Stal zbrojeniowa.
Współpraca betonu i stali
zbrojeniowej
WYKŁAD NR 1-cz.B
PODSTAWY
PROJEKTOWANIA
KONSTRUKCJI
ŻELBETOWYCH
Semestr V , r .ak. 2011/2012
Opracowanie - prof. dr hab. inż.. Andrzej Łapko
Zbrojenie do betonu
Stal zbrojeniowa do konstrukcji
żelbetowych
Zbrojenie w postaci:
wiotkich prętów, drutów lub
siatek stalowych
stanowi wzmocnienie betonu przy
przenoszeniu
naprężeń
rozciągających,
biernie
poddając się siłom przekazywanym z otaczającego
betonu dzięki zjawisku przyczepności.
Stosujemy stal zbrojeniową w postaci:
druty lub pręty walcowane na gorąco,
stale w postaci drutów lub prętów walcowanych
z dodatkową obróbką plastyczną na zimno,
stale stopowe, uzyskiwane dzięki dodatkom
uszlachetniającym.
Skład chemiczny stali
węgiel C (od 0,15 % do 0,40 %), mangan Mn, krzem Si,
miedź Cu, nikiel Ni, chrom Cr,
Ponadto śladowe ilości dodatków stanowią:
fosfor P, siarka S, a także wanad V i molibden Mo.
Cechy wytrzymałościowe stali
Zależności
- dla stali zbrojeniowych: a) stal z fizyczną granicą plastyczności,
b) stal do konstrukcji sprężonych - z umowną granicą plastyczności
odkształcenia sprężyste
e
o - do granicy proporcjonalności f
p
,
odkształcenia sprężysto – plastyczne
ep
-do granicy sprężystości f
e
,
,
odkształcenia plastyczne
sy
na granicy plastyczności f
yk,
,
odkształcenia od punktu plastyczności do granicy wytrzymałości f
t
.
Wytrzymałości stali do zbrojenia
konstrukcji żelbetowych
Charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie
f
tk
określona statystycznie próbek tego samego gatunku i
średnicy stali,
Charakterystyczna wartość granicy plastyczności
f
yk
,
wyznaczona statystycznie z badań próbek prętów
zbrojeniowych, jako wartość gwarantowana
Obliczeniowa granica plastyczności stali f
yd
,
określona
na
podstawie
wytrzymałości
charakterystycznej następująco:
s
yk
yd
f
f
gdzie
s
- częściowy współczynnik bezpieczeństwa dla stali.
wg Eurokodu 2 i polskiej normy
s
wynosi 1,15
Klasy stali zbrojeniowej wg
EC2
Wg Eurokodu 2 do zbrojenia należy używać stali o granicy plastyczności
w granicach 400 – 600 MPa.
Eurokodu 2
Pręty zbrojeniowe-stale żebrowane
Schemat użebrowania stali niskostopowych stosowanych w Polsce:
b) stal gat. St50B, c) Stal gat.34GS, d) stal gat. RB 500
Cechy spajalności stali
stosowanej
do zbrojenia
-
-
Stal 34GS
– dostateczna do technologii
spawania łukowego i zgrzewania
doczołowego.
- Stal RB-500
– spajalność dobra
Moduł sprężystości stali przyjmuje się: E
s
= 200 000 MPa.
Współczynnik Poissona przyjmuje się 0,3.
Współczynnik liniowej rozszerzalności stali
ts
= 0,00001 [1/
0
C].
Pręty zbrojenia klasy A-IIIN
EPSTAL
Współpraca zbrojenia z
betonem
Współpracę betonu i zbrojenia zapewniają
następujące czynniki:
Jednakowa (lub bardzo bliska) rozszerzalność
termiczna,
Zjawisko
przyczepności
powodujące zachowanie
równości odkształceń stali
s
i betonu
c
na
powierzchni styku, tj.
s
=
c
.
Warunek współpracy - prawidłowe nasycenie zbrojenia
w
betonie
(muszą
być
zachowane
zasady
rozmieszczenia
prętów
zbrojenia
w
przekroju
elementu oraz zachowane
minimalne pole zbrojenia
A
s,min
min
s
s
A
A
Przyczepność betonu do stali –
to opór stawiany na powierzchni styku
przeciwko siłom wyrywającym pręt zbrojeniowy
z betonu
Tarcie stali o beton
- efekt koncentrycznego
skurczu betonu, który powoduje zaciskanie się stali
w betonie (naprężenia przyczepności wywołane
tarciem ocenia się na 0,6 do 1,5 MPa),
Docisk wzdłużny pręta do betonu,
wywołany
strukturalnymi nierównomiernością na powierzchni
pręta
(w
prętach
gładkich
-
charakter
mikroskopowy,
w
prętach
żebrowanych
–
nierówności makroskopowe na powierzchni pręta
ukształtowane celowo)
Zjawisko
adhezji,
czyli
przyciągania
międzycząsteczkowego na styku dwu kontaktujących
się materiałów,
Chemiczne związanie
stali i betonu.
Długość zakotwienia prętów zbrojeniowych
Naprężenie przyczepności
b
działające na obwodzie u pręta
wyznaczamy z równania
równowagi sił działających na wycinek zabetonowanego pręta
poddanego sile F.
Rozpatrując nieskończenie mały wycinek pręta o długości dx
otrzymujemy:
F
udx
b
d
x
F
u
b
d
d
1
Naprężenia na długości odcinka zakotwienia l
b
w pręcie zbrojeniowym
Z równania równowagi siły F i
wypadkowych naprężeń wyznaczamy
potrzebną długość l
b,rqd
bd
rqd
b
sd
s
f
l
u
A
F
,
bd
sd
s
rqd
b
f
u
A
l
,
Dla prętów o kolistym przekroju poprzecznym i średnicy
4
2
s
A
oraz
u
bd
sd
rqd
b
f
l
4
,
Wniosek:
Długość zakotwienia l
b,rqd
rośnie ze wzrostem naprężeń w zbrojeniu
oraz ze wzrostem średnicy pręta.
Obliczeniowa długość zakotwienia
pręta,
w funkcji podstawowej długości
zakotwienia l
b
gdzie:
1
-
5
- współczynniki uwzględniające
efektywność zakotwienia, otulinę oraz warunki
pracy pręta (rozciąganie lub ściskanie),
l
bd
– obliczeniowa długość zakotwienia,
l
bd,min
– minimalna długość zakotwienia.
min
,
,
5
4
3
2
1
b
rqd
b
bd
l
l
l
Rodzaje zakończeń prętów w
betonie
Haki lub pętle kotwiące mają za zadanie przeciwstawianie się
przemieszczeniom (poślizgom) zbrojenia.
.
Rodzaje zakończeń prętów zbrojenia w betonie wg PN-EN 19921-1-1
a) – pręt prosty, b) – hak półokrągły, c) – hak prosty
Nowoczesne sposoby łączenia
prętów zbrojenia w betonie –
łączniki mechaniczne
Nowoczesne sposoby łączenia
prętów zbrojenia w betonie –
łączniki mechaniczne
Właściwości ochronne betonu
wobec stali zbrojeniowej
Prawidłowo zaprojektowany i wykonany beton jest
bardzo dobrym
zabezpieczeniem dla stali zbrojeniowej, gdyż prowadzi
do pasywacji stali
Otulina betonowa - chroni pręty zbrojenia przed korozją
W wyniku reakcji chemicznej z betonem na powierzchni stali tworzy się
szczelna warstwa żelazianu wapniowego, która chroni stal przed korozją.
Aby uzyskać pożądany trwały efekt ochronny, pręty stalowe muszą być
oczyszczone z rdzy i muszą być otulone odpowiednią warstwą betonu
.
Wymagania w zakresie
zapewnienia trwałości
konstrukcji zbrojonych
Nominalna grubość c
otuliny betonowej prętów (odległość
powierzchni zbrojenia od najbliższej powierzchni betonu) musi
spełniać warunki normowe. Przy ustalaniu tego wymiaru
bierze się pod uwagę strzemiona i zbrojenie rozdzielcze lub
montażowe (z uwzględnieniem odchyłki wymiarowej).
Zasady określania otuliny zbrojenia w przekroju belki żelbetowej
Δ
dev
Δ
dev
c = c
min
+
dev
21
Nominalna grubość otuliny betonowej wg Eurokodu 2
gdzie
c
min,b
- minimalne otulenie ze względu na przyczepność,
c
min,dur
- minimalne otulenie ze względu na trwałość stali
zbrojeniowej
c = c
min
+
dev
granica
stali
korozja
dur
ść
przyczepno
b
mm
c
c
c
dolna
min,
min,
min
10
;
;
,
max
dev
= 10 mm, lecz może być zredukowana w przedziale od 10
mm nawet do 0, w zależności od poziomu kontroli jakości
22
Nominalna grubość otuliny betonowej wg Eurokodu 2
2
c
min,b
- minimalne otulenie ze względu na przyczepność
Wymagania przyczepności
Rodzaj
stali
Minimum c
min,b
*
Zwykła,
Średnica pręta Φ
W
wiązkach
Średnica równoważna (
n
)
* jeśli nominalny maksymalny wymiar kruszywa jest
większy niż 32 mm, c
min,b
należy zwiększyć o 5 mm.
granica
dolna
stali
korozja
min,
ść
przyczepno
min,
min
10
;
;
max
mm
c
c
c
dur
b
Eurokodu 2
Eurokodu 2
Klasa ekspozycji
Opis klasy ekspozycji
Brak ryzyka korozji lub agresji chemicznej
X0
W betonie niezbrojonym, gdy brak jest zagrożenia efektem zamrażania
– odmrażania, ścierania lub korozji chemicznej
w warunkach bardzo niskiej wilgotności powietrza
Korozja wywołana przez karbonatyzację
XC1
Środowisko suche lub stale mokre
XC2
Środowisko mokre, rzadko suche
XC3 – XC4
Umiarkowana wilgotność lub cykliczne mokre i suche
Korozja wywołana chlorkami nie pochodzącymi z wody morskiej
XD1
Umiarkowana wilgotność
XD2
Mokre, sporadycznie suche
XD3
Cyklicznie mokre i suche
Korozja spowodowana chlorkami z wody morskiej
XS1
Środowisko narażone na działanie soli zawartej w powietrzu
(bez kontaktu z wodą morską)
XS2
Stałe zanurzenie w wodzie morskiej
XS3
Środowisko w obszarze pływów morza, rozbryzgów wody i
pyłu wodnego
Wpływy zamrażania i odmrażania wody
XF1
Umiarkowane nasycenie wodą bez środków odladzających
XF2
Umiarkowane nasycenie wodą ze środkami odladzającymi
XF3
Duże nasycenie wodą bez środków odladzających
XF4
Duże nasycenie wodą ze środkami odladzającymi
Agresja chemiczna
XA1
Środowisko słabo agresywne chemicznie wg PN-EN 206-1
XA2
Środowisko średnio agresywne chemicznie wg PN-EN 206-1
XA3
Środowisko silnie agresywne chemicznie wg PN-EN 206-1
Klasy
ekspozycji
środowiska
budowli
wg Eurokodu 2
24
Nominalna grubość otuliny zbrojenia wg Eurokodu 2
2
c
min,dur
- minimalne otulenie ze względu na korozję stali zbrojeniowej
Wymagania środowiskowe dla c
min
(mm)
Klasa
konstr
u-kcji
Klasy ekspozycji według Eurokodu 2
X0
XC1
XC2/
XC3
XC4
XD1/
XS1
XD2/
XS2
XD3/
XS3
S1
10
10
10
15
20
25
30
S2
10
10
15
20
25
30
35
S3
10
10
20
25
30
35
40
S4
Okres 50
lat
10
15
25
30
35
40
45
S5
15
20
30
35
40
45
50
S6
20
25
35
40
45
55
55
Koniec wykładu 1B