EN
Як визначаються розміри арматури: стандарти, позначення та основні розміри
Розшифрування системи позначень №X та метричні еквіваленти (6 мм–57 мм)
Розміри арматури підпорядковуються стандартизованим системам нумерації, де позначення №X відповідає діаметру в восьмих частках дюйма. Наприклад, арматура №3 має діаметр 3/8 дюйма (9,5 мм), а №8 — 1 дюйм (25,4 мм). Ця система охоплює діапазон від №3 (6 мм) до №18 (57 мм); метричні еквіваленти забезпечують координацію проектів на міжнародному рівні. Основні перетворення з імперської системи в метричну включають:
- №4: 12,7 мм
- №5: 15,9 мм
- №9: 28,7 мм
- №11: 35,8 мм
Узгодженість діаметра забезпечує рівномірний розподіл навантаження по бетонних конструкціях. Інженери покладаються на ці стандартизовані розміри — вперше закодифіковані в стандарті ASTM A615 — для узгодження розташування арматури з міжнародними будівельними нормами, такими як ACI 318 та ISO 6935.
Марки ASTM A615/A706 та чому лише діаметр не визначає міцність
ASTM встановлює вимоги щодо міцності арматурної сталі, зокрема за допомогою таких стандартів, як A615 для звичайної вуглецевої сталі та A706 — для зварюваних низьколегованих сталей. Під час оцінки навантаження, яке може витримати стрижень, діаметр, звичайно, має значення, але справжню роль відіграє клас межі текучості. Наприклад, клас 60 витримує навантаження близько 60 тисяч фунтів на квадратний дюйм (приблизно 414 МПа). Клас 80 має ще вищу межу — приблизно 80 тис. фунтів/дюйм² (або 552 МПа). Цікаво, що два стрижні однакового діаметра, але різних класів, можуть мати різницю у межі міцності на розтяг до третини. Також істотне значення мають самі використані матеріали. У сталі за стандартом A706 спеціально контролюється хімічний склад, що покращує її здатність до пластичної деформації перед руйнуванням та забезпечує кращу поведінку під час землетрусів, при цьому зберігаючи точні вимоги до розмірів. Для всіх, хто займається проектуванням будівельних конструкцій, обов’язково необхідно перевіряти як фізичні розміри, так і металургійні характеристики сталі. І не забудьте завжди вимагати звіти про випробування на сталеплавильному заводі (mill test reports) згідно з розділом 11 стандарту ASTM A615 під час верифікації технічних характеристик.
Підбір розмірів арматурних стрижнів для конструктивних застосувань
Вибір оптимального діаметра арматурних стрижнів запобігає дорогостоячим відмовам, одночасно відповідаючи будівельним нормам та інженерним критеріям експлуатаційної надійності. Менші діаметри підходять для легших навантажень та тонких перерізів; важчі конструктивні елементи вимагають міцного армування для ефективної передачі розтягуючих зусиль та забезпечення експлуатаційної придатності при тривалих навантаженнях.
Фундаменти та плити: оптимізація контролю тріщин за допомогою арматурних стрижнів класу #2–#4 (6–13 мм)
Для горизонтальних конструктивних елементів, таких як плити по ґрунту та мілкі фундаментні системи, підрядники зазвичай використовують арматурні стрижні діаметром від №2 до №4 (приблизно 6–13 мм), головним чином для контролю тріщин, що виникають унаслідок усадки, та температурних впливів. При роботі з тоншими бетонними шарами ці стрижні меншого діаметра, розміщені приблизно через кожні 12–18 дюймів (30–45 см), забезпечують рівномірне армування бетону без створення локальних зон концентрації напружень, які згодом можуть спричинити проблеми. Згідно з розділом 7.12 останнього видання нормативного документа ACI 318, застосування арматурних стрижнів №4 (діаметром близько 12,7 мм) з кроком розміщення всього 12 дюймів (30 см) зменшує ширину тріщин більш ніж удвічі в типових житлових плитах порівняно з незармованими плитами або плитами з недостатньою кількістю сталевого армування. Використання занадто товстих стрижнів призводить до зростання вартості, ускладнює процес укладання бетону та підвищує ризик недостатнього заглиблення арматури в бетонну суміш. З іншого боку, використання занадто тонких стрижнів не забезпечує достатнього опору початковим тріщинам, що виникають під час твердіння бетону, що в кінцевому підсумку негативно впливає як на термін служби конструкції, так і на її естетичний вигляд.
Колони, балки та несучі елементи: коли арматура класу #5–#11 (16–36 мм) забезпечує структурну цілісність
Вертикальні та згинні елементи, такі як колони, балки та перехідні балки, потребують арматурних стрижнів діаметром від #5 до #11 (приблизно від 16 до 36 мм), щоб витримувати різні види навантажень одночасно — стискальні, розтягувальні та зсувні зусилля. При використанні стрижнів більшого діаметра спостерігається значне зростання їх несучої здатності. Наприклад, стрижень класу #8 (25,4 мм) витримує приблизно на 50 % більше навантаження порівняно з меншим стрижнем класу #5 того самого класу сталі згідно з вимогами AASHTO LRFD (10-е видання). У разі сейсмічних вимог вимоги стають ще точнішими. У зонах з високим ризиком землетрусів будівельні норми вимагають використання щонайменше стрижнів класу #7 (приблизно 22,2 мм) у зонах пластичних шарнірів колон, щоб вони могли згинатися, не руйнуючись. Перехідні балки зазвичай оснащуються кількома стрижнями класу #11 (по 35,8 мм кожен), зібраними в пучок, для сприйняття як вертикального навантаження, так і бічних сил. У кінцевому підсумку інженери розраховують кількість арматури, яку потрібно розмістити в бетоні, виходячи з відносин площі перерізів. Більшість нормативних документів рекомендують забезпечувати мінімальний вміст армування понад 1 % у важливих конструктивних елементах, як зазначено в розділі 10 стандарту ACI 318-19.
Ключові інженерні чинники, що визначають вибір діаметра арматури
Вимоги до навантаження, міцність бетону та співвідношення площі сталі до площі бетону
Кількість структурного навантаження визначає, яку розтягуючу силу повинна сприймати арматура. Коли існують значні постійні навантаження — наприклад, великі механічні системи чи товсті матеріали для підлоги — разом із динамічними корисними навантаженнями, що виникають у гаражах чи великих зборних приміщеннях, інженери, як правило, вказують арматурні стрижні більшого діаметра. Наприклад, у колонах каркасу висотних будівель часто використовують стрижні класу #11 (приблизно 35,8 мм), тоді як для простих фундаментів достатньо стрижнів класу #3 (близько 9,5 мм). Цікаво те, що використання міцнішого бетону дозволяє зменшити кількість сталі. Високоміцний бетон із межею міцності близько 5000 psi (або 35 МПа) дає проектувальникам змогу скоротити вимоги до сталі майже на 20 % порівняно зі звичайними сумішами з межею міцності 3000 psi (21 МПа), за умови попередньої перевірки міцності зчеплення та довжин анкерування. Коефіцієнт відношення площі сталі до площі бетону (ρ) відіграє вирішальну роль у забезпеченні як безпеки, так і економічної ефективності конструкцій. Формула має такий вигляд: ρ = As / (b × d), де As — загальна площа розтягнутої арматури, b — ширина конструктивного елемента, а d — ефективна глибина. Якщо цей коефіцієнт перевищує максимально допустиме значення, бетон може руйнуватися ще до того, як сталь почне текти. З іншого боку, якщо коефіцієнт нижчий за мінімальні вимоги, це може призвести до неочікуваних руйнувань при розтягуванні. Більшість проектів передбачають значення цього коефіцієнта в межах від 1 % для базових конструкцій без особливих вимог до надійності й до 3–4 % для будівель у сейсмічно небезпечних зонах або в районах із серйозним ризиком корозії, згідно з таблицею 10.3.1 стандарту ACI 318-19.
Обмеження щодо відстаней, сейсмічні норми та міркування щодо розмірів із урахуванням стійкості до корозії
Під час роботи в умовах фізичних обмежень — наприклад, у тісних опалубках, при щільних розташуваннях анкерних стержнів або великої кількості проникнень інженерних комунікацій (МЕР) крізь конструкцію — вибір діаметра арматурних стрижнів зазвичай визначається саме цими обмеженнями, а не лише розрахунковими вимогами до міцності. Саме тому багато інженерів віддають перевагу стрижням меншого діаметра, зазвичай розміром #4 або #5, розташованим на меншій відстані один від одного, замість того щоб використовувати стрижні більшого діаметра, які можуть перешкоджати правильному ущільненню бетону під час його укладання. Щодо сейсмічних вимог, вимоги стають ще точнішими. Згідно з розділом 18 норм ACI 318-19, у вузлах балка–колона повинні застосовуватися принаймні стрижні розміру #6, якщо крок хомутів становить чотири дюйми або менше. Крім того, у зонах пластичних шарнірів — тобто там, де конструкція зазнає вигину під дією навантаження, — армування має мати міцність, що перевищує розрахункову на 1,25 раза, щоб забезпечити стійкість до всіх деформацій без руйнування. У морських середовищах або в районах, де взимку дороги посипають сіллю, також вимагаються більші за діаметром стрижні. Підрядники часто передбачають використання стрижнів розміру #8 (діаметр 25,4 мм) замість стандартних стрижнів #6 (19,1 мм), оскільки вони знають, що сталь втрачає приблизно півміліметра в діаметрі щороку через корозію протягом усього терміну експлуатації будівлі. Хоча епоксидне покриття або нержавіюча сталь зберігають первинні розміри стрижнів, вони мають гіршу адгезію до бетону порівняно зі звичайною вуглецевою сталлю. Тому технічні вимоги потребують коригування як щодо відстані між стрижнями, так і щодо довжини їхнього заглиблення в опори, згідно з вказівками розділу 25 норм ACI 318-19 та стандартів ASTM A775/A934.