Арматура для фундаменту: типи, характеристики, розрахунок

Ось уже багато століть людство використовує бетон для будівництва самих різних будівель і споруд. Але тільки на початку XIX століття, з метою посилення, стала використовуватися арматура для фундаменту. Такий новаторський крок був обумовлений часом - підвищувався рівень життя людей, і було потрібно більш дешеве і просте рішення по зміцненню бетону, адже володіючи високою міцністю, хорошою водостійкістю і морозостійкістю, цей штучний камінь може давати тріщини при розтягуючому і стискаючому впливі.

Процеси руйнування та деформації найбільш активно проявляються в фундаментах, адже на них впливають ґрунти при зимовому обдиманні і критичні вагові навантаження, значення яких можуть відрізнятися в залежності від архітектурно-планувальних рішень. Армування сталевими прутами дозволило мінімізувати габарити фундаментних підстав і скоротити терміни і обсяги будівельних робіт. Експериментуючи з формою перетинів, інженери стохастичним шляхом з'ясували яку арматуру використовувати для фундаменту певного типу і сьогодні цей металопрокат проводиться у великій номенклатурі.

Арматура: основні види

У сучасному будівництві використовується арматурна сталь з гладким і періодичним профілем. З огляду на варіативність застосування, в цілому її класифікують відразу за кількома ознаками.

За призначенням

• Робоча. Саме вона розрахована на сприйняття основного навантаження на несучий елемент і тому має періодичний профіль, так як в цьому випадку більше площа і відповідно збільшується поверхня зчеплення з бетоном.
• Розподільна. Її також називають конструктивною, так як вона забезпечує рівномірний розподіл сил між робочими стрижнями, сприймає температурне розширення і усадочні деформації.
• Монтажна. Використовується виключно для фіксації робочих армуючих прутків в сітках або каркасах.

Форма перетину і діаметр робочих і розподільних прутків вибираються на основі фізико-математичних розрахунків. Довільний вибір або необгрунтована заміна можуть привести або до подорожчання проекту, або до недостатньої міцності фундаменту. Монтажний арматурний металопрокат, як правило, гладкий і не більше 8 мм в діаметрі.

За орієнтацією

Цей принцип класифікації заснований на просторовому положенні армуючих прутків в тілі будівельної конструкції. З огляду на, специфіку створення несучих елементів арматура в фундаменті буває:

• Поздовжня. Її стрижні розташовують під нульовим або під невеликим кутом до лінії горизонту. При цьому, сприймаючи розтягуютчи напруги, вона попереджає появі тріщин і розломів в зоні згинальних моментів.
• Поперечна. Використовується в якості монтажної бази для поздовжніх арматурних прутків і розташовується перпендикулярно по відношенню до них. Сприймаючи вплив поперечних сил, запобігає випинанню окремих стрижнів.
• Вертикальна. Виступає зв'язком при створенні декількох поздовжніх рівнів, відчуває на собі вертикальні складові впливаючих сил.

За умовами застосування

Залежно від початкового напруженого стану армируючий металопрокат може бути напруженим і ненапруженим. Напружений стан арматурної сталі визначається конструктивно-технологічними факторами, наприклад, міцністю і упругопластічністю бетону, технологією виготовлення і відсотком армування, характером впливаючих сил. Відповідно, ще на стадії проектування слід визначити, яка арматура потрібна для фундаменту:

• Напружена (попередньо зміцнена витяжкою або методом термомеханічного зміцнення). Виконує функцію носія зовнішньої сили обтиску перетину і працює з бетоном, сприймаючи додатково до попереднього напруження розтягування і стиснення, що виникають в бетоні.
• Ненапружена. Відчуває напруги, викликані деформаціями звичайного бетону. Найчастіше застосовується у вигляді арматурних каркасів і сіток. У стислій зоні використовується як монтажна.

Арматура для фундаменту

Сталеві армуючі елементи - найважливіша складова частина залізобетонної конструкції будь-якого фундаменту. Вони повинні працювати спільно з бетоном на протязі всього терміну експлуатації об'єкту, що будується і:

• мати достатню міцність і пластичність незалежно від тривалості впливу навантажень, корозійних чинників і знакозмінних перепадів температур;
• мати поліпшену адгезію поверхні і забезпечувати надійне зчеплення з бетоном;
• бути простими і технологічними в застосуванні.

Діаметр, розмір і основні властивості арматури для фундаменту

Арматурна сталь виробляється діаметром 4,0...40,0 мм з гладким і періодичним профілем в бунтах й в стрижнях мірної та немірної довжині (в основному, довжиной 6...12 м). Номенклатурний ряд діаметром від 6,0 до 14,0 мм - оптимальний розмір для приватних і малоповерхових будівель, в висотному будівництві й промисловості затребувани діаметри аж до 32,0 мм, а для об'єктів підвищеної відповідальності може застосовуватися максимальний діаметр.

Арматура під фундамент оцінюється за основними характеристиками:

• стійкість до корозійного розтріскування. Наприклад, при випробуванні в амонієвому розчині стрижні ø 12 мм повинні витримувати близько 20 год, ø 12...25 мм - до 60 год, а стрижні ø 25 мм і більше - не менше 100 год;
• механічні властивості: умовна межа плинності, тимчасовий опір, відносне подовження після розриву і відносне звуження;
• динамічна міцність при тривалих і короткочасних стискаючих і розтягуючих навантаженнях;
• зварюваність і здатність створювати пластичні зварні з'єднання;
• властивості повзучості і релаксації;
• ударна в'язкість;
• холодноламкість.

Класи арматури для фундаменту

Сортамент арматурної сталі у стандартах СНГ маркується літерою «А» і класифікують за механічною міцностю на:

• клас А-I (А-240). Виготовляється з марок сталі Ст3 різного ступеня розкислення і тільки з гладким профілем;
• класи А-II...А-VI (А-300...А-1000). Виготовляються з періодичним профілем з вуглецевих та низьколегованих сталей, хімічний склад яких визначається відповідним стандартом. 

При цьому арматура на фундамент може мати додаткові символи в маркуванні. Так, літера «С» вказує на те що, металопрокат відноситься до зварювальних матеріалів, буква «К» підтверджує, що сталь є стійкою до корозійного розтріскування. Комбінація «СК» говорить про те, що арматурна сталь має здатніть до зварювання, і є корозійностійкою. Відсутність перерахованих вище символів означає, що прокат має типові якості і призначений для спорудження звичайних залізобетонних конструкцій.

Як правильно розрахувати параметри арматури для фундаменту

Як несуча основа, фундаменти сприймають і передають на грунтову основу навантаження від будівель, технічних споруд і інших конструкцій. Проектування їх проводиться згідно з діючими будівельними нормами і правилами та враховує:

• особливості рельєфу;
• фізико-механічні властивості і пучинистість ґрунтових шарів;
• обільність й глибину залягання грунтових вод і близьке розташування природних водойм.

Але головне - призначення і характер експлуатації об'єкту, що будується. Навіть далекі від будівництва люди розуміють, що міцність фундаменту для будинку, гаража або забору буде мати зовсім різні параметри. Тому перше з чого виходять при виконанні розрахунків - цільове призначення споруди, його клас відповідальності і архітектурно-планувальні особливості. 

Основні типи фундаменту

Незважаючи на відмінності інженерних, кліматичних і геологічних умов у вітчизняному промисловому, житлово-побутовому та приватному будівництві на природних, а також на ущільнених і штучно закріплених ґрунтових основах створюються плитковий, стовпчастий і стрічковий фундамент. Причому останній варіант є найпоширенішим. При проектуванні його можна розглядати як жорстку конструкцію і створювати в котлованах або порожнинах різної форми в будь-яких інженерно-геологічних умовах. А це суттєво спрощує розрахунок, перед тим як купити арматуру для фундаменту. Всі математичні обчислення можна виконати без великої кількості даних. Та й вартість його цілком доступна, а експлуатаційні показники досить високі.

Розрахунок товщини стрижня

Конструкція стрічкового фундаменту проектується на основі розрахункових навантажень, що передаються стінами і ґрунтами. Розрахунок проводиться по перетину, що проходить через край фундаментної стіни. А площа перерізу арматури розраховується за формулою: 

• M - згинальні моменти, що виникають в перетинах, Нм;
• Rs - опір арматурної сталі розтягуванню, МПа;
• h0n - робоча висота перерізу, м;
• 0,9 - довідковий коефіцієнт.

Як видно, навіть з спрощеного математичного виразу, розрахунок діаметра армуючих елементів досить складний і виконувати його повинні профільні фахівці. Але практика показує, що в житловому і приватному будівництві досить використовувати прутки з круглим або серповидним профілем класу А-III (А-400) діаметром від 10 до 18 мм, при цьому коефіцієнт армування, який визначається як відношення площі перетину заставних елементів до площі перетину фундаменту, повинен перевищувати 0,05 ... 1,0%.

Розрахунок кількості

Виходимо з того, що розраховується арматура для стрічкового фундаменту, отже, нам треба спиратися на величину периметра споруди. Припустимо, будується дача 4 на 6 метрів з фундаментною основою глибиною 40 см. Відповідно обчислюємо: 

• периметр будівлі: P = (a + b) × 2 = (4 + 6) × 2 = 20 м;
• довжину робочих стрижнів з умови створення двохярусного каркаса: Lр.a. = P × 4 = 20 × 4 = 80 м;
• довжину поперечних прутів: Lп.а. = 8 × 0.4 = 3.2 м;
• довжину вертикальних стрижнів. При кроці 300 мм на сторону 4 м знадобиться 11 шт, на сторону 6 м - 18 шт. Беручи ширину каркаса 35 см, отримуємо Lв.а. = 29 × 4 × 0.35 = 40.6 м;
• загальну довжину конструкційних прутів Lк.а. = 3.2 + 40.6 = 43.8 м.

Таким чином, для будівництва знадобиться гладких стрижнів 44 м. А з періодичним профілем - 80 м.

Різновиди профілю арматури для фундаменту

Вибір діаметра і форми перетину - ключове завдання, складність якого полягає в здатності врахувати множинні технологічні і технічні вимоги, що іноді суперечать один одному. Наприклад, досвідченим шляхом було доведено, що чим частіше розташовані виступи профільної поверхні, більше їх перетинів з поздовжніми ребрами і менше радіус сполучення, тим гірше опір динамічним навантаженням, пластичні та антикорозійні властивості. У той же час періодичний профіль поліпшує зчеплення з бетоном і підвищує його тріщиностійкість.

Відповідно, найкращі умови спільної роботи бетону та армуючих стрижнів будуть досягнуті при використанні необхідного класу арматурної сталі з оптимальним зусиллям зчеплення і найменшою довжиною анкерування з одночасним забезпеченням необхідних механічних властивостей і високої межі міцності. Тому стрижні з гладким і періодичним профілем використовуються в різних сферах будівництва. 

Кільцевій профіль

Арматурна сталь з такою формою поверхні пізнавана по оперізувальним круглий стрижень ребрах. Вони відходять від поздовжнього виступу симетрично (А-300) або асиметрично (А-400...А-1000), а в поперечному перерізі вони утворюють характерну кільцеподібну форму.

Арматурні стержні з кільцевим профілем застосовуються все рідше. Це обумовлено зниженням механічних властивостей через підвищену розпірність сталі в товщі бетону і високими витратами на виробництво. Сьогодні даний профіль активно заміщається більш оптимальними перетинами й більш дешевими марками арматури для фундаменту, які до того ж забезпечують поліпшене зчеплення і ідентичну зону анкерування.

Двосторонній серповидний профіль

Перехід від кільцевої форми до двостороннього серповидного профілю дозволив підвищити:

• межу витривалості;
• корозійну стійкість;
• опір статичним навантаженням.

При цьому забезпечується необхідне зчеплення з бетонним розчином. Довжина зони анкерування та передачі перенапруг не збільшується. 

Чотиристоронній серповидний профіль

Для мінімізації появи тріщин і розколів в товщі бетону також широко використовуються стрижні з більш м'яким чотиристороннім профілем серповидної форми. Вона була запозичена у виробників Європи, тому такий прокат часто називають «ЄВРОПРОФІЛЬ».

При ідентичних з кільцевих профілем параметрах зони анкерування, він забезпечує підвищену площу зчеплення з бетоном і:

• дозволяє підвищити зусилля попереднього напруження;
• більш стійко чинить опір розтягування і стиснення;
• максимально зберігає пластичність сталевих стрижнів. 

Способи з'єднання стрижнів арматури

Вибір способу з'єднання впливає на вибір матеріалу, адже перед початком будівництва треба чітко розуміти, яка арматура потрібна для фундаменту споруджуваного об'єкта. Якщо планується застосування зварювання, то маркування обраної сталі обов'язково повинно мати букву «С». В іншому випадку навіть досвідчений зварник не зможе виконати роботу. Якщо ж ви заздалегідь знаєте, що будете використовувати альтернативний спосіб фіксації - в'язку, то можна купити метал, що не піддається зварюванню. Таке рішення дозволить заощадити певну суму, але потребуює значних фізичних зусиль.

Зварювання

У промислових умовах, а іноді при зведенні приватних будинків і побутових будівель, для складання арматурного каркаса вдаються до ручного або напівавтоматичного електродугового зварювання, при цьому стрижні розташовують внахлест, а зварювальне з'єднання виконують точково. 

Такий спосіб створення арматурного каркаса дозволяє оперативно виконати монтажну збірку. Це особливо актуально при великих масштабах роботи, та й зварювальне з'єднання відрізняється міцністю, жорсткістю і надійністю. Але при всіх перевагах, зварка пов'язана з додатковим термічним впливом на метал, що негативно відбивається на пластичності і частково на міцності сталевих стрижнів. 

В'язка

Коли зварювання недоступне чи немає фахівця, здатного якісно виконати точкове зварне з'єднання, а також в тих випадках, коли слід уникати термічного впливу на сталь, багато обивателів і професійні будівельники вдаються до в'язки. Цей механічний спосіб з'єднання заснований на жорсткій обв'язки кожного місця перетину прутків в'язанням дротом.

Для забезпечення більш високої продуктивності сьогодні цей процес можна виконувати не за допомогою грубої фізичної сили, а за допомогою спеціальних пристроїв. Тим більше що сучасні моделі прекрасно працюють навіть при мінусовій температурі. 

P.S.

Отже, тепер ви маєте базове уявлення про те для чого і яку арматуру використовувати для стрічкового фундаменту і як можна самостійно розрахувати її необхідну кількість. Головне, при закупівлі матеріалу не забути врахувати, що він відпускається в кратних відрізках. Ну а фахівці продовжують працювати над проблемою створення уніфікованої арматурної сталі, що допоможе простому споживачеві самостійно проектувати нескладні споруди, а будівельним компаніям - підвищити продуктивність робіт і знизити навантаження на логістику.