Механические свойства арматурных сталей

Обновлено: 08.01.2025

Механические свойства (прочностные и деформативные) арматурных сталей устанавливают по диаграммам деформирования «напряжения – деформации», полученным при испытании прямым растяжением опытных образцов, вырезаемых непосредственно из арматурного стержня.

В зависимости от механических свойств арматурные стали традиционно принято разделять на две группы: так называемые «мягкие» стали, имеющие физический предел текучести, и «твердые» стали, не имеющие физического предела текучести.

Для «твердых» сталей, для которых наблюдается постепенный, плавный переход в пластическую стадию и на кривой «s_s–e_s» отсутствует ярко выраженная площадка текучести, вводят понятие условного предела текучести. Тогда, для «мягких» сталей напряжение f_yk, при котором деформации развиваются без заметного прироста нагрузки, называют физическим пределом текучести, а напряжение f_t, предшествующее разрыву – носит название временного сопротивления арматуры. Для высокопрочных сталей устанавливают условный предел текучести s_0,2 = f_yk – напряжение, при котором остаточные деформации De_s составляют 0,2 % (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Диаграммы деформирования арматурных сталей

Для арматурных сталей, имеющих физический предел текучести, рассматривают следующие деформации, характеризующие основные этапы их работы под нагрузкой:

а) упругие деформации e_n, соответствующие напряжению f_n, определяемому по пределу пропорциональности;

б) упруго-пластические деформации e_ер, соответствующие напряжению f_e, определяемому как предел упругости;

в) деформации e_sy, соответствующие пределу текучести f_y;

г) деформации e_su, соответствующие временному сопротивлению арматуры f_t.

Для высокопрочных сталей установлен условный предел пропорциональности s_0,02 = f_n, соответствующий напряжению, при котором остаточное удлинение составляет 0,02 %, а также предел упругости, принимаемый равным f_e = 0,8f_y

Классы арматуры, соответствующие им нормативные

И расчетные сопротивления

Арматура для конструкций без предварительного напряжения

В соответствии с требованиями норм в качестве ненапрягаемой арматуры железобетонных конструкций следует применять гладкую стержневую арматуру класса S240 и арматуру периодического профиля S400 и S500.

По способу производства ненапрягаемая арматура может быть горячекатанной, термомеханически упрочненной и холоднодеформированной. Требования к механическим свойствам арматуры регламентируются соответствующими стандартами и технологическими условиями

Для арматурных сталей, применяемых в железобетонных конструкциях, установлены следующие прочностные характеристики:

а) мгновенная прочность при растяжении или временное сопротивление при разрыве f_t, определяемое непосредственно при испытании образцов, отобранных из партии арматурных стержней

б) нормативное временное сопротивление f_tk, определяемое по результатам испытания серии образцов (но не менее 15 штук) одного диаметра из одной марки стали с учетом статистической изменчивости с обеспеченностью не менее 0,95;

в) нормативное сопротивление арматуры f_yk (f_02k) – наименьшее контролируемое значение физического или условного предела текучести; указанные контролируемые характеристики гарантируются заводами-изготовителями с обеспеченностью не менее 0,95;

г) расчетное сопротивление арматуры f_yd, определяемое путем деления нормативных сопротивлений f_yk (f_02k) на частный коэффициент безопасности по арматуре.

Арматура для предварительно напряженных конструкций

В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций в соответствии с требованиями норм следует применять стержни и канаты классов S800, S1200, S1400. По способу производства арматура может быть горячекатанной, термомеханически упрочненной и холоднодеформированной. Требования к механическим свойствам арматуры регламентируются соответствующими стандартами.

Нормативное сопротивление высокопрочной напрягаемой арматуры f_02k – это наименьшее контролируемое значение условного предела текучести, равного значению напряжения, соответствующего остаточному относительному удлинению 0,2 %. Указанная характеристика гарантируется заводом-изготовителем с обеспеченностью не менее 0,95.

Расчетное сопротивление напрягаемой арматуры f_02d определяют путем деления нормативного сопротивления f_02k на частный коэффициент безопасности по арматуре g_s.

Основные физико-механические характеристики арматуры

Характеристики прочности и деформацийарматурных сталей устанавливают по диаграмме получаемой из испытания образцов на растяжение.

Рис. 1.18. Диаграммы при растяже­нии арматурной ста­ли а — с площадкой текуче­сти (мягкая сталь); б — с условным пределом те­кучести

Горячекатаная арматурная сталь, имеющая на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением после разрыва — до 25% (мягкая сталь) (рис.1.18,а).

Повышение прочности горячекатаной арматурной ста­ли и уменьшение удлинения при разрыве достигают вве­дением в ее состав углерода и различных легирующих добавок: марганца, кремния, хрома и др.

Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали достигают термическим упрочнением или холодным

деформированием. Высоколегированные и термически упрочненные арма­турные стали переходят в пластическую стадию посте­пенно, что характеризуется отсутствием ярко выраженной площадки текучести на кривой (рис. 1.18,6). Для этих сталей

Пластические свойстваарматурных сталей имеют большое значение для работы железобетонных конструк­ций под нагрузкой, механизации арматурных работ, удоб­ства натяжения напрягаемой арматуры и др. Арматурная сталь обладает достаточной пластичностью, которая ха­рактеризуется относительным удлинением при испытании на разрыв образцов длиной, равной 5 диаметрам стержня (или 100 мм), а также оценивается испытанием их на изгиб в холодном состоянии вокруг оправки тол­щиной, равной 3 - 5 диаметров стержня. Понижение пла­стических свойств арматурной стали может стать причи­ной хрупкого (внезапного) разрыва арматуры в конст­рукциях под нагрузкой, хрупкого излома напрягаемой арматуры в местах резкого перегиба или при закрепле­нии в захватках и т. п.

Минимально допустимое относи­тельное удлинение и требования при испытании на холод­ный загиб установлены стандартами и техническими ус­ловиями.

Свариваемостьарматурных сталей характеризуется надежностью соединения, отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах. Сваривае­мость имеет существенно важное значение для механи­зированного изготовления сварных сеток и каркасов, вы­полнения стыков стержневой арматуры, анкеров, раз­личных закладных деталей и т. п. Хорошо свариваются горячекатаные малоуглеродистые и низколегированные арматурные стали. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения — про­исходят отпуск и потеря закалки термически упрочнен­ных сталей, отжиг и потеря наклепа проволоки, упроч­ненной вытяжкой.

Хладноломкостью, или склонностью к хрупкому раз­рушению под напряжением при отрицательных темпера­турах (ниже -30 °С), обладают горячекатаные ар­матурные стали периодического профиля некоторых ви­дов — из полуспокойной мартеновской и конвертерной стали и др. Арматурные стали из высокопрочной прово­локи и термически упрочненные обладают более низким порогом хладноломкости.

Реологические свойстваарматурной стали характе­ризуются ползучестью и релаксацией. Ползучесть нара­стает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация (уменьшение напряжений) наблюдается в ар­матурных стержнях при неизменной длине — отсутствии деформаций. Релаксация зависит от механических свойств и химического состава арматурной стали, техно­логии изготовления и условий применения и др. Значи­тельной релаксацией обладает упрочненная вытяжкой проволока, термически упрочненная арматура, а также высоколегированная стержневая арматура. Релаксация горячекатаных низколегированных арматурных сталей незначительна. Как показывают опыты, наиболее интен­сивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация арматурной стали оказывает большое влияние на работу предварительно напряженных конструкций, так как приводит к частичной потере искусственно созданно­го предварительного напряжения.

Усталостное разрушениеарматурной стали наблюда­ется при действии многократно повторяющейся нагрузки, оно носит характер хрупкого разрушения. Предел вынос­ливости арматурной стали в железобетонных конструк­циях зависит от числа повторений нагрузки п, качества сцепления и нали­чия трещин в бетоне растянутой зоны и др. Тер­мически упрочненные арматурные стали имеют понижен­ный предел выносливости.

Динамическая прочностьарматурной стали наблюда­ется при нагрузках большой интенсивности, действующих на сооружение за весьма короткий промежуток времени. В условиях высокой скорости деформирования арматур­ные стали работают упруго при напряжениях, превыша­ющих физический предел текучести, при этом происходит запаздывание пластических деформаций. Превышение динамического предела текучести над пределом текуче­сти при статическом нагружении связано с временем запаздывания. В меньшей степени динамическое упрочне­ние проявляется на условном пределе текучести ста­лей легированных и термически упрочненных (не имею­щих явно выраженной площадки текучести) и практиче­ски совсем не отражается на пределе прочности всех видов арматурных сталей, в том числе высокопрочной проволоки и изделий из нее.

Изменение структуры металла и снижение прочности арматурных сталейпроисходит при высокотемператур­ном нагреве. Так, при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатаной арматуры класса А – III уменьшается на 30 %, классов А-II и А-I — на 40 %, модуль упругости уменьшается на 15 %. Заметное проявление ползучести арматуры в конструкциях под нагрузкой наблюдается при температуре свыше 350 °С. При нагреве происходят отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холод­ным деформированием, поэтому временное сопротивле­ние у высокопрочной арматурной проволоки снижается интенсивнее, чем у горячекатаной арматуры. После на­грева и последующего охлаждения прочность горячекатаной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки — лишь частично.

14. Характеристики предельных состояний строительных конструкций.

Предельными считаются состояния, при которых кон­струкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в проц-ессе эксплуатации требованиям, т. е. теряют спо­собность сопротивляться внешним нагрузкам и воздейст­виям или получают недопустимые перемещения или ме­стные повреждения.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных со­стояний: по несущей способности (1 группа); по пригодности к нормальной эксплуатации (2 группа).

o Расчет по предельным состояниям 1 группы выполняют, чтобы предотвратить следующие явления:

o хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

o потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т.п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или под­земных резервуаров и т. п.);

o усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократ­но повторяющейся подвижной или пульсирующей на­грузки: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т.п.);

o разрушение от совместного воздействия силовых фак­торов и неблагоприятных влияний внешней среды (аг­рессивность среды, попеременное замораживание и от­таивание и т. п.).

Расчет по предельным состояниям второй группы вы­полняют, чтобы предотвратить следующие явления:

o образование чрезмерного и продолжительного раскры­тия трещин (если по условиям эксплуатации они допу­стимы);

o чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в це­лом, а также отдельных ее элементов или частей выпол­няют для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. При этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.

15. Колонны одноэтажных промышленных зданий

КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛОНН И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

Колонны одноэтажных зданий могут быть классифицированы в зависимости от характера изменения поперечного сечения по длине, характера конструкции, видa соединений заводских элементов и конструктивной схемы. Колонны бывают с постоянным сечением и с переменным — ступенчатые. Колонны с постоянным сечением рекомендуется применять в зданиях без мостовых кранов, в зданиях с кранами грузоподъемностью до 10 т включительно (с опиранием подкрановых балок на консоли колонн), для отдельных ветвей колонн раздельного типа, во всех случаях, когда колонны могут быть выполнены из одного прокатного профиля, и для рабочих площадок. В остальных случаях, как правило, применяются ступенчатые колонны.
По характеру конструкции различают колонны сплошные, имеющие сплошную стенку между поясами, и сквозные, в которых пояса ветвей соединены друг с другом решеткой или планками. Сплошные колонны рекомендуется применять при центральном сжатии или при очень малых эксцентрицитетах продольной силы в случаях, когда площадь сечения стенки может быть достаточно полно использована для работы на эту силу, а также при любых силовых воздействиях, когда высота сечений колонн ограничена (порядка 600—800 мм). В остальных случаях рекомендуется проектировать сквозные колонны, которые более экономичны по затрате металла, однако трудоемкость их изготовления несколько больше, чем сплошных, в особенности при применении автоматической сварки. Широкое применение имеют также колонны смешанного типа, в которых верхние (надкрановые) участки, вследствие ограниченных габаритов, выполняются сплошными, а нижние — сквозными. К колоннам такого типа относится большинство ступенчатых колонн одноэтажных промышленных зданий.

Колонны средних рядов зданий и сооружений условно могут быть отнесены к внецентренно сжатым железобетонным элементам со случайным эксцентриситетом. Поэтому:

- рекомендуемые сечения для сжатых (со случайным эксцентриситетом) элементов – симметричные (квадратные, круглые) при минимальных размерах 200 мм для жилых (общественных) зданий и 300 мм – промышленных;

- сечение колонн целесообразно принимать с таким расчетом, чтобы их гибкость ;

бетона – не ниже В15;

рабочей арматуры – А300, A400;

поперечной – А240, В500.

- минимальный диаметр стержней продольной арматуры принимается равным 12 мм, а поперечной – по условиям свариваемости для сварных каркасов (Прил. 3) и не менее 5 мм (0,25 d) – в вязанных;

- максимальный диаметр продольных стержней сжатых элементов зависит от вида и класса бетона (см. п. 8.3.4 [2]);

- минимальный коэффициент армирования должен соответствовать требованиям п. 8.3.4 [2], максимальный – μ_max ≤ 0,03;

- шаг хомутов не должен превышать 15 d и быть не более 500 (условие обеспечения устойчивости сжатой продольной арматуры);

Примечание: если μ > 3 %, то шаг хомутов принимается менее 10 d и менее 300 мм;

- размещение арматуры в сечении и установка конструктивной продольной и поперечной арматуры должны выполняться с учетом требований п.п. 8.3.4 и 8.3.9 [2] (см. также рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Армирование поперечного сечения колонн

а, б – сварными каркасами, в – ж – вязаными каркасами; 1 – соединительный стержень; 2 – каркас; 3 – одиночный хомут; 4 – двойной хомут; 5 – дополнительный стержень; 6 – шпилька; 7 – дополнительные стержни диаметром Æ 12 – 16 мм

Физико-механические свойства арматурных сталей

Они зависят от химического состава стали, из которой сделана арматура, способа изготовления и обработки.

Характеристики прочности и деформативности арматуры опре­деляют по диаграмме , получаемой путём испытаний стан­дартных образцов. Арматурные стали условно подразделяются на "мягкие", основной гарантированной характеристикой которых яв­ляется предел текучести σ_у, и "твёрдые" с основной гарантирован­ной характеристикой в виде временного сопротивления разрыву σ_и.

Зависимость между напряжениями и деформациями при растя­жении образцов горячекатаной арматуры из малоуглеродистой ста­ли марки Ст3 ("мягкая" сталь) определяется следующей диаграм­мой (рис. 3.1 а).

Поскольку при сжатии диаграмма деформирования стали суще­ственно отличается от диаграммы при растяжении (рис. 3.16), то для сжатых образцов с уверенностью можно говорить лишь о преде­ле текучести; величину временного сопротивления при сжатии уста­новить практически невозможно.

Рис. 3.1. Диаграмма деформирования малоуглеродистой стали: а — при растяжении; б — при сжатии

Во избежание чрезмерных деформаций в конструкциях горячекатаная арматура может быть использована в них до напряжений σ_s < σ_у. Значит, основной характеристикой прочности для "мягких" сталей является σ_у, для "твёрдых" — σ_и.

Увеличение содержания углерода в арматурной стали сверх 0,5% значительно снижает её пластические свойства и ухудшает сварива­емость. Поэтому дальнейшее повышение σ_у и σ_и горячекатаной ста­ли достигается легированием. В строительстве в основном применя­ются низколегированные арматурные стали с общим содержанием легирующих добавок обычно не более 2%.

Легированные стали переходят в пластическую стадию без площадки текучести. Для арматуры без физической площадки текучести определяется условный предел текучести σ_0,2, то есть напряжение, при котором остаточные относительные деформации 0,2%. Деформации ε – 0,02% соответствуют пределу упругости (σ_е).

Однако, многие легиру­ющие добавки, повышая прочность стали, одновременно снижают её деформативность, ухудшают свариваемость и др. полезные свой­ства, повышают стоимость.

В связи с этим для повышения прочности стали, кроме легиро­вания используется также термообработка. При этом сначала осу­ществляется закалка арматурной стали (нагрев до температуры 800. 900°С и быстрое охлаждение), а затем отпуск (нагрев до тем­пературы 300. 400°С и медленное плавное охлаждение). Причём за­калке могут быть подвергнуты стали, содержащие не менее 0,25% углерода.

Упругие свойства металла определяются модулем упругости E = tg α, где α – угол наклона линии деформирования металла к оси абцисс и пределом упругости σ_е.

4. Классификация арматуры по основным характери­стикам. Сортамент арматуры

По виду применяемой арматуры различают железобетон с гибкой арматурой в виде стальных стержней круглого или периодическо­го профиля сравнительно небольших диаметров (до 40 мм включи­тельно) и конструкции с несущей или жёсткой арматурой. К жёст­кой арматуре относится профильная прокатная сталь (уголкового, швеллерного и двутаврового сечения) и горячекатаные стержни диа­метром более 40 мм. Основным видом арматуры является гибкая.

Вся арматура, используемая в железобетоне, по своим основным характеристикам делится на ряд классов, причём в один класс мо­жет входить арматура из сталей нескольких марок.

Основным нормируемым и контролируемым показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:

А - для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;

В - для холоднодеформированной арматуры;

К - для арматурных канатов.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению предела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов и технических условий, и принимается в пределах от A 240 до A 1500, от B 500 до B 2000 и от K 1400 до K 2500.

Классы арматуры следует назначать в соответствии с их параметрическими рядами, установленными нормативными документами.

Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, определяемым по соответствующим стандартам: свариваемость, выносливость, пластичность, стойкость против коррозионного растрескивания, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.

Дадим краткие характеристики арматуры перечисленных клас­сов.

Арматуру класса A240 изготовляют из стали марки Ст3. Она имеет гладкую цилиндрическую поверхность и применяется глав­ным образом в качестве монтажной арматуры, хомутов, поперечных стержней; из неё изготавливают монтажные петли. Хорошо свари­вается. Прокатывается, начиная с диаметра 6 мм (σ_v = 230 МПа, σ_u = 380 МПа и δ≥25%).

Остальные классы стержневой арматуры представляют собой стальные стержни, поверхность которых имеет периодический про­филь. Выступы, имеющиеся на поверхности стержней периодиче­ского профиля, резко (в 2. 3 раза) повышают сцепление арматуры с бетоном и уменьшают ширину раскрытия трещин в бетоне растя­нутой зоны.

Например, для арматуры класса А300 периодический профиль имеет вид, показанный на рис. 3.2.а.

Как видно из этого рисунка, арматура класса А300 представляет собой круглые стержни с часто расположенными выступами и с двумя продольными рёбрами.

Рис. 3.2. Арматура периодического профиля: а, б — стержневая; в — проволочная

Арматура класса А300 хорошо сваривается и используется в каче­стве рабочей в обычном железобетоне. Для её изготовления исполь­зуются стали марок Ст5, 10ГТ, 18Г2С. Прокатывается, начиная с номинального диаметра 10 мм. Основные её характеристики σ_у = 300 МПа, σ_и = 500 МПа и δ≥19%.

Арматура класса A400 (рис.4б)имеет на своей поверхности выступы, об­разующие "ёлочку" (рис. 3.2). Эта арматура является основной рабочей арматурой в обычном железобетоне. Хорошо сваривается. Выпускается диаметрами 6, 8, 10 мм в мотках массой до 1300 кг и диаметрами 12. 40 мм в прутках длиной до 13,2 м. Изготавливается из низколегированной стали марок 18Г2С, 35ГС, 25Г2С по усмотре­нию завода-изготовителя. Для неё σ_у = 400 МПа, σ_и = 600 МПа и δ≥ 14%.

Обыкновенная низкоуглеродистая проволока класса В500 (ГОСТ 6727 — 80) выпускается диаметрами 3, 4, 5 мм. Изготовляют её во­лочением катанки из низкоуглеродистой стали группы Ст2 — Ст3 и используют преимущественно в сварных изделиях — сетках и кар­касах; σ_и = 550. 525 МПа в зависимости от диаметра, а σ_у и δ не нормируются.

Периодический профиль проволоки класса В500 (рис. 3.2в) об­разуется расположенными на её поверхности вмятинами (рифами). Размеры вмятин зависят от диаметра проволоки. Проволока хоро­шо сваривается, что позволяет её использовать для изготовления арматурных изделий.

Выбор класса арматурной стали при проектировании произво­дится в зависимости от типа конструкции, условий возведения и эксплуатации.

При проектировании железобетонных конструкций пользуются сортаментом арматуры. Сортамент арматурной стали — это перечень типоразмеров каждого вида арматурных стержней, выпускае­мых в настоящее время металлургической промышленностью. Сор­тамент арматуры у нас в стране существует единый для гладкой арматуры и арматуры периодического профиля. Он со­ставлен по номинальным диаметрам стержней, выраженным в мм. Номинальный диаметр гладкого стержня совпадает с его фактиче­ским диаметром. Для стержневой арматуры периодического профи­ля номинальный диаметр (номер) стержня, указанный в сортаменте, соответствует диаметру гладкого круглого стержня, равновеликого ему по площади поперечного сечения.

Арматурная сталь

Основными показателями свойств арматурной стали являются:

1. Предел текучести (физический) σ_у, МПа.
2. Для сталей, не имеющих физического предела текучести, определяется предел текучести (условный) σ_0,2, МПа — напряже­ние, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от длины участка образца. Определяют его тогда, когда при растяжении об­разца не обнаруживается ярко выраженного предела текучести (твердые стали).
3. Временное сопротивление (предел прочности) σ_и, МПа.
4. Относительное удлинение после разрыва ε — процентное отношение длины образца после разрыва к его первоначальной длине.

Проводя испытание образца, нагрузку на него увеличивают по­степенно, ступенями. Начальную ступень нагружения следует при­нимать 5-10% от ожидаемой максимальной нагрузки. Каждая сту­пень должна составлять не более 20% от нормативной нагрузки. В конце каждой ступени увеличение нагрузки на образец приостанавливают. Под действием этой нагрузки образец находится не ме­нее 10 мин. Доведя нагрузку до нормативного значения, образец вы­держивается 30 мин. Эти выдержки необходимы для выяснения закономерности приращения перемещений и деформаций.

После достижения нагрузкой полуторной величины норматив­ного значения, дальнейшее увеличение ведут ступенями вдвое мень­шими, давая после каждой ступени выдержку не менее 15 мин. Та­кой порядок дает возможность более точно установить величину предельной (разрушающей) нагрузки.

Деформации рекомендуется замерять приборами до достиже­ния нагрузкой величины не более чем 1,25 от нормативной величи­ны. После этого приборы снимаются. Это делается с целью избежа­ния порчи приборов.

Начальная расчетная длина цилиндрических образцов из не­обработанной арматурной стали назначается равной десяти началь­ным (до испытания) диаметрам арматурного стержня.

Измерение начальной и конечной (длина расчетной части пос­ле разрыва образца) расчетных длин, а также диаметра необрабо­танного образца производится с точностью 0,1 мм. До появления деформации образца перемещение подвижного захвата происходит без нарастания или с небольшим увеличением нагрузки, которая необходима для устранения зазора как в механизме машины, так и между образцами и захватами. Поэтому на диаграмме в самом на­чале испытания появляется сначала горизонтальный, а затем кри­волинейный участок. При начальной нагрузке, составляющей 10% от разрывного усилия, на образец наносят две риски. Расстояние между рисками является начальной расчетной длиной образца.

В продолжение всего испытания ведется наблюдение за пове­дением образца по диаграмме, вычерчиваемой записывающим при­бором разрывной машины.

По оси ординат диаграммы откладываются напряжения σ, а по оси абсцисс относительные деформации образца ε, представ­ляющие отношение удлинения образца к его первоначальной дли­не (рис. ниже). Криволинейный участок в начале диаграммы рас­сматривать не следует, поэтому продолжаем прямолинейный от­резок диаграммы до оси абсцисс и получаем точку О — начало диаграммы.

На диаграмме (рис. ниже) можно выделить три участка работы стали: 1 — участок упругой работы; 2 — участок пластической ра­боты; 3 — участок упруго-пластической работы. В большинстве простейших расчетов считается, что сталь работает в пределах пер­вого участка упруго, т. е. напряжения в элементах ограничиваются пределом текучести — σ_у. Соответственно, нормативные и расчет­ные сопротивления, необходимые для расчета конструкций, прини­маются по пределу текучести.

Диаграмма растяжения мягкой стали

Прямолинейный участок 1 диаграммы (деформации растут про­порционально напряжениям о) переходит в кривую (небольшой от­резок между участками 1 и 2), т. е. деформации растут быстрее уве­личения нагрузки, а от начальной точки («критической точки») уча­стка 2 деформации увеличиваются без увеличения нагрузки (материал «течет»).

При напряжениях, близких к временному сопротивлению σ_и, продольные и поперечные деформации концентрируются в наибо­лее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь попереч­ного сечения в шейке интенсивно уменьшается, что приводит к уве­личению напряжений в месте сужения. В связи с этим, несмотря на то что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного сцепления и происходит разрыв.

Напряжения (рис. выше) получают путем деления нагрузки на первоначальную площадь сечения. Истинная диаграмма растяже­ния (при напряжениях с учетом уменьшения площади сечения) не имеет нисходящей части.

При проведении опытов на растяжение площадь поперечного сечения стержней периодического профиля с необработанной по­верхностью можно определить по формуле

где G — вес образца стержня периодического профиля, Н; L —дли­на образца, см.

Площадка текучести свойственна сталям с содержанием угле­рода 0,1-0,3%. При меньшем значении углерода перлитовых вклю­чений мало, отчего отсутствует сдерживающее влияние на разви­тие сдвигов в зернах феррита.

В высокопрочных сталях при большом числе включений разви­тие сдвигов полностью блокируется и явно выраженная площадка текучести отсутствует, т. е. материал не имеет физического предела текучести, необходимо определить величину условного предела те­кучести как напряжения, соответствующего остаточному удлине­нию Δε_0,2 = 0,2% ε, где ε — удлинение образца.

Условный предел текучести для такой стержневой арматуры σ_0,2 устанавливается по остаточному удлинению, равному 0,2%, и дол­жен составлять не менее 80% браковочного значения предела проч­ности для каждого вида арматуры (рис. ниже). Откладывая величи­ну Δε_0,2 в соответствующем масштабе на оси абсцисс диаграммы растяжения, проводим наклонную линию ВС параллельно ОА до пересечения с кривой растяжения. Точка В определяет нагрузку σ_0,2, соответствующую условному пределу текучести.

Диаграмма растяжения стали, не имеющей площадки текучести

За площадкой текучести кривая (рис. выше) опять идет вверх, нагрузка снова начинает расти и в самой верхней точке достигает своего наибольшего значения (σ_макс — разрушающая нагрузка), после чего вновь уменьшается до момента разрыва образца.

Относительное удлинение вычисляется по формуле

где L_k — длина образца после разрыва (конечная длина), мм; L — расчетная начальная длина образца, мм.

Чтобы измерить длину образца после разрыва, обе его части складываются по длине и штангенциркулем измеряют расстояние между рисками, соответствующими принятой расчетной длине.

Помимо основных характеристик σ_y, σ_u, ε, определяемых по результатам испытаний на растяжение, важными показателями ар­матурных сталей являются отношения предела текучести к времен­ному сопротивлению и предела пропорциональности к пределу те­кучести.

Модуль упругости арматурной стали E_s. Так как арматурная сталь работает в упругопластических условиях, расчетные значе­ния модуля деформации (упругости) ее принимают равными их нор­мативным значениям или в,зависимости от класса арматурной ста­ли по таблице ниже.

Модули упругости арматурной стали, МПа

А240, А300, А400, А500, А600, А800, А1000, В500, Bp 1200, Вр1300, Вр1400, Bp1500

Классы арматуры. Арматурные изделия

Арматура — это гибкие и жесткие стальные стержни, размеща­емые в бетонной массе согласно расчетам или в соответствии с кон­структивными или производственными требованиями.

Классифицируют арматуру по назначению, технологии изготов­ления, профилю поверхности.

В зависимости от назначения арматура подразделяется на сле­дующие виды:

• рабочая, которая в изгибаемых или растянутых элементах воспринимает растягивающие усилия. При расположении ее в сжатой зоне железобетонного элемента, она воспринимает усилия на сжатие (как центральное, так и внецентренное). К рабочей арматуре относится и косая (отогнутые под углом стержни);
• распределительная, которая воспринимает местные и дополни­тельные усилия. Эти усилия не учитываются расчетом. Распре­делительная арматура обеспечивает совместную работу стерж­ней рабочей арматуры. Эта арматура назначается в основном в плитах;
• поперечная (хомуты), которая обеспечивает неизменное поло­жение рабочей арматуры и одновременно воспринимает часть поперечных сил. Такая арматура используется в балках, колон­нах, рамах, арках и др. конструкциях;
• монтажная, которая необходима для сборки арматурного кар­каса. Эта арматура обеспечивает заданное положение попереч­ных стержней или хомутов.

Помимо перечисленных видов иногда применяется специаль­ная противоусадочная арматура, которая воспринимает усадочные и температурные расширения.

По технологии изготовления арматура бывает горячекатаная (стержневая) и холоднотянутая (проволочная).

По профилю поверхности арматура подразделяется на глад­кую и периодического профиля (рис. ниже). На поверхности арма­туры периодического профиля имеются часто расположенные коль­цевые выступы. Эти выступы обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном без устройства анкерных зацеплений на кон­цах стержней.

Виды арматуры периодического профиля

а — стержневая класса А300; б — то же, А400 и А600; в — высокопрочная проволока

Железобетонные конструкции армируют рабочей, конструктив­ной и монтажной арматурой (рис. ниже).

Рабочую арматуру устанавливают по расчету на действующие усилия для воспринятая растягивающих напряжений и усиления сжатых зон конструкции. В зависимости от воспринимаемых уси­лий ее подразделяют на продольную 3 и поперечную, включающую хомуты 4 (поперечные стержни) и отогнутые стержни 5 (рис. ниже). Конструктивную и монтажную арматуру устанавливают по конст­руктивным и технологическим соображениям. Конструктивная — воспринимает не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры, равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями и т. д. Монтажная — обеспечивает проект­ное положение рабочей арматуры, объединяет ее в каркасы и т. п.

Арматура железобетонных элементов

1 — плоские каркасы; 2 — пространственный каркас; 3 — продольная арматура; 4 — хомуты; 5 — отогнутые стержни; 6 — монтажная арматура; 7 — монтажные петли; 8 — закладные детали

В сборных конструкциях для подъема и транспортирования эле­мента устанавливают монтажные (строповочные) петли 7, трубки и др. Для сопряжения и стыкования сборных конструкций применя­ют стальные закладные детали 8. Всю арматуру объединяют в ар­матурные изделия — сварные или вязаные сетки и каркасы.

В качестве гибкой арматуры применяются стальные стержни, главным образом круглого сечения, которые, по сравнению с пря­моугольными, дают лучшее сцепление с бетоном и не имеют ост­рых ребер, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Кроме того, круглые стержни более удобны в работе. Чаще всего употребляются стержни диаметром от 6 до 40 мм, реже при­меняются стержни диаметром до 5 мм и от 40 до 100 мм.

Круглую сталь диаметром более 40 мм (или сталь прямоуголь­ного сечения площадью более 10 см 2 ) разрешается применять толь­ко в сварных каркасах.

При применении арматуры диаметром более 60 мм для гидро­технических сооружений необходима анкеровка по длине стержней.

В конструкциях из легкого железобетона диаметр круглой ар­матуры, применяемой без специальной анкеровки, не должен пре­вышать 20 мм.

Стержни диаметром более 10 мм для удобства транспортиро­вания изготовляются длиной 10-12 м; стержни меньших диамет­ров, так называемая катанка, доставляются в кругах (бухтах), по­этому их делают длиной 40 м и более.

Иногда применяется арматура квадратного, полосового и дру­гих видов сечений площадью до 10 см 2 . Для полосового сечения отношение большей стороны сечения к меньшей должно быть, как правило, не более 2. Круглые стержни бывают гладкие и периоди­ческого профиля, на поверхности которых имеются выступы, рас­положенные через определенные промежутки.

Благодаря выступам стержни обладают большей связью с бето­ном, чем гладкие стержни, что особенно важно при применении сталей повышенных марок, и, кроме того, дают возможность отказаться от крюков на концах.

Жесткая арматура в виде прокатных двутавров, швеллеров, угол­ков до отвердения бетона работает как металлическая конструкция на нагрузку от собственной массы, массы подвешиваемой к ней опа­лубки и свежеуложенной бетонной смеси.

Механические свойства арматурных сталей. Арматурные стали по механическим свойствам подразделяют на мягкие, сопро­тивление которых характеризуется физическим пределом текучес­ти σ_y и твердые, для которых основным показателем прочности является временное сопротивление разрыву σ_u (рис. ниже).

Мягкая сталь пластична и обладает значительным удлинением после разрыва (до 25%, кривая 2). За нормативное сопротивление таких сталей принимают браковочный минимум предела текучести, который меньше, чем предел прочности. Повышение прочности ар­матурной стали и уменьшение удлинения при разрыве достигается механическим или термическим упрочнением, а также введением в ее состав углерода и различных легирующих добавок. Сущность упрочнения горячекатаной арматурной стали вытяжкой заключается в следующем.

Механическое упрочнение для разных видов стали (вытяжка в холодном состоянии) основано на явлении наклепа — повышении предела пропорциональности в результате загружения стали до на­пряжений σ_k, превышающих σ_y и последующей разгрузки. При повторной вытяжке напряжение σ_k становится новым искусствен­но поднятым пределом текучести (кривая 1). Другим видом меха­нического упрочнения стали является волочение (многократная протяжка проволоки через несколько последовательно уменьшаю­щихся отверстий), после которого зависимость σ-ε становится ли­нейной почти до разрыва, а предел прочности значительно увели­чивается (кривая 3) и принимается за нормативное сопротивление.

Диаграммы σ_s-ε_s

Термическое упрочнение стали заключается в закалке (нагрев до 800 °С и быстрое охлаждение в масле) и частичном отпуске (на­грев до 300-400 °С и постепенное охлаждение). Термически упроч­ненная сталь переходит в пластическую область работы постепен­но (кривая 4).

Для таких сталей устанавливают условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, при котором остаточные деформации состав­ляют 0,2%.

В зависимости от способов упрочнения стали в большей или меньшей степени приближаются по своим свойствам к твердым сталям, разрывающимся хрупко (при удлинениях 3—4%). К твердым относятся также стали, в состав которых введены углерод и легиру­ющие добавки (марганец, хром, кремний и др.).

Для работы железобетонных конструкций под нагрузкой, меха­низации арматурных работ большое значение имеют такие свой­ства арматурных сталей, как пластичность, свариваемость, устало­стное разрушение, ползучесть, релаксация и др. Так, снижение пла­стических свойств стали может явиться причиной хрупкого разрыва арматуры в конструкциях под нагрузкой, излома напрягаемой арма­туры в анкерах и т. п. Пластические свойства арматурных сталей характеризуются относительным удлинением образцов при испы­тании их на разрыв. Длина образцов должна быть равна пяти диа­метрам стержня. Нельзя сваривать арматурные стали, упрочненные термической обработкой, кроме специальных «свариваемых», или вытяжкой, так как при сварке утрачивается эффект упрочнения. Поэтому их применяют только в вязаных каркасах.

Классификация арматуры и её применение в конструкци­ях. При проектировании железобетонных зданий и сооружений в соответствии с требованиями, предъявляемыми к бетонным и же­лезобетонным конструкциям, должны быть установлены вид арма­туры, ее нормируемые и контролируемые показатели качества.

Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами:

• горячекатаную гладкую и периодического профиля диаметром 3-80 мм;
• термомеханически упрочненную периодического профиля ди­аметром 6-40 мм;
• механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированная) периодического профиля или гладкая, диамет­ром 3—12 мм;
• арматурные канаты диаметром 6-15 мм;
• неметаллическую композитную арматуру.

Кроме того, в большепролетных конструкциях могут быть при­менены стальные канаты (спиральные, двойной свивки, закрытые).

Для дисперсного армирования бетона следует применять фиб­ру или частые сетки.

Для сталежелезобетонных конструкций (конструкций, состоящих из стальных и железобетонных элементов) применяют листовую и профильную сталь по соответствующим нормам и стандартам.

Вид арматуры следует принимать в зависимости от назначения конструкции, конструктивного решения, характера нагрузок и воз­действий окружающей среды.

Основным нормируемым и контролируемым показателем каче­ства стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:

А — для горячекатаной и термомеханически упрочненной ар­матуры;

В — для холоднодеформированной арматуры;

К — для арматурных канатов.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению пре­дела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливае­мому в соответствии с требованиями стандартов и технических усло­вий, и принимается в пределах от А240 до А1500, от В500 до В2000 и от К1400 до К2500.

Классы арматуры следует назначать в соответствии с их парамет­рическими рядами, установленными нормативными документами.

Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, опреде­ляемым по соответствующим стандартам: свариваемость, вынос­ливость, пластичность, стойкость против коррозионного растрес­кивания, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.

К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону.

Необходимые показатели принимают при проектировании же­лезобетонных конструкций в соответствии с требованиями расче­тов и изготовления, а также в соответствии с условиями эксплуа­тации конструкций с учетом различных воздействий окружающей среды.

Арматурные изделия. Для армирования железобетонных конст­рукций используют различные арматурные изделия. В целях индуст­риализации и механизации арматурных работ ненапрягаемую армату­ру преимущественно применяют в виде сварных сеток и каркасов.

Сварные сетки изготавливают из сталей классов В500, А240, А300, А400.

При конструировании сварных сеток и каркасов необходимо учитывать технологические возможности контактной точечной свар­ки (недопущение пережога тонких стержней, беспрепятственное размещение электродов и т. п.).

Требования к соотношению диаметров свариваемых стержней приведены в таблице ниже.

Читайте также:

  
• Латунь или сталь что лучше в бижутерии
  
• Дверной ряд стальные двери
  
• Чем обработать каленую сталь
  
• Литье точное литье стальное литье
  
• Как закалить инструментальную сталь в домашних условиях