Д. А.КОРШУНОВ, канд. техн. наук (НИИСК, Киев), Аспекты надежности армирования
Известно (см., например, [1], гл. IV), что эксплуатационную надежность армирования железобетонной конструкции определяют три основные хронологически последовательные составляющие: начальная, технологическая и временная. Что касается последней - при эксплуатации конструкций, то здесь даже ожидается повышение надежности благодаря уменьшению концентрации напряжений при переходе к “серповидному рифлению поверхности стержней (см., в частности [2], разд. 8). Первые же две составляющие заслуживают отдельного рассмотрения.
Начальная надежность обеспечивают технические требования к арматуре и правила контроля их соблюдения, а также дополнительный нормированный запас. Заметим, что действующие общестроительные нормы проектирования СНиП 2,03.01 предусматривают использование арматуры, изготовленной по одному из принятых около 20-и лет назад пяти межгосударственных стандартов. Но за эти годы произошли кардинальные изменения.
Прежде всего нужно отметить чрезвычайную активность изготовителей арматуры в части дифференциации технических условий к ней, которая недавно была наглядно представлена в уникальном справочном издании [3]: наряду с названными межгосударственными, сейчас на просторах СНГ действуют еще более 30 национальных стандартов и документов ТУ. В частности, в Украине условия выпуска лишь стержневой арматуры установлены национальным стандартом ДСТУ 3760 и семью ТУ. К тому же предприятия СНГ выпускают на экспорт арматуру по некоторым международным и национальным западных стран стандартам (в названном справочнике таких документов названо свыше десяти); причем не востребованные за рубежом ее остатки также попадают на отечественный рынок.
Ясное дело, такое разнообразие невозможно учесть при проектировании конструкций, и это создает заметные затруднения потребителям. Так что их представителям следовало бы прекратить согласование этих ТУ.
Во-вторых, в последние годы заметно изменилась структура используемых железобетонных конструкций. Сейчас возводят главным образом объекты жилищно-гражданского строительства со значительным сокращением объемов сборных и в особенности предварительно напряженных конструкций (исключение составляют разве что многопустотные плиты). Это обусловило и соответствующее изменение сортамента используемой арматуры, иллюстрированное табл. 1.
Приведенные в табл. 1 сведения для 1950 и 1975 гг. —заимствованы из [1] (рис. VIS.2), для 1985 г., которому отвечают максимальные объемы использования железобетона, включая сборный, - частично (без А-I и А-ll) приведены на основе [2] (рис. 1.1 и 1.2), а для 2000 г -являются авторской оценкой. Последняя учитывает активность исключительно мо.щного ГМК Криворожсталь” в части выпуска арматуры класса Ат-ШС на основе обширного комплекса исследований [4].
Вместе с тем, с одной стороны, наблюдается интенсивное вытеснение с рынка арматуры привычного класса А(т)-Ш новой для нас арматурой класса А500С, а с другой, следует ожидать, что арматуру мало востребованных классов сейчас выпускают лишь эпизодически, и это неминуемо затрудняет реальное соблюдение установленных для нее потребительских требований.
В-третьих, произошла децентрализация снабжения арматуры через многих (зачастую не отягощенных ответственностью) посредников. Значительно затруднен также входной контроль арматуры у потребителей-не только из-за преимущественно небольших по объему поставок, но и вследствие неблагоприятного экономического положения многих из них (это затрудняет и взаимоотношения с поставщиками).
Известно, что основой начальной надежности служит обеспеченное с вероятностью не ниже 95% браковочное значение предела текучести - физического ут или условного а0 2 (на уровне 0,2%-й остаточной деформации), обозначенное в нормах как нормативное сопротивление Rm . Здесь целесообразно напомнить, что для арматуры классов A-I... А-Ill браковочный уровень имеет повышенную обеспеченность: по ГОСТ 5781 она составляет 98% (1=2), а по ГОСТ 10884 сниженное до 95% (t=1,64) ее значение скомпенсировано для арматуры класса А-Ill повышенными на 10% браковочными значениями предела текучести и временного сопротивления Og. Заметим, что такое повышение надежности не предусмотрено в ДСТУ 3760; нет его и для арматуры класса А500, которую анонсируют (см., например, [5]) как замену класса А-Ш.
Дополнительный резерв обеспечивают:
а) гарантированное относительное удлинение после разрыва. Требования к нему подобны в различных нормативных документах;
б) пусть и не всегда используемый на практике запас прочности. Он не одинаков в различных стандартах (табл. 2): наибольший для горячекатаной и наименьший для проволочной арматуры; для класса же А(т)500 он установлен заметно меньшим, чем для соседних классов. Мало того, в СТО АСЧМ 7 и ДСТУ 3760 дополнительно предусмотрена возможность снижения этого отношения до 1,05. Вероятно, такое решение принято по аналогии с международным стандартом [6]; однако при этом не учтено, что запроектированные по европейскими нормами конструкции требуют больше арматуры, чем отечественные (см., например, [7]).
В конце концов, расчетное сопротивление определяют с учетом коэффициента надежности по арматуре: Rt =Rm lys. Его нормированный уровень сложился исторически путем постепенного снижения (табл. 3).
Относительно действительных механических характеристик арматуры класса А(т)500 имеется ограниченное число сведений, накопленных московскими потребителями; их обобщение приведено в табл. 4. Кстати говоря, свыше 70% их потребности покрывает продукция “Криворожстали (т.е. поставленная на экспорт).
Отмечается, что полученные значения S существенно (в 2-3 раза) меньше стандартизованных для генеральной совокупности. Если же они отражают действительную изменчивость свойств арматуры в генеральных совокупностях, то оказывается, что в большинстве случаев может быть достигнута 98%-ная обеспеченность браковочного минимума прочностных характеристик.
Отметим, что ни один стандарт (тем более ТУ) не содержит обязательного по правилам стандартизации продукции раздела “Гарантии изготовителя, а правила поставки не учитывают отмеченное выше ухудшение условий снабжения. Видимо, в этой части технические условия подлежат доработке, включая (пусть и формальные - это ведь лучше, чем никакие) требования к поставщикам: как минимум, дубликаты сертификата при разделении партии.
Дополнительный контроль возлагается на потребителя. В нормах [8] предусмотрен контроль механических характеристик (на растяжение и на изгиб - по двум образцам). В рекомендациях [9], кроме проверки соответствия сертификату, требуется контролировать: линейную плотность; геометрию рифления с вычислением относительной площади смятия под рифами; механические характеристики по результатам испытания на растяжение по ГОСТ 12004 - по шести образцам (как по стандарту). Напомним, кстати, что стандарты технических условий предусматривают определение напряжений в арматуре по номинальной площади ее поперечного сечения; так что контроль линейной плотности, возможно, и не нужен.
На основании сказанного можно сделать следующие выводы:
1. Наиболее распространенная в современных проектах арматура класса А(т)400 и доминирующая на современном рынке арматура класса А(т)500 должны были бы иметь апробированную практикой начальную надежность: 98%-ную обеспеченность браковочного минимума предела текучести (нормативного сопротивления) и дополнительный 10%-ный запас в расчетном сопротивлении -г3=1,1 (при этом уточнение в размере 3% представляется неуместным). Это может быть выполнено одним из трех способов:
а) соответственно правилам контроля по ГОСТ 5768-повышенная до 98% (t=2) обеспеченность браковочных значений предела текучести и временного сопротивления и по СНиП 2.03.01 коэффициент надежности 1,1;
б) в случае установленной обеспеченности на уровне 95% (здесь t=1,64) повышение на 10% браковочных значений предела текучести и временного сопротивления наряду с нормированным коэффициентом надежности - это отвечает требованиям ГОСТ 10884 для арматуры класса Ат400С. В таком случае нужно увеличить браковочные значения для класса АтбООС в ГОСТ 10884, а также для А400С и А500С в ДСТУ 3760 и других нормативных документах (см. табл. 4);
в) сохранить установленные браковочные значения и уровень их обеспеченности, но с одновременным повышением коэффициента надежности до 1,2.
2. Арматура класса Вр-I не требует уточнений -для нее коэффициент надежности повышен в 1991 г (см. изменение №2 СНиП 2.03.01).
3. Для мало применяемой арматуры более высоких классов целесообразно было бы установить теперь коэффициент надежности на уровне 1,3.
В большинстве случаев использование арматуры уменьшает начальную ее надежность, что учитывается введением коэффициентов условий работы арматуры. Здесь следовало бы дополнительно отметить две особенности.
В [12] были проанализированы особенности стандартизации требований к сварке стержневой арматуры и показано, что сварное соединение может заметно уступать прочности цельного стрежня. ГОСТ 10884, ДСТУ 3760 и прочие нормативные документы разрешают снизить прочность сварного соединения до 90% временного сопротивления, что не учтено СНиП 2,03.01 Физический (путем сравнительного испытания образцов) приемочный контроль свариваемости арматуры не предусмотрен.
Информация о действительной свариваемости современной арматуры весьма ограничена и касается лишь класса А500С: [5] содержит общие сведения о довольно хорошей свариваемости горячекатаной арматуры из стали марки 20ГСФ, в [10] сообщено об уменьшении до 5% исходной прочности арматуры, изготовленной по различным технологиям. Наиболее детальные сведения приведены в [13]. Объектом этого исследования стала термомеханически упрочненная арматура диаметром 10-14-16 мм, изготовленная “Криворожсталью по ДСТУ 3760 из трех плавок стали марки СтЗГпс. Они имели углеродный эквивалент 0,30, 0,323 и 0,395%, т.е. дважды за нижней границей и в последнем случае вблизи середины стандартизированного диапазона. В исходном состоянии арматуру характеризовали средние для групп из 16 образцов значения:
Испытанию подвергали соединения пяти типов, а контактные стыки - еще и в двух режимах; полученные результаты обобщены в табл. 5.
В результате сделан вывод о том, что для такой арматуры нормированное минимальное значение прочности (этот термин желательно было бы уточнить) сварных соединений можно принимать равным 550 МПа, так как лишь один из 135 образцов{вероятность 0,993) подошел к такой границе.
Заметим, что этот вывод мог бы касаться лишь исследованной совокупности. Хотя и в ней 22% образцов не отвечают стандартизованному 90%-му уровню. Мало того, четыре образца соединений типа С1(м) и два типа Т2 имели прочность меньшую 0,8ов. Прочность двух из них диаметром 10 и 16 мм составляла,вероятно {относительно верхней границы исследовательского диапазона ув), не больше 520 и 540 МПа. Дополнительно следовало бы принять во внимание еще два обстоятельства:
во-первых, не ясно, можно ли исследованную совокупность считать характерным представителем общего массива арматуры класса А500С на отечественном рынке. Это касается, в частности, и арматуры с повышенным до верхней границы значением углеродного эквивалента;
во-вторых, в дополнение к браковочным требованиям, ДСТУ 3760 разрешает снижение браковочного уровня временного сопротивления арматуры до 600-50=550 МПа (п. 6.1.6.1) и сварного соединения еще на 10% (п. 6.1.4). Это значит, что браковочный уровень прочности такого соединения может уменьшиться до 0,9x550=495 МПа, т.е. до браковочного уровня предела текучести. Допускать же при использовании сварных соединений снижение запаса прочности до сгв/сгт0 2)=1,05 (см. выше) представляется и вовсе опасным.
Значительную часть современной арматуры выпускают с так называемым “серповидным профилем” конструкции рифления поверхности, причем известно, что она имеет худшее сцепление с бетоном в сравнении с арматурой, имеющей привычное кольцевое” рифление. Потребность учета этого факта подтверждают местные нормы [8]. С учетом результатов анализа [14] обнародованных в [2] исследований оказалось возможным рекомендовать лишь незначительное - на 20% уточнение указаний норм проектирования.
Вместе с тем, известны и другие предложения, основанные на использовании незнакомых пока отечественным проектировщикам европейских норм. Наиболее подробно (на 15 стр.) такие указания содержатся в рекомендациях [9]. Они учитывают многие влияющие факторы, но практически никак не увязаны со СНиП 2.03.01. Приближены к этим нормам указания белорусского проекта [15]. Обращает на себя внимание, что в обоих этих источниках вводится дополнительная анкеровка рифленых стержней путем устройства крюков и петель.
Таким образом, назрела потребность внесения нескольких изменений в действующий СНиП 2.03.01.
Во-первых, полезно было бы обсудить необходимость дополнительного введения еще одного коэффициента условий роботы: при наличии стыкового (включая внахлестку) сварного соединения продольной растянутой стержневой арматуры - 0,9 (не используется вместе с у 0 и уsA).
Во-вторых, учесть наличие арматуры с “серповидным рифлением. Для этого нужно было бы:
а) установить конкретное (по размеру относительной площади смятия бетона) размежевание современных конструкций рифления арматурных стрежней;
б) для арматуры с серповидным” рифлением увеличить на 20% нормированные для арматуры с кольцевым” рифлением значения длины зоны передачи предварительного напряжения и анкеровки.
Заключение
Введение новых стандартов (ГОСТ 10884 и ДСТУ 3760, а также многочисленных документов ТУ для стержневой арматуры) заметно снизило ее начальную надежность. Осталось до сих пор нормативно не урегулированным использование нового класса арматуры А(т)500С. Нужно напомнить, что нормы [8] ориентированы только на арматуру, выпускаемую по СТО АСЧМ 7, а рекомендации [9] - по ДСТУ 3760, т.е. не касаются арматуры по ГОСТ 5781 и ГОСТ 10884 (тем более - по различным ТУ), а установленный ими уровень надежности полезно было бы дополнительно обсудить. Возможны потери технологической надежности при использования арматуры с “серповидной” конструкцией рифления поверхности, а также из-за неконтролируемой изготовителями с помощью прямых испытаний свариваемости арматуры. Последнюю до сих пор еще связывают только с химическим составом арматурной стали, но без учета способа упрочнения.
Таким образом, представляется настоятельной потребность реализации следующих мероприятий.
Во-первых, полезно было бы конкретизировать и стандартизировать нужный потребителям уровень начальной надежности арматуры и правила всестороннего контроля установленных требований. Эту задачу нужно решать с учетом практической востребованности конкретных классов арматуры. Подчеркнем, что использование ТУ может быть оправданным лишь как временное, только на период разработки и опытного применения новой арматуры с улучшенными потребительскими свойствами (см., например, ДСТУ Б А.3.1-6).
Во-вторых, следует начать процедуру разработки и внесения в СНиП 2.03.01 комплексного относительно армирования изменения №3 (проект его подготовлен автором).
В-третьих, все более актуальным становится решение задачи стыкования арматурных стрежней:
а) прежде всего с помощью обычного у нас сваривания - на основе соответствующих гарантий изготовителей в части свариваемости;
б) вместе с тем целесообразно активное освоение и широкое использование в строительстве механических способов стыковки (винтовой и, особенно, - с обжатием) взамен сварного.
Бетон и железобетон, 2004 №1