Устройство бетонных и железобетонных конструкций предусматривает дополнительное укрепление за счет арматурного проката. Последний, к слову, составляет один из наиболее востребованных сегментов черной металлургии, что подтверждается его широким использованием в строительстве. Применительно к бетонным колоннам армирование играет особенно важную роль ввиду невозможности применения других опорных конструкций кроме нижнего и верхнего перекрытия. Внутреннее стержневое усиление металлическими прутьями в разных конфигурациях является оптимальным решением задачи.
Общие требования к арматуре
Для колонн может использоваться горячекатаные, термомеханически упрочненные и холоднодеформированные металлические прутья разного профиля. Диаметр в среднем варьируется от 12 до 40 мм. Если планируется задействовать холоднодеформированные стержни периодического профиля, то применяться может и небольшой диаметр на 3-12 мм. В показателях прочности на растяжение допускаются классы А и В, отвечающие гарантированным пределам по текучести с коэффициентом не меньше 0,95.
В особых случаях при армировании монолитных колонн могут предъявляться специальные требования в отношении пластичности, свариваемости, коррозийной стойкости и прочности на усталость. Как правило, это связано со спецификой применяемой бетонной смеси и цемента. Ключевое значение почти в каждом случае армирования имеет характер сцепки с бетоном. Недостаток адгезии может компенсироваться конструкцией профиля с пазами и гребнями. Те же горячекатаные и холоднодеформированные прутья могут иметь кольцевые и серповидные выступы разной величины. И напротив, многие марки бетонов с хрупкой структурой допускают использование только гладких стержней – например, класса А240. Теперь стоит перейти к более подробному рассмотрению параметров арматуры, используемой в укреплении колонн.
Длина арматуры
При закладке сборной колонны тщательно рассчитываются параметры опалубки, в которую должна органично входить и укрепляющая металлическая оснастка. Важно, чтобы окончания рабочих стержней, не соединяемых с анкерными элементами, находились на следующем расстоянии от торцевой части детали:
- 20 мм, если устраивается монолитная колонна длиной не менее 6 м.
- 15 мм, если колонна имеет длину свыше 18 м. Это же ограничение относится к мачтовым конструкциям и опорам.
- 10 мм, если закладывается сборная колонна длиной менее 18 м.
В каждом случае армирование колонны предполагает оставление части прутка, которая должна быть защищена специальными антикоррозийными средствами или дополнительно изолирована каркасной оснасткой.
Диаметр арматуры
В случае с продольными стержнями используются элементы толщиной не меньше 16 мм. Монолитные конструкции сборного типа можно укреплять и 12-миллиметровыми прутьями. Также малые диаметры допускаются при использовании арматуры из конструкционной стали с защитным покрытием. Учет диаметра важен и с точки зрения конфигурации ее размещения в теле колонны. Так, продольные прутья можно устанавливать только в один ряд и желательно с выдержкой равного диаметра. Если же планируется армирование колонны стержнями разной толщины, то максимум допускается применение двух форматов без учета конструкционной укрепляющей оснастки. Прутья разных диаметров обычно применяются в целях экономии, но при этом нельзя использовать соседние типоразмеры в одной колонне. К примеру, не допускается закладка стержней диаметром 8 и 10 мм или 10 и 12 мм.
Площадь армирования
Расчет площади выполняется по сечениям продольного армирования. В результате оценивается, какой процент сечения стержней занимают на поверхности колонны. Максимум допускается 5%, но только в случае размеренной компоновки прутьев без нахлеста. Соединение нахлестом удваивает площадь сечения арматуры в местах стыка, что не всегда позволяет выполнить корректную сборку колонны. Также следует выдерживать симметрию размещения стержней относительно площади сечения конструкции – особенно, если речь идет о будущей эксплуатации сооружения с высокой нагрузкой на изгиб. Так или иначе, оптимальный процент армирования колонны составит 2-3%. В самом сечении следует учитывать не только основу прутка, но и выступы в виде гребней.
Какой должна быть стыковка армирующих стержней?
Соединение и выпуски арматуры также определяют надежность конструкции. Уже отмечалась важная роль нахлеста, которая увеличивается при использовании монолитных колонн. При этом не стоит недооценивать влияние таких связок на структурную целостность колонны. Дело в том, что, к примеру, 25-миллиметровый прут (в диаметре) должен стыковаться с нахлестом по длине не менее 140 см. Причем если стыковка производится в разбег, то это расстояние удваивается. Поэтому рекомендуется стремиться к минимизации соединяющих узлов при армировании колонны продольными стержнями. Если дело касается больших пролетов и выполнение переходных зон неизбежно, то стыки переводятся на места изменения сечения самой колонны. Такие конфигурации встречаются в ступенчатых, двухветвевых и обрываемых конструкциях. Также в качестве альтернативы рекомендуется сварное соединение с накладками.
Промежутки между стержнями
Для начала стоит подчеркнуть значимость баланса между укрепленной массой и пустотами в теле колонны. Перенасыщенность рабочих металлических стержней ослабляет бетонную конструкцию, делая ее более чувствительной к динамическим нагрузкам. И напротив, недостаток армирующей оснастки увеличивает риски повреждения колонны при эксплуатации под статическими нагрузками. Даже если перекрытия и армированная колонна действуют друг на друга в умеренных показателях давления, то через время на ослабленных участках конструкции начнут образовываться трещины. Соблюсти баланс можно выдерживанием нормативной дистанции между арматурными прутьями в 400 мм. Если этого расстояния оказывается недостаточно по причине минимального включения щебня или камня в раствор, то большие промежутки разбавляют за счет конструкционной тонкой арматуры диаметром 12 мм.
Ограничения защитного армирующего слоя
Максимальный слой продольного армирования составляет 50 мм. В эту толщину входит и основа стержня, и его конструкционные элементы с покрытием. Возможность применения прутьев с диаметром в 40 мм при сохранении технологических 10 мм обуславливается тем, что сам армирующий слой может требовать дополнительного усиления. В частности, армирование колонн с сечением 600х800 мм предусматривает включение сварной сетки, хомутов и стяжек. Крупноформатные стержни дополнительно скрепляются между собой усиливающими связками. Причем дополнительные элементы укрепления самой арматуры не следует путать с накладками при сварке, которые выполняют ответственную конструкционную задачу соединения двух или нескольких стержней.
Главное ограничение касается толщины защитного слоя, что обусловлено пропорциональным повышением рисков растрескивания колонны в местах прохождения стержней. Напряжение, испытываемое бетонной структурой с инородными включениями, будет чрезмерно высоким и при динамических нагрузках приведет к разрушению. Данный фактор отчасти компенсируется вышеупомянутыми сетками и хомутами, но лучше всего изначально соблюсти нормы формирования армирующего слоя.
Требования к поперечному армированию
В колонных конструкциях, где расчетное поперечное усилие не может обеспечиваться только бетонной структурой, используется и поперечная арматура. Шаг при ее закладке должен составлять не больше 300 мм. Если планируется выполнять сжатое укрепление, то расчет армирования колонны по отступам делается исходя из толщины стержней – шаг должен составлять не более 15 диаметров, но укладываться в 500 мм. Что касается взаимодействий поперечной и продольной арматуры, то оно будет зависеть от сечения колонны и ее насыщения рабочими стержнями. В принципе возможны две конфигурации. В одной сопряжение не допускается, поскольку слой продольных прутьев устраивается ближе к краю, а поперечные стержни закладываются в оставленных промежутках. Во втором варианте выполняются стыки, если продольное армирование реализуется в несколько рядов от края к центральной части. В основном поперечные тонкие стержни соединяют с конструкционными прутьями диаметром не более 12 мм.
Технология армирования колонн
Способы армирования различаются по техникам вязки, подходам к устройству опалубки и конфигурациям размещения стержней. Что касается вязки, то ее можно выполнять с помощью проволоки или сварным способом. В первом случае рекомендуется использовать вязальный строительный пистолет для арматуры, а во втором – инверторный сварочный аппарат для точного соединения. На этом этапе формируется каркас. Конфигурация армирования под колонны может быть разной в зависимости от характеристик конструкции. Оптимально использовать комбинированный вариант с применением продольного и поперечного армирования, при котором будет реализована и смежная вязка двух каркасов. Опалубочная конструкция устраивается с помощью формовочных заготовок, в которые погружают подготовленный металлический скелет и в дальнейшем заливают его бетоном. Различия в методах создания опалубки сводятся к типу используемого материала – древесины, пенополистирола или комбинированных волокнистых материалов. В этом выборе главное условие заключается в возможностях сочетания арматуры и опалубки по массе и техническим нагрузкам в целом.
Армирование фундаментов колонн
Строительные колонны устанавливаются на фундаменте, так называемом несущем стакане, который тоже подвергается усилению. Для формирования части конструкционной подошвы используют марки тяжелого бетона с высоким классом прочности. Армирование стакана выполняется горячекатаными стержнями с периодическим профилем. Ключевое значение при армировании фундамента под колонну будет иметь узел сопряжения прутьев подошвы с элементами основного продольного усиления. Для этой связки в месте перехода от подошвы к стволу колонны используется приварка прутьев с шайбами к скелету из горячекатаных стержней стакана. Сложность заключается лишь в правильном переходе от одного уровня к другому с соблюдением симметрии укрепляющих контуров.
Особенности спирального армирования
Наиболее сложным, с точки зрения устройства прутьев, является усиление колонн с круглым сечением. Проблема заключается в усложнении конфигурации армирующего слоя, которое требует дополнительной поддержки. В таких системах применяют косвенное укрепление спиральными металлическими прутьями. Особенности армирования круглых колонн выражается в том, что продольные стержни дополнительно обвиваются по периметру витками накладной проволоки. Диаметр спирали при этом составляет не более 20 см.
Армирование консолей колонн
По причине отсутствия возможностей установки опор для колонны строители часто используют консольные выступы как элемент усиления конструкции. Устанавливать такие части рекомендуется на стальном армирующем каркасе, который может входить в верхнее перекрытие или в нижний фундамент. Консоли усиливаются металлическими стержнями малого диаметра, хомутами и сварной сеткой в зависимости от параметров конструкции. Наибольшего эффекта укрепления колонн в составе с консолями удается достичь при однородной связке перекрытия, основного каркаса ствола и подошвы.
Заключение
Особенности применения армирования под колонны обуславливаются конструкционной изоляцией данной части сооружения. Разумеется, оба перекрытия с верхней и нижней части обеспечивают необходимую поддержку, но избыточное давление с нагрузкой может негативно сказаться непосредственно на структуре колонны. Именно для предотвращения внутренних процессов разрушения используют продольную и поперечную арматуру. При этом требования дают немалую свободу проектировщикам и в выборе стержней, и в конфигурациях их закладки. Принципиальные ограничения касаются в основном подбора материалов, назначения размеров и способов установки каркаса.
