Stal zbrojeniowa

XVII OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJIUstroń, 20 ÷ 23 lutego 2002 r.

Bogdan Garbarz

STAL ZBROJENIOWA

1. Wstęp

Stal zbrojeniowa wytwarzana jest przez huty i zakłady przetwórstwa hutniczego wpostaci prętów (tj. odcinków prostych) gładkich i żebrowanych, walcówki i drutu w kręgachz powierzchnią gładką lub żebrowaną oraz jako siatki zgrzewane maszynowo z prętów lub zodcinków drutów. Wyspecjalizowane zakłady przetwórstwa wykonują równieżznormalizowane płaskie i przestrzenne konstrukcje zbrojeniowe. Niniejsze opracowanie dotyczy głównie tzw. zwykłych stali do zbrojenia konstrukcjiżelbetowych, to znaczy stali niestopowych i niskostopowych o nominalnej granicyplastyczności do 500 MPa oraz – w mniejszym zakresie – stali o podwyższonej odpornościna korozję i na działanie wysokich temperatur. Stale do zbrojenia konstrukcji sprężonych sątematem oddzielnego opracowania. Postęp w technologii wytwarzania wyrobów stalowych do zbrojenia betonu byłukierunkowany w minionych kilkunastu latach na uzyskanie zwiększonej wytrzymałości igranicy plastyczności, przy jednocześnie dobrej plastyczności i spajalności. Rozwójtechnologii walcowania i przetwórstwa hutniczego pozwala obecnie na uzyskiwanieżądanego kształtu i wymiarów wyrobów hutniczych z dużą dokładnością. Tradycyjna technologia wytwarzania prętów lub walcówki do zbrojenia betonu, polegana walcowaniu na gorąco i naturalnym chłodzeniu w powietrzu po walcowaniu.Uzyskanie wysokiej granicy plastyczności prętów możliwe jest przez zastosowanie jednej znastępujących technologii:− obróbka cieplna bezpośrednio po walcowaniu (przyspieszone chłodzenie), realizowana

z zastosowaniem jednej z następujących odmian umacniania cieplnego: TEMPCORE,QTB, THERMEX, TORSID lub TERMOCOIL;

− walcowanie z regulowaną temperaturą prętów ze stali mikrostopowych, np. zmikrododatkiem wanadu lub wanadu i niobu;

− umacnianie na zimno prętów poprzez skręcanie, rozciąganie i/lub nagniatanieużebrowania.

2. Charakterystyka grup gatunkowych stali zbrojeniowych

2.1. Stale niestopowe i niskostopowe stosowane bez dodatkowej obróbki

Gatunki stali niestopowych i niskostopowych stosowanych bez dodatkowej obróbki, ujęte sąw normie PN-89/H-84023/06 „Stal do zbrojenia betonu. Gatunki”. Dla gatunków tej grupystali wykazujących dobrą spajalność, określoną wartością równoważnika węgla CEobliczonego według wzoru (1) mniejszą niż 0,50, najwyższa możliwa do uzyskania wartośćgranicy plastyczności Re wynosi ok. 360 MPa.

15)Cu%Ni(%

5)V%Mo%Cr(%

6)Mn(%)C(%CE

++++++= (1)

gdzie zawartości poszczególnych pierwiastków podano w procentach masowych. Najczęściej stosowanym gatunkiem stali spełniającym warunek CE<0,50 orazRemin = 355 MPa jest 18G2-b. Dalsze podwyższanie granicy plastyczności można uzyskaćpoprzez zwiększenie zawartości węgla i pierwiastków stopowych, co jednak powodujeobniżenie plastyczności i pogorszenie spajalności. Przykładem jest często stosowanygatunek 34GS, o granicy plastyczności Remin = 410 MPa oraz dopuszczalnymrównoważniku węgla CE do max 0,59.

2.2. Stale mikrostopowe o podwyższonej granicy plastyczności

Podwyższenie granicy plastyczności, przy mniejszym wzroście równoważnika CE niż wprzypadku stali niskostopowych takich jak 34GS, można uzyskać metodą regulowanegowalcowania stali o zawartości węgla nie przekraczającej 0,20 % z mikrododatkamipierwiastków o silnym powinowactwie do węgla i azotu, takich jak wanad i niob.Regulowane walcowanie polega głównie na ustaleniu i dotrzymaniu obniżonej w stosunkudo standardowej technologii temperatury ostatnich przepustów. Zawartości mikrododatkówstopowych nie przewyższają zazwyczaj 0,2 %. Zastosowanie tej technologii pozwalaotrzymać granicę plastyczności na poziomie 500 MPa, przy dobrej plastyczności irównoważniku węgla CE poniżej 0,50. Gatunkiem stali pozwalającym uzyskać zbliżone własności do podanych powyżej, jest20G2VY-b z normy PN-89/H-84023/06. Przykładem nowoczesnej stali o wysokiej granicy plastyczności (powyżej 500 MPa) orazdobrej plastyczności i spajalności (CE < 0,48) jest gatunek 16GV [1].

2.3. Stale umacniane cieplnie o wysokiej granicy plastyczności

Umacnianie cieplne jest obróbką cieplną bezpośrednio po walcowaniu na gorąco, polegającąna intensywnym, krótkotrwałym chłodzeniu powierzchni prętów po ich wyjściu z liniiwalcowania. Podwyższenie własności mechanicznych prętów uzyskuje się w wynikuzahartowania i samoodpuszczenia zewnętrznej warstwy pręta i rozdrobnienia strukturyferrytyczno-perlitycznej w strefie środkowej pręta [2]. Na przekroju poprzecznym prętówumocnionych cieplnie występuje układ trzech stref (taki jak na rys. 1), a mianowicie :

∗ zewnętrzna warstwa samoodpuszczonego martenzytu (rys. 2a),∗ przejściowa warstwa struktury bainitycznej i mieszanej (rys. 2b),

∗ środkowa strefa ferrytyczno-perlityczna (rys. 2c).Pręty charakteryzują się równomiernym rozkładem wymienionych stref na całym obwodzie.Wyniki pomiaru głębokości zahartowania i twardości (przykłady na rys. 3) wykazały, żepręty o tej samej średnicy posiadają zbliżoną grubość i twardość poszczególnych warstw[3]. Technologia umacniania cieplnego pozwala na uzyskanie bardzo korzystnego zestawuwłasności prętów do zbrojenia betonu: wysokiej granicy plastyczności (powyżej 500 MPa),dobrej plastyczności i bardzo dobrej spajalności (CE < 0,50, a w praktyce < 0,40).

Struktury bainityczne

Struktura ferrytyczno - perlityczna

Odpuszczony martenzyt

Przekrój poprzeczny pręta

Rys. 1. Schemat stref mikrostrukturalnych wytworzonych w prętach umocnionych cieplnie.

Powiększenie 800x

Rys. 2a. Mikrostruktura samoodpuszczonego martenzytu wytworzona w zewnętrznej strefiepręta umocnionego cieplnie.

Pow

ierz

chni

a pręt

a

Powiększenie 500x

Rys. 2b. Mikrostruktura bainityczna wytworzona w pośredniej strefie prętaumocnionego cieplnie.

Powiększenie 800x

Rys. 2c. Mikrostruktura drobnoziarnista ferrytyczno-perlityczna wytworzonaw środkowej strefie pręta umocnionego cieplnie.

Rys. 3. Przykładowe wyniki pomiarów twardości wzdłuż średnicy na przekrojupoprzecznym prętów umocnionych cieplnie [ 3 ].

0

50

100

150

200

250

300

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5

Odległość od powierzchni, mm

Twar

dość

, HV1

0

50

100

150

200

250

300

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 12,5 13,0


Twar

dość

, HV1

Pręt φ 28 mm

Pręt φ 16 mm

0

50

100

150

200

250

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5


Twar

dość

, HV1

Pręt φ 10 mm

2.4. Stale umocnione na zimno

Odkształcanie stali na zimno poprzez ciągnienie, skręcanie lub walcowanie, powodujewzrost granicy plastyczności zależny od wielkości odkształcenia i składu chemicznegozastosowanej stali. Z zastosowaniem tej technologii wytwarza się druty ciągnione oraz prętygładkie i żebrowane o średnicach nie przekraczających 16 mm, a w praktyce o średnicachmniejszych od 12 mm. Do umacniania na zimno stosuje się niestopowe stale niskowęglowe,np. St3S. Metodą odkształcania na zimno można uzyskać wysoką wartość granicyplastyczności i wytrzymałość, jednak kosztem obniżonej plastyczności. Dla granicyplastyczności Re min = 500 MPa, osiągane wydłużenie względne A10min wynosi 8%.

2.5. Pręty o specjalnych właściwościach do zbrojenia betonu

Do prętów o specjalnych właściwościach użytkowych zalicza się m. in. pręty do zbrojeniabetonu o zwiększonej odporności na korozję i pręty o podwyższonej odporności na działaniewysokich temperatur.Podwyższoną odporność na korozyjne działanie środowiska można uzyskać przezcynkowanie prętów [4] lub zastosowanie stali z dodatkiem chromu (w granicach0,45÷0,80%Cr) i miedzi (w granicach 0,25÷0,50% Cu) [5]. Stal z dodatkami Cr i Cucharakteryzuje się gorszą spawalnością ze względu na podwyższony równoważnik węglaCE. W środowiskach silnie korozyjnych (np. w konstrukcjach nadmorskich i niektórychdrogowych) coraz częściej stosowane są stale odporne na korozję wysokostopowe o dobrejspawalności, np. typu 19%Cr+9,5%Ni (gatunek 304 wg ASTM) [6].Podwyższoną odporność na działanie wysokich temperatur do 600 ÷ 650°C, wykazują prętyze stali mikrostopowych, np. zawierające mikrododatek wanadu (ok. 0,1% V) [7] lubmolibdenu (w ilości ok. 0,5% Mo) i mikrododatek niobu (ok. 0,03% Nb) [8].Omówione pręty o specjalnych właściwościach nie są objęte normami na stale zbrojeniowepowszechnego zastosowania.

3. Obowiązujące w Polsce normy na stal zbrojeniową

Obecnie w Polsce własności prętów i walcówki do zbrojenia betonu określone są normamiPN-82/H-93215 : „Walcówka i pręty stalowe do zbrojenia betonu” oraz wprowadzoną w1999 roku normą PN-ISO 6935 : „Stal do zbrojenia betonu”, część 1 - Pręty gładkie i część2 - Pręty żebrowane. Do obydwu części dołączono „Dodatkowe wymagania stosowane wkraju”.Norma PN-82/H-93215 obejmuje asortyment walcówki i prętów gładkich i żebrowanych wpięciu klasach :− w klasie A-0, Remin 220 MPa;− w klasie A-I, Remin 240 MPa;− w klasie A-II, Remin 355 MPa;− w klasie A-III, Remin 410 MPa;− w klasie A-IIIN, Remin 490 MPa.Każdej klasie prętów przypisany jest konkretny gatunek stali. Wymagany skład chemicznytych gatunków podaje norma PN-89/H-84023/06.

Nowa norma PN-ISO 6935 jest tłumaczeniem dwóch arkuszy międzynarodowej normy ISO6935 : 1991. Trzeci arkusz normy ISO 6935 : „Zgrzewane maty zbrojeniowe”, nie zostałwłączony do normy PN-ISO 6935.Norma PN-ISO 6935-1 : „Stal do zbrojenia betonu. Pręty gładkie” obejmuje dwa gatunkistali w stanie walcowanym na gorąco bez dalszej obróbki, w postaci prętów lub kręgów:

PB 240 o wymaganej granicy plastyczności Re = 240 MPa i wydłużeniuwzględnym A5 = 20%,

PB 300 o wymaganej granicy plastyczności Re = 300 MPa i wydłużeniuwzględnym A5 = 16%.

W normie PN-ISO 6935-1 określono również wymagania co do wymiarów, masy,podatności do zginania, składu chemicznego, ale tylko w odniesieniu do siarki i fosforu(maksymalna dopuszczalna zawartość określona została na 0,060%). Nie określononatomiast wymagań w odniesieniu do przydatności do spajania.Norma PN-ISO 6035-2 : „Stal do zbrojenia betonu. Pręty żebrowane” obejmuje pięćgatunków stali w postaci prętów lub kręgów. Składy chemiczne i podstawowe własnościmechaniczne tych gatunków podano w tablicach 1 i 2. Gatunki oznaczone literą W sąspawalne z zastosowaniem standardowych technologii spawania. Na oznaczenierównoważnika węgla zastosowano symbol Ceq (w normie PN-82/H-93215 równoważnikwęgla oznaczono CE).

Tablica 1. Skład chemiczny – wartości maksymalne w % masy(Wg normy PN-ISO 6935-2)

Gatunekstali C1) Si Mn P S N2) Ceq

4)

RB 300RB 400RB 500

- - - 0,060(0,070)

0,060(0,070) - -

RB 400WRB 500W

0,22(0,24)3)

0,60(0,65)

1,60(1,70)

0,050(0,055)

0,050(0,055)

0,012(0,013)

0,50(0,52)

1) W przypadku gatunków RB 400W i RB 500W, dla prętów o średnicach większych niż32 mm, maksymalna zawartość węgla wynosi 0,25% (0,27%), a maksymalna wartośćrównoważnika węgla (Ceq) wynosi 0,55% (0,57%).

2) Dopuszcza się wyższą zawartość azotu gdy zawartość pierwiastków wiążących azotjest wystarczająca.3) Wartości w nawiasach odnoszą się do analizy kontrolnej wyrobu4) Ceq= %C + %Mn/6 + (%Cr + % V + %Mo)/5 + (%Cu + %Ni)/15

Tablica 2. Wymagane wartości charakterystyczne górnej granicy plastyczności,wytrzymałości na rozciąganie i względnego wydłużenia próbki po zerwaniu.

(Wg normy PN-ISO 6935-2)

Gatunek staliGórna granicaplastyczności

ReH, MPa

Wytrzymałość narozciąganie

Rm, MPa

Wydłużeniewzględne

A5, %

RB 300 300 330 16

RB 400RB 400W 400 440 14

RB 500RB 500W 500 550 14

Rm/Re > 1,05Wydłużenie całkowite przy maksymalnym obciążeniu Agt > 2,5 %

Norma PN-ISO 6935 ma zastosowanie do prętów lub walcówki po walcowaniu na gorącobez dalszej obróbki, do stali walcowanej na gorąco z kontrolowanym chłodzeniem iodpuszczaniem (umocnionej cieplnie) oraz do stali po przeróbce plastycznej na zimno. Wnormie nie wskazano jaką technologię należy zastosować do określonego gatunku stali.W państwach Unii Europejskiej, a szczególnie w Niemczech, najczęściej stosowany jestobecnie gatunek o granicy plastyczności minimum 500 MPa i o bardzo dobrej spawalności,mający oznaczenie BSt 500S wg normy DIN 488. Gatunek ten jest równoważny gatunkowiRB 500W w normie PN-ISO 6935-2. Gatunek RB 500W w 2001 roku został wprowadzonydo normy PN-B-03264 : 1999 „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone – Obliczeniastatyczne i projektowe”.Własności wymagane dla gatunku RB 500W oraz wyniki badań tego gatunku prętów,przedstawiono szczegółowo w rozdziałach 4 i 5.W normie PN-ISO 6935 wymagane wartości granicy plastyczności Re, wytrzymałości narozciąganie Rm oraz wydłużenia względnego A5 podano jako wartości charakterystyczne,które określa się w wyniku analizy statystycznej uzyskanych wyników badań próbekkwalifikacyjnych. Dla oceny wymienionych własności dla danej partii prętów o liczności npróbek (typowo n=15) należy określić następujące wartości:- wszystkie poszczególne wartości dla n=15 próbek,- wartość średnią m15 (dla n=15),- odchylenie standardowe s15 (dla n=15).Dana partia prętów jest zgodna z wymaganiami, jeżeli dla wszystkich własności jestspełniony warunek (zilustrowany także na rys. 4):

m15 – 2,33 s15 ≥ fk (2)gdzie:fk – wymagana wartość charakterystyczna2,33 – wartość współczynnika kwalifikacyjnego k dla n=15, przy współczynnikuwadliwości równym 5 % (p=0,95), z prawdopodobieństwem 90 % (1-α = 0,90).

Po uzgodnieniu pomiędzy producentem a zamawiającym, wartości charakterystyczne mogąbyć stosowane jako gwarantowane wartości minimalne.Należy zwrócić uwagę, że podane powyżej znaczenie wartości charakterystycznejwytrzymałości na rozciąganie stali zbrojeniowej, różni się od definicji tej wielkościprzyjętej w normie PN-B-03264 : „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczeniastatystyczne i projektowanie.” W normie PN-B-03264 wartość wytrzymałościcharakterystycznej stali zbrojeniowej na rozciąganie została zdefiniowana jako „0,85minimalnej wytrzymałości stali na zerwanie”. Nie stanowi to jednak zagrożenia przyjęciabłędnych wartości do obliczeń konstrukcyjnych, ponieważ w normie PN-B-03264 podanowartości liczbowe wytrzymałości charakterystycznej dla poszczególnych klas stali.Dotychczas nie wprowadzono normy europejskiej dotyczącej stali do zbrojenia betonu-propozycja tej normy prEN 10080-1÷6 („Steel for the reinforcement of concrete-Weldablereinforcing steel”) znajduje się od wielu lat w stadium uzgadniania. Zawartość projektu tejnormy stanowi jednak bazę, na której z pewnością oparta zostanie obowiązująca wprzyszłości norma europejska. Norma prEN 10080 obejmuje tylko trzy klasy stali, różniącesię własnościami plastycznymi : dwie klasy o wymaganej granicy plastyczności 500 MPa iklasa trzecia o najwyższych własnościach plastycznych, o wymaganej granicy plastyczności450 MPa (tablica 3).

Rys. 4. Schemat ilustrujący warunek zgodności wyników badań własności prętów dozbrojenia betonu z wymaganiami normy PN-ISO 6935. Partia materiału jest zgodna zwymaganiami, jeżeli dla wszystkich własności charakterystycznych (Re , Rm , A5 ), dlazbioru 15 próbek pochodzących z partii, spełniony jest warunek :

m15 – 2,33 x s15 > fk (objaśnienie oznaczeń w tekście).

Licz

ba b

adan

ych

prób

ek

f kmm - 2,33s m + 2,33s

Wielkość mierzona

Tablica 3. Wybrane wymagane wartości charakterystyczne dla klas stali do zbrojenia betonuujętych w projekcie normy europejskiej prEN 10080 : „Stal do zbrojenia betonu-Spajalnastal zbrojeniowa.”

Średnica nominalna, mm

Klasa stali Pręty Walcówkalub drut

Granicaplastyczności

Re, MPa

Stosunekwytrzymałości

do granicyplastyczności

Rm/Re

Wydłużeniecałkowite przymaksymalnej

sileAgt, %

B500A - 4 ÷ 16 500 1,05 2,5

B500B 6 ÷ 40 6 ÷ 16 500 1,08 5,0

B450C 6 ÷ 40 6 ÷ 16 450 ≥1,15 ≤1,35 7,5

4. Podstawowe własności mechaniczne prętów do zbrojenia betonu RB 500W

Dążenie do obniżenia masy konstrukcji i stosowania na szeroką skalę prefabrykacjispowodowało, że w ciągu kilkunastu ostatnich lat w państwach o rozwiniętychgospodarkach następował szybki wzrost zapotrzebowania na pręty do zbrojenia betonu ogranicy plastyczności podwyższonej do 500 MPa oraz o dużej plastyczności i bardzo dobrejspajalności. Szczególnie istotne było zapewnienie bardzo dobrej spajalności, pozwalającejna zastosowanie spawania w różnych warunkach, także bezpośrednio na placu budowy.Można przewidywać, że również w Polsce stal spajalna o minimalnej granicy plastyczności500 MPa (gatunek RB 500W wg PN-ISO 6935) będzie w niedalekiej przyszłości szerokostosowana. Z tego powodu własności tego gatunku prętów przedstawiono w rozdziałach 4 i5. Gatunek RB 500W można wytwarzać poprzez regulowane walcowanie stalimikrostopowej lub poprzez umacnianie cieplne zwykłej stali węglowej. Ze względu naniższe koszty umacniania cieplnego stali węglowej oraz technologiczną łatwośćuzyskiwania wymaganych własności prętów, prawie wyłącznie ten proces stosowany jest dowytwarzania prętów RB 500W.Przedstawione w rozdziałach 4 i 5 wyniki badań uzyskano dla prętów RB 500Wwyprodukowanych z zastosowaniem umacniania cieplnego w odmianie TEMPCORE lubQTB.Ze względu na inną strukturę wewnętrzną prętów umocnionych cieplnie bezpośrednio powalcowaniu (przedstawioną krótko w podrozdziale 2.2) od struktury prętów bez dodatkowejobróbki (która jest strukturą ferrytyczno-perlityczną jednorodną na całym przekroju pręta),charakterystyka odkształcania się tych dwóch klas prętów w próbie rozciągania jest różna wzakresie odkształcenia plastycznego. Różnica polega głównie na tym, że w przypadku staliumocnionych cieplnie odcinek krzywej pomiędzy końcowym punktem wyraźnej granicyplastyczności a najwyższym punktem na krzywej jest bardziej spłaszczony, niż odpowiedniodcinek na krzywej dla stali nie obrobionej cieplnie. W wyniku tego stosunek Rm/Re dlastali umocnionych cieplnie jest niższy niż dla stali nie obrobionych ferrytyczno-perlitycznych, ale jest wystarczająco wysoki w stosunku do wymagań. Typowe przykłady

wyników rozciągania prętów ze stali nie obrobionej 18G2-b i ze stali umocnionej cieplnieRB 500W, zamieszczono na rys. 5 i 6.Badaniami wytrzymałościowymi objęto pręty żebrowane RB 500W o średnicach 8 mm,10 mm, 12 mm, 16 mm, 25 mm i 28 mm. Badania wykonano według norm PN-ISO 6935-2oraz DIN 488 na prętach reprezentujących duże partie produkcyjne [3].Badane pręty charakteryzowały się korzystnym połączeniem wysokiej wytrzymałości idużej plastyczności. Średnie wartości granicy plastyczności Re, wytrzymałości Rm,wydłużenia A5, wydłużenia A10, wydłużenia Agt i stosunku Rm/Re określone dla partiiprętów o średnicach od 8 do 28 mm zawierały się w przedziałach podanych w tablicy 5.Wszystkie badane partie prętów spełniły wymagania norm PN-ISO 6935-2 i DIN 488odnośnie do własności mechanicznych stawianych prętom klas RB 500W i BSt 500S, awyniki prób dały wyniki wyższe od wymaganych przez normę PN-ISO 6935-2 wartościcharakterystycznych.Własności mechaniczne prętów RB 500W poddano analizie statystycznej, która objęłanastępujące parametry wyznaczone w statycznej próbie rozciągania : Re, Rm, Rm/Re i A10(A5). Na rys. 7a i 7b zamieszczono przykładowe rozkłady własności mechanicznych dlaprętów RB 500W o średnicy 12 mm.

Nr próbki ReHMPa

RmMPa Rm/ ReH

A5%

1 390,10 543,29 1,39 32,452 393,44 562,50 1,43 32,023 395,76 557,24 1,41 32,20

Rys. 5. Typowe przykłady wykresów rozciągania i wyniki prób dla trzech prętówżebrowanych o średnicy 14 mm ze stali 18G2-b [3].

Nr próbki ReHMPa

RmMPa

Rm/ ReH A5%

1 543,91 625,22 1,15 20,872 542,38 621,16 1,15 20,283 540,05 633,90 1,17 19,814 544,77 628,61 1,15 19,875 535,20 620,26 1,16 20,34

Rys. 6. Typowe przykłady wykresów rozciągania i wyniki prób dla pięciu prętówżebrowanych o średnicy 16 mm ze stali umocnionej cieplnie RB 500W [3].

Tablica 4. Przedziały średnich wartości parametrów określonych w próbie rozciągania dlalosowo pobieranych partii prętów RB 500W [3]

I seria pomiarów

Wyniki badań

Średnica pręta, mmNazwaparametru

10 16 28

Wymaganiawg PN-ISO 6935-2 dla

gatunku RB 500W

Re, MPa 534÷567 551÷570 517÷554 500 *)Rm, MPa 622÷655 642÷670 626÷655 550 *)

A5, % 27,2÷29,0 23,6÷28,0 26,3÷27,3 14 *)A10, % 18,9÷20,8 19,4÷20,5 18,3÷18,5 10 wg DIN 488 **)Agt, % 10,7÷13,4 11,4÷14,0 14,2÷15,7 min. 2,5Rm/Re 1,15÷1,18 1,17÷1,18 1,18÷1,21 min. 1,05

II seria pomiarówWyniki badań


10 16 25


prętów RB 500W

Re, MPa 562÷582 543÷555 548÷571 500*)Rm, MPa 645÷665 632÷643 636÷659 550*)

A5, % 24,0÷24,9 24,9÷25,7 21,6÷22,5 14*)

A10, % 17,2÷18,2 18,4÷19,4 16,8÷17,4 10,0 wg DIN 488 **)Agt, % 12,1÷13,3 13,2÷13,9 10,0÷10,9 min. 2,5Rm/Re 1,14÷1,15 1,16 1,16 min. 1,05

III seria pomiarówWyniki badań


8 12 16


prętów RB 500WRe, MPa 567÷591 541÷658 548÷579 500*)

Rm, MPa 623÷667 627÷706 618÷635 550*)

A5, % 24,5÷28,2 19,2÷24,6 19,1÷23,2 14*)

A10, % 19,3÷20,6 13,9÷17,4 13,2÷13,4 10,0 wg DIN 488 **)Agt, % 11,3÷13,4 9,6÷12,9 7,4÷9,0 min. 2,5Rm/Re 1,09÷1,15 1,07÷1,17 1,09÷1,13 min. 1,05

*) Są to wartości charakterystyczne, ustalone w zdefiniowany sposób**) Norma PN-ISO 6935-2 nie wymaga wyznaczania tego parametru

Rys. 7a. Przykładowe rozkłady wartości Re i Rm dla prętów RB 500W o średnicy 12 mm [3].

Rm, MPa

Licz

ność

��

��

��

��

��

��

��

��

��

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680

Liczba próbek: 240Średnia: 636 MPaOdchylenie standardowe s : 17 MPaŚrednia - 1,78 s = 606 MPa

wartość charakterystyczna

min 597 max 680

Re, MPa

Licz

ność

��

��

��

��

��

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

480 500 520 540 560 580 600 620

Liczba próbek: 240Średnia: 552 MPaOdchylenie standardowe s : 19,2 MPaŚrednia - 1,78 s = 518 MPa


min 506 max 601

Rys. 7b. Przykładowe rozkłady wartości A10 i Rm/Re dlaprętów RB 500W o średnicy 12 mm [3].

A , %

Licz

ność

��

��

��

��

��

��

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Liczba próbek: 240Średnia: 19,8 %Odchylenie standardowe s : 1,6 %Średnia - 1,78 s = 17 %

10

min 15,7 max 26,8


Rm/Re

Licz

ność

��

��

��

��

��

��

��

��

��0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17 1,18 1,19 1,20

Liczba próbek: 239Średnia: 1,15Odchylenie standardowe s : 0,02Średnia - 1,78 s = 1,11

wymagane minimum

min 1,12

max 1,20

5. Własności technologiczne i użytkowe prętów do zbrojenia betonu RB 500W

Podane wyniki oceny własności technologicznych i użytkowych prętów RB 500Wwykonano na próbkach z tych samych partii, dla których przeprowadzono próby rozciąganiaopisane w rozdziale 4.

5.1. Spajalność

Normy PN-82/H-93215, PN-ISO 6935 oraz prEN 10080 określają przydatność stalizbrojeniowej do spajania na podstawie równoważnika węgla Ceq, którego wartość nie możeprzekraczać 0,50 dla stali charakteryzujących się dobrą spajalnością. Norma DIN 488wymaga mechanicznego badania połączeń spawanych i zgrzewanych według ustalonegoschematu przygotowania połączeń i rodzaju obciążeń podczas badania.W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zabiegi spawania i zgrzewania niepowodują obniżenia własności wytrzymałościowych prętów RB 500W. Ponadto, zewzględu na korzystny skład chemiczny stali (zawartość węgla poniżej 0,22% i wartość Ceqponiżej 0,40) w obszarach przyspoinowych nie występuje podatność do powstawaniapęknięć. W żadnym z badanych przypadków nie stwierdzono powstawania pęknięć lubinnych nieciągłości materiału w obszarze połączeń zgrzewanych.Przykłady obserwacji struktury i pomiarów twardości na przekroju złącza spawanegoprętów RB 500W przedstawiono na rys. 8 i 9.Na podstawie uzyskanych wyników badań własności mechanicznych w próbachrozciągania, ścinania, zginania i odginania połączeń spawanych i zgrzewanych prętów oróżnej kombinacji średnic i wytopów stwierdzono, że badane pręty RB 500W wykazujądużą podatność do spawania metodami E i MAG oraz do zgrzewania oporowego i spełniająwymagania normy DIN 488 w tym zakresie.W celu uzyskania wymaganych własności złącza spawanego należy stosować materiałyspawalnicze odpowiednie dla prętów klasy 500 MPa umocnionych cieplnie.

Rys. 8. Struktura i rozkład twardości na przekroju poprzecznym złącza spawanegona zakładkę prętów RB 500W o średnicy 16 mm, wykonanego metodą MAG [3].

Rys. 9. Struktura i rozkład twardości na przekroju złącza zgrzanych oporowo prętów RB 500W umocnionych cieplnie średnicy 25 mm i o średnicy 16 mm [3].

5.2. Podatność do zginania

Na podstawie uzyskanych wyników badań prętów w próbach zginania i odginania postarzeniu wykonanych według wymagań norm PN-ISO 6935-2 i DIN 488 (tablica 6)stwierdzono, że wszystkie badane pręty RB 500W spełniają normy i wykazują wysokąpodatność do odkształcenia plastycznego zarówno w próbach zginania jak i w próbieodginania po starzeniu w temperaturach 100 i 250°C. W szczególności nie stwierdzonowystępowania żadnych pęknięć lub uszkodzeń powierzchni w obszarze zginania iodginania.

Tablica 6. Wymagane własności technologiczne w próbie zginania dla prętów RB 500Wi BSt 500S wg norm PN-ISO 6935-2 i DIN 488.

Próba zginania Próba odginania po starzeniuWstępnezginanie OdginanieKlasa

prętów

Średnicanominalna

dsmm

średnicatrzpienia,

mm

kąt αααα średnicatrzpienia,

mm

kątαααα starzenie

temp./czas

kątαααα

10 32 5012 50 6316 80 10020 100 16025 160 200

RB500W

32 200

160° - 180°

320

90 ° 100°C/0,5h 20°

6-12 - 5ds

14-16 - 6dsBSt

500S20-28 -

-8ds

90 ° 250°C/0,5h 20°

5.3. Wytrzymałość zmęczeniowa

Norma PN-ISO 6935 zawiera stwierdzenie w podrozdziale 7.4, że „Na życzeniezamawiającego wytwórca powinien przedstawić własności zmęczeniowe wyrobu”, nieprecyzując parametrów takich badań. Projekt normy europejskiej prEN 10080 zawierawymóg przeprowadzenia badań zmęczeniowych na prostych odcinkach prętów zzastosowaniem podanych w normie parametrów.Badania własności zmęczeniowych wykonano na próbkach z prętów RB 500W o średnicach8, 10, 12, 16, 25 i 28 mm według procedury ustalonej przez Instytut Techniki Budowlanejdla uzyskania Aprobaty Technicznej. Próbki obciążano jednoosiowymi naprężeniamirozciągającymi zmiennymi o charakterze sinusoidalnym. Parametry badań były następujące:− naprężenie maksymalne cyklu σmax=0,7 Re(nom)=350 MPa− naprężenie minimalne cyklu σmin=σmax-2σA=150MPa− częstotliwość od 8 do 15 Hz.Kryterium uznania próby za pozytywną, stanowiła wymagana liczba cykli, którą próbkapowinna wytrzymać bez uszkodzenia. Kryterium to ustalone zostało w jednej serii badań napoziomie 1,0x106 cykli, a w drugiej serii badań na poziomie 2,0x106 cykli. Po osiągnięciuwymaganej liczby cykli próby przerywano i próbki poddano oględzinom. Na podstawieuzyskanych wyników stwierdzono, że badane partie prętów RB 500W spełniają ustalonekryteria wytrzymałości zmęczeniowej.

5.4. Własności mechaniczne w podwyższonych i obniżonych temperaturach

Cytowane w niniejszym opracowaniu normy na stal do zbrojenia betonu nie zawierająwymagań ani komentarza odnośnie do własności w podwyższonych i w obniżonychtemperaturach w stosunku do temperatury otoczenia.

Dotychczas przeprowadzono niewiele badań nad wpływem działania wysokiej temperaturyna zmiany własności stali zbrojeniowej. Pohl i Linder przeprowadzili badania laboratoryjne[7] z których wynika, że stale umacniane cieplnie (typu RB 500W) i stale umacniane nazimno tracą ok. 30 % wytrzymałości po bezpośredniej ekspozycji w temperaturze 650 °Cprzez 10 godzin. Stale mikrostopowe (z mikrododatkiem wanadu) wyprodukowane metodąregulowanego walcowania klasy 500 MPa tracą w takich warunkach ok. 18 %wytrzymałości, a wytrzymałość stali węglowo-manganowej bez obróbki cieplnej, typu18G2, o granicy plastyczności do 355 MPa, obniża się o ok. 15 %.W aprobatach technicznych na pręty klasy RB 500W Instytut Techniki Budowlanej podajetemperaturę 100 °C jako górny zakres temperatur stosowania.Normy na pręty do zbrojenia betonu nie wymagają badania odporności na obciążeniadynamiczne (udarności). Jednak odporność na działanie obciążeń dynamicznych, zwłaszczaw obniżonych temperaturach i w obecności koncentratorów naprężeń, jest istotnymparametrem oceny przydatności prętów do stosowania w budownictwie i dlatego próbęudarności włączono do badań.Ponieważ nie jest możliwe zastosowanie znormalizowanej próby udarności do prętówumacnianych cieplnie o zmiennych własnościach na przekroju, opracowano warunkiwykonywania technologicznej próby udarności dla prętów umacnianych cieplnie iwykonano badania zgodnie z opracowaną metodyką. Ustalono, że najostrzejsze warunkipróby zapewni nacięcie karbu do połowy grubości warstwy utwardzonej dla danej średnicypręta, co zilustrowano na rys. 10 i 11.Dla prętów zbrojeniowych nie istnieje znormalizowane ilościowe kryterium ocenyudarności. W niniejszych badaniach przyjęto bardzo ostre kryterium oparte na progowejwartości udarności równej 50 J Charpy V. Przyjęcie takiego kryterium oznacza, że wzakresie rzeczywistych temperatur eksploatacji udarność prętów nie może być niższa niż50 J. Na podstawie analizy krzywych udarności stwierdzono (przykłady zamieszczono narys. 12 i 13), że wszystkie badane pręty RB 500W zachowują udarność większą od 50 J wtemperaturach ujemnych do -60°C.

6. Dostępność na rynku polskim prętów do zbrojenia betonu klasy RB 500W

W Polsce pręty do zbrojenia betonu wytwarzane są przez trzech głównych producentów ikilku wytwórców o znacznie mniejszych zdolnościach produkcyjnych. Sumaryczniekrajowe zdolności produkcyjne prętów do zbrojenia betonu wynoszą ok. 915 tys. ton/rok, zczego ok. 885 tys. ton/rok przypada na trzech głównych producentów. Z nadmiarempokrywa to zapotrzebowanie rynku krajowego na stal zbrojeniową, które w roku 2000wynosiło ok. 700 tys. ton.Technologie stosowane przez głównych krajowych producentów pozwalają na wytwarzanieprętów do zbrojenia betonu klasy RB 500W.Norma PN-ISO 6935-2 nie narzuca producentowi określonej technologii wytwarzaniaprętów. Jednak ze względu na możliwości dotrzymania wszystkich wymagań określonych wnormie, gatunek RB 500W produkowany jest w Polsce wyłącznie z zastosowaniemtechnologii umacniania cieplnego (w odmianie TEMPCORE lub QTB).

a) b)Rys. 10. Sposób wycięcia (a) i wymiary próbki udarnościowej (b) z pręta umocnionego

cieplnie o średnicy 25 mm. Wymiary podano w mm [3].

Rys. 11. Sposób wykonania i wymiary próbki udarnościowej z pręta umocnionego cieplnieo średnicy 10 mm. Wymiary podano w mm [3].

27,5

10

55

h=1,5

∇ 7

r=0,25

10

45°

warstwautwardzona ~3 mm

powierzchniasurowa

27,5

10h=0,5

r=0,25

��

45°

55

warstwautwardzona ~1 mm powierzchnia

surowa

0

50

100

150

200

250

300

-250 -200 -150 -100 -50 0 50

Temperatura łamania, °C

Ener

gia,

J

Rys. 12. Krzywe udarności prętów RB 500W umocnionych cieplnie o średnicy 10 mm,uzyskane dla dwóch serii badań obejmujących różne grupy wytopów stali [3].

0

50

100

150

200

250

300

-250 -200 -150 -100 -50 0 50Temperatura, °C

Ener

gia,

J

Rys. 13. Krzywe udarności prętów RB 500W umocnionych cieplnie o średnicy 16 mm,uzyskane dla dwóch serii badań obejmujących różne grupy wytopów stali [3].

Piśmiennictwo

[1] Żak A., Garbarz B., Molenda R., Kuziak R., Zalecki W., Wojtas J. : Opracowanie składuchemicznego stali, wytycznych w zakresie wytapiania i odlewania oraz technologiiwalcowania prętów do zbrojenia betonu spełniających wymagania norm DIN 488 orazBS 4449. Sprawozdanie z pracy badawczej Instytutu Metalurgii Żelaza Nr B-00964/BM/95, 1995

[2] Garbarz B. i in. : Pręty żebrowane do zbrojenia betonu klasy 500 TECOR wytwarzane zzastosowaniem technologii umacniania cieplnego. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, t.53, 2001, nr 1, s. 20

[3] Sprawozdania z badań Instytutu Metalurgii Żelaza w Gliwicach (nieopublikowane),1999, 2000

[4] (-) Advanced Materials and Processes, 1998, nr 4, s. 4[5] Kumar V. i in. : Steel Technology International, 1998, s. 53[6] Smith F. N., Tullmin M. : Materials Performance, 1999, s. 72[7] Pohl M., Linder N. : Practical Metallogr., t. 28, 1991, s. 153[8] Sha W., Kelly F. S., Guo Z. X. : Journal of Materials Eng. And Perf., t. 8, 1999, s. 606

Documents

Stal zbrojeniowa