Авторы отмечают, что для эффективного развития технологий постнапряженного железобетона в России необходима дальнейшая разработка нормативной базы проектирования и освоение производства соответствующих арматурных элементов, анкерных устройств и соединительных муфт, а также систем натяжения: домкратов, платформ и др.

УДК 624.012.46

С.А. ЗЕНИН, канд. техн. наук, Р.Ш. ШАРИПОВ, канд. техн. наук, О.В. КУДИНОВ, инженер, НИИЖБ им. А.А. Гвоздева

Ключевые слова: железобетонная конструкция, монолит, арматура, проектирование, бетон
Keywords: reinforced concrete design, monolith, fittings, design, concrete

Известно, что постнапряженные монолитные конструкции позволяют получить технически реализуемые конструктивные решения железобетонных конструкций с минимальным расходом бетона и арматуры. Так, для пролетов плит перекрытий более 7 м конструкции с преднапряжением становятся экономичнее обычных. Разрыв в экономичности тем больше, чем выше перекрываемые пролеты (рис. 1). Достигаемая экономия по бетону (до 25%) и по ненапрягаемой арматуре (до 66%) позволяет проектировать средне- и большепролетные конструкции с минимальным собственным весом и расходом материалов. Указанные преимущества делают постнапряженные конструкции, вероятно, самыми передовыми техническими решениями в области современного железобетона.

Указанные экономические преимущества не могли не сказаться на стремительном росте мирового производства постнапряженных конструкций. Так, по данным фирмы «Фрейссине», рост объемов таких конструкций только за 1980-2004 гг. вырос в 7 раз (рис. 2).

Главным образом постнапряженные железобетонные конструкции применяются для монолитных плит перекрытий и покрытий (в т.ч. плит, содержащих продольные и поперечные балки, капители), а также для фундаментных плит и различных плоских настилов, устраиваемых на естественном основании.

Применение современных постнапряженных конструкций базируется на высокотехнологичных решениях и требует соответственно высокоразвитой производственной базы и нормативно-технической основы проектирования.

Существуют две основные системы постнапряженных конструкций: со сцеплением и без сцепления арматуры с бетоном. Принципиальная конструкция используемых арматурных элементов для указанных систем представлена на рис. 3 и рис. 4, соответственно. В первом случае в каналообразователях укладывают несколько канатов (мультистренды), а во втором случае – один канат (моностренд). В первом решении после натяжения арматурных канатов каналы инъецируются специальными цементными растворами, которые после набора прочности обеспечивают сцепление арматуры с бетоном. Во втором решении заполненное в заводских условиях специальной защитной смазкой пространство между монострендом и оболочкой каната исключает возможность сцепления арматуры с бетоном при натяжении и дальнейшей эксплуатации конструкции.

В России пока еще не существует полностью отечественных технологий для таких конструкций, а также, соответственно, и отечественных фирм, практикующих такие технологии на основе полного набора отечественных материалов и оборудования. Создание подобных технологий требует весьма затратных работ по разработке и созданию соответствующей арматуры, анкерных устройств и соединительных муфт (каплеров), систем натяжения (домкратов, платформ и др.). Поэтому и практика внедрения таких конструкций в России пока ограничена.

Другим сдерживающим фактором является определенный недостаток в отечественной нормативно-технической базе проектирования постнапряженных конструкций и их элементов, в т.ч. элементов, обеспечивающих передачу натяжения на бетон. Как результат, отечественная нормативная база по данному проектированию до настоящего времени сосредоточена в основном на преднапряженных конструкциях с натяжением арматуры на упоры силовых опалубочных форм или силовых стендов.

При этом во всех предшествующих и действующих нормах [1-4] с 1975 г. (за исключением норм по проектированию мостов и труб [5], которые в основном относятся только к постнапряженным конструкциям со сцеплением арматуры с бетоном и к сборным железобетонным конструкциям мостов) содержатся только отрывочные данные по проектированию данных конструкций. Поэтому до настоящего времени в отечественном промышленном и гражданском строительстве применяются системы с натяжением арматуры на бетон различных иностранных производителей.

Отсюда следует, что для развития указанного современного направления развития постнапряженного железобетона в России необходима доработка нормативной базы проектирования и освоение производства соответствующих арматурных элементов и систем натяжения.

Представляется, что нормативная база проектирования постнапряженных конструкций должна включать в себя:

1. СТО, ТУ и ГОСТы на:

— арматурные канаты для натяжения по технологии со сцеплением арматуры с бетоном;

— арматурные канаты для натяжения по технологии без сцепления арматуры с бетоном;

— закрытые каналообразователи для натяжения по технологии со сцеплением арматуры с бетоном;

— анкера (пассивные и активные) для технологии натяжения со сцеплением арматуры с бетоном;

— анкера (пассивные и активные) для технологии натяжения без сцепления арматуры с бетоном;

— муфтовые соединения для технологии натяжения без сцепления арматуры с бетоном.

2. Своды правил (СП) на:

— проектирование монолитных конструкций без сцепления арматуры с бетоном;

— проектирование монолитных конструкций со сцеплением арматуры с бетоном;

— проектирование стальных элементов систем натяжения на бетон.

Анализируя указанные направления нормирования базы постнапряженных конструкций, необходимо отметить, что определенные подвижки на пути внедрения такого рода конструкций в России из собственных материалов уже есть. Так, для постнапряженных конструкций со сцеплением арматуры с бетоном, как правило, применяются стабилизированные канаты. Данные канаты согласно требованиям норм имеют минимальный уровень релаксации (2,5% после 1000 часов выдержки натяжения).

К настоящему времени по разработанному в 2010 г. с участием НИИЖБ им. А.А. Гвоздева (профессор С.А. Мадатян и др.) ГОСТ 53772 [6] предприятиями ОАО «Северсталь-метиз» и ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» налажено производство стабилизированных канатов. Для их производства, как правило, используется высокопрочная стальная 7-проволочная канатная арматура из круглой гладкой проволоки классов по прочности К1400-К1700.

Использование в отечественном строительстве собственной арматуры для постнапряженных конструкций без сцепления с бетоном решает СТО 71915393-ТУ100-2011 [7], разработанное ОАО «Северсталь-метиз» в 2011 г. На базе этого документа предприятие первым в России освоило производство семипроволочных высокопрочных канатов. Следует отметить, что указанная арматура по этому СТО также производится стабилизированной. Особенностью этих канатов является то, что они в тех же заводских условиях металлургических комбинатов сразу размещены в закрытых гибких трубках-каналообразователях.

Гибкие трубки-каналообразователи представляют собой трубки гладкого профиля из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и имеют кольцевую форму поперечного сечения. Внутренний диаметр трубок равен наружному диаметру канатов. При этом свободное пространство между проволоками канатов, а также между наружным профилем канатов и пластиковой оболочкой полностью заполнено защитной противокоррозионной смазкой. Защита выполняется также в заводских условиях металлургического комбината с контролем предупреждения образования воздушных полостей и пор в смазке. После раскладки таких канатов в опалубке и последующего бетонирования пластиковая оболочка каналообразователя образует закрытые каналы внутри тела железобетонных конструкций, в которых уже размещена канатная арматура.

Как вариант, при соответствующем обосновании могут быть применены канаты компактного профиля из некруглой пластически обжатой проволоки (см. СТО 71915393-ТУ100-2011). Номинальный диаметр более всего используемых в постнапряженных конструкциях арматурных канатов составляет, как правило, 12 и 15 мм.

В развитие требуемой нормативной базы постнапряженных конструкций в лаборатории теории железобетона и конструктивных систем (№ 1) НИИЖБ им. А.А. Гвоздева в 2015 г. была выполнена НИОКР «Разработка принципов расчетов предварительно напряженных железобетонных конструкций без сцепления арматуры с бетоном по первой и второй группам предельных состояний».

В данной работе на основании анализа положений отечественных и иностранных норм и результатов различных исследований предложены основы проектирования таких конструкций. Они включают в себя принципы проектирования конструктивных систем зданий с постнапряженными перекрытиями, предложения по размещению напрягаемой арматуры в конструкции с позиций обеспечения требуемой долговечности и огнестойкости, а также в соответствии с эпюрами действующих усилий. Кроме того, в работе представлены требования по применяющимся материалам (напрягаемая арматура, анкерные крепления и соединительные муфты, ненапрягаемая арматура, бетон). Обозначены задаваемые параметры натяжения арматуры и потери натяжения. Даны предложения по принимаемым нагрузкам и воздействиям, а также по расчетам конструктивных систем зданий. Сформулированы подходы по расчету несущей способности, в т.ч. при обжатии, выданы положения по расчетам трещиностойкости и деформативности. Составлены предложения по расчетам на прогрессирующее обрушение, приведены основы положений по конструктивным требованиям.

Результаты данного НИОКР планируется использовать для разработки проекта СП по проектированию монолитных постнапряженных конструкций без сцепления арматуры с бетоном.

В дальнейшем планируется произвести разработку и совершенствование требуемой нормативной базы проектирования. Ее создание даст возможность осуществлять освоение производства соответствующих арматурных элементов, анкерных устройств и соединительных муфт (каплеров), оборудования для натяжения (домкратов, платформ и др.), а также возведение постнапряженных конструкций в России с максимальным использованием отечественных материалов и технологий.

Выводы:

1. Постнапряженные железобетонные монолитные конструкции являются одними из самых передовых и экономичных технологий современного строительства.

2. Разработка требуемой нормативной базы позволит осуществлять возведение в России постнапряженных конструкций с использованием отечественных материалов и технологий.

Библиографический список

1. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции.

2. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. ­Основные положения.

3. СП 52-102-2003. Предварительно напряженные железобетонные конструкции.

4. СП 63.13330.2012. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.

5. СП 35.13330.2012. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы.

6. ГОСТ 53772-2010. Канаты стальные арматурные семипроволочные стабилизированные. Технические условия, – М., Стандарт­информ, 2010 г.

7. СТО 71915393-ТУ100-2011. Канаты, защищенные и в оболочке, для предварительного напряжения. Скользящие канаты. Технические условия, – Череповец, ОАО «Северсталь», 2011 г.