17.6. Арматурные изделия

Для армирования железобетонных конструкций применяют арма­турные изделия в виде сварных сеток и каркасов, изготовляемых заводским способом или в арматурных цехах завода железобетон­ных изделий, оснащенных оборудованием для правки, резки, гнутья, вытяжки и сварки арматуры.

Сварные рулонные и плоские сетки для армирования плит изго­товляют из обыкновенной арматурной (холоднотянутой) проволо­ки диаметром 3-3,5 мм и из горячекатаной стали класса A-III диа­метром 6-10 мм (рис. 17.4). В массивных конструкциях применяют также плоские сварные сетки, изготовляемые из стержней диамет­ром более 10 мм. В рулонных сетках диаметр продольных стерж­ней не должен превышать 5 мм. В местах пересечений все стержни сеток соединяются контактной точечной электросваркой.

Рис. 17.4. Сварные арматурные сетки:

а — рулонная; б — плоская

Для армирования линейных элементов (балок, колонн) приме­няют пространственные каркасы, образуемые плоскими сетка­ми типа «лесенка» (рис. 17.5, а, б, в) из продольных и поперечных стержней, а также дополнительными монтажными стержнями.

Продольные стержни располагают в таких сетках либо с одной стороны (рис. 17.5, г, ж, и), либо с двух сторон (рис. 17.5, д, э), в один ряд (рис. 17.5, г, д) или в два ряда (рис. 17.5, ж, з, и) по высоте. При одностороннем расположении продольные стержни можно устанавливать вплотную друг к другу, скрепив их сваркой (рис. 17.5, в, и). Для уменьшения ширины балок две плоские сетки можно объединять дуговой сваркой в одну (рис. 17.5, е). Плоские сетки объединяют для удобства транспортирования и монтажа в пространственные (рис. 17.5, к).

Соотношение диаметров продольных и поперечных стержней сварных сеток, изготавливаемых на машинах для точечной кон­тактной сварки, должно быть не более четырех [4.6].

При применении сварных сеток и каркасов благодаря соедине­нию стержней в местах пересечений электросваркой достигается надежная анкеровка арматуры в бетоне. При армировании же от­дельными стержнями или вязаными сетками и каркасами (в на­стоящее время редко применяемыми) анкеровка оказывается до­статочно надежной, если применена арматура периодического про­филя.

В случае применения гладкой арматуры концы стержней необходимо снабжать крюками. Большое значение имеет также правильное выполнение перегибов стержней, стыков отдельных стержней, сеток, каркасов и т. д.

Рис. 17.5. Сварные арматурные изделия:

1,2— сварка

Перегибают стержни во избежание значительной концентрации напряжений в бетоне по дуге окружности радиусом не менее 10 d, а в легком бетоне при d>12 мм в местах перегиба устанавливают коротыши стержней.

Стержневую арматуру соединяют электросваркой. Однако в ря­де случаев, например, при соединении арматуры из холоднодеформированных или термически упрочненных сталей (поскольку сварка ухудшает их свойства) приме­няют соединение внахлестку без сварки (рис. 17.6). Соединение сварных сеток внахлестку с дву­сторонним расположением рабо­чих стержней не допускается. Со­единение в рабочем направлении может быть произведено так, что­бы распределительные (попереч­ные) стержни располагались в од­ной плоскости или в разных плос­костях (рис. 17.6, а, б). В преде­лах стыка в каждой из соединя­емых сеток должно быть не менее двух поперечных стержней. Если рабочая арматура сеток выполне­на из стержней периодического профиля, то поперечная арматура в пределах стыка не обязательна. Это позволяет располагать сетки в одном уровне (рис. 17.6, б). Длина нахлестки растянутой ар­матуры в конструкциях из обыч­ного бетона марок 200-400 в за­висимости от класса арматурной стали принимается равной (3045)d, но не менее 250 мм. В конструкциях из бетона меньшей прочности, из легких бетонов, а также при отсутствии поперечной арматуры в пределах нахлестки длина перепуска стержней увели­чивается. Длина нахлестки стержней, расположенных в сжатой зо­не, принимается на (10ч15)d меньше, где d-наименьший диаметр продольной рабочей арматуры, однако не менее 200 мм. Площадь сечения стержней, соединяемых в одном месте, должна составлять при гладких стержнях не более 25%, а при стержнях периодическо­го профиля не более 50% общей площади сечения растянутой ар­матуры в сечении элемента.

При соединении внахлестку сварных каркасов в балках на дли­не стыка устанавливают дополнительные поперечные стержни или корытообразно согнутую сетку с шагом дополнительных попереч­ных стержней не более 5d, а при соединении каркасов центрально - и внецентренно -сжатых элементов с шагом не более 10d.

Стыки сварных сеток в нерабочем направлении выполняют вна­хлестку с перепуском, равным 50 мм при диаметре распредели­тельной арматуры и 100 мм при >4мм (рис. 17.6, г). При диаметре рабочей арматуры 16 мм и более стык сварных сеток в нерабочем направлении перекрывают специальными сетками, ук­ладываемыми с перепуском в каждую сторону не менее 15d рас­пределительной арматуры и не менее 100 мм.

Рис. 17.6. Стыки внахлестку сеток с односторонним расположением рабочих стержней:

а, б, в—в рабочем направлении; е, д — в направлении распределитель­ной (поперечной) арматуры; 1/ — рабо­чая арматура; 2 — распределительная (поперечная) арматура

Свойства арматурных сталей

Прочность.

Арматура в железобетонных конструкциях работает в основном на растяжение. Прочностные характеристики устанавливаю при испытании образцов на растяжение.

Диаграмма зависимости деформаций от напряжений представлена на рисунке:

Механические характеристики сталей характеризуются двумя значениями напряжений:

- предел текучести материала, т.е. напряжение при котором в материале начинают развиваться деформации при постоянном значении нагрузки;

- временное сопротивление – значение напряжения в момент разрыва образца.

В чистом виде железо является очень пластичным материалом с явно выраженной площадкой текучести. Предельным значением служит предел текучести материала.

Для повышения прочности стали существует 3 метода:

- в сплав вводят углерод с содержанием 0,3-0,5%. Получают малоуглеродистые стали. Больший процент углерода помимо повышения прочности материала приводит к уменьшению пластичности стали и ухудшает свариваемость стали;

- в сплав вводят помимо углерода легирующие элементы (магний, кремний, хром). Содержание легирующих добавок в сплаве 0,6-2%. Получают низколегированные стали. Больший процент содержания легирующих добавок приводит к ухудшению свариваемости стали;

- сплавы термически упрочняют. Получают термически упрочненные стали. У таких сталей практически отсутствует площадка текучести на диаграмме зависимости деформаций от напряжений при растяжении и установлен условный предел текучести и условный предел упругости.

Пластичность.

Арматурные стали обладают пластичностью. При снижении пластичности стали может произойти:

- хрупкий разрыв арматуры в конструкции под нагрузкой;

- хрупкий излом напрягаемой арматуры в местах перегибов.

Пластические свойства сталей устанавливают по относительному удлинению при испытании на разрыв образцов. Длина образцов составляет 5d стержней. Определяются полное относительное удлинение образца после разрыва в % (с учетом шейки разрыва) и относительное равномерное удлинение образца после разрыва в % (без учета шейки разрыва).

Свариваемость.

Характеризуется надежностью соединения и отсутствием трещин в металле шва и рядом с ним. Не сваривают арматуру изготовленную из термически упрочненных сплавов, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения материала.

Ползучесть.

Ползучести стали увеличивается при увеличении напряжений и повышении температуры окружающей среды.

Усталостное разрушение.

Происходит при действии многократно повторяющихся нагрузок. Выносливость стали зависит от:

- качества сцепления арматуры с бетоном;

- наличия трещин в бетоне растянутой зоны.

Термически упрочненные стали обладают меньшим пределом выносливости.

Железобетон

Сцепление арматуры с бетоном

Прочность сцепления арматуры с бетоном характеризуется сопротивлением выдергиванию или вдавливанию стержней в бетоне.

Прочность сцепления бетона с арматурой зависит от:

- зацепления в бетоне выступов арматуры периодического профиля (наиболее сильно влияет - при гладкой арматуре сопротивление уменьшается в 2-3 раза);

- сил трения, возникающих между бетоном и арматурой при усадке бетона;

- склеивания арматуры с бетоном.

Напряжение сцепления арматуры с бетоном определяется по формуле:

где - усилие в стержне;

- длина анкеровки стержня;

- периметр сечения стержня.

Усилие делится на площадь соприкосновения арматуры и бетона.

Прочность сцепления увеличивается:

- при повышении класса бетона;

- при уменьшении водоцементного отношения;

- при увеличении возраста бетона.

При вдавливании арматурного стержня в бетон прочность сопротивления больше, чем при его выдергивании.

При увеличении диаметра арматуры и напряжения в нем прочность сцепления при сжатии увеличивается, а при растяжении уменьшается.

Анкеровка арматуры

Для лучшего сцепления арматуры с бетоном концы арматурных стержней заводят за рассматриваемое сечение на длину анкеровки или устраивают дополнительные анкерные устройства.

При армировании отдельными стержнями енапрягаемая арматура из гладких стержней класса А-I снабжается на концах анкерными крюками

Гладкие стержни в сварных сетках и каркасах крюками не снабжают, так как анкерами служат поперечные стержни.

Арматурные стержни периодического профиля применяют без крюков на конце.

Длина анкеровки стержней периодического профиля определяется поформуле:

Коэффициенты зависят от вида напряженного состояния арматуры и вида арматуры (гладкая или профильная).

На крайних свободных опорах изгибаемых элементов длина анкеровки принимается

Усадка железобетона

В ж/б конструкциях арматура превращается в связи, которые препятствую процессу усадки бетона. По опытным данным усадка и набухание ж/б в 2 раза меньше, чем усадка и набухание бетона. Из-за того что арматура препятствует усадке бетона ж/б образуются начальные внутренние напряжения – растягивающие в бетоне и сжимающие в арматуре. Эти напряжения уравновешены между собой.

Растягивающие напряжения в бетоне, возникшие от усадки, зависят от:

- свободной усадки бетона (без арматуры);

- коэффициента армирования;

- класса бетона.

Растягивающие напряжения от усадки увеличиваются при увеличении количества арматуры в ж/б.

Если растягивающие напряжения от усадки достигли временного сопротивления бетона при растяжении , то в бетоне возникают усадочные трещины.

Начальные напряжения способствуют более раннему образованию трещин в конструкции. После образования трещин усадка оказывает меньшее влияние на ж/б конструкцию. И на стадии разрушения усадка не влияет на прочность статически определимых конструкций.

Ползучесть железобетона

Так же как и при усадке арматура является внутренней связью, которая препятствует развитию деформаций ползучести.

В железобетонном элементе при длительном действии нагрузки в результате ползучести бетона происходит перераспределение усилий между бетоном и арматурой. В центрально-сжатых железобетонных элементах усадка и ползучесть действуют в одном направлении. Они уменьшают напряжения в бетоне и увеличивая их в продольной арматуре. При увеличении нагрузки на конструкцию деформации арматуры возрастают, а в бетоне предельные деформации ограничиваются сравнительно небольшими значениями. Это приводит к обратному перераспределению усилий - загружению бетона и разгрузке арматуры. Опыты показали, что ползучесть бетона, вызывая увеличение напряжений в арматуре центрально-сжатых эоементов при эксплуатационной нагрузке, не уменьшает конечной несущей способности элемента.

В железобетонных изгибаемых элементах ползучесть сжатой зоны бетона вы­зывает уменьшение сжимающих напряжений; напряжения же в растянутой арматуре, наоборот, возрастают. Деформации железобетонных элементов (особенно прогибы балок) вследствие ползучести бетона при длительном действии нагрузки значительно возрастают. При армировании сжатой зоны балок ползучесть сжатого бетона заметно снижается, что ведет к уменьшению прогиба при длительном действии нагрузки.

Усадка и ползучесть бетона протекают одновременно и совместно оказывают влияние на ж/б конструкции.

Коррозия железобетона

Коррозия может развиваться:

- под действием жидких или газообразных агрессивных веществ;

- фильтрующейся воды, проникающей внутрь бетона через поры и трещины.

Процесс коррозии протекает как в арматуре так и в бетоне. Коррозия арматуры сопровождается увеличением ее объема в сравнении с первоначальным. Это приводит к отколу участков бетона. При коррозии бетона происходит выщелачивание цементного камня (вынос гидрата окиси кальция на поверхность) и другие виды разрушения.

Борьба с коррозией железобетона ведется применением плотных бетонов, сульфатостойких цементов, полимербетонов, окраски, оклейки, оштукатуривания или облицовки конструкций специальными изоляционными материалами.

Влияние температуры на железобетон

Сопротивление железобетона воздействию высоких температур зависит от температуры нагрева и длительности ее действия. Кратовременное воздействие на конструкцию высоких температур или огня возникает, например, при пожарах.

Огнестойкость железобетонного элемента оценивается пределом огнестойкости (ч), т. е. временем, по истечении которого при пожаре наступают потеря несущей способности элемента, образование трещин, через которые огонь способен проникать в соседние помещения, или нагрев до 150° С не обращенной к огню поверхности. Предел огнестойкости железобетонных элементов зависит от:

- размеров сечения;

- конструктивной схемы элемента;

- вида арматуры и способа армирования;

- толщины защитного слоя.

Железобетон относится к огнестойким материалам, способным противостоять при пожаре высоким температурам - в течение нескольких часов без существенной потери прочности.

В сооружениях, где длительно воздействуют высокие температуры (фундаменты доменных печей, борова, дымовые трубы и т. д.), к железобетонным конструкциям предъявляют требования жаростойкости. В этом случае применяют специальную изоляцию конструкций (футеровку) или, что более экономично и надежно, же­лезобетонные конструкции изготовляют из жаростойкого бетона.

Защитный слой арматуры

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

В плитах и стенах толщиной до 100 мм при тяжелом бетоне толщина защитного слоя должна быть не менее 10 мм, а при легком - не менее 15 мм.

В плитах и стенах толщиной более 100 мм - не менее 15 мм.

В балках высотой до 250 мм - не менее 15 мм.

В балках высотой 250 мм и более - не менее 20 мм.

В колоннах - не менее 20 мм.

Для хомутов и поперечных стержней каркасов балок и колонн при высоте сечения элементов h<250 мм - не менее 10 мм, при h≥250 mm - не менее 15 мм.

Для распределительной арматуры плит - не менее 10 мм.

Расстояние от концов продольной ненапрягаемой арматуры до торцов здания должно быть не менее 10 мм.

При большой длине элементов (панели длинной более 18 м, ригели – более 9 м, колонны более 18 м) – не менее 15 мм.

При воздействии на железобетонные конструкции высоких температур или агрессивной среды, а также повышенной влажности толщину защитного слоя увеличивают и назначают с учетом специальных нормативных требований.

Методы расчета железобетонных конструкций

Нормативные и расчетные сопротивления бетона

К нормативным сопротивлениям бетона относятся:

- сопротивление осевому сжатию призмы – призменная прочность ;

- сопротивление осевому растяжению .

Они определяются в зависимости от класса бетона по прочности, с обеспеченностью 0.95.

Расчетные сопротивления бетона при расчете по первой группе предельных состояний определяются делением нормативных значений на коэффициент надежности по бетону:

- при сжатии

- при растяжении

При расчете конструкций расчетные сопротивления бетона умножают на коэффициент условий работы бетона . Он зависит от:

- длительности действия нагрузки;

- условий работы конструкции;

- способов изготовления конструкции.

Расчетные сопротивления бетона при расчете по второй группе предельных состояний устанавливаются при коэффициенте надежности по бетону и равны нормативным значениям. Коэффициент условий работы бетона

Расчетные сопротивления бетона представлены в СНиП.

Нормативные и расчетные сопротивления арматуры

Нормативные сопротивления арматуры растяжению устанавливаются в зависимости от класса и диаметра арматуры, с обеспеченностью 0.95.

Расчетные сопротивления арматуры растяжению при расчете по первой группе предельных состояний определяются делением нормативных значений на коэффициент надежности по арматуре:

Коэффициент надежности по арматуре зависит от класса арматуры и диаметра стержней.

При расчете конструкций расчетные сопротивления арматуры умножают на коэффициент условий работы арматуры . Он зависит от:

- полноты использования прочностных характеристик арматуры;

- условий анкеровки;

- условий работы конструкции.

При расчете сжатых элементов расчетное сопротивление арматуры сжатию назначают равным расчетному сопротивлению арматуры растяжению, но не более 400 МПа.

При расчете элементов на действие поперечной силы расчетное сопротивление поперечной арматуры определяют с учетом понижающего коэффициента

Расчетные сопротивления арматуры при расчете по второй группе предельных состояний устанавливаются при коэффициенте надежности по арматуре и равны нормативным значениям. Коэффициент условий работы арматуры

Расчетные сопротивления бетона представлены в СНиП.

Категории требований трещиностойкости железобетонных конструкций

Трещиностойкость – это свойство железобетонной конструкции сопротивляться образованию трещин в I стадии работы или сопротивляться раскрытию трещин во II стадии работы.

К трещиностойкости железобетонных конструкций предъявляются 3 категории требований:

первая категория – не допускается образование трещин;

вторая категория – допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин при условии их последующего закрытия;

третья категория – допускается ограниченное по ширине непродолжительное и продолжительное раскрытие трещин.

Предельная ширина раскрытия трещин обозначается:

- непродолжительная - от действия постоянной, длительной и кратковременной нагрузок;

- продолжительная - от действия постоянной и длительной нагрузок.

Предельная ширина раскрытия трещин – это ширина раскрытия трещин при которой обеспечивается:

- нормальная эксплуатация зданий;

- коррозионная стойкость арматуры;

- долговечность конструкции.

Предельная ширина раскрытия трещин в зависимости от вида конструкций принимается 0,05 – 0,4мм и представлена в СНиП.

При расчете по трещиностойкости расчетные значения нагрузок учитывают

- при первой категории требований с учетом коэффициента надежности по нагрузке ;

- при второй и третьей категории требований .

При расчете по трещиностойкости не учитывают особые нагрузки.

Основные положения расчета по предельным состояниям

Расчет по первой группе предельных состояний. Принято что конструкция работает в III стадии напряженно-деформированного состояния.

Условие прочности в общем виде может быть выражено в виде неравенства:

- усилие от расчетных нагрузок – функция от внешних нагрузок, расчетной схемы, коэффициентов надежности;

- максимальное усилие воспринимаемое сечением - функция от размеров и формы поперечного сечения, расчетных сопротивлений материалов, коэффициентов надежности по материалам, коэффициентов условий работы.

Расчет по второй группе предельных состояний.

Расчет по трещиностойкости элементов в общем виде

- при предъявлении первой категории требований, трещины не образуются, если:

- усилие от расчетных нагрузок;

- максимальное усилие воспринимаемое сечением.

- при предъявлении второй и третьей категории требований:

- ширина раскрытия трещин от действия внешних нагрузок;

- предельная ширина раскрытия трещин в элементе.

Расчет по допустимым перемещениям ведется по формуле:

- перемещения в конструкции, возникающий от действия внешних нагрузок;

- допустимые перемещения в конструкции.