EN
Jak definiowane są rozmiary prętów zbrojeniowych: normy, oznaczenia i kluczowe wymiary
Rozszyfrowanie systemu oznaczeń #X oraz odpowiedników w układzie metrycznym (6 mm–57 mm)
Rozmiary prętów zbrojeniowych podlegają ustandaryzowanym zasadom oznaczania, przy czym oznaczenie #X odpowiada średnicy wyrażonej w ósmych częściach cala. Na przykład pręt #3 ma średnicę 3/8 cala (9,5 mm), natomiast pręt #8 – 1 cal (25,4 mm). Zakres tego systemu obejmuje pręty od #3 (6 mm) do #18 (57 mm); odpowiedniki metryczne umożliwiają koordynację projektów na skalę globalną. Kluczowe przeliczenia między układem imperialnym a metrycznym to:
- #4: 12,7 mm
- #5: 15,9 mm
- #9: 28,7 mm
- #11: 35,8 mm
Spójność średnicy zapewnia jednolite rozłożenie obciążenia w konstrukcjach betonowych. Inżynierowie polegają na tych ustandaryzowanych wymiarach — po raz pierwszy ujętych w normie ASTM A615 — aby dopasować układy zbrojenia do międzynarodowych przepisów budowlanych, takich jak ACI 318 i ISO 6935.
Gatunki ASTM A615/A706 oraz dlaczego sama średnica nie decyduje o wytrzymałości
ASTM określa zasady dotyczące wytrzymałości prętów zbrojeniowych, głównie poprzez swoje normy, takie jak A615 dla zwykłej stali węglowej oraz A706 dla spawalnych stali niskostopowych. Przy ocenie nośności pręta średnica odgrywa oczywiście pewną rolę, jednak decydującym czynnikiem jest klasa wytrzymałości na rozciąganie. Na przykład klasa 60 wytrzymuje około 60 tysięcy funtów na cal kwadratowy (czyli ok. 414 megapaskali). Klasa 80 osiąga jeszcze wyższą wartość – około 80 tys. psi (czyli ok. 552 MPa). Ciekawym faktem jest to, że dwa pręty o dokładnie tej samej średnicy, ale różniące się klasą wytrzymałości, mogą różnić się wytrzymałością na rozciąganie nawet o jedną trzecią. Również skład materiału ma kluczowe znaczenie. Stal A706 charakteryzuje się specjalną kontrolą składu chemicznego, która poprawia jej zdolność do gięcia przed pęknięciem oraz zapewnia lepsze zachowanie podczas trzęsień ziemi, przy jednoczesnym spełnieniu precyzyjnych wymagań dotyczących wymiarów. Dla wszystkich osób zajmujących się projektowaniem konstrukcji sprawdzenie zarówno pomiarów fizycznych, jak i właściwości metalu staje się obowiązkowe. Nie należy również zapominać o zawsze żądaniu raportów testowych hutniczych zgodnie z punktem 11 normy ASTM A615 podczas weryfikacji specyfikacji.
Dobór średnic prętów zbrojeniowych do zastosowań konstrukcyjnych
Wybór optymalnej średnicy prętów zbrojeniowych zapobiega kosztownym awariom oraz spełnia wymagania przepisów budowlanych i kryteriów wydajnościowych projektowania inżynierskiego. Mniejsze średnice stosuje się przy mniejszych obciążeniach i cieńszych przekrojach; elementy o większej masie wymagają wytrzymałego zbrojenia, aby skutecznie przenosić siły rozciągające i zapewniać użytkowalność w warunkach długotrwałego obciążenia.
Fundamenty i płyty: optymalizacja kontroli pęknięć za pomocą prętów zbrojeniowych o średnicy #2–#4 (6–13 mm)
W przypadku poziomych elementów konstrukcyjnych, takich jak płyty na gruncie i płytkie systemy fundamentowe, wykonawcy zazwyczaj stosują pręty zbrojeniowe o średnicach od #2 do #4 (około 6–13 mm), głównie w celu ograniczenia pęknięć skurczowych oraz problemów związanych z temperaturą. Przy cienkich przekrojach betonowych mniejsze pręty umieszczone co około 30–45 cm wspierają beton na całej jego powierzchni, nie tworząc przy tym punktów skupienia naprężeń, które mogłyby prowadzić do problemów w późniejszym okresie eksploatacji. Zgodnie z punktem 7.12 najnowszego kodeksu ACI 318 zastosowanie prętów zbrojeniowych typu #4 (o średnicy ok. 12,7 mm) ułożonych w odstępach co 30 cm zmniejsza szerokość pęknięć o ponad połowę w typowych zastosowaniach domowych płyt betonowych w porównaniu do płyt niewzmacnianych lub tych z niewystarczającą ilością stali. Wybór zbyt grubych prętów wiąże się z wyższymi kosztami, utrudnia układanie betonu oraz zwiększa ryzyko niedostatecznego osadzenia się prętów w masie betonowej. Z drugiej strony, zbyt cienkie pręty nie zapobiegają powstawaniu początkowych pęknięć powstających w trakcie dojrzewania betonu, co ostatecznie wpływa zarówno na trwałość konstrukcji, jak i jej estetyczny wygląd.
Kolumny, belki i elementy nośne: Gdy pręty zbrojeniowe o średnicy #5–#11 (16–36 mm) zapewniają integralność konstrukcyjną
Pionowe i zginane elementy, takie jak słupy, belki oraz belki przenoszące, wymagają zbrojenia o średnicach od #5 do #11 (około 16–36 mm), aby wytrzymać różne naprężenia, którym są jednoczesne narażone — ściskanie, rozciąganie i siły ścinające. W przypadku prętów o większych średnicach obserwuje się istotny wzrost ich nośności. Na przykład pręt #8 (czyli 25,4 mm) wytrzymuje około 50% większą obciążenie niż mniejszy pręt #5 wykonany ze stali tej samej klasy, zgodnie ze specyfikacjami AASHTO LRFD z 10. wydania. Wymagania stają się jeszcze bardziej szczegółowe w kontekście zagrożenia sejsmicznego. W obszarach o wysokim ryzyku trzęsień ziemi przepisy budowlane wymagają stosowania w strefach przegubów plastycznych słupów co najmniej prętów #7 (około 22,2 mm), aby mogły one ugiąć się bez pęknięcia. Belki przenoszące zwykle zawierają wiele prętów #11 (po 35,8 mm każdy) połączonych w wiązki, aby wytrzymać zarówno pionowe obciążenia, jak i siły boczne. Ostatecznie inżynierowie obliczają ilość stali potrzebną do betonu na podstawie stosunków powierzchniowych. Większość wytycznych zaleca utrzymywanie stopnia zbrojenia powyżej 1% w ważnych przekrojach, zgodnie z rozdziałem 10 normy ACI 318-19.
Kluczowe czynniki inżynierskie decydujące o wyborze średnicy prętów zbrojeniowych
Wymagania dotyczące obciążenia, wytrzymałość betonu oraz stosunek powierzchni stali do powierzchni betonu
Wielkość obciążenia konstrukcyjnego określa, jak dużą siłę rozciągającą musi przenosić zbrojenie. Gdy występują większe obciążenia stałe, takie jak ciężkie systemy mechaniczne lub grube materiały do posadzek, oraz dynamiczne obciążenia zmienne pochodzące np. z garaży podziemnych lub dużych obszarów zgromadzeń, inżynierowie zwykle określają pręty o większym średnicy. Na przykład w budynkach wysokich często stosuje się pręty klasy #11 (około 35,8 mm) w kolumnach rdzenia, podczas gdy proste fundamenty mogą być wystarczająco zabezpieczone prętami klasy #3 (około 9,5 mm). Ciekawym faktem jest to, że wytrzymalszy beton pozwala na zastosowanie mniejszej ilości stali. Beton o wysokiej wytrzymałości, o wytrzymałości około 5000 psi (35 MPa), umożliwia projektantom zmniejszenie zapotrzebowania na stal o niemal 20% w porównaniu do typowych mieszanki o wytrzymałości 3000 psi (21 MPa), pod warunkiem wcześniejszego sprawdzenia wytrzymałości przyczepności oraz długości zakotwienia. Stosunek powierzchni stali do powierzchni betonu (rho) odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa i opłacalności kosztowej konstrukcji. Wzór ma postać: rho = As / (b × d), gdzie As oznacza całkowitą powierzchnię stali rozciąganej, b – szerokość elementu konstrukcyjnego, a d – skuteczną głębokość. Jeśli ten stosunek przekroczy dopuszczalną wartość maksymalną, beton może ulec zgnieceniu jeszcze przed rozpoczęciem płynięcia stali. Z drugiej strony, pominięcie minimalnych wymagań może prowadzić do nieoczekiwanych awarii pod wpływem naprężeń rozciągających. Większość projektów zakłada wartości tego współczynnika w zakresie od 1% dla podstawowych konstrukcji bez szczególnych wymagań, aż do 3–4% dla budynków w strefach zagrożenia trzęsieniami ziemi lub miejsc o dużym ryzyku korozji, zgodnie z tabelą 10.3.1 normy ACI 318-19.
Ograniczenia związane z odstępami, przepisy sejsmiczne oraz uwzględnienia dotyczące doboru wymiarów odpornych na korozję
Przy pracy w warunkach ograniczeń fizycznych, takich jak ciasne formy betonowe, gęste ułożenie prętów kotwiących lub duża liczba przejść instalacji MEP przez konstrukcję, wybór średnicy prętów zbrojeniowych zależy zwykle od tych ograniczeń, a nie wyłącznie od wymagań wytrzymałościowych. Dlatego też wielu inżynierów wybiera pręty o mniejszej średnicy, najczęściej o średnicy #4 lub #5, rozmieszczane w mniejszych odstępach, zamiast stosować pręty o większej średnicy, które mogą utrudniać prawidłową konsolidację betonu podczas jego układania. W przypadku rozważań sejsmicznych wymagania stają się jeszcze bardziej szczegółowe. Zgodnie z rozdziałem 18 normy ACI 318-19, w węzłach belkowo-słupowych należy stosować przynajmniej pręty o średnicy #6, gdy odstępy między strzemionami wynoszą cztery cala (około 10 cm) lub mniej. Ponadto obszary przegubów plastycznych – czyli te części konstrukcji, które uginają się pod wpływem naprężeń – muszą być zbrojone prętami o nośności przynajmniej 1,25-krotnie przewyższającej normalne wymagania wytrzymałościowe, aby bezpiecznie wytrzymać wszystkie ruchy i nie ulec zawaleniu. W środowiskach morskich lub w miejscach, gdzie drogi są posypywane solą w okresie zimowym, wymagane są również większe pręty. Wykonawcy często specyfikują pręty o średnicy #8 (czyli 25,4 mm) zamiast standardowych prętów #6 (19,1 mm), ponieważ wiedzą, że stal będzie tracić około pół milimetra na skutek korozji każdego roku przez cały okres użytkowania budynku. Choć pręty zbrojeniowe powlekane epoksydowo lub ze stali nierdzewnej zachowują swoje pierwotne wymiary, to ich przyczepność do betonu jest niższa niż u zwykłej stali węglowej. Dlatego też specyfikacje muszą uwzględniać odpowiednie korekty zarówno odstępów między prętami, jak i długości zakotwienia w podporach, zgodnie z wytycznymi zawartymi w rozdziale 25 normy ACI 318-19 oraz standardami ASTM A775/A934.