Три возможности: как снизить металлоемкость железобетонных конструкций

В современных условиях в связи с напряженным положением в экономике и западными санкциями особенно большое значение приобретает рациональный расход имеющихся ресурсов. Ниже рассмотрены некоторые возможности, позволяющие без дополнительных капитальных затрат сэкономить миллионы тонн стали и миллиарды рублей за счет существенного сокращения расхода арматуры в железобетонных конструкциях зданий и сооружений. При этом соблюдаются все необходимые условия по обеспечению безопасности зданий и сооружений в соответствии с требованиями части 6 статьи 15 федерального закона №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30.12.2009 года.

Практическая реализация трех представленных возможностей позволит получить большой экономический эффект, значительно сократит расходы на строительство железобетонных зданий и сооружений.

Возможность 1 состоит в широком применении в строительстве арматурного проката классов А500СП, Ау500П, Ав500П с эффективным многорядным периодическим профилем. Прокат производят металлургический комбинат АО «Евраз ЗСМК» (Новокузнецк) и Тульский металлопрокатный завод.

В Таблице 1 представлена экономия стали, полученная при расчете прочности и трещиностойкости двух железобетонных элементов — изгибаемого и косо внецентренно сжатого.

В частности, использование предлагаемой арматуры Ау500СП вместо широко применяемой в настоящее время арматуры А500С дает экономию 12%, 11,7% и 25,4%. Также увеличивается сопротивление конструкций взрывным и сейсмическим воздействиям. При этом стоимость арматуры обоих видов примерно одинакова.

Возможность 2 состоит в строгом выполнении при проектировании требований свода правил (СП) 63.13330.2018 «СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».

В 2019 году по решению научно-технического совета «Железобетонные конструкции. Методы расчета и проектирования» Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) была создана рабочая группа для изучения результатов расчетов железобетонных конструкций на ЭВМ по различным программным комплексам. В группу, которую возглавил доктор технических наук, член-корреспондент РААСН Сергей Крылов, вошли представители разработчиков программ, наиболее широко используемых при проектировании: Ing+, SCAD (Арбат), Лира-САПР, Лира 10, STARK ES, ОМ СНиП Железобетон.

Для сравнения результатов было предложено 10 тестовых примеров, рассчитанных разработчиками каждой из перечисленных программ. Подробный анализ выполнен в видеоролике «Ущерб 100 млрд рублей в год из-за ошибочных расчетов железобетонных конструкций». Сводка результатов приведена в Таблице 2. В ней рассмотрено пять примеров по подбору армирования. Сравниваются полученные диаметры арматурных стержней. В примерах 3-6 рассмотрены нормальные сечения, в примере 7 — наклонное сечение. Правильность эталонного решения в примерах 5, 7 подтверждена ручным счетом.

Всего выполнено 25 расчетов. В 18 случаях (72%) расход стали оказался больше эталонного. Как видно из таблицы, вместо обеспечивающих выполнение требований норм стержней диаметром 25, 20, 25, 32, 8 мм в расчетах получены диаметры 28, 22, 25, 36, 12 мм. Перерасход арматуры составляет соответственно 25, 21, 25, 27, 125%.

Средний перерасход составляет 45%. Принимая во внимание, что завышенные диаметры возникают в 72% случаев, а также неучтенные случаи, повышающие и понижающие ущерб, примем средний перерасход равным не 45%, а 30%, и это заниженная оценка.

Общий годовой выпуск арматуры в России — 7,2 млн тонн. Стоимость одной тонны арматуры в ноябре 2022 составляла 46 198 рублей. Таким образом, на компенсацию перерасхода (по заниженной оценке) ежегодно требуется 30% производимой арматуры, то есть 2,2 млн тонн стоимостью 100 млрд рублей. При этом вопрос о перерасходе арматуры обсуждается уже более 20 лет. За это время ущерб составил более 2 трлн рублей.

Положение можно исправить, издав документ под условным названием «Руководство по верификации расчетов железобетонных конструкций», содержащий соответствующие нормам решения типичных примеров. Разработчики программ, работники экспертных организаций, проектировщики могли бы проверять правильность получаемых по используемым программам результатов, рассчитывая примеры руководства и сравнивая решения. Необходимо добиться, чтобы разные программы при одинаковых исходных данных давали одинаковые результаты, строго соответствующие нормам.

Возможность 3 состоит в использовании методов оптимального проектирования. Рассмотрим конкретный пример оптимизации вертикальной арматуры многоэтажной стены. Верхние этажи многоэтажных зданий загружены меньше нижних и требуют меньшего армирования. Поэтому стены делят на ярусы с одинаковым армированием. При оптимизации деление на ярусы проводят так, чтобы минимизировать расход металла при выполнении необходимых требований норм. Условия и результаты расчетов примера приведены в Таблице 3.

Рассматриваемая стена имеет 19 этажей. Обычно разделение на ярусы выполняют равномерно. В варианте 1 в первый и второй ярусы входят этажи соответственно с 1 по 10 и с 11 по 19. Армирование всех этажей каждого яруса выполняют по нижнему этажу, то есть по этажам 1 и 11 соответственно в первом и втором ярусе. Расход стали при этом составляет 47,22 тонн. В оптимальном решении (вариант 2) нижним этажом второго яруса оказывается не одиннадцатый, а шестой этаж. Расход стали при этом снижается до 39,2 тонн. Экономия по сравнению с вариантом 1 равна 17%.

Аналогичные результаты получены при числе ярусов 3 и 4 (варианты 3-6). Экономия при оптимальном делении по сравнению с равномерным оказывается равной соответственно 21,6 и 16,1%. В варианте 7 выполнено сравнение оптимального решения с равномерным при соответственно 4 и 2 ярусах. Экономия оказалась равной 43,1%.