Поведение металлических сеток при температурных деформациях

Металлические сварные арматурные сетки и плоские каркасы устанавливают как усиление в ж/бетонных элементах (плиты, балки, опоры), дорожных покрытиях, бетонных полах в цехах, где они работают с нагрузками совместно с бетоном. При эксплуатации на ж/бетонные конструкции влияют сезонные и суточные колебания температур, плюс климатические нагрузки и технологические процессы. Они вызывают температурные деформации армирования, при этом возникает напряженно-деформированное состояние ж/бетонной конструкции. Также это влияет на свойства стержневой арматуры и проволоки Вр1.

Условия к стандартному прокату и к прокату с дополнительными требованиями есть в ГОСТ 34028/16. Этот ГОСТ регламентирует нормы для механических свойств проката всех классов и их свариваемости.

Что понимают под температурными деформациями?

Если коротко, то это изменение линейных размеров материала под влиянием нагрева или охлаждения, выражается коэффициентом линейного расширения. Для стали он приближенно равен 12*10-6/10. В реальных условиях стальной элемент длиной 10 метров при уменьшении t0 на 500С изменит свою длину на 6 мм.

Для отдельного стержня такое изменение вызывает меньше напряжений в бетоне, чем для сварной сетки или плоского каркаса.

Расширения или сжатия стержней в составе сетки ограничиваются соседними сварными точками и бетоном, поэтому в ж/бетоне возникают дополнительные напряжения.

Такие напряжения становятся особенно существенными в протяженных ж/бетонных элементах, где их свободное перемещение ограничено.

Влияние температуры на свойства арматурного проката

Температурные циклические перепады меняют механические и рабочие свойства металла. Влияние температуры на арматурную сетку может менять ее свойства. При нагреве и охлаждении изменяются предел текучести, пластичность и модуль упругости стали. Арматурная сетка работает как жесткая система, поэтому температурные деформации не распределяются равномерно, а концентрируются в узлах сварки. В результате в конструкции возникают дополнительные внутренние напряжения, которые со временем могут влиять на долговечность железобетона.

Прочность

При нагреве стали ее предел текучести и временное сопротивление становятся меньше. При обычном перепаде t0 от -40 до +600 C прочность меняется несущественно, при этом значение прочности при составлении проекта принимают с запасом.

Однако, какой процесс начинается при резком повышении температуры, например, при пожаре или технологических процессах? При 200-3000 C несущая способность стали начинает заметно снижаться, а при 500-6000 предел текучести снижается более чем в два раза.

Поэтому при пожаре армирование не будет принимать расчетные нагрузки.

Когда температура снижается, прочность стали растет, но при этом также растет риск хрупкого разрушения, особенно если есть дефекты или дополнительные локальные напряжения.

Пластичность

Это свойство стали принимать деформации без разрушения.

При нагреве стали ее пластичность растет, она становится более податливой к деформациям. При охлаждении сталь менее пластичная. Это учитывают для конструкций, на которые влияют динамические и циклические нагрузки (полы, перекрытия в гаражах, мастерских).

При планировании класса арматуры для сеток учитывают ее относительное удлинение (ГОСТ 34028/16). Оно показывает на сколько может растянуться стержень перед разрушением.

Свариваемость

Часто арматурные сетки сваривают из проката А500С, В500С. У этого класса проката хорошая свариваемость и при обычных рабочих условиях изменений свойств сварных точек практически нет.

Но если циклы нагрева и охлаждения часто повторяются, могут накопиться остаточные напряжения в точках сварки. Плюс, если среда агрессивная, то ускорится коррозия и усталостные повреждения. Сварочные точки наиболее уязвимы, так как там есть измененная структура металла.

Стойкость к коррозии

Серьезная угроза целостности сварным сеткам это коррозия металла, то есть электрохимическая реакция на его поверхности. Чем теплее, тем больше скорость этой реакции, часто ее усиливают влага, соль, химические соединения.

Плюс коррозию будут ускорять температурные трещины в бетоне. Через них к арматуре проникает вода и кислород, что ускорит окисление металла.

Для сеток и плоских каркасов установленных в наружных бетонных конструкциях, резервуарах, дорожном покрытии, образование трещин при циклическом перепаде температур влияет на прочность армирования. 

Выносливость при циклических нагрузках

Температурные “качели” сами по себе создают колебания напряжений даже в конструкции без механических циклических нагрузок. Каждый цикл нагрева и охлаждения оставляет микроскопические деформации в металлической структуре.

Если в одно время складываются транспортные, вибрационные или технологические нагрузки, то возникает наложение механической и температурной усталости армирования. 

Это проявляется в снижении прочности сварных соединений и растет вероятность раскрытия трещин в наиболее напряженных участках ж/бетонного элемента.

Где температурные деформации влияют на работу сварных сеток и каркасов

Такие деформации наиболее опасны линейных и жестко соединенных ж/бетонных элементов.

Бетонные полы

Часто у бетонных полов большая площадь и протяженность. Любые перепады температуры (сезонные, суточные) вызывают расширение и сжатие бетонной плиты. Чтобы компенсировать движения бетонной плиты, закладывают деформационные швы. Если их нет или швы расположены неправильно, растягивающие напряжения в бетоне принимает армирующая сетка. Это дополнительные нагрузки для нее, не связанные с ее обычной.

Такие же деформационные швы закладывают для бетонных покрытий на участках, дорожках, чтобы избежать трещин и дополнительных нагрузок на арматурные сетки.

Наружные железобетонные конструкции

На подпорные стенки, резервуары, площадки, ограждения постоянно влияют климатические факторы. Многолетнее влияние перепадов температур накапливает усталостные повреждения в бетоне, сетках и каркасах.

Наиболее уязвимые части строений

• Обвязочные и монтажные балки (пояса жесткости). Обычно они жестко связаны в контур, поэтому в них возникают высокие напряжения сжатия при нагреве и растяжении при остывании. Такие циклы ведут к трещинам, особенно в углах дома, где нагрузки суммируются.
• Консольные балки и прогоны. Перемены температур меняют длину балки, что ведет к ее смещению на опоре. При этом на опорах может скалываться бетон.
• Балки на крыше и чердаке испытывают высокие перепады температур, особенно если кровля без теплоизоляции.
• Элементы на консольных плитах (балконы, козырьки). Такие выносные элементы промерзают зимой и нагреваются летом, что часто ведет к разрушению бетона и коррозии арматуры в местах сопряжения с капитальной стеной.

Обычно защиту от таких деформаций достигают грамотным заложением температурно-усадочных швов и установкой подвижных опор.

Работа сварных сеток при температурных деформациях

В отличие от отдельных стержней сварная сетка это их жесткое соединение контактной сваркой в сетчатую структуру. Поэтому при нагреве или охлаждении отдельные стержни не передвигаются относительно друг друга.

 Жесткие сварные соединения увеличивают напряжение в сварных точках. При этом с увеличением диаметра проволоки или стержней растет жесткость сетчатой структуры, поэтому увеличиваются напряжения в сварных узлах.

При составлении проекта для строительства дома, придомовой территории, гаража, мастерских, банных блоков, бассейнов планируют:

• температурные швы;
• деформационные швы;
• рациональную схему армирования;
• разделение ж/бетонных элементов на температурные блоки;
• монтаж компенсационных блоков в местах возможных перемещений ж/бетонных элементов.