1.2.2. Виды арматуры

Многообразие видов железобетонных конструкций определяет необ­ходимость применения широкой номенклатуры арматурных сталей.

Для изготовления арматуры используют конструкционные стали обычно с содержанием углерода не более 0,65%, так как стали с более высоким содержанием углерода плохо свариваются.

Арматура классифицируется по функциональному назначению и способу изготовления по четырём признакам.

По технологии изготовления арматуру делят на: стержневую го­ряче-катаную, термомеханически упрочненную и механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированную).

По форме наружной поверхности арматура бывает гладкая и пе­риодического профиля.

По способу применения: арматура, которую укладывают в кон­струкцию без предварительного напряжения, называется ненапрягаемой; арматура, которую при изготовлении конструкции предва­рительно натягивают – напрягаемой.

Арматура, устанавливаемая в железобетонных конструкциях по расчёту, называется рабочей. Площадь её поперечного сечения опре­деляется расчётом элементов конструкций на различные нагрузки и воздействия. Её главное назначение – восприятие растягивающих усилий в сечениях. Поэтому она располагается в растянутой зоне вдоль линии действия этих усилий, т. е. перпендикулярно к воз­можному направлению трещин.

Арматура, устанавливаемая по конструктивным или технологи­ческим соображениям, называется монтажной или распределитель­ной (в плитах). Она обеспечивает проектное положение рабочей ар­матуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, мон­тажная арматура может воспринимать обычно не учитываемые рас­чётом усилия от усадки бетона, изменения температуры конструк­ции и т.п. Она может также выполнять роль рабочей при транспор­тировании и монтаже конструкции.

1.2.3. 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.