Арматура для железобетонных конструкций

Как мы уже установили ранее, основным назначением арматуры является восприятие растягивающих усилий в железобетонных элементах. Помимо этого арматура может использоваться для усиления сжатого бетона, когда его площади не хватает для восприятия сжимающих усилий. И в том и в другом случае арматура воспринимает некоторые усилия, ее положение и площадь поперечного сечения определяются расчетом и такая арматура называется рабочей. Арматура, которая устанавливается по конструктивным или технологическим соображениям называется конструктивной или монтажной. Функциональное назначение арматуры представлено на рис.2.1. Из рисунка видно, что рабочая продольная арматура воспринимает основные растягивающие напряжения в балке, в колонне воспринимает сжимающие напряжения, отогнутая арматура и хомуты воспринимают вместе с бетоном поперечную силу. Монтажная арматура служит как для передачи усилий на стержни рабочей арматуры, так и для изготовления арматурных каркасов.

Рис.2.1. Арматура железобетонных элементов:

1 – продольная арматура; 2 – хомуты; 3 – отогнутые стержни; 4 – монтажная арматура;

5 – монтажные петли; 6 – закладные детали; 7 – балка; 8 – колонна

Хомуты также служат для придания железобетонным элементам прочности при сжатии, так как препятствуют поперечным деформациям и как бы обжимают элемент. Закладные детали служат для приварки стыкуемых элементов, а монтажные петли для подъема их при транспортировке и монтаже.

По технологии изготовления различают арматуру стержневую, проволочную или в виде канатов. Арматура, как стержневая, так и проволочная, может быть гладкой или периодического профиля. Периодический профиль придается арматуре для ее лучшего сцепления с бетоном. Стержневая арматура периодического профиля бывает или обыкновенной, или термически либо термомеханически упрочненной, а проволочная арматура может быть упрочнена холодной вытяжкой. Стальные арматурные канаты применяются, в основном, семипроволочные либо девятнадцатипроволочные. Типы арматуры представлены на рис. 2.2.

Рис.2.2. Виды арматуры:

а – стержневая гладкая класса А240; б – стержневая периодического профиля класса А300;

в – то же класса А400 и выше; г – проволочная класса В600;

д – семипроволочный канат класса К-7

В зависимости от прочности и способа изготовления арматура подразделяется на ряд классов. Для стальной стержневой арматуры: гладкая класса А240 (по старой классификации A-I) - самой низкой прочности, в том числе катанка диаметром до 8 мм, поставляемая в бухтах, горячекатаная класса А300 (бывшая А-II), с периодическим профилем в виде винтовых линий и двумя продольными ребрами, горячекатаная классов А400 (А-III), (А400С), А500 (А500С), А600 (А600С), А800 (А800К) с периодическим профилем в форме «елочки» и также с двумя продольными ребрами. Чем выше цифры в обозначении класса арматуры, тем выше ее прочность. В настоящее время налажено производство арматурных сталей, обозначаемых индексом «С» с расчетными сопротивлениями от 3900 кг/см² и выше. Эти стали выгодно отличаются от других тем, что допускают применение дуговой электросварки на крестообразных пересечениях арматурных стержней. Арматурные стержни периодического профиля в сортаменте различают по приведенному диаметру, т.е. по диаметру равновеликому по площади поперечного сечения гладкого стержня. Проволочная арматурная сталь подразделяется: на гладкую холоднотянутую, обыкновенную класса В240 (по старой классификации В-I), диаметром до 8 мм, проволоку периодического профиля класса В500, B500C (Bp-I) такого же диаметра, высокопрочную, холоднотянутую, гладкую и периодического профиля класса В600 (Вр-II), которую иногда называют холоднодавленной арматурой. Канатная арматура представлена семипроволочными канатами класса К-7 и девятнадцатипроволочными канатами класса К-19.

Механические характеристики арматурных сталей определяются испытанием стандартных образцов на растяжение, подобно тому, как испытываются образцы конструкционных сталей. На основании этих испытаний строится диаграмма зависимости σ_s – ε_s,

(рис. 2.3). По виду этой зависимости арматурные стали делятся на мягкие, имеющие явно выраженную площадку текучести и твердые или упрочненные, без физической площадки текучести. В последнем случае, по аналогии со сталями для металлических конструкций, за предел текучести принимается напряжение σ_0,2при которомостаточная относительная деформация ε_s = 0,2%. Из диаграмм также следует, что арматурные стали имеют высокий предел упругости, за который принимается напряжение σ_0,02,при котором остаточные относительные удлинения составляют ε_s= 0,02%. Прямолинейный участок диаграммы растяжения определяет модуль упругости арматурной стали, который колеблется между величинами от 1800000 до 2100000 кгс/см². Если более внимательно посмотреть на диаграмму растяжения мягкой стали, то можно заметить, что временное сопротивление σ_u значительно больше предела текучести (для арматуры класса А400 σ_y= 4000, аσ_u= 6000) и это привело к мысли о возможности повышения прочности арматурной стали. Дело в том, что арматурная сталь подвержена явлению наклепа. Это явление заключается в следующем. Если довести напряжение в стали до величины большей предела текучести, например, до напряжения σ_к, а затем снять нагрузку, то деформации не вернутся в начало координат, а если затем снова нагрузить образец, то деформирование до напряжения σ_кбудет происходить линейно и сталь в дальнейшем будет деформироваться как твердая. На этом явлении и основан способ упрочнения стали. Арматурные стержни предварительно вытягивают, тем или иным способом, таким образом, придавая им большую прочность.

Рис. 2.3. Диаграммы деформирования различных видов арматурной стали:

а – мягкой ; б – твердой (при отсутствии площадки текучести)

Выбор арматурной стали для той или иной конструкции зависит от ее типа, наличия или отсутствия предварительного напряжения, условий изготовления конструкции и режима ее эксплуатации. Армирование ненапряженных железобетонных конструкций выполняют в виде отдельных стержней, сварных или вязаных каркасов и сварных или вязаных сеток. Сварные каркасы и сетки изготавливают с помощью соединения арматурных стержней между собой в местах их пересечения контактной сваркой или вязкой с помощью проволоки. На заводах контактная сварка механизирована и производится в арматурных цехах, а на строительной площадке выполняется с помощью сварочных клещей. Необходимо отметить, что контактная сварка не снижает прочности рабочей арматуры, если к ней не предъявляют особых требований, тогда как дуговая сварка для этой операции запрещена для всех видов арматуры кроме упомянутых классов А400С, А500С и А600С. Вязаные каркасы и сетки изготавливают на строительных площадках с помощью мягкой (отожженой) проволоки диаметром 0,8 мм. Сетки обычно применяются для армирования плитных конструкций или пологих оболочек, а плоские и пространственные каркасы для армирования линейных элементов железобетонных конструкций. Типичный плоский каркас представлен на рис.2.4. В сварных каркасах горизонтальные стержни рабочей арматуры могут по вертикали располагаться в несколько рядов с определенным зазором или в два ряда вплотную друг к другу. По горизонтали стержни могут располагаться как с одной, так и с двух сторон от вертикального поперечного стержня. Сварные сетки бывают

Рис.2.4. Плоские сварные каркасы:

а–д – для армирования балок; е – для армирования колонн

плоские и рулонные. Плоские сетки изготавливают из стержневой арматуры любого диаметра, либо из проволочной арматуры диаметром 3 – 5 мм. В этих сетках различают три типа в зависимости от расположения рабочей арматуры: с поперечной рабочей арматурой, с продольной и с рабочей арматурой в двух направлениях. Длина плоских сеток ограничена длиной поставляемой стержневой арматуры (12 м). Рулонные сетки изготавливают из проволочной арматуры с максимальным диаметром продольных стержней 5 мм и их длина определяется предельным весом рулона (от 250 до 500 кг). Вязаные каркасы и сетки применяются в тех случаях, когда невозможно применение контактной или дуговой сварки, или в конструкциях, подверженных действию динамических нагрузок, или эксплуатирующихся при температурах ниже -30^о С. Для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций применяют, при их длине не более 12 м, упрочненную стержневую арматуру классов А600 - А800 (Ат-IV ÷ Ат-VI по классификации СНиП 2.03.01-84*), а при большей длине - проволочную арматуру классов В600 (Вр-II) и канаты классов К-7 и К-19.

При изготовлении арматурных каркасов и сеток возникает необходимость стыковки стержней. Такая необходимость связана, прежде всего, с целями экономии арматурной стали. Чаще всего стыки арматурных стержней осуществляются на сварке. Стыки могут быть заводскими, выполняемыми на заводах или монтажными, выполняемыми на строительной площадке. Основное требование к любому стыку состоит в том, чтобы прочность самого стыка была не меньше прочности стыкуемого арматурного стержня. Это требование обеспечивается конструкцией и технологией устройства стыков. Основные типы сварных стыков арматуры видны на рис. 2.5. Заводские стыки по длине стержней чаще всего осуществляются контактной стыковой сваркой. При этом способе концы стыкуемых стержней соприкасаются и под действием электрического тока разогреваются. По достижении металлом нужной температуры стержни сдавливаются и в зоне стыка металл

Рис.2.5. Сварные соединения арматуры:

а,б – крестообразное при контактной точечной сварке; в – контактное стыковое;

г - стыковое на ванной сварке: д – впритык: е – стыковое с накладными стержнями;

ж,з - нахлесточное

сплавляется, образуя небольшой буртик. При отсутствии специального оборудования на строительной площадке применяют стыкование в виде ванной сварки или с помощью дуговой сварки устраивают стыки с накладками или внахлест. При этом сварка может быть как односторонней, так и двухсторонней. Стык в тавр применяется для изготовления закладных деталей, при этом арматурные стержни должны быть диаметром не менее 8 мм, а толщина металлической пластины не менее 0,75 диаметра стержня.

При проектировании железобетонных конструкций необходимо обеспечить совместную работу бетона и арматуры, особенно в местах обрыва стержней. Это достигается хорошим сцеплением бетона с арматурой, особенно периодического профиля, и мероприятиями по анкеровке арматурных стержней. Чтобы понять, что такое анкеровка, проведем мысленный эксперимент. Возьмем арматурный стержень из арматуры класса А400 номинальным диаметром 12 мм. Площадь поперечного сечения такого стержня равна 1,131 см². Временное сопротивление арматуры этого класса равно 6000 кгс/см², следовательно, предельное усилие которое способен выдержать до разрушения этот стержень составляет примерно 6786 кг. Возьмем три таких стержня и забетонируем их горизонтально в бетонный массив, но так, чтобы первый стержень входил в бетон на 5 диаметров (60 мм), второй на 20 (240 мм), а третий на 50 диаметров (600 мм). Теперь попробуем выдернуть эти стержни из бетона силой большей чем 6786 кг. В первых двух случаях произойдет вырыв стержней из массива вместе с частью бетона, в третьем случае разорвется арматурный стержень. Следовательно, существует такая длина арматурного стержня, которая обеспечивает полное восприятие арматурой передаваемого на нее усилия без применения специальных мероприятий.

Рис.2.6. Способы анкеровки ненапрягаемой арматуры:

а – крюком; б – отгибом (лапой); в – петлей; г – сцеплением с бетоном;д,е – поперечными

стержнями; ж – пластиной; з – шайбой; и – упором в виде уголка или пластины; к – отгибом

Эта длина носит название «длина анкеровки» и обозначается символом ℓ_an. Например, если заармировать железобетонную балку в сечении с максимальным изгибающим моментом несколькими стержнями и на некотором удалении от этого сечения, из-за падения момента, мы захотим удалить какой-либо стержень, он должен быть продолжен за место своего теоретического обрыва на длину анкеровки. Длина анкеровки рассчитывается по специальной формуле, приведенной в нормах по расчету железобетонных конструкций. Для арматуры периодического профиля эта длина составляет примерно 35 диаметров арматурного стержня. В торцах железобетонных элементов анкеровка арматуры обеспечивается специальными мероприятиями (рис. 2.6). На концах отдельных гладких стержней устраиваются крюки, петли или отгибы, в сварных сетках или каркасах анкерами служат поперечные стержни. Если анкеровку невозможно обеспечить обычными мерами (например, при ограничениях по длине зоны анкеровки), применяют анкера в виде шайб, пластин, уголков и т.д.

Рис.2.7. Стыки сварных сеток:

а,б, в - в направлении рабочей арматуры из гладких стержней; г – то же из стержней

периодического профиля; д,е,ж – в направлении распределительной арматуры;

d, d₁ – диаметр соответственно рабочей и распределительной арматуры; ℓ_н - длина анкеровки

Возвращаясь теперь к проблеме стыков арматурных стержней отметим, что их можно устраивать простым перепуском, внахлест, важно только, чтобы длина этого перепуска была не меньше чем ℓ_an. Отметим здесь явную неэкономичность такого решения. Обычно внахлест устраивают и стыки сварных сеток и каркасов с односторонним расположением арматуры относительно поперечных стержней (рис.2.7). Длину перепуска принимают в зависимости от направления рабочей арматуры, ее класса и диаметра стержней. В рабочем направлении длина перепуска не должна быть меньше чем ℓ_an. Другие ограничения понятны из рисунка.

В железобетонных конструкциях арматура удалена от граней элементов на величину защитного слоя. Защитный слой обеспечивает защиту арматуры от коррозии, совместность деформирования бетона и арматуры, достаточное сцепление арматуры с бетоном , а также защиту арматуры от действия высоких температур. Для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя должна быть не меньше диаметра стержня или каната и быть не менее: в плитах и стенках толщиной до 100 мм – 10 мм; толщиной свыше 100 мм, а также в балках и ребрах высотой менее 250 мм – 15 мм; в балках и ребрах высотой

250 мм и более и в колоннах – 20 мм; в фундаментных балках и блоках сборных фундаментов – 30 мм; для нижней арматуры монолитных фундаментов при наличии бетонной подготовки не менее 35 мм, при отсутствии подготовки не менее 70мм.