Механические свойства арматурных сталей кратко

Обновлено: 06.07.2024

11. Классы арматуры, соответствующие им нормативные и расчетные сопротивления.

Арматура, применяемая для конструкций без предварительного напряжения

Принятое условное обозначение класса арматуры является в достаточной степени информативным, так как в нем после буквенного обозначения (S) указана величина нормативного сопротивления арматуры, выраженная в МПа.

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

а) мгновенная прочность на растяжение или временное сопротивление при разрыве f_t и рассчитываемое по формуле: f = F/A

где F усилие, регистрируемое при разрыве стержня в испытательной машине; A — номинальная площадь cечения стержня;

б) нормативное временное сопротивление f,_k, 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 - 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 fyk на частный коэффициент безопасности по арматуре, принимаемый равным 1.1

В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций в соответствии с требованиями норм [1] следует применять стержни и канаты классов S800, S1200, S1400.

Нормативное сопротивление высокопрочной напрягаемой арматуры f _0.2_κ - 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 _0.2_d определяют путем деления нормативного сопротивления f _0.2_κ на частный коэффициент безопасности по арматуре γ принимаемый равным 1,2.

12. Деформативные характеристики арматуры.

Зависимость, связывающая напряжения и относительные деформации, для напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций следует принимать в соответствии с диаграммой,

13. Арматурные изделия

14. Совместная работа арматуры с бетоном. Сцепление.

Основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в конструкции и позволяющим работать железобетону как единому монолитному телу, является надежное сцепление арматуры с бетоном. Снижение сцепления арматуры с бетоном приводит к чрезмерному раскрытию трещин, уменьшению жесткости и прочности конструкции.

Работая совместно с гибкими арматурными стержнями, бетон, кроме того, обеспечивает их защиту от коррозии и от действия высоких температур.

Силы сцепления по контакту двух материалов зависят от целого ряда конструктивно-технологических факторов, в том числе от прочности бетона и технологических параметров бетонной смеси. Важную роль для обеспечения сцепления арматуры с бетоном играет вид и форма поверхности арматурного стержня: наибольшим сцеплением обладают круглые рифленые стержни, в то время как стержни, имеющие квадратную либо прямоугольную форму сечения, характеризуются меньшим сцеплением

Существенное влияние на величину сцепления оказывает вид напряженного состояния по контакту арматурного стержня с бетоном.

Анкеровка

Как показывают экспериментальные исследования, распределение напряжений сцепления по длине стержня не является равномерным. Это положение имеет важное значение при определении длины анкеровки арматурного стержня в конструкции.

Для обеспечения прочности наклонных сечений ригеля по изгибающим моментам обрываемые в пролете стержни продольной арматуры необходимо завести за точку теоретического обрыва на расстояние не менее:

(*)

где: a₁, a₂, a₃, a₄ – коэффициенты, характеризующие условия анкеровки, определяются по табл. 11.6 [1];

l_b – базовая длина анкеровки, определяется с помощью табл. 3-1 прилож. 3;

–площадь продольной арматуры, требуемая по расчету;

– принятая площадь продольной арматуры;

– минимальная длина анкеровки, принимается равной наибольшему значению из величин: 0,6 l_b; 20Æ; 100 мм для растянутых стержней и 0,3 l_b; 15Æ; 100 мм для сжатых стержней.

Кроме того, общая длина запуска стержня за точку теоретического обрыва для растянутых стержней должна быть не менее 0,5h, где h – высота ригеля.

В связи с тем, что произведение изменяется в пределах 0,7-1.0 (см. п. 11.2.32 [1]) , а величина a₃ в условиях обрыва арматуры ригеля принимается равной 0,7, то в курсовом проекте с целью уменьшения расчетной части разрешается принимать а a₃ = 0,7.

Анкеровка стержней продольной арматуры на свободной опоре осуществляется путем заведения за внутреннюю грань опоры на длину не менее:

5Æ в элементах, где арматура ставится на восприятие поперечной силы конструктивно;

10Æ - в элементах, где поперечная арматура ставится по расчету, а до опоры доводится не менее 2/3 сечения арматуры, определенной по наибольшему моменту в пролете;

15Æ - то же, если до опоры доводится не менее 1/3 сечения арматуры.

16. Экспериментальные данные о стадиях напряженно-деформированного состояния сечений, нормальных к продольной оси железобетонного элемента. Характер разрушения. Характер работы сечений под нагрузкой.

Последовательное нагружение элемента вплоть до его разрушения позволяет выявить несколько характерных стадий напряженно-деформированного состояния, возникающих в сечениях, нормальных к его продольной оси.

Стадия 1 напряженно-деформированного состояния сечения характеризует сопротивление железобетонного элемента, работающего без трещин. При этом удобно рассматривать два промежуточных состояния (стадия la и 1б) сечения в зависимости от величины относительных деформаций его наиболее растянутой грани.

Стадия la имеет место на начальных этапах нагружения, когда величина изгибающего момента в зоне чистого изгиба невелика, бетон как в сжатой, так и в растянутой зонах сечения работает в области упругих деформаций (т.е. наблюдается линейная зависимость между напряжениями и относительными деформациями (рис. 6.4).

Таким образом характерными чертами стадии 1 напряженно-деформированного состояния сечения являются:

отсутствие трещин в растянутой зоне сечения;

линейное распределение относительных деформаций по высоте сечения, т.е. практически строгое выполнение гипотезы плоских сечений до момента появления трещин;

совместная работа арматуры и окружающего ее бетона без нарушения сцепления.

Стадия 2 характеризует сопротивление сечения железобетонной конструкции, имеющей трещины. В сечении с трещиной нейтральная ось смещается по направлению к наиболее сжатой грани, уменьшая высоту сжатой зоны (х).

Стадия 2 характеризует сопротивление конструкции при эксплуатационном нагружении и используется при расчете конструкций по раскрытию трещин и прогибам.

Таким образом, для стадии 2 характерными признаками являются:

в растянутой зоне сечения развиваются трещины, имеющие ширину раскрытия, зависящую от уровня нагружения конструкции, т.е. средних относительных деформаций растянутой арматуры;

относительные продольные деформации и напряжения в бетоне и арматуре по длине элемента распределены неравномерно. В сечении с трещиной растягивающие усилия в основном воспринимает арматура, а на участке между трещинами - совместно бетон и арматура. В середине участка между трещинами обеспечена совместная работа бетона и арматуры, а по мере приближения к берегам трещины может наблюдаться проскальзывание арматуры относительно бетона;

гипотеза плоских сечений остается справедливой для некоторого среднего сечения по длине зоны чистого изгиба. В отдельном сечении, проходящем через трещину в виду депланации ее краев, гипотеза плоских сечений может нарушаться.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к переходу испытываемой балки в стадию 3. характеризующую наступление в сечении предельного состояния по прочности — разрушения. При этом возможны два случая разрушения железобетонного элемента по сечению, нормальному к продольной оси балки.

В стадии 3 следует отдельно остановиться на работе арматуры, располагаемой в сжатой зоне сечения. На этом этапе арматура A_sc играет важную роль, воспринимая часть усилия, действующего в сжатой зоне сечения. Учитывая то обстоятельство, что арматура работает совместно с бетоном вплоть до наступления предельного состояния, ее деформации обусловлены деформативностью окружающего бетона (деформации арматуры слелуют за деформациями бетона).

Наличие арматуры в сжатой зоне сечения позволяет изменить характер разрушения балки

Таким образом, характеризуя стадию 3 напряженно-деформированного состояния следует подчеркнуть:

1. Данная стадия определяет предельное состояние сечения по прочности. При этом в зависимости от характера распределения по сечению продольных относительных деформаций возможно два характерных случая разрушения сечения. Если относительные деформации растянутой арматуры достигают предельных значений, соответствующих напряжениям, равным условному или физическому пределу текучести раньше, чем бетон наиболее сжатой грани достигает предельной сжимаемости е_сн, разрушение начинается по растянутой зоне. В противном случае разрушение происходит по бетону сжатой зоны сечения при достижении предельных деформаций бетона при сжатии Е_си. Такой характер разрушения является нежелательным и должен быть исключен в процессе проектирования. Оптимальным является случай, когда в стадии разрушения одновременно напряжения в арматуре достигают предела текучесть (f_y), а бетон сжатой зоны достигает предельных значений относительных деформаций сжатия (е_сы).

2. Для среднего сечения по длине элемента с определенным допущением выполняется гипотеза плоских сечений.

По длине пролета рассмотренной железобетонной балки одновременно при одном уровне нагружения имеют место все рассмотренные стадии напряженно-деформированного состояния для сечения, нормального к продольной оси элемента, в зависимости от изменения величины изгибающего момента (рис. 6.9).

17 Два случая разрушения.

В первом случае относительные деформации растянутой арматуры достигают предельных значений соответствующих напряжениям, равным физическому или условному пределу текучести. При этом относительные деформации бетона наиболее сжатой грани сечения к этому моменту не достигают величины предельной сжимаемости. В этом случае прогибы элемента развиваются без прироста нагрузки, трещины раскрываются и развиваются в глубь по высоте сечения, сокращая высоту сжатой зоны. Разрушение, начинающееся по растянутой арматуре с увеличением деформаций арматуры, может завершаться по сжатому бетону, когда его относительные деформации достигают предельных значений

Во втором случае относительные деформации сжатого бетона достигают предельных значении ранее, чем растянутая арматура достигает относительных деформаций, соответствующих физическому или условному пределу текучести. Разрушение сечения пс сжатому бетону происходит хрупко (особенно в случае применения высокопрочных бетонов) с раздроблением бетона сжатой зоны. Такой вид разрушения характерен для переармированных сечений, элементов, имеющих небольшую высоту сечения, воспринимающих значительные по величине изгибающие моменты, а также внецентренно сжатых элементов при малых эксцентриситетах приложения продольной силы. При этом арматура, применяемая для армирования растянутой зоны сечения, полностью не используется.

18. Основы расчета железобетонных конструкций. Методы расчета железобетонных конструкций.

Для стержневых систем можно записать следующие базовые уравнения линейного метода расчета конструкции:

б = εΕ или Μ =y’’EJ

Внутренние усилия, определенные в конструкции линейно-упругим методом, используются далее для расчета сечений. При использовании линейно-упругого метода расчета в рамках принятого в нормах [1,6] метода предельных состояний, появляются некоторые несоответствия. Это связано с тем, что при расчетах прочности сечений (по предельным состояниям первой группы) используются нелинейные модели, описывающие работу бетона и арматуры (нелинейные диаграммы деформирования, см. п. 4.4.2). Отсюда появляется несоответствие в описании поведения конструкции на определенных этапах ее проектирования: упруго-линейный расчет на этапе определения внутренних усилий и нелинейный на этапе расчета сечений.

Линейный расчет с ограниченным перераспределением моментов используется, главным образом, при проектировании статически неопределимых элементов, подверженных действию изгибающих моментов и продольных сил (например, неразрезные балки, ригели несмещаем ых рам и т.д.). Для таких элементов вводят ограниченное перераспределение моментов, определенных из линейно-упругого расчета. Перераспределение моментов оказывает влияние не только на распределение внутренних усилий в отдельных сечениях (изгибающих моментов, поперечных сил), но и на деформации системы (ширину раскрытия трещин, прогибы).

Метод перераспределения усилий, основанный на положениях теории пластичности, допускает ограниченное снижение величины изгибающих моментов в критических сечениях элемента в соответствии со следующей зависимостью:

где М_е, М_er - соответственно изгибающие моменты до и после перераспределения;

Нелинейные методы расчета учитывают упруго-пластические (т.е. нелинейные) характеристики конструкции, благодаря чему позволяют более реально оценить распределение усилий в отдельных сечениях. В соответствии с положениями норм [1, 6, 11] нелинейные методы расчета позволяют не только учитывать физическую нелинейность зависимостей, описывающих работу материалов под нагрузкой, но могут одновременно учитывать и т.н. эффекты геометрической нелинейности.

Пластические методы расчета описывают поведение конструкции в предельном состоянии по прочности. Разрушение железобетонной конструкции в этих методах рассматривается как потеря способности к восприятию нагрузок или же как превращение конструктивной системы в механизм.

При построении пластических методов расчета исходят из того, что в предельном состоянии по прочности полные деформации материалов (бетона, стали) настолько велики по сравнению с упругими, что последними можно пренебречь. Это ведет к тому, что в расчетах рассматривается механизм разрушения некоторого идеально жестко-пластического тела (рис. 3.11). Механизм деформирования для такой модели является таковым, что при Μ

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

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 -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

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;

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.

Читайте также: