| 30 Марта 2010
Оценка механических свойств арматуры в состоянии поставки осуществляется, как правило, при испытании на растяжение по ГОСТ 12004 и на изгиб по ГОСТ 14019 [2; 3]. Оценка механических свойств арматуры на сжатие не производится, так как в соответствии с отечественными и международными европейскими нормами проектирования железобетонных конструкций диаграммы состояния (деформирования) арматуры при растяжении и сжатии принимают одинаковыми [4; 5]. Однако, в СНиП 52-01-2003 (п. 5.4.2) оговаривается исключение из условия одинаковости диаграмм состояния арматуры, когда рассматривается работа арматуры, в которой ранее были неупругие деформации противоположного знака [4]. Указанное исключение для стальной арматуры установлено экспериментально.
На стадии работы стального стержня при переходе из упругой области в упруго-пластическую проявляется эффект Баушингера, в соответствии с которым растягивающее или сжимающее напряжение выше предела упругости стали (железа) заметно уменьшает предел упругости на сжатие или растяжение, и в тем большей степени, чем выше было приложенное усилие по сравнению с первоначальным пределом упругости. Период покоя (естественное старение) в таком случае не изменяет диаграмму состояния стали [6; 7]. Следовательно, уже на стадии появления незначительных по величине остаточных деформаций (εост>0,02%) наблюдается изменение диаграмм деформирования стали при растяжении и сжатии. Как будет показано ниже, осевое растяжение стальной арматуры с возрастающим значением остаточной деформации (вытяжка от 0,2 до 4,5%) наряду с увеличением условного предела текучести при растяжении приводит к значительному уменьшению условного предела текучести при сжатии. То есть при указанных условиях также имеет место изменение диаграммы деформирования стальной арматуры при растяжении и сжатии. После естественного, а особенно после искусственного, старения упрочненной вытяжкой арматуры характеристики ее прочностных свойств при растяжении (σ0,2; σв)
могут увеличиться на 2÷12%, а характеристика пластических свойств (δр) -уменьшиться на 1–5% абсолютных значений [8]. Изменение в результате старения указанных характеристик при сжатии не установлено из-за отсутствия экспериментальных данных.
В начале 80-х годов прошлого века в НИИЖБ были проведены испытания на растяжение и сжатие арматуры класса прочности 540 Н/мм2 (А-ІІІв), упрочненной вытяжкой до 4,5%. На растяжение образцы арматуры испытывали в соответствии с ГОСТ 12004 [2], а на осевое сжатие была предложена и отработана методика проведения испытаний арматуры, которая изложена в работе [9] и отличается от рекомендаций ГОСТ 25.503 /[10], не учитывающих особенности арматуры железобетонных конструкций (необходимость определения свойств в состоянии поставки, периодический профиль, овальность сечения и др.).
В результате этих испытаний было выявлено, что при упрочнении арматуры класса А400 (А-ІІІ) вытяжкой на 3,5 – 4,5% (в зависимости от марки стали) условный предел текучести при растяжении увеличился на 38÷39%, а при сжатии – уменьшился примерно на 45% по сравнению с исходным состоянием арматуры. Полученные результаты позволили определить коэффициент условий работы при сжатии γsc=0,45, учитывающий изменение диаграммы состояния арматуры в результате ее упрочнения вытяжкой для заданных условий, и внести соответствующие изменения в нормативные и вспомогательные документы по проектированию железобетонных конструкций [11; 12].
В начале 90-х годов прошлого века в НИИЖБ при смене знака нагружения (растяжение-сжатие-растяжение) статической и однократной динамической нагрузкой была испытана термомеханически упрочненная арматура класса А600 (сталь марки 28С) диаметром 12 мм, результаты испытаний представлены в работе [13]. Указанная арматура имела физический предел текучести σт, однако, для оценки поведения арматуры в упруго-пластической области до достижения σт в качестве контрольного показателя использовали значение условного предела текучести σ0,2, при этом σ0,02/σ0,2=0,97.
При первоначальном статическом растяжении до уровня, равного 0,75σ0,2, и последующем статическом сжатии диаграмма состояния арматуры соответствовала таковой при раздельном нагружении на растяжение и сжатие. При растяжении до 0,96σ0,2 (εр=0,34%) и последующем сжатии значение условного предела текучести уменьшилось до уровня 0,93σ0,2. При начальном растяжении до напряжений, близких значению σ0,2 (относительная деформация арматуры εр=0,45%, остаточная относительная деформация εост≈0,1%), и последующем сжатии условный предел текучести при сжатии уменьшился до уровня 0,7σ0,2. При растяжении до σт и относительной деформации арматуры εр=1,1% последующее сжатие показало снижение условного предела текучести при сжатии до 0,4σ0,2.
Результаты испытаний термомеханически упрочненной арматуры, растянутой до напряжения, равного σт и остаточной относительной деформации εост≥0,7%, хорошо согласуются с результатами испытаний горячекатаной арматуры, упрочненной вытяжкой с εост=3,5-4,5%. При указанных величинах неупругих относительных деформаций выявлена особенность работы (поведения) стальной арматуры, которая характеризуется неодинаковостью диаграмм деформирования при растяжении и сжатии. Эта особенность должна быть учтена для арматуры, претерпевающей холодное упрочнение растяжением при изготовлении или переработке.
Экспериментально установлено, что упрочнение арматуры осевым растяжением с остаточной относительной деформацией (вытяжкой) от 0,2% до 4,5%, приводит к изменению диаграммы состояния арматуры и уменьшению нормативного сопротивления сжатию на 40-60%. Расчетные значения сопротивления сжатию Rsc такой арматуры следует определять с коэффициентом условий работы γsc=0,45. При вытяжке, превышающей 4,5%, возможно уменьшение указанного значения γsc. Рассматриваемая область работы арматуры экспериментально малоизучена, поэтому при назначении расчетных значений сопротивления сжатию необходимо соблюдать осторожность впредь до проведения соответствующих экспериментальных исследований. Следовательно, область эффективного применения упрочненной растяжением рабочей (расчетной) арматуры должна быть ограничена только элементами железобетонных конструкций, растянутыми от действия внешних нагрузок.
В России и за рубежом холодное упрочнение арматуры периодического профиля за счет осевого растяжения с целью повышения класса прочности до 500 Н/мм2 и выше находит ограниченное применение. Приведем некоторые примеры.
В 1992 г. в России была предложена линия заготовки и упрочнения арматурных стержней, которая включала серийный правильно-отрезной станок и дополнительный механизм деформации, с помощью которого за счет привода станка обеспечивалась вытяжка на 1 – 3% арматуры круглой или периодического профиля диаметром до 12 мм. В результате условный предел текучести σ0,2 при растяжении для стали различных марок повышали
от 15% до 34% [14].
Для получения арматуры класса прочности 500 Н/мм2 в России освоена технология холодного упрочнения проката периодического профиля в мотках. На линии упрочнения, составленной из оборудования машиностроительных компаний Тайваня, осуществляется перемотка проката с упрочнением за счет усилия растяжения с противонатяжением, создаваемым двухплоскостным роликовым устройством. В зависимости от уровня механических свойств исходного проката при упрочнении его до класса прочности 500 Н/мм2 остаточная продольная относительная деформация (вытяжка) составила 7–10% [15]. Аналогичная технология упрочнения арматуры предложена на Украине [16].
В РУП «Белорусский металлургический завод» при освоении производства холоднодеформированной арматуры класса прочности 550 Н/мм2 по австрийскому стандарту ONORM В 4200 наряду с получением катанки, удовлетворявшей определенным требованиям по химсоставу и размерам, производили волочение катанки через роликовые волоки с нанесением трехстороннего периодического профиля, последующую рихтовку и растяжение арматуры с остаточной деформацией 2–3%. Полученная холоднодеформированная арматура диаметром 8 и 10 мм была сертифицирована в Австрии на соответствие стандарту ONORM В 4200 [17].
Английская сертификационная компания CARES в 2004 году опубликовала данные по технологиям производства и свойствам арматурных сталей в Великобритании [18; 19]. В ряде случаев для улучшения механических свойств горячекатаную арматуру периодического профиля подвергают вытяжке пропуском через группы изгибающих роликов (stretch), в результате происходит уменьшение площади поперечного сечения на 3–4%. Подобные технологии упрочнения арматуры, в том числе диаметром 6–14 мм поставляемой в мотках, применяются в Германии, Италии и других странах [20].
Во всех рассмотренных примерах пластическая деформация вытяжки или уменьшения площади поперечного сечения составляла от 2 до 10%. Очевидно, что указанная арматура имела измененную диаграмму состояния, следовало бы ожидать понижения ее сопротивления сжатию и ограничения области эффективного применения только растянутыми элементами железобетонных конструкций. В то же время принятые в EN 1992-1-1: 2004 [5] одинаковые диаграммы состояния арматуры при растяжении и сжатии дают основание предположить, что это требование Eврокоде 2 не распространяется на работу арматуры, у которой ранее, в частности при изготовлении или при переработке в арматурное изделие, были неупругие деформации, вызванные осевой растягивающей нагрузкой. В технической литературе не выявлены источники, обосновывающие иное мнение. Косвенным подтверждением вышеприведенного предположения относительно EN 1992-1-1: 2004 является то, что и в конце прошлого века, и в настоящее время в странах Евросоюза при производстве сварных товарных сеток и каркасов господствует применение холоднодеформированной волочением или прокаткой арматуры периодического профиля класса прочности 500 Н/мм2. Рассмотрим некоторые особенности производства последней.
При изготовлении и переработке холоднодеформированной арматуры класса В500С [21], которая поставляется, как правило, в мотках, подкат подвергается сложным неупругим деформациям: радиальному обжатию с уменьшением поперечного сечения при волочении и создании периодического профиля, деформациям изгиба при формировании мотка, диаметр которого не обеспечивает прямолинейность арматуры, и знакопеременного изгиба для улучшения пластических свойств арматуры и для обеспечения ее прямолинейности. Перечисленные неупругие деформации направлены перпендикулярно к продольной оси арматуры. Усилие растяжения при волочении подката соответствует, как правило, упругой работе и определяется величиной единичного обжатия, получаемого в результате протяжки через одну фильеру (монолитная волока) или один калибр (роликовая волока), либо величиной суммарного обжатия при протяжке через блок волок. В работе [1] показано, что при единичном обжатии в монолитной волоке, равном 25%, и неблагоприятных условиях волочения (без смазки) усилие протяжки проволоки из углеродистой стали не превышало ее условного предела упругости σ0,02 при растяжении. Исследованиями также установлено, что усилия волочения при использовании роликовой или монолитной волоки практически одинаковы [22].
При рассмотренных условиях холодной деформации в механически упрочненной арматуре не проявляется эффект Баушингера и изложенные ранее особенности поведения арматуры при упрочнении растяжением. Очевидно поэтому в
Еврокоде 2 [5] приняты одинаковые диаграммы состояния при растяжении и сжатии для холоднодеформированной арматуры.
Однако при изготовлении холоднодеформированной арматуры класса В500С по традиционной технологии при несоблюдении некоторых требований или в силу других причин возможна дополнительная вытяжка металла, которая изменяет диаграмму состояния арматуры при растяжении и сжатии. Так, некоторые линии оборудованы тянущим сдвоенным барабаном, применение которого предусматривает фиксированную величину деформации подката между первой и второй ступенями, что, в свою очередь, требует определенного диаметра заготовки. В противном случае возможна дополнительная вытяжка металла [23; 24].
По нашему мнению, также не целесообразно при производстве холоднодеформированной арматуры класса В500С на заключительном этапе осуществлять ее дополнительную вытяжку на 3-10% за счет того, что чистовой барабан протягивает заготовку одновременно через окалиноломатель, блок роликовых волок и многоплоскостное роликовое устройство [25; 26]. В этом случае изменение диаграммы состояния холоднодеформированной арматуры может привести к различию значений σ0,2 при растяжении и сжатии, а следовательно к ограничению эффективного применения в качестве рабочей арматуры при работе на сжатие.
В заключение рассмотрим предложение, имеющее косвенное отношение к рассматриваемому в настоящей статье вопросу. Для арматуры, поставляемой в мотках, с целью повышения точности определения условного предела текучести арматуры предложено перед испытанием образцов арматуры на растяжение до разрыва подвергать их растяжению усилием, обеспечивающим устранение кривизны образцов после снятия предварительной нагрузки [27]. Нельзя согласиться с утверждением авторов патента РФ №2368436, что способ правки криволинейных образцов может быть произвольным (не оговаривается в ТУ и стандартах). Правка образцов арматуры перед испытанием должна осуществляться в соответствии с ГОСТ 12004 /2/ и ГОСТ 7564 [28] усилием, направленным перпендикулярно продольной оси образца таким образом, чтобы правка не вызывала деформационного упрочнения, способного изменить механические свойства проката. Предварительное растяжение образца арматуры усилием, равным или превышающим условный предел текучести σ0,2, а иначе не будет устранена кривизна, приводит к изменению диаграммы состояния (нагрузка-деформация) образца по сравнению с исходным состоянием проката. В результате деформационного упрочнения и естественного старения значения условного предела текучести σ0,2 и временного сопротивления σв увеличились, а показатель пластических свойств δ5 – уменьшился, о чем свидетельствуют данные экспериментов, приведенные в [27]. Следует также ожидать, что характеристика прочностных свойств σ0,2 при сжатии выправленных таким образом образцов существенно, примерно на 30 – 40%, уменьшится. Следовательно, характеристики механических свойств поставляемого арматурного проката в мотках будут отличаться от результатов испытаний, полученных на предварительно вытянутых образцах и занесенных в документ о качестве партии. А это противоречит требованиям действующих
стандартов и технических условий, по которым этот арматурный прокат изготавливается и поставляется. Это может ввести потребителей в заблуждение относительно фактических механических свойств проката в состоянии поставки.
Потребитель арматуры вправе знать особенности технологии ее изготовления, влияющие на механические и потребительские свойства. Указанное право закреплено в некоторых зарубежных стандартах либо в безальтернативной форме (BS4449-2005 [29]), либо по требованию потребителя (DIN EN 10080 [30], pr EN 10080 [31]). В соответствии с ГОСТ 7566 в документ о качестве на партию арматуры помимо химсостава и марки стали, класса прочности и результатов испытаний по требованию потребителя могут быть включены сведения о режиме термической обработки [33]. По нашему мнению, для холоднодеформированной арматуры, если она упрочняется растягивающим усилием, по требованию потребителя в документе о качестве на партию должно быть приведено дополнительное сведение о величине вытяжки (относительное уменьшение площади поперечного сечения) при упрочняющем растяжении.
Изложенный материал позволил сделать следующие основные выводы.
1. Рассмотрены требования отечественных и зарубежных норм проектирования железобетонных конструкций к диаграмме состояния (деформирования) арматуры при растяжении и сжатии, объяснены причины, нарушающие условие одинаковости указанных диаграмм, подтвержденные результатами экспериментальных исследований. Показано, что независимо от способа изготовления арматуры (горячая прокатка, термомеханическое упрочнение, механическое упрочнение в холодном состоянии) ее холодное упрочнение растяжением с остаточной относительной деформацией от 0,2 до 4,5% при изготовлении или переработке приводит к изменению диаграмм деформирования при растяжении и сжатии, к уменьшению нормативного значения сопротивления сжатию на 30% и более, к ограничению области эффективного применения такой арматуры в качестве рабочей (расчетной) только растянутыми элементами железобетонных конструкций.
2. Для повышения надежности сжатых железобетонных элементов с холоднодеформированной рабочей арматурой, упрочненной растяжением с вытяжкой от 0,2 до 4,5%, расчетное значение сопротивления сжатию такой арматуры следует определять с коэффициентом условий работы γsc=0,45, если иное не подтверждено результатами экспериментальных исследований. При вытяжке свыше 4,5% величину коэффициента условий работы γsc следует уточнить проведением соответствующих экспериментальных исследований.
3. Объяснена недопустимость реализации предложения о предварительном выпрямлении образцов арматуры растяжением перед их контрольным испытанием на растяжение до разрыва, так как при этом изменяются механические свойства арматуры по сравнению с таковыми в состоянии поставки.
4. Обоснована необходимость указания в документе о качестве на партию арматуры дополнительного показателя – величины вытяжки для холоднодеформированной арматуры, упрочненной растяжением.
текст: И.Н. Тихонов, к. т. н.,
В.С. Гуменюк, к. т. н.
ОАО «НИЦ «Строительство»
НИИЖБ им. А.А. Гвоздева