Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандарт1пацин и технической оценки соответствия в строительстве»

Методическое пособие

ИНСТРУКЦИЯ ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАН ИЮ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ КЛАССОВ В60-В90 И МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ КЛАССОВ В50-В90

Москва 2015

Методическое пособие разработано следующим авторским коллективом: лаборатория проблем прочности и качества в строительстве НИИСФ РААСН -д.т.н., проф. Н.И. Карпенко (разделы 1-7), д.т.н. С.Н. Карпенко (разделы 4-7), к.т.н. И.Г. Чепизубов (разделы 1-3); лаборатория химических добавок и модифицированных бетонов НИИЖБ - д.т.н. С.С. Каприелов (разделы 1,2, 4, 8).

Предельный расход цемента в тяжелых бетонах должен быть не более 550 кг/м³, а в мелкозернистых - не более 700 кг/м³.

В качестве добавок применяются следующие материалы.

Минеральные добавки, соответствующие ГОСТ Р 56592-2015:

•    микрокремнезем (ТУ 5743-048-02495332-96);

•    метакаолин (ТУ 5870-176-46854090-94);

•    золы уноса (ГОСТ 25818).

Химические добавки, соответствующие (ГОСТ 24211-2008):

•    суперпластификаторы;

•    регуляторы твердения;

•    регуляторы структу ры.

Органо-минератьные модификаторы бетона типа МБ, соответствующие ГОСТ Р56592-2015:

МБ-01 (ТУ 5743-073-46854090-98);

МБ-С (ТУ 5743-083-46854090-98);

Эмбэлит (ТУ 5870-176-46854090-04).

4.1.2.    Тяжелые и мелкозернистые модифицированные бетоны классов В50-В90 по физико-техническим свойствам должны отвечать требованиям ГОСТ 26663-2012 и данным, приведенным в настоящей Методическом пособии.

Основными показателями качества бетона являются:

•    класс по прочности на сжатие (В);

•    класс по прочности на осевое растяжение (В,)

•    марка по морозостойкости (F);

•    марка по водонепроницаемости (W).

4.1.3.    Для бетонных и железобетонных конструкций, проектируемых в соответствии с требованиями настоящим Методическим пособием, следует предусматривать конструкционные модифицированные бетоны классов В50-В90:

•    тяжелые со средней нормативной плотностью 2320-2500 кг/м³;

•    мелкозернистые со средней нормативной плотностью 2100-2300 кг/м³.

4.1.4.    Для бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов следует предусматривать бетоны

следующих классов и марок:

•    классов по прочности на сжатие.

тяжелый и мелкозернистый - В50, В60, В70; В80; В90

•    классов прочности на осевое растяжение:

тяжелый и мелкозернистый - В,2,8; В,3,2; В,3,6; В,3,8; В,4,0;

•    марок по морозостойкости:

тяжелый и мелкозернистый - F 200; F 300; F 400; F 500; F 600;

F 700; F 800; F 900; F 1000

•    марок по водонепронецаемости:

тяжелый и мелкозернистый - W12; W14; W16; WI8; W20

4.1.    Нормативные сопротивления бетона

4.2.1.    Основными прочностными характеристиками бетона являются нормативные значения сопротивления бетона осевому сжатию призм /?*, и сопротивление осевому растяжению Иь* устанавливаемые с обеспеченностью 0,95.

4.2.2.    Нормативные значения сопротивлений модифицированного бетона классов В50-В90 (тяжелого и мелкозернистого плотной структуры с плотным мелким заполнителем) /?*, и /6,,„ в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие согласно СП 63.13330.2012 приведены в табл. 4.1. Они согласуются с данными табл.6.7 СП 13330.2012.

Таблица 4.1

Вид сопротивления Вид бетона Нормативные сопротивления бетона. и КЫт МПа и расчетные сопротивления бетона для предельных состояний второй группы. Rb„, и Rn,wr. МПа при классе бетона по прочности на сжатие В50 В60 В70 ВХО В90 Сжатие осевое (призменная прочность). R*n Я К)|.ц[ тяжелый и мелкозернистый 36,0 43 50 57 64 Растяжение осевое. R*nи Rh.m тяжелый и мелкозернистый 2.45 2.75 3.00 3.30 3.60

Нормативные сопротивления бетона, приведенные в табл. 4.1 соответствуют возрасту бетона /₀= 28 сут. (R_hn= /4,,(28);    R_hM = RbJ2*))-    Нормативные

сопротивления бетона при !_{)Ф 28 сут. определяются по указаниям п.4.5.3.

4.2. Расчетные сопротивления бетона

4.3.1. Расчетные значения сопротивления модифицированного бетона осевому сжатию и осевому растяжению определяют делением нормативных значений сопротивления бетона на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии у* и растяжении .

Значения коэффициентов надежности принимают равными:

•    при сжатии:

г* ^в1,3 - для предельных состояний первой группы;

=1,0 - для предельных состояний второй группы;

•    при растяжении (при назначении класса бетона по прочности на сжатие): у„ =1,5 - для предельных состояний первой группы;

у„ =1,0 - для предельных состояний второй группы.

Кроме этого, для высокопрочных бетонов классов В70, В80, В90 в СП 63.13330.2012 вводится дополнительный понижающий коэффициент y_ktr. Для модифицировнных бетонов классов В70-В90 он может быть принят несколько увеличинным и определяться по формуле у,„ ■ (370 - я) зоо .

Расчетные сопротивления бетона Rb и Иы (с округлением) в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие и осевое растяжение для предельных состояний первой группы приведены в табл. 4.2 и 4.3:

Таблица 4.2

Вид сопротивления Вид бетона Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний первой группы Rb н Я*. МПа прн классе прочности на сжатие В50 В60 В70 В 80 В90 Сжатие осевое. R* тяжелый и мелкозернистый 27.7 33.0 38.4 42.35 45.9 Растяжение осевое. Яы тяжелый и мелкозернистый 1,63 1,83 2,00 2,13 2,24

Таблица 4.3

Вид сопротивления Вид бетона Расчетные сопротивления бетона для предельных состоянии первой группы Кы. МПа при классе бетона на осевое растяжение В,2.Х В, 3.2 В,3.6 В,3.8 В/4.0 Растяжение осевое тяжелый и мелкозернистый 2,15 2,45 2,75 2,85 2,95

4.3. Кратковременные деформационные характеристики бетона

4.4.1. Для тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90 начальные модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают по табл. 4.4.

Таблица 4.4

Бетон Начальные модули упругости бетона при сжатии и растяжении Еь 10-3. МПа при классе бетона по прочности на сжатие В50 В60 В70 вхо В 90 Тяжелый 38,5 40,3 42,0 43,0 43,7 Мелкозернистый 33.0 35,3 36.2 36,8 37,2

Модули упругости, приведенные в табл. 4.4 соответствуют возрасту бетона /о =28 сут.(£»-ВД28)). Модули упругости при /₀^28сут. определяются по указаниям п.4.5.4.

4.4.2. Начальный коэффициент поперечной деформации бетона (коэффициент Пуассона) принимается равным 0,23 для тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90.

4.4. Диаграммы состоянии бетона

4.4.1. Кратковременные деформации зависят от уровня напряжений и определяются при центральном и внецентральном с малым экцентриситетом сжатия по формуле:

=    (4-1)

^E»^v*

где <т_ь - напряжение сжатия:

у_ь - коэффициент изменения текущего модуля, для восходящей ветви диаграммы

здесь: г_л -значение »_л в вершине диаграммы.

(4.3)

R_hn- нормативное значение напряжения сжатия в вершине диаграммы при

с_ь - значение относительных деформаций сжатия в вершине диаграммы сжатия.

В / + 0.7В)./60 + 0.2 / В

^с» ----»    (4 4)

Е* 0.12 + В 60 +0.2 / В    ^v '

в - класс бетона на сжатие;

>. =0,9 при расчете конструкций по первой группе предельных состояний;

>. = I при расчете конструкций по второй группе предельных состояний;

// - абсолютная величина уровня напряжений сжатия,

п = \*b\^IRbn*    (45)

<■) ₍,<о, - характеристики кривизны диаграммы,

о), = 2 - 2.5»^ГЛ : (о ₂ = 1 - ю, .    (4.6)

Для сжатой зоны изгибаемых и внецентренно сжатых элементов с большим эксцентриситетом:

о), = 2 - 1.4»^:Л: со ₂ = I - о> _х    (4.7)

(кроме этого, значения с _ь вычисленные по формуле (4.4) умножаются на коэффициент 1,2).

Для ниспадающей ветви диаграммы формула (4.2) записывается в виде:

v₀ = 2.05 v_ь. о)_x - 1.95 v_ь - 0.138 ; о) ₂ = 1 - <», .

Сжимающие напряжения а_ь принимаются отрицательными, т.е. они вводятся в формулу (4.1) со знаком минус.

При расчете конструкций по первой группе предельных состояний в представленных выше формулах заменяется на R_ь.

Деформации растяжения бетона для центрально растянутых элементов и внецентренно растянутых с малым эксцентриситетом элементов определяется по формулам (4.1), (4.2) с заменой формул (4.3) - (4.5) на следующие зависимости:

v₄ =(0.6+0.15 R_bi /2.5)/

о = )р_ы\т_Ыя9

для внецентренно растянутых элементов - /, в других случаях

0.9 < у_ы = 2.07    (4.11)

где R_blH - нормативное значение напряжений растяжения в вершине диаграммы; параметры а>_х и ю , определяются по формулам (4.6);

И, = 0,3 м, h высота сечения в метрах.

При расчете конструкций по первой группе предельных состояний в представленных выше формулах R_{hl я} заменяется на R_h .

Введение.......................................................5

1.    Область применения..........................................5

2.    Общие положения............................................6

3.    Общие принципы проектирования и расчета железобетонных

конструкций из высокопрочных тяжелых и мелкозернистых бетонов .....................................................

4.    Определение физико-механических и реологических (усадка,    10

ползучесть) характеристик высокопрочных бетонов...............

4.1.    Общие положения........................................ 10

4.2.    Нормативные сопротивления бетона......................... 12

4.3.    Расчетные сопротивления бетона............................13

4.4. Кратковременные деформационные характеристики бетона..... 14

4.5.    Диаграммы состояния бетона............................ 14

4.6.    Учет деформаций ползучести............................... 18

4.7.    Учет усадки бетона....................................... 22

4.8.    Общие требования к арматуре.............................. 24

4.9.    Диаграммы состояния арматуры............................ 25

5.    Особенности расчета железобетонных конструкций    из высокопрочны 28

бетонов по двум группам предельных состояний...................

5.1.    Общие положения........................................ 28

5.2.    Общие условия нелинейной диаграммной    модели..............28

5.3.    Основные уравнения деформационной диаграммной модели .... 30

действия кратковременной и длительной нагрузки.................

5.8. Учет деформаций усадки...................................37

6. Общие критерии прочности железобетонных плоских и оболочечных 38 элементов при совместном действии изгибающих и крутящих моментов, нормальных и касательных сил........................

6.1.    Общие положения........................................ 38

6.2.    Критерии прочности для схем разрушения «Н»................ 44

6.3.    Критерии прочности для схем разрушения «В»................47

6.4.    Критерии прочности для случая 1В..........................48

6.5.    Критерии прочности для случая 2В..........................50

6.6.    Критерии прочности элементов для схем разрушения «НВ»..... 51

6.7.    Критерии прочности    элементов для схемы разрушения «С»..... 53

6.8.    Критерий прочности    элементов для схемы «С» в случае 1.......53

6.9.    Критерии прочности для схемы «С» в случае 2................ 55

7. Дополнительные рекомендации по конструированию..............57

7.1.    Требования к поперечному и продольному армированию....... 57

7.2.    Требования к соединениям арматуры внахлест и их расположению 57

7.3.    Требования к механическим соединениям армату ры и их    59

расположению...............................................

8.    Требования к материалам для производства бетонных смесей тяжелых 60 и мелкозернистых модифицированных бетонов классов B50-BI00 . . .

Приложение. Основные понятия, термины и определения..............62

Приложение. Перечень нормативной документации...................64

Введение

Данное методическое пособие «Инструкция по расчету и проектированию конструкций из высокопрочных тяжелых бетонов классов В60-В90 и мелкозернистых бетонов классов В50 до В90» (далее - Методическое пособие) разработано в развитие положений «СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003» и призвано учесть результаты развития новых более эффективных видов высокопрочных модифицированных бетонов, изменение их физико-механических и реологических характеристик, а также развитие более совершенных методов расчета и проектирования.

1. Область применения

Действие настоящего Методического пособия распространяется на проектирование и возведение монолитных железобетонных конструкций надземных и подземных сооружений с применением тяжелых модифицированных бетонов классов по прочности от В60 до В90 включительно и мелкозернистых бетонов классов по прочности на сжатие от В50 до В90, марок по морозостойкости F200-F1000 (ГОСТ 10060.0-95) и марок по водонепроницаемости W12-W20 (ГОСТ 12730.5-84), приготовленных из подвижных (марок по удобоукладываемости ПЗ-П5) бетонных смесей.

Методическое пособие предназначено для расчета несущих конструкций высотных зданий и зданий повышенной этажности, высоконагруженных зданий, выполненных с применением высокопрочных бетонов классов В50-В90.

В Методическое пособие включен раздел по расчету прочности плоских и оболочечных элементов в общем случае совместного действия изгибающих и крутящих моментов, нормальных и касательных сил, т.к. конструкции из таких элементов находят широкое применение в современном монолитном в строительстве.

2. Общие положении

Методическое пособие содержит дополнения к СП 63.13330.2012 в части прочностных и деформативных свойств тяжелых и мелкозернистых модифицированных высокопрочных бетонов, а также к расчету железобетонных конструкций из модифицированных высокопрочных бетонов. Необходимость дополнений связана с недостаточной информацией о свойствах новых более эффективных видов высокопрочных модифицированных бетонов и изменениях их физико-механических и реологических характеристик, а также с развитием более совершенных методов расчета и проекгирования конструкций из новых бетонов.

Данное Методическое пособие распространяется на тяжелые и мелкозернистые бетоны и содержит информацию о характеристиках высокопрочных бетонов, в дополнение к приведенным в СП 63.13330.2012 характеристикам тяжелых бетонов классов В60-В90 и мелкозернистых бетонов классов В50-В90.

Данное Методическое пособие распространяется на конструкции, подвергающиеся различным видам статических нагрузок.

Настоящее Методическое пособие следует применять совместно со СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003», а также с нормативными документами:

СП 20.13330.2011 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия»;

СП 22.13330.2011 «СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений»;

СП 28.13330.2012 «СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии»;

СП 70.13330.2012 «СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции»;

СП 122.13330.2012 «СНиП 32-04-97 Тонели железнодорожные и автодорожные»;

СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99 Строительная климатология» и другими нормативными документами (СП);

ГОСТ 26633-2011 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия;

ГОСТ 24211-2008 Добавки для бетонов. Общие технические условия.

ГОСТ Р 56178-2014 Модификаторы органо-минеральные типа МВ для бетонов, строительных растворов и сухих смесей. Технические условия;

ГОСТ 31914-2012 Бетоны высокопрочные тяжелые и мелкозернистые для монолитных конструкций. Правила контроля и оценки качества.

3. Общие принципы проектировании и расчета железобетонных конструкции из высокопрочных тяжелых и мелкозернистых бетонов

Для обеспечения нормального функционирования железобетонных конструкций из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов (сокращенно - тяжелых бетонов) классов В50-В90 в условиях эксплуатации в течение установленного срока службы зданий и сооружений железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям безопасности (по несущей способности), эксплуатационной пригодности, долговечности. Железобетонные конструкции также должны удовлетворять требованиям по несущей способности в процессе возведения.

Для удовлетворения требования безопасности железобетонные конструкции из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90 должны иметь такие характеристики, которые с надлежащей степенью надежности предотвратят разрушение конструкций при различных воздействиях.

Для удовлетворения требования эксплуатационной пригодности железобетонные конструкции из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90 должны иметь такие характеристики, которые с надлежащей степенью надежности при различных воздействиях предотвратят образование или чрезмерное раскрытие трещин, а также чрезмерные деформации, препятствующие нормальной эксплуатации (нарушение требований по охране здоровья людей и окружающей среды, требований к внешнему виду конструкции, технологических требований по нормальной работе оборудования и механизмов, конструктивных требований по совместной работе элементов и т. д.).

Для удовлетворения требований долговечности железобетонные конструкции из модифицированных бетонов классов В50-В90 должны иметь такие начальные

характеристики, которые с надлежащей степенью надежности в течение установленного длительного времени (заданного срока службы) конструкции удовлетворяли бы требованиям безопасности и эксплуатационной пригодности при различных воздействиях.

При проектировании железобетонных конструкций должны быть установлены вид и показатели качества бетона и арматуры с соответствующими их значениями.

Нагрузки и воздействия, срок эксплуатации (службы) сооружений, предел огнестойкости и способы защиты конструкций от коррозии железобетонных конструкций надземных и подземных сооружений устанавливаются соответствующими нормативными документами.

Расчеты железобетонных конструкций необходимо, как правило, производить с учетом возможного образования трещин, неупругих и длительных деформаций в бетоне и арматуре.

Определение усилий и деформаций от различных воздействий в конструкциях и в образуемых ими системах зданий и сооружений следует производить по общим правилам строительной механики, как правило, с учетом их совместной работы, физической и геометрической нелинейности работы конструкций в системе.

Расчеты железобетонных конструкций в общем случае следует производить для двух стадий работы конструкций, связанных с состоянием бетона:

I.    До приобретения бетоном в конструкции требуемой прочности - на воздействие массы этого бетона и технологических нагрузок на этапе возведения конструкции.

II.    После приобретения бетоном в конструкции требуемой прочности - на воздействие как технологических, так и эксплуатационных нагрузок.

Рассчитывать железобетонную конструкцию следует на действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил и крутящих моментов, возникающих в конструкциях от различных воздействий, а также на действие местной нагрузки.

Расположение температурно-усадочных швов и границ захваток (технологических швов) при бетонировании в проектируемых конструкциях должно назначаться по расчету. Это связано с необходимостью обеспечить термическую

трещи постой кость при перепадах температуры окружающей среды и в конструкциях.

Расчеты железобетонных конструкций следует производить по методу предельных состояний, включающему:

•    предельные состояния первой группы (по пригодности к эксплуатации без потери несущей способности);

•    предельные состояния второй группы (по пригодности к нормальной эксплуатации без образования или чрезмерного раскрытия трещин, появления недопустимых деформаций и др.).

Расчеты по предельным состояниям первой группы должны включать расчеты по прочности.

Расчеты по предельным состояниям второй группы должны включать расчеты по образованию и раскрытию трещин и по деформациям.

С необходимой надежностью расчеты должны гарантировать от наступления предельных состояний конструкций.

Кроме того, в необходимых случаях по соответствующим нормативным документам следует производить расчеты по огнестойкости, теплопроводности, звукоизоляции, обеспечивающие нормальные условия жизнедеятельности.

При проектировании железобетонных конструкций из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90 надежность конструкций устанавливают полувероятностным методом расчета путем использования расчетных значений нагрузок и воздействий, расчетных характеристик бетона и арматуры, определяемых с помощью частных коэффициентов надежности по нормативным значениям этих характеристик, с учетом уровня ответственности здания или сооружения.

Нормативные значения нагрузок и воздействий, значения коэффициентов надежности по нагрузке, а также коэффициентов надежности по ответственности конструкций устанавливают соответствующие нормативные документы для строительных конструкций.

Расчетные значения нагрузок и воздействий принимают в зависимости от вида расчетного предельного состояния и расчетных ситу аций.

Нормативные значения характеристик материалов определяют с учетом изменчивости свойств материалов.

Уровень надежности расчетных значений характеристик материалов устанавливают в зависимости от опасности достижения соответствующего предельного состояния и регулируют значением коэффициента надежности по бетону и армату ре.

Расчет железобетонных конструкций из тяжелых и мелкозернистых модифицированных бетонов классов В50-В90 можно производить по заданному значению надежности на основе полного вероятностного расчета с учетом изменчивости основных факторов, входящих в расчетные зависимости.

При проектировании железобетонных конструкций необходимо обеспечить конструктивные требования по геометрическим параметрам элементов конструкций, по армированию и по защите конструкций от неблагоприятного воздействия среды эксплуатации.

4. Определение физико-механических и реологических (усадка, ползучесть) характеристик высокопрочных бетонов

4.1.    Общие требования к бетону

4.1.1.    Для железобетонных конструкций, проектируемых в соответствии с требованиями настоящим Методическим пособием, следует предусматривать конструкционные бетоны, соответствующие ГОСТ.

Смеси для бетонов классов В50-В90 должны соответствовать ГОСТ 7473-2010 со следующими уточнениями.

В качестве вяжущих применяются портландцемента марок ЦЕМ152,5Н и ЦЕМ II 52,5Н, соответствующие ГОСТ 31108-2003, ПЦ 500-Д0-Н и ПЦ 500-Д20-Н, соответствующие ГОСТ 10178-85, содержащие в своем составе СзА не более 8 %, имеющие показатель нормальной густотой цементного теста не выше 25 %.