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