Основные положения конструирования элементов железобетонных конструкций

Для обеспечения несущей способности, пригодности к нормальной эксплуатации и долговечности бетонных и железобетонных конструкций помимо требований, определяемых расчетом, следует выполнять конструктивные требования:
по геометрическим размерам элементов конструкций;
по армированию;
по защите конструкций от неблагоприятного влияния воздействий среды.

Подбираются следующие параметры конструкций
по геометрическим размерам
высота и ширина сечения элемента;
по армированию
процент армирования
диаметр и расположение арматуры
толщина защитного слоя бетона
длина анкеровки
длина стыковки арматуры
по защите от неблагоприятного влияния воздействий среды
толщина защитного слоя бетона

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ

Минимальные геометрические размеры
назначают такими, чтобы обеспечивать:
возможность надлежащего размещения арматуры (расстояния между стержнями, защитный слой бетона и т.д.), ее анкеровки и совместной работы с бетоном;
достаточную жесткость конструкций;
необходимую огнестойкость, водонепроницаемость конструкций, тепло- и звукоизоляцию, коррозионную стойкость, радиационную защиту и т.п.;
возможность качественного изготовления при бетонировании конструкций,

Минимальная высота балок и плит из условия обеспечения жесткости
Высота балок принимается кратной 50 мм, при высоте свыше 600 мм – кратной 100 мм,
Толщина плит – кратной 10 мм.

Ширина сечения балок
В тонкостенных конструкциях толщина ребра балки может составить 1/5 высоты сечения
b= (0,3 – 0,5) h
принимают 100, 120, 150, 200, 220, 250 и далее кратно 50 мм;
Таблица подбора сечений балок

Внецентренно сжатые элементы
Размеры сечения для обеспечения жесткости принимают такими, чтобы их гибкость λ в любом направлении не превышала:
200 — для железобетонных элементов;
120 — для колонн, являющихся элементами зданий;
90 — для бетонных элементов.
Гибкость
λ = l0/I
L0 – расчетная длина элемента;
i - радиус инерции.

АРМИРОВАНИЕ

Защитный слой бетона

Назначение
Арматура, расположенная внутри сечения конструкции, должна иметь защитный слой бетона al (расстояние от поверхности арматуры до соответствующей грани конструкций), чтобы обеспечивать:
совместную работу арматуры с бетоном;
анкеровку арматуры в бетоне и возможность устройства стыков арматурных элементов;
сохранность арматуры от воздействий окружающей среды (в том числе при наличии агрессивных воздействий);
огнестойкость и огнесохранность.

Толщина защитного слоя бетона
Минимальная толщина
Величину аl уменьшают на 5 мм:
- в сборных элементах;
- для конструктивной арматуры.
Во всех случаях принимают аl ≥ ds
Максимальная толщина
Для растянутой рабочей арматуры аl ≤ 50 мм

Обеспечение толщины защитного слоя бетона инвентарными фиксаторами на горизонтальной и вертикальной поверхностях

Продольное армирование

Площадь сечения арматуры
Площадь сечения арматуры определяется процентом армирования μs,min (отношением площади сечения арматуры к площади рабочего сечения бетона в процентах)

Диаметр арматуры
Минимальный диаметр
Плиты – не ограничивается;
Балки и ребра ds ≥ 10 мм, монолитные при h ≥ 400 мм ds ≥ 12 мм;
Колонны
монолитные ds ≥ 12 мм;
любые, при меньшем размере стороны h,b ≥ 250 мм ds ≥ 16 мм.
Стены ds ≥ 8 мм;

Для промежуточных значений λ , μs,min определяют по интерполяции.
Минимальный процент армирования μs,min Для продольной расчетной растянутой и сжатой арматуры принимают не менее:

В элементах с продольной арматурой, расположенной равномерно по контуру сечения, минимальную площадь сечения всей продольной арматуры As,tot принимают вдвое больше указанных выше значений и относят их к полной площади сечения бетона
.
μs = (As,tot/(bh))100% ≥ 2μs,min
As,tot

При b > 150 число продольных стержней (каркасов) должно быть не менее двух.
При b ≤ 150 допускается устанавливать 1 продольный стержень (каркас).

Минимальные расстояния между стержнями арматуры
принимают такими, чтобы обеспечить:
совместную работу арматуры с бетоном;
качественное изготовление конструкций, связанное с укладкой и уплотнением бетонной смеси.

Принимают не менее для балок и плит e ≥:
25 мм — для нижней арматуры, расположенной в один или два ряда;
30 мм — для верхней арматуры;
50 мм — то же, при расположении нижней арматуры более чем в два ряда (кроме стержней двух нижних рядов).
Для колонн e ≥ 50 мм
Во всех случаях принимают e ≥ ds
Стержни располагают равномерно по ширине балки не более, чем в три ряда

При расположении стержней группами — пучками (без зазора между ними) расстояния в свету между пучками должны быть не менее приведенного диаметра стержня, эквивалентного по площади сечения пучка арматуры
e ≥ ds,red
dsi — диаметр одного стержня в пучке;
n — число стержней в пучке.

Максимальное расстояние между осями стержней продольной арматуры
Устанавливается из условия обеспечения:
эффективное вовлечение арматуры в работу бетона;
равномерное распределение напряжений и деформаций между стержнями арматуры;
ограничения ширины раскрытия трещин между стержнями арматуры

В железобетонных балках и плитах:
S ≤ 200 мм — при h ≤ 150 мм;
S ≤ 1,5h и S≤ 400 мм – при h > 150 мм;
h - высота сечения
Наибольшее расстояние между осями стержней продольной арматуры принимают:

В изгибаемых элементах при h > 700 мм у боковых граней ставятся конструктивные продольные стержни с расстояниями между ними по высоте не более 400 мм и площадью сечения не менее 0,1% площади сечения бетона, имеющего размер 0,5hx0,5b.

В железобетонных колоннах принимают S ≤ :
400 мм — в направлении, перпендикулярном плоскости изгиба;
500 мм — в направлении плоскости изгиба.

Поперечное армирование

Поперечную арматуру устанавливают исходя из:
расчета на восприятие поперечных усилий,
с целью ограничения развития наклонных трещин,
удержания продольных стержней в проектном положении
закрепления продольных (сжатых) стержней от бокового выпучивания.
Поперечную арматуру устанавливают у всех поверхностей железобетонных элементов, вблизи которых ставится продольная арматура.

Поперечная арматура может не устанавливаться, если поперечная сила по расчету воспринимается только бетоном в следующих случаях:
В сплошных плитах;
В балках и ребрах высотой не более 150 мм
В балках и ребрах толщиной не более 150 мм.
В часторебристых балках высотой менее 300 мм

Диаметр поперечной арматуры (хомутов) принимают:
В вязаных каркасах:
- внецентренно сжатые элементы
dsw ≥ 0,25 ds,max
dsw ≥ 6 мм.
- изгибаемые элементы
dsw ≥ 6 мм.
В сварных каркасах:
не менее диаметра, устанавливаемого из условия сварки с наибольшим диаметром продольной арматуры
dsw ≥ 0,25 ds,max

Если поперечная арматура требуется по расчету, то устанавливают с шагом S1 S1 ≤ 0,5 h0 и S1 ≤ 300 мм.
Если поперечная арматура не требуется по расчету, то устанавливают с шагом S2
S2 ≤ 0,75 h0 и S2 ≤ 500 мм.
Как правило, поперечная арматура требуется по расчету в приопорной зоне изгибаемых элементов, когда поперечное усилие не может быть воспринято только бетоном.

Во внецентренно сжатых элементах, а также в изгибаемых элементах при наличии расчетной сжатой продольной арматуры с целью предотвращения ее выпучивания устанавливают поперечную арматуру с шагом
S ≤ 15 ds’ и S ≤ 500 мм
(ds’ — диаметр сжатой продольной арматуры).
Если площадь сечения сжатой продольной арматуры, устанавливаемой у одной из граней элемента, более 1,5 %, поперечную арматуру устанавливают с шагом
S ≤ 10 ds’ и S ≤ 300 мм.

Конструкция хомутов (поперечных стержней) во внецентренно сжатых линейных элементах должна быть такой, чтобы продольные стержни (по крайней мере через один) располагались в местах перегибов, а эти перегибы - на расстоянии не более 400 мм по ширине грани. При ширине грани не более 400 мм и числе продольных стержней у этой грани не более четырех допускается охват всех продольных стержней одним хомутом.

Конструктивные требования при поперечном армировании плит в зоне продавливания:
в направлении, перпендикулярном сторонам расчетного контура, устанавливают с шагом не более 1/3 h0 и не более 300 мм.
стержни, ближайшие к контуру грузовой площади, располагают не ближе h0/3 и не далее h0/2 от этого контура.
при этом ширина зоны постановки поперечной арматуры (от контура грузовой площади) должна быть не менее 1/5 h0.

Анкеровка арматуры

Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка)
с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли
с приваркой или установкой поперечных стержней
с применением специальных анкерных устройств на конце стержня

Анкеровка арматуры с применением специальных анкерных устройств на конце стержня в виде:
а – приваренной пластины; б – обжатой пластины; в – высаженной головки; г – высаженной головки с шайбой; д – приваренного стержня к уголку; е – гайки с шайбой снаружи; ж – гайки внутри.
Площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие;
Толщина анкерующей пластины должна быть не менее 1/5 ds и удовлетворять условиям сварки;
Длина заделки стержня должна определяться расчетом на выкалывание и приниматься не менее 10ds
;

Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля.
Для растянутых гладких стержней предусматривают крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.
Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры.

При расчете длины анкеровки арматуры учитывают:
способ анкеровки;
класс арматуры и ее профиль;
диаметр арматуры;
прочность бетона;
напряженное состояние бетона в зоне анкеровки;
конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, определяют по формуле
As и us — соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;
Rbond — расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле
Rbond = η1 η2 Rbt,
Rbt — расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;

η1 — коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый:
1,5 — для гладкой арматуры;
2 — для холоднодеформированной арматуры периодического профиля;
2,5 — для горячекатаной и термомеханически обработанной арматуры периодического профиля;
η2 — коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый:
1,0 — при диаметре арматуры ds ≤ 32 мм;
0,9 — при диаметре арматуры 36 и 40 мм.

Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле
l0,an — базовая длина анкеровки;
As,cal, As,ef — площади поперечного сечения арматуры, соответственно требуемая по расчету и фактически установленная;
В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее:
lan ≥ 0,3l0,an, lan ≥ 15 ds и lan ≥ 200 мм.

α — коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки
Для стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями для растянутых стержней принимают α = 1,0, а для сжатых — α = 0,75.
Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств (приварка поперечной арматуры, загиб концов стержней периодического профиля) и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30 %.

Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры Ns, определяют по формуле
lan — длина анкеровки принимаемая при отношении As,cal/As,ef = 1;
ls — расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.

Когда размеры элемента не позволяют обеспечить необходимую длину анкеровки, принимаются дополнительные меры. Например, концы монтажных петель загибают в “крюки” (а), концы рабочих стержней в узлах ферм загибают в “лапы” или приваривают к ним “коротыши” (б), продольную рабочую арматуру в изгибаемых элементах приваривают к опорным закладным изделиям (в).

На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q ≤ Qb1 должна составлять не менее 5 ds.
При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие.
Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.

Соединения арматуры

Для соединения арматуры принимают один из следующих типов стыков:
а) стыки внахлестку без сварки:
с прямыми концами стержней периодического профиля;
с прямыми концами стержней с приваркой или установкой на длине нахлестки поперечных стержней;
с загибами на концах (крюки, лапки, петли); при этом для гладких стержней применяют только крюки и петли;
б) сварные стыковые соединения со сваркой арматуры;
в) механические стыковые соединения с применением специальных механических устройств (стыки с опрессованными муфтами, резьбовыми муфтами и др.).

Стыки внахлестку (без сварки)
Стыки арматуры внахлестку применяют при стыковании стержней с диаметром рабочей арматуры не более 40 мм.

Графики для определения длины нахлестки арматурных стержней периодического профиля
При растяжении
При сжатии

а) стержней встык;
б) полос встык;
в) полос внахлестку;
г) стержней внахлест;
д) арматурной стали;
Е) тросов
Виды соединений арматуры без сварки:

При наличии дополнительных анкерующих устройств на концах стыкуемых стержней (приварка поперечной арматуры, загиб концов стыкуемых стержней периодического профиля и др.) длина перепуска стыкуемых стержней может быть уменьшена, но не более чем на 30%.
В любом случае фактическая длина перепуска арматуры принимается не менее:
ll ≥ 0,4αl0,an
ll ≥ 20 ds
ll ≥ 250 мм.

Расчет длины нахлестки
Стыки растянутой или сжатой арматуры должны иметь длину перепуска (нахлестки) не менее значения длины ll , определяемого по формуле
l0,an — базовая длина анкеровки, определяемая по формуле (см. расчет анкеровки);
As,cal, As,ef — площади поперечного сечения арматуры, соответственно требуемая по расчету и фактически установленная;
α — конструктивный коэффициент (учитывает влияние напряженного состояния арматуры, конструктивного решения элемента в зоне соединения стержней, количество стыкуемой арматуры в одном сечении по отношению к общему количеству арматуры в этом сечении, расстояния между стыкуемыми стержнями).

При стыковании нахлесткой должны быть соблюдены следующие условия:
количество стыкуемой в одном сечении (в пределах 1,3ll) рабочей растянутой арматуры должно быть не более 50 % для арматуры периодического профиля и не более 25 % для гладкой арматуры (с крюками или петлями)
усилие, воспринимаемое всей поперечной арматурой, поставленной в пределах стыка, должно быть не менее половины усилия, воспринимаемого стыкуемой в одном расчетном сечении растянутой рабочей арматурой
допускается увеличивать количество стыкуемой в одном расчетном сечении элемента рабочей растянутой арматуры до 100%, принимая значение коэффициента α = 2,0
при относительном количестве стыкуемой в одном расчетном сечении арматуры периодического профиля более 50% и гладкой арматуры более 25% значения коэффициента α определяют по линейной интерполяции.

Расположение стержней, стыкуемых внахлестку и самих стыков
расстояние между стыкуемыми рабочими стержнями арматуры не должно превышать 4 ds
расстояние между соседними стыками внахлестку (по ширине железобетонного элемента) должно быть не менее 2 ds и не менее 30 мм.