И.Н.ТИХОНОВ, В.З.МЕШКОВ, Г.Н.СУДАКОВ, кандидаты техн. наук (НИИЖБ), О нормировании анкеровки стержневой арматуры
В настоящее время в РФ значительная часть стержневого арматурного проката наиболее распространенных классов А400 и А500 выпускается с так называемым «европрофилем» с двухсторонне расположенными серповидными поперечными ребрами, форма которого регламентируется СТО АСЧМ 7-93. В западноевропейских странах этот профиль начал широко применяться для стержневой арматуры с начала 70-х годов и к настоящему времени практически полностью вытеснил профили других типов.
До 90-х годов прошлого столетия в нашей стране практически единственным типом периодического профиля стержневой арматуры был профиль так называемой кольцевой конфигурации по ГОСТ 5781 [1]. Требуемая расчетная длина анкеровки арматуры с таким профилем в разные годы назначалась либо без расчета, как равная фиксированному количеству диаметров рабочей арматуры (25.. .45)ds [2,3], либо (позже) определялась расчетом [4, 5] дифференцированно, в зависимости не только от прочности материалов, но и от напряженного состояния окружающего бетона.
По сравнению с «кольцевым» профилем по ГОСТ 5781, геометрия серповидного профиля имеет ряд преимуществ, относящихся к технологичности в современном прокатном производстве. Так, частое расположение поперечных, пересекающихся с продольными, ребер арматуры по ГОСТ 5781 обусловливает ускоренный износ и, следовательно, большой расход дорогостоящих чугунных валков чистовых клетей прокатного стана. Это связано с тем, что в процессе нарезки формующих поперечные ребра канавок на поверхности рабочих калибров валков неизбежны удары при входе рабочего инструмента, которые способствуют образованию микротрещин в хрупком металле валка. При прокатке арматуры на этих участках калибров происходит постепенное выкрашивание чугуна, искажающее форму ребер, в результате чего продукция перестает соответствовать стандарту.
Плавное изменение высоты серповидных поперечных ребер и отсутствие их пересечений с продольными ребрами позволяет также несколько повысить выносливость стержней при воздействии многократно повторяющихся нагрузок.
Существенным недостатком серповидного профиля является сниженная, по сравнению с кольцевым профилем, прочность и жесткость сцепления арматурных стержней с бетоном вследствие меньшей площади смятия поперечных ребер при их увеличенном шаге. Это нашло отражение в нормах проектирования европейских стран. В международных рекомендациях ЕКБ-ФИП 1970 г. и в ряде последующих редакций проекта Еврокода [6, 7, 8] расчетные базовые длины анкеровки арматуры в 1,3...2 раза выше, чем регламентируемые СНиП 11-21-75 и СНиП 2.03.01-84. Эти требования в практически неизменном виде сохраняются в европейских нормах и поныне. Большой объем зарубежных публикаций по исследованиям сцепления за этот период [9] свидетельствует о научной обоснованности таких требований к арматуре с «европрофилем», который уже несколько десятилетий является основным в странах Западной Европы. Это явствует из диаграммы на рис.1, где в ретроспективе приведены значения базовых длин анкеровки арматуры периодического профиля класса А400 (420) диаметром до 20 мм в бетоне класса В25 (М350), установленные нормами проектирования разных стран.
Если на том же рисунке проследить эволюцию требований к длинам анкеровки в нормах проектирования США (ACI318), то очевидно, что в версиях 1970 и 1983 гг. базовые значения длин анкеровки стержневой арматуры в среднем довольно близко соответствует таковым в СНиП 11-21-75, а в действующей в настоящее время версии ACI 318 требуемые длины анкеровки выросли примерно на 70%. Следует заметить, что в США для стержневой арматуры традиционно использовался периодический профиль с поперечными ребрами постоянной высоты, в том числе кольцевой, который и по сей день занимает превалирующее положение в общем объеме применяемой там стержневой арматуры. В последние два десятилетия, как следствие экономической глобализации, профили других видов стали проникать на рынки и США, и стран их традиционного технического влияния. Резонно предположить, что это явилось одной из причин введения в нормы США существенно более консервативных требований к длинам анкеровки и нахлестки.
В России и ближнем зарубежье широкому распространению серповидного профиля также способствовали, с одной стороны, ориентация металлургических предприятий в начале 90-х годов на экспорт большей части проката, а с другой - популярная в то время тенденция к излишне прямолинейному пониманию стратегии гармонизации нашей технической политики с установками развитых западных государств.
В течение ряда лет по трудно теперь объяснимым причинам худшее сцепление с бетоном арматуры с этим видом профиля оставалось как бы незамеченным. Длины заделки и нахлестки арматурных стержней продолжали рассчитывать по формулам СНиП 2.03.01-84 несмотря на то, что нормы проектирования западных стран предъявляют значительно более строгие требования к этим параметрам.
Известно, что требования СНиП 2.03.01-84 создавались на базе глубоких экспериментальных и теоретических научных разработок по сцеплению для арматуры с кольцевым периодическим профилем. Именно этот профиль в 40...50-х годах был выбран как стандартный в СССР из многообразия применяемых за рубежом профилей, в том числе и с серповидными ребрами. Критериями такого выбора была необходимость максимального укорочения длины анкеровки и передачи преднапряжения в сборных изделиях с ограниченными габаритами опорных зон [10], а также общая тенденции к снижению металлоемкости конструкций.
Несмотря на то, что серповидный профиль был энергично включен в стандарты РФ уже к 1993 г., о «гармонизации» нормирования требований к длинам анкеровки и нахлестки вспомнили только через десятилетие. В Украине и Беларуси были проведены исследования, убедительно доказавшие справедливость требований европейских норм (EN 1992-1-1, Eurocode2), а также то, что «расчетные зависимости СНиП 2.03.01-84 не могут быть использованы для расчета длины анкеровки арматуры серповидного профиля как не обладающие требуемой надежностью» [11]. В нормах Беларуси БНБ 5.03.01-02 [12] и в украинских Рекомендациях [13], составленных в дополнение к СНиП 2.03.р1-84, расчет анкеровки производится практически в полной аналогии с Еврокодом 2.
Наконец, с 2004 г. были изменены в сторону увеличения требования к длине анкеровки и в строительных нормах РФ, что нашло отражение в своде правил по проектированию и строительству «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения» (СП 52-101 2003). В этом документе применен метод расчета длин анкеровки и нахлестки, принятый в Еврокоде 2. Базовую длину анкеровки предлагается определять по формуле
Правда, в формуле СП 52-101 - 2003 коэффициент г?1 принят большим против соответствующих значений в Еврокоде 2 и в упомянутых нормативных документах Беларуси и Украины.
Введение в свод правил СП 52- 101 -2003 довольно умеренного повышения длин анкеровки арматуры было вызвано, по-видимому, соображениями конъюнктурного характера. В отличие от европейских стран, где серповидный профиль занял практически монопольное положение на рынке арматуры, в России, где число производящих арматуру металлургических предприятий велико, продолжают мирно уживаться и серповидный профиль, и традиционный кольцевой профиль по ГОСТ 5781. Это положение допускается действующими стандартами и ТУ на арматурный прокат. Стержневая арматура практически любого класса может иметь один из этих профилей, и следовательно нереально гарантировать проектировщику, что на объект будет поставляться арматура только одного профиля в весь период строительства. Поэтому было сочтено целесообразным принять унифицированное требование к базовой длине анкеровки, дающее некое компромиссное значение 10 ап для всех применяемых профилей. Очевидно, однако, что при этом оказалась необоснованно сниженной степень надежности конструкций, армированных стержнями с двухсторонним серповидным профилем.
В СП 52-101 -2003 внесен новый класс арматуры А500 для обычного железобетона. Свариваемая арматура этого класса (А500С) общепризнанно обладает оптимальным сочетанием потребительских характеристик. Применение такой арматуры взамен арматуры класса А400 дает ощутимый экономический эффект, и в перспективе она может занять превалирующее положение в структуре потребления арматурного проката.
Нами проведено сравнение группы основных положений учета сцепления и анкеровки, содержащихся в различных нормах проектирования, с аналогичными требованиями СНиП 2.03.01-84.
В таблице приводятся результаты этого сравнительного анализа для случая наиболее часто встречающегося сочетания бетона класса В25 и арматуры класса А500 диаметром 16 мм (растянутых стержней) в условиях нагрузок непродолжительного действия. Следует заметить, что помимо рассмотренных в таблице параметров эффективность профиля арматуры и способ учета сцепления влияют также и на расчет ширины раскрытия трещин, длины зоны передачи предварительного напряжения на бетон, длины заведения обрываемых в пролете стержней за точку теоретического обрыва, на расчет усилия, воспринимаемого анкеру- емым стержнем, в том числе за наклонной трещиной и др.
Выявлено, что в соответствии с положениями свода правил по всем позициям проведенного сравнения для обеспечения надлежащего уровня надежности требуется увеличивать объем армирования стыков и иных зон ответственности по сцеплению на 30% и более по сравнению с расчетами по СНиП 2.03.01-84. При этом переход на новую модель расчета все еще не обеспечивает уровень надежности, установленный в европейских, украинских или белорусских нормах. Имеется в виду, что в своде правил для расчетного сопротивления сцепления Rbond в СП введен общий для всех видов профиля коэффициент г/., =2,5 против коэффициента 1,16...2,25 в Еврокоде 2. При расчете по Еврокоду соответствующие расчетные длины оказываются в зависимости от условий бетонирования элемента в 1,5.. .2 раза выше требуемых по СНиП 2.03.01-84.
По ориентировочным подсчетам, использование установленной сводом правил процедуры расчета анкеровки и нахлестки применительно ко всей массе стержневого арматурного проката приведет к ежегодному дополнительному расходу стали, составляющему в денежном выражении сумму порядка 4. ..5 млрд. руб. Более того, увеличение длин анкеровки в положениях СП 52-101-2003 относительно предшествующего СНиП 2.03.01- 84 заставляет рассматривать как не отвечающие современным требованиям по надежности уже возведенные сооружения, рассчитанные и запроектированные по СНиП 2.03.01-84, в которых применена стержневая арматура с профилем европейского типа по СТО АСЧМ 7-93.
Представляется, что избежать дальнейшего негативного развития сложившейся ситуации можно было бы путем создания и внедрения в нашей стране такого арматурного проката, периодический профиль которого сочетал бы в себе основные преимущества «европрофиля» с одновременным сохранением высокой эффективности сцепления на уровне профиля по ГОСТ 5781.
В НИИЖБе специально для арматуры класса прочности 500 МПа был разработан оригинальный арматурный профиль (патент РФ №2252991) с условным названием «серповидный четырехсторонний», который, объединяя в себе положительные особенности как кольцевого, так и серповидного профилей, имеет показатели прочности сцепления с бетоном даже более высокие, чем у профиля по ГОСТ 5781. Кроме того, он позволяет без прокатной маркировки специальных символов безошибочно идентифицировать класс прочности арматуры на поверхности стержней (рис.2), что практически исключает возможность случайного попадания в конструкции арматуры низшего класса прочности. Заметим, что целесообразность придания индивидуальной формы профиля для арматурного проката различной прочности подчеркивалась проф. А.А. Гвоздевым еще в 1955 г. [14], что позднее и было у нас реализовано применительно к классу A-III. Этот способ идентификации класса арматуры благополучно используется в Германии и по сей день.
По сравнению с двухсторонним серповидным, новый профиль позволяет при той же высоте поперечных ребер повысить их относительную площадь смятия fR в 1,3... 1,4 раза при том что шаг ребер в каждом ряду возрастает на 10... 15%. Увеличенный шаг расположенных вразбежку поперечных выступов облегчает внедрение между ними зернам крупного заполнителя, что повышает и прочность, и жесткость сцепления. Четырехрядная компоновка ребер делает распределение расклинивающих бетон усилий распора, возникающих в зонах анкеровки или нахлестки арматуры, более равномерным по контуру сечения стержня.
Как показали опытно-промышленные прокатки арматуры с новым профилем, уменьшение более чем в два раза, по сравнению с профилем по ГОСТ 5781, количества поперечных ребер, пересекающихся с продольными, а следовательно увеличение более чем в два раза расстояния между ними, позволило исключить образование вышеописанных дефектов чугунных валков, повысить их износостойкость и обеспечить стабильно качественное нанесение периодического профиля.
Преимущества формы нового профиля подтвердили проведенные в НИИЖБе сравнительные исследования взаимодействия с бетоном стержней с кольцевым профилем по ГОСТ 5781, с серповидным двухсторонним по СТО АСЧМ 7-93 и новым (серповидным четырехсторонним) [15, 16]. Также обнаружена способность стержней с новым профилем при определенных условиях сохранять максимально достигнутую прочность сцепления даже при значительных пластических деформациях стержней при напряжениях на уровне предела текучести и даже выше. В аналогичных условиях стержни и серповидного двухстороннего, и кольцевого профиля теряют прочность сцепления при значительно меньших пластических деформациях. Это означает, что затрата энергии на разрушение сцепления (энергоемкость сцепления) при испытаниях на вытягивание, которая на рис.З выражена как площадь под диаграммой растяжения загруженного конца стержня, для нового профиля заметно выше. Это очень существенный фактор увеличения стойкости конструкции против прогрессирующего разрушения в условиях запредельной (катастрофической) стадии работы.
Усталостные испытания различных образцов проката показали, что по выносливости стержни с новым профилем не уступают стержням с профилем по СТО АСЧМ 7-93. Это объясняется более чем вдвое уменьшенным, по сравнению с ГОСТ 5781, числом пересечений продольных и поперечных ребер, а также исключением замкнутости формы поперечных ребер (высота всех ребер плавно сводится на нет).
К новому профилю проявили интерес современные металлургические предприятия, для которых в экономическом плане весьма выгодно расширение производства проката прочностью 500 МПа. Западно-Сибирский металлургический комбинат, поставляющий около 30% всей ненапрягаемой арматуры в России, уже в 2006 г. значительную часть арматурного проката этой прочности будет производить с четырехсторонним серповидным профилем по ТУ 14-1- 5526-2006 «Арматурный прокат класса А500СП с эффективным периодическим профилем».
Выводы
Изложенные выше соображения указывают на целесообразность корректировки свода правил СП 52- 101-2003, позволяющей дифференцировать требования к анкеровке стержневой арматуры периодического профиля в зависимости от вида профиля, отказавшись от унифицированного подхода. Так, для двухстороннего серповидного профиля, на наш взгляд, следовало бы принять во внимание заграничный опыт применения подобного профиля и установить требования к длинам анкеровки и нахлестки, идентичные таковым Еврокода 2 и норм стран ближнего зарубежья.
Для профилей с более интенсивной по сцеплению формой (кольцевого по ГОСТ 5781 и серповидного четырехстороннего) требования к значениям длин анкеровки и нахлестки могли бы быть максимально приближены к тем, которые содержались в СНиП 2.03.01-84. Принятая в Своде правил рациональная и простая в применении методика расчета длин анкеровки и нахлестки позволяет легко это реализовать.
Предлагается в пункте 8.3.21 СП 52-101 -2003 установить отдельные требования для двух групп периодических профилей горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры:
- серповидного двухстороннего профиля по СТО АСЧМ 7-93 и ГОСТ 10884;
- кольцевого профиля по ПОСТ 5781 и нового серповидного четырехстороннего профиля по ТУ 14-1 - 5526-2006.
Коэффициент т1 в формуле 8.2, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, может быть принят равным 2,25 для арматуры с профилями первой группы и 3,0 для арматуры с профилями второй группы.
Учитывая указанные недостатки кольцевого профиля по ГОСТ 5781, следует рекомендовать металлургам сокращать его производство, а строителям не применять арматуру с этим профилем в ответственных зданиях и сооружениях, подвергающихся при эксплуатации динамическим нагрузкам и проектируемых с учетом исключения возможности прогрессирующего обрушения.
Бетон и железобетон, 2006 №3