EN
Как определяются размеры арматуры: стандарты, обозначения и основные размеры
Расшифровка системы обозначений №X и соответствующие метрические эквиваленты (6–57 мм)
Размеры арматуры регламентируются стандартизированными системами обозначений, при которых обозначение №X соответствует диаметру в восьмых долях дюйма. Например, арматура №3 имеет диаметр 3/8 дюйма (9,5 мм), а арматура №8 — 1 дюйм (25,4 мм). Эта система охватывает диапазон от №3 (6 мм) до №18 (57 мм); метрические эквиваленты обеспечивают координацию проектов на международном уровне. Основные имперские и метрические соотношения:
- №4: 12,7 мм
- №5: 15,9 мм
- №9: 28,7 мм
- №11: 35,8 мм
Согласованность диаметра обеспечивает равномерное распределение нагрузки по бетонным конструкциям. Инженеры полагаются на эти стандартизированные размеры — впервые регламентированные в стандарте ASTM A615 — для согласования расположения арматуры с международными строительными нормами, такими как ACI 318 и ISO 6935.
Марки ASTM A615/A706 и причины, по которым диаметр сам по себе не определяет прочность
ASTM устанавливает требования к прочности арматурной стали, в первую очередь посредством своих стандартов, таких как A615 для обычной углеродистой стали и A706 — для свариваемых низколегированных сталей. При оценке нагрузочной способности стержня диаметр, безусловно, играет роль, однако решающее значение имеет класс предела текучести. Например, класс 60 выдерживает нагрузку около 60 тысяч фунтов на квадратный дюйм (примерно 414 мегапаскаля). Класс 80 обеспечивает ещё более высокую прочность — примерно 80 тыс. фунтов на квадратный дюйм (552 МПа). Любопытно, что два стержня одинакового диаметра, но разных классов, могут отличаться по пределу прочности на разрыв почти на треть. Также существенное значение имеет состав используемого материала. В стали стандарта A706 химический состав строго регламентирован, что повышает её способность к пластической деформации перед разрушением и улучшает сейсмостойкость при сохранении точного соблюдения геометрических размеров. Для специалистов, занимающихся проектированием несущих конструкций, проверка как физических размеров, так и металлографических характеристик является обязательной. И не забудьте всегда запрашивать отчёт о результатах испытаний на прокатном стане в соответствии с разделом 11 стандарта ASTM A615 при верификации технических характеристик.
Соответствие размеров арматуры конструктивным применениям
Выбор оптимального диаметра арматуры предотвращает дорогостоящие отказы и одновременно обеспечивает соблюдение строительных норм и инженерных требований к эксплуатационным характеристикам. Более мелкие диаметры подходят для менее нагруженных элементов и тонких сечений; более массивные конструкции требуют усиленного армирования для эффективной передачи растягивающих усилий и сохранения эксплуатационной пригодности при длительном действии нагрузок.
Фундаменты и плиты: оптимизация контроля трещинообразования с использованием арматуры диаметром #2–#4 (6–13 мм)
Для горизонтальных конструктивных элементов, таких как плиты по грунту и мелкозаглублённые фундаментные системы, подрядчики, как правило, используют арматурные стержни диаметром от №2 до №4 (примерно 6–13 мм), главным образом для контроля усадочных трещин и проблем, связанных с температурными воздействиями. При работе с тонкими бетонными конструкциями такие стержни меньшего диаметра, укладываемые примерно через каждые 12–18 дюймов (30–45 см), обеспечивают равномерное армирование бетона без создания концентраций напряжений, которые впоследствии могут привести к дефектам. Согласно разделу 7.12 последнего издания стандарта ACI 318, применение арматурных стержней №4 (около 12,7 мм в диаметре) с шагом 12 дюймов (30 см) снижает ширину трещин более чем на половину в типовых жилых плитных конструкциях по сравнению с неармированными плитами или плитами с недостаточным количеством арматуры. Использование слишком толстой арматуры приводит к увеличению стоимости, затрудняет укладку бетона и повышает риск её неполного погружения в бетонную смесь. С другой стороны, применение слишком тонкой арматуры не обеспечивает достаточного сопротивления первоначальным трещинам, возникающим в процессе твердения бетона, что в конечном итоге негативно влияет как на долговечность конструкции, так и на её эстетический вид.
Колонны, балки и несущие элементы: когда арматура классов #5–#11 (16–36 мм) обеспечивает конструктивную целостность
Вертикальные и изгибаемые элементы, такие как колонны, балки и переходные балки, требуют арматурных стержней диаметром от №5 до №11 (примерно от 16 до 36 мм) для восприятия совокупных нагрузок — сжимающих, растягивающих и поперечных сил. При увеличении диаметра стержней наблюдается существенный рост их несущей способности. Например, стержень №8 (25,4 мм) выдерживает примерно на 50 % большую нагрузку по сравнению со стержнем меньшего диаметра №5 из стали того же класса, согласно спецификациям AASHTO LRFD 10-го издания. Требования становятся ещё строже при проектировании в сейсмоопасных районах: строительные нормы предписывают применять в зонах пластических шарниров колонн как минимум стержни №7 (около 22,2 мм), чтобы обеспечить их гибкость без разрушения. Переходные балки, как правило, армируются несколькими пучками стержней №11 (по 35,8 мм каждый) для одновременного восприятия вертикальных нагрузок и боковых усилий. В конечном счёте инженеры рассчитывают необходимое количество арматуры, укладываемой в бетон, исходя из соотношения площадей. Большинство нормативных документов рекомендуют поддерживать коэффициент армирования выше 1 % в ответственных участках, как указано в главе 10 стандарта ACI 318-19.
Критические инженерные факторы, определяющие выбор диаметра арматуры
Требования к нагрузке, прочность бетона и соотношение площади стали к площади бетона
Величина структурной нагрузки определяет, какое растягивающее усилие должна воспринимать арматура. При наличии значительных постоянных нагрузок — например, крупных механических систем или толстых напольных покрытий — а также динамических временных нагрузок, возникающих в таких объектах, как автостоянки или помещения для массовых собраний, инженеры обычно указывают арматурные стержни большего диаметра. Например, в высотных зданиях часто используются стержни класса #11 (около 35,8 мм) в колоннах центрального ядра, тогда как для простых фундаментов вполне достаточно стержней класса #3 (около 9,5 мм). Любопытно, что использование более прочного бетона позволяет сократить расход стали. Высокопрочный бетон с прочностью около 5000 psi (35 МПа) позволяет проектировщикам снизить потребность в стали почти на 20 % по сравнению с обычными смесями прочностью 3000 psi (21 МПа), при условии предварительной проверки прочности сцепления и длин анкеровки. Коэффициент армирования (ро), то есть отношение площади арматуры к площади бетонного сечения, играет ключевую роль в обеспечении как безопасности, так и экономической эффективности конструкций. Формула выглядит следующим образом: ро = As / (b × d), где As — суммарная площадь растянутой арматуры, b — ширина конструктивного элемента, а d — рабочая высота сечения. Если значение коэффициента превышает максимально допустимый предел, бетон может разрушиться ещё до того, как арматура начнёт течь. С другой стороны, снижение коэффициента ниже минимально допустимого значения может привести к непредвиденным разрушениям при растяжении. В большинстве проектов целевой диапазон коэффициента составляет от 1 % для простых конструкций без особых требований до 3–4 % для зданий в сейсмоопасных районах или в условиях повышенного риска коррозии, согласно таблице 10.3.1 стандарта ACI 318-19.
Ограничения по расстоянию между элементами, сейсмические нормы и соображения по выбору размеров с учетом коррозионной стойкости
При работе с физическими ограничениями — например, в условиях тесных опалубок, плотного расположения анкерных стержней или большого количества проникновений инженерных коммуникаций (МЭП) сквозь конструкцию — выбор диаметра арматурных стержней зачастую обусловлен именно этими ограничениями, а не только расчётными требованиями по прочности. Именно поэтому многие инженеры предпочитают использовать стержни меньшего диаметра, как правило, размеров #4 или #5, устанавливая их с меньшим шагом, вместо того чтобы применять более крупные диаметры, которые могут фактически мешать качественной уплотнённости бетона при его укладке. При проектировании с учётом сейсмических воздействий требования становятся ещё более строгими. Согласно главе 18 стандарта ACI 318-19, в узлах соединения балок и колонн должны применяться арматурные стержни не менее чем диаметром #6 при шаге хомутов 100 мм или менее. Кроме того, в зонах пластических шарниров — участках, где конструкция деформируется под действием нагрузок, — армирование должно обеспечивать прочность, превышающую нормативную на 25 %, чтобы выдерживать все эти деформации без разрушения. В морских средах или в регионах, где зимой дороги посыпают солью, также требуется применение более крупных стержней. Подрядчики зачастую указывают в технических требованиях стержни размера #8 (диаметром 25,4 мм) вместо стандартных #6 (19,1 мм), поскольку известно, что сталь будет терять примерно 0,5 мм в диаметре ежегодно из-за коррозии на протяжении всего срока службы здания. Хотя эпоксидное покрытие или использование нержавеющей стали позволяют сохранить первоначальные габариты арматуры, сцепление таких стержней с бетоном хуже, чем у обычной углеродистой стали. Поэтому параметры армирования — как шаг между стержнями, так и длина их заделки в опоры — требуют корректировки в соответствии с положениями главы 25 стандарта ACI 318-19 и стандартами ASTM A775/A934.