Монолитная железобетонная колонна — основной несущий вертикальный элемент каркасной системы здания. От правильного армирования колонны зависят несущая способность каркаса, его жёсткость, устойчивость и долговечность. Материал разбирает принципы подбора продольной и поперечной арматуры, требования к нахлёстам, узлам примыкания к балкам и фундаменту, контроль на стройплощадке. Конкретные сечения определяются расчётом — здесь приведены диапазоны и принципы конструирования по ТКП 45-5.03-258 и СТБ EN 1992-1-1.
Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.
Состав армирования колонны
Армирование монолитной колонны состоит из двух типов стержней. Продольная (рабочая) арматура — вертикальные стержни, проходящие на всю высоту колонны и воспринимающие основную сжимающую нагрузку совместно с бетоном, а при внецентренном приложении — и растягивающие усилия в одной из граней. Поперечная арматура — хомуты, охватывающие продольные стержни и обеспечивающие их боковую устойчивость, восприятие поперечных усилий и предотвращение продольного раскалывания бетона.
В отдельных типах колонн применяются дополнительные конструктивные элементы: спиральная арматура для круглых колонн со сжатием, повышающая прочность бетонного ядра в 1,5–2 раза; косвенная арматура (сетки) в зонах концентрации нагрузок у торцов; усиливающие стержни в узлах примыкания к балкам и плитам. Регламент ТКП 45-5.03-258 задаёт требования к каждому типу элементов колонны.
Класс бетона для колонн каркасных зданий — не ниже С25/30 по СТБ EN 206. Для высотных зданий и колонн нижних этажей с большими нагрузками применяются классы С30/37, С35/45 и выше. Класс по морозостойкости — F100 и выше для надземных колонн, по водонепроницаемости — W6 для колонн в зонах с переменной влажностью.
Классы арматуры и сортамент
Для продольной арматуры колонн применяется горячекатаная арматура периодического профиля класса А500С по ГОСТ 34028 (или СТБ 1704). Класс А400 допустим в колоннах малоэтажных зданий и в малонагруженных элементах. Класс А600 — для специальных задач при предварительном напряжении. Применение арматуры без литеры «С» (А500 без свариваемости) в колоннах с возможными сварными соединениями не допускается.
Диаметр продольной арматуры — обычно от 16 до 32 мм. Минимум — 12 мм для малых колонн жилых домов, максимум — 40 мм для тяжелонагруженных колонн нижних этажей высотных зданий. Применение более тонкой арматуры (8–10 мм) в качестве продольной в колоннах не практикуется — она склонна к потере устойчивости между хомутами и теряет работоспособность как сжатый элемент.
Поперечная арматура (хомуты) — обычно класс А240 (А-I) для малых диаметров или А500С для совместимости с продольной. Диаметр хомутов — от 6 до 12 мм. Минимальный диаметр хомутов по СТБ EN 1992-1-1 — не менее 6 мм и не менее 0,25 диаметра наибольшего продольного стержня. Для крупных колонн с продольной арматурой Ø25 и выше используют хомуты Ø10–12 мм.
Продольная арматура: принципы подбора
Площадь продольной арматуры колонны определяется расчётом исходя из продольной силы, изгибающего момента и формы сечения. Минимальный коэффициент армирования по СТБ EN 1992-1-1 для центрально-сжатых колонн — 0,2 % при N·d/N·Rd ≤ 0,1, иначе — больший расчётный минимум. Практически для типовых колонн каркасных зданий используется коэффициент 0,8–2,5 %. Максимальный коэффициент — 4 %, выше — не имеет смысла из-за невозможности качественной укладки бетонной смеси между стержнями.
Размещение продольной арматуры в сечении колонны — симметричное. В прямоугольных сечениях — стержни располагаются по углам и при необходимости по граням с расчётным шагом. Минимальное число стержней в прямоугольной колонне — четыре (по углам). Для крупных сечений — 6, 8, 10 и более стержней с равномерным распределением. В круглых колоннах — не менее 6 стержней по окружности с равным угловым шагом.
| Размер сечения, мм | Минимальное число продольных стержней | Типовой диаметр продольной | Типовой диаметр хомутов |
|---|---|---|---|
| До 300×300 | 4 | 16–20 мм | 6–8 мм |
| 300×400 – 400×400 | 4–6 | 16–22 мм | 8 мм |
| 400×500 – 500×500 | 6–8 | 20–25 мм | 8–10 мм |
| 500×600 и более | 8–12 | 22–32 мм | 10–12 мм |
Минимальное расстояние между продольными стержнями в чистоте — не менее наибольшего из: диаметра стержня, наибольшего размера крупного заполнителя плюс 5 мм, 20 мм. Это требование обеспечивает возможность качественного бетонирования с прохождением бетонной смеси между стержнями. Превышение лимита приводит к образованию каверн в зоне арматуры и снижению несущей способности.
Поперечная арматура (хомуты)
Хомуты колонны выполняют три функции: фиксируют продольные стержни в проектном положении, предотвращают их боковое выпучивание при сжатии, воспринимают поперечные усилия от горизонтальных нагрузок (ветер, сейсмика, монтажные толчки). Конструктивно хомуты — замкнутые контуры с обхватом всех продольных стержней по периметру сечения.
Шаг хомутов в средней части колонны по СТБ EN 1992-1-1 — не более наименьшего из: 15 диаметров наименьшего продольного стержня (для арматуры А500С — 15·d), меньшего размера сечения колонны, 400 мм. Для колонн с диаметром продольной арматуры 16 мм типовой шаг 200–240 мм, для арматуры 25 мм — 300–375 мм.
В концевых зонах колонны (у верхней и нижней граней этажа) шаг хомутов уменьшается в 1,5–2 раза. Длина зоны со сгущёнными хомутами — не менее наибольшего размера сечения колонны и не менее 1/6 высоты этажа. В этих зонах концентрируются усилия от примыкающих балок и перекрытий, поэтому требуется усиленное поперечное армирование. Регламент особенно строг для сейсмически опасных регионов, в обычных условиях Беларуси сгущение хомутов выполняется для типового конструирования.
Нахлёсты продольной арматуры
Высота этажа здания обычно превышает технологическую длину одного арматурного стержня (11,7 м). Кроме того, монтаж колонны на полную высоту с длинными стержнями неудобен — стержни ставятся в каркас поэтажно с обязательной стыковкой. Стыковка продольной арматуры выполняется нахлёстом, сваркой или муфтовыми соединениями. Самый распространённый способ — нахлёст с перевязкой проволокой и охватом дополнительными хомутами.
Длина нахлёста для продольной арматуры колонны зависит от класса бетона, класса арматуры и положения стыка. Для бетона С25/30 и арматуры А500С базовая длина нахлёста — около 40 диаметров стержня. В сжатой зоне (рабочее состояние большинства колонн) допускается уменьшение на 25–30 %, до 30 диаметров. В растянутой зоне (при внецентренном сжатии с большим эксцентриситетом) — увеличение до 50 диаметров и более.
В одном поперечном сечении колонны допустимо стыкование не более 50 % продольных стержней при перевязке проволокой. Стыки разносятся по высоте — между смежными стыками одного направления соблюдается расстояние не менее длины нахлёста. В зоне нахлёста шаг хомутов уменьшается в два раза по сравнению с основным шагом — это требование защиты узла от раскалывания.
Узлы примыкания к балке и фундаменту
Узел примыкания колонны к фундаменту описан в материале по столбчатым фундаментам — арматура колонны соединяется с выпусками подколонника нахлёстом или сваркой. В монолитных конструкциях колонна может бетонироваться одной захваткой с подколонником — тогда продольная арматура колонны заводится в подколонник на длину анкеровки. Конструктивно это самое жёсткое решение, но усложняет технологию монтажа.
Узел примыкания колонны к ригелю (балке перекрытия) — зона концентрации напряжений от изгиба балки и сжатия колонны. В этой зоне обычно увеличивается коэффициент армирования, добавляются дополнительные хомуты с уменьшенным шагом, продольная арматура балки заводится в зону колонны на длину анкеровки. Регламент СТБ EN 1992-1-1 в части узлов рамных каркасов указывает на необходимость специального конструирования с учётом ожидаемого характера разрушения узла.
Стыковка продольной арматуры колонны по этажам обычно происходит на отметке перекрытия с заходом стержней нижнего этажа в зону перекрытия и выходом за его верхнюю грань на длину нахлёста (30–40 диаметров). Это обеспечивает непрерывную работу продольной арматуры через узел перекрытие-колонна.
Защитный слой и допуски
Защитный слой бетона колонны по СТБ EN 1992-1-1 — не менее 25 мм для класса XC1 (внутренние сухие помещения), 30 мм для XC3 (умеренная влажность), 35–40 мм для XC4 (внешние поверхности с переменным увлажнением). Для колонн нижних этажей высотных зданий или промышленных колонн в производственных помещениях с агрессивной средой — 40–50 мм.
Допуски на положение колонны: ось колонны от проектной — ±5 мм для нижних этажей, ±10 мм для верхних, отклонение от вертикали не более 1/500 высоты этажа и не более 15 мм по всей высоте здания. Превышение допусков означает работу здания с дополнительными эксцентриситетами и требует проверки несущей способности всего каркаса.
Контроль на стройплощадке
Контроль армирования колонны проводится после установки каркаса и до закрытия опалубкой. Проверяется: соответствие класса и диаметра продольной арматуры проекту, количество и расположение стержней в сечении, шаг и диаметр хомутов в основной и концевых зонах, длина и расположение нахлёстов с дополнительными хомутами, защитный слой по всем граням, надёжность вязки в местах пересечений.
После закрытия опалубкой контролируется вертикальность опалубки (с теодолитом или отвесом), герметичность стыков для предотвращения вытекания цементного молока. После распалубки — геометрия колонны, отсутствие трещин и каверн, состояние поверхности. Колонна с обнажившейся арматурой или с открытыми кавернами требует ремонтных работ перед последующей нагрузкой.
Типовые ошибки
- Применение арматуры тонкого диаметра (10–12 мм) в качестве продольной — потеря устойчивости между хомутами под нагрузкой
- Несоблюдение уменьшенного шага хомутов в концевых зонах — снижение поперечной прочности в зоне максимальных напряжений
- Размещение всех стыков нахлёстом в одном горизонтальном сечении — образование ослабленной зоны
- Установка хомутов без замыкания контура (открытые С-образные хомуты вместо замкнутых) — не обеспечивается боковая фиксация продольных стержней
- Бетонирование колонны без вибрирования или с недостаточным вибрированием — образование пустот в зоне арматуры
- Применение крупного заполнителя бетона, не проходящего между стержнями — расслоение бетона при укладке
- Использование выпусков из фундамента неправильной длины (короче длины нахлёста) — связь колонны и фундамента не обеспечивается
- Превышение допустимого отклонения от вертикали при монтаже — дополнительные эксцентриситеты, не учтённые в расчёте
Часто задаваемые вопросы
Можно ли заменить класс арматуры А500С на А400 в проекте? Самостоятельная замена недопустима. Снижение класса арматуры означает увеличение требуемой площади арматуры пропорционально соотношению пределов текучести (А400/А500С ≈ 0,78). Замена требует пересчёта проекта.
Зачем нужны сгущённые хомуты в концевых зонах колонны? В зонах примыкания к перекрытиям и фундаменту концентрируются изгибающие моменты и поперечные силы от примыкающих элементов. Без сгущения хомутов возможно раскалывание бетона по плоскостям между продольными стержнями и потеря устойчивости продольной арматуры.
Допустимо ли соединение продольной арматуры колонны сваркой? Допустимо при использовании арматуры свариваемого класса (А500С) и аттестации сварщика по СТБ EN ISO 9606. Применяются стыковая сварка с накладками или ванная сварка для крупных диаметров. Каждый стыковой шов подлежит контролю качества.
Что важнее — диаметр продольной арматуры или количество стержней? Расчётная несущая способность определяется суммарной площадью продольной арматуры — её можно набирать большим количеством тонких или меньшим количеством толстых стержней. Конструктивные ограничения: минимум 4 стержня в прямоугольной колонне, минимальный диаметр продольной обычно 12–14 мм. Конкретное распределение принимает проектировщик с учётом удобства монтажа и стыковки.
Когда применяется спиральная арматура вместо хомутов? Для круглых колонн с большой продольной силой сжатия и без существенного изгибающего момента (центральные колонны промышленных каркасов). Спираль с непрерывной навивкой по высоте колонны создаёт обжатие бетонного ядра и увеличивает несущую способность на 20–50 %.
Сокращения и обозначения
- А240, А400, А500С, А600 — классы горячекатаной арматуры по ГОСТ 34028 / СТБ 1704
- С16/20…С35/45 — классы бетона по прочности на сжатие по СТБ EN 206
- XC1–XC4 — классы эксплуатационной среды по СТБ EN 206
- Хомут — замкнутый поперечный арматурный стержень, охватывающий продольные стержни
- Концевая зона — участок колонны у верхней и нижней граней этажа с уменьшенным шагом хомутов
- Анкеровка — длина заделки стержня в бетон для передачи усилия
- Внецентренное сжатие — приложение продольной силы с отступом от оси сечения, вызывающее одновременно сжатие и изгиб
- Спиральная арматура — непрерывная спираль из арматурного стержня вокруг продольных стержней круглой колонны
- Косвенная арматура — арматурные сетки в зонах концентрации нагрузок, повышающие прочность бетона на сжатие
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.