Расчёт арматуры

Появление в XIX веке железобетона совершило значительный прорыв в строительной отрасли. Идея вводить в состав конструкции металлические стержни позволила уменьшить размер и массу несущих элементов здания, одновременно повысив их несущую способность и прочие прочностные характеристики. Потребность наличия арматуры обусловлена одним негативным свойством бетона – при отличном восприятии сжимающих нагрузок он очень плохо работает при растяжении и легко разрушается. Сталь же в свою очередь растягивающие нагрузки воспринимает очень хорошо, помогая бетону не трескаться в зоне растяжения железобетонного элемента. Сегодня мы подробнее поговорим о том, как сделать расчёт арматуры для бетонных конструкций.

Многочисленные опыты и эксперименты, проведённые в разное время и разными учёными показали: армированные железобетонные изделия, в зависимости от расположения арматуры в массиве конструктивного элемента, количества стержней, их диаметра и взаимного расположения, ведут себя при воздействии нагрузок не одинаково. Из этого следует, что все вышеперечисленные параметры необходимо определять при помощи расчёта.

Интересный факт: первый патент на бетонное изделие, усиленное стальными стержнями, был получен в 1867 году Жозефом Монье. Однако доподлинно известно, что ещё в 1802 году русские зодчие усиливали железными стержнями известковобетонные перекрытия Царскосельского дворца. В дальнейшем варианты армирования бетонных конструкций изучали и применяли при возведении зданий и сооружений практически во всех странах Европы.

В современном строительстве армирование получило применение при изготовлении практически всех ответственных конструкций:

• Фундаментов;
• Стеновых панелей;
• Плит перекрытия и покрытия;
• При возведении монолитных сооружений;
• Элементов конструкций мостов и тоннелей;
• При устройстве дорожного полотна.

В процессе изучения принципов работы арматуры в составе железобетонной конструкции, внешний вид и прочностные характеристики используемых металлических стержней постепенно изменялись. В настоящее время арматура представляет из себя хлысты, имеющие на своей поверхности насечки для лучшего сцепления с бетонным камнем и обеспечения совместной работы всей конструкции под воздействием нагрузок. Арматурная проволока и прутки малых диаметров гладкие и не имеют периодического сечения. Материал, из которого изготовлена арматура, тоже может значительно различаться — научные достижения позволили использовать для армирования не только металл, но и композитные материалы – волокна стекла или базальта, пропитанные связующими материалами на основе смол. Более подробно о том, что такое арматура и как с ней работать Вы можете прочитать в статье: арматура — что это такое, виды и характеристики арматура, использование строительной арматуры.

Расчёт арматуры

Расчёт количества и вида арматурных стержней, размера их поперечного сечения и взаиморасположения в массиве бетона является сложной инженерной задачей и должен учитывать множество параметров:
• Величину и характер нагрузок, действующих на конструктивный элемент здания или сооружения (сжимающие или изгибающие нагрузки, воздействие вибрации, порывов ветра или ударов волн). На основании анализа этих показателей выделяют три основных вида конструкций – изгибаемые (балки или плиты), сжимаемые (колонны) и растягиваемые (элементы ферм);
• Особенности и условия работы элемента под нагрузкой;
• Наличие агрессивных сред или иных мер воздействия, действующих на конструкцию (кислот или щелочей; высоких или низких температур).

Самостоятельное проектирование арматуры в любого вида ответственных конструктивных элементах является трудоёмкой задачей. Такими видами расчётов занимаются опытные сотрудники организаций, специализирующихся на разработке проектов зданий из сборного или монолитного железобетона. В этом случае получают оптимальный расчёт арматуры. При самостоятельном расчёте можно добиться необходимых характеристик конструкции, при этом расход арматуры может получиться несколько больше оптимального.

Чтобы оценить примерное количество арматуры без сложных расчётов, можно воспользоваться данными по среднему расходу арматуры на куб бетона для основных типов фундамента. Такая информация представлена в статье: расход арматуры на 1 кубический метр бетона.

Для малоэтажного частного домостроения существует несколько методов приблизительной оценки количества и размера сечения арматурных стержней в тех или иных конструктивных частях здания. Рассмотрим их подробнее.

Расчёт арматуры в ленточном монолитном фундаменте

Перед началом данного расчёта необходимо провести сбор нагрузок от здания для определения ширины подошвы будущей конструкции. Далее рассчитывается сам фундамент. В первую очередь нужно определиться с размерами фундамента: его шириной и высотой. Узнать как сделать расчёт фундамента Вы можете на странице: технология строительства фундамента, выбор его конструкции и проектирование фундамента.

Основным документом для расчёта железобетонных изделий является СНиП 52-01-2003, который в частности указывает на минимально допустимое количество рабочей арматуры в размере 0,1% от общей площади поперечного сечения фундамента.

Арматура в железобетонных изделиях подразделяется на рабочую и конструктивную. Рабочей называется арматура, воспринимающая основные нагрузки в рассчитываемом элементе. Конструктивной – стержни для соединения в сетку или каркас рабочих арматурных хлыстов. В случае с ленточным фундаментом рабочей арматурой будут пруты, расположенные вдоль периметра конструкции.

Взяв для примера фундамент сечением 40х100 см. получаем:

• Площадь сечения фундамента 4000 кв. см.;
• Минимальное сечение прутов рабочей арматуры 4 кв.см., что равно 0.1% от площади сечения фундамента.

Подобрать диаметр и количество арматурных стержней можно по следующей таблице:

Диа- метр, мм	Число стержней									Масса, 1 пог. м., кг
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Площадь поперечного сечения, кв.см.
3	0,071	0,141	0,212	0,283	0,353	0,424	0,5	0,565	0,636	0,052
4	0,126	0,25	0,88	0,5	0,68	0,75	0,88	1	1,18	0,092
5	0,196	0,39	0,59	0,79	0,98	1,18	1,38	1,57	1,77	0,154
6	0,283	0,57	0,85	1,13	1,42	1,7	1,98	2,26	2,55	0,222
7	0,385	0,77	1,15	1,54	1,92	2,31	2,69	3,08	3,46	0,302
8	0,503	1,01	1,51	2,01	2,52	3,02	3,52	4,02	4,58	0,395
9	0,636	1,27	1,91	2,54	3,18	3,82	4,45	5,09	5,72	0,499
10	0,785	1,57	2,36	3,14	3,93	4,71	5,5	6,28	7,07	0,617
12	1,131	2,26	3,39	4,52	5,65	6,78	7,91	9,04	10,17	0,888
14	1,539	3,08	4,61	6,15	7,69	9,23	10,77	12,3	13,87	1,208
16	2,011	4,02	6,03	8,04	10,05	12,06	14,07	16,08	18,09	1,578
18	2,545	5,09	7,63	10,17	12,7	15,26	17,8	20,36	22,9	1,998
20	3,142	6,28	9,41	12,56	15,7	18,84	22	25,13	28,27	2,465
22	3,801	7,6	11,4	15,2	19	22,81	26,61	30,41	34,21	2,984
25	4,909	9,82	14,73	19,64	24,54	29,45	34,36	39,27	44,18	3,85
28	6,153	12,32	18,47	24,63	30,79	36,95	43,1	49,26	55,42	4,83
32	8,043	16,09	24,18	32,17	40,21	48,26	56,3	64,34	72,38	6,31
36	10,179	20,36	30,54	40,72	50,89	61,07	71,25	81,43	91,61	7,99
40	12,561	25,13	37,7	50,27	62,83	75,4	87,96	100,53	113,1	9,865
45	15,904	31,81	47,71	63,62	79,52	95,42	111,33	127,33	143,13	12,49
50	19,635	39,27	58,91	78,54	98,18	117,81	137,45	157,08	176,72	15,41
55	23,76	47,52	71,28	95,04	118,8	142,56	166,32	190,08	213,84	18,65
60	28,27	56,54	84,81	113,08	141,35	169,62	197,89	226,16	254,43	22,19
70	38,48	76,96	115,44	153,92	192,4	220,88	269,36	307,84	346,32	30,21
80	50,27	100,54	150,81	201,08	251,35	301,62	351,89	402,16	452,43	39,46

Далее следует рассчитать необходимое количество стержней рабочей арматуры. При длине стороны конструкции свыше 3000 мм. используют арматуру диаметром от 12 мм. и выше, а каркас должен состоять из 4 прутов, по два рабочих стержня на разных уровнях. В качестве конструктивных поперечных стержней при высоте ленты фундамента менее 800 мм. допускается использовать прутки диаметром не менее 6 мм, при более 800 мм. высоты – 8 мм. и выше. Стержни конструктивной арматуры должны иметь выпуски с каждой стороны порядка 25 мм. для облегчения крепления и обеспечения защитного слоя бетона для рабочих хлыстов в процессе заливки конструкции. Коме того для создания защитного слоя бетона можно использовать специальные пластиковые фиксаторы. Подробнее о том, что такое защитный слой и арматурные фиксаторы Вы можете прочитать в специальной статье: фиксаторы для арматуры — что это такое, их виды, характеристики и применение.

Шаг поперечных стержней принимается обычно 300 – 600 мм. в зависимости от габаритов ленточного фундамента. Для деревянных домов с мелкозаглубленным фундаментом вполне сгодится шаг 600 мм., для габаритных конструкций он должен быть меньше с целью избежать расползания рабочей арматуры под давлением массы заливаемого бетона. Между собой арматуру соединяют либо с помощью вязальной проволоки (она же катанка) или сваркой, данный момент для частного дома не важен и зависит лишь от технических возможностей мастера.

Подсчёт объёмов арматуры не менее важен, хотя и значительно проще, чем расчёт её сечения. Ошибка в количестве закупленного материала может привести к весьма ощутимым затратам. Количество рабочей арматуры получают методом перемножения количества стержней в каркасе на периметр фундаментной ленты, конструктивной – перемножением суммы длин вертикальных и поперечных стержней на длину периметра с последующим делением полученного результата на величину шага прутков и прибавлением единицы.

При проведении любых вычислений нужно соблюдать соответствие единиц измерений. Нельзя, к примеру, складывать, перемножать и делить между собой метры и сантиметры.
Если в месте покупки арматура продаётся не по метражу, а по массе, то в приведённой выше таблице в последнем столбце приведён примерный вес погонного метра стержней согласно им диаметрам.

Проектирование армирования в монолитном плитном фундаменте

Производится по той же методике и с помощью значений той же таблицы, что и для ленточных фундаментов, за исключением нескольких нюансов, которые нужно обязательно учитывать:
• Монолитные плиты армируются каркасом из двух арматурных сеток, все стержни в которых являются рабочими;
• Для определения минимальной площади рабочих продольно и поперечно лежащих стержней необходимо принимать во внимание соответствующие им площади сечения фундаментной плиты.
• Для заливки плит не используется рабочая арматура диаметром менее 12 мм., а конструктивная вертикальная – менее 6 мм.;
• Шаг рабочих стержней в сетке составляет обычно 20х20 см.
• Толщина заливаемой плиты напрямую зависит от передаваемой на неё нагрузки от здания, но не рекомендуется изготавливать такой фундамент толщиной менее 20 см. Обычная для среднего размера частных домов толщина плитного фундамента – 25-30 см.;
• При подсчёте объёмов закупаемого материала необходимо учесть длины арматурных выпусков для последующей заливки стен подвала;

• Крепление стержней между собой лучше проводить при помощи вязальной проволоки, что обеспечивает уверенную совместную работу арматурных стержней и бетона как в продольном, так и поперечном направлении.
• Арматурный каркас нужно собирать с учётом обеспечения защитного слоя бетона толщиной не менее 25 мм. сверху и снизу. Несоблюдение этого правила может вылиться в коррозию арматуры под воздействием грунтовых вод.

Расчёт арматуры в столбчатом фундаменте

Фундаменты такого типа армируются, в зависимости от выбранного вида конструкции, либо одним каркасом из вертикальных рабочих стержней, либо с добавлением к каркасу горизонтальной опорной сетки.

В качестве рабочей арматуры используют пруты периодического сечения класса АIII диаметром 10-12 мм., в качестве конструктивной – гладкую проволоку диаметром порядка 6 мм. Площадь подошвы столбчатого фундамента, глубина его заложения и количество столбов зависят от вида грунтов, конструктивного решения постройки и величины передаваемой на грунт нагрузки от здания.

Обычно для армирования каркаса достаточно четырёх вертикальных прутков, связанных по вертикали проволокой с шагом 200 мм. В случае же с добавлением сетки подошвы фундамента, её изготавливают из арматуры класса AIII с размером ячейки 20х20 см. Такой относительно некрупный шаг рабочей арматуры обусловлен необходимостью предотвратить продавливание подошвы фундамента его верхней столбчатой частью под воздействием нагрузок. Сетка и вертикальный каркас соединяются между собой гладкой проволокой диаметром 6-8 мм.

При монтаже каркаса в опалубку нельзя забывать о необходимости устройства защитного слоя бетона порядка 25 мм. для обеспечения долговечности конструкции.

Подсчёт необходимого объёма материала прост – количество потребной на один каркас арматуры умножают на количество столбов.

Армирование плит перекрытия

Плиты перекрытия, изготавливаемые на заводах ЖБИ, имеют типовые размеры и определённую расчётом несущую способность. Армирование таких плит производится арматурными сетками и закладными деталями согласно проекту, разработанному специализированными организациями. Параметры плит указываются продавцом и подбираются исходя из требуемых показателей для отдельно взятого здания.

Самостоятельное изготовление монолитной железобетонной плиты не представляется возможным в виду сложности проведения расчётов самой конструкции и опалубки, потребности использования в процессе изготовления тяжёлых строительных механизмов и приспособлений. Небольшая ошибка в расчётах может привести к авариям или разрушению здания, что чревато созданию опасности жизни и здоровью человека. Поэтому за производством подобного вида работ необходимо в обязательном порядке обратиться к специалистам.

Расчёт композитной арматуры

Арматура из композитных материалов начала использоваться в строительной области России относительно недавно, поэтому следует затронуть некоторые нюансы, касающиеся этого материала. В виду использования при изготовлении волокон стекла или базальта, данный армирующий материал имеет значительные отличия от классической стальной арматуры по прочности в сторону положительных качеств. Наглядно оценить разницу можно из расположенной ниже таблицы.

Характеристика	Стальная арматура класса АIII	Композитная арматура
Замена диаметра арматуры при равных прочностных характеристиках, мм.	8	4
	10	6
	12	8
	14	10
	16	12
	18	14
	20	16

Подробнее о том что такое композитная арматура а также о методах работы с ней Вы можете в статье: композитная арматура, виды, характеристики, использование.

Исходя из этих данных, при использовании композитных армирующих стержней необходимо производить корректировку диаметров рабочей арматуры. Это означает, что проводить расчёт армирования конструкций можно для стальной арматуры, а затем изменять полученные диаметры стержней согласно приведённым в таблице данным.

Во всём остальном использование композитной арматуры ничем не отличается от стандартных стальных прутков.

Проведение работ по армированию и последующей заливке монолитных строительных конструкций требует от мастера наличия определённых навыков. При сомнении в своих силах лучше обратиться к опытным специалистам, это сэкономит время и деньги в случае возможных переделок при возможных ошибках начинающего мастера, а так же убережёт от появления возможных аварийных ситуаций.