С.А.МАДАТЯН, д-р техн. наук, проф. (НИИЖБ), Нормативные и расчетные сопротивления арматуры
Арматура железобетонных конструкций является непрерывно прогрессирующим материалом как по объемам производства и применения, так и по механическим свойствам и показателям качества и долговечности [1].
Общий объем производства арматуры в мире в 2003 г. превысил 85 млн.т, а средний уровень ее нормативного предела текучести приблизился к 500 Н/мм2 за счет перехода всех европейских стран на арматуру класса В500 (А500С) и повышению условного предела текучести высокопрочной напрягаемой арматуры до 1500-1700 Н/мм2.
В России в 2005 г. ожидается применение около 3,5 млн.т стальной арматуры всех видов, в том числе около 300 тыс.т стержневой и проволочной напрягаемой арматуры. В нашей стране также осуществляется замена всех видов малоэффективной арматуры периодического профиля на унифицированную свариваемую арматуру класса А500С (В500С) [1,2,3]. Сортамент и нормируемые характеристики механических свойств основных видов арматуры железобетонных конструкций приведены в табп.1.
Вместе с тем широкому и эффективному применению новых современных видов арматуры, наряду с технологическими проблемами, препятствует отставание нормативной и проектной документации. В настоящее время действуют СНиП 2.03.01-84, московские территориальные нормы ТСН102-00 и «Рекомендации НИИЖБ по применению в железобетонных конструкциях термомеханически упрочненной свариваемой стержневой арматуры новых видов» [4,5,6].
Утверждены и вышли из печати новые СНиП 52-01-03 «Бетонные и железобетонные конструкции»[7] и Свод Правил по проектированию и строительству СП 52-101 -2003 « Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры» [8]. Ряд положений этих документов в части нормативных и расчетных сопротивлений и условий применения новых эффективных видов арматуры отличается от рекомендаций СНиП 2.03.01-84 и ТСН 102-00.
Поэтому задачей настоящей статьи является представление и обсуждение данных о нормативных и расчетных сопротивлениях основных видов арматуры железобетонных конструкций, принятых в действующих и во вновь разработанных нормативных документах, с тем чтобы способствовать переходу на повсеместное применение унифицированной свариваемой арматуры периодического профиля с пределом текучести ат > 500 Н/мм2 вместо других менее прочных видов арматуры.
Высокие нормативные показатели механических свойств арматурной стали класса А500С основываются на статистических данных о механических свойствах и определяются нормами стандарта СТО АСЧМ 7-93.
Результаты вероятностного анализа 2312 испытаний термомеханически упрочненной арматурной стали класса А500С диаметром 6-40 мм [2], поставленной семью основными металлургическими заводами, приведены в табл.2 и показывают, что механические свойства этой арматурной стали отвечают нормам СТО АСЧМ 7-93, а коэффициенты вариации величины ат(а0 2) и ств не превышают 0,08 и 0,07.
Исходя из данных об изменчивости предела текучести ат(а0 2) (см.табл.2), нормативное сопротивление Rsn= 500 Н/мм2 термомеханически упрочненной арматуры класса А500С обеспечивается с 98%-ной вероятностью, что выше общепринятой для стального проката (95%).
Аналогичные данные получены по горячекатаной арматуре этого класса производства Чусовского металлургического завода [3]. По результатам 847 испытаний холоднодеформированной арматурной стали класса В500С (А500Схд) диаметром 6-12 мм производства ОАО «Моспромжелезобетон» средние величины условного предела текучести а0 2 и временного сопротивления ав составили соответственно 598 Н/мм2 и 656 Н/мм2.
Расчетные сопротивления арматуры в соответствии с общепринятыми нормами определяются по формуле (10) СНиП 2.03.01 -84
Причем величина коэффициента надежности по арматуре ys определяется директивным методом на основании анализа комплекса факторов и с учетом статистических данных.
Судя по приведенным в табл.2 данным, принятые в ТСН 102-00 для термомеханически упрочненной арматуры класса А500С расчетные сопротивления Rs= Rsc=450 Н/мм2 обеспечиваются с вероятностью более чем 99,9%.
В СП 52-101-03 расчетные сопротивления обычной ненапрягае- мой арматуры классов А240, АЗОО, А400, А500С и В500 несколько снижены по сравнению с принятыми в СНиП 2.03.01.84 и ТСН 102-00 за счет увеличения коэффициентов надежности по арматуре ys соответственно до 1,12; 1,11; 1,13; 1,15 и 1,20 (см.табл. 3). При этом соотношение расчетных сопротивлений Rs арматуры классов А500С и А400 почти не изменилось и составило 1,225 вместо 1.233 по ТСН 102-00 и СНиП 2.03.01-84.
Исходя из приведенных выше в табл.2 статистических данных о пределе текучести стали класса А500С, принятые в СП 52-101-03 (см.табл. 3) значения Rsn, Rs и Rsc для этой арматурной стали представляются заниженными. Однако при установлении расчетных сопротивлений арматуры приходится считаться и с другими факторами. В частности, учитывать соотношение ов/ат, которое у горячекатаной арматуры класса А400 (А-Ill) = 1,5, у термомеханически упрочненной арматуры класса А500С около 1,2, а у холоднодеформированной В500С (А500Схд по ТСН 102-00) составляет 1,05-1,1 (см. рисунок и табл.1).
При этом Еврокод 2 для предельных состояний первой группы устанавливает для всех видов обычной и напрягаемой арматуры единые значения ys=1,15 с возможностью снижения его до 1,1 при высоком уровне контроля качества и уменьшении допусков на размеры железобетонных элементов и расположения в них арматуры.
Классы А, В и С определяют области применения арматурной стали. В частности, класс С рекомендуется применять в конструкциях, возводимых в сейсмических районах, и в конструкциях, где по условиям эксплуатации необходима высокая пластичность арматуры.
По соотношению ав/ат (f,/fy) и 8max(euk) отечественная горячекатаная и термомеханически упрочненная арматура класса А500С (см.табл.1) относится к категории С, а холоднодеформированная класса В500С к категории А. Соответственно следует принимать и коэффициент ys не более 1,15 для этих видов арматуры.
Вместе с тем, принятые в СП 52- 101-03 расчетные сопротивления холоднодеформированной арматуры класса В500С снижены на 10% по сравнению с нормами ТСН 102-0 и на 6% по сравнению с принятыми в СП 52-101-03 значениями Rs горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры класса А500С (см.табл.3). Они унифицированы с расчетными сопротивлениями холоднодеформированной проволоки Вр-1 диаметром 3-5 мм, выпускаемой по ГОСТ 6727 с массой 1 п.м. на 6,7-7,2% ниже номинальной.
Для холоднодеформированной арматуры класса В500С (А500Схд по ТСН-102-00) диаметром 6-12 мм, выпускаемой по ТУ, а в дальнейшем по новому ГОСТ РФ, и имеющей допуски на массу 1 п.м. такие же и даже меньше, чем у горячекатаной и термомеханически упрочнённой арматуры класса А500С, расчетные сопротивления должны быть одинаковыми с расчетными сопротивлениями арматуры класса А500С,как это принято в ТСН 102-00.
Состоявшийся полный переход всех европейских стран на унифицированную свариваемую арматуру периодического профиля с пределом текучести ат > 500 Н/мм2 был основан на трех обстоятельствах:
повышение безопасности железобетонных конструкций;
упрощение работы строителей и проектировщиков;
значительная экономия металла за счет более высокого предела текучести стали класса А500С.
Теоретически и экспериментально было доказано [1], что самым главным условием надежности железобетонного элемента при переходе на сталь класса А500С (В500С) является исключение хрупких разрушений рабочей арматуры за счет низкого (до 0,22%) содержания углерода и углеродного эквивалента, не превышающего 0,5%, в сочетании с уникальной технологией термомеханического упрочнения стали в потоке проката или механического упрочнения и микролегирования. Поэтому при сертификационных испытаниях арматурной стали класса А500С проверяется не только прочность сварных соединений при их растяжении или срезе, но и угол изгиба для крестообразных сварных соединений всех видов.
Статистические данные о прочности различных видов сварных соединений арматурной стали класса А500С, полученные в результате анализа результатов сертификационных испытаний продукции семи металлургических предприятий, приведены в табл. 4, где указаны величины коэффициентов разупрочнения (отношение временного сопротивления сварных соединенийов св к временному сопротивлению исходного металла ав исх) и средние фактические значения ов
Из табл. 4 видно, что образцы сварных соединений с относительно небольшим тепловложением (нагревом) - крестообразные соединения, выполненные контактно-точечной и ручной дуговой сваркой, стыковые соединения, выполненные ручной дуговой сваркой протяженными швами и ванно-шовной на скобе накладке, а также контактной стыковой сваркой по «жесткому режиму» - практически не имеют разупрочнения, и почти все испытанные образцы разрушались по основному металлу вдали от места сварки
Контактно-стыковые соединения, выполняемые по «мягкому режиму» (с большим тепловложением), имеют степень разупрочнения исх Д 0.91-0,93, но абсолютные значения ов св при этом существенно выше 60б Н/мм2.
Все крестообразные сварные соединения, в том числе выполненные дуговыми прихватами, выдержали изгиб до 180° вокруг оправок диаметром 5d и 6d без трещин и переломов, что подтверждает уникальную локальную пластичность стали класса А500С.
Действующие и вновь разработанные нормативные документы по проектированию и изготовлению железобетонных конструкций с эффективными видами стержневой и проволочной арматуры, несмотря на имеющиеся в них некоторые несовершенства и расхождения, позволяют широко использовать в железобетонных конструкциях горячекатаную и термомеханически упрочненную унифицированную свариваемую стержневую арматуру класса А500С диаметром 6-40 мм.
Для такого же эффективного применения холоднодеформированной арматуры класса В500С, поставляемой диаметром 6-12 мм в мотках или стержнях с массой 1 п.м. и механическими свойствами, регламентированными СТО АСЧМ 7-93 для арматуры класса А500С, в СП 52- 101-2003 необходимо унифицировать её расчетные сопротивления с расчетными сопротивлениями арматуры класса А500С диаметром 6-40 мм, как это сделано в ТСН 102-00.
Бетон и железобетон, 2005 №3