Во всех ли случаях возможна замена стальной арматуры на стеклопластиковую?

Среди потребителей композитной арматуры, к сожалению, до сих пор распространен миф о так называемой «равнопрочной замене» стальной арматуры на композитную в армированных строительных конструкциях. Чтобы убедиться в этом, достаточно набрать в любом поисковике «равнопрочная замена композитной арматурой».

Если верить некоторым рекламным источникам, достаточно при проектировании армированной бетонной конструкции сравнить прочность на растяжение стальной арматуры и стеклопластиковой. При этом о необходимости учитывать то, что в рекламе указана именно предельная прочность на растяжение, а не рабочая (расчётная) нигде не говорится. Также не учитывается модуль упругости (влияющий на трещинообразование), температурная, химическая стойкость арматуры и др. Так появились «ТАБЛИЦЫ РАВНОПРОЧНОЙ ЗАМЕНЫ», которые, если ими воспользоваться, могут привести к катастрофическим последствиям.

Рассмотрим данную проблему шире.

1. Рекламная «уловка» в сравнении прочности.

Прежде всего, следует понимать, что расчёты прочности не только строительных, но и любых, конструкций проводят не по предельным и нормативным, а по расчётным значениям механических характеристик материалов, из которых эти конструкции изготовлены, а практика (жизненный опыт) показывает, что расчётные значения характеристик могут в разы отличаться от нормативных.

Как известно, бетон армируют для повышения способности конструкций, которые из него изготовлены, противостоять воздействию, прежде всего, растягивающих и изгибающих нагрузок.

При проектировании бетонных конструкций, армированных стальной арматурой следует руководствоваться положениями свода правил СП63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции», а при проектировании конструкций, армированных композитной арматурой, следует руководствоваться положениями СП295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования».

Согласно разделу 6 СП63.13330.2018 для железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры в качестве устанавливаемой по расчету применяют арматуру периодического профиля классов А400, А500 и А600. Расчётные значения сопротивления стальной арматуры растяжению определяют с учётом коэффициентов надежности и для предельных состояний по первой группе они составляют:

- для стали А400 R_s = 350 МПа;

- для стали А500 R_s = 435 МПа.

При расчёте бетонных конструкций с композитной (в частности стеклопластиковой) арматурой по первой группе предельных состояний, согласно требованиям СП295.1325800.2017, от нормативной прочности к расчётной переходят через понижающие коэффициенты, такие как: коэффициент надёжности по материалу, коэффициент, учитывающий условия эксплуатации конструкций, армированных композитной полимерной арматурой, коэффициент снижения сопротивления растяжению полимерной композитной арматуры при действии длительных нагрузок.

С учётом всех перечисленных коэффициентов при нормативном сопротивлении растяжению 890-1100 МПа, расчетное сопротивление для стеклокомпозитной арматуры АСК следует принимать равным: 267-330 МПа (напомним, для стали А400 – 350МПа).

Таким образом, согласно требованиям действующих строительных норм, равнопрочная замена стальной арматуры на стеклопластиковую требует применения аналогичного, либо большего диаметра стеклопластиковой арматуры.

В таком случае, напрашивается резонный вопрос: «где же выгода от применения композитной арматуры?», о которой говорят в рекламных материалах.

2. Рекламная «уловка» в сравнении удлинения при разрушении.

Ещё одну особенность в различиях механических характеристик композитной полимерной и стальной арматуры следует учитывать при расчете конструкций по предельным состояниям второй группы (т.е. по деформациям, возникающим в конструкции при эксплуатации). Некоторые рекламные источники утверждают, что удлинение при разрыве стальной арматуры составляет 14%, тогда как для стеклопластиковой арматуры этот показатель на уровне 2-3%. Это, якобы является существенным преимуществом композитной арматуры, т.к. при удлинении 14% у стальной арматуры, бетон будет разрушен необратимо. Разберёмся так ли это.

Как известно, деформации конструкции при одинаковом силовом воздействии на неё определяются модулем упругости материала, из которого эта конструкция изготовлена.

В соответствие с нормативными документами значения модулей упругости:

- для стальной арматуры E_s = E_s,n ≈ 200 ГПа

- для стеклопластиковой арматуры E_f = E_f,n ≥ 50 ГПа

Т.о. модуль упругости стеклопластиковой арматуры примерно в 4 раза меньше модуля упругости стальной. Проще говоря, деформации бетонных конструкций, армированных стальной и композитной арматурой с одинаковыми геометрическими параметрами при одинаковом растягивающем или изгибающем воздействии будут отличаться примерно в четыре раза. Это может привести к раскрытию трещин и увеличенному прогибу конструкции. Наглядно понять работу композитной и стальной арматуры под действием нагрузки может помочь диаграмма нагружения арматуры классов А400 и А500С, а также стеклопластиковой арматуры, выпускаемой Бийским заводом стеклопластиков, представленная на рисунке 1.

Из диаграмм видно, что при растяжении до относительной деформации, примерно 0,2% характеристики стальной арматуры подчиняются закону Гука (R=E·ε), то есть происходит линейная упругая деформация и при снятии нагрузки удлинение аннулируется. При дальнейшем нагружении происходит так называемый «процесс текучести», когда деформации в стальном арматурном стержне нарастают без изменения уровня нагрузки. Максимальное значение деформации для стальной арматуры в момент разрыва может достигать тех самых значений из рекламных источников, то есть 14%.

В соответствии с нормативными документами расчёты прочности конструкций, армированных стальной арматурой, ведут по характеристикам арматуры, определяемым в области её упругих деформаций. То есть при расчётных сопротивлениях, при которых деформации арматуры менее 0,2%. Для стали А400, при нагрузке до 350МПа, деформация составляет около 0,1%. При такой величине не возникает опасного трещинообразования в бетоне, которое может повлечь проникновение влаги, способствующей прогрессирующей коррозии арматуры и разрушению бетона. Таким образом, стальная арматура в конструкции, рассчитанной в соответствии с требованиями норм и правил, никогда не достигает деформаций более 0,2% и уж тем более и близко не приближается к критическим 14%.

Стеклопластиковая же арматура является упругим материалом вплоть до момента разрушения. Предельная её деформация в момент разрушения составляет 2,5-3,0%. Как следует из представленной на рисунке 1 диаграммы, при расчётных значениях сопротивления при растяжении АСК (270-350 МПа), относительная деформация составляет около 1%. При таком значении деформаций армированный АСК бетон также будет иметь трещины, однако вследствие высокой коррозионной стойкости АСК работоспособность бетонной конструкции, армированной АСК, не нарушится.