Facultatea de Construcţii TimişoaraAgneta Tudor & Tudor Clipii

2009/2010

NOTE DE CURS - BETON ARMAT 25

2

ARMĂTURA

3.1 ROLUL ARMĂTURII ÎN ELEMENTELE DIN BETON ARMAT

Betonul armat este rezultatul conlucrării a două materiale cu proprietăţi diferite, betonul şi armătura. Deoarece betonul are rezistenţă mică la întindere, armătura se dispune în primul rând în zonele în care încărcările exterioare produc întinderi, dar frecvent armăturile sunt plasate şi în zonele comprimate, pentru îmbunătăţirea comportării elementelor structurale.

Ca armături se utilizează:• armături flexibile, care sunt bare cu secţiune circulară, cunoscute în limbajul tehnic sub

denumirea generică de oţel beton, şi care constituie subiectul prezentului capitol,• profile laminate sau sudate pentru situaţii particulare (armături rigide),• diferite tipuri de fibre (armare dispersă).

Din punctul de vedere al rolului pe care îl au în elementul structural, armăturile flexibile sunt:∗ armături de rezistenţă, care rezultă de regulă dintr-un calcul de dimensionare;∗ armături constructive, care asigură:

− asamblarea şi stabilitatea carcasei până la betonare, precum şi în timpul betonării;− preluarea unor eforturi de întindere accidentale sau neevaluate prin calcul.

Ansamblul de bare care formează armătura elementului se prezintă sub forma unei carcase planesau spaţiale. Asamblarea carcasei se realizează pe şantier ori în fabrici specializate, prin legarea cu sârmă a armăturilor componente, prin sudarea barelor sau prin piese speciale (cuplori).

Elementele structurale plane de tipul plăcilor sau pereţilor sunt armate mai ales cu carcase plane, iar elementele liniare de tipul grinzilor şi stâlpilor se armează cu carcase spaţiale.

Armătura longitudinală de rezistenţă constituie armătura principală a unei carcase şi se dispune în zona întinsă, dar, în mod curent, şi în zona comprimată a elementului. De asemenea, elementele încovoiate pot fi prevăzute şi cu armături înclinate, obţinute prin ridicarea pe reazeme a armăturilor longitudinale, în vederea preluării forţei tăietoare.

Armătura transversală de rezistenţă pentru preluarea eforturilor rezultate din tăiere este prevăzută sub formă de etrieri în cazul grinzilor, stâlpilor şi al altor elemente liniare,. În acelaşi timp, etrierii fixează armăturile longitudinale în poziţia lor din proiect. Etrierii şi fretele (armături dispuse sub formă de spirală) îndeplinesc şi funcţia de armătură de confinare a betonului comprimat.

Armătura de montaj dispusă constructiv este întâlnită în special în cazul grinzilor din beton armat, având rolul de a fixa, în cadrul carcaselor spaţiale, armăturile longitudinale şi transversale de rezistenţă. În cazul plăcilor se prevede armătura de repartiţie, (sau secundară) care leagă armăturile de rezistenţă între ele, asigură o repartizare mai uniformă a forţelor aplicate pe placă şi preia o parte din întinderile produse de contracţia betonului.

3.2 PROPRIETĂŢILE OŢELULUI FOLOSIT PENTRU ARMĂTURI

3.2.1.Comportarea sub încărcări statice de scurtă duratăOţelul folosit la realizarea armăturilor este un amestec de fier şi carbon (în jur de 0,2...0,3%), la

care sunt adăugate şi alte elemente de aliere, care influenţează în mod semnificativ caracteristicile mecanice ale armăturilor.

Comportarea armăturilor sub încărcări este descrisă de curba σs − εs , denumită curbă

caracteristică a oţelului sau curbă constitutivă, obţinută prin încercarea la tracţiune.În funcţie de conţinutul de carbon şi de modul de prelucrare a oţelului, se disting două tipuri de

curbe caracteristice ale produselor (fig. 3.1):

€

• curba cu palier de curgere , respectiv• curba fără palier.

σs σcurgere ⇒ f y

ft

f y

σs

ft

f 0,2

σcurgere ⇒ f 0,2

tg ϕ = Es

ϕεs

εy εu An

ϕ

ε0,2

εs

εu An

2…3%a) oţel cu palier de curgere b) oţel fără palier de curgere

σs (MPa)1600

oţel dur trefilat pentru betonul precomprimat

1200

800

400

0

oţel dur (PC60)

oţel moale (OB37)

εs (%)10 20 30

c) diagrame caracteristice pentru diferitetipuri de oţel autohton

Fig. 3.1 Tipuri de curbe caracteristice σs − εs ale oţelului

Elementele semnificative ale curbei sunt date mai jos cu două notaţii, deoarece pentru definirea nivelului de calitate în producţie sunt utilizate alte simboluri (cele din paranteze) decât în domeniul, mai restrâns, al armăturilor betonului armat sau precomprimat:

o limita de elasticitate (sau de curgere)− limita de curgere aparentă f y ( Re

1 ) (numită şi curgere naturală) în cazul oţelului cu

palier (fig. 3.1.a), căreia îi corespunde o creştere a alungirii de circa 2...3%, fără mărirea încărcării;− limita de curgere convenţională

(fig. 3.1b);

f 0,2 ( R0,2 ), pentru o alungire neproporţională de 0,2%

o rezistenţa la rupere la întindere f tşi aria nominală a secţiunii barei;

o modulul de elasticitate Es ;

( Rm ), egală cu raportul dintre valoarea încărcării maxime

o alungirea la forţa maximă ε u ( Agt );

1 În EN 10080 se face referinţă la o limită de elasticitate Re, legată de valori caracteristice minime şi maxime, pe baza nivelului de calitate pe termen lung a producţiei, în timp ce fyk se referă numai la armăturile utilizate

în structu r ă.

o alungirea la rupere, A n .

Oţelul moale este un oţel carbon cu palier de curgere, cu un conţinut de carbon de circa 0,2%, fiind caracterizat printr-o comportare elastică, urmată de una pronunţat plastică. Comportarea elasticăeste definită de modulul de elasticitate Es ; comportarea plastică este redată de palierul de curgere,

limita de curgere aparentă f y reprezentând o caracteristică importantă din punctul de vedere alcalculului elementelor din beton armat.

Oţelul dur este un oţel slab aliat, obţinut prin creşterea conţinutului de carbon şi prezenţa altor elemente de aliere care determină creşterea rezistenţei la rupere, reducerea palierului de curgere, până la dispariţia acestuia şi reducerea alungirii la forţa maximă, respectiv a celei măsurate după rupere. În lipsa palierului de curgere, comportarea plastică este indicată de atingerea limitei de curgere convenţională f 0,2 .

Oţelul moale şi dur cu un conţinut de carbon mai mic de 0,3% este folosit ca armătură în betonul armat, în timp ce oţelul dur cu un conţinut de carbon de 0,6...0,9%, mangan 0,3...0,7% şi maximum0,035% fosfor şi sulf este folosit la realizarea armăturilor pentru betonul precomprimat. Pentru comparaţie, în figura 3.1c se prezintă curbele caracteristice ale diferitelor tipuri de oţel autohton.

3.2.2 Comportarea în timp a oţelului

Comportarea în timp depinde de proprietăţile reologice, de fenomenul de coroziune precum şi de solicitările repetate care produc oboseala oţelului.

Oboseala oţelului intervine în cazul încărcărilor şi descărcărilor repetate, în urma cărora se produce o scădere a rezistenţei materialului; rezistenţa la oboseală a oţelului depinde de:

• amplitudinea efortului unitar Δσ = σs max − σs

min

şi coeficientul de asimetrie

ρ = σs min σs max a ciclurilor de oboseală;

• calitatea oţelului;• starea de coroziune a armăturii în beton;• prezenţa sudurilor.

Valoarea maximă a efortului unitar pe care un material îl poate suporta prin repetare nelimitatăeste considerată drept rezistenţă la oboseală. În condiţii de laborator, atunci când Δσ nu depăşeşte oanumită valoare, denumită amplitudine limită sau limită de anduranţă, materialul va rezista nelimitat pe durata a N cicluri de încărcare-descărcare, această valoare fiind evidenţiată de curba lui Wöhler (fig. 3.2a).

Δσ log S ≡ log Δσ

m = k1

1

m = k21

limită de anduranţăN

log N

log N*a) curba lui Wöhler b) curba S-N

Fig. 3.2 Comportarea la oboseală a oţelului

Rezistenţa la oboseală a oţelului moale corespunde la 1...1,5⋅106 cicluri, în timp ce pentru oţelurile dure această valoare creşte până la 2...5⋅106 cicluri, din punctul de vedere al calculului la oboseală acceptându-se valoarea de 2⋅106 cicluri.

)f

Curba rezistenţei caracteristice la oboseală, denumită şi curba S-N (fig. 3.2b), este o curbăbilogaritmică de tip Wöhler modificată şi descrie variaţia acestei rezistenţe în funcţie de numărul N decicluri, S reprezentând amplitudinea Δσ a efortului unitar. Curba S-N constă din două segmente

caracterizate prin (Δσ)m ⋅ N = const. Parametrii care definesc această curbă reprezintă valori

caracteristice, prevăzute în EC2.Comportarea oţelului este puternic influenţată de coroziunea armăturii în beton. Coroziunea

oţelului este un proces electro-chimic complex, care are loc numai în prezenţa simultană a umidităţii şi oxigenului, în urma căruia rezultă rugina (punctul 4.3.1). Rezistenţa la oboseală a armăturii înglobate în beton este mai mică cu 40...70% faţă de valoarea corespunzătoare materialului. Corodarea locală a armăturii generează o fisură în metal, care se dezvoltă în timp, până când aria de material rămas nu mai este capabilă să suporte încărcarea, în final producându-se ruperea.

3.2.3 Caracteristicile mecanice ale armăturilor din oţel

Rezistenţa şi ductilitatea

Cerinţele obligatorii pentru produsele din oţelul pentru armături se referă la:• caracteristici mecanice: rezistenţă (curgere, rupere) şi deformaţie (alungirea la rupere)• aderenţă (factorul de profil).

Se pot utiliza ca armături pentru structuri din beton calculate la acţiuni seismice oţelurile caresatisfac criteriile de performanţă autentificate prin EN 10080:2005.

Criteriile de rezistenţă se referă la:• limita de elasticitate caracteristică ( f yk

( f y, max ≤ 1,3f yk ) ,

sau f 0,2k ) şi limita superioară reală de elasticitate

• rezistenţa caracteristică la întindere f tk , rezistenţa la forfecare (minimum 0,3 A f yk ,) şi

rezistenţa sudurilor la plasele şi carcasele sudate,

• domeniul efortului de oboseală cu limită superioară β f yk , pentru N ≥ 2x106 cicluri .

Valoarea de referinţă pentru rezistenţa oţelului este rezistenţa caracteristică,

valoarea limitei de elasticitate aparentă f y sau convenţională f 0,2 ).

Criteriile de ductilitate se referă la:

f yk (egală cu

• valoarea caracteristică a raportului k = (f t y k ,

• valoarea caracteristică a deformaţiei specifice de alungire sub încărcare maximă, εuk .

De asemenea, trebuie respectate cerinţele privind:• aptitudinea de a rezista la îndoire – dezdoire şi sudabilitatea (în standardul de produs trebuie să fie

precizat modul de sudare specific produsului),• factorul de profil pentru aderenţa oţelurilor de înaltă aderenţă ( f R

proiecţia ariilor tuturor nervurilor transversale de pe lungimea s),• dimensiunile secţiunii şi toleranţele prescrise.

= A R πd nom s , unde A R este

Calitatea armăturilor din oţel beton sunt definite prin clasele de oţel pe baza criteriilor de rezistenţă şi criteriilor de ductilitate sau alte cerinţe specificate mai sus.

În tabelul 3.1 (după SR EN 1992-1-1:2004, Anexa C) sunt redate principalele proprietăţi ale armăturilor compatibile cu utilizarea standardului respectiv.

Tabelul 3.1 Proprietăţi ale armăturilorForma produsului Bare şi sârme Plase sudateClasa A B C A B CLimita de elasticitate caracteristică( f yk sau f 0,2k )

400 până la 600 MPa

k = (ft f y ) ≥1,05 ≥1,08≥1,15<1,35

≥1,05 ≥1,08≥1,15<1,35

ε uk (%) ≥2,5 ≥5,0 ≥7,5 ≥2,5 ≥5,0 ≥7,5

Oboseală: amplitudinea pentru

N ≥ 2x106 cicluri; 0,6 f yk ef.max.

≥150 MPa ≥100 MPa

Rezistenţa la forfecare - 0,3 A f yk , A este aria sârmei

Aptitudine la îndoireÎncercare îndoire -

dezdoireToleranţa maximă faţă de masa nominală– bare sau sârme

φnominal, mm≤ 8> 8

± 6,0± 4,5

Aderenţă:f R ,min

φnominal, mm5 - 66,5...12> 12

0,0350,0400,056

k

Modulul de elasticitate

Produsele utilizate ca armături pentru betonul armat trebuie să aibă asigurată valoarea caracteristică a modulului de elasticitate, după cum urmează:

Es = 210000 MPa pentru produsele laminate la cald; Es = 200000 MPa pentru produsele trefilate.

Masa volumică se ia 7850 kg/m3.

3.3 PRODUSE AUTOHTONE DIN OŢEL PENTRU ARMAREA BETONULUI

3.3.1 Oţelul beton laminat la cald

Caracteristicile geometrice şi tehnice pentru produsele indigene din oţel laminat la cald – OB37, PC52, PC60 – sunt prezentate în continuare.

Produsul OB37 face parte din grupa de oţel carbon şi se laminează cu profil neted, în timp ce tipurile de produse PC52 şi PC60 fac parte din grupa oţelurilor slab aliate şi se produc cu profil periodic, fiind cu aderenţă înaltă.

Oţelul beton PC are două nervuri longitudinale diametral opuse, cu dimensiuni constante pe toată lungimea şi nervuri elicoidale situate la distanţe egale, înclinate cu 55...65° faţă de axa barei (fig. 3.3). Decalarea nervurilor pe cele două jumătăţi ale profilului este de 0,125...0,5 din distanţa dintre nervuri.

Nervurile elicoidale ale barelor din PC52 sunt orientate în aceeaşi direcţie pe ambele jumătăţi ale profilului, în timp ce la barele din PC60 aceste nervuri sunt dispuse în direcţii contrare.

Diametrele barelor sunt de la 6 mm la 40 mm.Armăturile de rezistenţă, longitudinale sau transversale, se execută din bare cu profil periodic;

barele netede OB37 pot fi folosite numai ca armături de rezistenţă transversale - etrieri, frete - sau ca armături constructive. Oţelul OB37 poate fi folosit şi la armăturile de rezistenţă a căror dimensionare

¥¥¥¥

rezultă din respectarea condiţiilor de procent minim de armare: diametre minime, respectiv distanţe maxime dintre bare.

(0,125…0,5)s1 PC52 (0,125…0,5)s 2 PC60

s 1 d s1 – 1

2d

2 – 2

55…60°

55…60°

Fig. 3.3 Oţelul laminat la cald cu profil periodic

Caracteristicile mecanice ale acestor produse sunt date în tabelul 3.2 în funcţie de marca de oţel şi diametrul barei.

Livrarea se poate face după cum urmează:− sub formă de colaci pentru diametrele de 6...12 mm; colacii pentru produsele din PC60 cu

diametre nominale de 10 şi 12 mm vor avea diametrul interior de minim 700 mm;− legături de bare pentru diametrele mai mari decât 14 mm; lungimea barelor este de 10...18 m

pentru diametrele până la 20 mm inclusiv, respectiv 8...18 m pentru diametrele mai mari decât 20 mm.

Tabelul 3.2 Caracteristicile mecanice ale armăturilor laminate la caldValori caracteristice minime

Denumire comercială

Marca de oţel

Diametrul nominal

(mm)

Limita de curgere

f yk

MPa

Rezistenţa la rupere

f tkMPa

Alungireala rupere A5, %

OB37

PC52

PC60

S255 6...12 255S235 14...40 235S355 6...14 355S345 16...28 345S335 32...40 335S420 6...12 420S405 14...28 405S395 32...40 395

360 25

510 20

590 16

Notă: pentru PC60 se acceptă scăderea rezistenţei la rupere până la minim 560 N/mm2

cu condiţia menţinerii limitei de curgere şi a creşterii alungirii la rupere la cel puţin20%.

Diferenţierea produselor utilizate ca armături se poate face prin marca de oţel, notată litera S,urmată de valoarea rezistenţei caracteristice f yk , de exemplu S345 este marca de oţel pentru

produsul cu denumirea comercială PC52, având diametre 16...28 mm, cu f yk = 345 MPa . Notaţia

este în acord cu modul de notare al oţelurilor europene, permiţând identificarea claselor de oţel (tab.3.2), nefiind însă reglementată.

Se observă din tabelul 3.2 că oţelurile OB37 şi PC52 nu satisfac cerinţele de rezistenţă privind limita de curgere, f yk < 400 MPa ; cele două oţeluri se încadrează în clasa de ductilitate C .

È

)fk

Raportul k = (f t y are valorile situate între 1,4 şi 1,5, ceea ce poate fi prea mult pentru

structurile care se calculează la acţiuni seismice2 .

3.3.2 Sârma rotundă trefilată

Sârma rotundă trefilată cu suprafaţă netedă pentru beton – STNB – este folosită pentru realizareaplaselor şi carcaselor sudate. Acest produs se obţine din OL34, OL37, OL42 şi OL44.

Caracteristicile mecanice ale produselor sunt date în tabelul 3.3, în funcţie de diametrul barei, care este cuprins între 3 mm şi 10 mm.

Tabelul 3.3 Caracteristicile mecanice ale sârmelor trefilate - STNB

Diametrul sârmei

mm

Valoari caracteristice minimeLimita de curgere

f yk

MPa

Rezistenţa la ruperef tk

MPa

Alungirea la rupere A10, %

3,0; 3,5; 4,0 510 610 6

4,5; 5,0; 5,6460 560

7

6,0; 6,5; 7,1 8

8,0; 9,0; 10,0 400 510 8

Livrarea sârmei se face în colaci cu diametrul interior de:− 250...650 mm pentru sârmele cu diametrul până la 3,5 mm inclusiv, masa obişnuită a

colacului fiind de 15...100 kg;− 400...1000 mm pentru sârmele cu diametrul peste 3,5 mm, masa obişnuită a colacului fiind de

20...150 kg.

3.3.3 Sârma cu profil periodic

Sârma cu profil periodic obţinută prin deformarea plastică la rece – SPPB – poate fi folosită la armarea betonului ca atare sau la realizarea plaselor sudate.

Sârma este prevăzută cu trei şiruri de nervuri (fig.3.4), două şiruri fiind înclinate în aceeaşi parte, iar cel de al treilea în sens invers faţă de celelalte două; diametrul sârmei este φs = 4 . ..1 2 mm.

40…70°

120°

s

Fig. 3.4 Sârma cu profil periodic - SPPB

Valorile minime ale caracteristicilor mecanice, indiferent de diametrul sârmei, sunt:• limita de elasticitate convenţională f 0,2k = 460 MPa;

• rezistenţa la rupere f tk = 510 MPa;

2 Specificaţie tehnică privind produse din oţel utilizate ca armături: cerinţe şi criterii de performanţă indicativ

ST 009-05, Anexa 3.

• alungirea la rupere, A10 = 8 %, respectiv A5 = 10 % (se determină numai una din cele douăvalori).

În documentele de livrare se va specifica raportul (f t f 0.2 )k . Livrarea se face în colaci sau

legături de bare, cu lungime de 6...12 m şi masă maximă de 3 t.

3.3.4 Plasele sudate

Plasele sudate sunt elemente plane de armare formate din sârmă rotundă trefilată (pct. 3.3.2), sârmă profilată prin deformare plastică la rece (pct.3.3.3) sau bare laminate (pct. 3.3.1), dispuse pe direcţii perpendiculare, punctele de contact fiind sudate prin rezistenţă electrică. După frecvenţa de utilizare, plasele pot fi de serie mare – G, serie mijlocie – L, respectiv serie mică – S, putându-se confecţiona cu ochiuri pătrate – Q, respectiv cu ochiuri dreptunghiulare – R.

Caracteristicile mecanice ale plaselor sudate realizate din sârme rotunde trefilate cu suprafaţănetedă STNB sunt prezentate în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4 Caracteristici mecanice pentru plase sudate din STNB

Valori minime caracteristice

Diametrul sârmei

mm

Limita de curgere

f yk

Rezistenţa la rupere

f tk

Alungirea la rupere

A10

Forţa de forfecare a nodului sudat pentru d min d max

MPa MPa % ≤ 0,8 > 0,8

3,0...4,0 490 590(600) 6

4,5...5,6 7 440 540(550)

0,35 A f yk

0,50 A f yk

6,0...7,1 8

8,0...10,0 390 490(500) 8 (A este aria sârmei)

Livrarea plaselor sudate se face în pachete legate cu sârmă în şase puncte în aşa fel încât să fie asigurată manipularea pachetului; masa acestuia nu va depăşi 2000 kg.

Plasele sudate sunt folosite la armarea elementelor plane din beton armat sau beton precomprimat: plăcile planşeelor, inima grinzilor prefabricate din beton armat sau precomprimat, pereţi din beton armat, plăci curbe subţiri etc.