О совершенствовании нормируемых методов расчета железобетонных конструкций
Исследования работы железобетонных конструкций и методов их расчета по предельным состояниям становятся все более обширными и глубокими как у нас в стране, так и за рубежом, и их полезные результаты, естественно, целесообразно учитывать в практических расчетах. В данной статье нет возможности рассмотреть результаты всех многочисленных работ, и основное внимание уделяется лишь некоторым принципиальным положениям.
До последнего времени в нормативных документах не было четкого определения марки бетона. Имелось в виду, что при подборе состава бетона необходимо получить его прочность не ниже численного значения марки. С введением вероятностной оценки прочностных характеристик понятие проектной марки должно приобрести более определенный смысл. Согласно СНиП, а также ГОСТ 18105-72, проектной маркой бетона является средняя величина кубиковой прочности бетона при принятом (условном) значении коэффициента вариации, равном 13,5%. При других значениях коэффициента вариации требуемая средняя прочность бетона отличается от проектной марки. Поэтому последняя не является определенной характеристикой бетона и может рассматриваться лишь как условная, «нормируемая» или ожидаемая величина. Во избежание встречающихся еще случаев неправильного истолкования понятия проектной марки целесообразно было бы заменить марки классами (1, 2, 3 и т. п.) или обозначить марки не числами прочности, а порядковыми номерами. Принципиально правильнее было бы характеризовать бетон и его марки величиной нормативного сопротивления, имеющего определенную (заданную) вероятность или обеспеченность.
Аналогичное положение создалось с так называемой «отпускной» прочностью бетона. По ГОСТ 18105-72 отпускной прочностью считается «нормируемая прочность бетона сборных изделий к моменту отпуска-их с предприятия». В изменении № 1 к ГОСТ 13015-67, утвержденном Госстроем СССР 13/1V 1972 г., устанавливается в зависимости от местных условий наименьшее значение отпускной прочности в 50, 70, 80 и 100% проектной марки.
Можно только догадываться, что эти цифры являются «номинальными» или «нормируемыми» (по ГОСТ 18105-72), т. е. ожидаемыми и, следовательно, допускающими случайные отклонения, так же как это допускается для фактической прочности бетона по отношению к проектной марке. Во избежание ошибок здесь также необходимо было бы подчеркнуть возможность указанных отклонений. В связи с этим расчеты конструкций, выполненные для стадии отпуска изделий, должны учитывать необходимые «запасы», вводимые к указанной выше «нормируемой» отпускной прочности, аналогично тому, как это делается при расчете в стадии эксплуатации исходя из проектной марки.
До последнего времени расчет прогибов железобетонных конструкций выполнялся по средним значениям прочности бетона, его модуля упругости, геометрических размеров и другим параметрам- без введения в явном виде каких-либо «запасов». Так как формулы расчета прогибов таких конструкций содержат значительное число изменчивых, в том числе эмпирических, параметров, то естественно, что фактические прогибы реальных конструкций могут в ту и другую сторону отличаться от расчетных, а следовательно, и от их предельных значений. Отклонение фактических прогибов в неблагоприятную сторону от их предельных значений наблюдается в ряде случаев и при эксплуатации, что необоснованно воспринимается как «криминал». Это происходит по причине вероятностной неопределенности ограничений «не менее» или «не более», часто фигурирующих в нормах проектирования (СНиП).
Несмотря на то, что указанные нормы являются чисто проектным документом, эти .слова («не менее» или «не более») часто непосредственно переносятся в правила изготовления или эксплуатации, где они без оснований воспринимаются как безусловный предел. Очевидно, что в современных условиях любые изменчивые параметры должны базироваться на вероятностной основе. В нормах проектирования, как правило, должно указываться их номинальное, т. е. «ожидаемое» значение. Если же в отдельных случаях дается другое значение, то оно должно сопровождаться указанием требуемой его обеспеченности.
В отечественных нормах, выпущенных за последние десятилетия, усматривается постепенное увеличение числа эмпирических приемов расчета, эмпирических формул и коэффициентов. Конечно, без использования опытных параметров и коэффициентов в расчетах обойтись невозможно. Более того, эти параметры являются необходимым связующим звеном между теорией и опытом, поскольку без них теория может оказаться мертвой. Однако применение эмпирических формул и далее методик может привести и зачастую приводит к потере ими физического смысла и, следовательно, к механическому их применению на практике с вытекающими из этого отрицательными последствиями.
Известно, что при переходе в 1938 г. на расчет по разрушающим усилиям из расчетов прочности был исключен учет зависимости между напряжениями и деформациями, т. е. была принята схема работы материалов как идеально упругопластических. Многочисленные опыты подтвердили полную пригодность такого приема. Это и не удивительно, поскольку в то время в качестве арматуры применялись главным образом так называемая «мягкая» сталь, имеющая явно выраженную и протяженную площадку текучести, и бетон относительно низкой прочности, у которого доля неупругих деформаций весьма существенна. Правда, для расчета сечений при малых относительных эксцентриситетах пришлось все же уже тогда прибегнуть к чисто эмпирическому приему.
Рассмотрим принятую в нормах обеспеченность расчетных сопротивлений соматуры в сопоставлении с обеспеченностью расчетных сопротивлений бетона. Нормативные сопротивления материалов, согласно главе СНиП II-A. 10-71, устанавливаются исходя из теоретической обеспеченности, не меньшей 95%. Расчетные сопротивления определяются путем деления нормативных сопротивлений на коэффициент безопасности по материалу, равный для бетона 7(б = 1,3, а для разных классов арматуры Ка — от 1,1 до 1,25. При этом, однако, вопрос о фактической обеспеченности расчетных сопротивлений арматуры и бетона недостаточно ясен. В дальнейшем ему следует уделить серьезное внимание.
Дискуссия о применимости так называемой гипотезы плоских сечений для расчета несущей способности железобетонных элементов ведется давно. Многими авторами проведены обширные опыты и теоретические исследования, результаты которых трактуются по-разному. Это и естественно, поскольку измеряемые деформации арматуры, так же как и бетона, зависят от базы измерений: чем меньше база, тем различнее могут быть полученные деформации, так как измерительный прибор может попасть на структурные элементы материала с существенно различными свойствами (например, на растворную часть бетона или крупный заполнитель). Поэтому любая подобная гипотеза, в том числе и гипотеза плоских сечений, является условной.
Однако, если исходить из подходящих масштабов измерений, а также из того основного положения, что рассматриваемая гипотеза служит лишь в качестве «рабочего аппарата», то можно найти целесообразную область ее применения с тем, чтобы грубых ошибок в результатах расчета не было. Опыт и исследования показывают, что эта гипотеза может с успехом применяться для расчета несущей способности элементов при так называемом «разрушении по сжатой зоне», а при арматуре, не имеющей площадки текучести, — во всех случаях. При этом речь идет только о вычислении условной высоты сжатой зоны и напряжений в растянутой арматуре.
Для расчета изгибаемых элементов с арматурой, имеющей площадку текучести, когда применение этой гипотезы может привести к существенным погрешностям, использовать ее -нет необходимости, так как напряжения в растянутой арматуре в предельном состоянии фиксированы, и для расчета достаточно одних условий равновесия.
Принятие изложенного подхода позволило бы привести расчет несущей способности в более строгую и логичную систему. Это избавило бы также от применения множества эмпирических приемов и формул, которыми насыщены нормы. Можно указать на то, что практически во всех зарубежных нормах и рекомендациях международных организаций гипотеза плоских сечений сохранила свое значение как рабочий прием.
Максимально возможный отказ от эмпирических приемов расчета и замена их гипотезами, имеющими определенную геометрическую и физическую основу, способствовали бы существенному сокращению в нормах количества частных формул и коэффициентов, едва ли могущих претендовать на «обязательность». При этом можно было бы в нормах уделить основное внимание нормированию принципиальных положений.