РОЗРАХУНОК ДІАМЕТРУ АРМАТУРИ ЗА ПЛОЩЕЮ НАВАНТАЖЕННЯ В УШП

Перед тим як приступити до розрахунку арматури, критично важливо точно визначити всі типи навантажень, що діятимуть на фундамент УШП. Згідно з ДБН В.1.2-2:2006 ‘Навантаження і впливи’, розрізняють постійні, тимчасові (тривалі та короткочасні) та особливі навантаження. Постійні навантаження включають власну вагу всіх конструктивних елементів будівлі: стін, перекриттів, покрівлі, інженерних систем, а також вагу самого фундаменту УШП, включно з шаром утеплювача та бетону. Для УШП характерною є рівномірно розподілена вага плити, що дозволяє оптимізувати армування.

Тимчасові навантаження поділяються на тривалі (наприклад, вага стаціонарного обладнання, перегородок, що змінюють планування) та короткочасні (снігове навантаження, вітрове навантаження, навантаження від людей та меблів). Снігове навантаження для різних регіонів України регламентується ДБН В.1.2-2:2006, що може варіюватися від 0,5 кН/м² до 1,8 кН/м². Вітрове навантаження також розраховується відповідно до цих норм, враховуючи вітрові райони та висоту будівлі. Особливі навантаження (сейсмічні, вибухові) враховуються для об’єктів у відповідних зонах. Для УШП, яка є суцільною плитою, особливий акцент робиться на рівномірність передачі навантажень на ґрунт, що знижує концентрацію напружень.

При розрахунку навантажень для УШП необхідно враховувати також гідростатичний тиск ґрунтових вод, якщо вони розташовані вище підошви фундаменту, та тиск від морозного пучіння ґрунту в несучих шарах основи. Хоча УШП, завдяки своєму утепленню, мінімізує вплив морозного пучіння на власну конструкцію, зовнішній периметр фундаменту все одно вимагає ретельного аналізу. Точне визначення розрахункових навантажень з коефіцієнтами надійності, що перевищують 1,0 (зазвичай 1,1-1,4 залежно від типу навантаження, згідно з ДБН В.2.6-98:2009 ‘Бетонні та залізобетонні конструкції’), є першочерговим завданням для коректного визначення необхідної площі перерізу арматури.

Після розрахунку навантажень наступним кроком є визначення необхідної площі поперечного перерізу робочої арматури. Для УШП, яка функціонує як плита на пружній основі, основним є розрахунок на згин та зсув. Згідно з ДБН В.2.6-98:2009, розрахунок арматури на згин для прямокутного перерізу виконується за формулою: A_s = M / (R_s * z), де M – розрахунковий згинаючий момент, R_s – розрахунковий опір арматури розтягу, а z – плече внутрішньої пари сил. При цьому R_s залежить від класу арматури (наприклад, для арматури класу А400 (АIII) R_s становить 365 МПа, для А500С – 400 МПа).

Плече внутрішньої пари сил (z) визначається як h_0 – a’, де h_0 – робоча висота перерізу (відстань від стисненої грані до центру ваги розтягнутої арматури), а a’ – відстань від стисненої грані до центру ваги стиснутої арматури. Важливо врахувати захисний шар бетону, який для фундаментів УШП у контакті з ґрунтом або його ізоляцією зазвичай становить не менше 40-50 мм для забезпечення довговічності та вогнестійкості згідно з EN 1992-1-1. Крім того, розрахунок на зсув (поперечну силу) також є обов’язковим, особливо поблизу колон або опорних стін, і може вимагати встановлення поперечної арматури (хомутів).

Для УШП характерне подвійне армування – у верхній та нижній зонах плити, що дозволяє сприймати як позитивні, так і негативні згинаючі моменти, які виникають через нерівномірність навантажень, особливо над несучими стінами та по периметру плити. Загальний відсоток армування (коефіцієнт армування) для плитних елементів, як правило, не повинен бути менше 0,1% від площі бетонного перерізу (μ_min) і не більше 2,5-3,0% (μ_max), що гарантує пластичність конструкції та запобігає крихкому руйнуванню. При проєктуванні УШП часто застосовують сітки арматури з кроком 150-200 мм і діаметром 10-14 мм, залежно від розрахункових навантажень та прольотів.

Армування УШП має свої унікальні особливості, що відрізняють її від традиційних плитних фундаментів. Зазвичай УШП армується двома сітками – нижньою та верхньою. Нижня сітка розташовується в межах захисного шару бетону, над шаром утеплювача (часто це екструдований пінополістирол XPS), і сприймає розтягуючі напруження, що виникають від навантажень, які діють зверху, та від ваги плити. Верхня сітка розміщується ближче до верхньої поверхні плити та призначена для сприйняття негативних згинаючих моментів, які можуть виникати над опорними елементами (наприклад, під несучими стінами) або в місцях концентрації навантажень. Типовий діаметр арматурних стрижнів для сіток коливається від Ø10 до Ø14 мм з кроком від 150 до 250 мм, що розраховується індивідуально.

Особливу увагу слід приділити армуванню по контуру плити та під несучими стінами. У цих зонах виникають підвищені навантаження, тому тут часто передбачають додаткові арматурні стрижні або ущільнену сітку. Вузли кріплення, такі як стики арматурних сіток, повинні виконуватися з перепуском не менше довжини анкерування, що становить близько 40-60 діаметрів стрижня, згідно з ДБН В.2.6-98:2009. Для забезпечення проєктного положення арматури використовуються спеціальні фіксатори-стільчики та захисні проставки, які гарантують необхідний захисний шар бетону і запобігають його зміщенню під час бетонування.

Ще однією важливою особливістю є армування зон навколо комунікаційних вводів (водопровід, каналізація, електрика), які проходять крізь плиту. Ці зони є концентраторами напружень, тому їх слід посилювати додатковою арматурою, розташованою хрестоподібно або по діагоналі навколо отворів. Також важливо правильно організувати армування ребер жорсткості, якщо вони передбачені конструкцією УШП. Ці ребра, як правило, мають більшу висоту і вимагають індивідуального розрахунку та укладання арматури, яка буде працювати разом з основною сіткою плити. Детальний розбір вузла ‘плита-стіна’ в УШП показує, як додаткові U-подібні або Г-подібні стрижні можуть інтегруватися у верхню сітку плити, щоб забезпечити ефективну передачу навантаження від стіни на фундамент, запобігаючи місцевим руйнуванням та деформаціям. Щоб дізнатися більше про важливі компоненти будівель, відвідайте сторінку Бетон.

Характер ґрунтових умов на будівельному майданчику в Україні має прямий та вирішальний вплив на розрахунок арматури для УШП. Згідно з ДБН В.2.1-10:2018 ‘Основи та фундаменти будівель і споруд’, інженерно-геологічні вишукування є обов’язковими для визначення фізико-механічних властивостей ґрунтів, таких як модуль деформації (Е), коефіцієнт пухкості, кут внутрішнього тертя, питома вага, а також рівень ґрунтових вод (РГВ). Ці дані є відправною точкою для визначення несучої здатності основи та прогнозування осідань.

Ґрунти з низькою несучою здатністю або високою стисливістю (наприклад, торфи, мулисті ґрунти, деякі види глин) вимагають або покращення ґрунтової основи, або застосування більш потужного армування УШП для розподілу навантажень на більшу площу. Для УШП, яка за своєю природою є фундаментом мілкого закладання, особливо важливим є верхній шар ґрунту (до глибини 1,5-2,0 м). Наявність водонасичених ґрунтів або високий РГВ вимагають додаткових заходів, таких як дренаж (детальніше про це можна дізнатися на Дренаж) та збільшення захисного шару бетону для арматури, а також використання бетону з підвищеною водонепроникністю (наприклад, W6-W8). Морозне пучіння, яке є актуальною проблемою в більшості регіонів України, мінімізується завдяки утепленню УШП, проте його потенційний вплив на підстилаючі ґрунти може вимагати локального посилення армування або використання ґрунтових подушок.

Для ґрунтів, схильних до нерівномірних осідань, що особливо критично для України з її різноманітними ґрунтовими умовами (від лесових суглинків до скельних порід), УШП завдяки своїй монолітній конструкції демонструє високу опірність. Проте, якщо прогнозуються значні диференційні осідання, армування плити може бути посилено, а крок арматури зменшений, щоб забезпечити додаткову жорсткість. Ретельний аналіз інженерно-геологічних даних та їх інтерпретація досвідченим конструктором є запорукою правильного розрахунку арматури та довговічності фундаменту УШП, запобігаючи деформаціям та тріщинам у надземних конструкціях.

Оптимізація армування УШП – це не лише економія матеріалів, а й забезпечення максимальної структурної цілісності при мінімальних ризиках. Сучасні проєктні рішення зосереджені на інтеграції розрахункових моделей з реальними будівельними процесами. Використання програмного забезпечення для скінченно-елементного аналізу (FEM), такого як SCAD Office, Lira-SAPR або Autodesk Robot Structural Analysis Professional, дозволяє моделювати поведінку УШП під дією комплексних навантажень, враховуючи взаємодію з ґрунтовою основою. Це дає змогу точно визначити зони концентрації напружень та оптимально розмістити арматуру, мінімізуючи надмірне армування в менш навантажених ділянках та посилюючи критичні зони.

Одним з ключових проєктних рішень є застосування конструктивного армування, яке забезпечує цілісність плити під час бетонування, усадки та температурних деформацій, навіть якщо розрахункове армування вимагає меншого діаметру або кроку. Згідно з ДБН В.2.6-98:2009, мінімальний коефіцієнт армування μ_min для плит становить 0,1% площі поперечного перерізу бетону. Для УШП, яка є великою площею, температурні деформації можуть бути значними, тому розрахунок температурних швів та їх армування також є критичним. Типово, температурні шви в УШП не робляться, оскільки плита цілісна, але арматура розраховується на можливі розтягуючі напруги від температурних перепадів, особливо в довгих прольотах, із застосуванням сіток зі збільшеним діаметром або зменшеним кроком стрижнів (наприклад, Ø12 А500С з кроком 150 мм).

Ще один підхід – це диференційоване армування. Наприклад, у центральних зонах плити, де згинаючі моменти нижчі, можна застосовувати менший діаметр арматури або більший крок, тоді як під несучими стінами та по периметру – використовувати арматуру більшого діаметру або подвійні сітки. Такий підхід вимагає детального аналізу епюр моментів та поперечних сил. Застосування фіксаторів та каркасів для арматури забезпечує точне позиціонування стрижнів у проєктному положенні, що є критичним для коректної роботи залізобетонної конструкції. Проєктуючи одноповерховий будинок з УШП, можна оптимізувати ці рішення, посилаючись на одноповерхові проєкти, де зазвичай використовуються такі фундаменти.

Ефективність розрахунків арматури для УШП значною мірою залежить від якості її монтажу на будівельному майданчику. Навіть найточніший проєкт може бути скомпрометований через відхилення від технології. Контроль якості починається з перевірки класу та діаметру арматурних стрижнів – вони повинні відповідати проєктній документації та чинним ДСТУ/ДБН. Недопустимо використовувати арматуру іншого класу або діаметру без відповідного перерахунку та погодження з проєктантом. Наприклад, використання арматури класу А240 замість А500С значно знижує несучу здатність.

Типові помилки при монтажі арматури УШП включають: неправильне розташування арматурних сіток (відхилення від проєктного захисного шару бетону), недостатня довжина перепуску арматури в стиках, відсутність додаткового армування в критичних зонах (кути, отвори, під несучими стінами), а також використання неякісних фіксаторів або їх недостатня кількість. Неправильне розташування арматури може призвести до зниження робочої висоти перерізу, що зменшує несучу здатність на згин, або до її корозії, якщо захисний шар бетону є недостатнім, що є особливо критичним для фундаменту, що контактує з ґрунтом.

Крім того, важливо забезпечити надійне з’єднання арматурних стрижнів. Зазвичай це виконується за допомогою в’язки сталевим дротом (діаметром 1,0-1,2 мм) або спеціальними в’язальними пістолетами. Зварювання арматури допустиме лише для спеціальних класів (наприклад, А500С), які мають літеру ‘С’ у маркуванні, що вказує на її зварюваність. Неправильне зварювання може призвести до перегріву металу та втрати його міцнісних характеристик. Завдяки дотриманню цих вимог та регулярному контролю на всіх етапах будівництва можна гарантувати відповідність фактичного армування проєктному рішенню, забезпечуючи довговічність та надійність фундаменту УШП. Щоб дізнатися більше про компанії, які забезпечують високі стандарти будівництва, відвідайте Будівельна компанія KOLEO.

Утеплена Шведська Плита (УШП) є не тільки конструктивним фундаментом, але й інтегральною частиною енергоефективної системи будинку. Її теплотехнічні переваги обумовлені розташуванням теплоізоляції з екструдованого пінополістиролу (XPS) під плитою та по її периметру, що створює ‘термос-ефект’ і запобігає втратам тепла через ґрунт. Цей підхід забезпечує мінімальний коефіцієнт теплопередачі (U-value) для фундаменту, який може сягати 0,10-0,15 Вт/(м²⋅К), що значно краще за вимоги ДБН В.2.6-31:2016 ‘Теплова ізоляція будівель’ для огороджувальних конструкцій.

Зв’язок між теплотехнікою та конструктивним армуванням полягає в тому, що високий ступінь утеплення зменшує вплив циклів заморожування-відтавання на ґрунт під плитою, тим самим мінімізуючи ризики морозного пучіння. Це, у свою чергу, дозволяє більш стабільно працювати ґрунтовій основі, що позитивно впливає на розрахунки арматури. Стабільність основи дозволяє уникнути надмірного армування, яке було б необхідним у випадку нерівномірних деформацій ґрунту. Таким чином, інвестиції в якісне утеплення УШП можуть призвести до оптимізації витрат на арматуру без шкоди для структурної цілісності.

Крім того, інтеграція системи ‘тепла підлога’ безпосередньо в плиту УШП створює великий теплоакумулюючий масив. Розміщення труб опалення у верхній частині плити вимагає ретельного планування армування, щоб не пошкодити їх під час укладання бетону. Це може впливати на крок верхньої арматурної сітки та вимагати додаткового локального армування навколо труб, щоб компенсувати можливе ослаблення перерізу. Оптимальне розташування труб опалення між стрижнями арматури верхньої сітки є ключовим для забезпечення ефективності обох систем – як опалення, так і несучої здатності. У підсумку, УШП є прикладом синергії конструктивних, теплотехнічних та інженерних систем, де кожен елемент впливає на функціональність та довговічність інших. Для комплексного проєктування подібних рішень, розгляньте системи вентиляції, які є невід’ємною частиною енергоефективного будинку.

Крім статичних та тимчасових навантажень, які були розглянуті раніше, сучасне проєктування УШП повинно також враховувати динамічні навантаження та вібрації, особливо для об’єктів, розташованих поблизу джерел інтенсивного руху, промислових підприємств або в сейсмічно активних регіонах. Згідно з ДБН В.1.2-12:2008 ‘Будівництво в сейсмічних районах України’, для таких умов застосовуються спеціальні коефіцієнти динамічності та вимоги до армування, що підвищують жорсткість та пластичність конструкції.

Динамічні навантаження, що виникають від різких змін швидкості або напрямку руху транспортних засобів, роботи обладнання або вітрових поривів, можуть викликати коливання та резонансні явища в конструкції УШП. Хоча плита фундаменту є відносно масивною і має високу власну жорсткість, вібрації можуть призвести до втомного руйнування арматури, якщо вона не була розрахована з урахуванням цих факторів. Для армування, яке працює в умовах циклічних навантажень, необхідно використовувати арматуру з підвищеною втомною міцністю (наприклад, клас А500С з покращеними характеристиками) та забезпечувати ретельне з’єднання стрижнів без послаблення перерізу.

При розрахунку арматури на динамічні навантаження важливо враховувати амплітуду коливань та частоту вібрацій. Зазвичай це вимагає застосування більш складних розрахункових моделей, ніж для статичних навантажень, включаючи модальний аналіз та аналіз відгуку у часовій області. У таких випадках відсоток армування може бути збільшений на 15-25% порівняно з розрахунками лише на статичні навантаження, а також можуть бути передбачені додаткові конструктивні елементи, такі як розширювальні шви або демпфери, що поглинають енергію вібрацій. Це забезпечує не лише структурну цілісність, але й комфорт для мешканців, запобігаючи передачі вібрацій на надземну частину будівлі. Для підвищення стійкості конструкції, зокрема у контексті модульного будівництва, де динамічні навантаження можуть мати специфічний характер, корисним буде ознайомитись із проєктами на модульні будинки.