Основные механические свойства сталей характеризуются диафрагмой напряжения деформации
Прочностные показатели арматурных сталей рассматриваются на диаграмме σ – ε (рис. 9).
Модуль упругости стали находится в пределах
Еs=(1,7÷ 2,1)·10 5 Мпа.
Для арматурной стали характерно проявление пластических свойств во времени (ползучесть), а также релаксаций напряжений.
Релаксация стали – уменьшение напряжения при постоянной деформации с течением времени. Наибольшей релаксацией обладает арматура из твердых (прочных) сталей и поэтому релаксация имеет очень большое значение для предварительно напряженных конструкций. В мягких горячекатаных сталях релаксация незначительна и в расчетах не учитывается. Арматура в зависимости ее основных характеристик (прочность, деформативность и др.) делится на классы. Один и тот же класс арматуры включает арматуру, изготовляемую из сталей разных марок.
Классы арматуры.
Основным показателем качества арматуры, который нормируется, является класс арматуры по прочности на растяжение – это значение предела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливаемого в соответствии с требованиями стандартов. Пределы прочности классов по СНиП-52-01:
- для стержневой арматуры – от А240 до А1500;
- для проволочной – от В500 до В2000;
- для канатов – от К1400 до К2500.
В настоящее время осуществляется переход на нормы проектирования железобетонных конструкций СНиП-52-01-2003.
Нормы построены так:
1. Выпущен СНиП 52-01 – основные положения;
2. В развитие этих норм предусмотрен выпуск сводов Правил, примерный перечень которых приведен в приложении к СНиП-52-01-2003, всего предусмотрено разработать 17 сводов Правил. Пока выпущен только СП-52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры».
Для железобетонных конструкций, проектируемых в соответствии с требованиями свода Правил СП-52-101, следует предусматривать арматуру:
- гладкую класса А240;
- периодического профиля горячекатаную и термически упрочненную;
- периодического профиля классов: А300, А400, А500;
- периодического профиля проволочную класса В500.
Нормативные и расчетные сопротивления арматуры.
Основной прочностной характеристикой арматуры является нормативное значение сопротивления растяжению Rs,n, принимаемое в зависимости от класса арматуры по табл.4.
Таблица 4.
Класс арматурыпо СП-52-101 | А240 | А300 | А400 | А500 | В500 |
Номинальный диаметр, мм | 6-40 | 10-70 | 6-40 | 6-40 | 3-12 |
Нормативные сопротивления растяжению Rs,n и расчетные сопротивления растяжению для предельных состояний второй группы Rs,ser, МПа | |||||
Соответствует классу по СНиП 2.03.01 | А-I | А-II | А-III | А-IV | Вр-I |
Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению Rs для предельных состояний первой группы определяют по формуле
де gs – коэффициент надежности по арматуре, принимаемый равным:
1,1 - для арматуры классов А240, А300 и А400;
1,15 - для арматуры класса А500;
1,2 - для арматуры класса В500.
Таблица 5. Расчетные сопротивления арматуры
Арматура классов | Расчетные значения сопротивления арматуры для предельных состояний первой группы, МПа |
растяжению | сжатию, Rsc |
продольной, Rs | поперечной (хомутов и отогнутых стержней), Rsw |
А240 | |
А300 | |
А400 | |
А500 | |
В500 |
Расчетные сопротивления арматуры по СНиП2.03.01-84 можно принимать по М.У. «Материалы железобетонных конструкций», изд.
Арматурные изделия.
Арматурные стержни длиной до 12м применяются как самостоятельно, так и в арматурных изделиях. Арматурная проволока поставляется в бухтах и применяется в вязаных изделиях и в сварных сетках и каркасах.
Арматурные каркасы состоят из продольных и поперечных стержней, соединяемых сваркой. Продольные стержни в плоском каркасе располагают в один или в два ряда, а по отношению к поперечным стержням могут иметь одностороннее или двустороннее расположение.
Рекомендуется применять каркасы с односторонним расположением стержней, т.к. в этом случае улучшаются условия сварки и сцепление арматуры с бетоном (рис. 11).
Из плоских каркасов образуют пространственные каркасы путем сварки их специальной сварочной машиной или дуговой электросваркой (рис. 12).
Качество сварки определяется в зависимости от соотношения диаметров свариваемых стержней.
Соотношение диаметров продольных (D) и поперечных (d) стержней (рис. 13) с учетом требований сварки принимается по таблице 6.
Таблица 6.
D, мм | 3-12 | 14,16 | 18,20 | 25-32 | ||
d, мм | ≥3 | ≥4 | ≥5 | ≥6 | ≥8 | ≥10 |
Сварные сетки.
Арматурные сетки бывают рулонные и плоские. Как в тех, так и в других различают продольную и поперечную арматуру. В зависимости от расположения арматуры в конструкции в качестве рабочей арматуры может назначаться как продольная арматура, так и поперечная.
Рулонные сетки имеют разную ширину (расстояние между крайними продольными стержнями), а длина рулона определяется весом поставляемого рулона (от 900 до 1300 кг).
Для изготовления сварных сеток используют обыкновенную проволоку диаметром 3 -7мм и стержневую арматуру класса А400 диаметром 6-12мм. В рулонных сетках наибольший диаметр продольных стержней 7 мм. Это ограничение обусловлено необходимостью сгибать стержни при сворачивании в рулоны.
Плоские сетки выпускают длиной до 3м.
Ширина сеток как рулонных, так и плоских ограничивается размером 3800мм.
Параметры указываются в обозначении марки сетки:
где С – сетка.
Если с1=с2 или с1=с2=k, то указывается только значение с1. Если с1=с2=k=25, то и значение с1 опускается.
Арматурные проволочные изделия.
Напрягаемую арматуру предварительно напряженных конструкций изготавливают из отдельных проволок объединяемых в арматурные изделия – канаты и пучки.
Наибольшее применение находят семипроволочные канаты из проволоки диаметром 3, 4, 5мм (рис 16).
Обозначают такие канаты в зависимости от их диметра и количества использованных проволок: 9К7, 12К7, 15К7.
Арматурная сталь
Основными показателями свойств арматурной стали являются:
- Предел текучести (физический) σу, МПа.
- Для сталей, не имеющих физического предела текучести, определяется предел текучести (условный) σ0,2, 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).
- Временное сопротивление (предел прочности) σи, МПа.
- 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 — σу. 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 σи, 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 Δε0,2 = 0,2% ε, где ε — удлинение образца.
Условный предел текучести для такой стержневой арматуры σ0,2 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 Δε0,2 в соответствующем масштабе на оси абсцисс диаграммы растяжения, проводим наклонную линию ВС параллельно ОА до пересечения с кривой растяжения. Точка В определяет нагрузку σ0,2, 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 (σмакс — разрушающая нагрузка), после чего вновь уменьшается до момента разрыва образца.
Относительное удлинение вычисляется по формуле
где Lk — 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 σy, σu, 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 Es. 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
Основные механические свойства сталей характеризуются диаграммой «напряжения—деформации», получаемой путем испытания на растяжение стандартных образцов. Все арматурные стали по характеру диаграмм « - » подразделяются на:
Основные механические свойства сталей характеризуются диаграммой «напряжения—деформации», получаемой путем испытания на растяжение стандартных образцов. Все арматурные стали по характеру диаграмм « - » подразделяются на:
1) стали с явно выраженной площадкой текучести (мягкие стали);
2) стали с неявно выраженной площадкой текучести (низколегированные, термически упрочненные стали);
3) стали с линейной зависимостью « - » почти до разрыва
Основные прочностные характеристики:
для сталей вида 1 — физический предел текучести у ;
Диаграммы
деформирования арматурных сталей
2 — низколегированных и термически упрочненных;
3 — высокопрочной проволоки;
4— механически упрочненных вытяжкой
для сталей видов 2 и 3— условный предел текучести 0,2 ,
принимаемый равным напряжению, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %,
принимаемый равным напряжению, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, и условный предел упругости 0,02 ,
при котором остаточные деформации 0,02 %.
Помимо этого характеристиками диаграмм являются предел прочности su (временное сопротивление)
Помимо этого характеристиками диаграмм являются предел прочности su (временное сопротивление) и предельное
удлинение при разрыве , характеризующее пластические свойства стали.
Малые предельные удлинения могут послужить причиной хрупкого обрыва арматуры под нагрузкой и разрушения конструкции; высокие пластические свойства сталей создают благоприятные условия для работы железобетонных конструкций (перераспределение усилий в статически неопределимых системах, при интенсивных динамических воздействиях и т. п.).
4.2. Физико-механические свойства сталей
Характеристики прочности и деформативности сталей устанавливают по диаграмме σs – εs, получаемой из испытаний образцов на растяжение. Горячекатаная арматурная сталь, имеющая на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением до разрыва (мягкая сталь) (рис. 13, а). Напряжение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести арматурной стали .
Рис. 13. Диаграммы σs – εs при растяжении арматурной стали:
а – мягкая малоуглеродистая сталь с площадкой текучести;
б – высокопрочная, легированная сталь с условным пределом текучести.
Повышение прочности сталей достигают следующими методами:
путем введения углерода и легирующих добавок (марганец, хром, кремний, титан и др.);
термическим упрочнением - закаливание стали (нагрев до 800…900 о С и быстрое охлаждение), затем частичный отпуск (нагрев до 300…400 о С и постепенное охлаждение);
холодным деформированием – при вытяжке в холодном состоянии до напряжения сталь упрочняется; при повторной вытяжке пластические деформации уже выбраны, напряжениестановится новым искусственно поднятым пределом текучести;
холодным волочением - волочение через несколько последовательно уменьшающихся в диаметре отверстий в холодном состоянии для получения высокопрочной проволоки.
Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую стадию постепенно без ярко выраженной площадки текучести (рис. 13, б). Для таких сталей устанавливают условный предел текучести , при котором относительные остаточные деформации составляют 0,2%.
К физическим свойствам сталей относятся:
пластические свойства – характеризуются относительным удлинением при испытании на разрыв. Снижение пластических свойств приводит к хрупкому (внезапному) разрыву арматуры;
свариваемость – характеризуется надежностью соединения, отсутствием трещин и других пороков металла в швах. Хорошо свариваются малоуглеродистые и низколегированные стали. Нельзя сваривать термически упрочненные и упрочненные вытяжкой стали, т.к. теряется эффект упрочнения;
хладноломкость - склонность к хрупкому разрушению при отрицательных температурах (ниже -30 о С);
реологические свойства – характеризуются ползучестью и релаксацией;
усталостное разрушение – наблюдается при действии многократно повторяющейся знакопеременной нагрузке и имеет характер хрупкого разрушения;
динамическая прочность – наблюдается при кратковременных нагрузках большой интенсивности.
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 σу, и "твёрдые" с основной гарантированной характеристикой в виде временного сопротивления разрыву σи.
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 σs < σу. Значит, основной характеристикой прочности для "мягких" сталей является σу, для "твёрдых" — σи.
Увеличение содержания углерода в арматурной стали сверх 0,5% значительно снижает её пластические свойства и ухудшает свариваемость. Поэтому дальнейшее повышение σу и σи 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 σ0,2, то есть напряжение, при котором остаточные относительные деформации 0,2%. Деформации ε – 0,02% соответствуют пределу упругости (σе).
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 σе.
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 (σv = 230 МПа, σu = 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 σу = 300 МПа, σи = 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 σу = 400 МПа, σи = 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; σи = 550. 525 МПа в зависимости от диаметра, а σу 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.
Читайте также: