Физико-механические свойства арматурных сталей

 

Физико-механические свойства арматурных сталей зависят от химического состава стали, из которой сделана арматура, способа изготовления и обработки её.

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 диаграм­мой (рис. 17, а).

 

Рис. 17. Диаграмма деформирования малоуглеродистой стали:

а – при растяжении; б – при сжатии

Поскольку при сжатии диаграмма деформирования стали суще­ственно отличается от диаграммы при растяжении (рис. 17, 6), то для сжатых образцов с уверенностью можно говорить лишь о преде­ле текучести; величину временного сопротивления при сжатии уста­новить практически невозможно.

Сталь марки Ст3 представляет собой почти чистое железо с содержанием различных примесей около 1% (из них углерода 0,14...0,22%). Эта сталь имеет физический предел текучести. 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 марки Ст5 до 0,28...0,37% повышает её предел текучести и временное сопротивление (σ_у = 300 МПа и σ_и = 500 МПа) за счёт некоторого снижения пластичности (до δ ≥19%, здесь δ – полное относительное удлине­ние образца при разрыве в %, включая длину шейки разрыва).

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%. Однако, многие легиру­ющие добавки, повышая прочность стали, одновременно снижают её деформативность, ухудшают свариваемость и др. полезные свой­ства, а также 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.

Выносливость арматуры. От действия многократно повторяю­щейся нагрузки возможно усталостное разрушение арматуры при пониженном сопротивлении растяжению (меньшем предела текуче­сти или предела прочности при однократном кратковременном загружении). Усталостное разрушение происходит внезапно и носит хрупкий характер (происходит без образования площадки текуче­сти). Шейка в месте разрыва арматурного стержня не образуется.

Для исследования сопротивления арматуры при переменных на­пряжениях от действия многократно повторяющейся нагрузки на основании опытных данных строят кривую выносливости армату­ры (рис. 18), на которой N – число циклов нагрузки-разгрузки до разрушения образца; σ_s – наибольшее значение периодически повторяющегося напряжения.

Предел прочности арматуры при действии многократно повторя­ющейся нагрузки называется пределом выносливости (это напряже­ние R_sf, соответствующее горизонтальному участку кривой вынос­ливости). R_sf представляет собой то наибольшее напряжение, при котором как бы ни было велико N, разрушения не наступает.

Рис. 18. Кривая выносливости арматуры

Изображённая на рис. 18 кривая получается путём испытаний ряда одинаковых образцов, но при различных уровнях σ_s. Чем вы­ше напряжение σ_s, тем после меньшего числа циклов происходит разрушение образца, если это напряжение превосходит предел выносливости R_sf. Испытание одного образца позволяет получить од­ну точку в системе осей σ_s – N. Начиная с N = 2...10 млн. циклов кривая выносливости имеет горизонтальный участок.

Предел выносливости арматурной стали в железобетонных кон­струкциях зависит от числа повторений нагрузки N, характеристи­ки цикла , качества сцепления, наличия трещин в бетоне растянутой зоны и др.

При ρ_s = -1 (симметричный цикл) ; при ρ_s = 0 (пульсирующий цикл) .

Как правило, при действии многократно повторяющейся нагруз­ки конструкции армируют мягкими сталями.

 

1.2.4. 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 к коррозионному растрескиванию, 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.

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

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%.

 

 

Рис. 19. Арматура периодического профиля:

а, б – стержневая; в – проволочная

 

Арматура класса A400 имеет на своей поверхности выступы, об­разующие «ёлочку» (рис. 19, 6). 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%.

В обозначениях марок стали отражается содержание в них угле­рода и легирующих добавок. Например, в марке стали 25Г2С первые две цифры обозначают содержание в стали углерода в сотых долях процента (0,25%), буква Г – что сталь легирована марганцем, цифра 2 – что его содержание может достигать 2%, а буква С – наличие в стали кремния. Буквой X обозначается хром, Т – титан, Ц – цирконий и т.д.

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

Класс арматурной стали при проектировании выбирается в зависимости от типа конструкции, условий ее 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. В стране существует единый сор­тамент 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. Например, арматурный стер­жень, расчётный номинальный диаметр которого равен 20 мм (см. рис. 19, а, б), имеет наружный диаметр (по выступам) 22 мм и внут­ренний (по телу) – 19 мм, а высота выступов на его поверхности равна h = 0,5(d ₁– d) = 0,5(22–19) = 15 мм.

 

Сварные арматурные изделия

 

Сварка – это технологический процесс получения неразъёмных со­единений металлических изделий (в наших случаях стальных).

По принципу создания сварного соединения различают сварку плавлением (дуговая, электродуговая, ванная) и сварку пластиче­ским деформированием (контактная).

Сварка плавлением заключается в местном сплавлении соединя­емых деталей. Источником теплоты чаще всего является электриче­ский ток. Под действием высокой температуры электрической дуги, возникающей в процессе сварки (при металлических электродах она составляет около 2400°C на катоде и 2600°C на аноде – положитель­ном полюсе источника тока), металл контактирующих поверхностей расплавляется, образуя общую сварочную ванну, после охлаждения которой остаётся сварочный шов.

Сварка пластическим деформированием (или контактная) за­ключается в местном нагреве соединяемых деталей до пластическо­го или жидкого состояния при пропускании через них электрическо­го тока большой силы с одновременным или последующим сильным сжатием, обеспечивающим взаимодействие атомов металла. Кон­тактная сварка не требует дополнительного расхода металла для накладок и электродов. Прочное соединение образуется только за счёт расплавленного металла деталей.

Свариваемость сталей зависит от их химического состава, физико-механических свойств и термообработки перед сваркой. Особенно отрицательно влияет на качество сварного шва углерод. Углероди­стые стали хорошо свариваются любым способом при содержании углерода до 0,25% и удовлетворительно при содержании углерода до 0,55%.

Сварные арматурные изделия (сетки и каркасы) применяют для снижения трудоёмкости армирования железобетонных конструк­ций. Кроме того, они обеспечивают лучшее сцепление арматурных стержней с бетоном.

Продольные и поперечные стержни сварных изделий, которые называются сетками или каркасами, в местах пересечений (обычно под прямым углом) соединяют между собой контактной точечной электросваркой либо с помощью дуговой электросварки (возможны и другие способы соединения).

Сварные сетки изготовляют чаще всего из обыкновенной арма­турной холоднотянутой проволоки класса В500 диаметром 3, 4, 5 мм и стержневой арматуры класса A400 диаметром 6, 8, 10 мм. Они могут быть рулонные и плоские (рис. 20).

	Рис. 20. Сварные сетки: а – рулонная; б – после развертки; в – плоская

В рулонных сетках наибольший диаметр продольных стержней – 6 мм. Рабочей арматурой могут являться продоль­ные или поперечные стержни сетки. Возможно также расположе­ние рабочих стержней в двух направлениях. Ширина стандартной рулонной сетки ограничена размером 3,8м, длина – массой рулона 900...1300 кг. Длина сетки в рулоне составляет 50...100 м, поэтому при использовании в конструкциях сетки разрезают по месту.

Маркировка сетки из числа стандартных осуществляется следу­ющим образом:

 

где С – сетка; D – диаметр продольных стержней сетки, мм; v – шаг продольных стержней, мм; d – диаметр поперечных стержней сетки, мм; и – шаг поперечных стержней, мм; А — полная ширина сетки, мм; L – длина сетки, мм; c₁c₂ – длина свободных концов продольных стержней, мм; k – длина свободных концов поперечных стержней, мм.

Сварные каркасы изготовляют плоскими и пространственными (рис. 21). Их применяют для армирования линейных элементов (балок, колонн и т.п.).

Плоские сварные каркасы (их называют иногда также сетками) состоят из продольных стержней и приваренных к ним поперечных (рис. 21, а). Концевые выпуски продольных и поперечных стержней каркаса должны быть не менее 0,5 d₁+d₂ или 0,5 d₂+d₁ и не менее 20 мм. Пространственные каркасы конструируют из плоских каркасов (рис. 21, б), в ряде случаев применяя соединительные стержни (рис. 21, в). Пространственные каркасы должны обладать достаточной жёсткостью для возможности их складирования, транспортирова­ния и сохранения проектного положения в опалубочной форме при бетонировании.

 

Рис. 21. Сварные каркасы:

а – плоские; б – пространственный, образованный из плоских каркасов; в – то же, что б с применением соединительных стержней; 1 – продольные и поперечные стержни плоских каркасов; 2 – допол­нительные продольные стержни; 3 – соединительные стержни про­странственного каркаса

 

Качество точечной электросварки каркасов зависит от соотноше­ния диаметров свариваемых поперечных и продольных стержней, которое должно быть не менее 1/3... 1/4. Наименьшее расстояние между осями свариваемых стержней также зависит от диаметров стержней.

 

Соединения арматуры

 

По длине стержни горячекатаной арматуры в обычном железобе­тоне соединяются, как правило, с помощью сварки, независимо от способа образования каркаса.

Стержни отдельных позиций сварного каркаса могут быть про­стыми, состоящими из цельного стержня одного диаметра, или, в це­лях экономии арматурной стали, составными, состоящими по длине из стержней двух-трёх различных диаметров (рис. 22), соединён­ных контактной стыковой сваркой. Составными могут быть только стержни из горячекатаной арматуры периодического профиля. Со­ставные стержни часто применяют при армировании ригелей, ко­лонн, подпорных стенок и т.п.

Все сварные соединения в зависимости от места их выполнения делятся на:

- сварные соединения, выполняемые в заводских условиях;

- сварные соединения, выполняемые в условиях стройплощадки.

 

Рис. 22. Составные отдельные стержни: а – для применения в балках; б – для применения в колоннах, подпорных стенках и т.п.; 1 – контактная стыковая электросварка

Сварные соединения, выполняемые в заводских условиях. Разли­чают два основных их типа:

А. Контактная электросварка встык (или контактная стыковая электросварка) предназначена для соединения заготовок арматур­ных стержней, приварки к стержням коротышей большего диаметра и т. п. Выполняется на специальных сварочных машинах. Процесс сварки состоит в том, что концы стержней в месте их контакта под действием электрического тока большой силы (до 100 кА) разогре­ваются до пластического или жидкого состояния с одновременным или последующим сильным сжатием, обеспечивающим взаимодей­ствие атомов металла. В зоне сварки металл оплавляется, образуя небольшое утолщение (рис. 23, а). Прочность такого соединения по­лучается даже выше, чем прочность самих стыкуемых стержней. Этим способом может производиться соединение стержней диамет­ром от 10 до 80 мм.

При соединении стержней арматуры классов A240, А300, A400, А500, A600, А800, A1000 разных диаметров должно соблюдать­ся условие d₁ /d₂ ≥ 0,85 (соотношение 0,3 допускается при использовании специальной технологии сварки), а наименьший диаметр стержня d₁ = 10 мм.

Б. Контактная точечная электросварка используется для соеди­нения отдельных стержней в местах их пересечения при изготов­лении сеток и каркасов, В этих случаях применяют стержневую арматуру классов A240, A300, A400 и проволочную класса В500. Пе­рекрещивающиеся стержни сдавливают с большой силой в зажимах сварочной машины, затем включают ток, который доводит металл между зажимами до оплавления, а прилегающую зону – до пласти­ческого состояния.

Качество точечной электросварки зависит от соотношения диа­метров свариваемых поперечных и продольных стержней. Оно должно быть в пределах d₁ /d₂ = 0,25...1.

Сварные соединения, выполняемые в условиях стройплощадки. Ограничимся рассмотрением двух типов таких соединений.

А. При монтаже арматурных изделий и сборных железобетон­ных конструкций для соединения встык как горизонтальных, так и вертикальных стержней (или выпусков) арматуры классов A240, A300, A400 диаметром 20 мм и более применяют электродуговую ванную сварку в съёмных инвентарных медных формах или на стальной скобе-подкладке (рис. 23, б). Принцип электродуговой сварки осно­ван на образовании электрической дуги между свариваемым метал­лом и электродом. В зазор 10... 15 мм между свариваемыми стерж­нями помещается гребёнка электродов. При прохождении электри­ческого тока между гребёнкой и формой возникает электрическая дуга. В результате этого образуется ванна расплавленного метал­ла, которая разогревает и плавит торцы стыкуемых стержней. При этом расплавленный металл электродов и стержней образует свар­ной шов.

Б. Если диаметр соединяемых стержней менее 20 мм, то при­меняют дуговую сварку стержней четырьмя фланговыми швами с использованием круглых накладок (рис. 23, в). Этим способом мо­гут соединяться стержни диаметром от 10 до 80 мм, начиная от класса A240 до класса A500 включительно. Допускается применять и односторонние сварные швы с удли­нёнными накладками (рис. 23, г). При этом должны быть соблюде­ны следующие требования к размерам сварного шва: b≥ 10 мм и b≥ 0,5 d; h ≥ 4 мм и h ≥ 0,25 d, где b – ширина шва; h – глубина шва (рис. 23, д).

Соединение стержней в тавр с пластиной толщиной δ = 0,75d (из листовой или полосовой стали) выполняют автоматической дуговой сваркой под флюсом (рис. 23, е). Соединение внахлёстку арматур­ных стержней диаметром 8...40 мм с пластиной или плоскими эле­ментами проката выполняют дуговой сваркой фланговыми швами (рис. 23, ж).

Сварные соединения способствуют рациональному расходу стали и использованию отходов арматуры.

 

Рис. 23. Сварные стыковые соединения арматуры:

а – контакт­ная электросварка встык; б – дуговая ванная сварка в инвентарной форме; в – дуговая сварка с накладками с четырьмя фланговыми швами; г – то же, с двумя фланговыми швами; д – размеры свар­ного шва; е – сварное соединение в тавр стержней с пластиной; ж – сварное соединение внахлёстку стержня с пластиной

 

Стыки арматуры внахлёстку без сварки. Стержневую армату­ру классов A240, А300, A400 допускается соединять внахлёстку без сварки с перепуском концов стержней на 20...50 диаметров в тех ме­стах железобетонных элементов, где прочность арматуры исполь­зуется не полностью. Однако такой вид соединения стержневой ар­матуры вследствие излишнего расхода стали и несовершенства кон­струкции стыка применять не рекомендуется.

Внахлёстку можно выполнять стыки сварных и вязаных карка­сов и сеток в направлении рабочей арматуры (рис. 24).

При этом диаметр рабочей арматуры должен быть не более 36 мм. Длина пе­репуска (нахлёстки) стыкуемых стержней, каркасов, сеток в рабо­чем направлении определяется расчётным путём по формуле (1.25).

 

Рис. 24. Стыки сварных сеток в направлении рабочей арматуры:

а – при гладких стержнях, когда поперечные стержни расположе­ны в одной плоскости; б, в – то же, но поперечные стержни рас­положены в разных плоскостях; г – при стержнях периодического профиля, когда в пределах стыка поперечные стержни отсутствуют в одной из стыкуемых сеток; д – то же, когда в пределах стыка поперечные стержни отсутствуют в обеих стыкуемых сетках; l – длина перепуска сеток; d, d₁ – соответственно диаметры рабочей и распределительной арматуры

 

Поперечные стержни соединяемых сеток могут располагаться в разных плоскостях (рис. 24, б, в) или в одной плоскости (рис. 24, а). В каждой из соединяемых в растянутой зоне сеток на длине нахлёст­ки должно быть расположено не менее двух поперечных стержней, приваренных ко всем продольным стержням сеток. Такие же типы стыков применяются и для стыковки внахлёстку сварных каркасов с односторонним расположением рабочих стержней из всех видов ар­матуры; при этом на длине стыка устанавливают дополнительные хомуты или поперечные стержни с шагом не более 5 диаметров про­дольной арматуры. Если рабочей арматурой сеток являются стерж­ни периодического профиля, то одна из стыкуемых или обе сетки в пределах стыка выполняются без приваренных поперечных стержней (рис. 24, г, д).

Стыки сварных сеток в нерабочем направлении (когда соединя­ется распределительная арматура) также выполняются внахлёстку (рис. 25).

Длину перепуска (считая между крайними рабочими стержнями сетки) принимают равной 50 мм при диаметре распределительной арматуры до 4 мм и равной 100 мм при диаметре распределитель­ной арматуры более 4 мм. При диаметре рабочей арматуры 16 мм и более сварные сетки в нерабочем направлении допускается уклады­вать впритык друг к другу, перекрывая стык специальными стыко­выми сетками, укладываемыми с перепуском в каждую сторону не менее 15 диаметров распределительной арматуры и не менее 100 мм (рис. 25, в). Стыки плоских каркасов, как и сеток, в конструкциях следует располагать вразбежку.

Рис. 25. Стыки сварных сеток в направлении нерабочей (распре­делительной) арматуры:

а – внахлёстку с расположением рабочих стержней в одной плоскости; б – то же, с расположением рабочих стержней в разных плоскостях; в – стык впритык с наложением дополнительной стыковой сетки; d, d₁ – соответственно диаметры рабочей и распределительной арматуры; 1 – рабочая арматура; 2 – распределительная арматура

 

 

Вязаные каркасы и сетки в настоящее время применяют редко, так как при использовании вязаных изделий существенно повыша­ется трудоёмкость. Однако в случае применения вязаных изделий исключается концентрация напряжений, которая при сварных из­делиях возникает в зонах точечной сварки, а также устраняется опасность пережога поперечных стержней, что иногда наблюдает­ся в сварных изделиях. В вязаных сетках и каркасах соединение стержней между собой осуществляется с помощью вязальной (ото­жжённой) проволоки диаметром 0,8...1 мм.

 

Железобетон

 

Общие сведения

 

Введение в бетон стальной арматуры заметно меняет его физико-механические свойства. Бетон и арматура в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга. Так, например, вследствие сцепления арматуры с бетоном усадка и ползучесть в железобетоне протекают несколько иначе, чем в неармированном бетоне.

Напряженное состояние железобетонных конструкций обуслов­ливается, во-первых, действием внешней нагрузки и, во-вторых, процессом перераспределения внутренних усилий, вызванным тем, что при совместной работе двух материалов арматура становится внутренней связью, препятствующей свободному проявлению усад­ки и ползучести бетона.

Механические свойства железобетона зависят от соответствую­щих свойств бетона и арматуры, но не всегда совпадают с ними.

Например, появление трещин в растянутой зоне бетонной балки при­водит к её разрушению, в то время как для железобетонной балки это, как правило, не опасно. Сжатый стальной элемент при дости­жении предела текучести теряет несущую способность, а в сжатой железобетонной колонне вследствие ползучести бетона при эксплу­атационных нагрузках арматура может быть напряжена на сжатие до предела текучести, но конструкция работает нормально. Из этих примеров видно, что механические свойства железобетона требуют самостоятельного рассмотрения.

 

Содержание арматуры

 

Нормами установлены минимальные проценты армирования (μ_s,тiп)для сечений железобетонных элементов. Их величины назначают­ся в зависимости от характера работы элементов и их гибкости и колеблются в пределах от 0,05 до 0,25%. Если μ_s < μ_s,тiп, то кон­струкцию при расчёте следует рассматривать как чисто бетонную. Из экономических соображений процент армирования железобе­тонных конструкций обычно не превышает 2...3%. С изменением μ_s меняется не только несущая способность элемента, но и характер его разрушения.

 

Значение трещиностойкости

 

Существенным недостатком железобетона является появление тре­щин в растянутых зонах бетона при нагрузках даже ниже эксплуа­тационных. Это объясняется малой растяжимостью бетона.

Между долговечностью и трещиностойкостью железобетонных конструкций существует тесная связь. Поэтому существенно важ­ным является вопрос о том, при каком напряжении в арматуре по­являются первые трещины в растянутом бетоне. Для ответа на него воспользуемся опытными данными о предельной растяжимости бетона, ко­торая составляет в среднем = 0,00015 = = 15-10^-5 относительных единиц.

При достаточно хорошем и непрерывном по длине арматуры сцеплении считают, что до появления трещин деформации бетона и арматуры в любой точке по поверхности их контакта равны, т.е. .

Следовательно, в момент, предшествующий появлению трещины, арматура и бетон работают совместно и

(1.23)

При таких деформациях арматура любого класса работает ещё упруго и напряжения в ней определяются по закону Гука:

Если σ _s > 30 МПа, то считаем, что в растянутом бетоне появляются трещины. Следовательно, для получения трещиностойкой конструк­ции требуется значительно ограничить использование прочности ар­матуры при растяжении (имеется ввиду обычный железобетон, а не предварительно напряжённый). Например, в арматуре из стали класса A240 для обеспечения трещиностойкости конструкции прихо­дится допускать растягивающие напряжения, составляющие лишь примерно 13% от предела текучести.

Поэтому в обычных железобетонных конструкциях в большин­стве случаев приходится мириться с появлением трещин для того, чтобы повысить степень использования арматуры и иметь возмож­ность применять арматуру более высоких классов. Однако и при этом все равно исключается возможность эффективного использо­вания арматуры из высокопрочных сталей, начиная с класса A600 и выше, так как высокие напряжения, которые в ней можно до­пускать, сопровождаются значительными деформациями, т.е. об­разованием недопустимых по ширине раскрытия трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растёт гораздо быстрее, чем стоимость, и их использование с экономиче­ской точки зрения является целесообразным.

Видимые волосяные трещины шириной примерно 0,05 мм появ­ляются в бетоне при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зо­нах возникновения наибольших растягивающих напряжений. При возрастании нагрузки эти трещины раскрываются. Приближенно можно считать, что при напряжениях в арматуре порядка σ _s = 200...250 МПа ширина раскрытия трещин находится в пределах = 0, 2...0,3 мм. Наличие трещин открывает доступ к армату­ре атмосферной влаге и агрессивным газам, что при определённой ширине раскрытия может вызвать коррозию. Поэтому ширина рас­крытия трещин в период эксплуатации железобетонных конструк­ций должна быть ограничена. Предельно допустимая ширина рас­крытия трещин, при которой еще обеспечивается сохранность арма­туры, устанавливается в зависимости от условий работы конструк­ции, вида применяемой арматуры, продолжительности действия на­грузки и не должна превышать 0,3 мм (считая по оси арматурных стержней) при длительном их раскрытии и 0,4 мм — при непродолжительном. При такой ширине раскрытия трещин напряжения в арматуре достигают примерно σ _s = 250...300 МПа.

 

Расчет по раскрытию трещин производят из условия ,

где а_crc – ширина раскрытия трещин от действия внешней нагрузки;

а_crc,ult – предельно допустимая ширина раскрытия трещин.

Значения а_crc,ult принимают равными:

а) из условия обеспечения сохранности арматуры:

– классов А240-А600, В500:

0,3 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,4 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

– классов А800, А1000, а также Вр1200-Вр140, К1400, К1500 (К-19) и К1500 (К-7) диаметром 12 мм:

0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

– классов Вр1500, К1500 (К-7) диаметром 6 и 9 мм:

0,1 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,2 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

б) из условия ограничения проницаемости конструкций:

0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин.

Ширину раскрытия трещин(а_crc) определяют исходя из взаимных смещений растянутой арматуры и бетона по обе стороны трещины на уровне оси арматуры и принимают:

- при продолжительном раскрытии а_crc= а_crc,1;

- при непродолжительном раскрытии а_crc = а_crc,1+ а_{crc,2_}– а_crc,3,

где а_crc,1 – ширина раскрытия трещин от продолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;

а_crc,2 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных (длительных и кратковременных) нагрузок;

а_crc,3 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок.