CC BY
26Физико-механические и эксплуатационные свойства, экономическая эффективность применения высокопрочной арматурной стали класса Ат1200
см о
см ^
О!
о ш т
X
<
т О X X
Кауров Анатолий Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра «Промышленное и гражданское строительство» ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, [email protected]
Хардаев Петр Казакович
доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, [email protected]
Каурова Ольга Александровна
доктор экономических наук, профессор, ФГБОУ ВО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления, [email protected]
Инновационная арматурная сталь Ат1200 и на текущий момент остается наиболее высокопрочной в ряду отечественного стержневого арматурного проката. Крупномасштабное внедрение данной экономно-легированной стали марки 30ХГС2 и 30ХС2 в практику строительного проектирования позволит существенно повысить эффективность применения предварительно напряженного железобетона в различных отраслях строительства. Всестороннее исследование специфических и уникальных свойств данной стали, как необходимое условие для принципиальной возможности ее рационального использования в формате напрягаемой арматуры железобетонных конструкций, является основной целью настоящей работы. В соответствии с обозначенной целью установлены количественные параметры основных физико-механических и эксплуатационных свойств данного класса высокопрочной арматуры. При этом подробно изложены задействованные методики экспериментальных исследований как традиционные, так и специально разработанные и имеющие оригинальный характер. Представлены результаты изучения воздействия предварительного напряжения на прочностные и деформативные свойства, а также на трансформацию диаграммы условно-мгновенного пластического деформирования арматурной стали Ат1200. На примере исследуемого класса показана экономическая эффективность от применения преднапряженных несущих железобетонных конструкций на основе высокопрочных арматурных сталей, как следствие существенного снижения их металлоемкости при сохранении заданных параметров надежности. Ключевые слова: Арматурная сталь, физико-механические свойства, эксплуатационные свойства, предварительное напряжение, диаграмма условно-мгновенного пластического деформирования, железобетонные изгибаемые элементы, несущая способность, экономическая эффективность.
1. Введение
Кардинальным направлением технической политики в области строительства в условиях ресурсного дефицита является снижение его себестоимости при гарантированных показателях долговечности и надежности зданий и сооружений. Несомненно, к числу одного из эффективных подходов к реализации данного основополагающего принципа в строительной сфере относится дальнейшее совершенствование железобетонных конструкций, особенно с предварительным напряжением арматуры [1-8].
В свою очередь последующее развитие предварительно напряженного железобетона усматривается в применении инновационных конструктивных решений и исходных материалов, существенно снижающих материалоемкость (а значит и стоимость) конструкций при одновременном повышении их качества и конкурентоспособности, тем самым предопределяя эффективность строительства в целом.
В контексте этого особо важная роль отводится задаче увеличения удельного веса высокопрочного стержневого арматурного проката (с условным пределом текучести
0"о 2 =1000 Н/мм2 и выше) в общем объеме потребности
строительной отрасли в арматурной стали. Решение данной задачи позволит обеспечить действительное снижение металлоемкости железобетонных конструкций.
Инновационная арматурная сталь класса Ат1200 и на текущий момент остается наиболее высокопрочной в ряду отечественного стержневого арматурного проката. Технология производства в полном сортаменте термо-механически упрочненной арматуры Ат1200 из стали марок 30ХГС2 и 30ХС2 была отлажена на Западно-Сибирском ("ЕВРАЗ ЗСМК") и Криворожском ("Криво-рожсталь") металлургических комбинатах [14-17].
Прочностные и деформативные параметры данной стали характеризуются следующими значениями:
> 1200 Н/мм2; вре-
условный предел текучести 7,
0,2
менное сопротивление разрыву 7и > 1450 Н/мм2; среднестатистические значения относительного удлинения д5 = 12% и др = 4% .
Следует заметить, что наряду с высокими прочностными показателями стали Ат1200 присуща и достаточная пластичность, что представляется не маловажным фактором для особо ответственного строительства (в сейсмически опасных регионах, в высотном строительстве и мостостроении). Весомым аргументом в пользу данного заключения является то, что сталь, сочетающая высокую прочность и пластичность, способна поглощать и рассеивать при воздействии динамических нагрузок (сейсмических, ветровых и другой природы) значительную часть разрушительной энергии [9-13].
В силу приведенных доводов можно констатировать, что продвижение высокопрочной напрягаемой стали Ат1200 в сфере строительного проектирования как инновационного конструкционного материала, представ-
ляется сугубо актуальной задачей, решение которой будет способствовать достижению уровня лучших стандартов в области преднапряженного железобетона.
Всестороннее исследование специфических и уникальных свойств данной стали, как необходимое условие для аргументации принципиальной возможности ее рационального использования в формате напрягаемой арматуры железобетонных конструкций, является основной целью настоящей работы.
В этой связи, в рамках работ [14-17] проведены комплексные исследования физико-механических и эксплуатационных свойств арматурной стали Ат1200 как в исходном состоянии (в стадии поставки с металлургических комбинатов), так и после предварительного напряжения в доэксплуатационной стадии изготовления железобетонных изгибаемых элементов.
2. Методы и материалы исследований
2.1. Методика определения механических характеристик стали
Механические свойства стали Ат1200 определялись с использованием разрывной машины Р-100, предельное усилие которой составляет 1000 кН. Испытанию в статическом режиме подвергались исходные образцы стали длиной 600 мм.
По результатам испытаний на разрыв, выполненных согласно ГОСТ 12004-81, оценивались прочностные -
а0,02 ; °0,05; а0у а0,2 ; °0,5; °и и деформативные (пластические) - ; 35 ; др параметры. Помимо этого, определялись начальный модуль упругости Е и
а
параметр упругости Ц =- стали.
а0
е1_ 0,2
е," (рис. 3).
Другая методика носит в определенной степени косвенный характер, так как фиксирование величины релаксации напряжений осуществляется через ступенчатую ползучесть. Условие постоянства длины образцов в данном случае обеспечивается периодическим снижением уровня нагрузки. Суммарная величина "уменьшенной" таким образом нагрузки соответствует величине потерь напряжения от релаксации.
Оценка реологических свойств стали Ат1200 осуществлялась на примере стержней ds = 12 мм и проводилось на рычажных установках конструкции НИИЖБ, отличительной особенностью которых являлось вертикальное расположение испытуемых образцов. При испытании высокопрочной арматуры Ат1200 более крупных диаметров и при высоких уровнях преднапря-
жения (а р = 0,75 ■
,ир 0,2
ного усилия обжатия указанных установок обеспечить постоянную длину образцов не представлялось возможным, что могло привести к погрешности при количественной оценке реологических свойств стали.
Поэтому для стали Ат1200 больших диаметров была разработана оригинальная методика реологических испытаний, которые проводились на стадии
натяжения рабочей арматуры диаметром ds =25
мм в процессе изготовления опытных преднапряженных балочных элементов на специальном силовом стенде (рис. 1. а), обладающем достаточной жесткостью.
Измерение деформаций производилось с помощью индикаторных тензометров НИИЖБ. Для исключения возможной погрешности из-за начальной кривизны образцов деформации одновременно фиксировались по их диаметрально противоположным продольным ребрам. Конечным этапом в процессе определения механических характеристик арматурной стали являлось построение обобщенной диаграммы условно-мгновенного пластического деформирования (УМПД) при растяжении в координатах " а,
исследования реологических
2.2. Методика свойств стали
Основными реологическими параметрами арматурной стали являются релаксация напряжений и деформации ползучести. Вследствие сходства физико-механических основ этих явлений между ними прослеживается тесная взаимосвязь.
Релаксация напряжений
При изучении релаксации напряжений в арматурной стали используются, как правило, две традиционно устоявшиеся методики. Первая из них сводится к непосредственному, прямому измерению понижающихся с течением времени напряжений посредством жесткого динамометра повышенной точности. Обязательным условием реализации данной методики является обеспечение неизменности длины тестируемых образцов.
Рис. 1. Предварительное напряжение высокопрочной стали Ат1200:
а) силовой стенд для натяжения арматурной стали опытных балок;
б) фиксирование деформаций арматурной стали в процессе преднапряжения
X X О го А С.
X
го т
о
ю О
м
см
0
см ^
01
о ш т
X
<
т О X X
Данная методика сводится к построению двух диаграмм. Одна из них является диаграммой деформирования арматурного стержня от начала его натяжения на силовом стенде до бетонирования опытных балок. Эта диаграмма была получена с помощью установленных на напрягаемый арматурный стержень рычажно-индика-торных тензометров (рис.1. б). Вторая диаграмма представляет собой "упрочненную" под воздействием пред-напряжения диаграмму растяжения стали, построенную по результатам последующего испытания на разрыв образца, изъятого из этого стержня.
Величина релаксации напряжений 7ге1 определялась посредством наложения названных диаграмм ( рис. 2). В качестве узловых принимались:
- точка А - соответствует заданной величине пред-
напряжения 7р при фиксируемый величине деформаций ;
- точка В - тождественна величине преднапряжения с учетом потерь от релаксации 7ге1, постоянство длины
стержня при этом контролируется по значению 1;
- точка С - отвечает деформациям 2 после "дотягивания" стержня до исходного уровня 7р (перед бетонированием).
Диаграммы совмещаются через точку С. Искомое значение 7ге1, равное отрезку С^ вычислялось непосредственно графическим способом или аналитически из треугольника ВС^ как 7ге1 = ( 2 — х) • Е2.
напряжений, осуществлялась на примере стержней
d„ = 12
мм и проводилось на уже представленных ры-
Рис. 2. Определение потерь предварительного напряжения от релаксации стали Ат1200:
1 - диаграмма растяжения арматурного стержня при изготовлении опытной балки;
2 - "упрочненная" при воздействии преднапряжения диаграмма; 3 - исходная диаграмма
Деформации ползучести
Количественная оценка деформаций ползучести стали Ат1200, равно как и при изучении релаксации
чажных установках.
Испытания на ползучесть методологически в некоторой мере отличаются
от релаксационных испытаний, так как в данном случае нагрузка на испытуемый стержень создавалась постоянным грузом. Неизменное начальное напряжение в образце поддерживалось регулированием редуктора рычажной установки перед каждым снятием отсчета. Деформации ползучести регистрировались по показаниям индикаторов экстензометров.
2.3. Методика определения усталостной прочности стали
Проведенные усталостные испытания арматурной стали Ат1200 преследовали цель изучить ее поведения в условиях повторно переменного приложения нагрузки и экспериментально определить характеристики усталостной прочности. В качестве опытных образцов ис-
пользовались арматурные стержни диаметром
12
и 14 мм. Воздействие многократно повторяющихся нагрузок имитировалось пульсаторами ЭДЦ-20. В общей сложности произведено испытание нескольких серий опытных образцов длиной 750 мм в количестве не менее 15 стержней в серии.
Задаваемое испытательным оборудованием циклическое нагружение опытных образцов характеризуется следующими параметрами: максимальное статическое усилие - 200 кН; максимальное циклическое усилие - 120 кН; частота циклов -12 гЦ; точность назначения и поддержания нагрузки - 0,5 %; коэффициент асимметрии, как отношение попеременно возникающих минимальных 7 . и максимальных 7тх напряжений, р = 0,7 и 0,85.
В основу экспериментальных исследований сопротивления стали воздействию многократно повторяющихся нагрузок положена методика нисходящего нагру-жения. Следуя данной методике, часть опытных образцов испытывалась при нагрузках намеренно превышающих прогнозируемый предел выносливости. На последующих испытаниях нагрузка снижалась, число циклов до усталостного разрушения образцов возрастало и последовательно приближалось к базовой (зачетной) величине. База для определения предела выносливости стали принимается равной 2 • 106 циклов. В ко-
нечном итоге предел выносливости назначался по величине максимальных циклических нагрузок для образцов, которые выдержали без разрушения базовое число циклов нагружения.
2.4. Методика исследования низкотемпературной прочности
Исследование на хладостойкость стали Ат1200 сводилось к испытанию на растяжение образцов при температурах в интервале ? = + 20 ^ - 60° С. Одновременно, в целях сопоставления результатов, аналогичным низкотемпературным испытаниям были подвергнуты натурные образцы стали Ат1000, как наиболее близкой по классу прочности к исследуемой стали.
Образцы стали, длина которых составляла 600 мм, были представлены двумя типами: образцы в состоянии
поставки и образцы с острыми надрезами на продольном ребре, которые имитировали возможные механические дефекты арматуры на стадиях транспортировки и изготовления конструкций. Указанные надрезы выполнялись посредством вдавливания оттарированным усилием индентора, выполненного из твердого сплава. Острие индентора имело радиус скругления 0,1 мм. Глубина надрезов, которая принималась в зависимости от
диаметра образцов, составляла для ds = 10, 12 и 14
мм соответственно 0,33 — 0,40 мм; 0,4 — 0,5 мм и 0,4 — 0,55 мм. Принятая глубина назначалась из расчета, чтобы при разрыве образцов по надрезу при нормальной температуре не происходило снижения равномерного остаточного удлинение др .
В качестве испытательного оборудования использовалась разрывная установка, создающая максимально возможное усилие в 300 кН. Для создания отрицательных температур при прочностных испытаниях образцов данная установка оборудовалась специальной криока-мерой, функционирующей на хладогене, в роли которого выступал жидкий азот. В процессе испытаний устанавливались такие характеристики прочностных и де-формативных свойств стали, как предел временного сопротивления растяжению аи и относительные остаточные удлинения д5 и д р.
Доподлинно известно, что условный предел текучести а0 2 сталей при пониженных температурах повышается, поэтому а0 2 определяли только при нормальной температуре. К тому же, принималось во внимание, что достоверная оценка степени низкотемпературного
повышения а0 2 методически сложна и представляет
сугубо теоретический интерес, так как нормами проектирования учет данного эффекта не регламентируется.
Ранее проведенные в НИИЖБ исследования хла-достойкости близких по классу прочности сталей Ат800
и Ат1000 свидетельствуют, что отношение а0 ^аи в
указанном диапазоне температур практически не изменяется. Данное обстоятельство позволяет экстраполировать исходные значения а0 2 исследуемой стали
Ат1200 в зону отрицательных температур.
Практическим результатом проведенных низкотемпературных испытаний является назначение предельно допустимых отрицательных температур для конструкции на основе высокопрочной стали Ат1200 при различных условиях их эксплуатации.
2.5. Методика исследования коррозионной стойкости стали
При исследовании коррозионной стойкости стали Ат1200 применялась методика ускоренных испытаний под напряжением в кипящем нитратном растворе, имитирующим агрессивную коррозийную среду. В состав раствора входили следующие компоненты: 600 весовых
50 весовых
частей азотнокислого
кальция Са ( ЫО3 )2,
частей азотнокислого аммония КИАЫОъ и 350 весовых
частей воды. Стабильность температуры раствора у = 98 -н100 °С) поддерживалась электроконтактным термометром.
Экспериментальные образцы длиною 500 мм отбирались из арматурных стержней диаметром 10, 12, 14, 18 и 25 мм, в свою очередь отобранных от всех прокатанных опытных партий-плавок стали Ат1200 марок 30ХС2 и 30ХГС2.
В процессе коррозионных испытаний задействова-лись рычажные установки, которые позволяли создавать в образцах изгибные напряжения и обеспечивать постоянный во времени уровень краевых напряжений. Задавалось несколько уровней напряжения - исходный
уровень составлял 0,9 а0 ^ (~ 1100 Н/мм2), который в
дальнейшем снижался с шагом в 100 Н/мм2 .
В соответствии с нормативными требованиями за критерий склонности к коррозийному растрескиванию стали принимается интервал времени от начала нагру-жения до разрушения образца. Арматурная сталь может быть отнесена к категории коррозионностойкой при условии, что в процессе испытаний при напряжениях 0,9
а^ 2 время до разрушения образцов неизменно превышает 100 часов.
2.6. Методика испытаний на контактный электронагрев
Электротермическое натяжение арматуры при производстве предварительно напряженных конструкций, как альтернатива механическому способу, является менее трудоемким вариантом, не требующим дорогостоящего гидравлического оборудования. В силу этого изучение поведения стали Ат1200 при контактном электронагреве представляется весьма настоятельной потребностью.
Изменение механических свойства стали в результате контактного электронагрева устанавливалось путем сопоставления результатов испытания образцов на растяжение до и после электронагрева в холодном состоянии. Для испытаний использовались арматурные стержни длиной 6500 мм диаметром 12, 14 и 25 мм. От данных длинномерных стержней для определения механических свойств стали в исходном состоянии отбиралось по три образца длиной 500 мм и по два образца длиной 2500 мм для контактного электронагрева.
В качестве экспериментального оборудования при исследованиях данной направленности выступала установка контактного электронагрева конструкции НИИЖБ. Отличительной особенностью данной установки является оснащение пневматическими зажимами в местах контакта со стержнями, что позволяло обеспечивать усилие зажатия образцов в 12 кН и в то же время исключать поджог стали в контактах. До нужной температуры одновременно нагревались два опытных стержня длиной 2500 мм одного диаметра.
При изучении влияния контактного нагрева на механические свойства задавался следующий интервал температур: t = 100 — 900 °С для опытных образцов ds =
12 мм и t = 100 — 800 °С для образцов ds = 14 и 25
мм. Шаг изменения температуры в указанных интервалах составлял 100°С.
Трансформатор ТСД-1000, обеспечивающий силу тока в диапазоне 900-1200 А и напряжение в пределах
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю О
м
см
0
см ^
01
о ш т
X
3
<
т О X X
30-45 В, служил источником тока для нагрева. Точность температуры нагрева гарантировалась потенциометром марки ПП-63, оснащенного тонкими хромель-копелие-выми термопарами, которые зачеканивались в нагреваемый образец на глубину 2/3 его диаметра. Продолжительность электронагрева в зависимости от требуемой температуры нагрева задавалась равной Т = 1 ^ 5 минут.
От каждого из подвергнутых нагреву до заданной температуры стержней, отбирались образцы длиной 500 мм для последующего определения основных прочностных и деформативных параметров стали, а именно: сопротивление малым пластическим деформациям
<0 02 ; <0 05 ; <0 1; <0 5; условный предел текучести <0 2 ; предел временного сопротивление разрыву 7и ,
д
и модуль упругости
удлинения после разрыва д5 и Е . Испытания всех образцов
осуществлялось на разрывной машине Р-100.
Рекомендации по назначению оптимальной температуры контактного электронагрева стали Ат1200, при которой не наблюдается снижения ее прочностных свойств, являются практическим результатом проведенных экспериментальных исследований.
2.7. Методика определения свариваемости стали
При исследовании свариваемости арматурной стали Ат1200 использовалась два метода сварки: контактно-стыковая сварка, как наиболее распространенная в строительной практике, и ручная дуговая сварка, как альтернативный способ сварных соединений.
Сварные соединения при контактно-стыковой сварке выполнялись на сварочной машине МСМУ-150. Сварка выполнялась по трем режимам с целью выявления наиболее оптимального. Ниже приводятся параметры сварки, соответствующие установленному оптимальному режиму для каждого из задействованных в эксперименте диаметров арматуры Ат1200:
Диаметр арматурного стержня, мм 14 18
Установочная величина участка (□уст.), мм ................ 41 41
Длина участка оплавления (□опл.), мм 15 15
Протяженность участка осадки (□□□.), мм................. 13 15
Время осадки под током ( □□□), сек 0,04 + 0,06 0,08
Ступень сварочного трансформатора YII IX
В соответствии с принятыми требованиями термически упрочненная при прокатке арматурная сталь может быть отнесена к разряду свариваемой при условии, что временное сопротивление разрыву в зоне сварного
стыка будет составлять не менее 0,9 <0 2 .
В качестве альтернативы сварке можно в перспективе рассматривать соединение арматурных стержней стали Ат1200 немерной длины с помощью соединительных резьбовых муфт при прокатке стали данного класса в винтовом профиле.
3. Результаты и их обсуждение 3.1. Основные показатели физико-механических и эксплуатационных свойств стали Ат1200
Количественные параметры физико-механических и эксплуатационных свойств высокопрочной стали Ат1200 сведены в таблицу 1, указанные в ней показатели рекомендуются для включения в нормативные документы по проектированию железобетонных конструкций.
Таблица 1
Физико-механические и эксплуатационные свойства стали Ат1200
При ручной дуговой сварке сварные соединения выполнялись протяженными швами с накладками из арматурных стержней того же класса прочности.
Для оценки свариваемости осуществлялось сопоставление результатов испытаний на разрыв образцов стали со сварными стыками, выполненными по оптимальному режиму, и соответствующих им исходных цельных образцов. За критерий свариваемости принимается степень локального разупрочнения металла в зоне термического воздействия сварки.
№ п/п Показатели и критерии их определения Установленное (рекомендуемое) значение
1 2 3
1. Марка стали, регламентирующая химический состав 30ХС2; 30 ХГС2
2. Прочностные характеристики стали, по результатам испытания на растяжение согласно ГОСТ 12004-81:
2.1. Предел временного сопротивления разрыву <и не менее 1450 Н/мм2
2.2. Условный предел текучести <0,2 не менее 1200 Н/мм2
2.3. Условный предел упругости <0, 02 не менее 0,85 <0 2
3. Деформативные характеристики стали, по результатам испытания на растяжение согласно ГОСТ 12004-81:
3.1. Относительное равномерное удлинение др не менее 2%
3.2. Относительное удлинение д5 не менее 6%
3.3. Начальный модуль упругости Е,, 2 х 105 Н/мм2
4. Нормативное сопротивление и расчетное сопротивление для 11-ой группы предельных состояний Я, ,ег 1200 Н/мм2
5. Расчетное сопротивление для предельных состояний 1-ой группы для: - растянутой продольной арматуры Я, 1000 Н/мм2 785 Н/мм2 500 Н/мм2
- растянутой поперечной арматУРы - сжатой арматуры
6. Релаксация напряжений. Величина падения напряжения, фиксируемое по прошествии 1000 час. нагружения опытных образцов. Начальное усилие задается равным 70% от нормируемого значения временного сопротивления аи не более 4%
7. Усталостная прочность. Прокат признается соответствующим требованиям выносливости по числу циклов повторно переменного приложения нагрузки до разрушения опытных образцов. Максимальная циклическая нагрузка соответствует 70% нормируемого значения временного сопротивления аи . Интервал напряжений составляет 195 Н/мм2 не менее 2 млн. циклов
8. Испытание на изгиб с разгибом. 45 град. 5 ^
Испытание осуществляется по схеме: изгиб опытных образцов до заданного угла; нагрев до требуемой температуры; охлаждение на спокойном воздухе и разгиб в обратном направлении. Принятые при испытании: - угол изгиба ; - диаметр оправки при изгибе
9. Оптимальная температура кон- 450 □
тактного электронагрева. Температура, при которой не происходит снижения прочностных показателей стали
10. Предельно допустимая температура длительного (печного) нагрева 300 □
11. Низкотемпературная прочность - 55 □ - 40 □
(хладостойкость) Предельная отрицательная температура для конструкций эксплуатируемых: - при статических нагрузках; - в регионах с высокой сейсмичностью и при воздействии динамических и многократно повторяющихся (циклических) нагрузках
12. Коррзионная стойкость. Интервал времени от начала испытаний в кипящих нитратах при напряжениях 0,9 а0 2 до разрушения от коррозионного растрескивания должен неизменно составлять не менее 100 час. Для стали Ат1200 рекомендуется применять следующие ограничения: - запрещается использование в агрессивных средах в преднапряженных конструкциях 3-ей категории трещиностойкости; - допускается использование в слабо агрессивных средах в конструкциях 2-ой категории тре-
щиностойкости с трещинами ограниченной ширины раскрытия - а , < 0,05 мм сгс,1 '
13. Свариваемость В соответствии с принятыми требованиями термически упрочненная при прокатке арматурная сталь может быть отнесена к разряду свариваемой при условии, что временное сопротивление разрыву в зоне сварного стыка будет составлять не менее 90% прочности основного металла (т.е 0,9 sup Ou ~ 1300 Н/мм2 для стали Ат1200). Арматура Ат1200 из стали принятых марок при контактном электронагреве до 1000 □ существенно разупрочняется в зоне термического воздействия сварки. При оптимальном режиме контактно-стыковой сварки прочность сварных соединений гарантируется только на уровне прочности класса Ат800 (а = и 1000 Н/мм2). Сталь Ат1200 следует сваривать встык ручной дуговой сваркой протяженными швами с накладками длиной 10-12 ds и вкрест при контактной точечной и ручной дуговой сварке.
3.2. Диаграмма растяжения стали Ат1200
Обобщенная, для класса в целом, среднестатистическая диаграмма растяжения высокопрочной стали Ат1200, полученная по результатам статистической обработки показателей ее механических свойств по всему
рациональному сортаменту (ds = 10 — 25 мм) всех опытных партий, представлена на рис. 3. Данная исходная (до преднапряжения) диаграмма " а, — е," харак-
а 0 2
теризуется следующими соотношениями —' = 0,775;
а и
° 0, 2 _ „„„„ м _ ° el
— ' = 0,899 и параметром упругости = =-
а 0, 5 а 0,2
Следует заметить, что диаграммы для стержней отдельных диаметров по своему характеру несколько разнятся, что является следствием выявленного при прокатке влияния масштабного фактора на механические свойства стали. При этом отклонения основных параметров диаграммы (а0 02; а0 2; а0 5; аи; др и Е,)
для разных диаметров прослеживаются как в меньшую, так и в большую сторону, но всегда в пределах допустимых величин. Вследствие этого частные недостатки отдельных диаграмм разных диаметров стали нейтрализуются в обобщенной для класса Ат1200 среднестатистической диаграмме.
"Упрочненную" в результате предварительного
напряжения диаграмму при уровне а ^ ~ 0,95 а0"р демонстрирует рис. 4. Как видно из представленных рисунков, предварительное напряжение приводит к замет-
см
0
см ^
01
о ш т
X
3
<
т О X X
ному повышению сопротивление стали малым пластическим деформациям <^ , что в свою очередь обусловливает соответствующую трансформацию диаграммы УМПД.
Выбираемые при натяжении стали пластические деформации предопределяют повышение ее прочностных
свойств, в том числе условного предела текучести <0 2
, а значит и расчетного сопротивления стали Я,. Основываясь на этом факте, обосновано и экспериментально подтверждено [16,17], что преднапряжение <
рабочей арматуры Ат1200 до уровней <
„ „Г- —Яир
и 0,95 <0 2 приводит к повышению прочности изгибаемых элементов по нормальным сечениям. Именно изменение диаграммы растяжения стали является ключевым фактором, определяющим указанное воздействие пред-напряжения на несущую способность изгибаемых элементов.
0,0 1,о 2,0
3,0 4,0
5,0
Рис. 3. Исходная среднестатистическая диаграмма для класса Ат1200 в целом: 1 - опытная кривая; 2 - расчетная(аппрокси-мированная)кривая
Н/мм'
1200
1000
0,55; 0,75
0$% Н/мм
0,0 0,2
Рис.4. Трансформация исходной диаграммы стали Ат1200 при преднапряжении:
1 - исходная диаграмма; 2 - «упрочненная» диаграмма
3.3. Экономическая эффективность применения стали Ат1200
Экономическая эффективность от применения стали Ат1200 носит мультипликативный характер, так как достигается как на металлургических предприятиях при ее прокатке, так и в строительной отрасли при использовании в преднапряженном железобетоне.
Экономический эффект в черной металлургии при прокатке термомеханически упрочненной и экономноле-гированной стали Ат1200 является следствием снижения расхода дефицитных легирующих добавок. Высокие прочностные и пластические свойства гарантируются не только за счет легирования стали, а также обеспечиваются посредством термической обработки непосредственно в потоке прокатного стана. Тем самым исключается дополнительная технологическая операция по повторному (после прокатки) нагреву стали под закалку и отпуск.
Наибольший экономический эффект проявляется в строительной индустрии, как генеральном потребителе арматурного проката. Эффективность при этом обусловлена значимой экономией металла при использовании в преднапряженных конструкциях высокопрочной стали Ат1200 взамен арматуры более низких классов прочности. Экономические расчеты [17] свидетельствуют, что при гарантированных значениях расчетных сопротивлений стали Ат1200 экономия металла от ее применения взамен классов Ат1000 и Ат800 соответственно составит около 21% и 44%. С учетом фактического использования повышенного расчетного сопротивления примерно на 70% (при эксплуатационном уровне нагрузки) данные экономические параметры будут находиться на уровне 14% и 31% .
Учет же экспериментально установленного и поддающегося достоверной расчетной оценке эффекта повышения прочности преднапряженных изгибаемых эле-
ментов по нормальным сечениям при внедрении в расчетный аппарат "упрочненных" диаграмм деформирования арматурной стали Ат1200 [16,17] предоставляет возможность дополнительного снижения металлоемкости железобетонных конструкций при сохранении заданных параметров надежности.
4. Выводы
Всестороннее изучение физико-механических и эксплуатационных свойств высокопрочной арматурной стали Ат1200, а также результаты исследований воздействия преднапряжения на трансформацию ее диаграммы растяжения с последующим повышением несущей способности изгибаемых элементов, позволяют констатировать принципиальную возможность и экономическую целесообразность применения данного инновационного материала в качестве напрягаемой арматуры железобетонных конструкций.
Литература
1. Звездов А.И., Mихайлов К.В., Волков Ю.С. Предварительно напряженный железобетон: состояние и перспективы развития // Бетон и железобетон. 2GGG. № S (SG6). С. 2 - 4.
2. Mадатян С.А. Основы применения в железобетоне высокопрочной стальной арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2G13. № 1. С. 17 - 2G.
3. Mадатян С.А. Общие тенденции производства и применения обычной и напрягаемой арматуры // Бетон и железобетон. 1997. № 1. С. 2-S.
4. Тамразян А.Г. Бетон и железобетон - взгляд в будущее // Вестник MГСУ, 2G14. №4. С.181-189.
Тихонов И.Н. Разработка, производство и внедрение инновационных видов арматурного проката для строительства // Строительные материалы. 2G19. № 9. С. 67-7S. DOI: https // doi. org/10.31659/0585-430X-2019-774-9-67-7S.
6. Тихонов И.Н., Блажко В.П., Тихонов Г.И., Казарян
B.А., Краковский M^., Цыба О.О. Инновационные решения для эффективного армирования железобетонных конструкций // Жилищное строительство. 2G18. № 8. С. S-m
7. Тихонов И.Н., Mешков В.З., Расторгуев Б.С. Проектирование армирования железобетона. M.: Изд-во Центрального института типового проектирования (ЦИТП), 2G1S. 273 с.
8. Звездов А.И., Снимщиков С.В., Харитонов В.А., Суриков И.Н. Проблемы и пути развития современного железобетона // Бетон и железобетон. 2G1S. № 4 (S9S). С.
2 - е.
9. Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Mадатян
C.А., Ивченко А.В. Высокопрочная арматурная сталь. M.: Mеталлургия, 1986. 272 с.
Ю. Mадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. M.: Воентехлит, 2GGG. 2S6 с.
11. Mадатян С.А. Технология натяжения арматуры и несущая способность железобетонных конструкций. M.: Стройиздат, 198G. 196 с.
12. Hema Jayaseelan, Bruce W. Russel. Reducing cambers and prestress losses by including fully tensioned top prestressing strands and mild reinforcing steel. Journal of the Precast Prestressed Concrete Institute (PCI Journal), May-Iune 2G19, vol. 64, number 3, pp. 29-46.
13. Stephen J. Seguirant, Richard Brice, Bijan Khaleghi. Making sense of minimum flexural reinforcement requirements for reinforced concrete members. Journal of
the Precast Prestressed Concrete Institute (PCI Journal), 2010, vol.55, number 3, pp. 64-85.
14. Кауров А.И. К методике экспериментального исследования деформативности изгибаемых железобетонных элементов с высокопрочной арматурной сталью класса Ат1200 [Электронный ресурс] // Образование и наука: Сборник статей национальной научно-практической конференции (г. Улан-Удэ, 13-17 апреля 2020 г.). -Улан-Удэ: Изд-во Бурятского государственного университета, 2020. С.38-53 DOI 10.18101/978-5-9793-1496-938-52.URL:httm: //www.esstu.ru/
uportal/document/list?departmentld=338&categoryld=5 267.
15. Кауров А.И. Влияние предварительного напряжения высокопрочной термомеханически упрочненной арматурной стали класса Ат1200 на прочность наклонных сечений изгибаемых элементов [Электронный ресурс] // Образование и наука: материалы Национальной конференции (г. Улан-Удэ, 15-23 апреля 2019 г.). - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2019. С.93-104. URL: httm: //www.esstu.ru/uportal/document/ download.htm?documentld=23010.
16. Кауров А.И., Аюшеев Т.В. Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с учетом влияния эффекта упрочнения напрягаемой арматурной стали // Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, 2018. № 2 (69). С. 94-100.
17. Кауров А.И. Влияние предварительного напряжения высокопрочной арматурной стали класса Ат1200 (Ат-YII) на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов: дисс..... канд.
тех. наук: 05.23.01 / Кауров Анатолий Иванович. - Улан-Удэ, 2017. 324 с.
Physical and mechanical and operational properties,economic efficiency of the use of high-strength reinforcing steel of class At1200
JEL classification: L61, L74, R53 Kaurov A.I., Hardaev P.K., Kaurova O.A.
East Siberia State University of Technology and Management The innovative reinforcing steel At1200 and at the moment remains the most high-strength in the series of domestic reinforcing bars. The large-scale introduction of this economically alloyed steel of the 30ХГС2 and 30ХС2 grades into the practice of construction design will significantly increase the efficiency of using prestressed reinforced concrete in various sectors of construction. A comprehensive study of the specific and unique properties of this steel, as a necessary condition for the fundamental possibility of its rational use in the format of prestressing reinforcement of reinforced concrete structures, is the main goal of this work. In accordance with the designated goal, quantitative parameters of the main physical, mechanical and operational properties of this class of high-strength reinforcement have been established. At the same time, the involved experimental research methods are described in detail, both traditional and specially developed and having an original character. The results of studying the effect of prestressing on the strength and deformation properties, as well as on the transformation of the diagram of conditionally instantaneous plastic deformation of reinforcing steel At1200 are presented. Using the example of the class under study, economic efficiency is shown from the use of prestressed carriers of reinforced concrete structures based on high-strength reinforcement steels, as a consequence of a significant reduction in their metal consumption while maintaining the specified reliability parameters. Keywords: reinforcing steel, physical and mechanical properties, operational properties, preliminary strain, conditional instantaneous plastic deformation diagram, reinforced concrete bending elements, bearing capacity, economic efficiency References
1. Zvezdov A.I., Mikhajlov K.V., Volkov Yu.S. Prestressed reinforced
concrete: state and development prospects. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete]. 2000. no 5 (506). pp. 2 - 4. (in Russ.).
2. Madatyan S.A. Basics of application in reinforced concrete of high-strength
steel reinforcement. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and civil engineering]. 2013. no 1. pp. 17 - 20.
X X О го A С.
X
го m
о
ю
2 О
to
3. Madatyan S.A. General trends in the production and use of conventional
and prestressed fittings. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete]. 1997. no 1. pp. 2 - 5. (in Russ.).
4. Tamrazyan A.G. Concrete and reinforced concrete - a look into the future.
Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta (Vestnik MGSU) [Vestnik MGSU]. 2014. no 4. pp.181-189. (in Russ.).
5. Tihonov I.N. Development, production and implementation of innovative
types of reinforcing steel for construction. Stroitel'nye materialy [Construction Materials ]. 2019. no 9. pp.67-75.DOI: https // doi. org/ 10.31659/ 0585-430X-2019-774-9-67-75. (in Russ.)
6. Tihonov I.N., Blazhko V.P., Tikhonov G.I., Kazaryan V.A., Krakovskij M.V.,
Cyba O.O. Innovative solutions for the effective reinforcement of reinforced concrete structures. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction ]. 2018. no 8. pp. 5 - 10. (in Russ.).
7. Tihonov I.N., Meshkov V.Z., Rastorguev B.S. Designing of reinforcement
of concrete. Moscow: Publishing House of the Central Institute for Typical Design (CITP), 2015. 273 p. (in Russ.).
8. Zvezdov A.I., Snimshchikov S.V., Kharitonov V.A., Surikov I.N. Problems
and development paths of modern reinforced concrete. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete]. 2015. no 4(595). pp. 2-8. (in Russ.).
9. Kugushin A.A., Uzlov I.G., Kalmykov V.V., Madatyan S.A., Ivchenko A.V.
High Strength Reinforcing Steel. Moscow: Metallurgy, 1986. 272 p. (in Russ.).
10. Madatyan S.A. Reinforcement of concrete structures. Moscow: Voentekhlit, 2000. 256 p. (in Russ.).
11. Madatyan S.A. Reinforcement tension technology and bearing capacity of reinforced concrete structures. Moscow: Strojizdat, 1980. 196 p. (in Russ.).
12. Hema Jayaseelan, Bruce W. Russel. Reducing cambers and prestress losses by including fully tensioned top prestressing strands and mild reinforcing steel. Journal of the Precast Prestressed Concrete Institute (PCI Journal), May-Iune 2019, vol. 64, no 3, pp. 29-46.
13. Stephen J. Seguirant, Richard Brice, Bijan Khaleghi. Making sense of minimum flexural reinforcement requirements for reinforced concrete members. Journal of the Precast Prestressed Concrete Institute (PCI Journal), 2010, vol.55, no 3, pp. 64-85.
14. Kaurov A.I. To the method of experimental study of deformativity of bended reinforced concrete elements with high-strength reinforced steel of At1200 class. Obrazovanie i nauka: sbornik statej nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii = Education and Science: Collection of articles of National Scietific and Practical Conference (Ulan-Ude, April 13-17, 2020). Ulan-Ude: Buryat State University Publishing Department. 2020. pp. 38-53. DOI 10.18101/978-5-9793-1496-9-38-52. Available from: httm: //www.esstu.ru/uportal/document/list?departmentld=338&categoryld=52 67. (in Russ.).
15. Kaurov A.I. Influence of prestressing of high-strength thermomechanically
hardened reinforcing steel of class At1200 on the strength of inclined sections of bent elements. Obrazovanie i nauka: materialy Nacional'noj konferencii = Education and Science: Proceedings of the National Conference (Ulan-Ude, April 15-23, 2019). Ulan-Ude: Publishing House of the East Siberian State University of Technology and Managemen. (ESSUTM). 2010. pp.93-104. Available from: httm://www.esstu.ru/uportal/document/download.htm?documentld=230 10. (in Russ.).
16. Kaurov A.I., Ayusheev T.V. Calculation of the strength of normal sections of flexible concrete elements taking into account the influence of the hardening effect of prestressing reinforcing steel. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta tekhnologij i upravleniya (VSGUTU) [Bulletin of the East Siberian State University of Technology and Management (ESSUTM)]. 2018. no 2 (69). pp. 94-100. (in Russ.).
17. Kaurov A.I. Influence of prestressing of high-strength reinforcing steel of class At1200 (At-YII) on the stress-deformed state of bending reinforced concrete elements: The dissertation of a candidate of technical sciences: 05.23.01/ Kaurov Anatolij I. Ulan-Ude, 2017. 324 p. (in Russ.).
CN
0 CN
^t
01
O HI
m x
3
<
m o x
X
