Арматура. Её основные физико-механические свойства. Арматурные изделия

 

Арматура, как уже указывалось, «вооружает» преимущественно те зоны бетона, в которых при эксплуатации возникают растягивающие усилия, беря все их на себя. Также она готова «прийти на помощь» бетону и в сжатых зонах сечения.

Если арматуру устанавливают по расчёту, то её называют рабочей. Такой арматурой, например, является нижняя продольная арматура балки или плиты, воспринимающая растягивающие усилия в нижней зоне их поперечного сечения.

Если арматуру устанавливают без расчёта (по конструктивным или технологическим соображениям), то её называют монтажной или конструктивной. Такой арматурой, например, являются верхний и нижний стержни вертикального каркаса балки или плиты, поперечные стержни которого воспринимают поперечную силу, и установлены они с определённым шагом в соответствии с расчётом (каркас же не может существовать без продольных стержней!). Правда, если поперечные стержни по расчёту не требуются, но установлены по конструктивным требованиям, то и они являются монтажными, а не расчётными. У поперечных стержней есть ещё одно название: хомуты.

Арматурные изделия:

- отдельные стержни или проволоки;

- плоские и рулонные сварные или вязаные арматурные сетки;

- плоские (иногда их тоже относят к сеткам) и пространственные арматурные каркасы.

Кроме арматурных изделий в железобетонных конструкциях используются закладные детали, приспособления для фиксации арматуры и закладных деталей, приспособления для строповки.

 

Для армирования железобетонных конструкций применяют следующие виды арматуры:

стержневая:

- горячекатаная класса А240 (взамен A-I по старому СНиП), круглая, гладкая;

- горячекатаная и термомеханически упрочнённая классов:

А300 (взамен A-II), периодического профиля с выступами в виде рёбер по винтовой линии;

A400 (взамен A-III);

А500 (новый класс);

А600, А800, А1000 (взамен соответственно А-IV, А-V, А-VI);

арматура периодического профиля классов А400 – А1000 имеет выступы в виде рёбер «в ёлочку»; т.е. арматуру классов А240 и А300 можно отличить по внешнему виду от арматуры других классов, арматуру же классов А400 – А1000 отличить друг от друга по внешнему виду невозможно;

 

проволочная:

- класса В500 (взамен Вр-I), холоднодеформированная обыкновенная периодического профиля в виде рифов;

- классов Вр1200, Вр1300, Вр1400, Вр1500 (все взамен Вр- II), высокопрочная холоднодеформированная периодического профиля в виде вмятин;

 

канаты:

- классов К1400(К-7), К1500(К-7) (взамен К-7);

- класса К1500(К-19) (взамен К-19).

 

В качестве ненапрягаемой арматуры применяют арматуру классов А240 – А500 и В500, в качестве напрягаемой - А600 – А1000, Вр1200 – Вр1500, К1400(К-7), К1500(К-7), К1500(К-19).

Стали классов А240 – А500 имеют площадку текучести и называются мягкими. Перед разрывом они значительно удлиняются; поэтому прежде чем разрушиться конструкции сильно деформируются.

Высокопрочные и высоколегированные (с содержанием углерода 0,3…0,5 % и легирующими добавками в виде марганца, кремния, хрома и др.) и термомеханически упрочнённые (нагретые до 800…900^оС, быстро охлаждённые, частично отпущенные нагревом до 300…400^оС и постепенно охлаждённые) стали не имеют ярко выраженной площадки текучести и являются хрупкими. С точки зрения отсутствия существенных деформаций разрушение конструкций, армированных такими сталями, может наступить совершенно неожиданно.

Каждому классу стержневой арматуры соответствуют определённые марки стали с различными химическими составами.

Диапазоны диаметров стержневой арматуры различных классов, выпускаемых промышленностью:

A240 - А400 - 6…40 мм (от 6 до 22 мм через 2 мм, далее - 25, 28, 32, 36 и 40 мм);

A500, А600 - 10…40 мм; A800, А1000 - 10…32 мм.

Диапазоны диаметров проволочной арматуры классов:

В500 - 3…12 мм (через 1 мм) (Вр-I имела только три диаметра - 3, 4 и 5 мм);

Вр1200 - 8 мм, Вр1300 - 7 мм, Вр1400 - 4, 5, 6 мм, Вр1500 - 3 мм;

Диаметры арматурных канатов классов:

К1400(К-7) - 15 мм, К1500(К-7) - 6, 9, 12 мм; они свиты из проволок диаметром соответственно 5, 2, 3 и 4 мм);

К1500(К-19) - 14 мм.

Арматура диаметром 12 мм и более поставляется в прутках длиной до 13 м, диаметром до 10 мм - в мотках массой до 1300 кг.

Имеются два сортамента: один для стержневой и проволочной арматуры, другой – для канатов. В них приведены расчётные площади поперечного сечения арматуры, масса 1 пог. м её, в правой части первого сортамента (в настоящее время устаревшей) крестиками обозначены выпускаемые промышленностью диаметры арматуры разных классов.

Для закладных изделий (деталей) и соединительных накладок принимается, как правило, прокатная углеродистая сталь. Они служат при монтаже для соединения отдельных элементов конструкций между собой.

Прокатные двутавры, швеллеры, уголки иногда применяют и в качестве рабочей арматуры; такую арматуру называют жёсткой. В этом смысле всю указанную выше стержневую, проволочную арматуру и арматурные канаты называют гибкой арматурой.

Нормативное значение сопротивления растяжению арматуры обозначается (индекс s заменяет слово «сталь», индекс n – «нормативное»). Оно установлено путём проведения большого количества испытаний, с учётом статистической изменчивости и табулировано. Расчётное значение сопротивления растяжению арматуры обозначается и определяется делением на коэффициент надёжности по арматуре , равный для разных классов арматуры 1,1…1,2 (о коэффициентах надёжности по материалу см. в п. 1.5).

 

Класс арматуры
по старому СНиП	по СП
А240 (А-I), А300 (А-II)	1,05	1,1
А400 (A-III)	1,07; 1,1 (в зависимости от диаметра)	1,1
А500	-	1,15
В500 (Вр-I)	1,1	1,2
А600 (А-IV), А800 (А-V)	1,15	1,15
А1000 (А-VI), Вр1200–Вр1500 (Вр-II), К1400-К1500 (К-7, К-19)	1,2	1,2

 

В некоторых случаях увеличился, т.е. к качеству арматуры доверия стало меньше.

Расчётные значения также табулированы (см. ниже).

Замечу, что и расчётные значения сопротивления растяжению для предельных состояний второй группы (о предельных состояниях см. в п. 1.5) численно равны.

Интересно, что значения и для стержневой арматуры одного класса постоянны для всего диапазона диаметров. Значения же и для проволочной арматуры и арматурных канатов зависят от диаметра: чем выше диаметр, тем меньше значение сопротивления; лишь проволочная арматура класса В500 любого диаметра имеет одинаковое значение сопротивления.

Табулированы также значения расчётного сопротивления растяжению поперечной арматуры (хомутов и отогнутых стержней) . Они равны , но принимаются не более 300 МПа (в старом СНиП этого ограничения не было).

Расчётное значение сопротивления сжатию арматуры обозначается . Оно принимается численно равным и не более 400 МПа при кратковременном действии нагрузки (значения в скобках в нижерасположенной таблице), и не более 500 МПа при длительном действии нагрузки. Для арматуры классов В500 и А600 вводится коэффициент условий работы, равный 0,9: 415*0,9 = 360 МПа; 520*0,9 470 МПа).

 

Класс арматуры	Расчётные значения сопротивления арматуры для предельных состояний первой группы, МПа
растяжению	сжатию
продольной	поперечной
А240
А300
А400
А500			435 (400)
А600			470 (400)
А800			500 (400)
А1000			500 (400)
В500			415 (360)
Вр1200			500 (400)
Вр1300			500 (400)
Вр1400			500 (400)
Вр1500			500 (400)
К1400			500 (400)
К1500			500 (400)

 

Модуль упругости арматуры обозначается . Для всех классов стали, кроме арматурных канатов, значение принимается одинаковым: 2*10⁵ МПа (раньше он составлял от 1,7*10⁵ МПа у Вр-I до 2,1*10⁵ МПа у А-I и A-II)). Для канатов 1,8*10⁵ МПа.

Говоря о деформациях арматурной стали, коснусь понятия релаксации. Релаксацией искусственно созданных предварительных напряжений в арматуре (о предварительном напряжении см. в п. 1.6) называется процесс уменьшения этих напряжений при неизменной длине арматурного стержня или проволоки. Это - негативный процесс, учитываемый при расчёте потерь предварительного напряжения.

Замечу, что в старых нормах значения всех сопротивлений и модулей упругости бетона и стали давались в МПа и в кгс/см². Причём, отличались они друг от друга лишь примерно в 10 раз: например для арматуры класса Вр-I диаметром 3 мм равнялось 375 МПа, но 3850 кгс/см². Сейчас из таблиц СП значения сопротивлений арматуры в размерности кгс/см² вообще изъяты.

В курсовом проектировании Вы увидите, что в вычислениях приходится оперировать с размерами сечений элементов, их площадями, статическими моментами, моментами инерции, выраженными в см, см², см³ и см⁴. Если наряду с этими параметрами в формулы подставлять значения усилий в Н, кН, Н*м, кН*м и сопротивлений и модулей упругости бетона и стали в МПа, то приходится вводить вспомогательные множители 10, 100, 0,1 и т.п., и результаты получаются несколько отличающимися от тех, когда в формулы подставляются значения сопротивлений и модулей упругости в кгс/см². В этом - очевидная слабость общепринятой системой единиц СИ, к тому же она порождает уже отмеченные трудно объяснимые вспомогательные множители.

 

Общие сведения об арматурных сталях завершу информацией об арматурных изделиях.

Стержни и проволоки могут быть прямолинейными и гнутыми:

Анкеровка стержней периодического профиля может осуществляться в виде прямого окончания, а также с загибом на конце стержня в виде отгиба (лапки):

Для растянутых гладкие стержней должны быть предусмотрены загибы на конце стержня в виде крюки или петли:

Анкеровку продольной арматуры можно осуществить приваркой или установкой поперечных стержней или с применением специальных анкерных устройств.

Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять при анкеровке сжатой арматуры.

Плоские каркасы на чертежах обозначаются КР1, 2,… (от сокращённого слова «каркас»), пространственные каркасы- КП1, 2,…(от слов «каркас пространственный»). Пространственный каркас состоит, как правило, из двух параллельных плоских каркасов и соединяющих их стержней перпендикулярного направления.

Подчеркну, что в обозначении каркасов не ставится тире между буквами и порядковым номером каркаса (нельзя, например, написать КР-3, правильно будет КР3). Это же относится к сеткам (например, не С-2, а С2). Более того, это относится и к обозначению класса арматуры: А240, В500. Закладные детали обозначаются МН (видимо, от слов «металлическая накладная»), соединительные детали – МС («металлическая соединительная») с указанием их порядкового номера, например, МН2 или МС3.

На опалубочных чертежах конструкций показывается вся арматура, входящая в состав каркасов, и все закладные изделия (детали). Когда же показываются отдельные арматурные изделия, как бы последовательно «вынимаемые» из тела бетона (а на чертежах должны быть приведены все без исключения арматурные изделия), то в каркасах показывают не все поперечные стержни, а лишь первый и последний из числа ритмично установленных с одинаковым шагом на каком-то участке длины каркаса. Т.е. вместо каркаса в виде «лесенки» показывается сокращённый её вариант с первой и последней «поперечинами» на каком-то участке её длины. Естественно, длина участка должна делиться целое число раз без остатка на шаг поперечных стержней.

Арматурные сетки (а каркасы, как уже указывалось, тоже можно рассматривать как частный вид сеток, только не с несколькими, а с двумя продольными стержнями) могут поставляться: рулонными - при d7 мм и массе до 1300 кг; плоскими – при d8 мм и длине до 9 м.

Сетки, как правило, имеют прямоугольный контур и взаимно перпендикулярное расположение стержней:

Концевые выпуски стержней сетки:

;

мм.

Примем обозначения: - шаг поперечных стержней диаметром ;

- шаг продольных стержней диаметром.

Тогда мм.

Рекомендуется в одном направлении принимать и одинаковыми. Допускается использовать не более двух диаметров, отличающихся не более, чем в 2 раза; у края сетки должны располагаться два стержня одинакового диаметра.

При < 14 мм должен быть кратен 100 мм;

при мм должен быть кратен 200 мм.

При < 14 мм должен быть кратен 50 мм;

при мм должен быть кратен 100 мм.

мм.

Рекомендуется постоянный .

При ширине сетки , не кратной , остаток должен быть размещён с одной стороны.

мм.

Общепринятое обозначение арматурной сетки:

,

где и - свободные концы продольной арматуры;

- свободные концы поперечной арматуры;

при в числителе записывается одно значение ();

при вместо последней дробной части выражения записывается одно значение ();

при = 25 мм после не записывается ничего.

Пример обозначения сетки:

.

Диаметр рабочей арматуры сетки (напоминаю: устанавливаемой по расчёту) должен быть больше диаметра стержней перпендикулярного направления (монтажной арматуры).

При назначении и следует учитывать, что расстояние от концов стержней до торца элемента должно быть не менее 10 мм, а для плит пролётом более 12 м, ригелей пролётом более 18 м – не менее 15 мм.

Существует сортамент стандартных сварных сеток. Однако Вы вправе создавать и свои нестандартные сетки.

На планах конструкций сетку показывают в виде прямоугольника, повторяющего её габаритные размеры, перечёркнутого по одной диагонали. На разрезах допускается сетку показывать одной линией (без точек, имитирующих арматуру, перпендикулярную разрезу). Правило показа сетки как арматурного изделия – такое же, как для каркасов, т.е. показываются первый и последний стержень одного направления и первый и последний стержень перпендикулярного направления на участках, где сохраняются одинаковые их шаги. Если в конструкции используется гнутая сетка, то при показе её как арматурного изделия даётся сначала развёртка сетки (с нанесёнными на неё штрих-пунктирными линиями сгиба), а затем сечение сетки в готовом (изогнутом) виде; и делаются соответствующие надписи, например, «С2» и «С2 в готовом виде».

 

Сваривать между собой можно только арматуру классов A240 - А500 и B500.

Имеется таблица соотношений между диаметрами свариваемых стержней двух направлений. Например, к стержню одного направления диаметром d = 22 мм допускается приварить с помощью контактной точечной сварки стержень другого направления диаметром не менее 6 мм (стержень меньшего диаметра просто пережжётся при сварке). Соединять стержни при пересечении можно и вязальной проволокой, в этом случае образуется так называемая вязаная сетка или каркас.

Арматуру одного направления соединять (удлинять) на заводе можно встык пропусканием тока и сдавливанием (осаживанием), а на строительной площадке – электродуговой сваркой также встык при d20 мм или с помощью двухсторонних накладок длиной не менее 4d четырьмя фланговыми швами при d< 20 мм.

Арматуру остальных классов сваривать нельзя. К предварительно напрягаемой арматуре вообще нельзя ничего приваривать, нельзя также ничего к ней привязывать; она должна существовать самостоятельно и свободно укорачиваться при отпуске предварительного напряжения (см. п.1.5), обжимая бетон.

Отдельные арматурные стержни классов А300 - А500 допускается соединять без сварки – внахлёстку с перепуском концов на 20…50.

Внахлёстку можно выполнять и стыки сварных (не вязаных!) сеток и каркасов.

Если в рабочем направлении стыкуются сварные сетки, то в каждой из них на длине нахлёстки должно быть расположено не менее двух поперечных стержней. Длина нахлёстки рассчитывается по формуле, которая даёт обычно результат для растянутой арматуры не менее 250 мм, для сжатой – не менее 200 мм. Если в рабочем направлении стыкуются плоские сварные каркасы, то кроме выполнения требования, предъявляемого к сеткам, на длине стыка следует установить дополнительные хомуты с шагом не болеепродольной арматуры.

Если сетки стыкуются в нерабочем направлении (когда соединяется монтажная арматура), то длину нахлёстки принимают 50 мм при монтажной арматуры до 4 мм и 100 мм при > 4 мм. Если рабочая арматура сеток имеет мм, то вместо нахлёстки на уложенные рядом сетки укладывается дополнительная сетка с монтажной арматурой такого же диаметра, как монтажная арматура стыкуемых сеток, с перепуском её в каждую сторону на 15d монтажной арматуры, но не менее 100 мм.

 

Для защиты арматуры от коррозии и действия высоких температур имеет особое значение толщина защитного слоя бетона.

Для продольной рабочей арматуры защитный слой тяжёлого бетона (в мм) должен быть не менее:

Условия эксплуатации конструкций зданий
1. В закрытых помещениях при нормальной и пониженной влажности
2. В закрытых помещениях при повышенной влажности (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
3. На открытом воздухе (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
4. В грунте (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий), в фундаментах при наличии бетонной подготовки

 

Для сборных элементов минимальные значения толщины защитного слоя бетона рабочей арматуры, указанные в таблице, уменьшают на 5 мм.

Для монтажной (конструктивной) арматуры минимальные значения толщины защитного слоя бетона принимают на 5 мм меньше по сравнению с требуемыми для рабочей арматуры.

Во всех случаях толщину защитного слоя бетона следует принимать не менее диаметра стержня арматуры.

 

Для особо тонких (армоцементных) конструкций применяют арматуру из тканых или (реже) сварных сеток. Диаметр проволоки сеток 0,5…1,2 мм, размер ячеек 6…10 мм. Насыщение тонких (10…30 мм) элементов конструкций сетками густое, расстояние между ними 3…5 мм. Естественно, бетон на обычном заполнителе для таких конструкций не годится, поэтому используют мелкозернистый (цементно-песчаный) бетон. В растянутых зонах армоцементных конструкций возможно комбинированное армирование - сетками и напрягаемой арматурой.

Армоцементные конструкции – это главным образом конструкции пространственные (оболочки, складки и т.п., например, складчатое покрытие Курского вокзала в г. Москве), однако Хабаровской, а затем Краснодарской научной школой армоцемента под руководством бывшего ректора КПИ проф. К.А. Дарагана разработаны конструкции и тонкостенных предварительно напряжённых пролётных строений автодорожных мостов. Мною изучалось влияние предварительного напряжения на трещиностойкость и деформативность изгибаемых армоцементных элементов, В.П. Починком – работа приопорных участков таких элементов (на совместное действие изгибающих моментов и поперечных сил), С.И. Дизенко – их долговечность, В.К. Москвичём – процессы ползучести и усадки армированного ткаными сетками мелкозернистого бетона.

 

Возможно дисперсное армирование бетона стальными иглами длиной 20…25 см и диаметром 0,4…0,5 мм в количестве 140 кг на 1 м³ смеси. Прочность на сжатие такого состава повышается на 30…50 %, прочность на растяжение – на 20 %.

В целях экономии стали проводятся исследования по созданию неметаллической арматуры конструкций – в частности стеклопластиковой.