Введение. Принципы рационального проектирования железобетонных конструкций сводятся к решению двух основных задач: повышению прочности конструкции, позволяющей обеспечить высокий технический уровень и надежность готового изделия, за счет учета фактической работы конструкции под действием нагрузки, и обоснованию ее экономической эффективности и снижению расхода материалов за счет совершенствования методов оценки напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции [1]. Железобетон – композитный материал, представляющий собой совокупность массива хрупкого бетона с включаемой в работу пластичной арматурой, с особыми свойствами – анизотропией, контролируемым трещинообразованием и непостоянной деформативностью в зависимости от характера нагружения, определяющими нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями конструкции [2]. Ячеистый бетон обладает еще более специфическими свойствами и также физически нелинеен, что делает приоритетными вопросы уточнения реальных физических моделей армированного ячеистого бетона, с учетом ряда факторов, оказывающих существенное влияние на его работу в составе изгибаемых конструкций [3].
Методика. Расчет железобетонных конструкций в линейной постановке без учета физической нелинейности работы материала, допускаемый на стадия предварительной оценки металлоемкости армирования методологически несложен и позволяет дать верхнюю оценку прочности конструкции. Уточнение параметров НДС конструкций, особенно для расчета по предельным состояниям второй группы, требует применения физически нелинейных моделей деформирования бетона и арматуры, на что направлен достаточно развитый и верифицированный методологический инструментарий современных строительных правил в России и за рубежом [4]. Однако, с точки зрения рационального учета фактических условий работы арматуры в ячеистых бетонах, очевидно, существенно отличающихся от работы арматуры в тяжелом бетоне как по физической модели работы, так и получаемому распределению напряжений в состоянии равновесия конструкции, строительные нормы для ячеистобетонных конструкций (СП 351.1325800.2017) все еще опираются на принципы работы и правила проектирования арматуры в тяжелых бетонах, с включением некоторого количества эмпирических поправок в деформативные характеристики бетона. Авторам представляется существенной рационализация положений строительных правил, регулирующих проектирование армированных ячеистобетонных конструкций, внесением корректировок в описание физической модели работы арматуры в бетоне и включением в анализ параметров арматурных элементов, определяющих форму поперечного сечения, позволяющую повысить расчетную эффективность включения арматуры в работу конструкции и оптимизировать металлоемкость изделия [5]. С этой целью авторами проведены предварительные численные исследования моделей ячеистобетонных балок, армированных традиционной стержневой и инновационной ленточной арматурой, обладающей развитой боковой поверхностью для более эффективного сцепления со структурно неоднородным ячеистым бетоном [6]. Исследования проводились в программном комплексе ЛИРА-САПР, реализующем метод конечных элементов в перемещениях, формирование исходных данных осуществлялось с использованием положений действующих строительных правил, регулирующих проектирование бетонных и ячеистобетонных армированных конструкций [7, 15].
Основная часть. Установлено, что в отличие от обычного железобетона, предельное состояние которого по прочности в основном характеризуется прочностью вертикальных сечений от изгибающего момента и наклонных сечений от поперечной силы, конструктивный ячеистый бетон из-за сравнительно низкой прочности сцепления арматуры с бетоном имеет дополнительное характерное выражение предельного состояния по прочности – разрушение по наклонным сечениям от изгибающего момента вследствие продергивания арматуры [8]. Один из характерных примеров такого рода разрушения являются опытные образцы ячеистобетонных
армированных перемычек, произведенных и испытанных в 2018 г. по ГОСТ 8829 на ОАО «Бонолит – Строительные решения»(рис. 1)
Рис. 1. Разрушение армированной ячеистобетонной, испытанной ОАО «Бонолит – Строительные решения», с продергиванием растянутой арматуры
Для демонстрации большей эффективности для несущей способности ячеистобетонных изгибаемых конструкций армирования их арматурными элементами, обладающими развитой боковой поверхностью, было выполнено моделирование и сравнительный физически нелинейный расчет параметров напряженно-деформированного состояния армированных ячеистобетонных балок прямоугольного сечения 150×200 мм (b×h) пролетом 1,5 м из ячеистого бетона D500 B1,5, условно армированных традиционной стержневой и инновационной ленточной арматурой (стальными зубчатыми лентами) равной площади сечения [9]. Реализация физически нелинейного расчета и полный анализ фактического напряженно-деформированного состояния армированной ячеистобетонной балки в ходе исследования влияния ленточного армирования на несущую способность изгибаемых конструкций из ячеистого бетона, выполнена с учетом заданных диаграмм деформирования материалов конструкции на основе метода конечных элементов в ПК Лира-САПР 2020.
Прочностные и деформативные характеристики ячеистого бетона и стальной арматуры (А500 и аналогичного класса) принимались согласно СТО НААГ 3.1–2013 «Конструкции с применением автоклавного газобетона в строительстве зданий и сооружений. Правила проектирования и строительства», СП 63.13330.2018 и СП 351.1325800.2017. Прочностные и деформативные свойства ячеистого бетона задавались трехлинейной диаграммой с начальным модулем деформации Eb = 1300 МПа, прочностями бетона Rb,n = 1,4 МПа (Rb = 0,95 МПа) и Rbt,n = 0,22 МПа (Rbt = 0,09 МПа), коэффициентом ползучести jb,cr = 3,9 (для бетонов класса ниже В10), относительными деформациями бетона при продолжительном действии нагрузки при сжатии (1) и при растяжении (2).
eb1 = 0,6Rb/Eb,t (1)
eb1 = 0,0021, eb0 = 0,0034, eb2 = 0,0048,
eb1 = 0,6Rbt/Eb,t (2)
eb1 = 0,0002, eb0 = 0,00024, eb2 = 0,00031.
Прочностные и деформативные свойства стали задавались двухлинейной диаграммой с модулем деформации Es = 206000 МПа, прочностью стали Rs = 435 МПа, относительными деформациями стали es0 = Rs/Es = 0,0021, es2 = 0,025. Расчетное армирование балки моделировалось продольными стержнями d10 A500 и полосами 1,6×50 мм эквивалентной площади сечения (по одному стрежню в растянутой и сжатой зоне), поперечное армирование стержнями d5 А240 с
шагом 100 мм [10].
Модели балок нагружались равномерно распределенной по верхнему поясу нагрузкой, интенсивностью 10 кН/м, что соответствует экспериментально полученным в исследованиях ОАО «Бонолит – Строительные решения» значениям несущей способности по прочности балки сопоставимых размеров сечения и пролета.
Результаты расчета представлены ниже, и в целом, позволяют констатировать существенно более эффективное включение в работу, и как следствие, большую предполагаемую несущую способность ячеистобетонных балок, армированных элементами с развитой боковой поверхностью (стальными зубчатыми лентами) [11]. Так, расчетный прогиб балки, армированной стержнями круглого сечения (рис. 2, слева) составил до 1,5 мм, в то время как расчетный прогиб балки, армированной стальными лентами, не превысил 1,2 мм. Появлению трещин в растянутой зоне соответствовало 60 % полной нагрузки в случае стержневой арматуры и 80 % ленточной, что позволяет установить большую на 20 % жесткость балок, армированных лентами, при большем включении арматуры в работу.
Рис. 2. Расчетные прогибы численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (слева) и стальными лентами (справа) равного поперечного сечения, мм
Продольные сечения балок, приведенные на рис. 3 показали существенно меньшую концентрацию напряжений в приарматурных объемах бетона для балок, армированных ленточной арматурой. Так для бетона балок со стержневой арматурой значения главных продольных напряжений составило до 0,346 МПа, преимущественно сосредоточившись в пределах одного-двух конечных элементов вглубь от стержневой арматуры, что превышает прочность ячеистого бетона на растяжение до трех раз, и, очевидно, разрушив приарматурный слой, вызовет продергивание арматуры в реальных балках, в пределах четверти пролета с обоих опор [12]. Балка, армированная лентами, продемонстрировала существенно более равномерное распределение главных напряжений, максимально составляющих 0,17 МПа, что сопоставимо с нормативной прочностью ячеистого бетона на растяжение.
Армированная ленточной арматурой балка имеет большей высоты и полноты сжатую зону бетона нормальных пролетных сечений (рис. 4), меньшие на 15–20 % главные напряжения в наклонных опорных сечениях.
Большее и наиболее эффективное включение в работу стали ленточного арматурного элемента соответствует примерно равному уровню развиваемых в арматурных элементах внутренних усилий, представленному на рис. 6. Продольные усилия в стержневых элементах балки, армированной ими, составили 4,6 кН растяжения/сжатия, что при площади арматурного стержня d10 As = 79 мм2 составит 58 МПа, в то время как расчетные продольные напряжения в пластинах, моделирующих ленточное армирования той же площади сечения составляют 60,2 МПа.
Рис. 3. Расчетные главные напряжения в бетоне численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (вверху) и стальными лентами (внизу) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 4. Расчетные главные напряжения в нормальных пролетных сечениях численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматуторй круглого сечения (слева) и стальными
лентами (справа) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 5. Расчетные главные напряжения в наклонных опорных сечениях численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (слева) и стальными
лентами (справа) равного поперечного сечения, МПа
Рис. 6. Расчетные продольные усилия и напряжения в арматурных элементах численных моделей равнонагруженных балок, армированных стержневой арматурой круглого сечения (вверху) и стальными
лентами (внизу) равного поперечного сечения, кН, МПа
Выводы. Результаты численного эксперимента исследования параметров напряженно-деформированного состояния моделей армированных ячеистобетонных балок прямоугольного сечения армированных инновационной ленточной арматурой, позволяют установить не менее, чем двукратно более равномерное и эффективное распределение напряжений в бетоне у ленточных арматурных элементов, существенно меньшую опасность продергивания арматуры, и, как следствие, большую включенность арматуры в работу балки на предельных нагрузках, обеспечивающей ей большую несущую способность по обоим группам предельных состояний [13]. Данные результаты исследования планируется верифицировать натурным экспериментом, в ходе которого предполагается выполнить экспериментальные нагружения ячеистобетонных балок, схожих исследуемым моделям, двух типов: выполняемых из неавтоклавного бетона D500 B1,5, армированных стандартной стержневой арматурой А500 и ленточных армированием, для устройства которого предполагается использовать доступную монтажную неоцинкованную стальную ленту толщиной от 0,5 мм [14]. Реализация экспериментальных исследований в сочетании с численным моделированием позволит утвердить стабильный и ощутимый эффект ленточного армирования в ячеистобетонных конструкциях, параметризировать и формализовать методику проектирования армирования и осуществить рационализацию методических подходов и количественных показателей ленточных арматурных элементов, принимаемых при ресурсоэффективная проектировании изгибаемых конструкций домокомплектов, обеспечивающих полный переход на использование ячеистого бетона в ограждающих и несущих конструкциях и возведение энергоэффективных зданий с замкнутым тепловым контуром экономически конкурентоспособного ценового уровня.
