом активного развития железобетона в Европе и США. В начале 20 века, 1903 году, английский инженер Эрнест Лесли Рэнсом, в Сиэтле, заканчивает строительство самого высокого на тот момент 15-ти этажного здания из железобетона. При том, что первые нормы по железобетону в США появились только в 1921 году (в Германии и Швеции в 1904 году, во Франции в 1906 году).

Рис. 1. Ingalls Building. Первое в мире 15-ти этажное железобетонное здание, построенное в Сиэтле в 1903 г. Эрнестом Лесли Рэнсомом (Источник: «http://www.cincinnativiews.net/images-5/Ingalls%20Building.jpg»)

Не смотря на популярность за рубежом, в России, в это время, инженеры скептически относились к железобетону и не верили в его перспективы. В 1891 году выдающийся русский инженер-мостостроитель, ученый, Николай Аполлонович Белелюбский одним из первых осознал преимущества нового материала и начал многочисленные испытания железобетонных конструкций. Накопленные им данные позволили выявить очевидные плюсы железобетона и разрешить его использование в России, а в 1908 — 1911 годах выпустить первые нормативные документы по его использованию и расчету.

После окончания революции, в России, железобетон начали применять очень активно и появилась необходимость в экономии бетона и арматуры, т. е. в более глубоком изучении железобетона. В связи с этим начали создаваться первые научно-исследовательские институты. В результате, в 30-х годах, А. Ф. Лолейт и А. А. Гвоздев (при участии В. И. Мурашева) создают теорию предельного равновесия конструкций и метод расчета железобетонных элементов по стадии разрушения. Первые предложения по расчету железобетона по стадии разрушения сформулировал А. Ф. Лолейт и в 1932 году, на II Всесоюзной конференции по бетону и железобетону, изложил их в своем докладе: «О пересмотре теории железобетона». Однако, в связи с тем, что он в июне 1933 года ушел из жизни, опытные эксперименты, которые проводились под его руководством продолжил А. А. Гвоздев. Гвоздев также был одним из первых кто предложил выполнять расчет железобетона с учетом диаграмм деформирования бетона. (Окончательный переход на эту методику расчета произошел лишь в СНиП 52-01 «Железобетонные и бетонные конструкции»). В это же время В. З. Власов создает свою теорию расчета тонкостенных оболочек. Таким образом первые конструктивные требования к железобетонным конструкциям, в СССР, сформировались в 30-е годы и постепенно дополнялись с выходом обновлений нормативных документов. История развития некоторых из них описана далее.

Процент армирования

Первые требования к минимальному проценту армирования железобетонных конструкций появились в ОСТ 90003-38, в котором появился метод расчета по разрушающим усилиям. В книге Василия Ивановича Мурашова «Расчет железобетонных элементов по стадии разрушения», вышедшей в 1938 г., которая стала пособием к вышедшему ОСТ, о минимальном проценте армирования говорится следующее: «Минимальный процент насыщения сечения арматурой зависит от различных причин: величины усадочных напряжений, конструктивных соображений и т. д. В элементах, в которых часть сечения сжата, а часть растянута, минимальный процент растянутой арматуры должен быть согласно нормам не менее величин, приведенных в табл. 1.

Рис.2. Таблица 1 из книги Мурашова В. И. «Расчет железобетонных элементов по стадии разрушения»

Минимальные проценты армирования определены из условия, чтобы прочность железобетонного сечения была не ниже прочности того же сечения, рассчитанного как бетонное без учета арматуры. Для тавровых сечений минимальный процент армирования относится к площади сечения ребра…».

В вышедшем в 1946 году Н-3-46 («Нормы проектирования железобетонных конструкций (Н-3-46)», в таблице добавили информацию о напряжениях в арматуре, о количестве арматуры было написано следующее: «19. Сечение растянутой арматуры в процентах от площади расчетного сечения бетона для изгибаемых, внецентренно растянутых и внецентренно сжатых элементов, рассчитываемых в предположении, что при разрушении элемента имеет место текучесть арматуры, должно быть не менее указанного в табл. 4.

Рис.3. Таблица 4 из «Н-3-46»

В центрально сжатых элементах, а также внецентренно сжатых, рассчитываемых в предположении, что при их разрушении текучести растянутой арматуры не происходит, сечение продольной арматуры должно быть не менее 0,5% от площади расчетного сечения бетона независимо от его марки».

Про максимальный процент армирования в книге Мурашева написано следующее: «При насыщении сечения колонны продольной арматурой не более 3%, как показали опыты, достаточно обычных хомутов, поставленных через 10-15 диаметров продольной арматуры. Если насыщение продольной арматурой превышает 3%, то для удержания мощных стержней от выпучивания обычных хомутов может оказаться недостаточно. В этом случае требуется взамен обычных хомутов ставить спиральную арматуру или приваренные хомуты. При этом каждый стержень продольной арматуры должен находиться в сгибе хомута. Таким образом для коротких колонн нормы не ограничивают предельный процент продольной арматуры, однако при высоких процентах насыщения требуют усиленного поперечного армирования».

Данное требование есть и в СП 63, в пункте 10.3.14: «Если содержание сжатой продольной арматуры, устанавливаемой у одной из граней элемента, более 1,5%, поперечную арматуру следует устанавливать с шагом не более 10d и не более 300 мм». Однако это требование не относится к случаям, когда арматура установлена не по расчету, а конструктивно с большим диаметром большей площади, чем требуется по расчету, так как при увеличении диаметра арматуры напряжения в ней уменьшаются и устойчивость увеличивается. Также уменьшаются и напряжения в бетоне. Нужно также иметь в виду, что при насыщении арматурой более 3% напряжения в бетоне рассчитываются с учетом вычета площади арматуры.

Максимальный процент армирования СП 63 не ограничивает, что не может не вызывать вопросов, так как в разных нормативных документах требования отличаются. Например, в пункте 8.3.5.1 СП 266 написано следующее: «Наибольший процент армирования колонн продольной жесткой и гибкой арматурой принимают не более 15%. Если при расчете конструкции в ней возникают изгибающие моменты только от случайных эксцентриситетов, то процент армирования принимают не более 25%». А в пункте 5.2.8 СП 430 написано: «…процент армирования в любом сечении (включая участки с нахлесточным соединением арматуры) — не более 10%». Так как СП 63, это обязательный нормативный документ, в нем должен быть указан критерий отнесения конструкции к железобетонной с гибкой или жестко арматурой. Будем надеяться, что со временем такой критерий появится.

Учет случайного эксцентриситета при расчете сжатых конструкций (п. 7.1.7, 8.1.7 СП 63.13330.2018)

Требование об учете случайного эксцентриситета при расчете сжатых железобетонных элементов, в советских нормах, впервые появились в СНиП II-21-75. Они подробно описаны в книге А. А. Гвоздева «Новое в проектировании бетонных и железобетонных конструкций» (Москва 1978 г.): «Центральное приложение усилия, вызывающее равномерное по сечению укорочение сжимаемого элемента трудно осуществить даже в лабораторных условиях; для этого приходится прибегать к пробным нагружениям испытуемого образца небольшим усилием по измерениям деформаций на гранях, оценивать эксцентриситет и его направление, разгружать образец и передвигать его в прессе для достижения более равномерной деформации. Такую операцию иногда повторяют несколько раз. Тем более нельзя рассчитывать, что кокой-либо элемент в реальной конструкции будет сжат центрально. Между тем даже небольшой эксцентриситет ощутимо снижает несущую способность сжатого элемента. Причиной возникновения случайного эксцентриситета могут быть: неоднородность свойств бетона по сечению, особенно в случае бетонирования элементов в горизонтальном положении, при значительной высоте сечения и подвижной консистенции бетона; начальная кривизна оси сжатого элемента или ее отклонение от вертикали; неучтенные горизонтальные силы и другие причины. Случайный эксцентриситет принимается… равным большему из трех значений: 1/600 свободной высоты сжатого элемента, 1/30 высоты сечения, 1 см. Эти величины заимствованы из рекомендаций Европейского комитета по бетону (ЕКБ) и Международной федерации преднапряженного железобетона (ФИП) и приняты также в нормах ряда стран. Согласно строительному кодексу Американского института бетона, случайный эксцентриситет принимается равным 1/10 высоты сечения сжатого элемента. В нормах зарубежных стран, учитывающих случайный эксцентриситет, он во всех случаях суммируется с эксцентриситетом, определенным расчетом. В наших… нормах это правило сохранено для статически определимых конструкций. Для статически неопределимых конструкций сделано послабление: если эксцентриситет, определенный из расчета, меньше случайного, то принимается случайный эксцентриситет; если же из расчета определен эксцентриситет, превышающий случайный, то последний не учитывается. Это обосновывается следующими соображениями. Наличие случайного эксцентриситета должно приводить к взаимному смещению концов сжатого стержня. Но в статически неопределимой конструкции такому смещению в той или иной мере препятствует связь этого стержня с другими элементами конструкции, что несколько смягчает влияние случайного эксцентриситета. Смягчение это существенно для сечений, где расчетный эксцентриситет значителен, и ничтожно либо отсутствует вовсе в сечениях, где он велик».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *