Технология анкеровки арматуры в бетоне

Руководящий документ СП 52-101-2003 «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры», раздел 5.29-5.41

Сцепление арматуры и бетона и получение железобетона

Сочетание стальных и бетонных материалов дало жизнь новому строительному материалу — железобетону, что в свою очередь значительно преобразило сферу строительства. На чем же основано столь успешное взаимодействие этих двух материалов? Основной причиной служат их различные физико-механические свойства. Например, прочность бетона на сжатие в 15 раз превышает его прочность на растяжение. В то время как сталь демонстрирует высокое сопротивление растягивающим нагрузкам. Таким образом, стальная арматура по своей сути улавливает растягивающие силы, в то время как бетон реагирует на сжимающие нагрузки. Эти два материала существенно дополняют друг друга, обеспечивая высокую прочность конструкций.

Дополнительным преимуществом при образовании монолитного соединения двух различных материалов служат их схожие коэффициенты линейного расширения в диапазоне температур от -40°C до 60°C. В рамках этих температурных условий физические и механические характеристики как бетона, так и стали остаются стабильными и не подвержены значительным изменениям. Поэтому железобетонное соединение работает стабильно в различных климатических условиях.

Эта синергия в сочетании бетона и стали основывается на механизме сцепления между ними.

Что такое сцепление и от чего зависит его величина

Сцепление — это прочная связь между бетоном и арматурой по всей поверхности их контакта. Оно измеряется

силами, с которыми арматурный стержень противодействует сдвиговым нагрузкам. На что же влияет это сопротивление сдвигу арматуры?

• Периодический профиль стержней. Неровности и выступы на поверхности арматуры механически фиксируются бетоном. В местах под этими выступами возникают силы сопротивления, предотвращающие проскальзывание стержня в условиях изгибающих нагрузок.
• Геометрические параметры профиля и диаметра арматуры. Высокие выраженные профили, их периодичность и угол наклона формируют площадь смятия в цементном камне, от размеров которой зависит сцепление.
• Молекулярное взаимодействие металла с раствором (так называемое «склеивание»).
• Свойства бетонной смеси:

• Марка цемента;
• Соотношение вода-цемент: чем ниже этот коэффициент, тем прочнее бетон, а, следовательно, выше сопротивление смятию;
• Тип заполнителей и их пропорции в смеси.

• Качество подготовки и процесс заливки бетона в соответствии с нормами ГОСТ, включая его виброуплотнение и поддержание влажности для оптимального созревания. Вибрация после заливки способствует уплотнению бетонной смеси в участках, находящихся под периодическими профильными рифлениями, что критически важно для обеспечения крепкого сцепления, так как именно в этих точках возникают значительные напряжения при нагрузках.

Ранее считалось, что силу трения также можно отнести к факторам, уменьшающим возможность сдвига стержня. Однако трение формируется в результате сжатия стержня во время схватывания бетонной смеси. Радиальное давление может было служить причиной появления силы трения. Но исследования продемонстрировали, что в результате обжатия стержня создается осадка контактного сопротивления смеси, что полностью разрушает контакт. Таким образом, способность арматуры сопротивляться выдергиванию снижается.

Кроме того, влияние адгезии на величину сцепления оказалось переоцененным. Молекулярное «склеивание» между металлом и бетонной смесью сохраняется лишь кратковременно. На практике цементный раствор, проникающий в микротрещины металла, не способен создать прочные связи. Даже при незначительных нагрузках адгезия оказывается разрушенной.

Какой вывод сделали исследователи? Главным фактором сопротивления сдвигу бетона является не трение и адгезия, а именно профиль арматуры, который обеспечивает сцепление между бетоном и сталью. Его эффективность зависит от состояния поверхности стержня. Для гладкой поверхности, не имеющей выступов, при выдергивании не будет никакой точки опоры для противодействия, что приведет к быстрому выдергиванию. Напротив, чем выше выступы профиля, тем выше устойчивость стержня к выдергиванию.

Оно немного увеличивает удельную растяжимость бетона и:

• в случае образования микротрещин содействует их равномерному распределению;
• препятствует расширению каждой отдельной трещины;
• увеличивает упругость железобетонных конструкций.

Длина и особенности ее расчета

Для корректного расчета длины заделки арматуры необходимо учитывать множество показателей. Важно соблюдать рекомендуемую величину, которая будет заложена в железобетон. Проектировщики выполняют расчеты с максимальной точностью. Для определения длины анкеровки они используют графики, которые создаются на основе напряжений в арматуре и классов армирующих элементов.

Работа с графиками доступна любому специалисту в области строительства. Рекомендованная длина арматурного стержня определяется следующим образом:

1. Определяется величина растяжения изделия по оси абсцисс.
2. Проводится линия до нужной марки бетона.
3. Находится точка пересечения перпендикуляра от оси абсцисс с полученным отрезком.
4. Обозначив точку Rа, проводят параллель до оси ординат.
5. Полученная точка укажет на оптимальную длину арматурного стержня.

Таким же методом можно работать и с другими графиками. Если невозможно соблюсти рекомендованную длину анкеровки, следует установить на торцы арматуры специальные элементы. Они выполняют функцию анкеров: такие приспособления могут быть выполнены в форме пластин, крюков или уголков.

Показатели для расчета

Для точного определения длины анкеровки армирующих элементов необходимо учитывать следующие параметры:

• сечение арматуры;
• тип профиля;
• марка бетона;
• длина конструкции и глубина укладки стержней;
• метод заделки стержней;
• напряжение в месте сцепления.

Быстрый расчет величины можно произвести с помощью таблицы. Такие таблицы могут включать различные показатели. Они часто входят в состав программных решений для анализа анкеровки на компьютере. Использование подобных методик допустимо даже для неграмотного в этом вопросе строительства. В профессиональной практике это применяется для предварительных расчетов, тогда как окончательные значения вычисляются по строгим формулам.

Для расчетов с использованием формул необходимо квалифицированное инженерное образование и практический опыт в строительстве. Начинающие строители могут:

• обратиться к услугам специализированных компаний;
• определить ориентировочные величины с помощью таблиц, графиков и программ.

С учетом того, что качество анкеровки критично влияет на конечный результат строительства и прочность конструкции, рекомендуется заказывать расчеты в специализированных фирмах. Предпочтительно оплатить услуги специалистов, чем впустую тратить дорогие строительные материалы.

Какой должна быть длина анкеровки?

Длина анкеровки рассчитывается на основе специфических формул, с обязательным учетом действующих норм. Важно принимать во внимание ряд факторов, которые позволят добиться нужных характеристик железобетона, чтобы его эксплуатация была безопасной, без деформаций и дефектов в заранее определенных условиях. Поэтому для определения длины следует использовать таблицы из СП 63.13330.2018 с учетом последних изменений.

В процессе расчета длины анкеровки арматуры в бетоне необходимо учитывать следующие параметры:

1. Тип анкеровки.
2. Класс арматуры и форма ее профиля.
3. Диаметр стального стержня.
4. Класс используемого бетона и уровень напряжения в зоне анкеровки.
5. Наличие других конструктивных элементов (например, поперечных стержней).

Длина анкеровки будет различной для каждого типа анкеровки. Она определяется в соответствии с нормативными документами с помощью расчетов по формулам и таблицам. В качестве примера ниже приведены таблицы длин анкеровки арматуры в теле различных классов бетона и для разных типов стержней.

Следует обратить внимание, что анкеровка и нахлест арматуры — это разные технологические процессы, и их длина тоже различна.

Качество анкеровки арматуры напрямую влияет на конечный результат строительства объекта. Поэтому не стоит экономить на материалах или выполнять расчеты самостоятельно, если у вас нет необходимых знаний или значительного опыта, так как это может привести к серьезным финансовым потерям. В случае строительства ответственных конструкций лучше привлекать опытных специалистов.

Применение в проекте

Все соединения отдельных стержней арматуры производятся путем нахлестки без сварки. Длина нахлестки арматуры должна составлять не менее 46 диаметров арматуры (если в одном расчетном сечении стыкуется не более 50% рабочей растянутой арматуры) и не менее 76 диаметров арматуры (если в одном расчетном сечении стыкуются вся рабочая растянутая арматура). Стыковки арматуры считаются попадающими в одно расчетное сечение, если расстояние между их центрами составляет менее 60 диаметров стыкуемой арматуры.

Нельзя стыковать нижнюю арматуру плит перекрытий и покрытий в средней трети пролета.
Верхнюю арматуру плит перекрытий и покрытий желательно стыковать в средней трети пролета.

Верхнюю арматуру фундаментных плит не рекомендуется стыковать в средней трети пролета.
Нижнюю арматуру фундаментных плит следует стыковать в средней трети пролета.

Увеличение расхода арматуры на нахлесты стержней составляет: 4% для стержней диаметром 8 мм, 5% для 12 мм и 6% для 16 мм, что учтено в спецификациях для материалов, рассчитанных в погонных метрах.

Минимальный диаметр оправки для арматуры определяется в зависимости от диаметра стержня:

• диаметр оправки не менее 5 диаметров стержня при диаметре стержня менее 20 мм;
• диаметр оправки не менее 8 диаметров стержня при диаметре стержня 20 мм или больше.

Данный расчет применяется для арматуры класса А500С и бетона класса B30 и рассчитывается по формуле: L_{нахлёста}/11700, где L_{нахлёста} — длина нахлеста в миллиметрах.

Обсуждение

Относительно соединений стержней внахлестку без сварки.
В новой нормативной литературе (СП 52-101-2003, Пособие к СП 52-101-2003 и другие) данная тема не углубляется. Тем не менее, в прежнем пособии были рекомендации касательно мест стыковки.

Согласно дополнениям к проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84)
пункт 5.47 (5.37).
Стыки стержней рабочей арматуры внахлестку не рекомендуются в растянутых зонах изгибаемых и внецентренно растянутых элементов, где арматура полностью задействована. Такого рода стыки недопустимы в линейных элементах, сечение которых полностью растянуто.

Таким образом, я в общих указаниях дополнительно пишу (для плит перекрытия):
«Нижнюю арматуру плиты разрешается стыковать за исключением зон в средней трети пролетов с перепуском ____. Верхнюю арматуру допускается стыковать в средней трети пролета с перепуском _____.»

Что касается фундаментных плит, правила обратны.

Подскажите, пожалуйста, для анкеровки нужно ли соблюдать требование о 50% в одном сечении? То есть если я анкерую арматуру стены в плите, там также присутствует арматура, считается ли это перехлестом?

Виталий, без визуальной схемы трудно что-то конкретное сказать.
Если это возможно, отправьте узел мне на электронную почту 3952800@gmail.com

Существует еще и СП 27.13330.2011 — БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЫШЕННЫХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР. Там упоминаются кое-какие коэффициенты для расчета анкеровки и нахлеста арматуры для таких конструкций. Это можно вставить в XLS файл, но мне так и не понадобилось. Я часто использую отношение расчетной площади поперечного сечения арматуры к фактически установленной при определении длины анкеровки. В XLS файле, кажется, этого тоже нет.

Игорь, я могу это сделать, если вам нужно, ничего сложного.

В плите, когда нужно перекрыть зону усиления на длину анкеровки, вы используете полную длину? Дополнительно, могли бы вы загружать файлы электронных таблиц кроме .xls также и в формате Open Office?

Как правило, у меня небольшие диаметры в плитах — 10-16 мм. Я добавляю по 500 мм с каждой стороны от зоны усиления. В случае консольных плит часто использую отгибы арматуры.

По поводу OO — я им не пользуюсь. Там, кажется, есть возможность открывать файлы .xls? Я не осведомлен. Хотел предложить вам воспользоваться онлайн-сервисами, такими как https://skydrive.live.com/ или https://drive.google.com/. Пробовал сам – не сработало, потому что использованы русские названия функций в Excel, а все онлайн-сервисы позволяют использовать только английские названия. Нужно подумать, как можно решить эту проблему.

Боюсь, что в OO могут быть похожие проблемы. Не всё корректно работает, но открывать файлы могут.

На данный момент я перевел вашу таблицу по анкеровке из .xls в .xlsx, все русские функции заменены на английские, и всё начало отображаться нормально. Пока что не знаю, как это будет выглядеть в файле с макросами.

В будущем буду выкладывать в формате .xlsx. Просто из-за привычки сохранять все в .doc и .xls, хотя новые версии Office 2007 и позже, кажется, поддерживаются.

«Длина нахлёста арматуры составляет не менее 46 диаметров арматуры (если в одном расчетном сечении стыкуется не более 50% рабочей растянутой арматуры) и не менее 76 диаметров арматуры (если стыковка включает всю рабочую растянутую арматуру в одном расчетном сечении). Стыки арматуры считаются попадающими в одно расчетное сечение, если расстояние между их центрами составляет менее 60 диаметров стыкуемой арматуры.»
Может, следует заменить 46d на 30d, а 60d на 46d?

Длина заделки арматурных прутков

Расчет анкеровки основывается на множестве характеристик. Ключевым параметром этого процесса станет длина армирующего стержня, который вводится в железобетонную смесь. Это значение должно быть определено очень внимательно. Проектировщики устанавливают длину заделки с использованием специализированных графиков, которые учитывают класс бетона и уровень напряжения на армирующий пруток. Работать с такими графиками достаточно легко.

Например, длина анкеровки стержня определяется таким образом: необходимо найти на оси абсцисс растяжение прутка (например, для бетонной смеси маркой М 300). От данной точки проводится прямая до интересующей марки бетона. В месте, где эта линия пересекается с вертикальной линией, проведенной от оси абсцисс, отмечается точка Rа, от которой параллельно проводится линия, пока не пересечется с осью ординат. Нашли точку — это и будет рекомендуемая длина прутка.

Аналогично можно использовать и два других графика. Описанный выше способ, конечно, может показаться сложным для человека, не знакомого с проектированием конструкций из железобетона. Но профессионалы в строительной области смогут за считанные секунды определить длину арматурных стержней с помощью графиков. Если же рекомендованная длина анкеровки на конкретном объекте не устанавливается, то обязательно на торцы прутьев устанавливаются специальные элементы, такие как пластины, крючки, уголки или гайки.

Расчет анкеровки арматуры

Упрощенный расчет значений, таких как глубина и длина анкеровки, может быть осуществлён с использованием специальной таблицы, содержащей разнообразные данные. Обычно они являются частью программного обеспечения, позволяющего выполнить полный расчет анкеровки. Найти такие приложения просто, они доступны в интернете или на дисках. На любительском уровне можно определить глубину и длину анкеровки по ранее описанным методам (с помощью программ с таблицами, включенными в них).

Профессиональная оценка процесса заделки арматуры требует учета следующих факторов:

• прочность железобетонной смеси;
• метод уже самой анкеровки;
• уровень напряжения в местах соединений;
• длина и глубина заливки изделий;
• профиль арматурных стержней;
• поперечное сечение используемых прутков.

Профессионалы также используют подобный метод, но лишь на этапе предварительных расчетов. А вот окончательные глубины закладки арматуры и параметры операции определяют по строгим формулам. Таким образом, специалисты обеспечивают 100% точность расчетов. Формулы играют важную роль в проектировании сооружений ответственного типа и конструкций из железобетона. При формульном расчете необходимы глубокие инженерные знания и понимание основных принципов строительства, чем, к сожалению, обыкновенный пользователь может не располагать.

Следовательно, есть два принципиально разных подхода:

1. заказать профессиональный расчет в специализированных компаниях;
2. пользоваться рекомендованными (приближенными) значениями анкеровки, доступными в специальных программах и таблицах.

Поскольку анкеровка арматурных стержней является ключевой задачей в строительном процессе, от этого во многом зависит качество и долговечность конструкции. Поэтому лучше поручить этот расчет профильным бюро. Ведь экономия на данной услуге может обернуться не только неправильным выполнением, но и значительными затратами в будущем.