| 24 Декабря 2009

Проектированием армирования во многом определяется расход металла на единицу общей площади здания, что является одним из критериев при выборе инвестором или застройщиком того или иного проектного решения, а следовательно, его исполнителя.

Эффективное армирование в процессе проектирования обуславливается на стадии назначения объемно-планировочной и конструктивной схемы здания и его узловых решений, выбора того или иного вида арматуры и ее соединений, технологии производства арматурных работ.

Объемно-планировочная структура здания назначается архитектором с учетом его эстетических и функциональных особенностей. Этот этап проектирования также является определяющим для выбора конструктивной схемы здания. Учитывая высокую степень ответственности современного строительства принятые проектные конструктивные решения должны не только обеспечить надежность здания при обычных эксплуатационных нагрузках, но также исключить возможные прогрессирующие обрушения при различных экстремальных ситуациях (случайных перегрузках конструкций, взрывах, пожарах, провалах грунта и т. п.). Известно, что любое повышение требований к надежности здания ведет к его удорожанию в основном за счет увеличения сечений и армирования железобетонных конструкций. Также значительно увеличивает армирование железобетонных конструкций зданий увлечение архитекторов большими пролетами перекрытий, что не всегда является необходимым с функциональной точки зрения. Учитывая сказанное, можно сделать заключение о целесообразности выбора компромиссных решений при назначении конструктивной схемы здания, которые становятся возможными только при совместной работе архитектора и конструктора уже на первых этапах проектирования. Иллюстрируют вышесказанное материалы приведенные в таблицах 1 и 2.

Из материалов таблицы 1, полученных из опыта реального проектирования, можно заключить, что в проектах современных монолитных зданий из железобетона с шагом вертикальных несущих элементов до 4,2 мм удельный расход арматуры превышает рекомендуемый Госгражданстроем СССР в 1986 году более чем на 25% и равен расходу в монолитных зданиях таких же пролетов. Здесь же видно, что увеличение шага несущих стен (колонн) может привести к увеличению расхода арматуры более чем на 80%.

Результаты расчетов безбалочных и бескапительных перекрытий каркасных зданий различной этажности при выполнении требований СП 52-101-2003 и с учетом требований исключающих прогрессирующее обрушение, приведенные в таблице 2, убедительно показывают связь удельного расхода арматуры с величинами пролетов и этажностью здания.

Этими расчетами хорошо иллюстрируется очевидный факт, что чем меньше размеры сетки колонн и ниже этажность здания, при равных нагрузках на перекрытие и размерах их сечений, тем меньше требуемые значения относительной высоты сжатой зоны бетона расчетных сечений, а следовательно и их армирование.

На конкретном расчетном примере приведенном в таблице 2 даются практические рекомендации для проектировщиков по выбору пролетности и этажности каркасных зданий с безригельными и бескапительными железобетонными перекрытиями при их эффективном армировании. Эти же материалы могут быть использованы для определения эффективности проектных решений при выполнении их экспертной оценки, например Госэкспертизой.

В случае, когда проектировщики по каким-либо причинам не устраивают приведенные в таблице 2 рекомендации, следует осуществить поиск оптимальных конструктивных решений также обуславливающих эффективный расход материалов и армирование железобетонных конструкций.

Один из примеров такого оптимального конструктивного решения железобетонных перекрытий каркасных зданий приведен в таблице 3.

Здесь результатами расчета иллюстрируется возможность увеличения с 6,2x6,2м до 7,5х7,5 м шага колонн 10-и этажного каркасного здания с безригельным перекрытием, с исходными данными из примера в таблице 2, за счет введения в конструктивную схему надколонных капителей. При этом показывается возможное значительное уменьшение армирования при увеличении высоты капителей. Увеличение удельного объема бетона на 1 м2 площади перекрытия за счет увеличения капителей на 6% позволяет снизить удельный расход арматуры на 26%. Учитывая реальную стоимость бетона и арматуры подобное конструирование перекрытий и его армирования позволит обеспечить значительный экономический эффект.

Другим важным направлением в проектировании эффективного армирования монолитных и сборных железобетонных конструкций зданий без предварительного напряжения является использование арматуры класса прочности 500МПа. Арматура с такой прочностью в больших объемах производится металлургической промышленностью. Ее применение в железобетонных конструкциях регламентируется СП 52-101-2009. Этим документом предусматривается применение двух видов арматурного проката прочности 500МПа отличающихся способами изготовления и нормируемыми прочностными характеристиками.

Так горячекатаная и термомеханически упрочненная арматура объединены в класс обозначаемый буквой «А», холоднодеформированная арматура буквой «В». Снижение расчетного сопротивления для арматуры класса «В» относительно «А» на 5% (415МПа вместо 435МПа) вызвано особенностями свойств холоднотянутой арматурной проволоки Вр-1 по ГОСТ 6727-80 вошедшей с другими видами холоднодеформированной арматуры в этот класс [1].

Учитывая зарубежный опыт проектирования и накопившиеся в последнее время отечественные результаты исследований холоднодеформированного арматурного проката, предлагается ввести изменения в нормативную базу ликвидирующие дискриминацию холоднодеформируемой арматуры и обеспечивающие ее конкурентоспособность относительно горячекатаной и термомеханической арматуры. В стадии обсуждения и согласования концепция классификации арматурного проката по техническим требованиям к его механическим свойствам независимо от способа его изготовления. Предполагается буквенное и цифровое обозначение класса арматуры. Первая арабская буква А или В будет как в СП 52-101-2003 обозначать способ производства арматурного проката. Последующие цифры 400, 500, 600 обозначают нормируемое нормативное сопротивление арматуры в МПа. Затем в классификации будут использованы латинские буквы А, В и С аналогично концепции EN-1992 Еврокод 2 нормирующие пластические свойства арматурного проката, то есть полное относительное удлинение (δmax) при максимальном напряжении.

Кроме этого предполагается также введение в классификацию арматуры требований к ее потребительским свойствам, обеспечивающим высокую эксплуатационную надежность железобетонных конструкций, таким как сцепление с бетоном, свариваемость, коррозионная стойкость, выносливость, морозостойкость и огнестойкость. Основные проектные предложения по классификации арматурного проката представлены в таблице 4.

Таким образом, при проектировании армирования железобетонных конструкций проектировщик будет назначать тот эффективный вид арматурного проката, который необходим для обеспечения заданных эксплуатационных свойств здания. Эти свойства будут отражены в классификационном обозначении арматурного проката и приведены в проектной документации, а следовательно будут обязательны для снабженческих организаций и металлопроизводителей.

Такой подход будет стимулировать металлопроизводителя совершенствовать технологию производства арматурного проката с целью достижения его высоких потребительских свойств декларируемых в проектно-технической документации.

Удачным практическим примером является использование в расчетах и конструировании железобетонных конструкций арматурного проката с серповидным четырехсторонним профилем класса А500СП [2]. Профиль этого проката разработан в НИИЖБ и отличается от всех известных видов, легко узнаваем и исключает пересортицу арматуры на складах и на строительных объектах (рис. 1).

Применение арматуры класса А500СП обуславливает безопасное проектирование железобетонных конструкций с экономическим эффектом. Кроме этого, высокое сцепление с бетоном арматуры класса А500СП позволило учесть этот фактор при составлении нормативных требований по ее применению и обусловило рекомендации по ее предпочтительному использованию при строительстве ответственных зданий и сооружений, а также в сейсмических районах [3, 4, 5].

В настоящее время Центром проектирования и экспертизы переработаны следующие ГОСТы и серии типовых проектов сборных железобетонных конструкций с заменой арматуры класса А400 (А-ΙΙΙ) на А500СП:

- ГОСТ 21924.2-84, 3-84. Плиты железобетонные с ненапрягаемой арматурой для покрытий городских дорог.

- Серия 3.501.1-91 вып.1. Дорожные одежды с покрытиями из сборных железобетонных плит для автомобильных дорог в сложных условиях.

- Серия 1.038.1-1. Перемычки брусковые для жилых и общественных зданий.

- Серия 3.017-3 вып.1. Железобетонные элементы оград (заборов).

- Серия 1.011.1-10 вып.1, 8. Сваи забивные железобетонные. Сваи цельные сплошного квадратного сечения с ненапрягаемой арматурой.

- Серия зданий БСС ГИС плюс 2005. 9-ти этажные панельные жилые здания.

- Серия зданий И-155. Крупнопанельные жилые здания для индивидуального и многократного применения.

- Серия зданий 1.420-12 Колонны. Ригели.

- Серия зданий РС 2261-92. Колонны легкого каркаса.

Снижение расхода арматуры от внедрения указанной проектной документации составляет от 3 до 24%. Значительный экономический эффект достигается в случае использования в практике проектирования и строительства холоднодеформированной арматуры. Технология производства этой арматуры позволяет производить ее с номинальными размерами, минусовыми допусками и с промежуточными диаметрами. Это делает возможным уже в настоящее время значительно, до 16%, снизить расход конструктивной (нерасчетной) арматуры, объем применения которой в армировании железобетонных конструкций может достигать 30%. Рекомендации по применению холоднодеформированной арматуры промежуточных диаметров приведены в материалах Пособия [6].

В практике производства железобетонных конструкций для сборного строительства эффективно применяются унифицированные арматурные изделия в виде сварных каркасов, сеток, закладных элементов и т.п. Для производства этих элементов широко используется отечественное и зарубежное высокопроизводительное оборудование устанавливаемое в арматурных цехах заводов по производству железобетонных конструкций.

В монолитном домостроении также целесообразно использовать унифицированные арматурные изделия, для изготовления которых создаются арматурные участки в специализированных сервисных центрах.

Широкое применение унифицированных арматурных изделий с использованием эффективной арматуры класса прочности 500МПа и холоднодеформированной арматуры промежуточных диаметров позволит не только сократить металлоемкость монолитных железобетонных конструкций, но значительно в 2-3 раза снизить сроки выполнения арматурных работ и повысить их качество.

В Центре проектирования и экспертизы НИИЖБ, совместно с основными производителями арматурного проката и крупными сервисными металлоцентрами, разрабатывается концепция регионального производства холоднодеформированной арматуры и унифицированных арматурных изделий для сборного и монолитного строительства, ведется работа по улучшению качества продукции, ее нормативно-технического сопровождения. Также ведутся работы по комплектации этих производств необходимыми высокопроизводительным оборудованием с учетом потребности региональных строек и особенностей отечественного металлопроката.

Для облегчения процесса проектирования армирования монолитных железобетонных конструкций зданий в Центре проектирования и экспертизы НИИЖБ им. А.А. Гвоздева в 2009 году разработан «Каталог арматурных изделий для строительства монолитных железобетонных зданий». В нем приведены унифицированные арматурные изделия в виде сварных сеток, плоских и пространственных каркасов, отдельных стержней для армирования всех частей зданий из монолитного железобетона. Здесь же показаны преимущества использования арматуры класса А500СП вместо А500С. В этом случае снижение расхода арматуры на изготовление представленных в Каталоге арматурных изделий составило от 3 до 10%.

Широкое применение сварных арматурных каркасов и сеток в монолитном строительстве позволит повысить его безопасность. По результатам анализа причин последних обрушений зданий имеющих прогрессирующий характер (см. статью «Обрушения. Предпосылки и причины» на стр. 41 - прим. редакции) можно сделать заключение об опасности проектирования большепролетных безригельных и бескапительных конструкций перекрытий зданий из монолитного железобетона. В этом случае следует рекомендовать обязательное использование сварных плоских или пространственных каркасов в количестве не менее 30% от общего объема рабочего армирования перекрытия. При этом следует обеспечить непрерывность каркасов по ширине и длине здания путем соединения их ванно-шовной сваркой на стальной скобе-накладке. Каркасы рекомендуется располагать по осям колонн и в зонах максимальных пролетных изгибающих моментов (рис.2). При этом не менее двух плоских каркасов следует располагать внутри каждой колонны по взаимно пересекающимся осевым направлениям.

Учитывая актуальность вышеизложенных задач по эффективному армированию железобетонных конструкций в НИИЖБ подготовлены конкретные предложения для их решения, в том числе и путем внесения дополнительных требований в нормативную документацию по проектированию железобетонных конструкций.

Свариваемая арматурная сталь класса А500СП с эффективным периодическим профилем, улучшающим сцепление с бетоном.