По каким нормам и правилам производить бетон?

Закон "О техническом регулировании" вызвал в строительном секторе экономики немало сложностей, вопросов, неясностей. Более того, внес некоторую сумятицу в нормативно-техническое управление отраслью. Например, сегодня никто не может сказать, по каким техническим нормам и правилам производить бетон и железобетон. Раньше все делалось через обязательное исполнение требований государственных стандартов и строительных норм (СНиП). Выход закона ничего к этим задачам не прибавил.

А ведь выпуск бетонных и железобетонных конструкций требует к себе особого внимания. Во-первых, они отличаются большим разнообразием с точки зрения видов бетона и арматуры, характера силовых и несиловых воздействий, типов конструктивных решений и т. д. Во-вторых, методы расчета и конструирования бетонных и железобетонных конструкций содержат набор эмпирических выражений и конструктивных правил, из которых трудно выделить конкретные положения, относящиеся к требованиям для железобетонных конструкций, включаемых в СНиП и относящихся к методам реализации этих требований. К тому же исторически сложилось реальное положение, по которому для одинаковых типов железобетонных конструкций, применяемых по назначению в зданиях и сооружениях, в разных действующих нормативных документах используются различные методы расчета и конструирования.

На наш взгляд, надо рассматривать три основных варианта построения СНиП для расчета и проектирования бетонных и железобетонных конструкций. Первый СНиП должен включать все виды бетона (тяжелые, легкие, ячеистые, особо легкие, суперпрочные, жаростойкие, напрягающие, безусадочные и т. д.), все виды арматуры (с низкими, средними и высокими физико-механическими характеристиками), все виды конструктивных решений (линейные, плоские, объемные, рамные, пространственные и т. д.), железобетонные конструкции (сборные и монолитные, сборно-монолитные, преднапряженные, сталежелезобетонные, комбинированные, фибробетонные, составные и т.п.), все формы и конфигурации сечений железобетонных элементов (прямоугольные, тавровые, круглые, кольцевые и т.п.), учитывать все виды нагрузок и воздействий (кратковременные, длительные, статические, динамические, однократные и повторные нагрузки, агрессивные и температурно-влажностные воздействия). При этом в СНиПе надо давать конкретные характеристики указанных бетонов и арматуры, конкретные методы расчета для указанных конструктивных решений по всем видам предельных состояний для всех расчетных ситуаций (при действии изгибающих моментов, продольных сил, поперечных сил, крутящих моментов, местного действия нагрузки) и правила конструирования.

Достоинство такого варианта построения СНиПа в том, что он представляет собой единый и полный нормативный документ для проектирования всех бетонных и железобетонных конструкций. Такой вариант построения СНиПа определяет жесткое нормирование для всех бетонных и железобетонных конструкций. Это затрудняет использование новых материалов и новых методов расчета и конструирования и ограничивает применение Сводов правил.

Теперь о втором варианте. Он формулирует лишь основные принципы назначения характеристик материалов, расчета и конструирования (не конкретизируя их). СНиП определяет гибкое нормирование, повышающее значимость Сводов правил, и позволяет применять новые материалы, методы расчета и конструирования через разработку новых Сводов правил или независимо от них. К тому же такой вариант построения СНиПа значительно облегчает его построение и согласование для сооружений различного назначения.

Третий вариант СНиПа создается как базовый нормативный документ. Он включает, помимо общих принципов нормирования, характеристик материалов, расчета и конструирования всех бетонных и железобетонных конструкций, также и конкретные данные, относящиеся к наиболее массовым материалам, типам конструкций, видам нагрузок и воздействий, методам расчета и конструирования. В качестве наиболее массовых материалов могут быть приняты тяжелый бетон классов В15-В60, арматура классов А240-А500, обычные элементы с прямоугольной и тавровой формой поперечного сечения, статическое действие кратковременных и длительных нагрузок, температурно-влажностные климатические условия, методы расчета прочности по предельным усилиям, по нормальным и наклонным усилиям на действие изгибающих моментов и т.д.

Конкретные данные для остальных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе и новых, а также более полные и специальные методы расчета и конструирования определяются в соответствующих Сводах правил на основе общих принципов и базовых конкретных данных.

В результате такой СНиП позволит выполнить конкретное проектирование для основных, наиболее массовых видов бетонных и железобетонных конструкций и в то же время будет являться базой для разработки Сводов правил, относящихся к различным разновидностям бетонных и железобетонных конструкций.

А далее следует группа Сводов правил, относящаяся к различным видам бетона (легким, ячеистым, напрягающим, особо легким, суперпрочным, жаростойким и т. д.), учитывающая особенности свойств этих бетонов, к различным типам железобетонных конструкций (предварительно напряженным, сборно-монолитным, сталежелезобетонным, фибробетонным, составным и комбинированным, усиленным и т.д.), учитывающая особенности расчета и конструирования, а также относящаяся к различным нагрузкам и воздействиям (динамическим, повторным, сейсмическим нагрузкам, агрессивным, повышенным и пониженным температурным воздействиям и т.д.), учитывающая особенности влияния характера этих нагрузок.

Что же касается СНиП и развивающих их Сводов правил для железобетонных конструкций, сооружений специального назначения (транспортных, гидротехнических, энергетических и т. д.), то применяемые в этих нормативных документах характеристики материалов, методы расчета и конструирования железобетонных конструкций определяются с учетом специфики работы сооружений, но в своей основе согласовываются с общими принципами, принятыми в нормативных документах для железобетонных конструкций зданий и сооружений общего назначения.

Для расчета железобетонных элементов по нормальным сечениям на действие изгибающих моментов и продольных сил по прочности, трещиностойкости и деформациям принята деформационная модель, которая, помимо уравнений равновесия, включает условие деформирования в виде гипотезы плоских сечений и полные диаграммы деформирования бетона и арматуры, устанавливающие связь между напряжениями и относительными деформациями.

Для бетонов могут быть использованы диаграммы криволинейного очертания с ниспадающей ветвью, трехлинейные или упрощенные двухлинейные диаграммы, которые учитывают упруго-пластическую работу бетона. В двухлинейной диаграмме наклонный участок определяется исходя из приведенного модуля деформаций, учитывающего неупругие деформации бетона. Влияние характера нагружения (длительная нагрузка, многократно повторяющиеся нагрузки) учитывают путем трансформирования диаграммы с использованием характеристик ползучести и виброползучести бетона.

Деформационная модель позволяет с единых позиций производить расчет железобетонных элементов с различной конфигурацией поперечного сечения, с различным распределением арматуры по сечению, с составными сечениями, с учетом начальных или предварительных напряжений в преднапряженных, сборно-монолитных и усиливаемых конструкциях, при различном характере силовых воздействий (косой изгиб, косое внецентровое сжатие) и т.д.

Для массовых железобетонных элементов прямоугольного, таврового и двутаврового сечений с арматурой, расположенной у сжатой и растянутой граней, для расчета на действие момента в плоскости симметрии сечения возможно использование более простых методов. А по прочности допускается использовать метод предельных усилий, аналогичный расчету, принятому в действующем СНиПе. Результаты расчета по деформационной модели и по предельным усилиям для указанных выше случаев близки друг другу.

Для расчета образования нормальных трещин применять можно наиболее простой расчет железобетонного элемента без учета пластических деформаций в растянутом и сжатом бетоне. Следует иметь в виду, что расчет по образованию трещин для большинства железобетонных элементов имеет второстепенное значение, так как он только показывает необходимость расчета по раскрытию трещин или необходимость расчета по деформациям с учетом трещин.

Расчет по прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил производят по предельным усилиям в наклонном сечении. За основу была принята существующая методика расчета, однако поперечные усилия, воспринимаемые бетоном и поперечной арматурой, определяют с единых позиций по полуэмпирическим зависимостям при одной и той же длине проекции наклонного сечения на продольную ось элемента, что создает большую универсальность расчета. При этом для сохранения необходимой несущей способности железобетонного элемента по наклонным сечениям усилия, воспринимаемые бетоном и поперечной арматурой, определяют с пониженными коэффициентами.

Следует отметить, что за последние годы разработано несколько различных более общих методов расчета железобетонных элементов по наклонным сечениям, включающих совместное решение всех уравнений равновесия в наклонном сечении, усилия во всех компонентах наклонного сечения и условий деформирования железобетонного элемента с наклонными трещинами. Однако эти методы с точки зрения физической цельности и универсальности пока не отвечают требованиям нормативных методов расчета. Что же касается принятого в международных нормативных документах метода расчета по каркасно-стержневой модели с учетом переменного угла наклона полос, то он не содержит существенных преимуществ перед расчетом по наклонным сечениям.

Для раскрытия наклонных трещин принята более простая эмпирическая зависимость, которая в прямом виде учитывает влияние основных факторов на ширину раскрытия наклонных трещин: относительной величины шага и диаметра поперечной арматуры. Такой подход согласуется с рекомендациями международных нормативных документов.

Прочность железобетонных элементов при, действии крутящих моментов рассчитывается по предельным усилиям в пространственном сечении. За основу принята существующая методика расчета, при этом в качестве исходных зависимостей представлены в общем виде расчетные уравнения равновесия для "чистого" кручения, а совместное действие крутящих моментов, изгибающих моментов и поперечных сил учтено наиболее осторожными линейными уравнениями взаимодействия.

Отметим особый класс так называемых коротких железобетонных элементов (коротких консолей, балок и плит, узловых сопряжений и т. д.), у которых вылет или пролет сопоставимы с высотой. Для таких элементов принят наиболее целесообразный особый вариант каркасно-стержневой модели, у которой внутренняя условно-стержневая система, включающая сжатые и растянутые полосы, связана с расположением нагрузки и опор.

Еще одна важная проблема - оценка долговечности железобетонных конструкций, связанная с определением срока службы зданий и сооружений. В настоящее время в нормативных документах этот вопрос решается косвенным способом - путем назначения толщины защитного слоя бетона, допустимой ширины раскрытия трещин, ограничением длительных напряжений и т. д. Однако пригодных для нормирования прямых методов расчета, позволяющих оценить снижение несущей способности и повышение деформативности железобетонных элементов с учетом фактора времени в зависимости от условий окружающей среды, еще не разработано.

При расчете по предельным состояниям степень надежности железобетонных конструкций в нормативных документах оценивается полувероятностным способом, по которому в расчет вводятся нормативные характеристики материалов и нагрузок, учитывающие их изменчивость с определенной обеспеченностью, а изменчивость остальных факторов учитывается детерминированным путем с помощью обобщенных коэффициентов надежности.

Такой способ не позволяет оценить надежность железобетонной конструкции в целом. Важно разработать общую методику полного расчета железобетонных конструкций по заданной надежности. Такой расчет требует глубоких знаний и контроля изменчивости всех основных факторов, входящих в расчет. Кроме того, для массового внедрения в нормы полного вероятностного расчета требуется установить необходимые уровни надежности для различных железобетонных конструкций. Следует также отметить, что полный расчет с использованием современных расчетных моделей весьма трудоемок и трудно реализуем даже при использовании современной компьютерной техники.

Общая концепция построения нормативных документов требует, чтобы единые нормы охватывали не только вопросы проектирования, но также вопросы изготовления, возведения, контроля качества, эксплуатации, реконструкции и усиления железобетонных конструкций. Однако надо отметить, что охватить эти вопросы в нормативном документе практически невозможно и, по-видимому, представляется целесообразным в нормативных документах лишь четко сформулировать основные положения (требования) по изготовлению, возведению, контролю качества, эксплуатации, реконструкции и усилению железобетонных конструкций, а детальные указания перенести в специальные технические документы.