CC BY
52Расчет конструкций
щи
л
УДК 692.522.2
И.Н. ТИХОНОВ, канд. техн. наук, зам. директора, руководитель Центра проектирования и экспертизы НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (Москва)
Актуальные вопросы проектирования безбалочных перекрытий из монолитного железобетона
Приведены основные проблемы строительства из монолитного железобетона, от которых зависит безопасность и долговечность зданий и сооружений: отсутствие четких рекомендаций по конструктивным решениям и армированию монолитных железобетонных перекрытий; использование вязаных сеток и каркасов; применение гладкой арматуры для поперечного армирования.
Ключевые слова: безбалочные перекрытия, бескапительные перекрытия, армирование, вязаные каркасы.
Строительство из монолитного железобетона приобрело массовый характер в России с начала 1990-х гг. До этого времени предпочтение отдавалось сборному железобетону как индустриальному виду строительства. Сборное домостроение позволило успешно решать жилищные проблемы того времени с регулируемыми государством высокими технико-экономическими показателями.
Отстранение государства от регулирования технико-экономических показателей строительства и установление рыночных отношений в нем позволило раскрыться творческому потенциалу архитекторов и проектировщиков в создании нового архитектурного облика застройки городов.
Решение сложных объемно-планировочных задач, поставленных архитекторами перед строителями, стало возможным только путем широкого использования методов монолитного домостроения.
К сожалению, в России в 1990-е гг. сложилась такая ситуация, когда потребности монолитного строительства не обеспечивались возможностями нормативно-технической базы. Вся известная к тому времени отечественная нормативно-техническая и учебная литература была ориентирована в основном на проектирование и строительство зданий и сооружений из сборного железобетона. Следует отметить также отсутствие практического опыта проектирования и строительства в России жилых зданий из монолитного железобетона.
Указанные недостатки проявились в случаях обрушений конструкций зданий из монолитного железобетона, которые в последнее время приобрели систематический характер.
Для раскрытия внутреннего пространства зданий с целью свободной планировки помещений архитекторы назначают большие расстояния между основными вертикальными несущими элементами - колоннами, стенами. При этом, для обеспечения плоских потолков широко используются безбалочные и бескапительные конструктивные решения перекрытий, обусловливающие при пролетах более 6 м, опасность лавинообразного прогрессирующего обрушения при экстремальных аварийных ситуациях [1]. Анализ разрушений монолитных железобетонных перекрытий подземных гаражей с эксплуатируемой кровлей выявил основные причины. Наряду с ошибками при проектировании следует отметить одну из основных причин - отсутствие четких рекомендаций по конструктивным решениям и армированию монолитных железобетонных перекрытий,
обеспечивающих несущую способность и исключающих прогрессирующее обрушение.
Одной из рекомендаций, обеспечивающих живучесть перекрытий при экстремальных ситуациях, является использование известных капительных и балочных решений их опирания на колонны, которые могут быть также экономически целесообразными [2].
Такие решения позволяют в наиболее опасных зонах перекрытий опирания на колонны исключить вынужденное в случае малой толщины плиты, переармирование сечений, когда > обеспечивают необходимое сопротивление этих зон продавливанию; повышают трещиностойкость; снижают деформативность перекрытий. В случае неприемлемости, по каким-либо соображениям такого решения, следует обратить внимание на конструирование армирования монолитных железобетонных перекрытий.
В настоящее время в РФ армирование монолитных конструкций зданий осуществляют, как правило, соединенными вязкой прямолинейными стержнями (расчетная и конструктивная арматура) и гнутыми стержнями (хомуты, шпильки, п-образные и г-образные доборы и т. п.). Точность конфигурации и размеров вязаных арматурных сеток и каркасов обычно бывает далеко не идеальной. При этом в сплошных плитах высотой менее 300 мм на участках элемента, где поперечная сила по расчету воспринимается только бетоном, поперечную арматуру допускается не устанавливать [3]. Иногда монолитные перекрытия армируют сетками и каркасами из отдельных стержней, соединенных между собой вязальной проволокой только в редких отдельных точках, а по длине в местах соединений - нахлесткой вообще без связки.
В практике проектирования армирования плоских железобетонных монолитных перекрытий с целью экономии арматуры при использовании сварных сеток допускается переменное армирование в двух направлениях в соответствии с эпюрой моментов или же использование разноразмерных сеток, накладываемых друг на друга в зоне максимальных изгибаемых моментов. В случае использования вязаной арматуры в плитах толщиной более 120 мм рекомендуется применять так называемое непрерывное армирование, когда часть пролетных стержней переводится на опоры путем отгиба их в плитах толщиной до 150 мм под углом 30о, толщиной до 160 мм и более - под углом 45о [3].
щи
I
Расчет конструкций
Как показывают результаты опытов на балках, выполненные в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева в последнее время, выше приведенные рекомендации по проектированию вполне обоснованы и актуальны. Незакрепленные сваркой и оборванные в приопорной зоне отдельные стержни даже при наличии поперечной арматуры, а тем более при ее отсутствии, при локальных нагружениях этих зон поперечной силой могут быть причиной резких хрупких разрушений по наклонному сечению. Их концы из-за больших распорных усилий и нагельного (отрывного) эффекта обусловливают образование продольных, направленных вдоль и под углом к оси обрываемой арматуры, трещин. В результате образования трещин конец арматурного стержня откалывает защитный слой и освобождается от сцепления с бетоном, а сам оборванный в пролете стержень не используется в расчетных приопорных сечениях с полным сопротивлением (по результатам исследований инж. И.П. Саврасова).
В практике реального проектирования при вязаной рабочей арматуре дополнительные стержни, требующиеся по расчету, как надопорные, так и пролетные, обрывают в пролетах без отгибов и концевых крюков.
Такое конструирование вязаного армирования при практическом отсутствии пролетного и наличия слабого приопорного поперечного армирования, выполняемого зачастую из гладкой арматуры класса А240 (А-l), является ненадежным с точки зрения прогрессирующего обрушения. Вынужденное из-за малой толщины переармирование опорных и пролетных зон безбалочных и бескапительных перекрытий с наличием значительного количества сжатой арматуры и слабым вязаным поперечным армированием при аварийных ситуациях также может служить причиной местных надопорных и пролетных разрушений, а вместе с указанными выше недостатками пролетного армирования обусловливать прогрессирующее обрушение всего здания.
Анализ характера разрушения перекрытий, лавинообразно обрушившихся в Москве подземных гаражей, подтвердил правильность вышесказанного. Выявлено наличие на опорных и пролетных участках горизонтального расслоения бетона с отделением верхних и нижних зон армирования и полным освобождением от бетона верхней и нижней арматуры (рис. 1). Очевидно, что это стало возможным по причине отсутствия надежного поперечного армирования и наличия переменного вязаного армирования по длине перекрытия, а также переармирования опорных и пролетных сечений с присутствием высокого процента сжатой арматуры, практически незакрепленной от выпучивания.
Указанные недостатки в конструировании армирования монолитных железобетонных перекрытий могут быть также причиной их разрушений при пожарах. В результате из-за теплового расширения арматуры защитный слой бетона вместе с незакрепленной поперечными связями продольной арматурой отрывается вместе с ней. При этом арматура либо выпадает целиком, либо провисает, полностью иск-лючаясь из работы.
Таким образом, напрашивается вывод о целесообразности использования при армировании монолитных безри-гельных и бескапительных перекрытий сварных соединений арматуры.
В настоящее время применение сварки арматуры на стройплощадке - крайне редкое и даже небезопасное решение. Это связано с тем, что из-за отсутствия внешнего отличия свариваемой арматуры класса А500С по
Рис. 1. Характер разрушения безбалочной, бескапительной железобетонной монолитной плиты перекрытия с вязаной арматурой при аварийных нагрузках
ГОСТ Р 52544-2006 «Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500С и В500С для армирования железобетонных изделий. Технические условия» от арматуры класса А400 (А-111 из 35ГС и 25Г2С) по ГОСТ 5781-82 «Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия», выпускаемой с таким же профилем, пересортица арматуры на площадке, к сожалению, не исключена.
Запрещенное применение сварки дуговыми прихватками при фиксации стержней арматуры из стали 35ГС может привести к опасному снижению эксплуатационной надежности железобетонных конструкций из-за хрупких разрушений металла в местах сварки.
За рубежом при армировании монолитного железобетона широко используют заранее заготовленные сварные сетки, плоские и пространственные каркасы, поставляемые арматурными сервисными центрами, оснащенными высокопроизводительным сварочным оборудованием. Армирование готовыми сварными каркасами монолитных перекрытий намного эффективнее для повышения огнестойкости и огнесохраннос-ти. Особенно целесообразно применение такого армирования в зданиях повышенной ответственности, конструкции которых должны противостоять прогрессирующему обрушению при воздействии сверхнормативных нагрузок или внезапном выходе из строя отдельных конструктивных элементов.
В широко распространенных монолитных зданиях с перекрытиями в виде плоских плит наиболее действенным с позиции предотвращения катастрофических обрушений
il«M
Л
Расчет конструкций
го монолитного перекрытия сварными каркасами: К-1 — пролетный каркас; К-2 — надопорный каркас
перекрытий средством является включение в армирование плиты полосовых ортогональных связей в виде непрерывных по всей ширине и длине перекрытия отдельных стержней, преднапрягаемых канатов с натяжением на бетон, а также сварных пространственных каркасов.
При таком армировании в случае выхода из строя отдельных промежуточных опор или возникновения иных причин значительной сверхнормативной нагрузки на перекрытие плита не обрушивается на нижележащие конструкции, а лишь претерпевает большие прогибы, повисая, как на гибких нитях, на верхних и нижних непрерывных стержнях каркасов ортогональных связей. Естественно, наибольший эффект будет достигнут, если образующие эти связи стержни будут объединены в сварные каркасы, соединенные между собой по длине также на сварке.
Учитывая актуальность рассматриваемой проблемы безопасности монолитного домостроения, следует реализо-
Рис. 3. Поражение коррозией стержней нижней арматурной сетки монолитного железобетонного перекрытия подземной автостоянки. Максимальная потеря сечения 90%
вать указанные предложения в первую очередь при проектировании и строительстве ответственных зданий, и обязательно для зданий, строящихся в сейсмоопасных районах.
В НИИЖБ им. А.А. Гвоздева подготовлены дополнения в нормативные документы монолитного и, в том числе, сейсмостойкого строительства.
Предполагается внести в эти документы для монолитных безбалочных перекрытий дополнительные обязательные требования в следующей примерной редакции: «Рекомендуется в каждом осевом направлении не менее 30% всей продольной рабочей арматуры плиты устанавливать в форме групп отдельных сваренных по длине стержней, арматурных канатов или протяженных неразрезных вертикальных плоских (пространственных) каркасов. Расположение этой арматуры в обоих осевых направлениях следует сосредотачивать в составе полос усиленного продольного армирования над колоннами, где не менее двух продольных рабочих стержней, в том числе от плоских или объемных каркасов или же канатов, должны быть пропущены сквозь тело колонны, а также в составе арматуры, межколонных полос усиленного армирования. Непрерывность таких арматурных элементов по длине в пределах общих габаритов перекрытия должна быть обеспечена стыковыми сварными или механическими соединениями, которые должны иметь прочность не ниже нормативного сопротивления стыкуемых стержней». Пример использования готовых плоских сварных каркасов для усиления армирования плит перекрытий приведен на рис. 2.
Учитывая сохранившиеся по всей стране заводы и комбинаты по производству железобетонных конструкций, имеющие арматурные цеха, оборудованные автоматическим сварочным оборудованием, а также развитие региональных сервисных центров в составе крупных металлоторгующих предприятий, производящих унифицированные сварные изделия (сетки, каркасы), практическое воплощение вышеприведенных рекомендаций по конструированию армирования перекрытий вполне реально. При этом сопутствующим результатом будет улучшение качества арматурных работ и культуры строительного производства, а также снижение сроков строительства и повышение его эффективности.
Другой не менее важной проблемой монолитного домостроения из железобетона является его долговечность. Известно, что уже на стадии проектирования обусловливаются требования к применяемым в железобетоне строительным материалам, а именно к бетону и арматуре. Так как железобетон является композиционным материалом, его долговечность необходимо рассматривать не только в зависимости от свойств бетона и арматуры в отдельности, но также от совокупности совместного поведения этих материалов в процессе эксплуатации. Одной из основных причин, определяющих долговечность железобетона, является коррозионная стойкость.
Не останавливаясь на коррозионной стойкости бетонной составляющей железобетона, представляющей отдельную важную тему, не являющуюся предметом рассмотрения в данной статье, рассмотрим влияние коррозионной стойкости арматуры на потребительские свойства монолитных железобетонных конструкций.
Характерными для раскрытия данного вопроса являются результаты исследований НИИЖБ последних лет и анализа коррозионных разрушений монолитных железобетонных перекрытий гаражей, построенных и эксплуатируемых, более 13-15 лет. Как
-------ЖИЛИЩНОЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
показывает опыт НИИЖБ, за этот период коррозия арматуры, вызванная влиянием заносимых с улицы на колесах, машин противоледных химических реагентов, может снизить в отдельных местах ее несущую способность на 30-90% (рис. 3).
Этот факт должен учитываться проектировщиками при назначении в проектах железобетонных гаражей вида арматуры. Также на него следует обратить внимание инвесторам и эксплуатационным организациям строящихся гаражей, потому что в случае коррозионных повреждений железобетонных конструкций потребуется их внеплановый дорогостоящий ремонт.
Влияние вида профиля арматуры на трещиностойкость железобетонных конструкций оценивалась в работе [4]. Установлено, что в результате использования арматуры класса А500СП производства ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк, Кемеровская обл.) с эффективным профилем взамен А500С повышается момент трещинообразования и уменьшается ширина раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках, что несомненно, отразится на сопротивлении железобетонных конструкций коррозионному воздействию.
Опытной проверкой установлено, что арматура класса прочности 500 МПа различных металлопроизводителей отличается стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением ст = 0,9ст02(т) при испытаниях по методике ГОСТ 10884-94 «Сталь стержневая арматурная термомеха-нически упрочненная для железобетонных конструкций. Технические условия». Это вызвано тем, что передовые методы производства арматуры (непрерывная разливка заготовки и слиттинг-процесс (разделение) при прокатке) повышают производительность ее производства, но снижают качество - коррозионную стойкость, а следовательно, долговечность.
Учитывая эту ситуацию, в новом международном стандарте ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Технические условия» введено требование для арматуры конструкций, эксплуатируемых в средне- и сильно агрессивных средах, обусловливающее ее стойкость при стандартных испытаниях в кипящем растворе нитратов по методике ГОСТ 10884 не менее 40 ч.
Наиболее коррозионно-стойкой арматурой класса прочности 500 МПа по результатам испытаний НИИЖБ в настоящее время является сталь ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», где она производится в основном по традиционной технологии из слитков и без слиттинг-процесса, а также арматура ОАО «Череповецкий металлургический комбинат».
Список литературы
1. Тихонов И.Н., Козелков М.М. Расчет и конструирование железобетонных монолитных перекрытий зданий с учетом защиты от прогрессирующего обрушения // Бетон и железобетон. 2009. № 3. С. 2-8.
2. Тихонов И.Н. Снижение стоимости строительства из железобетона при оптимальном проектировании армирования // Жилищное строительство. 2009. № 7. С. 2-7.
3. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без предварительного напряжения) - М.: Стройиздат, 1978. 175 с.
4. 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.
Открытое акционерное общество «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий»
Рег. № 28128 РП
Адрес: 127434, Дмитровское ш., д. 9, стр. 3, тел.: (495) 976-28-19
Баланс общества на 01.01.2010 г. (тыс. р.) Актив
Внеоборотные активы ......................100 459
Оборотные активы.........................917 664
Всего ..................................1 018 123
Пассив
Капитал и резервы.........................595 804
Долгосрочные обязательства ..................4 268
Краткосрочные обязательства ...............418 051
Всего ..................................1 018 123
Отчет о финансовых результатах
Выручка..................................953 266
Себестоимость ............................503 263
Управленческие расходы....................238 735
Проценты к получению .......................9 630
Прочие доходы ............................571 606
Прочие расходы ...........................583 727
Прибыль до налогообложения ...............208 777
Отложенные налоговые активы ................4 172
Отложенные налоговые обязательства..........1 710
Текущий налог на прибыль...................46 516
Чистая прибыль ...........................164 723
Постоянные налоговые обязательства .......... 2 299
