Арматура класса А500СП, практика внедрения в проектирование и строительство

В строительстве замена арматуры класса 400МПа на арматуру класса 500МПа позволяет снизить металлоемкость железобетона на 10% в изгибаемых элементах и до 30% во внецентренно сжатых элементах. Низкое содержание углерода (не более 0,22%) в сочетании с термомеханической обработкой обеспечивает ей улучшенную свариваемость, пластичность, ударную вязкость (хладостойкость). При производстве арматуры класса 500МПа снижаются затраты, т. к. применяется углеродистая сталь обыкновенного качества марок Ст3пс, Ст3сп, Ст3гпс, Ст3гсп вместо низколегированной стали марок 35ГС и 25Г2С, применяемой для производства арматуры класса А400 (АIII).

В Центральном и Южном регионах РФ уже осуществлен в значительной мере переход на применение арматурного проката класса А500С, технические требования к которому регламентированы российскими стандартами ГОСТ Р 52544 и СТО АСЧМ 7-93, а также европейским стандартом EN 10080.

В Уральском регионе потребление арматуры класса 500МПа составляет только половину от всего объема горячекатаной арматуры, а в Сибирском и Дальневосточном регионах России доля заказов на сталь этого класса составляет и того меньше – не более 35% от общего объема потребляемой горячекатаной арматуры периодического профиля для обычного (ненапряженного) железобетона.

В чем причина такого осторожного отношения проектировщиков и строителей Урала и Сибири к арматуре класса прочности 500МПа.

Ряд металлургических заводов производят арматуру класса А500С с серповидным периодическим профилем европейского типа, геометрические размеры которого регламентируются стандартом СТО-АСЧМ 7-93 (рис. 1а). В то же время еще остались металлургические предприятия, выпускающие арматуру класса А500С с кольцевым периодическим профилем по ГОСТ 5781 (рис. 1б). Одновременно строителям поставляется сталь класса А400 (АIII), которая одними заводами изготавливается с профилем по ГОСТ 5781, другими – с серповидным профилем по СТО АСЧМ 7-93, а также термомеханическая арматура по ГОСТ 10884-94 с профилем, визуально неотличимым от профиля по СТО АСЧМ 7-93.

Описанная ситуация может привести к реальной пересортице, факты которой вскрываются лишь на заключительной стадии строительства объектов и приводят к огромным затратам на реконструкцию и усиление. Если на заводах сборного железобетона класс арматурной стали можно определить путем контрольных испытаний в лаборатории, то на дилерских складах и строительных объектах поступление стали от разных поставщиков затрудняет потребителю идентификацию арматуры. Часть таких нарушений остаются необнаруженными. Стремясь оградить себя от риска случайной подмены класса арматуры на стройплощадках, строительные и проектные фирмы отказываются от применения высокоэффективной арматуры класса А500С и выбирают варианты армирования, ориентированные на арматуру класса А400, даже при наличии поставок стали класса А500 [1].

Отметим еще одну немаловажную причину
не столь массового распространения арматуры класса А500С. Проектирование железобетона по нормативному документу СП 52-101-2003, в котором регламентируются расчетные и конструктивные требования к применению арматуры класса 500МПа, приводит в отдельных случаях к увеличению армирования в сравнении с результатами расчета железобетонных конструкций по СНиП 2.03.01-84* с использованием арматуры класса А400(АIII).

Дело в том, что требования к проектированию железобетонных конструкций, отраженные в СП 52-101-2003, более жесткие по назначению критериев, связанных со сцеплением арматуры с бетоном, чем в старом СНиП, приближены к требованиям зарубежных стандартов и отражают сложившуюся ситуацию в производстве арматурного проката. Меньшая площадь смятия серповидной арматуры обусловливает ее меньшую прочность и повышенную деформативность сцепления с бетоном.

Этот фактор учтен в зарубежных и российских современных нормах и требованиях, описывающих влияние на потребительские свойства железобетона. Так, значительно отличаются в большую сторону базовые значения длины анкеровки арматуры (рис. 2).

Расчет по формулам СП 52-101-2003 ширины раскрытия трещин дает большее их значение примерно на 30%, длины зоны передачи напряжения с арматуры на бетон на 25%, длины запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры на 50%, длины анкеров закладных деталей на 25%, также есть ряд ужесточающих отличий в конструктивных требованиях [2].

Учитывая вышесказанное, при проектировании железобетонных конструкций не рекомендуется прямая замена (диаметр на диаметр) арматуры с кольцевым профилем класса А400 (АIII), производимой по ГОСТ 5781 и применяемой в соответствии со СНиП 2.03.01-84*, в типовом проектировании, на арматуру классов А400 и А500С с двухсторонним серповидным профилем, выпускаемым по СТО АСЧМ 7-93, без перепроектирования этих железобетонных конструкций по СП 52-101-2003.

Проектирование железобетонных конструкций с арматурой класса А500С по СТО АСЧМ 7-93 может обеспечить экономический эффект в основном только в сжатых железобетонных элементах и то только при условии наличия на ее поверхности прокатной маркировки, в значительной степени исключающей подмену этой арматуры на арматуру класса А400.

Для эффективного внедрения арматуры прочности 500МПа в НИИЖБ была разработана её разновидность с эффективным периодическим профилем класса А500СП (рис. 1в). Массовое производство стержневого арматурного проката диаметром 10÷40 миллиметров класса А500СП в течение последних лет показало жизнеспособность этого вида арматуры. Внедрение данной арматуры в монолитное и сборное строительство Центрального и Южного регионов РФ стало одной из причин значительного увеличения доли рынка арматуры класса 500МПа перед арматурой класса 400МПа марок сталей 35ГС и 25Г2С.

В связи с умеренной высотой поперечных ребер, чередующимся расположением ребер по взаимно перпендикулярным осям, их серповидным видом и увеличенным шагом расположения по длине стержня обеспечиваются преимущества прокатки. В то же время конструктивные особенности нового профиля позволили установить значение fR=0,075, что определило гарантированную высокую жесткость сцепления с бетоном не хуже, чем у арматуры с кольцевым профилем, и обеспечило максимальную прочность сцепления – выше, чем у известных видов массово производимого арматурного проката.

Результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций, армированных сталью класса прочности 500МПа с двухсторонним и четырехсторонним профилями позволили рекомендовать применение арматуры класса А500СП вместо класса А400 (АIII) путем прямой замены (диаметр на диаметр) без перерасчета по СП 52-101-2003. Эти же исследования позволили также рекомендовать введение изменений в расчетные формулы СП 52-101-2003 для определения
базовой длины анкеровки и ширины раскрытия трещин. Использование данных расчетных рекомендаций и положений СТО 36554501-005-2006 при проектировании железобетонных конструкций с применением арматуры класса прочности А500СП позволит обеспечить реальную экономию арматуры в изгибаемых элементах в среднем на 10÷15%, сжатых до 25% без опасений случайного применения арматуры низкой прочности. Эффективность применения арматурной стали класса прочности 500МПа вместо А400(АIII) показана в табл. 2, 3

По материалам табл. 2 (составлена к.т.н. Мешковым В.З.) видно, что в железобетонных элементах, рассчитываемых по первому предельному состоянию (несущая способность), при проектировании возможна прямая замена арматуры класса А400 (АIII) на А500СП без увеличения базовой длины анкеровки с уменьшением на 1 размер начиная с диаметра 18. В этом случае снижение расхода арматуры составляет от 17 до 22% [2].

Значительное снижение расхода арматуры может быть обеспечено в изгибаемых, центрально-растянутых и внецентренно сжатых железобетонных элементах, проектируемых в соответствии с требованиями второго предельного состояния СП 52-101-2003 (по ограничению ширины раскрытия трещин) в случае замены арматуры класса А400 (АIII) на арматуру А500СП с fR > 0,075 при расчёте по формуле (1):

В этом выражении коэффициент φ2 учитывает влияние профиля арматуры на величину раскрытия трещин в бетоне и принимается равным φ2 = 0,5 для арматуры периодического профиля и φ2 = 0,8 для гладкой арматуры. Как отмечалось в работе [3], о взамодействии арматуры с бетоном косвенно можно судить с помощью относительной площади поперечных ребер ƒR.

Для того чтобы иметь возможность определять ширину раскрытия трещин с учетом изменения степени сцепления арматуры с бетоном, характеризующейся относительной площадью смятия ребра ƒR, предлагается коэффициент φ2 в формуле (1) определять следующим образом:

φ2= 0.8 - 6ƒR (2)

где 0 ≤ ƒR ≤ 0,08; при ƒR > 0,08 величина ƒR принимается равной 0,08.

Такой подход позволяет получить более реальную величину ширины раскрытия трещины, соответствующую конкретной величине ƒR данного профиля арматуры , что видно из графика на рис. 3.

В СП 52-101-2003 принцип расчета длины анкеровки арматуры в бетоне принят по аналогии с евронормами EN 1992-1-1:2003. Основное различие заключается в значениях коэффициентов в расчетных формулах, в частности коэффициента, учитывающего влияние на сцепление вида периодического профиля. В СП 52-101-2003 этот коэффициент принят равным 2,5 для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры периодического профиля. При наличии нескольких видов периодического профиля в данном случае будет затруднительно определить конкретное влияние данного вида профиля на прочность сцепления арматуры с бетоном. Использование параметра fR позволяет в каждом конкретном случае определить геометрические характеристики любого профиля. Зависимость коэффициента η1 от относительной площади смятия профиля fR и относительной длины анкеровки λ = lan/d для арматуры кольцевого, серповидного и четырехстороннего серповидного периодических профилей достаточно хорошо описывается уравнением:

η1=1,73+14 fR; где 0 ≤ fR ≤0,08 (3).

при fR > 0,08 величина fR принимается равной 0,08.

Полученная зависимость коэффициента позволяет определить зависимость профиля арматуры η1 от геометрического параметра сцепления арматуры с бетоном fR,которая позволяет определить длину зоны анкеровки с учетом геометрических параметров периодического профиля [4].

Еще одна возможность снижения расхода арматуры может быть осуществлена в результате учета при проектировании превышения на 3,45% расчетного сопротивления арматуры класса А500СП над расчетным сопротивлением А500С. При подборе диаметров арматуры класса А500 по ее расчетным площадям проектировщик, руководствуясь модульным шагом стержней в сетках, вынужден назначать при любом, даже незначительном превышении расчётной площади арматуры номинальной площади стержней стандартизованных диаметров их большую величину. Так как разница площадей смежных диаметров (от 8 до 40 миллиметров) арматурных стержней находится в диапазоне 21÷56% следовательно вынужденный перерасход арматуры может быть значителен [2].

Применение арматуры А500СП обеспечивает строителей и проектировщиков безошибочным определением класса армирования благодаря оригинальному профилю, а инвесторов экономией металлопроката до 25% в сборном и монолитном железобетоне благодаря высоким расчетным характеристикам по первому предельному состоянию, а также высоким характеристикам сцепления, влияющим на второе предельное состояние.

Вышеперечисленные преимущества арматуры класса 500МПа, в частности А500СП, перед арматурой класса А400 (АIII) должны в ближайшем будущем полностью вытеснить из производства и потребления устаревшие марки стали 35ГС и 25Г2С класса А400 (АIII) как по всей России вообще, так и в Уральском и Сибирском регионах в частности.

Список литературы

1. Тихонов И.Н., Мешков В.З., Гуменюк В.С., Суриков И.Н. Что мешает арматуре? //Металлоснабжение и сбыт. 2005. № 7-8. С. 34-36.

2. Тихонов И.Н. Научно-технический семинар «Снижение стоимости строительства из железобетона путем оптимального проектирования и использования современных технологий обработки металлопроката» // Жилищное строительство. 2009. № 7 С. 2-7.

3. Зикеев Л.Н., Цыба О.О. Трещиностойкость растянутых железобетонных элементов из высокопрочного бетона с арматурой различных профилей // Бетон и железобетон. 2009. №3. С. 8-11.

4. Зикеев Л.Н., Цыба О.О. Сцепление с бетоном и анкеровка ненапрягаемой арматуры с учетом относительной площади ребер // Стройметалл. 2010.№3. C. 11-13.