Расчет железобетонных конструкций

Совершенствование методов расчета железобетонных конструкций

Расширение международных связей, включая инвестиции отечественных компаний в строительство за границей, зарубежных компаний — в строительство объектов в России и вступление нашей страны во Всемирную торговую организацию (ВТО), выдвигает требование о необходимости сближения нормативной базы, в том числе и в области проектирования, создание в дальнейшем единой системы.

Для разрешения поставленной задачи Правительством РФ было принято решение о разработке актуализированных редакций действующих СНиПов, в которых необходимо учесть последние разработки российских и зарубежных ученых и провести возможную гармонизацию с Еврокодом.

В 2011 г. на рассмотрение научной и инженерной общественности были представлены две редакции СНиП по проектированию железобетонных конструкций.

Одна редакция разработана НИИЖБ им. А. А. Гвоздева на базе Сводов правил СП 52-101-2003 и СП 52-102-2004 — СНиП 52-01-2003 (далее — СНиП-1).

Другая редакция СНиП 52-01-2003 [6] разработана в РААСН — далее СНиП- 2, и в значительной мере повторяла СНиП 2.03.01-84* (далее — СНиП-0) с добавлением материалов по расчету с использованием диаграмм деформирования арматуры и бетона и некоторых других материалов (авторы СНиП- 2 — Н. И. Карпенко, В. И. Травуш, В. М. Бондаренко и др.).
В первой редакции СНиП-1 введен расчет на базе диаграмм — бетона и арматуры и гипотезы плоских сечений, в качестве теоретической основы для расчета нормальных сечений любого очертания и армирования для двух предельных состояний.
Представленные расчетные диаграммы имеют кусочно-линейное очертание, что позволяет для простых сечений получать аналитические зависимости для расчета по прочности, трещиностойкости и деформациям.
Однако в эту редакцию не вошли многие разделы и положения, имевшиеся в предыдущем СНиП-0. В редакции СНиП-1 изменен расчет по прочности наклонных сечений, приводящий в большинстве случаев к уменьшению несущей способности на 20-30%, и расчет на продавливание, учитывающий моменты и также приводящий к значительному уменьшению несущей способности по сравнению с СНиП-0. Кроме того, предлагаемые расчетные диаграммы состояния бетона не учитывают состав и класс бетона, его напряженное состояние и характер действующей нагрузки.
В редакции СНиП-2 добавлен общий случай расчета для обоих предельных состояний, основанный на криволинейных диаграммах — для бетона и арматуры и предназначенный для использования в компьютерных программах. Для элементов из высокопрочных бетонов (при классе В70 и выше) приведен расчет по деформациям, основанный на двухлинейной диаграмме бетона и почти аналогичный методу расчета, представленному в СНиП-1. Добавлен также раздел «Общие критерии прочности железобетонных плит и пологих оболочек при двухосном напряженном состоянии».

Известно, что все расчеты, представленные в СНиП-0, основаны на экспериментальных исследованиях с использованием при расчетах по прочности только прямоугольной, а по трещино- стойкости и деформациям — треугольной эпюры сжатой зоны бетона. Сопоставительные расчеты по деформациям по СНиП-1 и СНиП-0 выявили значительные расхождения в результатах.
Принимая во внимание, что в актуализированной редакции СНиП-1 результаты упрощенных и общих методов расчета не должны сильно различаться, целесообразно упрощенные способы расчета представить в СНиП-1 на основе кусочно-линейных диаграмм — близких к реальным диаграммам, приведенным в СНиП-2.
Это касается в первую очередь уточнения формул для R, момента образования трещин и кривизны сечения. В отличие от первой редакции СНиП-1 эти кусочно-линейные диаграммы состояния бетона должны различаться в зависимости от класса и вида бетона.

Для выявления наиболее рациональных методов расчета и проектирования железобетонных конструкций, поиска форм гармонизации окончательной актуализированной редакции СНиП 52-01-2003 с Еврокодом и устранения вышеперечисленных недоработок НТС НИЦ «Строительство» была создана редакционная комиссия, которая, рассмотрев имеющиеся материалы, поручила специалистам ОАО «ЦНИИПромзданий» — авторам пособий по расчету железобетонных конструкций — провести выборочные сопоставления результатов расчетов, выполняемых по 3 вариантам: СНиП-1, СНиП-2 и СНиП-0 для I и II предельных состояний (в настоящей статье представлены результаты расчетов только по первой группе предельных состояний), и по полученным результатам представить предложения по корректировке и дополнению СНиП-1.

На основании проведенных исследований в актуализированную редакцию СНиП-1 предлагалось включить следующие материалы, в том числе имевшиеся в СНиП-0: минимально допустимые классы бетона для предварительно-напряженных конструкций (табл.8 [1]); минимально допустимые марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости (табл. 9 и 10 [1]); коэффициенты условий работы бетона, учитывающие небольшой размер сечения, попеременное замораживание и оттаивание, отсутствие защиты от солнечной радиации (табл. 15 [1]); термически упрочненную арматуру класса Ат-1200; коэффициенты условий работы поперечной арматуры, учитывающие наличие сварных соединений, низкие марки легкого и ячеистого бетонов; расчетные длины ступенчатых колонн одноэтажных промзданий, а также элементов ферм и арок (табл. 32 и 33 [1]); расчет кольцевых сечений внецентренно сжатых элементов; расчет элементов на отрыв; раздел «Расчет закладных деталей»;уточнения потерь от ползучести при мелкозернистом и легком бетоне; расширить раздел «Расчет на выносливость» за счет уточнения минимальных классов бетона, конкретизации учета неупругих деформаций сжатого бетона, введения коэффициентов условий работы для бетона и арматуры; категории потрещиностойкости, и в связи с этим — расчета по закрытию ранее образованных трещин; особенности расчета конструкций с арматурой, напрягаемой на бетон, включая потери напряжений арматуры; расчет колонн с косвенным армированием; расчет коротких консолей; сварные соединения арматуры и закладных деталей, а также многочисленные поправочные коэффициенты, влияющие на величину Nor. Эти разделы и положения базируются на практике проектирования и строительства в России и их целесообразно учесть.

Предлагается также ввести в СНиП- 1 следующие дополнения: указания по построению диаграмм состояния бетона и арматуры из редакции СНиП-2 с учетом дополнительных поправок: при этом принятые в СНиП-1 упрощения диаграммы состояния бетона и арматуры можно некоторыми корректировками оставить; изменения в расчете на продавливание — контур расчетного поперечного сечения отстоит от площадки передачи нагрузки на h_o (это изменение принято с учетом с указаний Еврокода-8); расчет по раскрытию трещин — аналогичный указаниям СНиП-2, при этом коэффициент Ψ_s принимать как принято в СНиП-2 при расчете по деформациям с использованием диаграмм состояния бетона и арматуры; учет продольных сил при расчете наклонных сечений на действие поперечных сил.

Численные исследования прочности, трещиностойкости и деформативности проводились на железобетонных элементах в основном прямоугольного сечения при изгибе и внецентренном сжатии и кольцевых сечений только при внецентренном сжатии. За эталон приняты результаты расчетов по СНиП-0 [1] как методика, подтвержденная многочисленными экспериментальными исследованиями и проверенная практикой проектирования. Результаты расчетов представлены в сопоставлении с принятым эталоном в виде гистограмм (рис. 1-3), где голубым цветом показаны расхождения результатов расчета по кусочно-линейным диаграммам (СНИП-1); красным цветом — расхождения результатов с учетом коррекции кусочно-линейных диаграмм состояния СНиП-1: зеленым — расхождения результатов расчета по криволинейным (фактическим) диаграммам арматуры и бетона (СНиП-2).

Сопоставление предельных по прочности моментов для внецентренно сжатых элементов прямоугольного сечения с симметричной арматурой, определенных по методам общего случая расчета СНиП-1 (M_ult1), СНиП-2 (M_ult2), и СНиП-0 (M_ult0) показало достаточную их близость друг другу при классах бетона В40 и менее. При более высоких классах бетона значения M_ult в ряде случаев существенно превышают значения M_ult0 (до 20% и более), при этом значения M_ult2 превышают M_ult0 несколько меньше (до 13%, рис.1). Считая значения M_ult0 достаточно экспериментально обоснованными, расчет внецентренно сжатых элементов по методике СНиП-1 при таких классах бетона может привести к неосторожному завышению несущей способности (или занижению необходимой арматуры). Поэтому предлагаем скорректировать двухлинейную диаграмму ε_b — σ_b сжатого бетона, заменив значение ε_b2 с 1,5 • 10^-3 на (В/20 — 0,5) • 10^-3, но не более ε_b2, что позволит избежать значительного завышения момента M_ult1 (не более 14%).
Для кольцевых сечений моменты М_ult определенные по формулам СНиП-0 также близки к значениям M_ult, определенных с помощью диаграмм ε_b — σ_b, приведенных в СНиП-1 и СНиП-2. Поэтому формулы из СНиП-0 предлагаем включить в СНиП-1.
Сопоставление предельных по прочности моментов М_ult для изгибаемых элементов как с предварительным напряжением, так и без него, определенных по методикам СНиП-1 и СНиП-2, показало удовлетворительную близость их к моментам Мин, определенным по СНиП-0. Но для преднапряженных элементов использование коэффициента условий работы арматуры с условным пределом текучести Y_s6, приведенного в СНиП-0, привело к большему сближению результатов расчета (рис. 2). Учитывая экспериментальную обоснованность коэффициента, предлагаем в трехлинейной диаграмме арматуры σ_s — ε_s значение σ_s ограничивать значением не 1,1 R_s, а Y_s6R_s.
Большое завышение значений М_ult, вычисленных по СНиП-2 при арматуре А500 (рис. 3), связано с диаграммой ε_s — σ_s для этой арматуры, имеющей условный предел текучести, когда при деформациях ε_s>R_s/E_s + 0,002 напряжения σ_s, больше R_s. Однако, поданным металлургов, эта арматура имеет ярко выраженную площадку текучести. Поэтому диаграммы ε_s — σ_s для арматуры А500 должны быть скорректированы.

На основании проведенного анализа результатов сопоставления расчетов для актуализированной редакции СНиП 52-01 -2003 можно предложить следующие рекомендации:

1. В нормативный документ необходимо включить разделы и отдельные положения, перечисленные в статье и имевшиеся в СНиП 2.03.01-84^∗;
2. В двухлинейной диаграмме сжатого бетона ε_b — σ_b при классах бетона более В40 следует принимать значения ε_b1 = (В/20-0,5) · 10^-3, но не более ε_b2;
3. Методику расчета кольцевых сечений целесообразно включить без изменений;
4. В диаграмме ε_s — σ_s арматуры с условным пределом текучести необходимо ограничивать значение σ_s величиной Y_s6R_s, где Y_s6 — см [1].

Данные для построения криволинейной диаграммы ε_s — σ_s для арматуры класса А500 рекомендуется уточнить.

Э. Н. Кодыш, д. т. н.,проф.; Н. Н. Трекин, д. т. н., проф.;
И. К. Никитин (ОАО «ЦНИИПромзданий»)

Список литературы:
1. СНиП 2.03.01 -84* Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования.

Также читайте:

Оконная фурнитура | Двери межкомнатные | Деревянные окна | Фурнитура для межкомнатных дверей