Стыковка арматуры: Стыковка арматуры внахлестку – особенности и важные моменты

Содержание

Стыковка арматуры внахлестку – особенности и важные моменты

Архив рассылки "Непрошеные советы" для начинающих проектировщиков. Выпуск № 7.

Доброе утро!

Сегодня в Непрошеных советах я продолжу тему о рабочих швах бетонирования и стыковке арматуры. Точнее, о швах мы уже поговорили, теперь поговорим о стыковке.

Далеко не всегда на стройку попадает арматура нужной длины, в итоге встает вопрос о том, что ее нужно стыковать. Как и с вопросом о швах бетонирования, многие проектировщики пытаются игнорировать эту проблему и отдают принятие решения на откуп строителям. Все, кто так делает, подвергают риску проектируемую конструкцию.

Строитель не обязан знать о том, где стыковать арматуру. Он состыкует ее в самом удобном для него месте, но одновременно – в самом опасном месте для конструкции. В «Рекомендациях по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98 при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры» хорошо описаны требования (см. п. 2.3.3), парочку, особо важных, я приведу здесь:

1. «Стыки рабочей арматуры внахлестку не рекомендуется располагать в растянутой зоне изгибаемых и внецентренно растянутых элементов в зоне действия максимальных усилий и местах полного использования арматуры. Стыки рабочей арматуры внахлестку не допускаются в линейных элементах, сечение которых полностью растянуто». Поясню немного. Мы должны четко донести до строителя, где ему можно стыковать арматуру. Нельзя стыковать в растянутой зоне: то есть, нижнюю рабочую арматуру в плите, например, нельзя стыковать в середине пролета, а верхнюю – над опорами (для многопролетных плит). Именно там плита растянута, об этом нам и эпюра моментов говорит, и даже просто попытка представить, как изогнется перекрытие в процессе нагружения: какие его поверхности будут пытаться растянуться, а какие – сжаться. Очень просто сделать на чертеже вот такую схему:

Я привела пример для плиты перекрытия, но подобные схемы можно сделать для любой конструкции, арматура в которой заказана погонными метрами. Иногда проектировщик сразу задает раскладку стержней определенной длины с указанием мест стыковки. Здесь есть риск утонуть в переписке по согласованию все новых мест стыковки, т.к. у строителей может оказаться в наличии арматура совсем не предсказуемой длины. Величины L/4 и L/3 берутся из конкретного расчета и могут отличаться от приведенных мной.

2. «Стыки сварных сеток и каркасов, а также растянутых стержней вязаных каркасов и сеток внахлестку должны располагаться вразбежку. При этом площадь сечения рабочих стержней, стыкуемых в одном месте или на расстоянии менее длины перепуска ll, должна составлять не более 50% общей площади сечения растянутой арматуры.

Стержни должны располагаться по возможности без зазора, максимальное расстояние в свету между стыкуемыми стержнями не должно превышать 4d или 50мм.

Расстояние в свету между стыками, расположенными в разных местах по длине элемента, должно быть не менее 0,5 ll, или в осях стыков не менее 1,5 ll.

Соседние стыки внахлестку должны располагаться на расстоянии в свету не менее 2d и не менее 30 мм». Как все это донести до строителя? Я советую взять за основу рисунок 6 «Рекомендаций…» и привести на чертеже следующую схему:

Обратите внимание, величина нахлестки для рабочей арматуры в верхней и нижней зоне плиты отличается (см. коэффициент из таблицы 12 «Рекомендаций…»). В примере я привела схему для арматуры диаметром 12 мм.

Всегда обращайте внимание на то, что в одном сечении должно быть не более 50% стыков растянутых стержней арматуры. Иногда это требование очень сложно выполнить, особенно в стесненных обстоятельствах, и приходится менять диаметры стержней и их количество.

Вообще, советую Вам вдоль и поперек изучить рекомендации, прежде чем приступать к конструированию нахлестки в конкретной конструкции.

Еще хочу написать о стыковке арматуры в колоннах. Это специфическая тема, разгадка которой для меня еще не найдена. Как раньше, до введения проката по ДСТУ 3760, стыковали арматурные стержни по ГОСТ 5781? Вот рисунок из «Руководства по конструированию жбк»:

Из рисунка ясно, что половина стержней-выпусков выходят из перекрытия на длину нахлестки, вторая половина – на две длины нахлестки. Этим обеспечивается разбежка стыков – не более 50% в одном сечении. Но в гостовской арматуре были совсем другие длины нахлестки – в несколько раз меньше (!), чем для арматуры по ДСТУ 3760. Для примера глянем: для стержня по ДСТУ диаметром 20 мм в бетоне В25 величина нахлестки составляет 1630 мм (согласно расчету по «Рекомендациям…»). Две длины нахлестки – это уже 3260 мм (иногда, это меньше, чем высота этажа!). Что с этим делать, нормы молчат. Что с этим делают проектировщики? Либо выпускают все стержни на одну величину нахлестки (не скажу, что это верно), либо выбирают способ стыковки сваркой с накладками или методом опрессовки. Но все эти варианты нужно согласовывать с заказчиком – все-таки его деньги и его возможности.

Пожалуй, об особенностях стыковки арматуры в колоннах я расскажу в следующем выпуске. Успешного Вам проектирования!

С уважением, Ирина.

class="eliadunit"> Добавить комментарий

Стыковка арматуры муфтами или  нахлестам, сколько диаметр

Нахлест арматуры является самым простым и надежным способом соединения стержней между собой. Нахлест гарантирует длительную эксплуатацию любого бетонного сооружения. Несмотря на свою простоту, есть несколько моментов, которые нужно изучить перед началом работы. В СНиП есть отдельные пункты, посвященные соединению стержней арматуры, поэтому в этой статье мы пройдемся по основным положениям. Также стоит затронуть и другие способы стыковки стержней, с которыми стоит ознакомиться.

На фото показан процесс соединения арматуры.

 

Виды стыковки

Нормы и правила по соединению стержней арматуры описаны в СНиП, сегодня используется три вида: сварочные, механические соединения и нахлест. Со сварочными работами должно быть все понятно, что касается механических вариантов, то в этом случае соединение стержней происходит при помощи спрессованных или резьбовых муфт. Нас интересует нахлест арматуры, поэтому рассмотрим три вида этого соединения:

  • стержни с петлями, лапками или крюками – самый простой вид для работы своими руками;
  • арматура с прямыми концами приваркой или монтажом;
  • профильные прутья.

Нахлест применяется в том случае, если сечение стержней не превышает 40 мм. В документе ACI 318-05 сказано, что сечение должно быть не более 36 мм. Этот диапазон был выбран лишь потому, что не было зарегистрированных испытаний с использованием больших диаметров, соответственно, подтверждения безопасности соединения в СНиП нет.

Схема стыков. Здесь показано соединение для ленточного фундамента.

 

Основные положения СНиП

Правила и нормы строительства запрещают скреплять стержни в зонах приложения и местах, где на конструкцию действует максимальная загрузка. Монтаж стержней может осуществляться как с вязальной проволокой, так и без нее. Что касается арматуры, сечение которой составляет 25-30 миллиметров, то здесь специалисты рекомендуют использовать муфтовое или спрессованное соединения.

 

Между стержнями, которые будут идти внахлест, должно быть расстояние минимум 25 миллиметров и выше, тогда бетон сможет заполнить весь каркас будущего сооружения. Также нахлест может быть выполнен при помощи вязальной проволоки, в таком случае дистанция между стержнями можно быть равно 0. Наибольшее расстояние между прутьями необходимо выбирать так, чтобы оно не превышало 4-х диаметров арматурных элементов. Что касается расстояния между парами стыков, то при таком виде крепления оно должно быть не менее 30 миллиметров, но и не меньше двух диаметров.

Механический способ соединения

Схема армирования, где используются ребра жесткости. Под номером «1» указана армированная сетка, под номером «2» – вертикальные прутья.

 

 

Если прутья будут стыковаться при помощи механического соединения, то обязательным требованием будет наличие гидравлического пресса. Что касается материалов, то для этого процесса нужны прутья, а также резьбовая и прессованная муфты.

Технология механического соединения является одной из самых простых, проходит монтаж следующим образом:

  1. На стержень необходимо надеть муфту.
  2. Далее происходит обжим при помощи пресса.
  3. Для следующего стержня арматуры схема работы повторяется.

Как видите, процесс проходит достаточно быстро. В качестве альтернативы муфтам могут использоваться толстостенные трубы. Также применяются муфты с центральной перегородкой. Механическое соединение используется для прутьев разного диаметров, так как в работе участвует гидравлический пресс. Главный плюс этого способа для частного строительства заключается в том, что справить с монтажом можно своими руками. Вам не придется нанимать рабочих, так как прессом может работать даже начинающий строитель

 

Величины при перехлесте

Длина прутков в первую очередь зависит от сечения арматуры, поэтому определиться с выбором вам поможет следующая таблица, в которой собранны основные размеры по СНиП:

 

В СНиП также можно найти таблицы, где указана длина анкеровки, в зависимости от марки бетонной смеси. Длина может зависеть и от типа арматура (на растяжение или на сжатие). К примеру, для марки цементной смеси M450 длина составляет 20 сантиметров. Длина для бетона более низкого качества M250 будет уже 158 сантиметров.

На фото показана стыковка, здесь используется нахлест. Определить тип соединения для вашей конструкции должен профессионал, к примеру, для тяжелых конструкций лучше использовать муфтовое соединение.

 

Теперь вы знаете, сколько диаметров составляет минимальное расстояние и сколько составляет длина стержней, в зависимости от марки бетонной смеси. Осталось пройтись по нескольким важным пунктам СНиП:

  • Если используется нахлест, то в монтаже в обязательном порядке должны использоваться добавочные прутья – это обязательное требование СНиП;

Нахлест, где соединение имеет вид крестообразной формы, должен выполняться при помощи отожженной проволокой или хомутов.

Стыковка арматуры внахлёст |

Соединение, после которого соединяемая арматура соединяется в единую ровную линию, называют внахлест. Такое соединение предназначено для того, чтобы перераспределить растягивающие и сжимающие нагрузки. Этот метод соединения имеет следующие правила:

1. Места наименьшего напряжения конструкции – лучшее место для нахлеста.

2. Наложение отрезков арматуры друг на друга должно быть более 50 см. если стержень имеет диаметр 10 мм, то нахлест арматуры друг на друга должен быть не меньше полуметра.

3. Образующие нахлест отрезки арматуры должны быть близки друг к другу по максимуму, но не больше величины двух диаметров. Соединение арматуры внахлест осуществляется двумя способами: с помощью сварки и вязальной проволоки. Во время варки арматуры нужно максимально проплавить взаимно стыкуемые элементы. Вязку нужно проводить пластичной проволокой, которую нужно предварительно отжечь.

4. Если брать сечение по армируемому элементу, то на нахлест должно приходиться не более половины всех армируемых «нитей» в каждом из сечений. Другими словами: не допускайте рядом друг с другом несколько нахлестов.

 Правильное соединение перекрещивающейся арматуры

Перекрещивающуюся арматуру соединяют методом вязки или сварки. С помощью вязки соединяют любые размеры арматуры. Сваркой соединяют перекрестную арматуру сравнительно большого диаметра (более 20 мм). Пересечение стержней относительно больших диаметров позволяет создать при перекрестном соединении достаточную площадь для контакта.

Вязать или варить арматуру?

Арматура ГОСТ 5781 82 – термически прочный стержень. Во время сварки арматура нагревается. Локальный нагрев влияет на прочностные свойства в месте нагрева, ухудшая его. Поэтому логично, что вязка является более предпочтительным методом соединения. Связанная арматура не образует цельный контур – это нужно учитывать. Строительные нормы предусматривают наличие в арматурном каркасе целостных контуров. Их должно быть не меньше 1/6 от всего объёма. Если вы решили использовать сварку, то перед процессом арматура А500С должна быть очищена от загрязнений и ржавчины. Это обеспечит лучшую свариваемость.

В общем, выбор того или иного метода соединения арматуры нужно решать в зависимости от условия на строительной площадке.

Наша компания «СтальХолдинг» предлагает готовые арматурные каркасы и строительную арматуру различного типоразмера. У нас можно найти умеренные цены и выгодные условия сотрудничества. Позвоните нашим менеджерам, чтобы узнать о нас подробнее.

Статья о технологии стыковки арматуры

Арматурный каркас – важная составляющая фундаментов и других элементов построек. Он должен обеспечивать жесткость и прочность, для чего изготавливается конструкция в виде неразрывного контура. Перед началом работ важно определиться, чем стыковать арматуру, так как в современном строительстве применяется несколько способов ее стыковки.

Методы стыковки стержней арматуры

Как лучше стыковать арматуру – с помощью сварки, внахлест или механически, – зависит от множества факторов. Так, влияние оказывают: объем работы, наличие оборудования для стыковки арматуры и необходимости в экономии материала.

Стыковка арматуры сваркой может выполняться в нескольких вариантах – с протяженными и многослойными швами, а также точечной сваркой. Для этой цели, помимо сварочного аппарата, понадобятся щитки, защитные стекла, молоток, зубило, отвес и прочее оснащение, но самое главное в данном вопросе – квалификация и опыт сварщика. При выборе данного метода, нужно убедиться в том, что будет задействован материал, допускающий сваривание, например, арматура А500.

Стыковка арматуры прессованными и резьбовыми муфтами выполняется намного проще. Технология состоит из двух этапов: на стержень надевают муфту или толстостенную стальную трубу и обжимают ее гидравлическим прессом. Монтаж осуществляется быстро и не требует особых навыков.

Стыковка арматуры внахлест актуальна в тех случаях, когда соединять каркас сваркой не представляется возможным. В частности, если используется арматура А400, то ее прутья крепятся вязальной проволокой, профилем, крюками или лапками. Принцип соединения состоит в равномерном распределении нагрузки, для чего производятся специальные расчеты. Так, накладывать отрезки один на другой следует с учетом диаметра стержня: длина наложения должна быть больше 50 диаметров. Участки, где предполагается нахлест, следует располагать там, где наблюдается минимальное напряжение каркаса. Не стоит делать несколько нахлестов близко друг к другу.

Архитектура. Бытовая техника. Канализация. Лестницы. Мебель. Окна. Отопление. Ремонт. Строительство

Соединяя стальные пруты, армируя ленточный фундамент, у многих возникает естественный вопрос: как грамотно выполнить нахлест арматуры, и какова должна быть его длинна. Ведь правильная сборка металлического силового каркаса, позволит предотвратить деформацию и разрушение монолитной бетонной конструкции от воздействующих на нее нагрузок и увеличить безаварийный срок ее эксплуатации. Каковы технические особенности выполнения стыковых соединений, рассмотрим в данной статье.

Типы соединения арматуры внахлест

Согласно требованиям СНиП бетонное основание должно иметь не менее двух сплошных безразрывных контуров арматуры. Выполнить данное условие на практике позволяет стыковка армирующих прутов внахлест. При этом соединения в стыках могут быть нескольких типов:

  • Внахлестку без сварки
  • Сварные и механические соединения.

Первый вариант соединения широко используется в частном домостроении благодаря простоте исполнения, доступности и невысокой стоимости материалов. В данном случае применяется распространенный класс арматуры A400 AIII. Стыковка нахлеста арматурных стержней без использования сварки может осуществляться как с применением вязальной проволоки, так и без нее. Второй вариант чаще всего используется в промышленном домостроении.

Согласно строительным нормам и правилам соединение арматуры нахлестом при вязке и сварке предусматривает использование прутов диаметром до 40мм. Американский институт цемента ACI допускает использование стержней с максимальным сечением 36мм. Для армирующих прутьев, диаметр которых превышает указанные значения, использовать соединения внахлест не рекомендуется, по причине отсутствия экспериментальных данных.

Согласно строительной нормативной документации запрещено выполнять нахлест арматуры при вязке и сварке на участках максимального сосредоточения нагрузки и местах максимального напряжения металлических прутов.

Соединение нахлеста арматурных стержней сваркой

Для дачного строительства сварка нахлеста арматуры считается дорогим удовольствием, по причине высокой стоимости металлических стержней марки А400С или А500С. Они относятся к свариваемому классу. Что существенно повышает стоимость материалов. Использовать пруты без индекса «С», например: распространенный класс A400 AIII, недопустимо, так как при нагревании металл значительно теряет свою прочность и коррозионную стойкость.

Тем не менее, если Вы решили использовать стержни свариваемого класса (А400С, А500С, В500С), их соединения следует сваривать электродами 4…5 миллиметрового диаметра. Протяженность сварочного шва и самого нахлеста зависит от используемого класса арматуры.

Исходя из приведенных данных видно, что при использовании при вязке стальных прутов класса В400С величина нахлеста, соответственно и сварного шва, составит 10 диаметров свариваемой арматуры. Если для силового каркаса фундамента взяты стержни ᴓ12 мм, то протяженность шва составит 120 мм, что, по сути, будет соответствовать ГОСТу 14098 и 10922.

Согласно американским нормам нельзя сваривать перекрестия арматурных стержней. Действующие нагрузки на основание могут вызвать возможные разрывы, как самих прутьев, так и мест их соединения.

Соединение арматуры внахлест при вязке

В случаях использования распространенных прутов марки А400 АIII, что бы передать расчетные усилия от одного стержня другому используют способ соединения без сварки. При этом места нахлеста арматуры связывают специальной проволокой. Такой метод имеет свои особенности и к нему предъявляются особые требования.

Варианты нахлеста арматуры

В соответствие с действующим СНиП безсварочное соединение стержней при монтаже силового каркаса ЖБИ может производиться одним из следующих вариантов:

  • Накладка профильных стержней с прямыми концами;
  • Нахлест арматурного профиля с прямым окончанием с приваркой или монтажом на протяжении всего перепуска поперечно расположенных прутов;
  • С загнутыми окончаниями в виде крюков, петель и лапок.

Вязать такими соединениями можно профилированную арматуру диаметром до 40 миллиметров, хотя американский стандарт ACI-318-05 допускает к использованию стержни диаметром не более 36 мм.

Использование стержней с гладким профилем требует применять варианты нахлестного соединения либо путем приварки поперечной арматуры, либо использовать стержни с крюками и лапками.

Основные требования к выполнению соединений нахлестом

При выполнении вязки стыков арматуры нахлестом существуют определенные строительной документацией правила. Они определяют следующие параметры:

  • Величину накладки стержней;
  • Особенности расположения самих соединений в теле бетонируемой конструкции;
  • Местонахождение соседних перепусков относительно друг друга.

Учет этих правил позволяет создавать надежные железобетонные конструкции, и увеличивать срок их безаварийной работы. Теперь обо всем подробнее.

Где располагать при вязке нахлестные соединения арматуры

СНиП не допускает расположение мест вязки арматуры нахлестом в областях наибольшей нагрузки на них. Не рекомендуется располагать стыки и в местах, где стальные стержни испытывают максимальное напряжение. Все стыковочные соединения прутов лучше всего размещать в ненагруженных участках ЖБИ, где конструкция не испытывает напряжения. При заливке ленточного фундамента перепуски окончаний арматуры разносят в места с минимальным крутящим моментом и с минимальным изгибающим моментом.

В случае отсутствия технологической возможности выполнить данные условия, протяженность нахлеста армирующих стержней берется из расчета 90 диаметров стыкуемых прутов.

Какую делать величину нахлеста арматуры при вязке

Поскольку вязка арматуры внахлест определяется технической документацией, то там четко указана протяженность стыковочных соединений. При этом величины могут колебаться не только от диаметра используемых прутов, но и от таких показателей как:

  • Характер нагрузки;
  • Марка бетона;
  • Класс арматурной стали;
  • Мест соединения;
  • Назначения ЖБИ (горизонтальные плиты, балки или вертикальные колонны, пилоны и монолитные стены).

В целом же протяженность нахлеста прутов арматуры при вязке определяется влиянием усилий, возникающих в стержнях, воспринимаемых сил сцеплением с бетоном, воздействующими по всей длине стыка, и силами, оказывающими сопротивления в анкеровке армирующих прутов.

Основополагающим критерием при определении длинны напуска арматуры при вязке, берется ее диаметр.

Для удобства расчетов нахлеста армирующих стержней при вязке силового каркаса монолитного фундамента предлагаем воспользоваться таблицей с указанными величинами диаметра и их напуска. Практически все величины сводятся к 30-ти кратному диаметру применяемых стержней.

Величина напуска арматуры в диаметрах
Диаметр арматурной стали А400, мм Величина нахлеста
в диаметрах в мм
10 30 300 мм
12 31,6 380 мм
16 30 480 мм
18 32,2 580 мм
22 30,9 680 мм
25 30,4 760 мм
28 30,7 860 мм
32 30 960 мм
36 30,3 1090 мм

В зависимости от нагрузок и назначения железобетонных изделий длина нахлестных соединений стержневой стали изменяется в сторону увеличения:

В зависимости от марки бетона и характера нагрузки, применяемого для заливки монолитной ленты фундамента и прочих железобетонных элементов, минимальные рекомендуемые величины перепуска арматуры в процессе вязки будут следующими:

Для сжатого бетона
Диаметр армирующей стали А400 используемой в сжатом бетоне, мм
М250 (В20) М350 (В25) М400 (В30) М450 (В35)
10 355 305 280 250
12 430 365 335 295
16 570 490 445 395
18 640 550 500 445
22 785 670 560 545
25 890 765 695 615
28 995 855 780 690
32 1140 975 890 790
36 1420 1220 1155 985
Для растянутого бетона
Диаметр армирующей стали А400 используемой в растянутом бетоне, мм Длина нахлеста армирующих стержней для марок бетона (класс прочности бетона), в мм
М250 (В20) М350 (В25) М400 (В30) М450 (В35)
10 475 410 370 330
12 570 490 445 395
16 760 650 595 525
18 855 730 745 590
22 1045 895 895 275
25 1185 1015 930 820
28 1325 1140 1040 920
32 1515 1300 1185 1050
36 1895 1625 1485 1315

Как расположить друг относительно друга арматурные перепуски

Для увеличения прочности силового каркаса фундамента очень важно правильно располагать нахлесты арматуры относительно друг друга в обеих плоскостях тела бетона. СНиП и ACI рекомендуют разносить соединения, таким образом, чтоб в одном сечении было не более 50% перепусков. При этом расстояние разбежки, как определено в нормативных документах, должно быть не менее 130% длинны стыковочного соединения стержней.

Если центры нахлеста вязаной арматуры находятся в пределах указанной величины, то считается, что соединения стержней располагается в одном сечении.

Согласно нормам ACI 318-05 взаимное расположение стыковочных соединений должно находиться на расстоянии не менее 61 сантиметра. Если дистанция будет не соблюдена, то повышается вероятность деформации бетонного монолитного основания от нагрузок, оказываемых на него в процессе возведения здания и его последующей эксплуатации.

Длина нахлеста стержней арматуры при соединении (анкеровке) определяется из условий, по которым усилие, действующее в арматуре, должно быть воспринято силами сцепления арматуры с бетоном, действующими по длине анкеровки, и силами сопротивления соединения стержней арматуры. Нормы ACI 318-05 для анкеровки арматуры, работающей как на растяжение (нижний ряд армирования в ленточном фундаменте), так и на сжатие (верхний ряд арматуры) предусматривают нахлест стержней не менее 30 см [пункты 12.15.1 и 12.16.1]. В Международных строительных нормах [пункт R611.7.1.4 IBC/IRC 2003] минимальная длина нахлеста стержней определяется как 40 диаметров стрежней соединяемой арматуры. В справочном пособии «Нормативные требования к качеству строительных и монтажных работ» (СПб, 2002) в разделе 3.2 для арматуры А400 минимальный нахлест определен в 50 диаметров стержня арматуры. Величина нахлеста зависит и от класса (марки бетона: если для бетона класса В15 (M200) минимальный нахлест составляет 50d (диаметров арматуры), то при использовании бетона класса В20 (M250), нахлест можно уменьшить до 40d. Для бетона класса В25 (M300) минимальный нахлест равен 35d. Для арматуры А-I и А-II минимальный нахлест равен 40d. Всегда в расчетах принимается наименьший из диаметров стрежней соединяемой арматуры. Однако рекомендуемые расчетные значения нахлеста исходя из диаметра арматуры, класса бетона и других условий, могут оказаться значительно больше, чем минимально допустимые (в 2-3 и более раз). Более точные значения величин нахлеста стрежней арматуры при прямых свободных и связанных соединениях без сварки можно посмотреть в следующих таблицах: Таблица №50. Рекомендуемые величины нахлеста для соединяемых стрежней арматуры работающих на сжатие на основе требований разделов 12.3 и 12.16 ACI 318-05

*Расчеты выполнены компанией-поставщиком металлоизделий для промышленного строительстваDayton Superior (США). **Расчеты приведены для диаметров арматуры, принятых в США («имперские» размеры).

Например, для арматуры диаметром 12 мм расчетное значение длины нахлеста при максимальной нагрузке ряда на растяжение по нормам ACI 318-05 составляет 73 см при свободном соединении и 109 см при связанном соединении.

Класс бетона по прочности
В20 В25 В30 В35
Ближайшая марка бетона
М250 М350 М400 М450
Длина нахлеста стрежней, см
21,5
28,5 24,5 22,5
35,5 30,5
36,5 33,5 29,5
34,5
44,5 39,5
44,5
49,5
78,5 54,5
76,5 69,5 61,5
99,5 85,5
97,5
115,5 98,5
135,5 123,5 109,5
Ряд арматуры с максимальной нагрузкой на растяжение Другие ряды арматуры
Номинальный диаметр арматуры Межцентровое расстояние = 2 диаметрам арматуры или более (свободное соединение) Межцентровое расстояние меньше 2-х диаметров арматуры (связанное соединение)
Величина нахлеста арматуры, см
13** (12)
19** (18)
29** (30)

*Расчеты выполнены компанией-поставщиком комплектующих для промышленного строительстваDaytonSuperior (США).
**Расчеты приведены для диаметров арматуры, принятых в США («имперские» размеры).

Класс бетона по прочности
Диаметр арматуры класса А400, мм В20 В25 В30 В35
Ближайшая марка бетона
М250 М350 М400 М450
Длина нахлеста стрежней, см
28,5 24,5 22,5
32,5 26,5
47,5
44,5 39,5
66,5
59,5 52,5
85,5 74,5
81,5 81,5
104,5 89,5 89,5 72,5
118,5 101,5
132,5
151,5 118,5
189,5 162,5 148,5 131,5
201,5 180,5

*Расчеты выполнены специалистами компании поставщика металлоизделий ОАО «Инпром» и Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2010) на основании требований пособия по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий» (Москва, 2009).
Соединения соседних стержней арматуры должны быть разнесены минимум на 40 диаметров соединяемой арматуры или 1,5 длины нахлеста стержней, но не менее 61 см. В зоне стыковки нахлестом обязательно устанавливают дополнительную поперечную арматуру.
Крестообразные нахлесты стержней арматуры соединяются вязкой отожженной проволокой, пластиковыми фиксаторами [пункт 2.102 СНиП 3.03.01-87] или пластиковыми хомутами.

Соединение (анкеровка) арматуры с помощью стандартного крюка или лапки

Соединение арматуры с использованием стандартного крюка (загиб конца арматуры на угол 180° – арматура класса A-II) или лапки (загиб конца арматуры на угол 90° градусов – арматура класса A-III [таблица 5.2, Голышев, 1990] применяют для соединения арматуры периодического профиля, работающей преимущественно на растяжение. Лапки и крюки не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры [пункт 8.3.19 СП 52-101-2003].Максимальный угол изгиба не должен превышать 180°. Загнутый элемент арматуры усиливает скрепление стержня с бетоном.

Схема №24. Стандартный крюк и лапка для анкеровки арматуры, работающей на растяжение

Доброе утро!

Сегодня в Непрошеных советах я продолжу тему о рабочих швах бетонирования и стыковке арматуры. Точнее, о швах мы уже поговорили , теперь поговорим о стыковке.

Далеко не всегда на стройку попадает арматура нужной длины, в итоге встает вопрос о том, что ее нужно стыковать. Как и с вопросом о швах бетонирования, многие проектировщики пытаются игнорировать эту проблему и отдают принятие решения на откуп строителям. Все, кто так делает, подвергают риску проектируемую конструкцию.

Строитель не обязан знать о том, где стыковать арматуру. Он состыкует ее в самом удобном для него месте, но одновременно – в самом опасном месте для конструкции. В «Рекомендациях по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98 при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры» хорошо описаны требования (см. п. 2.3.3), парочку, особо важных, я приведу здесь:

1. «Стыки рабочей арматуры внахлестку не рекомендуется располагать в растянутой зоне изгибаемых и внецентренно растянутых элементов в зоне действия максимальных усилий и местах полного использования арматуры. Стыки рабочей арматуры внахлестку не допускаются в линейных элементах, сечение которых полностью растянуто». Поясню немного. Мы должны четко донести до строителя, где ему можно стыковать арматуру. Нельзя стыковать в растянутой зоне: то есть, нижнюю рабочую арматуру в плите, например, нельзя стыковать в середине пролета, а верхнюю – над опорами (для многопролетных плит). Именно там плита растянута, об этом нам и эпюра моментов говорит, и даже просто попытка представить, как изогнется перекрытие в процессе нагружения: какие его поверхности будут пытаться растянуться, а какие – сжаться. Очень просто сделать на чертеже вот такую схему:

Я привела пример для плиты перекрытия, но подобные схемы можно сделать для любой конструкции, арматура в которой заказана погонными метрами. Иногда проектировщик сразу задает раскладку стержней определенной длины с указанием мест стыковки. Здесь есть риск утонуть в переписке по согласованию все новых мест стыковки, т.к. у строителей может оказаться в наличии арматура совсем не предсказуемой длины. Величины L/4 и L/3 берутся из конкретного расчета и могут отличаться от приведенных мной.

2. «Стыки сварных сеток и каркасов, а также растянутых стержней вязаных каркасов и сеток внахлестку должны располагаться вразбежку. При этом площадь сечения рабочих стержней, стыкуемых в одном месте или на расстоянии менее длины перепуска l l , должна составлять не более 50% общей площади сечения растянутой арматуры.

Стержни должны располагаться по возможности без зазора, максимальное расстояние в свету между стыкуемыми стержнями не должно превышать 4d или 50мм.

Расстояние в свету между стыками, расположенными в разных местах по длине элемента, должно быть не менее 0,5 l l , или в осях стыков не менее 1,5 l l .

Соседние стыки внахлестку должны располагаться на расстоянии в свету не менее 2d и не менее 30 мм». Как все это донести до строителя? Я советую взять за основу рисунок 6 «Рекомендаций…» и привести на чертеже следующую схему:

Обратите внимание, величина нахлестки для рабочей арматуры в верхней и нижней зоне плиты отличается (см. коэффициент из таблицы 12 «Рекомендаций…»). В примере я привела схему для арматуры диаметром 12 мм.

Всегда обращайте внимание на то, что в одном сечении должно быть не более 50% стыков растянутых стержней арматуры. Иногда это требование очень сложно выполнить, особенно в стесненных обстоятельствах, и приходится менять диаметры стержней и их количество.

Вообще, советую Вам вдоль и поперек изучить рекомендации, прежде чем приступать к конструированию нахлестки в конкретной конструкции.

Еще хочу написать о стыковке арматуры в колоннах. Это специфическая тема, разгадка которой для меня еще не найдена. Как раньше, до введения проката по ДСТУ 3760, стыковали арматурные стержни по ГОСТ 5781? Вот рисунок из «Руководства по конструированию жбк»:

Из рисунка ясно, что половина стержней-выпусков выходят из перекрытия на длину нахлестки, вторая половина – на две длины нахлестки. Этим обеспечивается разбежка стыков – не более 50% в одном сечении. Но в гостовской арматуре были совсем другие длины нахлестки – в несколько раз меньше (!), чем для арматуры по ДСТУ 3760. Для примера глянем: для стержня по ДСТУ диаметром 20 мм в бетоне В25 величина нахлестки составляет 1630 мм (согласно расчету по «Рекомендациям…»). Две длины нахлестки – это уже 3260 мм (иногда, это меньше, чем высота этажа!). Что с этим делать, нормы молчат. Что с этим делают проектировщики? Либо выпускают все стержни на одну величину нахлестки (не скажу, что это верно), либо выбирают способ стыковки сваркой с накладками или методом опрессовки. Но все эти варианты нужно согласовывать с заказчиком – все-таки его деньги и его возможности.

Пожалуй, об особенностях стыковки арматуры в колоннах я расскажу в следующем выпуске. Успешного Вам проектирования!

С уважением, Ирина.

class="eliadunit">

Комментарии

1 2

0 #33 Иринa

Во время армирования фундамента или изготовления любого из видов армопояса практически у каждого человека возникает вопрос о том, какой должна быть длина нахлеста, и каким образом правильно его выполнить. Действительно, это имеет большое значение. Верно выполненная стыковка стальных прутьев делает более прочным соединение арматуры. Конструкция здания становится защищенной от различных видов деформаций и разрушений. Воздействие на фундамент сводится к минимуму. Как следствие - увеличивается безаварийный срок эксплуатации.

Нахлест арматуры при вязке – это самый простой и при этом по-настоящему надежный вариант соединения арматуры

Типы соединения

В действующих строительных нормах и правилах (СНиП) подробно описывается крепление арматуры всеми существующими в настоящее время способами. На сегодняшний день известны такие методы состыковки арматурных прутьев, как:

  • Стыки внахлест, выполненные без сварки:
  • нахлест при стыковке с помощью изогнутых деталей (петлей, лапок, крюков).
  • нахлест в соединениях прямых прутьев арматуры с поперечной фиксацией;
  • нахлест прямых концов прутьев.
  • Механические и сварные типы соединений встык:
  • с использованием сварочных аппаратов;
  • при помощи профессиональных механических агрегатов.

В требованиях СНиП сказано о том, что в бетонном основании необходимо устанавливать как минимум 2 неразрывных арматурных каркаса. Они выполняются фиксированием армирующих прутьев внахлест.
Вариант сплетения прутьев внахлест популярен в частном строительстве. И этому есть объяснение - такой способ доступен, а необходимые материалы имеют невысокую стоимость. Состыковать нахлест стержней арматуры без применения сварки можно с использованием вязальной проволоки.
Промышленное строительство чаще использует второй вариант соединения арматурных прутьев.
Строительными нормами допускается во время соединения арматуры внахлест применение прутьев разных сечений (диаметров). Но они не должны превышать 40 мм из-за отсутствия технических данных, подтвержденных исследованиями. В тех местах, где нагрузки максимальны, запрещается фиксация внахлест как при вязке, так и в случае использования сварки.

Соединение стержней сваркой

Нахлест арматуры с использованием сварки допускается только со стержнями марок А400С и А500С. Арматура этого класса считается свариваемой. Но стоимость таких стержней достаточно высока. Самый же распространенный класс - А400. Но его использование недопустимо, так как при его нагревании заметно сокращается прочность и устойчивость к коррозии.
Запрещается сваривать места, где есть перехлест арматуры, независимо от класса последней. Существует вероятность разрывов стержней при воздействии на них больших нагрузок. Так говорят зарубежные источники. В российских правилах разрешается использование дуговой электросварки этих мест, но размер диаметров не должен превышать 2,5 см.

Арматуру запрещено соединять в местах максимального напряжения стержней и зонах приложения (концентрированного) нагрузки на них

Длина сварочных швов и классов арматуры находятся в прямой зависимости. В работе используются электроды с сечением 4-5 мм. Длина нахлеста при проведении сварочных работ - менее 10 диаметров используемых прутьев, что соответствует требованиям регламентирующих ГОСТов 14098 и 10922.

Монтаж армопояса без применения сварочных работ

При проведении монтажа соединений внахлест при вязке используются прутья самой популярной марки - А400 AIII. Места, где выполнен перехлест, связываются вязальной проволокой. СНиП предъявляют особые требования при выборе такого способа связки.
Сколько есть вариантов фиксации прутьев без сварки?

Соединение арматуры:

  • перехлест конечных прутьев;
  • нахлест прутьев с прямыми концами с подваркой поперечных стержней;
  • с изогнутыми концами.

Если стержни имеют гладкий профиль, возможно применение только 2-го или 3-го вариантов.

Соединение арматуры не должно размещаться в местах концентрированного приложения нагрузки и местах наибольшего напряжения

Существенные требования к соединениям

Во время вязания соединений методом нахлеста без применения сварки правилами определяются некоторые параметры:

  • Длина накладки.
  • Особенности местонахождения узлов в конструкции.
  • Расположение перехлестов по отношению друг к другу.

Как уже было сказано, запрещается размещать арматуру, связанную внахлест, в местах наивысшей нагрузки и максимального напряжения. Располагаться они должны в тех местах железобетонного изделия, где отсутствует нагрузка, либо же она минимальна. Если такой технологической возможности нет, размер соединения выбирается из расчета - 90 сечений (диаметров) стыкующихся прутьев.
Технические нормы четко регламентируют, какими должны быть размеры таких соединений. Однако их величина может зависеть не только от сечения. На неё также влияют следующие критерии:

  • степень нагрузки;
  • марка используемого бетона;
  • класс арматуры;
  • расположение узлов соединения в конструкции;
  • место применения железобетонного изделия.

В тех случаях, когда используется вязальная проволока, дистанция между стержнями нередко принимается равной нулю

Основополагающим условием при выборе протяженности перехлеста является диаметр арматуры.
Следующая таблица может быть использована для удобного расчета размеров стыковки прутьев при вязании без применения метода сварки. Как правило, их размер подводится к 30-кратной величине сечения применяемой арматуры.

Сечение арматуры, см Размер нахлеста
В сантиметрах В миллиметрах
1 30 300
1,2 31,6 380
1,6 30 480
1,8 32,2 580
2,2 30,9 680
2,5 30,4 760
2,8 30,7 860
3,2 30 960
3,6 30,3 1090

Существуют также минимизированные величины связки прутьев внахлест. Они назначаются исходя из прочности бетона и степени давления.

Дистанция между арматурными стержнями, которые стыкуются нахлестом, в горизонтальном и вертикальном направлении обязана быть от 25 мм и выше

В сжатой зоне бетона:

Сечение арматуры (класс А400), см Класс бетона (прочность)
В/20 В/25 В/30 В/35
Марка бетона
М/250 М/350 М/400 М/450
Размер нахлеста (в сантиметрах)
1 35,5 30,5 28 25
1,2 43 36,5 33,5 29,5
1,6 57 49 44,5 39,5
1,8 64 55 50 44,5
2,2 78,5 67 56 54,5
2,5 89 76,5 69,5 61,5
2,8 99,5 85,5 78 69
3,2 114 97,5 89 79
3,6 142 122 115,5 98,5

При выполнении мероприятий, связанных с армированием бетонных конструкций, возникает необходимость соединить между собой арматурные стержни. При выполнении работ необходимо знать какой перехлёст арматуры, сколько диаметров по СНиП составляет величина перекрытия прутков. От правильно подобранной длины перехлеста, учитывающего площадь поперечного сечения арматуры, зависит прочность фундамента, или армопояса. Правильно выполненный расчет железобетонных элементов с учетом типа соединения обеспечивает долговечность и прочность объектов строительства.

Виды соединений между арматурными элементами

Желая разобраться с возможными вариантами стыковки арматурных прутков, многие мастера обращаются к требованиям действующих нормативных документов. Ведь удачно выполненное соединение обеспечивает требуемый запас прочности на сжатие и растяжение. Некоторые застройщики пытаются найти ответ согласно СНиП 2 01. Другие – изучают строительные нормы и правила под номером 52-101-2003, содержащие рекомендации по проектированию конструкций из железобетона, усиленного ненапряженной стальной арматурой.

В соответствии с требованиями действующих нормативных документов для усиления ненапряженных элементов применяется стальная арматура, в отличие от напряженных конструкций, где для армирования используются арматурные канаты классов К7 и выше. Остановимся на применяемых методах фиксации арматурных стержней.

В действующих строительных нормах и правилах (СНиП) подробно описывается крепление арматуры всеми существующими в настоящее время способами

Возможны следующие варианты:

  • соединение внахлест вязаных стержней без применения сварки. Фиксация осуществляется с использованием дополнительных стальных прутков изогнутой формы, повторяющих конфигурацию арматурного соединения. Допускается согласно СНиП выполнение нахлеста прямых стержней с поперечным креплением элементов при помощи вязальной проволоки или специальных хомутов.

Нахлест арматуры при вязке зависит от диаметра прутков. Залитые бетоном конструкции из вязаных прутков широко применяются в области частного домостроения. Застройщика привлекает простота технологии, легкость соединения и приемлемая стоимость стройматериалов;

  • фиксация арматурных прутков с помощью бытового электросварочного оборудования и профессиональных агрегатов. Технология соединения арматуры с помощью сварочных установок имеет определенные ограничения. Ведь в зоне сваривания возникают значительные внутренние напряжения, отрицательно влияющие на прочностные характеристики арматурных каркасов.

Выполнить перехлест арматурных прутков с помощью электросварки можно, используя арматуру определенных марок, например, А400С. Технология сваривания стальной арматуры в основном используется в области промышленного строительства.

Строительные нормы и правила содержат указание о необходимости усиления бетонного массива не менее, чем двумя цельными арматурными контурами. Для реализации указанного требования производится соединение стальных стержней с перекрытием. СНиП допускает использование стержней различных диаметров. При этом максимальный размер поперечного сечения прутка не должен превышать 4 см. СНиП запрещает производить соединение стержней внахлест с помощью вязальной проволоки и сварки в местах действия значительной нагрузки, расположенной вдоль или поперек оси.

К таковым относят механические и сварные соединения стыкового типа, а также стыки внахлест, выполняемые без сварки

Фиксация арматурных прутков электросваркой

Стыковка арматуры с использованием электрической сварки применяется в областях промышленного и специального строительства. При соединении с помощью электросварки важно добиться минимального расстояния между стержнями и зафиксировать элементы без зазора. Повышенная нагрузочная способность зоны соединения, растянутой от действия, достигается при использовании арматурных прутков с маркировкой А400С или А500С.

Профессиональные строители обращают внимание на следующие моменты:

  • недопустимость применения для сварных соединений распространенной арматуры с маркировкой А400. В результате нагрева значительно снижается прочность и повышается восприимчивость к воздействию коррозии;
  • повышенную вероятность нарушения целостности стержней под влиянием значительных нагрузок. Действующие правила разрешают применять электродуговую сварку для фиксации арматуры диаметром до 25 мм;
  • протяженность сварочного шва и класс применяемых прутков взаимосвязаны. Таблица нормативного документа содержит всю необходимую информацию о фиксации стержней с помощью электродуговой сварки.

Нормативный документ допускает при выполнении сварочных мероприятий применение электродов диаметром 0,4-0,5 см и регламентирует величину нахлеста, превышающую десять диаметров применяемых стержней.


Арматуру запрещено соединять в местах максимального напряжения стержней и зонах приложения (концентрированного) нагрузки на них

Соединение арматуры внахлест без сварки при монтаже армопояса

Используя популярные в строительстве стержни с маркировкой А400 AIII, несложно выполнить перехлест арматуры с применением отожженной проволоки для вязания.

  • соединение с перехлестом прямых концов арматурных стержней;
  • фиксация прутков внахлест с использованием дополнительных элементов усиления;
  • связывание стержней с выгнутыми в форме своеобразных петель или крюков концами.

С помощью проволоки для вязания допускается соединять арматуру профильного сечения диаметром до 4 см. Величина перехлеста возрастает пропорционально изменению диаметра стержней. Величина перекрытия прутков возрастает от 25 см (для прутков диаметром 0,6 см) до 158 см (для стержней диаметром 4 см). Величина перехлеста, согласно стандарту, должна превышать диаметр прутков в 35-50 раз. СНиП допускает применение винтовых муфт наравне с проволокой для вязания.


Дистанция между арматурными стержнями, которые стыкуются нахлестом, в горизонтальном и вертикальном направлении обязана быть от 25 мм и выше

Требования нормативных документов к арматурным соединениям

При соединении прутков вязальным методом важно учитывать ряд факторов:

  • взаимное расположение арматуры в пространственном каркасе;
  • особенности размещения участков с нахлестом относительно друг друга;
  • длину участка перехлеста, определяемую сечением стержня и маркой бетона.

При расположении участка с расположенными внахлест стержнями в зоне максимальной нагрузки, следует увеличить величину перехлеста до 90 диаметром соединяемых стержней. Строительные нормы четко указывают размеры стыковочных участков.

На длину стыка влияет не только диаметр поперечного сечения, но и следующие моменты:

  • величина действующей нагрузки;
  • марка применяемой бетонной смеси;
  • класс используемой стальной арматуры;
  • размещение стыковых узлов в пространственном каркасе;
  • назначение и область применения железобетонной продукции.

Следует обратить внимание, что величина нахлеста уменьшается при возрастании марки применяемого бетона.


В тех случаях, когда используется вязальная проволока, дистанция между стержнями нередко принимается равной нулю, так как в данной ситуации она зависит исключительно от высоты профильных выступов

Рассмотрим изменение величины нахлеста, воспринимающего сжимающие нагрузки, для арматуры класса А400 с диаметром 25 мм:

  • для бетона марки М250 стержни фиксируются с максимальным перехлестом, равным 890 мм;
  • бетонирование арматурной решетки раствором марки М350 позволяет уменьшить нахлест до 765 мм;
  • при возрастании марки применяемого бетона до М400 нахлест прутков уменьшается до 695 мм;
  • заливка арматурного каркаса бетонным раствором М450 позволяет уменьшить перехлест до 615 мм.

Для усилений растянутой зоны арматурного каркаса перехлест для указанной арматуры увеличен и составляет:

  • 1185 мм для бетона М200;
  • 1015 мм для бетона М350;
  • 930 мм для бетона М400;
  • 820 мм для бетона М450.

При выполнении мероприятий, связанных с армированием, важно правильно располагать участки нахлеста, и учитывать требования строительных норм и правил.

  • равномерно распределять соединения по всему арматурному каркасу;
  • выдерживать минимальное расстояние между стыками не менее 610 мм;
  • учитывать марку бетонного раствора и сечение арматурных стержней.

Соблюдение требований строительных норм гарантирует прочность и надёжность бетонных конструкций, усиленных арматурным каркасом. Детально изучив рекомендации СНиП, несложно самостоятельно подобрать требуемую величину перехлеста арматуры с учетом конструктивных особенностей железобетонного изделия. Рекомендации профессиональных строителей позволят не допустить ошибок.

Соединение арматуры без сварки: способы и типы

На сегодняшний день все нормы и правила, а также типы соединений арматуры прописаны в СНиП. Их четкое соблюдение позволяет свести на минимум риски дальнейшей эксплуатации несущих конструкций.

Различают четыре основных вида соединения арматуры: сварочный, соединения «внахлест», обжимные муфты и резьбовые механические соединения.

Виды соединений арматуры

1) Ванная и ванно-шовная сварка

Сущность ванного способа сварки заключается в том, что тепло свариваемым стержням передается не непосредственно под воздействием электрической дуги, а через ванну из жидкого металла. Эта ванна создается за счет расплавления металла электрода и частичного расплавления металла стержней у их торцов. Чтобы предупредить растекание расплавленного металла при сварке, применяют специальные стальные подкладки и накладки, а также инвентарные медные формы. Наплавленный в ванну металл соединяется с расплавленным металлом стержней и образует сварной стыковой шов; при этом стальная подкладка или накладка остается в готовом шве как часть стыка, а медную форму удаляют и используют многократно.

Ванношовная сварка, как способ равнопрочного стыкования строительной арматуры, не имеет перспектив уже в обозримом будущем ввиду наличия непреодолимых качественных ограничений по некоторым присущим ей параметрам, а именно:

  • Стоимость соединения;
  • Скорость подготовки соединения;
  • Объем и способ контроля;
  • Квалификация персонала
  • Тенденция к использованию термически упрочненной арматуры;

Муфтовые механические соединения Ancon обеспечивают аналогичное качество соединения, не имеют подобных ограничений и позволяют решить строительную задачу любой степени сложности.

2) Соединения «внахлестку»

Соединения «внахлестку» не всегда являются подходящим средством связывания арматуры. Такие способы соединения арматуры (вязка арматурных перепусков) не совсем выгодны – много времени уходит на вязку, что приводит к большему насыщению в бетоне из-за увеличения количества используемых стержней. Соединения «внахлестку» зависимы от бетона при передаче нагрузки. По этой причине любое ухудшение целостности бетона может существенно повлиять на характеристику соединения.

Механические соединения Ancon могут упростить конструкцию и изготовление армированного бетона и уменьшить количество требуемой арматуры. Прочность механического соединения не зависит от бетона, в котором оно размещено, и оно будет сохранять прочность, несмотря на потерю покрытия в результате ударного повреждения или при землетрясении.

3) Обжимные муфты для соединения арматуры

Принцип работы состоит в обжатии муфты из толстостенной стальной трубы и имеют ряд значительных недостатков:
  • Большие габаритные размеры, увеличение массы всей конструкции;
  • Необходимость узи или радиографического контроля на местах;
  • Гарантированная неповторяемость соединения, даже при работе с одной отливкой металлопроката;
  • Невыполнение требования деформативности;
  • Монтаж. Использование неповоротливых гидравлических прессов и насосных станций давления
  • Обжимное муфтовое соединение арматуры нельзя назвать технологией, которая повторяет заявленное качество вне зависимости от условий эксплуатации. Имеются случаи агрессивного поведения гидроприводов, которые норовят пробиться каску работающему персоналу и учинить травму на производстве.

    4) Резьбовые механические соединения арматуры Ancon

    Инновационное резьбовое соединение арматуры без сварки, благодаря множеству положительных моментов, быстро завоевала доминирующую позицию на соответствующем рынке и повсеместно используется для сооружения многоэтажных зданий, атомных и гидроэлектростанций, мостов и прочих массивных строительных объектов (I и II уровня ответственности).

    В отличие от устаревших методов (сварка, вязка), резьбовое соединение продольной арматуры без сварки используется с арматурными стержнями различного диаметра.

    Применение резьбовых соединений арматуры в монолитных конструкциях обеспечивает дополнительную прочность, а также экономит металлопрокат (до 20%). Технология также повышает сейсмостойкость и долговечность ЖБИ, одновременно уменьшая нагрузку на фундамент. Такие способы соединения арматуры позволяют сократить время монтажа, заметно снизив общие сроки строительства.

    Виды соединения арматуры Ancon


    Механическое соединение арматуры Ancon CXL с параллельной резьбой
    Муфты соедетельные для арматуры Ancon CXL предназначены для поперечного соединения несущей арматуры. Имеют самые малые габаритные размеры, в тоже время обеспечивают равнопрочное соединение строительной арматуры. Диаметры соединяемой арматуры – 12; 16; 20; 25; 28; 32; 36; 40; 50. для соединения прутков металлопроката разного диаметра возможны переходные муфты для арматуры.


    Стыковка арматуры Ancon TT с конической резьбой
    Муфты для механического соединения арматуры с конической резьбой разработаны для использования в подавляющем большинстве случаев, в которых необходимо выполнить соединение арматурных стержней. Муфты предназначены для установки на стержни диаметром от 12 до 50мм.


    Способ соединения арматуры Ancon MBT
    Безрезьбовые механические муфты предназначены для соединения неподготовленной арматуры диаметром от 10 до 40 мм. Арматура закрепляется внутри муфты при помощи двух фрикционных накладок и по мере затяжки срезных болтов их конические торцы врезаются в материал стержней. Муфты для стыковки арматуры МВТ особенно удобны в тех случаях, когда арматура уже установлена в конструкции.

    Технология монтажа

    Как правило, установка муфт на арматурные стержни с подготовленной резьбой выполняется на арматурном участке, и стыковые соединения арматуры закрываются пластиковыми колпачками.

    Нарезанные концы соединяемых арматурных стержней закрываются пластиковыми или резиновыми защитными колпачками.

    После того, как стержень будет наживлён на муфту, затягивание соединения выполняется ключом с регулированием предельного момента.

    Стыковка арматуры встык. Стыковка арматуры внахлестку – особенности и важные моменты

    При армировании бетона один из наиболее распространенных способов вязки арматуры - нахлест. Величина припусков определяется множеством факторов (места соединений, характер нагрузок, которые будет воспринимать конструкция, марка используемого бетона), но в большинстве случаев основополагающим является тип проволоки.

    Длина перехлеста

    Как правило, в качестве материала для создания армирующих конструкций выбирается рифленая арматура А3 или других марок сечением до 36 мм (в редких случаях используются прутки 40 мм), что и определяет протяженность нахлеста при ее вязке. Согласно СНиП эти значения не должны быть менее:

    • для арматуры ∅ 6 мм -250 мм;
    • для ∅ 10 - 300;
    • для ∅ 12 - 380;
    • для ∅ 16 - 480;
    • для ∅ 18 - 580;
    • для ∅ 22 - 680;
    • для ∅ 25 - 760;
    • для ∅ 28 - 860;
    • для ∅ 32 - 960;
    • для ∅ 36 - 1090;
    • для ∅ 40 - 1580.

    Нормативно-технической документацией нашей страны регламентируется среднее значение нахлеста в пределах 50 диаметров используемой арматуры. А в зависимости от марки применяемого бетона:

    • М300 - 35 диаметров;
    • М250 - 40;
    • М200 - не менее 50 сечений соединяемых элементов.

    Для соединения прутков диаметром более 25 мм специалисты советуют использовать винтовые муфты либо вязальную (отожженную) проволоку.

    Не допускается вязка арматуры в местах концентрированной нагрузки на стержни и максимального напряжения на них. Свободные соединения стержней допускаются только в предварительно ненапряженных конструкциях.

    Стыковка соседних стержней выполняется вразбежку - в одном сечении не должно соединяться свыше 50 % всех прутков. Дистанция между близлежащими стыковками не должна быть менее 610 мм.

    Крестообразные перехлесты необходимо соединять хомутами или вязальной проволокой. В местах анкеровки конструкция должна быть обязательно усилена дополнительной поперечной арматурой.

    Перехлесты элементов необходимо расположить в местах с минимальными крутящим и изгибающим моментами. Если это технологически невозможно, значение нахлеста устанавливается на уровне 90 диаметров соединяемой арматуры.

    Для более точного изучения всех норм и правил по вязке армирующих конструкций следует обратиться за помощью в соответствующую проектную документацию. Важно понимать, что четкое соблюдение предписаний - залог долговечной и безаварийной работы ЖБИ.

    Во время армирования фундамента или изготовления любого из видов армопояса практически у каждого человека возникает вопрос о том, какой должна быть длина нахлеста, и каким образом правильно его выполнить. Действительно, это имеет большое значение. Верно выполненная стыковка стальных прутьев делает более прочным соединение арматуры. Конструкция здания становится защищенной от различных видов деформаций и разрушений. Воздействие на фундамент сводится к минимуму. Как следствие - увеличивается безаварийный срок эксплуатации.

    Нахлест арматуры при вязке – это самый простой и при этом по-настоящему надежный вариант соединения арматуры

    Типы соединения

    В действующих строительных нормах и правилах (СНиП) подробно описывается крепление арматуры всеми существующими в настоящее время способами. На сегодняшний день известны такие методы состыковки арматурных прутьев, как:

    • Стыки внахлест, выполненные без сварки:
    • нахлест при стыковке с помощью изогнутых деталей (петлей, лапок, крюков).
    • нахлест в соединениях прямых прутьев арматуры с поперечной фиксацией;
    • нахлест прямых концов прутьев.
    • Механические и сварные типы соединений встык:
    • с использованием сварочных аппаратов;
    • при помощи профессиональных механических агрегатов.

    В требованиях СНиП сказано о том, что в бетонном основании необходимо устанавливать как минимум 2 неразрывных арматурных каркаса. Они выполняются фиксированием армирующих прутьев внахлест.
    Вариант сплетения прутьев внахлест популярен в частном строительстве. И этому есть объяснение - такой способ доступен, а необходимые материалы имеют невысокую стоимость. Состыковать нахлест стержней арматуры без применения сварки можно с использованием вязальной проволоки.
    Промышленное строительство чаще использует второй вариант соединения арматурных прутьев.
    Строительными нормами допускается во время соединения арматуры внахлест применение прутьев разных сечений (диаметров). Но они не должны превышать 40 мм из-за отсутствия технических данных, подтвержденных исследованиями. В тех местах, где нагрузки максимальны, запрещается фиксация внахлест как при вязке, так и в случае использования сварки.

    Соединение стержней сваркой

    Нахлест арматуры с использованием сварки допускается только со стержнями марок А400С и А500С. Арматура этого класса считается свариваемой. Но стоимость таких стержней достаточно высока. Самый же распространенный класс - А400. Но его использование недопустимо, так как при его нагревании заметно сокращается прочность и устойчивость к коррозии.
    Запрещается сваривать места, где есть перехлест арматуры, независимо от класса последней. Существует вероятность разрывов стержней при воздействии на них больших нагрузок. Так говорят зарубежные источники. В российских правилах разрешается использование дуговой электросварки этих мест, но размер диаметров не должен превышать 2,5 см.

    Арматуру запрещено соединять в местах максимального напряжения стержней и зонах приложения (концентрированного) нагрузки на них

    Длина сварочных швов и классов арматуры находятся в прямой зависимости. В работе используются электроды с сечением 4-5 мм. Длина нахлеста при проведении сварочных работ - менее 10 диаметров используемых прутьев, что соответствует требованиям регламентирующих ГОСТов 14098 и 10922.

    Монтаж армопояса без применения сварочных работ

    При проведении монтажа соединений внахлест при вязке используются прутья самой популярной марки - А400 AIII. Места, где выполнен перехлест, связываются вязальной проволокой. СНиП предъявляют особые требования при выборе такого способа связки.
    Сколько есть вариантов фиксации прутьев без сварки?

    Соединение арматуры:

    • перехлест конечных прутьев;
    • нахлест прутьев с прямыми концами с подваркой поперечных стержней;
    • с изогнутыми концами.

    Если стержни имеют гладкий профиль, возможно применение только 2-го или 3-го вариантов.

    Соединение арматуры не должно размещаться в местах концентрированного приложения нагрузки и местах наибольшего напряжения

    Существенные требования к соединениям

    Во время вязания соединений методом нахлеста без применения сварки правилами определяются некоторые параметры:

    • Длина накладки.
    • Особенности местонахождения узлов в конструкции.
    • Расположение перехлестов по отношению друг к другу.

    Как уже было сказано, запрещается размещать арматуру, связанную внахлест, в местах наивысшей нагрузки и максимального напряжения. Располагаться они должны в тех местах железобетонного изделия, где отсутствует нагрузка, либо же она минимальна. Если такой технологической возможности нет, размер соединения выбирается из расчета - 90 сечений (диаметров) стыкующихся прутьев.
    Технические нормы четко регламентируют, какими должны быть размеры таких соединений. Однако их величина может зависеть не только от сечения. На неё также влияют следующие критерии:

    • степень нагрузки;
    • марка используемого бетона;
    • класс арматуры;
    • расположение узлов соединения в конструкции;
    • место применения железобетонного изделия.

    В тех случаях, когда используется вязальная проволока, дистанция между стержнями нередко принимается равной нулю

    Основополагающим условием при выборе протяженности перехлеста является диаметр арматуры.
    Следующая таблица может быть использована для удобного расчета размеров стыковки прутьев при вязании без применения метода сварки. Как правило, их размер подводится к 30-кратной величине сечения применяемой арматуры.

    Сечение арматуры, см Размер нахлеста
    В сантиметрах В миллиметрах
    1 30 300
    1,2 31,6 380
    1,6 30 480
    1,8 32,2 580
    2,2 30,9 680
    2,5 30,4 760
    2,8 30,7 860
    3,2 30 960
    3,6 30,3 1090

    Существуют также минимизированные величины связки прутьев внахлест. Они назначаются исходя из прочности бетона и степени давления.

    Дистанция между арматурными стержнями, которые стыкуются нахлестом, в горизонтальном и вертикальном направлении обязана быть от 25 мм и выше

    В сжатой зоне бетона:

    Сечение арматуры (класс А400), см Класс бетона (прочность)
    В/20 В/25 В/30 В/35
    Марка бетона
    М/250 М/350 М/400 М/450
    Размер нахлеста (в сантиметрах)
    1 35,5 30,5 28 25
    1,2 43 36,5 33,5 29,5
    1,6 57 49 44,5 39,5
    1,8 64 55 50 44,5
    2,2 78,5 67 56 54,5
    2,5 89 76,5 69,5 61,5
    2,8 99,5 85,5 78 69
    3,2 114 97,5 89 79
    3,6 142 122 115,5 98,5

    Доброе утро!

    Сегодня в Непрошеных советах я продолжу тему о рабочих швах бетонирования и стыковке арматуры. Точнее, о швах мы уже поговорили , теперь поговорим о стыковке.

    Далеко не всегда на стройку попадает арматура нужной длины, в итоге встает вопрос о том, что ее нужно стыковать. Как и с вопросом о швах бетонирования, многие проектировщики пытаются игнорировать эту проблему и отдают принятие решения на откуп строителям. Все, кто так делает, подвергают риску проектируемую конструкцию.

    Строитель не обязан знать о том, где стыковать арматуру. Он состыкует ее в самом удобном для него месте, но одновременно – в самом опасном месте для конструкции. В «Рекомендациях по применению арматурного проката по ДСТУ 3760-98 при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры» хорошо описаны требования (см. п. 2.3.3), парочку, особо важных, я приведу здесь:

    1. «Стыки рабочей арматуры внахлестку не рекомендуется располагать в растянутой зоне изгибаемых и внецентренно растянутых элементов в зоне действия максимальных усилий и местах полного использования арматуры. Стыки рабочей арматуры внахлестку не допускаются в линейных элементах, сечение которых полностью растянуто». Поясню немного. Мы должны четко донести до строителя, где ему можно стыковать арматуру. Нельзя стыковать в растянутой зоне: то есть, нижнюю рабочую арматуру в плите, например, нельзя стыковать в середине пролета, а верхнюю – над опорами (для многопролетных плит). Именно там плита растянута, об этом нам и эпюра моментов говорит, и даже просто попытка представить, как изогнется перекрытие в процессе нагружения: какие его поверхности будут пытаться растянуться, а какие – сжаться. Очень просто сделать на чертеже вот такую схему:

    Я привела пример для плиты перекрытия, но подобные схемы можно сделать для любой конструкции, арматура в которой заказана погонными метрами. Иногда проектировщик сразу задает раскладку стержней определенной длины с указанием мест стыковки. Здесь есть риск утонуть в переписке по согласованию все новых мест стыковки, т.к. у строителей может оказаться в наличии арматура совсем не предсказуемой длины. Величины L/4 и L/3 берутся из конкретного расчета и могут отличаться от приведенных мной.

    2. «Стыки сварных сеток и каркасов, а также растянутых стержней вязаных каркасов и сеток внахлестку должны располагаться вразбежку. При этом площадь сечения рабочих стержней, стыкуемых в одном месте или на расстоянии менее длины перепуска l l , должна составлять не более 50% общей площади сечения растянутой арматуры.

    Стержни должны располагаться по возможности без зазора, максимальное расстояние в свету между стыкуемыми стержнями не должно превышать 4d или 50мм.

    Расстояние в свету между стыками, расположенными в разных местах по длине элемента, должно быть не менее 0,5 l l , или в осях стыков не менее 1,5 l l .

    Соседние стыки внахлестку должны располагаться на расстоянии в свету не менее 2d и не менее 30 мм». Как все это донести до строителя? Я советую взять за основу рисунок 6 «Рекомендаций…» и привести на чертеже следующую схему:

    Обратите внимание, величина нахлестки для рабочей арматуры в верхней и нижней зоне плиты отличается (см. коэффициент из таблицы 12 «Рекомендаций…»). В примере я привела схему для арматуры диаметром 12 мм.

    Всегда обращайте внимание на то, что в одном сечении должно быть не более 50% стыков растянутых стержней арматуры. Иногда это требование очень сложно выполнить, особенно в стесненных обстоятельствах, и приходится менять диаметры стержней и их количество.

    Вообще, советую Вам вдоль и поперек изучить рекомендации, прежде чем приступать к конструированию нахлестки в конкретной конструкции.

    Еще хочу написать о стыковке арматуры в колоннах. Это специфическая тема, разгадка которой для меня еще не найдена. Как раньше, до введения проката по ДСТУ 3760, стыковали арматурные стержни по ГОСТ 5781? Вот рисунок из «Руководства по конструированию жбк»:

    Из рисунка ясно, что половина стержней-выпусков выходят из перекрытия на длину нахлестки, вторая половина – на две длины нахлестки. Этим обеспечивается разбежка стыков – не более 50% в одном сечении. Но в гостовской арматуре были совсем другие длины нахлестки – в несколько раз меньше (!), чем для арматуры по ДСТУ 3760. Для примера глянем: для стержня по ДСТУ диаметром 20 мм в бетоне В25 величина нахлестки составляет 1630 мм (согласно расчету по «Рекомендациям…»). Две длины нахлестки – это уже 3260 мм (иногда, это меньше, чем высота этажа!). Что с этим делать, нормы молчат. Что с этим делают проектировщики? Либо выпускают все стержни на одну величину нахлестки (не скажу, что это верно), либо выбирают способ стыковки сваркой с накладками или методом опрессовки. Но все эти варианты нужно согласовывать с заказчиком – все-таки его деньги и его возможности.

    Пожалуй, об особенностях стыковки арматуры в колоннах я расскажу в следующем выпуске. Успешного Вам проектирования!

    С уважением, Ирина.

    class="eliadunit">

    Комментарии

    1 2

    0 #33 Иринa

    Верно рассчитанный нахлест арматуры при вязке влияет на итоговое качество конструкции. Надежность такого метода оспорить сложно, однако в процессе работы присутствуют определенные нюансы, при несоблюдении которых результат соединения может оказаться хрупким и недолговечным. Это также может повлиять на скорость затвердевания бетона, что сильно размягчит основание.

    Зачем необходимо соблюдать нормы нахлеста арматуры при вязке

    При заливке фундамента дома или при возведении любого другого бетонного сооружения (колонны или монолитного блока) насущным остается вопрос прочности и долговечности конструкции. При соблюдении всех строительных норм, дополнительный металлический каркас сильно укрепит конструкцию и сделает ее долговечной, а основание неподверженным влиянию природных условий и времени.

    В случае несоблюдения правил, фундамент дома может вскоре обвалиться, что приведет не только к потере большого количества материалов, но и к человеческим жертвам. Это связано с тем, что неверно рассчитанный нахлест арматуры ведет к незатвердеванию бетона в некоторых местах, что приводит к ослабеванию всей конструкции в целом. Для постройки крепкого и надежного каркаса используют несколько способов, в том числе вязку, для которой необходимо использовать нахлест.

    Величина нахлеста при соединении арматуры по СНИП

    Санитарные Нормы и Правила от 2003 года (сокращенно СНиП) описывают все виды соединений арматур, существующих на данный момент. Стыки внахлест создаются без использования сварочных аппаратов, этим они отличаются от механических (для которых используют муфты и специальное оборудование) и сварных (для которых соответственно нужен сварочный аппарат). Стыки внахлест существуют трех типов:

    1. Стержни с крюками, лапами (загибами) на концах.
    2. Стержни, у которых прямой конец (с приваркой или монтажом на пересечении арматур).
    3. Стержни с прямыми концами (профильные).

    Санитарные Нормы и Правила от 2003 года рекомендуют соединять внахлест арматуры сечением до 40 мм. В свою очередь, мировой аналог строительных норм, а именно ACI 318-05 утверждает максимальное допустимое значение сечения стержней 36 мм. Обусловлено это отсутствием доказательной базы надежности соединений большего диаметра, так как испытания не проводились. Также во время вязки, стоит оставлять определенное свободное пространство вокруг нахлеста.

    Надо учитывать, что минимальное расстояние, которое нужно оставить для запаса, как по горизонтали, так и по вертикали составляет 25 мм. Однако, если само сечение арматуры больше 25 мм, то и запас нужно рассчитывать, согласно шагу диаметра. Наибольшим расстоянием между элементами является 8 сечений стержня. Но при использовании в вязке проволоки расстояние сокращается до 4 сечений.

    Таблица нахлеста арматуры

    Величина напуска арматуры в мм
    Диаметр арматурной стали А400 Величина нахлеста
    10мм 300мм
    12мм 380мм
    16мм 480мм
    18мм 580мм
    22мм 680мм
    25мм 760мм
    28мм 860мм
    32мм 960мм
    36мм 1090мм

    Нахлест арматуры при разных условиях

    Места состыковки арматуры и расположение решетки должен определять проектировщик, а не строители. Так как общая картина проекта, а также знание о величине нагрузки в разных местах известны только ему. В противном случае конструкция может быть нарушена.

    Например, во время армирования колонны, следует придерживаться нескольких принципиально важных шагов:

    1. Выпуск необходимо согнуть на немного большую длину, чем сечение арматуры (для диаметра 16мм - это 20мм).
    2. Сгибать арматуру необходимо без нагрева, а с помощью специальных средств, которые смогут обеспечить нужный радиус загиба.
    3. Радиус загиба необходимо указать в проекте и сделать на нем акцент, так как строители вряд ли будут делать это без поручения.

    Нормы расхода арматуры на нахлест

    Необходимая длина стержней арматуры различается по нескольким критериям:

    1. Для арматуры работающей на сжатие, необходимая длина будет следующей. Так, для арматур диаметра 6 мм - длина 20-22см; 8мм - длина 20-29см; 10мм - длина 25-36см; 12мм - длина 30-43см; 14мм - длина 35-50см.
    2. Для арматур работающих на растяжение, требуемая длина нахлеста стержней должна быть больше. Например, для диаметра 6 мм - длина 20-29см; 8мм - длина 27-38см; 10мм - длина 33-48см; 12мм - длина 40-57см; 14мм - длина 46-67см.

    Чем выше класс бетона по прочности, тем меньше должна быть длина стержней для нахлеста. Исключениями являются только арматуры 20, 28 и 32 мм. При классе прочности бетона B35 длина стержней должна составлять 655, 920 и 1050 мм соответственно.

    Важные нюансы и требования для соединения вязкой

    Процесс соединения арматур с помощью проволоки кажется намного более легким, чем вариант со сваркой или же использование спрессованных муфт и специальных аппаратов. Однако он также имеет свои тонкости и нюансы. Надо учитывать, что не стоит соединять арматуры в местах с повышенной нагрузкой (например, углы зданий). Более того, желательно, чтобы в месте вязки нагрузки вообще не было. Если же технически нет возможности соблюсти это требование, то стоит пользоваться простой формулой: Размер соединения=90*Сечение используемых прутьев.

    Также необходимо обращать внимание на основные параметры:

    • длину накладки прута;
    • местонахождение соединения и особенности данного места;
    • расположение нахлестов по отношению друг к другу.

    Между соседними местами соединения стрежней арматуры должно быть расстояние, которое можно рассчитать по формуле: Расстояние=1.5*Длину нахлеста, однако получившаяся величина должна быть не меньше 61см.

    Также не стоит забывать, что размеры таких соединений регламентированы техническими нормами и нахлест зависит не столько от сечения арматур, сколько от:

    • марки бетона, который используется для заливки;
    • цели использования соединений;
    • класса эксплуатируемой арматуры;
    • нагрузки, оказываемой на основание.

    Факты, формулы и цифры, изложенные в СНиПе дают представление о том, как именно делать вязку арматур для построения крепкого и надежного каркаса. Эти знания необходимы владельцам дачных участков, которые хотят что-то построить своими силами.

    таблицы размеров стыковки всех диаметров по СНиП, правила соединения перехлеста

    Армирование – ответственная часть устройства всех монолитных конструкций, от которого зависит долговечного и надежного будущего строения. Процесс заключается в создании каркаса из металлических стержней. Он размещается в опалубку и заливается бетоном. Чтобы создать этот каркас, прибегают к вязке или сварочным работам. При этом большую роль при вязке играет правильно рассчитанный нахлест для арматуры. Если он недостаточный, то соединение окажется недостаточно прочным, а это сказывается на эксплуатационных характеристиках. Поэтому важно разобраться, какой именно делать нахлест при вязке.

    Виды соединений

    Существует два основных метода крепления арматуры, согласно строительным нормам и правилам (СНиП), а именно пункту 8.3.26 СП 52-101-2003. В нем прописано, что соединение стержней может выполняться следующими типами стыковки:

    1. Стыковка прутьев арматуры без сварки, внахлест.
      • внахлест с использованием деталей с загибами на концах (петли, лапки, крюки), для гладких прутьев используются исключительно петли и крючки;
      • внахлест с прямыми концами арматурных прутьев периодического профиля;
      • внахлест с прямыми концами арматурных прутьев с фиксацией поперечного типа.
    2. Механическое и сварное соединение.
      • при использовании сварочного аппарата;
      • с помощью профессионального механического агрегата.


    Требования СНиП указывают на то, что бетонное основание нуждается в установке минимум двух неразрывных каркасов из арматуры. Их делают посредством фиксации стержней внахлест. Для частного домостроения подобный способ используется чаще всего. Это связано с тем, что он доступный и дешевый. Созданием каркаса может заняться даже новичок, так как нужны сами прутья и мягкая вязальная проволока. Не нужно быть сварщиком и иметь дорогостоящее оборудование. А в промышленном производстве чаще всего встречается метод сварки.

    Обратите внимание! Пункт 8.3.27 гласит, что соединения арматуры внахлест без применения сварки, используется для стержней, рабочее сечение которых не превышает 40 мм. Места с максимальной нагрузкой, не должны фиксироваться внахлест вязкой или сваркой.

    Соединение прутьев методом сварки

    Нахлест стержней методом сварки используется исключительно с арматурой марки А400С и А500С. Только эти марки считаются свариваемыми. Это сказывается и на стоимости изделий, которая выше обычных. Одним из распространенных классов является класс А400. Но сращивание изделий ими недопустимо. Нагреваясь, материал становится менее прочным и теряет свою устойчивость к коррозии.

    В местах, где есть перехлест арматуры, сваривание запрещается, несмотря на класс стержней. Почему? Если верить зарубежным источникам, то есть большая вероятность разрыва места соединения, если на него будут воздействовать большие нагрузки. Что касается российских правил, то мнение следующее: использовать дуговую электросварку для стыковки разрешается, если размер диаметров не будет превышать 25 мм.

    Важно! Длина сварочного шва напрямую зависит от класса арматурного прута и его диаметра. Для работы используют электроды, сечение которых от 4 до 5 мм. Требования, регламентированные в ГОСТах 14098 и 10922, сообщают, что делать нахлест методом сварки можно длиной меньше 10 диаметров арматурных прутьев, используемых для работ.

    Стыковка арматуры методом вязки

    Это самый простой способ обеспечить надежную конструкцию из арматурных прутьев. Для этой работы используется самый популярный класс стержней, а именно, А400 AIII. Соединение арматуры внахлест без сварки выполняется посредством вязальной проволоки. Для этого два прутка приставляются друг к другу и обвязываются в нескольких местах проволокой. Как говорилось выше, согласно СНиП, есть 3 варианта фиксации арматурных прутьев вязкой. Фиксация прямыми концами периодического профиля, фиксация с прямыми концами поперечного типа, а также пользуясь деталями с загибами на концах.

    Выполнять соединение прутьев арматуры внахлест абы как нельзя. Существует ряд требований к этим соединениям, чтобы они не стали слабым местом всей конструкции. И дело не только в длине нахлеста, но и других моментах.

    Важные нюансы и требования для соединения вязкой

    Хоть процесс соединения прутьев с использованием проволоки проще, чем их соединение сварочным аппаратом, назвать его простым нельзя. Как любая работа, процесс требует четкого соблюдения правил и рекомендаций. Только тогда можно сказать, что армирование монолитной конструкции выполнено правильно. Занимаясь соединением арматуры с нахлестом методом вязки, следует обращать внимание на такие параметры:

    • длина накладки прута;
    • местонахождение места соединения в конструкции и его особенности;
    • как перехлесты расположены один к другому.

    Мы упоминали, что размешать арматурный стык, сделанный внахлест, на участке с самой высокой степенью нагрузки и напряжения нельзя. К этим участкам относятся и углы здания. Получается, что нужно правильно рассчитать места соединений. Их расположение должно приходиться на участки железобетонной конструкции, где нагрузка не оказывается, или же она минимальная. А что делать, если технически соблюсти это требование невозможно? В таком случае размер нахлеста прутьев зависит от того, сколько диаметров имеет арматура. Формула следующая: размер соединения равен 90 диаметров используемых прутьев. Например, если используется арматура Ø20 мм, то размер нахлеста на участке с высокой нагрузкой составляет 1800 мм.

    Однако техническими нормами четко регламентированы размеры подобных соединений. Нахлест зависит не только от диаметра прутьев, но и от других критериев:

    • класс используемой для работы арматуры;
    • какой марки бетон, используемый для заливки бетона;
    • для чего используется железобетонное основание;
    • степень оказываемой нагрузки.

    Нахлест при разных условиях

    Так какой же нахлест арматуры при вязке? Какие есть точные данные? Начнем с рассмотрения примеров. Первый фактор, от которого зависит нахлест – это диаметр прутьев. Наблюдается следующая закономерность: чем больше диаметр используемой арматуры, тем больше становится нахлест. Например, если используется арматура, диаметром 6 мм, то рекомендуемый нахлест составляет 250 мм. Это не означает, что для прутьев сечением в 10 мм он будет такой же. Обычно, используется 30-40 кратноя величина сечения арматуры.


    Пример стыковки арматуры 25 диаметра в балке, при помощи вязки. Величина перехлеста 40d=1000 мм.

    Итак, чтобы упростить задачу, используем специальную таблицу, где указан, какой нахлест используется для прутьев разного диаметра.

    С этими данными каждый сможет выполнить работу правильно. Но есть еще одна таблица, указывающая на нахлест при использовании сжатого бетона. Он зависит от класса используемого бетона. При этом чем выше класс, тем разбежка стыков арматуры меньше.

    В20 (М250) В25 (М350) В30 (М400) В35 (М450)
    10 355 305 280 250
    12 430 365 355 295
    16 570 490 455 395
    18 640 550 500 445
    22 785 670 560 545
    25 890 765 695 615
    28 995 855 780 690
    32 1140 975 890 790
    36 1420 1220 1155 985

    Что касается растянутой зоны бетона, то в отличие от сжатой зоны, нахлест будет еще больше. Как и в предыдущем случае, с увеличением марки раствора длина уменьшается.

    Сечение арматуры А400, которая используется для работы (мм) Длина нахлеста, в зависимости от марки бетона (мм)
    В20 (М250) В25 (М350) В30 (М400) В35 (М450)
    10 475 410 370 330
    12 570 490 445 395
    16 760 650 595 525
    18 855 730 745 590
    22 1045 895 895 775
    25 1185 1015 930 820
    28 1325 1140 1140 920
    32 1515 1300 1185 1050
    36 1895 1625 1485 1315

    Если правильно расположить нахлест друг относительно друга и сделать его нужной длины, то скелет основания получит значительные увеличения прочности. Соединения равномерно распределяются по всей конструкции.

    Согласно нормам и правилам (СНиП), минимальное расстояние между соединением должно составлять 61 см. Больше – лучше. Если не соблюдать эту дистанцию, то риск, что конструкция при сильных нагрузках и в ходе эксплуатации будет деформироваться, возрастает. Остается следовать рекомендациям, для создания качественного армирования.

    vseoarmature.ru

    Нахлест арматуры при вязке таблица

    Прочный и долговечный фундамент – это армированный фундамент. Но армирование – операция, требующая точности, и вязание стержней арматуры внахлест или встык требует знания длины прутьев. Лишние сантиметры арматурных прутьев способны деформировать фундамент при прикладываемых боковых нагрузках, нарушить его целостность и общую надежность. И наоборот - правильный монтаж армокаркаса позволит избежать деформирования и растрескивания бетонной ж/б плиты, увеличить срок службы и надежность фундамента. Знание технических особенностей, методов расчета длины прутьев, монтажа стыков и требований снип помогут в строительстве не единожды.


    Грамотный нахлест арматуры

    Нормативное основание и типы соединений

    Требования снип 52-101-2003 предполагают выполнение условий жесткости для механических и сварных соединений арматурных стержней, а также для соединений прутьев внахлест. Механические соединения арматурных стержней – это резьбовые и прессованные крепления. К строительным операциям, материалам и инструментам применяются не только российские СНИП и ГОСТ – мировая стандартизация ACI 318-05 утверждает нормативное сечение стержня для вязки ≤ 36 мм, в то время как документация внутреннего пользования на российском рынке позволяет увеличить сечение прута до 40 мм. Такое разногласие появилось из-за отсутствия соответствующих задокументированных испытаний арматуры с большим диаметром.


    Способы вязания арматурных прутьев

    Соединение прутьев арматуры не допускается на локальных участках с превышением допустимых нагрузок и прикладываемых напряжений. Соединение внахлест – это традиционно вязание армостержней мягкой стальной проволокой. Если для армирования фундамента применяется арматура Ø ≤ 25 мм, то практичнее и эффективнее будет использование опрессованных креплений или резьбовых муфт, чтобы повысить безопасность самого соединения и объекта в целом. К тому же винтовые и опрессованные соединения экономят материал - нахлест прутьев при вязании вызывает перерасход материала ≈ 25%.Строительные нормы и правила № 52-101-2003 регламентируют требования к прочности основания здания – фундамент должен иметь два или более неразрывных контура из арматурных прутьев. Чтобы реализовать это требование на практике, выполняется вязка прутьев внахлест по таким типам:

    1. Соединение внахлест без сварного шва;
    2. Соединение сваркой, резьбой или опрессовкой.

    Стык внахлест без сварки

    Стык без применения сварки чаще всего применяется в индивидуальном строительстве из-за доступности и дешевизны метода. Доступная и недорогая арматура для вязки каркаса – класса A400 AIII. Согласно ACI и СНиП не разрешается стыковать арматуру нахлестом в местах предельных нагрузок и на участках высокой напряженности для арматуры.

    Соединение армостержней свариванием

    Для частного строительства сваривание стержней арматуры нахлестом – это дорого, так как класс рекомендуется использовать свариваемый класс А400С или А500С арматуры. При применении прутьев без символа «С» в маркировке приведет к потере прочности и устойчивости к коррозии. Арматуру марки А400С - А500С следует сваривать электродами Ø 4-5 мм.

    Таким образом, согласно таблице, длина сварного шва при вязании стержней марки В400С должна быть 10 Ø прута. При использовании 12-миллиметровых стержней шов будет длиной 120 мм.


    Сварной стык внахлест

    Соединение внахлест вязанием

    Дешевый и распространенный класс арматуры для соединений без сварки - А400 АIII. Стыки скрепляются вязальной проволокой, к местам вязки предъявляются особые требования.

    Анкеровка или нахлест арматуры при вязке таблица значений которого приведена ниже для вязки в бетоне марки BIO с прочностью 560 кг/см 2 , предполагает использование определенных марок и классов армостержней с определенным типом металлообработки для определенных диаметров:


    Работа арматуры при сжатии и растяжении

    Механическая стыковка прутьев в каркасе для ж/б изделий проводится один из следующих способов:

    1. Наложением прямых стержней друг на друга;
    2. Нахлест прута с прямым концом со сваркой или механическим креплением на всем перепуске поперечных стержней;
    3. Механическое и сварное крепление стержней с загнутыми в виде крючков, петель и лап законцовками.

    Применение гладкой арматуры требует вязать ее внахлест или сваривать с поперечными прутьями каркаса.

    Требования к вязке прутьев внахлест:

    1. Необходимо вязать стержни с соблюдением длины наложения прутьев;
    2. Соблюдать нахождение мест вязки в бетоне и перепусков арматуры по отношению друг к другу;

    Соблюдение требований СНиП позволит эксплуатировать прочные ж/ плиты в фундаментах с большим и гарантированным сроком службы.


    Способы ручной вязки арматуры

    Местонахождение соединений арматуры внахлест

    Нормативные документы не разрешают располагать участки соединения арматуры ввязкой в местах предельных нагрузок и напряжений. Все стыки стержней рекомендуется располагать в железобетонных конструкциях с ненагруженными участками и без приложения напряжений. Для ленточных монолитных фундаментов участки перепуска концов прутьев нужно размещать в локальных участках с без приложения крутящих и изгибающих сил, или с минимальным их вектором. При невозможности выполнения этих требований, длина перепуска армостержней принимается как 90 Ø соединяемой арматуры.


    Расположение арматуры при вязке

    Общая длина всех вязаных перепусков в каркасе зависит от приложенных усилий к прутьям, уровня сцепления с бетоном и напряжений, возникающих по протяженности соединения, а также сил сопротивления в перехлестах армопрутьев. Главный параметр при расчете длины перепуска соединяемой арматуры – диаметр стержня.

    Калькулятор

    Таблица ниже позволяет без сложных расчетов определить нахлест армирующих прутьев при монтаже армирующего фундаментного каркаса. Почти все значения в таблице приводятся к Ø 30 связываемых армирующих стержней.

    Чтобы повысить прочность армокаркаса основания дома, нахлесты в арматуре необходимо правильно располагать по отношению друг к другу. причем контролировать размещение и в горизонтальной, и в вертикальной плоскости в бетоне. Российские и международные нормы и правила рекомендуют по этому поводу делать разнос связок, чтобы в одном разрезе находилось не более 50% нахлестов. Расстояние разнесения, определенное СНиП и ACI, не должно быть больше 130% всей длины стыков армирующих прутьев.


    Как располагать нахлесты прутьев

    Международные требования ACI 318-05 определяют разнесение стыков на расстояние ≥ 61 см. При превышении этого значения вероятность деформирования бетонного фундамента от напряжений и нагрузок значительно возрастает.

    jsnip.ru

    Сколько диаметров СНиП при перехлесте арматуры?

    Коментариев: 0

    Нахлест арматуры при вязке (СНиП)

    Во время армирования фундамента или изготовления любого из видов армопояса практически у каждого человека возникает вопрос о том, какой должна быть длина нахлеста, и каким образом правильно его выполнить. Действительно, это имеет большое значение. Верно выполненная стыковка стальных прутьев делает более прочным соединение арматуры. Конструкция здания становится защищенной от различных видов деформаций и разрушений. Воздействие на фундамент сводится к минимуму. Как следствие - увеличивается безаварийный срок эксплуатации.


    Нахлест арматуры при вязке – это самый простой и при этом по-настоящему надежный вариант соединения арматуры

    Типы соединения

    В действующих строительных нормах и правилах (СНиП) подробно описывается крепление арматуры всеми существующими в настоящее время способами. На сегодняшний день известны такие методы состыковки арматурных прутьев, как:

    • Стыки внахлест, выполненные без сварки:
    • нахлест при стыковке с помощью изогнутых деталей (петлей, лапок, крюков).
    • нахлест в соединениях прямых прутьев арматуры с поперечной фиксацией;
    • нахлест прямых концов прутьев.
    • Механические и сварные типы соединений встык:
    • с использованием сварочных аппаратов;
    • при помощи профессиональных механических агрегатов.

    В требованиях СНиП сказано о том, что в бетонном основании необходимо устанавливать как минимум 2 неразрывных арматурных каркаса. Они выполняются фиксированием армирующих прутьев внахлест.
    Вариант сплетения прутьев внахлест популярен в частном строительстве. И этому есть объяснение - такой способ доступен, а необходимые материалы имеют невысокую стоимость. Состыковать нахлест стержней арматуры без применения сварки можно с использованием вязальной проволоки.
    Промышленное строительство чаще использует второй вариант соединения арматурных прутьев.
    Строительными нормами допускается во время соединения арматуры внахлест применение прутьев разных сечений (диаметров). Но они не должны превышать 40 мм из-за отсутствия технических данных, подтвержденных исследованиями. В тех местах, где нагрузки максимальны, запрещается фиксация внахлест как при вязке, так и в случае использования сварки.

    Соединение стержней сваркой

    Нахлест арматуры с использованием сварки допускается только со стержнями марок А400С и А500С. Арматура этого класса считается свариваемой. Но стоимость таких стержней достаточно высока. Самый же распространенный класс - А400. Но его использование недопустимо, так как при его нагревании заметно сокращается прочность и устойчивость к коррозии.
    Запрещается сваривать места, где есть перехлест арматуры, независимо от класса последней. Существует вероятность разрывов стержней при воздействии на них больших нагрузок. Так говорят зарубежные источники. В российских правилах разрешается использование дуговой электросварки этих мест, но размер диаметров не должен превышать 2,5 см.


    Длина сварочных швов и классов арматуры находятся в прямой зависимости. В работе используются электроды с сечением 4-5 мм. Длина нахлеста при проведении сварочных работ - менее 10 диаметров используемых прутьев, что соответствует требованиям регламентирующих ГОСТов 14098 и 10922.

    Монтаж армопояса без применения сварочных работ

    При проведении монтажа соединений внахлест при вязке используются прутья самой популярной марки - А400 AIII. Места, где выполнен перехлест, связываются вязальной проволокой. СНиП предъявляют особые требования при выборе такого способа связки.
    Сколько есть вариантов фиксации прутьев без сварки?

    Соединение арматуры:

    • перехлест конечных прутьев;
    • нахлест прутьев с прямыми концами с подваркой поперечных стержней;
    • с изогнутыми концами.

    Если стержни имеют гладкий профиль, возможно применение только 2-го или 3-го вариантов.


    Соединение арматуры не должно размещаться в местах концентрированного приложения нагрузки и местах наибольшего напряжения

    Существенные требования к соединениям

    Во время вязания соединений методом нахлеста без применения сварки правилами определяются некоторые параметры:

    • Длина накладки.
    • Особенности местонахождения узлов в конструкции.
    • Расположение перехлестов по отношению друг к другу.

    Как уже было сказано, запрещается размещать арматуру, связанную внахлест, в местах наивысшей нагрузки и максимального напряжения. Располагаться они должны в тех местах железобетонного изделия, где отсутствует нагрузка, либо же она минимальна. Если такой технологической возможности нет, размер соединения выбирается из расчета - 90 сечений (диаметров) стыкующихся прутьев.
    Технические нормы четко регламентируют, какими должны быть размеры таких соединений. Однако их величина может зависеть не только от сечения. На неё также влияют следующие критерии:

    • степень нагрузки;
    • марка используемого бетона;
    • класс арматуры;
    • расположение узлов соединения в конструкции;
    • место применения железобетонного изделия.

    В тех случаях, когда используется вязальная проволока, дистанция между стержнями нередко принимается равной нулю

    Основополагающим условием при выборе протяженности перехлеста является диаметр арматуры.
    Следующая таблица может быть использована для удобного расчета размеров стыковки прутьев при вязании без применения метода сварки. Как правило, их размер подводится к 30-кратной величине сечения применяемой арматуры.

    Существуют также минимизированные величины связки прутьев внахлест. Они назначаются исходя из прочности бетона и степени давления.

    В сжатой зоне бетона:

    Класс бетона (прочность)
    В/20 В/25 В/30 В/35
    Марка бетона
    М/250 М/350 М/400 М/450
    1 35,5 30,5 28 25
    1,2 43 36,5 33,5 29,5
    1,6 57 49 44,5 39,5
    1,8 64 55 50 44,5
    2,2 78,5 67 56 54,5
    2,5 89 76,5 69,5 61,5
    2,8 99,5 85,5 78 69
    3,2 114 97,5 89 79
    3,6 142 122 115,5 98,5

    Перечень измерений на растянутой зоне бетона:

    Сечение арматуры (класс А400), см Класс бетона (прочность)
    В/20 В/25 В/30 В/35
    Марка бетона
    М/250 М/350 М/400 М/450
    Размер нахлеста (в сантиметрах)
    1 47,5 41 37 33,0
    1,2 57 49 44,5 39,5
    1,6 76 65 59,5 52,5
    1,8 85,5 73 74,5 59,0
    2,2 104,5 89,5 89,5 27,5
    2,5 118,5 101,5 93 82,0
    2,8 132,5 114 104 92,0
    3,2 151,5 130 118,5 105,0
    3,6 189,5 162,5 148,5 131,5

    Правильное расположение нахлеста касательно друг друга и всей конструкции имеет колоссальное значение для повышения прочности скелета фундамента.

    Соединения необходимо делать таким образом, чтобы они были равномерно распределены, и в каждом разрезе конструкции было сосредоточено не больше 50% связок. А промежуток между ними должен быть меньше 130% размера стыков армированных прутьев.

    Требования уже упомянутых выше строительных норм и правил (СНиП) гласят, что расстояние между стыковочными соединениями должно быть более 61 см. В случае несоблюдения такой дистанции бетонное основание может быть подвергнуто деформациям вследствие всех оказываемых на него нагрузок на этапе сооружения здания, а также во время его эксплуатации.

    Originally posted 2016-11-21 12:25:59.

    pobetony.ru

    Как грамотно сделать нахлест арматуры при вязке и сварке

    Соединяя стальные пруты, армируя ленточный фундамент, у многих возникает естественный вопрос: как грамотно выполнить нахлест арматуры, и какова должна быть его длинна. Ведь правильная сборка металлического силового каркаса, позволит предотвратить деформацию и разрушение монолитной бетонной конструкции от воздействующих на нее нагрузок и увеличить безаварийный срок ее эксплуатации. Каковы технические особенности выполнения стыковых соединений, рассмотрим в данной статье.

    Типы соединения арматуры внахлест

    Согласно требованиям СНиП бетонное основание должно иметь не менее двух сплошных безразрывных контуров арматуры. Выполнить данное условие на практике позволяет стыковка армирующих прутов внахлест. При этом соединения в стыках могут быть нескольких типов:

    • Внахлестку без сварки
    • Сварные и механические соединения.

    Первый вариант соединения широко используется в частном домостроении благодаря простоте исполнения, доступности и невысокой стоимости материалов. В данном случае применяется распространенный класс арматуры A400 AIII. Стыковка нахлеста арматурных стержней без использования сварки может осуществляться как с применением вязальной проволоки, так и без нее. Второй вариант чаще всего используется в промышленном домостроении.

    Согласно строительным нормам и правилам соединение арматуры нахлестом при вязке и сварке предусматривает использование прутов диаметром до 40мм. Американский институт цемента ACI допускает использование стержней с максимальным сечением 36мм. Для армирующих прутьев, диаметр которых превышает указанные значения, использовать соединения внахлест не рекомендуется, по причине отсутствия экспериментальных данных.

    Согласно строительной нормативной документации запрещено выполнять нахлест арматуры при вязке и сварке на участках максимального сосредоточения нагрузки и местах максимального напряжения металлических прутов.

    Соединение нахлеста арматурных стержней сваркой

    Для дачного строительства сварка нахлеста арматуры считается дорогим удовольствием, по причине высокой стоимости металлических стержней марки А400С или А500С. Они относятся к свариваемому классу. Что существенно повышает стоимость материалов. Использовать пруты без индекса «С», например: распространенный класс A400 AIII, недопустимо, так как при нагревании металл значительно теряет свою прочность и коррозионную стойкость.

    Тем не менее, если Вы решили использовать стержни свариваемого класса (А400С, А500С, В500С), их соединения следует сваривать электродами 4…5 миллиметрового диаметра. Протяженность сварочного шва и самого нахлеста зависит от используемого класса арматуры.

    Исходя из приведенных данных видно, что при использовании при вязке стальных прутов класса В400С величина нахлеста, соответственно и сварного шва, составит 10 диаметров свариваемой арматуры. Если для силового каркаса фундамента взяты стержни ᴓ12 мм, то протяженность шва составит 120 мм, что, по сути, будет соответствовать ГОСТу 14098 и 10922.

    Согласно американским нормам нельзя сваривать перекрестия арматурных стержней. Действующие нагрузки на основание могут вызвать возможные разрывы, как самих прутьев, так и мест их соединения.

    Соединение арматуры внахлест при вязке

    В случаях использования распространенных прутов марки А400 АIII, что бы передать расчетные усилия от одного стержня другому используют способ соединения без сварки. При этом места нахлеста арматуры связывают специальной проволокой. Такой метод имеет свои особенности и к нему предъявляются особые требования.


    Варианты нахлеста арматуры

    В соответствие с действующим СНиП безсварочное соединение стержней при монтаже силового каркаса ЖБИ может производиться одним из следующих вариантов:

    • Накладка профильных стержней с прямыми концами;
    • Нахлест арматурного профиля с прямым окончанием с приваркой или монтажом на протяжении всего перепуска поперечно расположенных прутов;
    • С загнутыми окончаниями в виде крюков, петель и лапок.

    Вязать такими соединениями можно профилированную арматуру диаметром до 40 миллиметров, хотя американский стандарт ACI-318-05 допускает к использованию стержни диаметром не более 36 мм.

    Использование стержней с гладким профилем требует применять варианты нахлестного соединения либо путем приварки поперечной арматуры, либо использовать стержни с крюками и лапками.

    Основные требования к выполнению соединений нахлестом

    При выполнении вязки стыков арматуры нахлестом существуют определенные строительной документацией правила. Они определяют следующие параметры:

    • Величину накладки стержней;
    • Особенности расположения самих соединений в теле бетонируемой конструкции;
    • Местонахождение соседних перепусков относительно друг друга.

    Учет этих правил позволяет создавать надежные железобетонные конструкции, и увеличивать срок их безаварийной работы. Теперь обо всем подробнее.

    Где располагать при вязке нахлестные соединения арматуры

    СНиП не допускает расположение мест вязки арматуры нахлестом в областях наибольшей нагрузки на них. Не рекомендуется располагать стыки и в местах, где стальные стержни испытывают максимальное напряжение. Все стыковочные соединения прутов лучше всего размещать в ненагруженных участках ЖБИ, где конструкция не испытывает напряжения. При заливке ленточного фундамента перепуски окончаний арматуры разносят в места с минимальным крутящим моментом и с минимальным изгибающим моментом.

    В случае отсутствия технологической возможности выполнить данные условия, протяженность нахлеста армирующих стержней берется из расчета 90 диаметров стыкуемых прутов.

    Какую делать величину нахлеста арматуры при вязке

    Поскольку вязка арматуры внахлест определяется технической документацией, то там четко указана протяженность стыковочных соединений. При этом величины могут колебаться не только от диаметра используемых прутов, но и от таких показателей как:

    • Характер нагрузки;
    • Марка бетона;
    • Класс арматурной стали;
    • Мест соединения;
    • Назначения ЖБИ (горизонтальные плиты, балки или вертикальные колонны, пилоны и монолитные стены).

    Сращивание арматурных стержней при выполнении нахлеста

    В целом же протяженность нахлеста прутов арматуры при вязке определяется влиянием усилий, возникающих в стержнях, воспринимаемых сил сцеплением с бетоном, воздействующими по всей длине стыка, и силами, оказывающими сопротивления в анкеровке армирующих прутов.

    Основополагающим критерием при определении длинны напуска арматуры при вязке, берется ее диаметр.

    Для удобства расчетов нахлеста армирующих стержней при вязке силового каркаса монолитного фундамента предлагаем воспользоваться таблицей с указанными величинами диаметра и их напуска. Практически все величины сводятся к 30-ти кратному диаметру применяемых стержней.

    В зависимости от нагрузок и назначения железобетонных изделий длина нахлестных соединений стержневой стали изменяется в сторону увеличения:

    В зависимости от марки бетона и характера нагрузки, применяемого для заливки монолитной ленты фундамента и прочих железобетонных элементов, минимальные рекомендуемые величины перепуска арматуры в процессе вязки будут следующими:

    Для сжатого бетона
    Диаметр армирующей стали А400 используемой в сжатом бетоне, мм
    М250 (В20) М350 (В25) М400 (В30) М450 (В35)
    10 355 305 280 250
    12 430 365 335 295
    16 570 490 445 395
    18 640 550 500 445
    22 785 670 560 545
    25 890 765 695 615
    28 995 855 780 690
    32 1140 975 890 790
    36 1420 1220 1155 985
    Для растянутого бетона
    Диаметр армирующей стали А400 используемой в растянутом бетоне, мм Длина нахлеста армирующих стержней для марок бетона (класс прочности бетона), в мм
    М250 (В20) М350 (В25) М400 (В30) М450 (В35)
    10 475 410 370 330
    12 570 490 445 395
    16 760 650 595 525
    18 855 730 745 590
    22 1045 895 895 275
    25 1185 1015 930 820
    28 1325 1140 1040 920
    32 1515 1300 1185 1050
    36 1895 1625 1485 1315
    Как расположить друг относительно друга арматурные перепуски

    Для увеличения прочности силового каркаса фундамента очень важно правильно располагать нахлесты арматуры относительно друг друга в обеих плоскостях тела бетона. СНиП и ACI рекомендуют разносить соединения, таким образом, чтоб в одном сечении было не более 50% перепусков. При этом расстояние разбежки, как определено в нормативных документах, должно быть не менее 130% длинны стыковочного соединения стержней.


    Взаимное расположение арматурных перепусков в теле бетона

    Если центры нахлеста вязаной арматуры находятся в пределах указанной величины, то считается, что соединения стержней располагается в одном сечении.

    Согласно нормам ACI 318-05 взаимное расположение стыковочных соединений должно находиться на расстоянии не менее 61 сантиметра. Если дистанция будет не соблюдена, то повышается вероятность деформации бетонного монолитного основания от нагрузок, оказываемых на него в процессе возведения здания и его последующей эксплуатации.

    postroim-dachu.ru

    Перехлест арматуры: сколько диаметров по СНиП

    При выполнении мероприятий, связанных с армированием бетонных конструкций, возникает необходимость соединить между собой арматурные стержни. При выполнении работ необходимо знать какой перехлёст арматуры, сколько диаметров по СНиП составляет величина перекрытия прутков. От правильно подобранной длины перехлеста, учитывающего площадь поперечного сечения арматуры, зависит прочность фундамента, или армопояса. Правильно выполненный расчет железобетонных элементов с учетом типа соединения обеспечивает долговечность и прочность объектов строительства.

    Виды соединений между арматурными элементами

    Желая разобраться с возможными вариантами стыковки арматурных прутков, многие мастера обращаются к требованиям действующих нормативных документов. Ведь удачно выполненное соединение обеспечивает требуемый запас прочности на сжатие и растяжение. Некоторые застройщики пытаются найти ответ согласно СНиП 2 01. Другие – изучают строительные нормы и правила под номером 52-101-2003, содержащие рекомендации по проектированию конструкций из железобетона, усиленного ненапряженной стальной арматурой.

    В соответствии с требованиями действующих нормативных документов для усиления ненапряженных элементов применяется стальная арматура, в отличие от напряженных конструкций, где для армирования используются арматурные канаты классов К7 и выше. Остановимся на применяемых методах фиксации арматурных стержней.

    В действующих строительных нормах и правилах (СНиП) подробно описывается крепление арматуры всеми существующими в настоящее время способами

    Возможны следующие варианты:

    • соединение внахлест вязаных стержней без применения сварки. Фиксация осуществляется с использованием дополнительных стальных прутков изогнутой формы, повторяющих конфигурацию арматурного соединения. Допускается согласно СНиП выполнение нахлеста прямых стержней с поперечным креплением элементов при помощи вязальной проволоки или специальных хомутов.

    Нахлест арматуры при вязке зависит от диаметра прутков. Залитые бетоном конструкции из вязаных прутков широко применяются в области частного домостроения. Застройщика привлекает простота технологии, легкость соединения и приемлемая стоимость стройматериалов;

    • фиксация арматурных прутков с помощью бытового электросварочного оборудования и профессиональных агрегатов. Технология соединения арматуры с помощью сварочных установок имеет определенные ограничения. Ведь в зоне сваривания возникают значительные внутренние напряжения, отрицательно влияющие на прочностные характеристики арматурных каркасов.

    Выполнить перехлест арматурных прутков с помощью электросварки можно, используя арматуру определенных марок, например, А400С. Технология сваривания стальной арматуры в основном используется в области промышленного строительства.

    Строительные нормы и правила содержат указание о необходимости усиления бетонного массива не менее, чем двумя цельными арматурными контурами. Для реализации указанного требования производится соединение стальных стержней с перекрытием. СНиП допускает использование стержней различных диаметров. При этом максимальный размер поперечного сечения прутка не должен превышать 4 см. СНиП запрещает производить соединение стержней внахлест с помощью вязальной проволоки и сварки в местах действия значительной нагрузки, расположенной вдоль или поперек оси.

    К таковым относят механические и сварные соединения стыкового типа, а также стыки внахлест, выполняемые без сварки

    Фиксация арматурных прутков электросваркой

    Стыковка арматуры с использованием электрической сварки применяется в областях промышленного и специального строительства. При соединении с помощью электросварки важно добиться минимального расстояния между стержнями и зафиксировать элементы без зазора. Повышенная нагрузочная способность зоны соединения, растянутой от действия, достигается при использовании арматурных прутков с маркировкой А400С или А500С.

    Профессиональные строители обращают внимание на следующие моменты:

    • недопустимость применения для сварных соединений распространенной арматуры с маркировкой А400. В результате нагрева значительно снижается прочность и повышается восприимчивость к воздействию коррозии;
    • повышенную вероятность нарушения целостности стержней под влиянием значительных нагрузок. Действующие правила разрешают применять электродуговую сварку для фиксации арматуры диаметром до 25 мм;
    • протяженность сварочного шва и класс применяемых прутков взаимосвязаны. Таблица нормативного документа содержит всю необходимую информацию о фиксации стержней с помощью электродуговой сварки.

    Нормативный документ допускает при выполнении сварочных мероприятий применение электродов диаметром 0,4-0,5 см и регламентирует величину нахлеста, превышающую десять диаметров применяемых стержней.

    Арматуру запрещено соединять в местах максимального напряжения стержней и зонах приложения (концентрированного) нагрузки на них

    Соединение арматуры внахлест без сварки при монтаже армопояса

    Используя популярные в строительстве стержни с маркировкой А400 AIII, несложно выполнить перехлест арматуры с применением отожженной проволоки для вязания.

    • соединение с перехлестом прямых концов арматурных стержней;
    • фиксация прутков внахлест с использованием дополнительных элементов усиления;
    • связывание стержней с выгнутыми в форме своеобразных петель или крюков концами.

    С помощью проволоки для вязания допускается соединять арматуру профильного сечения диаметром до 4 см. Величина перехлеста возрастает пропорционально изменению диаметра стержней. Величина перекрытия прутков возрастает от 25 см (для прутков диаметром 0,6 см) до 158 см (для стержней диаметром 4 см). Величина перехлеста, согласно стандарту, должна превышать диаметр прутков в 35-50 раз. СНиП допускает применение винтовых муфт наравне с проволокой для вязания.

    Дистанция между арматурными стержнями, которые стыкуются нахлестом, в горизонтальном и вертикальном направлении обязана быть от 25 мм и выше

    Требования нормативных документов к арматурным соединениям

    При соединении прутков вязальным методом важно учитывать ряд факторов:

    • взаимное расположение арматуры в пространственном каркасе;
    • особенности размещения участков с нахлестом относительно друг друга;
    • длину участка перехлеста, определяемую сечением стержня и маркой бетона.

    При расположении участка с расположенными внахлест стержнями в зоне максимальной нагрузки, следует увеличить величину перехлеста до 90 диаметром соединяемых стержней. Строительные нормы четко указывают размеры стыковочных участков.

    На длину стыка влияет не только диаметр поперечного сечения, но и следующие моменты:

    • величина действующей нагрузки;
    • марка применяемой бетонной смеси;
    • класс используемой стальной арматуры;
    • размещение стыковых узлов в пространственном каркасе;
    • назначение и область применения железобетонной продукции.

    Следует обратить внимание, что величина нахлеста уменьшается при возрастании марки применяемого бетона.

    В тех случаях, когда используется вязальная проволока, дистанция между стержнями нередко принимается равной нулю, так как в данной ситуации она зависит исключительно от высоты профильных выступов

    Рассмотрим изменение величины нахлеста, воспринимающего сжимающие нагрузки, для арматуры класса А400 с диаметром 25 мм:

    • для бетона марки М250 стержни фиксируются с максимальным перехлестом, равным 890 мм;
    • бетонирование арматурной решетки раствором марки М350 позволяет уменьшить нахлест до 765 мм;
    • при возрастании марки применяемого бетона до М400 нахлест прутков уменьшается до 695 мм;
    • заливка арматурного каркаса бетонным раствором М450 позволяет уменьшить перехлест до 615 мм.

    Для усилений растянутой зоны арматурного каркаса перехлест для указанной арматуры увеличен и составляет:

    • 1185 мм для бетона М200;
    • 1015 мм для бетона М350;
    • 930 мм для бетона М400;
    • 820 мм для бетона М450.

    При выполнении мероприятий, связанных с армированием, важно правильно располагать участки нахлеста, и учитывать требования строительных норм и правил.

    • равномерно распределять соединения по всему арматурному каркасу;
    • выдерживать минимальное расстояние между стыками не менее 610 мм;
    • учитывать марку бетонного раствора и сечение арматурных стержней.

    Соблюдение требований строительных норм гарантирует прочность и надёжность бетонных конструкций, усиленных арматурным каркасом. Детально изучив рекомендации СНиП, несложно самостоятельно подобрать требуемую величину перехлеста арматуры с учетом конструктивных особенностей железобетонного изделия. Рекомендации профессиональных строителей позволят не допустить ошибок.

    pobetony.expert

    Стыковка арматуры внахлест - правила и особенности

    Стыки стержней арматуры могут выполняться:

    • при помощи электросварки (контактной или дуговой)
    • либо без сварки - внахлестку.

    Выбор типа стыка следует производить, сообразуясь с имеющимся оборудованием, видом арматуры, диаметром стержней, расположением стержней в конструкции, назначением конструкции и удобством укладки бетона.

    Процесс соединения арматуры, в результате которого получается непрерывное армирование, называется стыковкой.


    Схема армирования стыков ленточного фундамента.

    В современном строительстве существуют разные способы соединения арматуры:

    • механический;
    • при помощи сварки;
    • внахлест без применения сварки.

    Преимущества механической стыковки

    Данный способ является наиболее выгодным, соответственно, и наиболее часто используемым. Если сравнить процесс механического соединения арматуры со стыковкой арматуры внахлест, то главное преимущество здесь заключается в том, что не происходит значительная потеря материала. Стыковка внахлест приводит к потере определенного количества арматуры (примерно 27%).

    Если сравнивать механическое соединение арматуры со стыковкой при помощи сварки, то в этом случае выигрывает скорость работы, на которую затрачивается намного меньше времени. К тому же, сварку должны выполнять только профессиональные сварщики, чтобы избежать некачественной работы, которая в будущем способна привести к негативным последствиям. В итоге, если проводить механическую стыковку, можно значительно сэкономить на оплате труда квалифицированных мастеров.

    Еще в результате такого способа соединения получается достаточно прочная конструкция. Получить равнопрочное соединение, используя этот метод, можно при различных погодных условиях и в любое время года.

    Установка

    Dolly Docking с использованием обучения с подкреплением - документация ISAAC 2021.1

    Примечание

    Это экспериментальное приложение, в котором можно ожидать значительных изменений. от версии к версии.

    Цель приложения Dolly Docking - научить робота перемещаться под тележкой, помещенной в зоне прямой видимости робота с помощью глубокой нейронной сети (DNN). Вход в DNN история сетки занятости окружающей среды перед роботом вместе с целью векторы позы, скорости и ускорения.Результатом нейронной сети является профиль скорости для следующие три временных шага.

    Это приложение представляет собой справочник по модульному рабочему процессу обучения с подкреплением. в Isaac SDK. Он демонстрирует, как обучать политики (DNN) с использованием многоагентных сценариев, а затем развертывать их используют замороженные модели. В этом документе сначала описывается, как быстро начать с вывода и обучение, затем представлены подробности, касающиеся политики нейронной сети, рабочего процесса обучения, кодлетов, и тренажерный зал государственная машина.

    Политики глубокого обучения позволяют пользователям сочетать методы планирования на основе обучения с классическим контролем. подходы, эффективно используя лучшее из обоих миров. Политики DNN можно сделать устойчивыми к несоответствия и ошибки моделей компьютерного зрения, а также одометрии и оценки состояния, путем моделирования и обучения на этих ошибках в моделировании. Разведка и эксплуатация стратегии, которые обычно используют алгоритмы обучения с подкреплением для изучения оптимальной политики, могут помощь в ситуациях, когда карта окружающей среды недоступна или карта стоимости окружающей среды нетривиально производить или вычислять.

    Быстрый старт

    Вывод

    Приложение Dolly Docking включает два примера сцен для выполнения логический вывод в Isaac Sim Unity3D: сцена «Фабрика будущего» и сцена с несколькими агентами.

    Фабрика будущего

    Перейдите в папку isaac_sim_unity3d / builds и выполните следующую команду:

     bob @ desktop: ~ / isaac_sim_unity3d / builds $ ./factory_of_the_future.x86_64 --scene Factory01 - сценарий 6
     

    Чтобы выполнить вывод для сцены, откройте другое окно терминала, перейдите к корню Isaac SDK. папку и выполните следующую команду:

     bob @ desktop: ~ / isaac / sdk $ bazel запустить пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components: dolly_navigation - --config = 'packages / rl / apps / dolly_navigation / py_components / fof_pb_inference.json '
     

    В симуляторе робот и тележка появляются на заводе, причем робот постоянно перемещаясь к центру тележки, а затем останавливаясь в центре на некоторое время, прежде чем быть возродился снова и повторил действие. Для оптимального моделирования требуется минимум ~ 10 кадров в секунду. вывод производительности. Если робот попадает в колеса тележки, он возрождается в исходной позиции. с тележкой в ​​немного другой ориентации.

    Сцена с несколькими агентами

    Перейдите в корневую папку Isaac Sim Unity3D и выполните следующую команду из строит папка:

     bob @ desktop: ~ / isaac_sim_unity3d / builds $./sample.x86_64 --scene dolly_docking_training
     

    Чтобы выполнить вывод для сцены, откройте другое окно терминала, перейдите к корню Isaac SDK. папку и выполните следующую команду:

     bob @ desktop: ~ / isaac / sdk $ bazel запустить пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components: dolly_navigation - --config = 'packages / rl / apps / dolly_navigation / py_components / multi_agent_pb_inference.json'
     

    В симуляторе на сцене появляются девять роботов и тележек, а также стены, расположенные случайным образом. по краям тележки.Большинство роботов в сцене постоянно перемещаются в центр телегу, а затем остановитесь в центре на некоторое время, прежде чем возродиться и повторить действие. Если робот ударяется о колеса тележки или стены, он возрождается в новой стартовой позиции с тележка в другой ориентации.

    Обучение

    Для выполнения обучения перейдите в корневую папку Isaac Sim Unity3D и выполните следующую команду из сборок папка

     bob @ desktop: ~ / isaac_sim_unity3d / builds $./sample.x86_64 --scene dolly_docking_training
     

    Чтобы начать обучение, откройте другое окно терминала, перейдите в корневую папку Isaac SDK, и введите команду ниже:

     bob @ desktop: ~ / isaac / sdk $ bazel запустить пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components: dolly_navigation
     

    Это запустит экземпляр TensorFlow и обучит его данным, полученным по TCP. Тренировка конфигурацию можно изменить через конфигурационный файл, расположенный по адресу / пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components / trainer.config.json .

    После начала обучения Tensorflow будет периодически выводить логи в папку / tmp / rl_logs . и контрольные точки в папку / tmp / rl_checkpoints по умолчанию. Мы рекомендуем изменить эти к постоянным путям хранения в файле trainer.config.json .

    Каждый экземпляр контрольной точки состоит из трех файлов:

    • .meta файл: Обозначает графическую структуру модели.
    • .data файл: хранит значения всех сохраненных переменных.
    • Файл .index : хранит список имен и форм переменных.

    Чтобы просмотреть прогресс обучения на Tensorboard, запустите следующую команду и откройте в браузере http: // localhost: 6006 .

     тензорная плата --logdir = / tmp / rl_logs
     

    Каталог rl_logs также хранит награды для каждой эпохи в файле .txt . Награды имеют тенденцию уменьшаться в течение первых нескольких итераций, прежде чем начать увеличиваться.

    Чтобы остановить обучение, закройте приложение, нажав Ctrl + C .

    Примечание

    Обучение модели требует нетривиального количества ресурсов. Рекомендуем тренировать нейронные сети на NVIDIA DGX или экземпляре виртуальной машины с несколькими графическими процессорами и не менее 100 ГБ ОЗУ. Даже с мощной машиной требуется нетривиальное количество времени для обработки данных и обучить модель. Сохраненные контрольные точки могут занимать значительное место на диске, если их не удалить. периодически.

    Выполнение вывода с обученной контрольной точки

    После завершения обучения файлы сгенерированных контрольных точек ( *.meta, * .index, * .data ) может использоваться для вывода.

    Чтобы выполнить вывод с использованием сгенерированной контрольной точки в многоагентной сцене, отредактируйте файл JSON по адресу пакетов / rl / apps / dolly_navigation / py_components / multi_agent_py_inference.json . Во время моделирования измените JSON-переменную restore_path , чтобы включить путь к сохраненная контрольная точка.

    Подсказка

    Если контрольная точка хранится как agent42.ckpt.meta , agent42.ckpt.index и агент42.ckpt.data в папке / tmp / rl_checkpoints , для параметра restore_path необходимо установить значение /tmp/rl_checkpoints/agent42.ckpt

    Затем выполните следующую команду для выполнения вывода:

     bob @ desktop: ~ / isaac / sdk $ bazel запустить пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components: dolly_navigation - --config = 'packages / rl / apps / dolly_navigation / py_components / multi_agent_py_inference.json'
     

    Чтобы запустить логический вывод в моделировании Фабрики будущего, вам необходимо отредактировать файл JSON по адресу пакетов / rl / apps / dolly_navigation / py_components / fof_py_inference.json . Измените переменную JSON restore_path , чтобы включить путь к сохраненной контрольной точке. Затем, после запуска моделирования фабрики, как описано выше, запустите приложение Isaac SDK для вывод с помощью следующей команды:

     bob @ desktop: ~ / isaac / sdk $ bazel запустить пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components: dolly_navigation - --config = 'packages / rl / apps / dolly_navigation / py_components / fof_py_inference.json'
     

    Кодлеты

    Рабочий процесс обучения с подкреплением в Isaac SDK основан на Интерфейс OpenAI Gym.

    Следующие кодлеты собирают информацию из моделирования для запуска цикл обучения с подкреплением:

    Как только информация о состоянии накоплена, она передается через кодлеты, которые эквивалентны OpenAI Gym перед отправкой в ​​накопитель образцов для хранилище или в код Python для вывода:

    После того, как тренажерный зал публикует прогноз, он проходит через следующие кодетов:

    Кодлеты подключаются, как показано ниже:

    Примечание

    Вспомогательный тензор позволяет пользователям хранить и передавать информацию и флаги из имитация или другие компоненты SDK для всех последующих кодлетов в конвейере.В isaac :: rl :: DollyDockingAuxDecoder используется для этой цели в конвейере стыковки.

    Приложение обучения с подкреплением использует следующие сообщения:

    Симуляторы

    Isaac SDK и симулятор взаимодействуют с использованием архитектуры pub / sub: данные передаются туда и обратно между двумя процессами, настроив издателей TCP на стороне, где создаются данные, и Подписчики TCP на стороне приема данных.

    Для моделирования Unity 3D приложение, которое публикует достоверные данные, является пакетов / navsim / apps / navsim.app.json . Это напрямую загружается dolly_docking_training сцена в NavSim.

    Приложение публикует данные датчика и окружающей среды на определенный пользователем порт, используя TcpPublisher. Эти данные используются обучающим приложением, которое, в свою очередь, отправляет в приложение NavSim команды телепортации и управления, которые принимаются через узел TcpSubscriber.

    В тренировочной сцене каждый робот публикует сообщения о своем состоянии и среде с порядковым номером. добавляется в конец имени канала, начиная с индекса 1.Например, телепорт сообщения для первого робота принимаются по TCP-каналу с именем , телепорт1, и так далее. Все имена каналов и связи между SDK и симуляцией доступны в Python. приложение для стыковки тележек.

    Возможность генерировать неограниченное количество точек данных с помощью моделирования - мощный актив, соединяющий «разрыв реальности», отделяющий смоделированную робототехнику от реальных экспериментов. Рандомизация домена пытается преодолеть разрыв в реальности за счет повышения доступности разнообразных данных.В обучении сцена, рандомизация домена может быть достигнута несколькими способами:

    • Рандомизация сетки занятости : Создавайте блоки вокруг тележки и робота для разнообразия лидарные карты.
    • Рандомизация тележки : вращайте тележку и переводите ее из центральной позы перед каждым запуском.
    • Рандомизация шума целевой позы : Добавьте шум в целевую позу тележки для имитации ошибки в обнаружении позы.
    • Рандомизация шума одометрии : Для имитации шума в одометрии, обычно наблюдаемого в оборудовании, добавить случайный шум к информации одометрии, вычисленной на основе моделирования

    Поток конечного автомата тренажерного зала в Isaac SDK

    Центральным элементом рабочего процесса обучения с подкреплением в Isaac SDK является конечный автомат под названием Gym, который контролирует весь жизненный цикл всех роботов в мультиагентной сцене и предоставляет обучающие данные для политики.Конечный автомат выполняет шесть отдельных шагов, как показано на диаграмме ниже, и включают три компонента - Рождение, Смерть. и Reward - чьи дочерние элементы динамически подключаются во время выполнения к конечному автомату. База классы для этих компонентов находятся в packages / rl / base_components . Тренажерный зал ожидает одного копирует эти компоненты для каждого агента и вызывает их функции на соответствующем этапе.

    Шаги конечного автомата следующие:

    1. Когда конечный автомат запускается, ему необходимо порождать агентов и их окружение (тележка, стены и препятствия) в их исходной позе при моделировании.Для этого он вызывает Рождение :: вызвать функцию один раз для каждого агента в симуляции. Компонент DollyDockingBirth (дочерний элемент isaac :: rl :: Birth ) отвечает за отправку для моделирования телепортации сообщений, которые помещают агентов и их окружение в желаемой позе. Он также отвечает за рандомизацию домена. в сцене путем добавления шума к позам объекта перед публикацией сообщения телепорта.

    2. Затем конечный автомат ожидает получения тензора агрегированного состояния от Кодлет TensorAggregator.Этот тензор состоит из последнего состояния всех агентов в моделировании, вместе с любой вспомогательной информацией, которая может потребоваться.

    3. После получения последних состояний агента конечный автомат оценивает, должен ли какой-либо агент быть убитым и возродиться. Он вызывает функцию Death :: is_dead один раз для каждого агента в моделирование. Компонент DollyDockingDeath (дочерний элемент isaac :: rl :: Death ) содержит логику, которая решает, что составляет недопустимое состояние агента: например, если агент регистрирует CollisionProto из-за столкновения в симуляции или если агент был жив слишком долго.Агенты, для которых функция возвращает истину, сбрасываются в новые позы перед следующим шагом.

    4. После определения, жив агент или мертв, конечный автомат собирает награды за каждый агент. Он вызывает функцию Reward :: оценить один раз для каждого агента в моделировании. Компонент DollyDockingReward (дочерний элемент isaac :: rl :: Reward ) содержит логику для назначения вознаграждение (плавающее) агенту на основании последнего завершенного перехода.

    5. После сбора всех данных, относящихся к последнему переходу, текущее состояние, вознаграждение и мертвый флаг вместе с вспомогательным тензором публикуются в агрегированном виде.

    6. Нейронная сеть получает текущее состояние агентов и выполняет прямой проход к вывести тензор действия, состоящий из целевых скоростей, которых агенты должны достичь в ближайшем будущем. будущее. Этот тензор действия передается через Gym в TensorDeaggregator.

    Цикл снова продолжается с шага 1, сбрасывая только тех агентов, которые только что умерли в последний раз. шаг.

    Политика обучения с подкреплением

    OpenAI Spinning Up - отличный введение в обучение с подкреплением.Spinning Up обеспечивает четкое и лаконичная реализация популярного армирования алгоритмы обучения. Благодаря эффективности сэмплирования и устойчивость к различным средам и sim2real приложениям, Алгоритм Soft Actor Critic используется для обучения политика стыковки.

    Политика глубокой нейронной сети имеет следующий вид:

    Сеть принимает карты занятости среды за последние три временных шага и передает их через сверточную магистральную сеть. Сглаженный выход магистрали добавлен к целевой позе тележки (в кадре робота) вместе с векторы скорости и ускорения для последних трех временных шагов.Этот комбинированный линейный тензор затем проходит через два полностью связанных слоя, каждый размером 256. Затем он выводит одномерный тензор размера 6, которые считаются целевыми скоростями для следующих трех временные шаги.

    Параметры конвейера JSON

    В следующей таблице описаны параметры файла JSON в / пакеты / rl / apps / dolly_navigation / py_components :

    • action_dimension : Размер выходного тензора нейронной сети (в данном случае линейный и угловая скорость за 3 будущих временных шага)
    • action_scale : Диапазон вывода нейронной сети (+0.От 5 до -0,5 в данном случае). Этот вывод масштабируется до истинного вывода робота с помощью кодлета TensorToCompositeVelocityProfile и имеет настраиваемые параметры ниже.
    • agent_spawn_randomization : рандомизация позы робота из его центра. в x, y и угловых координатах. В этом параметре указывается максимально допустимое смещение в каждом из те координаты
    • agent_per_row : количество агентов в каждой строке сцены
    • angle_allowance : Максимально допустимые радианы, в которых агент может вращаться. направление оси до убиения
    • aux_dimension : Размер вспомогательного тензора
    • aux_end_of_episode_flag : Положение вспомогательного флага, который указывает, является ли эпизод или испытание завершено, поскольку агент достиг максимального возраста
    • batch_size : Размер обучающего пакета для нейронной сети
    • bias : Коэффициенты для x-кординаты, y-кординаты и угла (радианы) в уравнение вознаграждения: \ (ax + b | y | - (| y | / | c.загар (| угол |) | ) \)
    • buffer_threshold : минимальное количество выборок, собранных в накопителе выборок перед начало обучения
    • cell_size : Размер ячейки на динамической карте наблюдения в метрах
    • .
    • checkpoint_directory : каталог для хранения контрольных точек тензорного потока
    • collision_penalty : штраф за столкновение с объектами сцены
    • delay_sending : время ожидания перед запуском конечного автомата спортзала.Это гарантирует у всех узлов было достаточно времени для запуска.
    • dividing_space : Расстояние между двумя роботами-тележками при моделировании вдоль координаты x и y
    • experience_buffer_size : Размер буфера опыта / накопителя образца
    • гамма : коэффициент скидки за обучение с подкреплением, обычно фиксированный на уровне 0,99
    • ideal_docking_pose : Идеальная координата стыковки робота относительно центра тележка в (x, y)
    • скорость обучения : целевая скорость обучения для политики обучения с подкреплением
    • look_back : количество прошлых шагов, сохраняемых в тензоре состояния в качестве входных данных для нейронной сети. сеть
    • max_episode_length : максимальное количество шагов, составляющих одно испытание
    • max_steps_per_epoch : количество итераций обучения на эпоху
    • режим : Запустите приложение Isaac в одной из его многочисленных форм.Установите для него значение «обучение» обучение новой политике, «inference_pb» для замороженного вывода модели и «inference_py» для Вывод контрольной точки Python
    • num_agents_per_sim : количество агентов, присутствующих в одном экземпляре симулятора. Обратите внимание, что количество агентов внутри конкретной сцены фиксировано, поэтому изменение этой конфигурации не увеличивает и не уменьшает количество агентов в сцене.
    • Наблюдение_map_dimension : сторона квадратной карты занятости, созданная с помощью плоского сканирования и подается в нейронную сеть
    • preventle_scale_randomization : Шкала рандомизации блоков от их оригинала. размеры.В этом параметре указывается максимально допустимое смещение в элементах масштабного вектора
    • .
    • preventle_separation : Положение появления препятствий (стен, блоков и т. Д.) Из центра. тележки по координатам x и y до применения рандомизации
    • препятствие_spawn_randomization : рандомизация позы стен и блоков из их центры в x, y и угловых координатах. В этом параметре указывается максимально допустимое смещение в каждая из этих координат
    • output_angular_velocity_range : Диапазон масштабирования полученных индексов угловой скорости
    • output_linear_velocity_range : диапазон масштабирования полученных индексов линейной скорости
    • поляк : Коэффициент усреднения (обычно между 0.98 - 0,99). Этот параметр определяет какая часть дублированного сетевого веса копируется в исходную сеть.
    • response_time : Задержка в секундах после публикации сообщения о действии, которое состояние должно

    записывается тренажерным залом

    • restore_path : путь для восстановления контрольной точки тензорного потока или замороженной модели
    • reward_clip_range : диапазон, до которого обрезаются значения вознаграждения в случае превышения.В значения обрезаются по обе стороны числовой шкалы.
    • sim_instances : количество экземпляров Unity, работающих параллельно
    • start_coordinate : координата, из которой будут созданы агенты в моделировании
    • .
    • success_reward : Награда, получаемая на каждом этапе достижения цели
    • target_pose_noise : Шум, добавляемый к основной позе тележки для имитации позы. ошибки обнаружения
    • target_separation : Расстояние между целью (тележкой) и роботом по x и y координаты
    • target_spawn_randomization : рандомизация позы целевой тележки из ее центра. в x, y и угловых координатах.В этом параметре указывается максимально допустимое смещение в каждом из эти координаты
    • tensorboard_log_directory : каталог для хранения всех журналов
    • tick_period : период тика для кодлетов в конвейере
    • timestamp_profile : Целевые временные интервалы для добавления к каждому прогнозируемому выходу нейронной сети
    • допуск : Дельты в направлениях x и y от центра тележки, которые считается удачной стыковка конца позы
    • use_pretrained_model : флаг, который, если он истинен, указывает, что модель контрольной точки должна быть восстановлено
    • wall_thickness : Толщина области, за которой удар помечается как сплошной, когда интеграция плоского сканера
    • x_allowance : Максимально допустимое расстояние, на которое агент может перемещаться по соответствующему отрицательные и положительные направления x перед тем, как погибнуть
    • y_allowance : Максимально допустимое расстояние, на которое агент может перемещаться по соответствующие отрицательные и положительные направления y перед уничтожением

    Подход на основе обучения с подкреплением для прогнозирования позы лиганда

    Abstract

    Идентификация потенциального сайта связывания и правильной позы лиганда - это два важных шага среди различных этапов взаимодействия белок-лиганд для новой или известной мишени.В настоящее время большинство методов глубокого обучения работают с наборами данных карманных белков-лигандов для различных прогнозов. В этом исследовании мы предлагаем метод обучения с подкреплением (RL) для прогнозирования оптимизированной позы лиганда, при котором агент RL также идентифицирует сайт связывания на основе своего обучения. Чтобы применить различные методы обучения с подкреплением, мы предлагаем новый подход к представлению комплекса белок-лиганд с использованием графа CNN, который поможет использовать как атомные, так и пространственные особенности. Насколько нам известно, это первый подход, основанный на RL, который был предложен для прогнозирования оптимизированной позы лиганда.

    I. Введение

    Процесс открытия лекарств - долгий, сложный и дорогостоящий. Это первый шаг в идентификации новых молекул-кандидатов для лечения болезней человека. Согласно отчетам исследований, средняя стоимость и время вывода одной молекулы лекарства на рынок составляет приблизительно 2 миллиарда долларов и 10-12 лет соответственно [1]. Другое исследование показывает, что с 2010 года эта стоимость увеличилась вдвое. Завершение генома человека помогло в выяснении ряда целей [2], что обострило необходимость определения соответствующих отведений для целевых белков.Затраты, связанные с масштабом времени, также увеличиваются за счет затрат на вычисления, поскольку идентификация ведущего и изучение взаимодействия белок-лиганд - один из самых дорогостоящих вычислительных процессов.

    Пандемия COVID-19 выявила острую необходимость в быстрой разработке эффективных лекарств [3]. Это указывает на необходимость ускорения эффективных вычислительных методов для открытия лекарств. Чтобы удовлетворить эту потребность, правительство Индии в июле 2020 года запустило хакатон по открытию лекарств (DDH) 1 , чтобы разработать вычислительные методы для открытия лекарств от COVID-19 и экстраполировать эти алгоритмы на другие задачи по открытию непатентованных лекарств.В этой работе мы исследуем одну из этих постановок задач, которая требует применения алгоритмов обучения с подкреплением для прогнозирования позы лиганда во время взаимодействия белок-лиганд.

    Вычислительные методы определения правильной позы лиганда изучаются в течение некоторого времени. Методы виртуального скрининга на основе структуры, такие как молекулярный докинг, широко используются для идентификации ведущей молекулы для виртуального скрининга [4]. До последних нескольких лет молекулярный докинг был единственным методом идентификации взаимодействия белок-лиганд.В этом случае большинство инструментов для стыковки сосредоточены на вычислении энергии связывания или сродства связывания, где лиганды и их положения затем ранжируются в соответствии с их оценкой. Распространенная проблема заключается в том, что часто позу лиганда, выбранную этими методами, необходимо проверять вручную, поскольку хорошая оценка может или не может привести к правильному биологическому взаимодействию.

    A. Обзор литературы

    В литературе по молекулярному стыковке представлены различные подходы. Большинство этих подходов к стыковке основаны на алгоритмическом подходе для определения поз стыковки малых молекул, принимая во внимание молекулярное взаимодействие между молекулами белка и лиганда [4], [5].Правильность аппроксимированной функции стыковки подтверждается соответствующей оценочной функцией [6].

    Учитывая различные проблемы, с которыми сталкиваются при молекулярном стыковке, за последние пару лет произошел всплеск использования методов AI / ML для взаимодействия белок-лиганд. Большинство подходов на основе машинного обучения, разработанных для прогнозирования сродства связывания белка с лигандом, пытаются аппроксимировать функции, которые можно надежно использовать для оценки качества поз, созданных с помощью эмпирических методов [7] - [10].Во всех этих методах качество прогнозируемой позы сильно зависит от базовой функции оценки, которая сама по себе образует отдельную область исследования.

    Обучение с подкреплением, которое является известной техникой в ​​области оптимизации, также недавно добилось некоторого прогресса в мире структуры белков. В следующем разделе кратко объясняется текущая роль обучения с подкреплением в разработке лекарств и вид молекулярных представлений, необходимых для применения различных методов обучения с подкреплением.

    1) Роль обучения с подкреплением в разработке лекарств

    В существующей литературе обучение с подкреплением преимущественно использовалось в качестве вспомогательного средства в генеративном дизайне лекарств. Некоторые проблемы в алгоритмах генеративного дизайна лекарств решаются с помощью целевой оптимизации с использованием точно настроенных функций вознаграждения для конкретных задач [11]. В исследовании Olivecrona et al. [12], подход к обучению с подкреплением использовался для создания молекул, которые отражают назначение оценочной функции.Это было достигнуто путем обучения агента оценке качества молекулы в предварительно обученной сети в химическом пространстве и с помощью функции оценки, чтобы направлять модель при создании выходных примеров, которые по-прежнему представляют исходную химическую область. Было замечено, что агент может продуцировать аналогичные по структуре аналоги, даже если все такие соединения были удалены из обучающей выборки.

    Обучение с подкреплением требует входных данных с характеристиками для представления состояния. Как правило, входное состояние может быть представлено в виде линейных векторов или векторов признаков, извлеченных с использованием сверточной сети.В случае молекулярных структур можно использовать 3D CNN [8], чтобы лучше представить пространственные особенности молекулы. С вычислительной точки зрения, 3D CNN дороги, поэтому необходимо найти более быструю альтернативу, которую можно использовать для извлечения векторов признаков из представлений молекул.

    2) Представление молекул в виде сетей свертки графов

    В последнее время свертки графов на молекулах приобрели популярность из-за их способности преобразовывать молекулы различного размера в обучаемые векторы признаков (отпечатки пальцев) фиксированной длины [13] - [16].Они работают с молекулами, представленными в виде двумерных графов: атомы в виде узлов, содержащих атомные элементы, а связи - в виде ребер. Точно так же, как свертки на изображениях обрабатывают пиксели и их воспринимающие поля для генерации выходных данных, свертки на графах обрабатывают узлы и их соседей (то есть атомы и их связанные атомы) для генерации выходных данных, которые включают атомно-атомные взаимодействия.

    Общая архитектура сверток на входах молекулярных графов определена в более ранних работах [13], для которых реализации с открытым исходным кодом в Tensorflow [17] существуют в виде трех уровней, а именно свертки графов, объединения графов и сбора графов. [14].

    II. Подход

    В этом исследовании мы предложили метод, который использует обучение с подкреплением для определения оптимизированной позы лиганда. Общий подход, показанный на рисунке 1, состоит из следующих этапов.

    • Молекулярное представление комплекса белок-лиганд: это включает определение подходящей формы для представления комплекса белок-лиганд, что поможет в применении к нему методов обучения с подкреплением.

    • Прогнозирование оптимизированной позы лиганда: это позволяет использовать атомные и пространственные особенности белка и лиганда, а также их межмолекулярные взаимодействия в сайте связывания, чтобы определить оптимальную позу лиганда.В нашей формулировке агент обучения с подкреплением отвечает за идентификацию как сайта связывания, так и оптимизированной позы лиганда. Мы предлагаем тренировать модель обучения с подкреплением на основе существующих комплексов белок-лиганд.

    Рис. 1.

    Общий рабочий процесс, включающий: 1. Получение набора данных белкового лиганда 2. Представление набора данных в пространстве 4D 3. Обучение RL и 4. Модель RL.

    Представленная гипотеза состоит в том, что обучение комплексам белок-лиганд с известной позой связывания поможет алгоритму обучения с подкреплением приблизиться к лежащим в основе молекулярным взаимодействиям, используя входные атомные и пространственные характеристики, представленные в виде отпечатков пальцев.Это привело бы к оптимизированной позе в желаемом сайте связывания интересующего белка на основе атомных, пространственных и молекулярных характеристик.

    A. Докинг белок-лиганд как функция оптимизации

    Докинг белок-лиганд можно рассматривать как комбинаторную задачу оптимизации [18], которая включает подэтапы поиска и выбора. Подходы глубокого обучения - это аппроксиматоры функций [19], которые способны идентифицировать базовые взаимодействия функций, предоставляемые как часть входных функций.Обучение с подкреплением приближается к функции оптимизации в форме оптимальной политики [20], которая помогает максимизировать общее вознаграждение. Стратегии глубокого обучения с подкреплением сочетают приближение функции глубокого обучения с возможностями оптимизации обучения с подкреплением. В случае стыковки белок-лиганд алгоритм обучения с подкреплением приближается к функции прогнозирования позы. Оптимальная политика, усвоенная алгоритмом, генерирует позу лиганда, которая может улучшить взаимодействие белок-лиганд в сайте связывания, таким образом неявно комбинируя процессы поиска и выбора, которые ранее существовали как отдельные явные процессы.

    Поза лиганда, созданная как часть обучения с подкреплением, представляет собой пространственный вектор, представляющий относительное положение и выравнивание лиганда по отношению к белку. Этот пространственный вектор является непрерывным по своей природе, поэтому выбранный алгоритм обучения с подкреплением должен работать в непрерывном пространстве состояний. Глубокий детерминированный градиент политики (DDPG) [21] - это алгоритм непрерывного обучения с подкреплением в пространстве и состоянии, разработанный с использованием DPG [22], который может быть подходящим для этой цели.

    III. Материалы и методы

    В этом разделе мы подробно рассмотрим набор данных, используемый для понимания проблемы, и схему сети, которая включает представление данных и процесс RL.

    A. Сопоставление данных белок-лиганд

    Набор данных состоит из 13 комплексов вирусного белка-лиганда, выбранных из PDBbind [23] и RCSB PDB [24]. Как и ожидалось в постановке задачи от DDH, набор данных включает комплексы вирусный белок-лиганд, которые представляют собой цистеиновую протеазу, сериновую протеазу, геликазу и РНК-зависимую РНК-полимеразу.Комплексы были приготовлены с использованием AutoDockTools (ADT) [25], [26]. Для изучения взаимодействий вирусных белковых лигандов, необходимых для обучающего набора, мы выбрали папаин-подобную протеазу (PLpro) и 3C-подобную основную протеазу (3CLPro), где набор из 15 лигандов каждый для папаин-подобной протеазы (PLpro) и 3C-подобной основной протеазы. протеазы (3CLPro) были получены из литературы [27] - [30], а 2D-структуры были загружены из Pubchem [31]. Открытый бабель был использован для создания трехмерных структур всех лигандов [32]. Подготовка лиганда и белка осуществлялась с использованием AutoDockTools (ADT).Autodock vina использовали для стыковки лигандов с вирусными белками [33], чтобы понять сайт связывания и взаимодействия в сайте связывания.

    На основе этого первоначального анализа и предыдущей работы можно выбрать следующие основные характеристики для представления взаимодействия белкового лиганда: трехмерные координаты (по осям x, y и z), атомный номер, гибридизация, тяжелая валентность, гетеровалентность, частичный заряд. , гидрофобность, ароматичность, акцептор водорода, донор водорода и кольцо. Их можно извлечь с помощью инструмента OpenBabel.Со временем могут быть добавлены более конкретные функции на основе результатов первоначальных испытаний.

    B. Дизайн сети

    Общая сеть для стыковки белок-лиганд на основе обучения с подкреплением состоит из слоя GraphCNN, отвечающего за представление атомных и молекулярных свойств в виде вектора признаков, и функции оптимизации, аппроксимирующей функцию стыковки, которая получается с использованием слой обучения с подкреплением.

    1) Представление данных

    Для представления молекулы предлагается подход, основанный на GraphCNN [13].Слои свертки графа, используемые как часть «сети молекул» (рис. 2), генерируют векторные представления фиксированной длины молекул белка и лиганда. Они будут предоставлены в качестве входных данных для алгоритма обучения с подкреплением. Предполагается, что представление GraphCNN будет генерировать молекулярный отпечаток за счет использования атомных и пространственных характеристик комплекса белок-лиганд, представленных как встраивание узла графа.

    Рис. 2.

    Представление молекул: вход - белок и лиганд - представление молекулы, выход - вектор признаков комплекса белок-лиганд.

    Отпечаток пальца, представленный как вектор признаков, будет предоставлен в качестве входных данных для алгоритма обучения с подкреплением. Затем агент обучения с подкреплением узнает, какие функции из представления отпечатка пальца будут генерировать позу, ведущую к оптимальной стыковке. Следует отметить, что сгенерированный отпечаток пальца изучается, и слои свертки будут обучены как часть общего процесса обучения обучению с подкреплением.

    2) Глубокий детерминированный градиент политики

    DDPG - это не модельный алгоритм обучения с подкреплением вне политики, который использует архитектуру «субъект-критик».Функция актора приближает оптимальную политику, детерминированно отображая состояния на конкретное действие. Сеть критиков представляет собой аппроксиматор функции нейронной сети, который использует уравнения Беллмана для изучения значений Q входного состояния и соответствующих действий, аналогично алгоритму Q-обучения. DDPG представляет целевую сеть, которая медленно отслеживает сети изученных актеров и критиков. Целевая сеть преодолевает проблему конвергенции, относящуюся к использованию одной и той же Q-сети для обновления политики и расчета цели.

    4) Функция вознаграждения

    Целью механизма обучения с подкреплением является аппроксимация функции оптимизации, так чтобы общее вознаграждение было максимальным. В случае стыковки протеин-лиганд алгоритм обучения с подкреплением аппроксимирует функцию прогнозирования позы, так что общее значение rmse сводится к минимуму. Таким образом, функция вознаграждения является функцией rmse , так что она ведет себя обратно пропорционально ему, и максимизация вознаграждения приводит к минимальному значению rmse .

    В литературе предлагались различные функции вознаграждения для обучения с подкреплением, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки [34]. Некоторые формы функции вознаграждения, которые подходят для этой задачи, показаны на рис. 3 и описаны ниже:

    • Обратный квадрат: это простейшая форма функции вознаграждения, где ℝ ( x ) = 1 / ( x ) 2 . Градиент функции вознаграждения очень плоский вдали от цели, с крутым градиентом по мере приближения агента к цели.Этот крутой градиент помогает агенту быстро приблизиться к цели, но последовательные улучшения в политике ограничены, так как небольшое улучшение политики приводит к сравнительно более высокому вознаграждению, таким образом замедляя прогресс, когда агент приближается к цели.

    • Гиперболический синус: эта функция вознаграждения имеет вид ℝ ( x ) = 1 / sinh ( x a ) и ведет себя несколько аналогично обратному, однако параметр a позволяет некоторый контроль над крутизна склона от максимальной.

    • Гауссиан: эта система вознаграждений основана на Гауссе и имеет форму ℝ ( x ) = exp (- x 2 / (2 σ 2 )). Функция вознаграждения равномерно распределяется с крутым градиентом при приближении к цели и выравнивается у цели и вдали от нее. Это помогает агенту быстро приблизиться к цели. Недостатком этой функции вознаграждения является то, что, как только агент приблизился к цели, он предпочел бы вращаться вокруг цели, а не приближаться к ней, поскольку совокупное вознаграждение выше около цели по сравнению с при цели из-за градиент.Параметр σ может использоваться для изменения наклона.

    • Комбинация: можно предусмотреть функцию вознаграждения, созданную путем комбинирования экспоненциальной функции и функции sinh, так что ее наклон будет крутым как от максимума, так и близким к максимальному. Также можно добавить пошаговую функцию, чтобы отклонение от максимума повлекло за собой не только меньшее вознаграждение, но и штраф. Это позволило бы алгоритму RL научиться придерживаться максимума, а также привело бы к более быстрой оптимизации.

    • Стохастическое усреднение веса: Усреднение функции вознаграждения на каждом шаге по нескольким предыдущим шагам может уменьшить нестабильность обучения, вызванную шумными обновлениями градиента [35]. Это также помогает RL помнить о высокооплачиваемых политиках и соответственно оптимизировать их.

    Рис. 3.

    Вознаграждение как функция rmse

    Для первоначальной реализации алгоритма DDPG может быть выбрана функция синусоидального гиперболического вознаграждения, поскольку она имеет привлекательную особенность параметра, который контролирует крутизну ее наклон, и, таким образом, его можно настроить для быстрого достижения цели.Другие функции вознаграждения можно попробовать на основе выполнения этой функции вознаграждения.

    5) Обучение и тестирование

    Обучение RL выполняется как итеративный процесс, который помогает в создании сценариев, в которых может быть обучена базовая сеть политик. Как показано на рисунке 4, тренировка проводится с использованием известных комплексов белок-лиганд. Входящий комплекс белок-лиганд разделяется на белковые и лигандные представления. Эти отдельные молекулярные представления используются сетью RL для обучения молекулярного графа и соответствующей оптимальной политики.В каждой из итераций обучения сеть RL создает позу лиганда, которая сравнивается с исходным лигандом в комплексе белок-лиганд для расчета rmse . rmse сгенерированной позы сравнивается с условием завершения, которое в данном случае установлено на 2Å. В случае неблагоприятного rmse , т.е. rmse > 2Å, сеть RL обновляется в соответствии с уравнением обновления политики DDPG J ( π ) = E ( r γ | π ), используя функцию rmse в качестве политическое вознаграждение.Процесс обучения в конечном итоге приведет к созданию оптимальной политической сети, которая генерирует оптимизированную позу лиганда, основанную на характеристиках белка и лиганда. Ожидается, что сгенерированная поза лиганда будет как можно ближе к исходной позиции лиганда в комплексе белок-лиганд за счет минимизации rmse .

    Рис. 4.

    Процесс обучения с подкреплением: входной комплекс протеин-лиганд, Выходная сеть обучения с подкреплением.

    Тестирование (рис. 5) также проходит итеративно.Сеть RL в этом случае принимает в качестве входных данных белок и лиганд. В отличие от фазы обучения, где оптимальная позиция лиганда известна, на этапе тестирования оптимальная поза лиганда должна быть предсказана; следовательно, rmse больше не может использоваться в качестве условия остановки для генерации оптимальной позы лиганда. Вместо этого изменение позы становится решающим фактором, позволяющим определить, можно ли создать лучшую позу. Порог Θ обозначает достаточно низкое изменение позы, при котором сгенерированная поза принимается как оптимальная поза лиганда.

    Рис. 5.

    Процесс тестирования обучения с подкреплением: входящие молекулы белка и лиганда, выходной лиганд с оптимизированной позой по отношению к белку.

    Для проверки правильности созданной оптимальной лиганд-позиции может быть выполнено сравнение rmse между лигандной позой существующих комплексов белок-лиганд и оптимизированной лиганд-позой, предложенной моделью RL.

    На рисунке 6 представлен общий архитектурный проект обучающей сети. Выход обучающей сети - это сеть-мишень, которая принимает белок и лиганд в качестве входных данных и генерирует оптимальную позу лиганда в качестве выходных данных.

    Рис. 6.

    Сеть DDPG для прогнозирования позы: сеть акторов: сеть политик, критическая сеть: сеть Q-значений.

    IV. Обсуждения и дальнейшие шаги

    Идентификация правильной позы связывания при взаимодействии белок-лиганд имеет огромное значение. Правильная поза связывания является индикатором истинных взаимодействий между аминокислотными остатками и молекулой лиганда, что в конечном итоге означает идентификацию необходимой энергии связывания и аффинности связывания. Современные методы, такие как стыковка молекул, используют энергию связывания или сродство связывания для определения позы лиганда.Часто прогнозируемая поза не является биологически релевантной позой, что может быть вызвано разными причинами. Известная причина заключается в том, что из-за вычислительной мощности, необходимой для покрытия всего химического пространства для определения правильного лиганда и позы лиганда, биологически релевантная поза может быть пропущена алгоритмом стыковки. Подход RL, предложенный в этой статье, математически аппроксимирует функцию создания поз стыковки лигандов, используя атомные особенности белка и лиганда, которые могут быть изучены из существующих комплексов белок-лиганд.Ожидается, что это сократит общее пространство поиска для определения правильной позы стыковки, что сделает процесс стыковки более дешевым в вычислительном отношении по сравнению с традиционными методами. Этот метод также устраняет необходимость предварительно определять активные сайты в белке, поскольку активный сайт предсказывается как часть процесса оптимизации в этом формализме.

    Подход RL, обсуждаемый в этой статье, ставит новую задачу в отношении представления молекул. 3D CNN обеспечивают очень элегантный способ сохранения структурного представления белка и лиганда в пространственной области, но с компромиссом вычислительной эффективности.Этот компромисс можно смягчить, используя графическое представление с помощью GraphCNN, которое показало большие перспективы с точки зрения вычислительной эффективности по сравнению с сетью свертки 3D. GraphCNN также хороши для представления разреженных связанных данных. Представление GraphCNN сохраняет атомарные взаимодействия через связанные ребра графа, но проигрывает в структурном представлении. В предлагаемом нами подходе мы смягчаем это, кодируя пространственные объекты как узловые объекты.Такой подход комбинирования узловых характеристик с пространственными особенностями еще не применялся в существующей литературе. В случае успеха это, безусловно, может предоставить новый подход к молекулярному представлению взаимодействий белок-лиганд.

    Мы можем предвидеть определенные проблемы с предлагаемым подходом, в первую очередь из-за представления данных и используемых алгоритмов машинного обучения. В представлении GraphCNN трехмерная молекулярная структура становится скрытой в двумерном представлении, тем самым затрудняя изучение сверточного участка сети.Кроме того, наше молекулярное представление группирует вместе пространственные и атомные характеристики - метод, который ранее не применялся, поэтому его успех должен быть подтвержден. Мы выбираем DDPG в качестве нашего алгоритма RL, поскольку пространство состояний непрерывно. Однако известно, что DDPG страдает от проблем конвергенции [36]. Алгоритм может сойтись неоптимально или даже отклониться от решения, если политика вознаграждения не будет определена на ранней стадии обучения, что делает правильный выбор функции вознаграждения жизненно важным для его успеха.Даже при отсутствии вознаграждения обучение актеров и критиков может запускать существенные обновления, которые приводят к очень быстрому насыщению сети актер-критик. Настройка гиперпараметров, выбор начальных весов и особенно стабильная модель шума - вот некоторые требования для предотвращения преждевременного насыщения.

    Альтернативный подход к проблеме может заключаться в дискретизации непрерывного пространства состояний. Тем самым мы открываем возможность использования других моделей RL с дискретным пространством, таких как сети Double Deep Q Networks (DDQN).Можно также использовать более сложный алгоритм непрерывного пространства, такой как Twin Delayed DDPG (TD3) [36]. Это могут быть допустимые варианты для изучения во время реализации.

    На этапе реализации этой задачи мы планируем обучить модель, основанную на множестве вирусных комплексов белок-лиганд. На этом этапе нам также необходимо подтвердить предположение, что алгоритм RL сможет успешно идентифицировать правильный активный сайт в белке, и оценить важность различных атомных характеристик в процессе обучения.Также возможно изучить способы кодирования молекулярных характеристик, например, особенностей, специфичных для лигандов и остатков, в алгоритме.

    В итоге: несмотря на то, что существует множество алгоритмов для взаимодействия белкового лиганда, определение правильной позы лиганда все еще зависит от различных ручных задач. Мы предлагаем метод обучения с подкреплением, при котором агент оптимизирует правильную позу, а также может быть обучен поиску места привязки. Это устранит необходимость идентификации белкового кармана и сетки для позиционирования лиганда.Первоначальная реализация этого формализма будет сосредоточена на тестировании возможностей агента RL для противовирусных белковых комплексов лиганда. В конечном итоге это может быть расширено до более динамичной структуры, которая обучается на множестве наборов данных белковых лигандов для прогнозирования оптимизированной позы при идентификации сайта связывания.

    Заявление о конфликте интересов

    Это исследование было проведено в рамках хакатона по обнаружению лекарств (DDH) 2020, организованного Правительством. Индии. Необходимо соблюдать авторские права и коммерческие аспекты, как указано в политике DDH.

    Благодарности

    Мы хотели бы поблагодарить д-ра Манали Джоши, д-ра Б. Джаярама и г-жу Шрути Кулги за отличные обсуждения и предложения. Мы хотели бы поблагодарить организаторов хакатона Drug Discovery и доктора Картика Рамана за предоставленную нам возможность принять участие в одной из самых передовых постановок проблемы и за то, что они были готовы ответить на наши вопросы относительно постановки проблемы.

    Ссылки

    1. [1].
    2. [2].
    3. [3].
    4. [4].↵
    5. [5] .↵
    6. [6] .↵
    7. [7].
    8. [8] .↵
    9. [9].
    10. [10] .↵
    11. [11] .↵
    12. [12].
    13. [13] .↵
    14. [14] .↵
    15. [15].

      Алексей М Фут. Предсказание белкового интерфейса с использованием сверточных графовых сетей. Докторская диссертация, Университет штата Колорадо, 2017.

    16. [16] .↵
    17. [17] .↵
    18. [18] .↵

      Деок-Су Ким. Проблема стыковки белков как комбинаторная оптимизация с использованием бета-комплекса, страницы 2685–2740.Справочник по комбинаторной оптимизации. Springer New York, 2013.

    19. [19] .↵
    20. [20] .↵
    21. [21] .↵
    22. [22] .↵
    23. [23] .↵
    24. [24].
    25. [25] .↵
    26. [26] .↵
    27. [27] .↵
    28. [28].
    29. [29].
    30. [30] .↵
    31. [31] .↵
    32. [32] .↵
    33. [33] .↵
    34. [34] .↵
    35. [35] .↵

      Э. Никишинд, Павел Измайлов , Бен Ативараткун, Д. Подоприхин, Т.Гарипов, Павел Швечиков, Д. Ветров, А. Уилсон. Повышение стабильности при глубоком обучении с подкреплением с усреднением веса. 2018.

    36. [36] .↵

      Скотт Фуджимото, Херке ван Хоф и Дэвид Мегер. Устранение ошибки аппроксимации функции в методах «субъект-критик», 2018.

    (PDF) Стыковка робота путем обучения с подкреплением в среде визуального сервоуправления

    сегмент d, а d - расстояние между объектом и роботом

    .Для задачи стыковки целевое состояние в этой относительной системе координат

    является началом координат. Уравнения состояния этой формулировки

    :

    ˙

    β =

    v

    T

    d

    sin α, (1)

    ˙α =

    v

    T

    d

    d

    sin α - v

    R

    , (2)

    ˙

    d = −v

    T

    cos α. (3)

    , где v

    T

    - скорость поступательного движения, а v

    R

    - вращательная скорость мобильного робота

    .

    В этой статье проблема упрощается, фиксируя значение

    для v

    T

    . Затем задача сводится к управлению ориентацией

    робота в двумерном пространстве состояний

    (β, α) действием v

    R

    . В наших экспериментах по обучению с подкреплением

    мы допускаем только два возможных действия в каждом состоянии

    (поворот влево или вправо со скоростью 9 град / с). В этом случае управляемость системы

    более ограничена, поскольку контроллер

    не может уменьшить v

    T

    , если требуются большие изменения ориентации

    робота.

    C. Оценка переменных состояния на реальном роботе

    Переменные состояния (β, α, d) могут быть оценены с помощью

    переменных (m, панорама, наклон) соответственно, которые могут быть

    , полученными из датчик изображения (обратите внимание, что в текущих экспериментах используются только первые

    две переменные, как обсуждалось выше

    ). Переменная m соответствует наклону края

    таблицы на изображении. Углы панорамирования и наклона

    действительны, если объект находится в центре изображения.

    Для обучения с подкреплением на реальном роботе β оценивается

    с использованием arctan (м), а α оценивается с помощью pan. Переменные непрерывного состояния

    преобразуются в дискретные состояния

    (ячейки) путем равномерного квантования (см. Раздел III-B).

    Для успешной стыковки важно

    постоянно отслеживать объект, пока робот движется

    и поднимает объект. Камера панорамирования-наклона имеет два DOF

    , которые позволяют независимо управлять положением x с помощью мотора панорамирования

    и положением y с помощью мотора наклона.Для каждой оси

    используется пропорционально-производный (PD) контроллер

    , чтобы удерживать объект в центре изображения [8].

    Параметры контроллера были настроены так, чтобы избежать выброса

    , если объект или робот внезапно меняют свое положение

    .

    Шаги обработки изображения можно описать следующим образом.

    Области изображения, соответствующие объекту, и

    края таблицы извлекаются путем простой цветовой сегментации

    в пространстве RGB.В наших экспериментах мы упростили экспериментальную установку, используя зеленую банку для напитков и оранжевую полосу

    , расположенную на краю стола. Однако мы,

    , также исследуем более продвинутую обработку изображений в текущей работе

    , например, с использованием преобразования Хафа для распознавания края таблицы

    без необходимости использования оранжевой полосы. Центр

    объекта (x, y) определяется путем взятия медианного значения x и

    y на сегментированном изображении.Наклон края

    таблицы, м, вычисляется стандартным методом подгонки методом наименьших квадратов

    .

    III. КОНСТРУКЦИЯ КОНТРОЛЛЕРА

    В этом разделе описаны 3 альтернативных контроллера, исследованных в

    : разработанный вручную линейный контроллер, подкрепление

    , обучающееся с нуля, и подкрепляющее обучение с использованием линейного контроллера

    в качестве предвзятости для ускорения обучения. В режиме стыковки

    цель контроллера состоит в том, чтобы переместить робота

    из любого начального положения внутри интересующей области

    к положению объекта по траектории с минимальным временем.

    A. Линейный контроллер

    Уравнение линейного контроллера пространства состояний задается

    как

    v

    R

    = ˙α = K

    1

    β + K

    2

    α. (4)

    Преимущество этого более простого линейного контроллера с

    по сравнению с оптимальными контроллерами состоит в том, что он не требует модели системы и среды

    , а требует только настройки

    (K

    1

    , K

    2

    ), чтобы получить удовлетворительную производительность

    .

    На реальном роботе был реализован линейный контроллер

    как V

    R

    = K

    m

    m + K

    p

    pan, где m и pan - это переменные состояния

    , измеренные на PeopleBot. В наших экспериментах использовались значения параметра

    : K

    м

    = 100 и Kp = 0,2.

    B. Контроллер RL

    В этом подразделе мы представляем новый алгоритм обучения подкрепления

    для мобильных роботов.Основными характеристиками

    являются: механизм обучения с подкреплением

    реализуется через уравнение обновления Q-обучения;

    смежное свойство используется для аппроксимации оптимального поведения робота

    для непрерывных пространств состояний; и данные

    обрабатываются в режиме онлайн для построения модели, которая используется для дальнейшего ускорения обучения посредством «мысленной репетиции» или моделирования

    , тем самым реализуя алгоритм обучения с косвенным подкреплением

    .В следующих подразделах мы кратко объясним

    трех компонентов.

    1) Q-обучение: методы обучения с подкреплением (RL)

    требуют только скалярного вознаграждения (или наказания) для обучения

    для сопоставления состояний с действиями [2]. В отличие от контролируемого обучения

    , они не требуют от учителя приобретения оптимального поведения

    , а только для взаимодействия с окружающей средой, изучающей

    на собственном опыте. Знания сохраняются в справочной таблице

    , которая содержит оценку накопленного вознаграждения за

    достижения цели в каждой ситуации или состоянии.Цель -

    найти действия (политику), которые максимизируют накопленное вознаграждение

    в каждом состоянии. Q-обучение - один из самых популярных методов обучения с подкреплением

    , поскольку он может решать задачи бесплатной оптимизации модели

    и имеет простую формулировку.

    Накопленное вознаграждение для каждой пары состояние-действие Q (s, a)

    обновляется с помощью одношагового уравнения

    ∆Q (s, a) = α (r + γmax

    a

    0

    Q (s

    0

    , a

    0

    ) - Q (s, a)) (5)

    где Q - ожидаемое значение выполнения действия a в

    состоянии s, r - награда, α - скорость обучения, которая контролирует сходимость

    , а γ - коэффициент дисконтирования.Скидка

    Реальное обучение с подкреплением для стыковки автономного робота-гуманоида

    Николас Наварро-Герреро - научный сотрудник группы интеллектуальных технологий факультета компьютерных наук Гамбургского университета. Он изучал электронику в Техническом университете Федерико Санта-Мария, Вальпараисо, Чили. Его исследовательские интересы лежат в области искусственного интеллекта, когнитивной робототехники, гибридных интеллектуальных систем, прикладного искусственного интеллекта и робототехники, встроенных систем и мехатроники.

    Корнелиус Вебер - доцент кафедры информационных технологий Гамбургского университета. Его исследовательские интересы лежат в области вычислительной нейробиологии, такой как зрение, обучение с подкреплением и нейробототехника.

    Паскаль Шретер - научный сотрудник отдела информационных технологий на факультете информатики Гамбургского университета, где он получает степень магистра наук. в области компьютерных наук. Его исследовательские интересы связаны с искусственным интеллектом и когнитивной робототехникой, приложениями в робототехнике и автономными виртуальными объектами в видеоиграх, а также связями между ними.Его бакалаврская диссертация была посвящена взаимодействию человека с компьютером с упором на видеоигры.

    Стефан Вермтер - профессор технологий знаний в Гамбургском университете и директор Центра технологий знаний. Он изучал информатику со специализацией в медицине в университетах Дортмунда и Бохума. Он также имеет степень магистра наук. из Массачусетского университета в области компьютерных наук и доктор философии. и степень бакалавра компьютерных наук Гамбургского университета.Он работал научным сотрудником в Международном институте компьютерных наук в Беркли, прежде чем занять кафедру интеллектуальных систем в Университете Сандерленда. Его основные исследовательские интересы лежат в области нейронных сетей, гибридных систем, когнитивной нейробиологии, когнитивной робототехники и обработки естественного языка.

    Copyright © 2012 Elsevier B.V. Все права защищены.

    Автономное генерирование молекул с использованием обучения с подкреплением и стыковки для разработки потенциальных новых ингибиторов, Scientific Reports

    Мы разработали вычислительный метод под названием «Оптимизация молекул с помощью обучения с подкреплением и стыковки» (MORLD), который автоматически генерирует и оптимизирует соединения свинца путем комбинирования обучения с подкреплением и стыковки для разработки предсказанных новых ингибиторов.Эта модель требует только структуры целевого белка и напрямую модифицирует структуры лигандов для получения более высокой предсказанной аффинности связывания для целевого белка без каких-либо других обучающих данных. Используя MORLD, мы смогли создать новые потенциальные ингибиторы против киназы рецептора 1 дискоидинового домена (DDR1) менее чем за 2 дня на умеренном компьютере. Мы также продемонстрировали способность MORLD генерировать предсказанные новые агонисты дофаминового рецептора D 4 (D4DR) с нуля без виртуального скрининга на сверхбольшой библиотеке соединений.Бесплатный веб-сервер доступен по адресу http://morld.kaist.ac.kr.

    中文 翻译 :


    利用 强化 学习 和 对接 技术 自主 开发 分子 , 以 开发 潜在 的 新型 抑制剂

    开发 了 一种 通过 强化 学习 和 对接 (MORLD) 进行 分子 优化 的 计算 该 方法 通过 结合 强化 学习 和 的 新型 抑制剂 , 仅结构 , 并且 直接 修饰 配 体 结构 以 获得 对 靶 蛋白 的 更高 的 预测 结合 亲和力 任何 的 训练 数据。 使用 MORLD , 能够 在 一 台.蛋白 域.上 进行 虚拟 筛选。 免费 的 Web 服务器 可 从 http: // morld.kaist.ac.kr 获得。

    Док-станция - документация deepchem 2.6.0.dev

    Благодаря достижениям в биофизике нам часто удается найти структура белков из экспериментальных методов, таких как Cryo-EM или Рентгеновская кристаллография.Эти структуры могут быть мощными помощниками в конструирование малых молекул. Техника молекулярного докинга выполняет геометрические расчеты, чтобы найти «связующую позу» с малым молекула, взаимодействующая с рассматриваемым белком в подходящем связывающий карман (то есть участок на белке, имеющий бороздку в в котором может покоиться малая молекула). Для получения дополнительной информации о стыковка, ознакомьтесь с бумагой Autodock Vina:

    Тротт, Олег и Артур Дж. Олсон. «AutoDock Vina: повышение скорости и точности стыковки за счет новой функции подсчета очков, эффективной оптимизации и многопоточности.Журнал вычислительной химии 31.2 (2010): 455-461.

    Карманный переплет Discovery

    DeepChem имеет несколько утилит для поиска связывающих карманов на белках. автоматически. Пока это простые утилиты, но мы улучшите их в будущих версиях DeepChem.

    класс BindingPocketFinder [источник]

    Абстрактный суперкласс для привязки карманных детекторов

    Много раз при работе с новым белком или другой макромолекулой, неясно, какие зоны макромолекулы могут быть хорошими мишенями для потенциальных лигандов или других молекул, с которыми можно взаимодействовать.Этот абстрактный класс предоставляет шаблон для дочерних классов, которые алгоритмически обнаруживать потенциальные карманы привязки, которые хороши потенциальные сайты взаимодействия.

    Обратите внимание, что сайты потенциальных взаимодействий могут быть найдены многими разные методы, и что этот абстрактный класс не определяет техника, которая будет использоваться.

    find_pockets (молекула : Any ) [источник]

    Находит потенциальные карманы связывания в белках.

    Параметры

    молекула ( объект ) - Некоторое представление молекулы.

    class ConvexHullPocketFinder ( scoring_model: optional [deepchem.models.models.Model] = None , pad: float = 5.0 ) [источник]

    Реализация, в которой для поиска карманов используется выпуклая оболочка белка.

    На основе https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4112621/pdf/1472-6807-14-18.pdf

    __init__ ( scoring_model: необязательно [deepchem.models.models.Model] = None , pad: float = 5.0 ) [источник]

    Инициализировать карманный искатель.

    Параметры
    • scoring_model ( Модель , опционально ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, используйте эту модель для обрезки карманов.

    • pad ( float , опционально ( по умолчанию 5.0 ) ) - количество ангстрем, которое нужно обернуть вокруг атомов связующего кармана. получить коробку для переплетного кармана.

    find_all_pockets ( protein_file: str ) → Список [deepchem.utils.coordinate_box_utils.CoordinateBox] [источник]

    Найдите список связывающих карманов на белке.

    Параметры

    протеин_файл ( str ) - Белок для загрузки.

    Возвращает

    Список связывающих карманов на белке.Каждый карман представляет собой CoordinateBox

    Тип возврата

    Список [CoordinateBox]

    find_pockets ( macromolecule_file: str ) → Список [deepchem.utils.coordinate_box_utils.CoordinateBox] [источник]

    Найдите список подходящих связывающих карманов на белке.

    Эта функция вычисляет предполагаемые карманы связывания на этом белке. Этот класс использует ConvexHull для вычисления карманов привязки.Каждый лицевая сторона корпуса преобразуется в координатную рамку, используемую для привязка.

    Параметры

    macromolecule_file ( str ) - Расположение файла макромолекулы для загрузки

    Возвращает

    Список карманов. Каждый карман представляет собой CoordinateBox

    Тип возврата

    Список [CoordinateBox]

    Поколение поз

    Построение позы - это задача нахождения «позы», то есть геометрической конфигурация небольшой молекулы, взаимодействующей с белком.Поза генерация - сложный процесс, поэтому сейчас DeepChem полагается на внешнее программное обеспечение для создания позы. Это программное обеспечение вызывается и установил под капот.

    class PoseGenerator [источник]

    Генератор поз рассчитывает низкоэнергетические конформации для молекулярных комплексов.

    Многие вопросы структурной биофизики сводятся к вычислению. свободная энергия связи молекулярных комплексов. Ключевой шаг к вычисление свободной энергии связи двух комплексов состоит в том, чтобы найти малую энергетические «позы», то есть энергетически выгодные конформации молекулы друг относительно друга.Одно применение этого техника заключается в поиске низкоэнергетических поз для белка-лиганда взаимодействия.

    generate_poses ( молекулярный_комплекс: Кортеж [str, str] , centroid: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , box_dims: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , полнота: int = 10 , num_modes: int = 9 , num_pockets: Необязательно [int] = Нет , out_dir: Необязательно [str] = Нет , generate_scores: bool = False ) [источник]

    Создает список низкоэнергетических поз для молекулярного комплекса

    Параметры
    • молекулярные_комплексы ( кортеж [ str , str ] ) - представление молекулярного комплекса.Этот кортеж (файл_протеина, файл_лиганда).

    • центроид ( np.ndarray , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Центроид для стыковки. Вычисляется, если не указано.

    • box_dims ( np.ndarray , опционально ( по умолчанию Нет ) ) - массив с множеством форм (3,) , содержащий размер коробки для закрепления.Если не указано иное, устанавливается размер молекулярного комплекса плюс 5 ангстрем.

    • полнота ( int , необязательно ( по умолчанию 10 ) ) - сообщает генератору позы, насколько исчерпывающим он должен быть с позой поколение.

    • num_modes ( int , необязательно ( по умолчанию 9 ) ) - сообщает генератору поз, сколько режимов привязки он должен сгенерировать в каждый призыв.

    • num_pockets ( int , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, необходимо установить self.pocket_finder . Будет только сгенерировать позы для первых num_pockets , возвращенных self.pocket_finder .

    • out_dir ( str , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, записывать сгенерированные позы в этот каталог.

    • generate_score ( bool , необязательно ( по умолчанию False ) ) - Если True , генератор позы вернет оценки для комплексов. Обычно это используется при вызове внешних программ стыковки. которые подсчитывают оценки.

    Возвращает
    Тип возврата

    Список молекулярных комплексов в энергетически выгодных позах.

    class VinaPoseGenerator ( sixty_four_bits: bool = True , pocket_finder: Необязательно [deepchem.dock.binding_pocket.BindingPocketFinder] = None ) [источник]

    Использует Autodock Vina для создания поз для связывания.

    Этот класс использует Autodock Vina для прогнозирования связывающие позы. Он загружает исполняемый файл Autodock Vina для вашу систему в указанный вами DEEPCHEM_DATA_DIR (запомните это - заданная вами переменная среды) и вызывает исполняемый файл выполнить для вас генерацию позы.

    Примечание

    Этот класс требует установки RDKit.

    __init__ ( sixty_four_bits: bool = True , pocket_finder: Необязательно [deepchem.dock.binding_pocket.BindingPocketFinder] = None ) [источник]

    Инициализирует генератор позы Vina

    Параметры
    • sixty_four_bits ( bool , необязательно ( по умолчанию True ) ) - указывает, является ли это 64-разрядным компьютером.Необходимо скачать правильный исполняемый файл.

    • pocket_finder ( BindingPocketFinder , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - если указано, должен быть экземпляр док-станция постоянного тока.BindingPocketFinder .

    generate_poses ( молекулярный_комплекс: Кортеж [str, str] , centroid: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , box_dims: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , полнота: int = 10 , num_modes: int = 9 , num_pockets: Необязательно [int] = Нет , out_dir: Необязательно [str] = Нет , generate_scores: Необязательно [bool ] = False ) → Union [Tuple [List [Tuple [Any, Any]]], List [float]], List [Tuple [Any, Any]]] [источник]

    Создает пристыкованный комплекс и выводит файлы для пристыкованного комплекса.

    TODO: Как это может работать в Windows? Нам нужно установить файл .msi и правильно вызвать его из Python, чтобы это сработало.

    Параметры
    • молекулярные_комплексы ( кортеж [ str , str ] ) - представление молекулярного комплекса. Этот кортеж (файл_протеина, файл_лиганда). Белок должен быть файлом pdb и лиганд должен быть файлом sdf.

    • центроид ( np.ndarray , опционально ) - Центроид, к которому нужно состыковаться.Вычисляется, если не указано.

    • box_dims ( np.ndarray , опционально ) - массив формы (3,) , содержащий размер блока для стыковки. Если не указанная величина установлена ​​равной размеру молекулярного комплекса плюс 5 ангстрем.

    • полнота ( int , опционально ( по умолчанию 10 ) ) - говорит Autodock Vina, насколько исчерпывающим должно быть с позой поколение.

    • num_modes ( int , необязательно ( по умолчанию 9 ) ) - сообщает Autodock Vina, сколько режимов привязки он должен сгенерировать в каждый призыв.

    • num_pockets ( int , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, необходимо установить self.pocket_finder . Будет только сгенерировать позы для первых num_pockets , возвращенных сам.pocket_finder .

    • out_dir ( str , необязательно ) - Если указано, записывать сгенерированные позы в этот каталог.

    • generate_score ( bool , необязательно ( по умолчанию False ) ) - Если True , генератор позы вернет оценки для комплексов. Обычно это используется при вызове внешних программ стыковки. которые подсчитывают оценки.

    Возвращает

    Кортеж из (docked_poses, scores) или docked_poses . docked_poses список пристыкованных молекулярных комплексов. Каждая запись в этом списке содержит (протеин_моль, лиганд_моль) пару молекул RDKit. баллов - это список связывающих свободных энергий, предсказанный Vina.

    Тип возврата

    Кортеж [ docked_poses , scores ] или docked_poses

    Повышает

    ValueError -

    класс GninaPoseGenerator [источник]

    Используйте GNINA для создания поз для связывания.

    В этом классе используется GNINA (структура глубокого обучения для молекулярных стыковка) для создания позы привязки. Он загружает GNINA исполняемый файл в DEEPCHEM_DATA_DIR (установленная вами переменная среды) и вызывает исполняемый файл для генерации позы.

    GNINA использует предварительно обученную сверточную нейронную сеть (CNN) скоринг. функции для ранжирования связывающих поз на основе изученных представлений Трехмерные белок-лигандные взаимодействия. Было показано, что он превосходит AutoDock Vina в приложениях виртуального досмотра [1] _.

    Если вы используете механизм молекулярной стыковки GNINA, укажите соответствующий документы: https://github.com/gnina/gnina#citation Основная ссылка на GNINA - [1] _.

    Список литературы

    «Оценка белков-лигандов с помощью сверточных нейронных сетей». Журнал химической информации и моделирования (2017).

    Примечание

    • GNINA в настоящее время работает только в операционных системах Linux.

    • GNINA требует CUDA> = 10.1 для быстрой оценки CNN.

    • Практически все зависимости включены наиболее совместимым способом возможно, что снижает производительность. Сборка GNINA из исходников для производственного использования.

    __init__ () [источник]

    Инициализировать генератор поз GNINA.

    generate_poses ( молекулярный_комплекс: Кортеж [str, str] , centroid: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , box_dims: Необязательно [numpy.ndarray] = Нет , полнота: int = 10 , num_modes: int = 9 , num_pockets: Необязательно [int] = Нет , out_dir: Необязательно [str] = Нет , generate_scores: bool = True , ** kwargs ) → Union [Tuple [List [Tuple [Any, Any]], List [float]], List [Tuple [Any, Any]]] [source]

    Создает пристыкованный комплекс и выводит файлы для пристыкованного комплекса.

    Параметры
    • молекулярные_комплексы ( кортеж [ str , str ] ) - представление молекулярного комплекса.Этот кортеж (файл_протеина, файл_лиганда).

    • центроид ( np.ndarray , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Центроид для стыковки. Вычисляется, если не указано.

    • box_dims ( np.ndarray , опционально ( по умолчанию Нет ) ) - массив с множеством форм (3,) , содержащий размер коробки для закрепления.Если не указано иное, устанавливается размер молекулярного комплекса плюс 4 ангстрем.

    • полнота ( int ( по умолчанию 8 ) ) - сообщает GNINA, насколько исчерпывающим должно быть с позой поколение.

    • num_modes ( int ( по умолчанию 9 ) ) - сообщает GNINA, сколько режимов привязки он должен сгенерировать в каждый призыв.

    • out_dir ( str , необязательно ) - Если указано, записывать сгенерированные позы в этот каталог.

    • generate_scores ( bool , необязательно ( по умолчанию True ) ) - Если True , генератор позы вернет оценки для комплексов. Обычно это используется при вызове внешних программ стыковки. которые подсчитывают оценки.

    • kwargs - Любые аргументы, поддерживаемые GNINA в соответствии с документацией https://github.com/gnina/gnina#usage

    Возвращает

    Кортеж из (docked_poses, scores) или docked_poses . docked_poses список пристыкованных молекулярных комплексов. Каждая запись в этом списке содержит (протеин_моль, лиганд_моль) пару молекул RDKit. баллов - это набор аффинностей связывания (ккал / моль), CNN выставляет оценки и сходство с CNN, предсказанное GNINA.

    Тип возврата

    Кортеж [ docked_poses , scores ] или docked_poses

    Док-станция

    Модель dc.dock.docking модуль обеспечивает общую стыковку реализация, которая зависит от создания позы и позы скоринг утилит для выполнения стыковки. Эта реализация является общей.

    класс Docker ( генератора положений: deepchem.dock.pose_generation.PoseGenerator , featurizer: необязательно [deepchem.feat.base_classes.ComplexFeaturizer] = нет , scoring_model: необязательно [deepchem.models.models.models.models] Нет ) [источник]

    Общий класс молекулярной стыковки

    Этот класс предоставляет механизм стыковки, который использует предоставленные модели для придание чертам характера, генерация позы и оценка.Большинство частей стыковки Программное обеспечение - это инструменты командной строки, которые вызываются из оболочки. В цель этого класса - предоставить чистый API Python для вызова молекулярный докинг программно.

    Реализация этого класса проста и универсальна. Его Ожидается, что большая часть тяжелой работы будет выполняться в позе классы генерации и оценки, которые предоставляются этому классу.

    __init__ ( генератор_поз: deepchem.dock.pose_generation.PoseGenerator , featurizer: Необязательно [deepchem.feat.base_classes.ComplexFeaturizer] = Нет , scoring_model: Необязательно [deepchem.models.models.Model] = Нет ) [источник]

    Строит модель.

    Параметры
    • Pose_generator ( PoseGenerator ) - Генератор позы для использования в этой модели

    • featurizer ( ComplexFeaturizer , опционально ( по умолчанию Нет ) ) - Featurizer, связанный с scoring_model

    • scoring_model ( Модель , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - должен делать прогнозы на молекулярный комплекс.

    dock ( молекулярный_комплекс: кортеж [str, str] , centroid: необязательно [numpy.ndarray] = нет , box_dims: необязательно [numpy.ndarray] = нет , полнота: int = 10 , num_modes: int = 9 , num_pockets: Необязательно [int] = Нет , out_dir: Необязательно [str] = Нет , use_pose_generator_scores: bool = False ) → Объединение [Генератор [Кортеж [Любой, Любой], Нет , None], Generator [Tuple [Tuple [Any, Any], float], None, None]] [источник]

    Общая функция стыковки.

    Эта функция стыковки использует свойство объекта, позу генератор и скоринговая модель для прогнозирования стыковки. Этот функция написана в общем стиле, поэтому

    Параметры
    • молекулярный_комплекс ( кортеж [ str , str ] ) - представление молекулярного комплекса. Этот кортеж (файл_протеина, файл_лиганда).

    • центроид ( np.ndarray , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Центроид для стыковки. Вычисляется, если не указано.

    • box_dims ( np.ndarray , опционально ( по умолчанию Нет ) ) - массив с множеством форм (3,) , содержащий размер коробки для закрепления. Если не указанная величина установлена ​​равной размеру молекулярного комплекса плюс 5 ангстрем.

    • полнота ( int , необязательно ( по умолчанию 10 ) ) - сообщает генератору позы, насколько исчерпывающим он должен быть с позой поколение.

    • num_modes ( int , необязательно ( по умолчанию 9 ) ) - сообщает генератору поз, сколько режимов привязки он должен сгенерировать в каждый призыв.

    • num_pockets ( int , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, необходимо установить self.pocket_finder . Будет только сгенерировать позы для первых num_pockets , возвращенных сам.pocket_finder .

    • out_dir ( str , необязательно ( по умолчанию Нет ) ) - Если указано, записывать сгенерированные позы в этот каталог.

    • use_pose_generator_scores ( bool , необязательно ( по умолчанию False ) ) - Если True , запросить генератор позы для генерации оценок. Это не может быть Истинно , если self.featurizer и self.scoring_model установлены поскольку в этом случае они будут использоваться для создания оценок.

    Возвращает

    Генератор. Если use_pose_generator_scores == True или self.scoring_model установлен, тогда будут получены кортежи (posed_complex, оценка) . В противном случае будет получено posed_complex .

    Тип возврата

    Генератор [кортеж [ posed_complex , оценка ]] или генератор [ posed_complex ]

    Оценка позы

    Этот модуль содержит некоторые утилиты для подсчета очков стыковки. функционирует прямо в Python.На данный момент поддержка пользовательской оценки позы ограничено.

    pairwise_distances ( coords1: numpy.ndarray , coords2: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Возвращает матрицу попарных евклидовых расстояний.

    Параметры
    • coords1 ( np.ndarray ) - массив numpy формы (N, 3)

    • координаты2 ( нп.ndarray ) - массив с множеством форм (M, 3)

    Возвращает

    Массив (N, M) с попарными расстояниями.

    Тип возврата

    np.ndarray

    cutoff_filter ( d: numpy.ndarray , x: numpy.ndarray , cutoff = 8.0 ) → numpy.ndarray [источник]

    Применяет фильтр среза на попарных расстояниях

    Параметры
    • d ( нп.ndarray ) - Матрица попарных расстояний. Массив numpy формы (N, M)

    • x ( np.ndarray ) - Матрица формы (N, M)

    • отсечка ( float , опционально ( по умолчанию 8 ) ) - отсечка для выбора в Ангстремах

    Возвращает

    Массив (N, M) со значениями, в которых расстояние слишком велико, пороговое значение равно 0.

    Тип возврата

    np.ndarray

    vina_nonlinearity ( c: numpy.ndarray , w: float , Nrot: int ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет нелинейность, используемую в Vina.

    Параметры
    • c ( np.ndarray ) - Numpy-массив формы (N, M)

    • w ( float ) - Условие взвешивания

    • Nrot ( int ) - Количество вращающихся связей в этой молекуле

    Возвращает

    Массив (N, M) с активациями по нелинейности.

    Тип возврата

    np.ndarray

    vina_repulsion ( d: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет член взаимодействия отталкивания Autodock Vina.

    Параметры

    d ( np.ndarray ) - массив с множеством форм (N, M) .

    Возвращает

    Массив (N, M) с элементами отталкивания.

    Тип возврата

    np.ndarray

    vina_hydrophobic ( d: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет член гидрофобного взаимодействия Autodock Vina.

    Здесь d - это набор расстояний от поверхности, как определено в [1] _

    .
    Параметры

    d ( np.ndarray ) - массив с множеством форм (N, M) .

    Возвращает

    Массив (N, M) гидрофобных взаимодействий на кусочно-линейной кривой.

    Тип возврата

    np.ndarray

    Ссылки

    vina_hbond ( d: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет член взаимодействия водородных связей Autodock Vina.

    Здесь d - это набор расстояний от поверхности, как определено в [1] _

    .
    Параметры

    d ( np.ndarray ) - массив с множеством форм (N, M) .

    Возвращает

    Массив (N, M) гидрофобных взаимодействий на кусочно-линейной кривой.

    Тип возврата

    np.ndarray

    Ссылки

    vina_gaussian_first ( d: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет первый гауссовский член взаимодействия Autodock Vina.

    Здесь d - это набор расстояний от поверхности, как определено в [1] _

    .
    Параметры

    д ( нп.ndarray ) - массив размером (N, M) .

    Возвращает

    Массив (N, M) гауссовских членов взаимодействия.

    Тип возврата

    np.ndarray

    Ссылки

    vina_gaussian_second ( d: numpy.ndarray ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет второй член гауссовского взаимодействия Autodock Vina.

    Здесь d - это набор расстояний от поверхности, как определено в [1] _

    .
    Параметры

    д ( нп.ndarray ) - массив размером (N, M) .

    Возвращает

    Массив (N, M) гауссовских членов взаимодействия.

    Тип возврата

    np.ndarray

    Ссылки

    vina_energy_term ( coords1: numpy.ndarray , coords2: numpy.ndarray , weights: numpy.ndarray , wrot: float , Nrot: int ) → numpy.ndarray [источник]

    Вычисляет функцию Vina Energy для двух молекулярных конформаций

    Параметры
    • coords1 ( np.ndarray ) - Молекулярные координаты формы (N, 3)

    • coords2 ( np.ndarray ) - Молекулярные координаты формы (M, 3)

    • weights ( np.ndarray ) - массив с множеством форм (5,) .5 значений являются весами для члена взаимодействия отталкивания, член гидрофобного взаимодействия, член взаимодействия водородной связи, первый член гауссовского взаимодействия и второй член гауссовского взаимодействия.

    • wrot ( float ) - Коэффициент масштабирования для нелинейности

    • Nrot ( int ) - Количество вращающихся связей в этом расчете

    Возвращает

    Скалярное значение со свободной энергией

    Тип возврата

    нп.ndarray

    Глубокое обучение с подкреплением, ориентированное на разнообразие, для генерации целевых молекул | Journal of Cheminformatics

    Предлагаемая структура разделена на две основные части. Во-первых, с использованием контролируемого обучения реализуются две глубокие нейронные сети: генеративная и QSAR-модель. Первый обучен изучать правила построения молекул с использованием нотации SMILES, а второй обучен предсказывать конкретную биологическую активность соединений.Обе они построены с использованием рекуррентных моделей, ячеек с длительной кратковременной памятью (LSTM) и закрытого рекуррентного блока (GRU) соответственно, и используют строки SMILES в качестве входных данных. На втором этапе Генератор будет повторно обучен через RL, а Предиктор будет направлять процесс обучения, чтобы гарантировать генерацию молекул с оптимизированным желаемым свойством. В этой работе мы представляем новую стратегию выбора токенов при генерации строк SMILES и подход к повышению новизны в соединениях.Следовательно, цель состоит в том, чтобы создать действительные молекулы с многообещающими свойствами и, в то же время, обеспечить удовлетворительное разнообразие после применения RL для смещения генератора к желаемой цели. На рис. 1 описан общий рабочий процесс фреймворка для целевого привлечения потенциальных клиентов.

    Рис. 1

    Общий обзор инфраструктуры: два генератора с одинаковой архитектурой и предиктор, соединенные между собой посредством обучения с подкреплением

    Модель генератора

    Входными данными для этой модели являются строки SMILES.Следовательно, необходимо выполнить некоторое кодирование для преобразования каждого последовательного или структурного символа в числовое значение, которое может использоваться моделью. Предварительная обработка данных начинается с их токенизации, за которым следует заполнение и, наконец, преобразование их в векторы горячего кодирования. Токенизация включает преобразование каждого символа атома или связи в тип char (токен). Словарь, использованный при построении строк SMILES, содержал 45 токенов. Затем, чтобы стандартизировать все строки, были добавлены начальные и конечные символы.Заполнение последовательностей гарантирует, что все строки SMILES содержат 65 токенов. В этом случае начальный символ - «G», окончание - «E», а заполнение - это пробел. Наконец, строки SMILES преобразуются в вектор быстрого кодирования.

    Архитектура аналогична той, что была замечена в работе Гупта и др. [21]. Он включал входной слой, два слоя LSTM с 256 единицами и 0,3 для значения выпадения, применяемых между каждым слоем. Приложение отсева можно рассматривать как стратегию регуляризации, которая помогает минимизировать взаимозависимость обучения и улучшить обобщение модели.Кроме того, он имеет плотно связанный слой с 43 единицами и нейронный блок с функцией активации Softmax. Данные были разделены на пакеты по 16 SMILES, в течение 25 итераций обучения, и оптимизатор, используемый для обновления весов, был Adam со скоростью обучения 0,001.

    На протяжении всего процесса обучения на каждом шаге каждый массив токенов используется в качестве входных данных для архитектуры, а соответствующие выходные данные представляют собой распределение вероятностей всех возможных токенов. После нескольких шагов модель предназначена для присвоения наивысшей вероятности реальному токену с учетом остальной части последовательности, указанной в качестве входных данных.По этой причине во время обучения используется алгоритм «Принуждение учителя». Это означает, что правильный токен всегда интегрируется в оставшийся набор токенов (который будет использоваться в качестве входных данных на следующем этапе), а не в токен, полученный в результате прогнозирования модели, что минимизирует потери максимальной вероятности на каждом этапе обучения [22] . Рассмотрим \ (y = \ {y_ {1}, y_ {2}, \ ldots, y_ {T} \} \) как правильную выходную последовательность для данной входной последовательности X и \ ({\ hat {y }} \) - выходной вектор Генератора. Предположим, у нас есть T выборок, каждая из которых проиндексирована \ (t = 1, \ ldots, T \).{T} \ left [y_t \ log {\ hat {y}} _ {t} + (1-y_t) \ log (1 - {\ hat {y}} _ {t}) \ right] \ end {выровнено } $$

    (1)

    Функция потерь (уравнение 1) представляет собой отрицательное логарифмическое отношение правдоподобия между правильными и конкурирующими токенами, чтобы гарантировать, что после этапа обучения выходной токен с большей вероятностью будет выбран на этапах будущих поколений. Градиенты вычисляются в соответствии с методом отсечения градиента, чтобы избежать нестабильности во время обучения [23]. Комбинация RNN и последовательных данных, таких как нотация SMILES, принесла успешные результаты в нескольких областях, в том числе в создании синтаксически валидных молекул [11].Эта способность изучать правила и зависимости, присущие процессу построения молекул, объясняется способностью этого типа архитектуры изучать важные входные разделы и сохранять их в своей долговременной памяти для использования по мере необходимости [7]. На рисунке 2 показано упрощенное изображение процедуры обучения.

    Рис. 2

    Схема процедуры обучения для строки SMILES «GCNC (C) = OE». Для каждого шага t входом модели является векторизованный токен y t , а выходными данными является вероятность того, что токен, предсказанный моделью, является правильным токеном.Цель процесса обучения - максимизировать эту вероятность.

    Последний шаг - генерация выходных данных, в которой новые молекулы формируются путем прогнозирования их строения токен за токеном. Следовательно, на каждом этапе генерации прогнозируется новый атом или связь молекулы с учетом уже созданной структуры. Наконец, средство дезинфекции молекул RDKit синтаксически проверяет вновь созданные молекулы (http://www.rdkit.org).

    Модель предиктора

    Предиктор - это модель QSAR, которая выполняет сопоставление между структурой молекул и их аффинностью связывания с интересующими целями.На протяжении всей этой работы сродство связывания соединения с целью оценивается с помощью параметра \ (\ text {IC} _ {50} \). Этот параметр обозначает полумаксимальную ингибирующую концентрацию, и он указывает, сколько вещества необходимо для ингибирования \ (50 \% \) данного рецептора. Значение \ (p \ text {IC} _ {50} \) равно \ (- \ log (\ text {IC} _ {50} \)), поскольку природа значений потенции является логарифмической. Более высокие значения \ (p \ text {IC} _ {50} \) указывают на экспоненциально более мощные ингибиторы. Были протестированы два различных подхода для определения наилучшей архитектуры и молекулярного дескриптора Predictor.

    Первый подход, используемый в качестве базового, использует расширенный отпечаток связности (ECFP) в качестве молекулярного представления. Эти битовые векторы широко используются для предсказания физико-химических свойств, биологической активности или токсичности химических соединений [24]. Результатом модели является действительное число, которое является оценочным \ (\ text {pIC} _ {50} \). Четыре разработанных алгоритма - это регрессия опорных векторов (SVR), случайный лес (RF), K-Neighrest Neighbours (KNN) и глубоко подключенная нейронная сеть (FCNN).Входными данными были ECFP6 (векторы с 4096 битами), рассчитанные с помощью алгоритма RDkit Morgan Fingerprint с радиусом трех связей [25]. Первые три модели были реализованы с помощью инструмента обучения Scikit (https://scikit-learn.org/). Параметры и гиперпараметры, применяемые в этих QSAR на основе ML, описаны в таблице 1.

    Таблица 1 Оптимальные гиперпараметры для стандартных моделей QSAR

    FCNN была реализована с тремя полностью связанными скрытыми слоями (с 8000, 4000 и 2000 нейронов) активируется выпрямленным линейным модулем (ReLU) с техникой выпадения между каждым полностью подключенным слоем для уменьшения переобучения.Архитектура включает выходной слой, который состоит из одного нейрона, который возвращает оценку биологической активности. На рисунке 3 показаны детали модели.

    Рис. 3

    Общая схема Predictor с архитектурой FCNN. В качестве входных данных используется вектор ECFP, рассчитанный с помощью алгоритма Morgan Fingerprint с радиусом трех связей

    Второй подход изображен на рис. 4, и он использует строки SMILES в качестве входных данных без их преобразования в какую-либо другую форму дескрипторов.Архитектура модели состояла из слоя внедрения, который преобразует каждый токен в вектор из 128 элементов, двух слоев GRU (128 единиц), одного плотного слоя, активируемого функцией ReLU (128 единиц), и, наконец, выходного слоя с линейной активацией. функция.

    Рис. 4

    Общая схема архитектуры Predictor на основе RNN. Кодирование SMILES преобразуется в целочисленный вектор, который будет использоваться в качестве входных данных.

    Реализация начинается с предварительной обработки SMILES, чтобы преобразовать их в числовые дескрипторы.Как и в случае с генератором, основные шаги - это токенизация и заполнение каждой последовательности. Словарь определяется словарём, который составляет УЛЫБКИ в терминах токенов. Затем через этот словарь каждый токен сопоставляется с соответствующим целым числом. Это представление сохраняет структурную информацию, характер и порядок и имеет низкие вычислительные затраты, учитывая количество различных токенов. Кроме того, он решает проблему использования косвенных представлений химических структур, что, таким образом, добавляет человеческую предвзятость и в некоторых случаях может искажать взаимосвязь между соединениями и желаемым свойством [26].

    Что касается архитектуры, в этом случае вместо однократного кодирования мы применяем уровень внедрения. Таким образом, каждое целое число, представляющее токен, преобразуется в плотный вектор, который представляет проекцию токена в непрерывное векторное пространство. Поскольку мы использовали 128 единиц в слое GRU, каждый токен также был преобразован в вектор из 128 элементов. Эта нотация позволяет минимизировать разреженность, связанную с однократным кодированием, и позволяет остальной части архитектуры более легко оценивать сходства и различия между молекулами, так что сопоставление SMILES и биологической активности может быть более точным.

    Цель состоит в том, чтобы использовать возможности DL и рекуррентных архитектур для определения свойств молекул, ответственных за взаимодействие или не за взаимодействие с интересующей целью. После преобразования токенов в векторы непрерывных значений, они подаются на два уровня ячеек ГРУ, которые выводят вектор из 128 единиц. Этот вектор содержит релевантную информацию, извлеченную из SMILES, и будет передан на плотно связанный слой для преобразования 128 единичного вектора в одно значение.Наконец, после применения линейной активации к этому значению, мы получаем прогнозируемую биологическую активность.

    Этот тип архитектуры особенно полезен при моделировании QSAR. Во-первых, благодаря способности клеток ГРУ сохранять память для всей последовательности, можно идентифицировать ценные особенности всей молекулы. Во-вторых, эта архитектура позволяет работать с обучающими данными, которые имеют входные данные различной длины. Напротив, традиционные QSAR имеют матрицу дескрипторов с фиксированным числом столбцов, и положение столбца каждого дескриптора должно оставаться фиксированным.

    После определения лучших параметров с использованием стратегии поиска по сетке, реализация регрессии была выполнена с использованием пятикратной перекрестной проверки, чтобы разделить данные и избежать нежелательного переобучения. Данные разделены на \ (85 \% \) для обучения / проверки и \ (15 \% \) для тестирования. Затем обучающие / проверочные УЛЫБКИ делятся на пять частей для обучения равного количества моделей. В каждом сгибе данные случайным образом разделяются на \ (85 \% \) обучающих данных \ (15 \% \) для проверки. Набор тестов оценивает надежность модели в прогнозировании аффинности связывания новой молекулы.Функция потерь в этой регрессионной задаче представляет собой среднеквадратичную ошибку. Это помогает измерить, насколько близко предсказатель учится получать фактический результат. Кроме того, используется метод ранней остановки, чтобы можно было указать произвольно большое количество периодов обучения и остановить обучение, как только производительность модели перестает улучшаться на подмножестве проверки. Важный аспект, который следует упомянуть, - это стандартизация меток данных, которые прогнозирует модель QSAR.

    Стратегия обучения с подкреплением

    Структура RL реализована с использованием алгоритма REINFORCE, и цель состоит в том, чтобы научить Генератор химическим пространствам, которые гарантируют генерацию молекул с заданными свойствами.Этот процесс обучения можно рассматривать как изменение поведения, обусловленное полученным опытом. Когда конкретное действие приносит нам пользу, мы учимся его повторять. Это основа RL, то есть агент, который учится отображать состояния в действия посредством максимизации вознаграждения при взаимодействии с окружающей средой [27].

    Другими словами, цель этого типа проблемы достигается, когда прогрессивно достигается лучшая политика / поведение, что отражается в максимизации накопленного дисконтированного вознаграждения от различных действий [27].{k} r_ {t + k + 1} \ end {align} $$

    (2)

    где \ (R_t \) - доходность, t - временной шаг, T - последний временной шаг, а \ (\ gamma \) - коэффициент дисконтирования. Он определяет, сколько стоит будущее вознаграждение в настоящем [27]. Таким образом, это параметр, отличающийся от \ (0 \ le \ gamma <1 \), который делает награды в ближайшее время более желательными, чем в далеком будущем.

    RL основан на формальной структуре марковских проблем принятия решений (MDP).В этом формализме агент взаимодействует со своей внешней стороной, окружающей средой, чтобы выбрать наилучшее действие в зависимости от состояния окружающей среды. На каждом шаге агент находится в некотором состоянии \ (s \ in S \), и необходимо выбрать доступное действие. На следующем этапе этому выбору присваивается числовое вознаграждение, оценивающее последствия ранее предпринятого действия. Кроме того, среда обновляется, и новое состояние представляется агенту для повторения процесса [28]. Этот процесс включает идею причины и следствия, чувство недетерминизма и наличие явных целей.

    Этот формализм может быть адаптирован для генерации молекул с помощью струн SMILES, и мы укажем параллели между классическим формализмом и глубоким генеративным полем. Таким образом, набор действий, которые может выбрать агент, соответствует всем знакам и символам, которые используются при построении валидных УЛЫБКОВ. Состояния, через которые может пройти агент, соответствуют набору всех строк SMILES, которые могут быть построены в процессе генерации. Политика (\ (\ pi \)) отображает текущее состояние в распределение вероятностей выбора следующего действия [28].Таким образом, основная цель RL - найти оптимальную политику, то есть политику, которая выбирает действия для максимизации ожидаемого вознаграждения. Политика является краеугольным камнем RL, и в этом случае она соответствует Генератору . Веса генератора будут обновляться на основе градиента скалярной меры производительности (\ (J (\ theta) \) в уравнении 3) по отношению к параметрам политики. Цель состоит в том, чтобы максимизировать эту цель производительности, чтобы их обновления приближались к градиенту подъема в J :

    $$ \ begin {align} \ theta _ {t + 1} = \ theta _ {t} + \ alpha \ nabla J (\ theta _t), \ end {align} $$

    (3)

    , где t представляет временной шаг, \ (\ theta \) параметры политики, \ (\ alpha \) скорость обучения, а \ (\ nabla J (\ theta _ {t}) \) является оценкой через его ожидание градиента показателя эффективности по отношению к \ (\ theta _t \) [27].{t} R_ {t} \ nabla ln \ pi (A_ {t} | S_ {t}, \ theta _ {t}) \ end {align} $$

    (4)

    Этапы процесса обучения

    Процесс обучения начнется с отбора проб новых соединений. На этом этапе генерируются пакеты УЛЫБКИ, и анализ каждого действия выполняется токен за токеном. Другими словами, молекула создается, и ей назначается награда от Предиктора. Затем, поскольку каждый выбранный токен соответствует действию, молекула «разлагается» на каждый из своих токенов и снова «реконструируется» для анализа вероятности каждого предпринимаемого действия для вычисления функции потерь.Кумулятивные потери являются результатом анализа суммы вероятностей каждого предпринятого действия в каждой молекуле сгенерированной партии. По этой причине формулировка приближается к МДП, поскольку на каждом этапе реконструкции молекулы выбирается действие. В ответ на это действие назначается дисконтированный формат начального вознаграждения, и агенту предоставляется новое состояние. Это состояние соответствует стыку частично реконструированной молекулы с выбранным токеном из предыдущего шага.Вновь созданное состояние используется для предсказания следующего токена / действия.

    Награда присваивается не каждому действию, а каждой молекуле. i \ cdot \ ln {(p (s_j | s_0 \ ldots s_ {j-1}, \ theta)}), \ end {align} $$

    (5)

    Поскольку мы применяем RL, необходимо учитывать дилемму разведки / эксплуатации, чтобы гарантировать надежность модели.Исследование направлено на сбор дополнительной информации об окружающей среде, чтобы выбрать лучшие действия в будущем, в то время как эксплуатация способствует максимизации немедленных вознаграждений. По мере того как агент осознает то, что приносит ему все больше и меньше вознаграждения, можно решить, что важнее - продолжить обучение или следовать наиболее многообещающей стратегии, опираясь на накопленный к настоящему моменту опыт [27]. Мы рассматриваем три стратегии решения этой проблемы на протяжении всей работы.

    Во-первых, чтобы сделать выборку новых строк SMILES, мы используем активацию Softmax с параметром температуры.Температура позволяет точно контролировать случайность прогнозов путем масштабирования логитов перед применением Softmax [21]. Если температура снижается, предпочтение отдается действиям, которые с большей вероятностью будут выбраны, что делает модель менее восприимчивой к обнаружению новых действий и, как таковая, больше способствует эксплуатации. С другой стороны, при более высоких температурах вероятности каждого действия имеют тенденцию приближаться, поэтому можно выбрать разные действия, и, как таковая, это стратегия, которая дает больший приоритет исследованию.

    Второй способ справиться с этим компромиссом - это альтернативное использование двух политик для прогнозирования следующего токена. Новаторство этой стратегии основано на том факте, что она учитывает не только цель открытия многообещающих молекул, но и цель сохранения разнообразия соединений. Другими словами, выбор токена при генерации новых строк SMILES определяется двумя генераторами: смещенным генератором, \ (G_ {b} \), который был обновлен с помощью подхода RL, и вторым фиксированным генератором, изначально обученным. без RL, Генератор несмещенный, \ (G_ {u} \).Поскольку SMILES конструируются токен за токеном и зависят только от той части молекулы, которая была построена до сих пор, можно интеркалировать оба генератора, чтобы предсказать следующий токен. \ (G_ {u} \) обучен только генерировать синтезируемые молекулы, в то время как \ (G_ {b} \) обучается максимизировать совокупное вознаграждение. В этом отношении \ (G_ {u} \) связан с разведкой, а \ (G_ {b} \) отвечает за эксплуатацию. Частота использования \ (G_ {b} \) или \ (G_ {u} \) определяется динамически и зависит от эволюции вознаграждения.В частности, на каждом шаге генерируется случайное число \ (\ epsilon \) от 0 до 1. Если значение меньше порогового значения \ (\ lambda \), \ (G_ {u} \) предсказывает следующий токен, в противном случае будет выбран \ (G_ {b} \). Обратите внимание, что этот порог, \ (\ lambda \), динамически определяется по мере продвижения процесса RL. Как правило, если усредненное вознаграждение увеличивается для двух последних партий сгенерированных молекул (Генератор обновляется в правильном направлении), \ (\ lambda \) уменьшается, и использование благоприятно.Напротив, если вознаграждение не улучшается, как ожидалось, \ (\ lambda \) увеличивается, чтобы чаще применять политику \ (G_ {u} \). Описание этого процесса изображено на Рис. 5.

    Рис. 5

    Процесс генерации УЛЫБКИ с использованием двух генераторов поочередно

    Наконец, другая процедура для сохранения соответствующей новизны в генерируемых соединениях заключается в отражении в величине вознаграждения a штраф при уменьшении новизны. Эта корректировка вознаграждения выполняется на основе анализа сходства между каждой созданной молекулой и набором последних 30 сгенерированных молекул, которые будут действовать как постоянно обновляемая память.Сходство между каждой молекулой будет определяться с использованием расстояния Танимото, которое будет анализировать соответствующие ECFP молекул, чтобы присвоить значение от 0 (молекулы с идентичными отпечатками пальцев) до 1 (совершенно разные отпечатки пальцев). Затем, на основе вычисленного среднего разнообразия, вознаграждение может понести штраф в размере 15% от его стоимости, если вознаграждение меньше порогового значения \ (\ kappa \). В этом отношении последовательное генерирование подобных молекул будет иметь негативные последствия для вознаграждения.Таким образом, выполняя эту коррекцию, веса будут скорректированы, чтобы избежать штрафов, и Генератор сможет выйти за возможные относительные минимумы.

    Метрики оценки

    Для целевой генерации потенциальных клиентов de novo важно сохранить валидность соединений и их биологический интерес [10, 11]. Следовательно, полученные молекулы должны пройти тщательную оценку на предмет их достоверности, желательности, синтетической доступности, сходства с лекарствами, уникальности и разнообразия.В этой работе молекула определяется как «действительная», если она может пройти через дезинфицирующее средство RDKit [29]. Чтобы генерировать молекулы с определенным оптимизированным свойством, необходима метрика для оценки. Для сродства связывания используется \ (\ text {pIC} _ {50} \), а для определения соединения как желательно мы устанавливаем порог больше или равный 6,5 аналогично Liu et al. [17]. Для оценки синтезируемости мы применили инструмент, позволяющий оценить легкость, с которой рассчитанные с помощью вычислений соединения могут быть синтезированы на практике.Это показатель под названием Synthetic Accessibility Score (SAS), который варьируется от 1 до 10. Если молекула имеет оценку выше 6, ее сложно синтезировать. Его оценка основана на знаниях, извлеченных из известных синтетических реакций и штрафов за высокую молекулярную сложность [30].

    Мы оцениваем разнообразие между сгенерированными соединениями на основе трех типов показателей. Сходство Танимото (\ (T_s \)), расстояние Левенштейна (\ (L_d \)) и максимальная общая подструктура ( MCS ) для обеспечения устойчивости оценки.Цель состоит в том, чтобы воспользоваться преимуществами дополнительных трех показателей, чтобы сделать обоснованные выводы относительно разнообразия и новизны генерируемых молекул.

    \ (T_s \) определить расстояние между молекулярными отпечатками пальцев. В этом случае необходимо преобразовать каждую УЛЫБКУ в соответствующий формат ECFP3. Этот дескриптор представляет собой двоичный вектор, который построен так, что чем больше похожи две молекулы, тем больше элементов в соответствующих векторах равны. На основе этого принципа \ (T_s \) между двумя молекулами a и b определяется следующим уравнением:

    $$ \ begin {align} T_s (a, b) = \ frac {| m_ {a } | \ cap | m_ {b} |} {| m_ {a} | \ cup | m_ {b} |} \ end {align} $$

    (6)

    где \ (| m_ {a} | \ cap | m_ {b} | \) указывает коэффициент между количеством совпадающих битов и \ (| m_ {a} | \ cup | m_ {b} | \) общее количество битов, образованных двумя соединениями.Таким образом, \ (T_s \) изменяется от 0 до 1. Чем ниже результат, тем менее похожи соединения.

    Вторым критерием оценки молекулярного разнообразия является расстояние Левенштейна. Это обычно используемый параметр для измерения неоднородности между двумя текстовыми строками [31]. Поскольку SMILES - это, по сути, струны, расстояние Левенштейна можно применять непосредственно к струнам SMILES. Это расстояние определяется как минимальное количество вставок, удалений и замен, необходимых для идентичности двух SMILES.Уравнение 7 показывает, как вычисляется расстояние Левенштейна (\ (L_d \)) между двумя цепочками молекул SMILES a и b .

    $$ \ begin {выровнено} {\ text {lev}} _ {a, b} (i, j) = \ left \ {\ begin {array} {ll} \ max (i, j) & {} \ text {if} \ min (i, j) = 0 \\ \ min \ left \ {\ begin {array} {l} {\ text {lev}} _ {a, b} (i-1, j) +1 \\ {\ text {lev}} _ {a, b} (i, j-1) +1 \\ {\ text {lev}} _ {a, b} (i-1, j-1) +1 _ {\ left (a_ {i} \ ne b_ {j} \ right)} \ end {array} \ right. & \ Text {иначе} \ end {array} \ right.\ end {align} $$

    (7)

    В этом уравнении \ (1 _ {\ left (a_ {i} \ ne b_ {j} \ right)} \) является индикаторной функцией, которая равна 1, если токен (атом или связь) i из a не равно токену j из b и 0 в противном случае.

    Последний параметр для оценки молекулярного разнообразия - MCS , который задается уравнением. 8. Эта метрика вычисляет соотношение между количеством атомов в максимальной общей субструктуре молекул \ (m_a \) и \ (m_b \) и количеством атомов в молекулах \ (m_a \) и \ (m_b \).Подходы, основанные на MCS, хорошо работают при выявлении локальных сходств, где методы структурных дескрипторов обычно терпят неудачу [32].

    $$ \ begin {align} MCS \ left (a, b \ right) = \ frac {{\ text {mcs}} \ left (m_ {a}, m_ {b} \ right)} {\ text { атомы} \ left (m_ {a} \ right) + \ text {atom} \ left (m_ {b} \ right) - {\ text {mcs}} \ left (m_ {a}, m_ {b} \ right )} \ end {align} $$

    (8)

    Обратите внимание, что хотя \ (T_s \) и MCS указывают на сходство между соединениями, можно использовать эти показатели для оценки разнообразия посредством вычисления \ (1-T_s \).Следовательно, исходя из этих трех определений расстояния, мы вычисляем разнообразие внутри набора соединений (внутреннее разнообразие) и разнообразие между двумя наборами различных молекул (внешнее разнообразие).