Как выбрать и рассчитать арматуру для железобетонных конструкций

Эксперты Системы Строительство рассказали, какие есть виды арматуры, и рассмотрели, как работает арматура в конструкции. На примере вы узнаете этапы расчета и алгоритм подбора и сможете рассчитать арматуру для своего проекта.

Елизавета Плужникова

Специалист по сопровождению и развитию проектов, геодезии, работе в ПТО и подготовке ПСД

Арматура принимает на себя растягивающие усилия и выступает в роли силового каркаса. Именно благодаря арматуре железобетон превращается в надежный композитный материал. Бетон самостоятельно эффективно работает лишь на сжатие. Под действием растяжения или изгиба он быстро покрывается трещинами и разрушается. Чтобы этого избежать, внутрь бетона закладывают стальные арматурные стержни. Разберем порядок действий при выборе арматуры в проект – от анализа нагрузок до рабочей документации.

Какая есть классификация и маркировка арматуры

Классификация арматуры представлена по двум основным нормативным документам.

ГОСТ 34028-2016 «Прокат арматурный для железобетонных конструкций. Технические условия». В этом документе приведены марки стали, химический состав и параметры свариваемости. Базовый стандарт устанавливает:

• сортамент;
• механические свойства;
• правила приемки;
• методы контроля для проката классов А240, А400, А500, А600 (ненапрягаемый) и Ап600, А800, А1000 (преднапряженный).

ГОСТ Р 72221-2025 «Прокат арматурный класса А550 для железобетонных конструкций. Технические условия». Стандарт охватывает прокат класса А550 для ненапряженных конструкций жилых, общественных и промышленных зданий, кроме мостов, дорожных труб и объектов атомной энергетики.

Класс арматуры. Класс арматуры обозначается буквой «А» и числом, которое соответствует нормативному пределу текучести в МПа, чем оно выше, тем прочнее сталь. Обозначение «А» – это ненапрягаемая арматура, «Ап» – напрягаемая арматура. Например, стержень с маркировкой А500С выдерживает 500 МПа до начала необратимого растяжения.

Дополнительные индексы раскрывают особые свойства:

• С – свариваемая, допускается дуговая сварка;
• К – повышенная коррозионная стойкость, легированная сталь;
• У – универсальная, сочетает свариваемость и хладостойкость;
• Е – высокая пластичность.

Профиль арматуры. По типу профиля арматура делится на гладкую – класса А240 и периодического профиля четырех форм. В зависимости от сечения профиля, формы и расположения поперечных ребер – это стержни А400, А500, А600 и выше. Например, серповидный профиль предпочтительнее с точки зрения усталостной прочности и меньше ослабляет сечение стержня, а кольцевой – дает максимальное сцепление с бетоном, но создает концентраторы напряжений.

Композитная полимерная арматура (АКП). ГОСТ 31938-2022 описывает композитную арматуру на основе стеклянных, базальтовых, углеродных или комбинированных волокон. Ее преимущества:

• полная коррозионная стойкость;
• диэлектрические свойства;
• легкость.

Поэтому ее применяют для береговых укреплений, химических резервуаров, дорожных плит. Но есть минусы: низкий модуль упругости и большие прогибы, хрупкое разрушение без пластической стадии, потеря прочности при 300–400 °С. В несущих конструкциях жилых домов использовать АКП без дополнительных мер запрещено.

Какие функции стержней в каркасе

В любом железобетонном элементе арматурные стержни функционально распределяются по ролям. Если ошибочно распределить эти роли, то это чревато двумя последствиями:

• неоправданным перерасходом дорогостоящей стали;
• недостаточным сцеплением арматуры с бетоном в наиболее нагруженных зонах.

Рассмотрим функция и роли арматуры в таблице.

Функция и роли арматуры

Как рассчитать арматуру для проекта

Расчет арматуры ведут по СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» с использованием метода предельных состояний. Нужно проверить две группы:

1. Несущая способность.
2. Деформации и трещины.

Ниже рассмотрим пять последовательных этапов действий для расчета первой группы предельных состояний по несущей способности.

Этап 1. Сбор нагрузок

По СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» определяют нормативные значения нагрузок. Усилия в конструкции, которые вызывают эти нагрузки, бывают:

• постоянными (Pd) – от собственного веса перекрытий, стен, стационарного оборудования, давления грунта, гидростатического давления;
• временными длительными (Pl) – от веса временных перегородок, складируемых материалов, пониженных полезных нагрузок и др.;
• кратковременными (Pt) – от полезной нагрузки, а именно людей, мебели, снега, ветра, гололеда;
• особыми (Ps) – от сейсмики, взрывов, ударных воздействий и др.

Этап 2. Формирование сочетаний нагрузок

Нагрузки редко действуют все сразу. Основное сочетание по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» выглядит так: все постоянные + одна длительная полностью с коэффициентом 1,0 + остальные длительные с коэффициентом 0,95 + первая по значимости кратковременная полностью + вторая с коэффициентом 0,9 + остальные с коэффициентом 0,7. Для особых сочетаний, например сейсмика, коэффициенты снижаются до 0,5 и 0,3.

Этап 3. Определение внутренних усилий

Зная расчетную нагрузку, находят изгибающие моменты (M) и поперечные силы (Q) в опасных сечениях. Для простых балок работают формулы строймеханики. Для сложных систем – плиты и оболочки – используют метод конечных элементов в программах SCAD, «Лира-САПР». Условие прочности – все возникающие усилия не должны превышать предельных возможностей сечения.

Этап 4. Расчет площади сечения арматуры

На этом этапе подбирают диаметр и количество стержней так, чтобы запас прочности был достаточным. Рассмотрим стандартный случай на примере железобетонного элемента прямоугольного сечения без предварительного напряжения арматуры. Используем для расчета:

• СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры», который содержит рекомендации по расчету и проектированию ЖБК;
• Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003).

Алгоритм расчета для продольной арматуры включает три шага.

Шаг 1. Вычисляют вспомогательный коэффициент α_m

Шаг 2. Вычисляют площадь растянутой арматуры

Если α_m < α_R (α_R по таблице 3.2 Пособия к СП52), то cжатая арматура не нужна и площадь растянутой арматуры находят по формуле:

Шаг 3. Вычисляют площадь сжатой арматуры

Если α_m > α_R, то варианта три:

• увеличить сечение;
• повысить класс бетона;
• установить сжатую арматуру.

При этом площадь сжатой арматуры А_s’ вычисляют так:

По полученной площади A_s из сортамента подбирают реальные стержни. Для балок в растянутой зоне должно быть минимум два стержня, для колонн – не менее четырех. Далее рассмотрим на примере, как рассчитать арматуру для ...