Вот уже много столетий человечество использует бетон для строительства самых разных зданий и сооружений. Но только в начале XIX века, с целью усиления, стала использоваться арматура для фундамента. Такой новаторский шаг был обусловлен временем – повышался уровень жизни людей, и требовалось более дешевое и простое решение по упрочнению бетона, ведь обладая высокой прочностью, хорошей водостойкостью и морозоустойчивостью, этот искусственный камень может давать трещины при растягивающем и сжимающем воздействии.
Процессы разрушения и деформации наиболее активно проявляются в фундаментах, ведь на них воздействуют грунты при зимнем пучении и критические весовые нагрузки, значения которых могут отличаться в зависимости от архитектурно-планировочных решений. Армирование стальными прутами позволило минимизировать габариты фундаментных оснований и сократить сроки и объемы строительных работ. Экспериментируя с формой сечений, инженеры стохастическим путем выяснили какую арматуру использовать для фундамента определенного типа и сегодня этот металлопрокат производится в обширной номенклатуре.
Арматура: основные виды
В современном строительстве используется арматурная сталь с гладким и периодическим профилем. Учитывая вариативность применения, в целом ее классифицируют сразу по нескольким признакам.
По назначению
- Рабочая. Именно она рассчитана на восприятие основной нагрузки на несущий элемент и поэтому имеет периодический профиль, так как в этом случае больше площадь и соответственно увеличивается поверхность сцепления с бетоном.
- Распределительная. Ее также называют конструктивной, так как она обеспечивает равномерное распределение сил между рабочими стержнями, воспринимает температурное расширение и усадочные деформации.
- Монтажная. Используется исключительно для фиксации рабочих армирующих прутков в сетках или каркасах.
Форма сечения и диаметр рабочих и распределительных прутков выбираются на основе физико-математических расчетов. Произвольный выбор или необоснованная замена могут привести либо к удорожанию проекта, либо к недостаточной прочности фундамента. Монтажный арматурный металлопрокат, как правило, гладкий и не более 8 мм в диаметре.
По ориентации
Этот принцип классификации основан на пространственном положении армирующих прутков в теле строительной конструкции. Учитывая, специфику создания несущих элементов арматура в фундаменте бывает:
- Продольная. Ее стержни располагают под нулевым или под небольшим углом к линии горизонта. При этом, воспринимая растягивающие напряжения, она предупреждает появление трещин и разломов в зоне изгибающих моментов.
- Поперечная. Используется в качестве монтажной базы для продольных арматурных прутков и располагается перпендикулярно по отношению к ним. Воспринимая воздействие поперечных сил, предотвращает выпучивание отдельных стержней.
- Вертикальная. Выступает связью при создании нескольких продольных уровней, испытывает на себе вертикальные составляющие воздействующих сил.
По условиям применения
В зависимости от начального напряженного состояния армирующий металлопрокат может быть напрягаемым и ненапрягаемым. Напряженное состояние арматурной стали определяется конструктивно-технологическими факторами, например, прочностью и упругопластичностью бетона, технологией изготовления и процентом армирования, характером воздействующих сил. Соответственно, еще на стадии проектирования следует определить, какая арматура нужна для фундамента:
- Напрягаемая (предварительно упрочнена вытяжкой или методом термомеханического упрочнения). Выполняет функцию носителя внешней силы обжатия сечения и работает с бетоном, воспринимая дополнительно к предварительному напряжению растяжения и сжатия, возникающие в бетоне.
- Ненапрягаемая. Испытывает напряжения, вызванные деформациями обычного бетона. Чаще всего применяется в виде арматурных каркасов и сеток. В сжатой зоне используется как монтажная.
Арматура для фундамента
Стальные армирующие элементы – важнейшая составляющая часть железобетонной конструкции любого фундамента. Они должны работать совместно с бетоном на всем сроке эксплуатации строящегося объекта и:
- обладать достаточной прочностью и пластичностью вне зависимости от длительности воздействия нагрузок, коррозионных факторов и знакопеременных перепадов температур;
- иметь улучшенную адгезию поверхности и обеспечивать надежное сцепление с бетоном;
- быть простыми и технологичными в применении.
Диаметр, размер и основные свойства арматуры для фундамента
Арматурная сталь производится диаметром 4,0…40,0 мм с гладким и периодическим профилем в бунтах и в стержнях мерной и немерной длины (в основном, длиной 6…12 м). Номенклатурный ряд диаметром от 6,0 до 14,0 мм – оптимальный размер для частных и малоэтажных строений, в выстном строительстве и промышленности востребованы диаметры вплоть до 32,0 мм, а для объектов повышенной ответственности может применяться максимальный диаметр.
Арматура под фундамент оценивается по основным характеристикам:
- стойкость к коррозионному растрескиванию. Например, при испытании в аммониевом растворе стержни ø 12 мм должны выдерживать около 20 ч, ø 12…25 мм – до 60 ч, а стержни ø 25 мм и более – не менее 100 час;
- механические свойства: условный предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение после разрыва и относительное сужение;
- динамическая прочность при длительных и кратковременных сжимающих и растягивающих нагрузках;
- свариваемость и способность создавать пластичные сварные соединения;
- свойства ползучести и релаксации;
- ударная вязкость;
- хладноломкость.
Классы арматуры для фундамента
Сортамент арматурной стали в стандартах СНГ маркируется буквой «А» и классифицируют по механической прочности на:
- класс А-I ( А-240). Изготавливается из марок стали Ст3 разной степени раскисления и только с гладким профилем;
- классы А-II…А-VI (А-300…А-1000). Изготавливаются с периодическим профилем из улеродитсых и низколегированных сталей, химический состав которых определяется соответствующим стандартом.
При этом арматура на фундамент может иметь дополнительные символы в маркировке. Так, литера «С» указывает на то что, металлопрокат относится к свариваемым материалам, буква «К» подтверждает, что сталь является стойкой к коррозионному растрескиванию. Комбинация «СК» говорит о том, что арматурная сталь является и свариваемой, и коррозионностойкой. Отсутствие вышеперечисленных символов означает, что прокат имеет типовые качества и предназначен для сооружения обычных железобетонных конструкций.
Как правильно рассчитать параметры арматуры для фундамента
Как несущее основание, фундаменты воспринимают и передают на грунтовое основание нагрузки от зданий, технических сооружений и других конструкций. Проектирование их проводится согласно действующим строительным нормам и правилам и учитывает:
- особенности рельефа;
- физико-механические свойства и пучинистость почвенных слоев;
- обильность и глубину залегания грунтовых вод и близкое расположение природных водоемов.
Но главное – назначение и характер эксплуатации строящегося объекта. Даже далекие от строительства люди понимают, что прочность фундамента для дома, гаража или забора будет иметь совсем разные параметры. Поэтому первое, из чего исходят при выполнении расчетов – целевое назначение сооружения, его класс ответственности и архитектурно-планировочные особенности.
Основные типы фундамента
Несмотря на различия инженерных, климатических и геологических условий в отечественном промышленном, жилищно-бытовом и частном строительстве на естественных, а также на уплотненных и искусственно закрепленных грунтовых основах создаются плиточный, столбчатый и ленточный фундамент. Причем последний вариант является самым распространенным. При проектировании его можно рассматривать как жесткую конструкцию и создавать в котлованах или полостях разной формы в любых инженерно-геологических условиях. А это существенно упрощает расчет, перед тем как купить арматуру для фундамента. Все математические вычисления можно выполнить без большого количества данных. Да и стоимость его вполне доступная, а эксплуатационные показатели довольно высокие.
Расчет толщины стержня
Конструкция ленточного фундамента проектируется на основе расчетных нагрузок, передаваемых стенами и грунтами. Расчет проводится по сечению, проходящему через край фундаментной стены. А площадь сечения арматуры рассчитывается по формуле:
- M – изгибающие моменты, возникающие в сечениях, Нм;
- Rs – сопротивление арматурной стали растяжению, МПа;
- h0n – рабочая высота сечения, м;
- 0,9 – справочный коэффициент.
Как видно, даже из упрощенного математического выражения, расчет диаметра армирующих элементов довольно сложный и выполнять его должны профильные специалисты. Но практика показывает, что в жилом и частном строительстве достаточно использовать прутки с круглым или серповидным профилем класса А-III (А-400) диаметром от 10 до 18 мм, при этом коэффициент армирования, определяющийся как отношение площади сечения закладных элементов к площади сечения фундамента, должен превышать 0,05…1,0%.
Расчет количества
Исходим из того, что рассчитывается арматура для ленточного фундамента и, значит, нам надо опираться на величину периметра сооружения. Допустим, строится дача 4 на 6 метров с фундаментным основанием глубиной 40 см. Соответственно вычисляем:
- периметр здания: P = (a + b) × 2 = (4 + 6) × 2 = 20 м;
- длину рабочих стержней из условия создания двухярусного каркаса: Lр.a. = P × 4 = 20 × 4 = 80 м;
- длину поперечных прутов: Lп.а. = 8 × 0.4 = 3.2 м;
- длину вертикальных стержней. При шаге 300 мм на сторону 4 м понадобится 11 шт, на сторону 6 м – 18 шт. Принимая ширину каркаса 35 см, получаем Lв.а. = 29 ×4 × 0.35 = 40.6 м;
- общую длину конструкционных прутов Lк.а. = 3.2 + 40.6 = 43.8 м.
Таким образом, для строительства понадобится гладких стержней 44 м. А с периодическим профилем – 80 м.
Разновидности профиля арматуры для фундамента
Выбор диаметра и формы сечения – ключевая задача, сложность которой состоит в способности учесть множественные технологические и технические требования, иногда противоречащие друг другу. Например, опытным путем было доказано, что чем чаще расположены выступы профильной поверхности, больше их пересечений с продольными ребрами и меньше радиус сопряжения, тем хуже сопротивление динамическим нагрузкам, пластичные и антикоррозионные свойства. В то же время периодический профиль улучшает сцепление с бетоном и повышает его трещиностойкость.
Соответственно, наилучшие условия совместной работы бетона и армирующих стержней будут достигнуты при использовании необходимого класса арматурной стали с оптимальным усилием сцепления и наименьшей длиной анкеровки с одновременным обеспечением необходимых механических свойств и высокого предела прочности. Поэтому стержни с гладким и периодическим профилем используются в разных сферах строительства.
Кольцевой профиль
Арматурная сталь с такой формой поверхности узнаваема по опоясывающим круглый стержень ребрам. Они отходят от продольного выступа симметрично (А-300) или асимметрично (А-400...А-1000), а в поперечном сечении они образуют характерную кольцевидную форму.
Арматурные стержни с кольцевым профилем применяются все реже. Это обусловлено снижением механических свойств из-за повышенной распорности стали в толще бетона и высокими затратами на производство. Сегодня данный профиль активно замещается более оптимальными сечениями и более дешевыми марками арматуры для фундамента, которые к тому же обеспечивают улучшенное сцепление и идентичную зону анкеровки.
Двухсторонний серповидный профиль
Переход от кольцевой формы к двухстороннему серповидному профилю позволил повысить:
- предел выносливости;
- коррозионную стойкость;
- сопротивление статическим нагрузкам.
При этом обеспечивается необходимое сцепление с бетонным раствором. Длина зоны анкеровки и передачи перенапряжений не увеличивается.
Четырехсторонний серповидный профиль
Для минимизации появления трещин и расколов в толще бетона также широко используются стержни с более мягким четырехсторонним профилем серповидной формы. Она была заимствована у производителей Европы, поэтому такой прокат часто называют «европрофилем».
При идентичных с кольцевым профилем параметрах зоны анкеровки, он обеспечивает повышенную площадь сцепления с бетоном и:
- позволяет повысить усилие преднапряжения;
- более стойко сопротивляется растяжению и сжатию;
- максимально сохраняет пластичность стальных стержней.
Способы соединения стержней арматуры
Выбор способа соединения влияет на выбор материала, ведь перед началом строительства надо четко понимать, какая арматура нужна для фундамента возводимого объекта. Если планируется применение сварки, то маркировка выбираемой стали обязательно должна иметь букву «С». В противном случае даже опытный сварщик не сможет выполнить работу. Если же вы заранее знаете, что будете использовать альтернативный способ фиксации – вязку, то можно купить металл и несвариваемый. Такое решение позволит сэкономить определенную сумму, но потребует значительных физических усилий.
Сварка
В промышленных условиях, а иногда при возведении частных домов и бытовых построек, для сборки арматурного каркаса прибегают к ручной или полуавтоматической электродуговой сварке, при этом стержни располагают внахлест, а сварочное соединение выполняют точечно.
Такой способ создания арматурного каркаса позволяет оперативно выполнить монтажную сборку. Это особенно актуально при больших масштабах работы, да и сварочное соединение отличается прочностью, жесткостью и надежностью. Но при всех достоинствах, сварка сопряжена с дополнительным термическим воздействием на металл, что негативно отражается на пластичности и отчасти на прочности стальных стержней.
Вязка
Когда сварка недоступна или нет специалиста, способного качественно выполнить точечное сварное соединение, а также в тех случаях, когда следует избегать термического воздействия на сталь, многие обыватели и профессиональные строители прибегают к вязке. Этот механический способ соединения основан на жесткой обвязке каждого места пересечения прутков вязальной проволокой.
Для обеспечения более высокой производительности сегодня этот процесс можно выполнять не с помощью грубой физической силы, а посредством специальных устройств. Тем более что современные модели прекрасно работают даже при минусовой температуре.
P.S.
Итак, теперь вы имеете базовое представление о том для чего и какую арматуру использовать для ленточного фундамента и как можно самостоятельно рассчитать ее необходимое количество. Главное, при закупке материала не забыть учесть, что он отпускается в кратных отрезках. Ну а специалисты продолжают работать над проблемой создания унифицированной арматурной стали, что поможет простому потребителю самостоятельно проектировать несложные сооружения, а строительным компаниям – повысить производительность работ и снизить нагрузку на логистику.
