stal sprężająca, typy i rodzaje cięgien sprężających

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

Bogdan Garbarz

STAL SPRĘŻAJĄCA, TYPY I RODZAJE CIĘGIENSPRĘŻAJĄCYCH

1. Wstęp

Wyroby stalowe stosowane jako cięgna do sprężania konstrukcji z betonu, wytwarzanesą w postaci drutów, splotów drutów oraz prętów. Druty produkowane są metodą ciągnieniana zimno walcówki. Po obróbce odprężającej druty z powierzchnią gładką lubnagniecionym na zimno użebrowaniem, dostarczane są w kręgach lub jako wiązki prostychodcinków. Sploty wytwarzane są z drutów o wymaganych właściwościach i dostarczane wpostaci kręgów. Produkcja prętów przeznaczonych na cięgna sprężające polega nawalcowaniu na gorąco prętów z powierzchnią gładką lub żebrowaną i zastosowaniunastępujących operacji, oddzielnie lub jednocześnie, polepszających właściwości:przyspieszonego chłodzenia po walcowaniu, odkształcenia na zimno przez rozciąganie i/lubwygrzewania (odpuszczania).Wyroby stalowe przeznaczone na cięgna sprężające muszą spełniać ekstremalnie wysokiewymagania pod względem wytrzymałości na rozciąganie i jednocześnie określonegopoziomu plastyczności, relaksacji naprężeń, wytrzymałości zmęczeniowej oraz odpornościna korozję naprężeniową.W ostatnich kilkunastu latach w państwach o wysokim poziomie przemysłowym nastąpiłznaczny postęp w technologii produkcji wyrobów stalowych przeznaczonych na cięgnasprężające. Postęp ten odzwierciedlają wymagania zawarte w normach dotyczącychwyrobów stalowych na cięgna sprężające. W Polsce w dziedzinie produkcji stalisprężających oraz unowocześnienia norm z tego zakresu występuje opóźnienie w stosunkudo poziomu państw o rozwiniętych gospodarkach.

2. Normy na stalowe wyroby hutnicze przeznaczone na cięgna sprężające

Obowiązujące obecnie w Polsce normy na wyroby stalowe przeznaczone na cięgna dosprężania konstrukcji z betonu są zdezaktualizowane w stosunku do poziomu techniki i

zasad normalizacji w państwach o rozwiniętym przemyśle. Z analizowanego zakresu istniejądwie polskie normy:− PN-71/M-80014: „Druty stalowe gładkie do konstrukcji sprężonych”;− PN-71/M-80236: „Liny do konstrukcji sprężonych”.Pręty do konstrukcji sprężonych nie są objęte polskimi normami. Norma PN-71/M-80014obejmuje druty ciągnione na zimno ze stali niestopowych wysokowęglowych w gatunkachobjętych przywołaną normą polską, przeznaczone do bezpośredniego zastosowania i doprodukcji splotów. W stosunku do norm państwowych i międzynarodowychobowiązujących na Zachodzie, norma ta zawiera niższe wymagania m. in. w następującymzakresie:− nie obejmuje wysokowytrzymałych drutów w przedziale średnic powyżej 8,0 mm do

10 mm,− nie obejmuje drutów o nagniatanym użebrowaniu,− wymagania odnośnie do wartości wytrzymałości na rozciąganie są niższe (poza

średnicami najniższymi, poniżej 4,0 mm),− nie zawiera wymagania wykonania badań zmęczeniowych, odporności na korozję

naprężeniową i wielkości relaksacji.Norma PN-71/M-80236: „Liny do konstrukcji sprężonych” wymaga stosowania drutówspełniających omówioną normę PN-71/M-80014, a w konsekwencji przejmuje wszystkiejej niedoskonałości. Konstrukcja cięgien wymagana przez normę PN-71/M-80236 odbiegaznacznie od standardów przyjętych obecnie w normach państw Zachodnich.Norma PN-B-03264: 1999 „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone – Obliczeniastatyczne i projektowe”, w podrozdziale 3.2 „Stal sprężająca” zawiera uwagę, że „do czasuopracowania Polskich Norm zgodnych z EN-10138 właściwości mechaniczne stalisprężających określa się na podstawie odpowiednich aprobat technicznych”. Wpodrozdziale 3.2 normy PN-B-03264: 1999 podano najważniejsze wymagania, jakiepowinny spełnić wyroby stalowe do sprężania betonu w postaci drutów, splotów i prętów.Wymagania te oparto głównie na projekcie normy europejskiej PrEN 10138, ale włączonotakże inne poziomy wymaganych wartości, m. in. zaczerpnięte z omówionej normy polskiejPN-71/M-80014: „Druty stalowe gładkie do konstrukcji sprężonych”.W krajach Unii Europejskiej poziom wymagań w stosunku do wyrobów stalowychprzeznaczonych na cięgna sprężające reprezentuje najnowsza edycja projektu normy EN-10138: 2000 „Prestrssing steels” (Stale sprężające), która znajduje się w ostatniej fazieuzgodnień i należy przypuszczać, że w najbliższych latach stanie się dokumentemobowiązującym.Norma PrEN 10138: 2000 składa się z czterech części:PrEN 10138-1, Stale sprężające-Część 1: Wymagania ogólne;PrEN 10138-2, Stale sprężające-Część 2: Druty;PrEN 10138-3, Stale sprężające-Część 3: Sploty;PrEN 10138-4, Stale sprężające-Część 4: Pręty.Poniżej przedstawiono ogólną charakterystykę drutów, splotów i prętów według wymagańzawartych w poszczególnych częściach normy PrEN 10138: 2000.Wymagane liczbowe wartości podstawowych właściwości mechanicznych i użytkowych dlatych wyrobów, podano w rozdziale 4.

Ogólna charakterystyka drutów sprężających objętych normą PrEN 10138: 2000

Druty wytwarzane są metodą ciągnienia walcówki na wyspecyfikowane średnice z zakresu3,0 mm ÷ 10,0 mm i dostarczane są w kręgach lub wiązkach prostych odcinków, po obróbceodprężającej. W całym zakresie średnic druty mogą być wytwarzane z gładką powierzchnią,natomiast dla średnic z zakresu od 3 mm do 8 mm druty wytwarzane są również znagniatanym na zimno użebrowaniem o kształcie i wymiarach określonych w normie. Drutywytwarzane są w czterech klasach wytrzymałości, określonych wartością nominalnejwytrzymałości na rozciąganie :

Rm = 1860 MPa, dla średnic z zakresu 3,0 ÷ 5,0 mmRm = 1770 MPa, dla średnic z zakresu 3,2 ÷ 6,0 mmRm = 1670 MPa, dla średnic z zakresu 6,9 ÷ 8,0 mmRm = 1570 MPa, dla średnic z zakresu 9,4 ÷ 10,0 mm

Ogólna charakterystyka splotów sprężających objętych normą PrEN 10138: 2000

Norma obejmuje sploty wykonane z trzech oraz z siedmiu drutów o powierzchniachgładkich lub z użebrowaniem nagniatanym, dostarczane w kręgach po obróbce odprężającej.Środkowy drut w splocie siedmiodrutowym żebrowanym, jest zazwyczaj gładki.Sploty siedmiodrutowe wytwarzane są również w postaci zwartej (kompaktowej)uzyskiwanej poprzez przeciąganie splotu.Średnice nominalne splotów trójdrutowych zawierają się w granicach 5,2 ÷ 7,5 mm, a ichnominalna wytrzymałość Rm w granicach 1860 ÷ 2160 MPa. Średnice nominalne splotówsiedmiodrutowych zawierają się w granicach 6,85 mm ÷ 18,0 mm, a ich nominalnawytrzymałość Rm w granicach 1700 ÷ 2160 MPa.

Ogólna charakterystyka prętów sprężających objętych normą PrEN 10138: 2000

Zgodnie z normą, pręty wytwarzane są metodą walcowania na gorąco, z ewentualnymzastosowaniem dodatkowej obróbki, z powierzchnią gładką lub żebrowaną i dostarczane wprostych odcinkach. Dodatkową obróbkę stosuje się w celu uzyskania wymaganychwłaściwości prętów. Polega ona na zastosowaniu pojedynczo lub w połączeniunastępujących operacji: przyspieszonego chłodzenia po walcowaniu na gorąco,odkształcenia na zimno przez rozciąganie oraz wygrzewania (odpuszczania). Norma nieustala geometrii użebrowania, pozostawia ten zakres wymagań do uzgodnienia pomiędzyzamawiającym a wytwórcą.Średnice prętów mieszczą się w przedziale 15 ÷ 50 mm, a nominalna wytrzymałość narozciąganie Rm w przedziale 1030 ÷ 1230 MPa.

3. Gatunki stali przeznaczone do wytwarzania cięgien sprężających

3.1. Obecnie stosowane na skalę przemysłową gatunki stali na cięgnasprężające

Obowiązujące normy polskie dotyczące wyrobów stalowych na cięgna sprężające, tj. PN-71/M-80014: „Druty stalowe gładkie do konstrukcji sprężonych” oraz PN-71/M-80236:„Liny do konstrukcji sprężonych”, w zakresie gatunków stali odwołują się do normy PN-65/H-84028: „Stal węglowa do wyrobu walcówki na drut. Gatunki”. Po kolejnychaktualizacjach normy PN – 65/H-84028, obowiązuje obecnie norma PN-91/H-84028: „Stal

niestopowa przeznaczona na walcówkę do produkcji drutu. Gatunki”. W normie podanowymagane składy chemiczne gatunków stali niestopowej przeznaczone na walcówkę dociągnienia drutów na zimno. Znak gatunku stali składa się z litery D (oznaczającej stal nadruty), dwucyfrowej liczby oznaczającej średnią zawartość węgla w setnych procenta masy,oraz dodatkowego symbolu w postaci litery A oznaczającej obniżoną zawartośćpierwiastków domieszkowych (P, S, Cr, Ni, Mo) lub litery S oznaczającej znacznieobniżone zawartości fosforu, siarki i miedzi. Na druty o wysokiej wytrzymałości stosuje sięstale wysokowęglowe, o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,75%. W tablicy 1zamieszczono przykłady wysokowęglowych gatunków stali objętych normą PN-91/H-84028.

Tablica 1. Przykłady wysokowęglowych gatunków stali na wysokowytrzymałe drutyciągnione na zimno, objętych normą PN-91/H-84028

Wymagany skład chemiczny, % masyOznaczenie

gatunkustali

C Mn Si Pmax

Smax

P+Smax

Crmax

Nimax

Cumax

Momax

D 80 0,78÷0,830,30÷0,60

(0,60÷0,90)*0,10÷0,30 0,035 0,035 0,060 0,20 0,20 0,20 0,08

D 80A 0,78÷0,830,30÷0,60

(0,60÷0,90)*0,10÷0,25 0,030 0,030 0,050 0,10 0,15 0,20 0,05

DS 80 0,78÷0,830,30÷0,60

(0,60÷0,90)*0,10÷0,25 0,020 0,020 0,035 0,10 0,15 0,15 0,05

D 90A 0,88÷0,930,30÷0,60

(0,60÷0,90)*0,10÷0,25 0,030 0,030 0,050 0,10 0,15 0,20 0,05

DS 90 0,88÷0,930,30÷0,60

(0,60÷0,90)*0,10÷0,25 0,020 0,020 0,035 0,10 0,15 0,15 0,05

* Odmiana G, z podwyższoną zawartością manganuDodatkowe wymagania w stosunku do podanych w tablicy 1:

zawartość N< 0,008%, zawartość As <0,08%

Norma PrEN 10138 wymaga, aby druty i sploty produkować z walcówki spełniającejwymagania normy EN 10016-4: 1994 „Non-alloy steel rod for drawing and/or cold rolling –Part 4: Specific requirements for rod for special applications”, natomiast w stosunku doprętów sprężających norma ta nie zawiera wymagań co do gatunków stali.Norma europejska EN 10016-4 została przetłumaczona i wprowadzona jako norma polskaPN-EN 10016-4: 1999 „Walcówka ze stali niestopowej do ciągnienia i/lub walcowania nazimno. Wymagania dla walcówki przeznaczonej do zastosowań specjalnych”. Zawiera onam. in. wymagania co do składu chemicznego gatunków stali przeznaczonych nawysokowytrzymałe druty. W tablicy 2 zamieszczono gatunki stali z normy PN-EN 10016-4,o podobnym składzie chemicznym do gatunków podanych w tablicy 1.Z porównania składów podanych w tablicach 1 i 2 wynika, że warunki zawarte w normiePN-EN 10016-4 narzucają wyższe wymagania na zakresy zawartości pierwiastkówpodstawowych (∆C=0,04% poza C92D2 oraz ∆Mn=0,2%) i na dopuszczalny poziomzawartości niektórych pierwiastków domieszkowych (Cu+Ni+Cr, Cu+Sn, N). Wymienione

wyższe wymagania odnośnie do składu chemicznego umożliwiają uzyskanie lepszychwłaściwości mechanicznych i eksploatacyjnych drutów i splotów.Uzyskanie wysokiej wytrzymałości prętów sprężających, przy jednocześnie wystarczającejplastyczności, jest znacznie trudniejsze niż w przypadku drutów ciągnionych na zimno.Trudności te wzrastają dla większych średnic prętów. Wymagane właściwości prętówsprężających uzyskuje się poprzez dobór składu chemicznego stali i parametrów dodatkowejobróbki. Skład chemiczny i parametry obróbki nie są znormalizowane i ich wybórpozostawiono do decyzji wytwórcy.

Tablica 2. Przykłady wysokowęglowych gatunków stali na wysokowytrzymałe drutyciągnione na zimno objętych normą PN-EN 10016-4, o zawartości węgla zbliżonej do

gatunków podanych w tablicy 1.

Wymagany skład chemiczny, % masyOznaczenie

gatunkustali

C Si Mn1 Pmax

Smax

Cr2

maxNi2

maxMomax

Cu2,3,4

maxAl

maxN

max

C80D2 0,78÷÷0,82

0,10÷÷0,30

0,50÷÷0,70

0,020 0,025 0,10 0,10 0,02 0,15 0,01 0,007

C82D2 0,80÷÷0,84

0,10÷÷0,30

0,50÷÷0,70

0,020 0,025 0,10 0,10 0,02 0,15 0,01 0,007

C86D2 0,84÷÷0,88

0,10÷÷0,30

0,50÷÷0,70

0,020 0,025 0,10 0,10 0,02 0,15 0,01 0,007

C88D2 0,86÷÷0,90

0,10÷÷0,30

0,50÷÷0,70

0,020 0,025 0,10 0,10 0,02 0,15 0,01 0,007

C92D2 0,90÷÷0,95

0,10÷÷0,30

0,50÷÷0,70

0,020 0,025 0,10 0,10 0,02 0,15 0,01 0,007

1Przy zamawianiu może być uzgodniony zakres zawartości manganu inny niż podany wtablicy, lecz o wartości maksymalnej nie przekraczającej 1,20% i różnicy wartości górnej idolnej 0,20%,2Suma zawartości Cu+Ni+Cr nie może przekraczać 0,30%,3Cu+Sn ≤ 0,15%,4Po uzgodnieniu odnośnie do pewnych zastosowań zawartość Cu może być ograniczona domax 0,12%

Szeroko stosowanym w Europie Zachodniej asortymentem prętów sprężających, są pręty zżebrowaniem gwintowym o średnicy nominalnej 15 mm, wymaganej wytrzymałości narozciąganie Rm=1100 MPa i wymaganej granicy plastyczności Re=900 MPa. Pręty takiemogą być produkowane ze stali węglowo-manganowej zawierającej 0,65 ÷ 0,80 % C i 0,50÷ 1,00 % Mn, umacnianej po walcowaniu na gorąco metodą przyspieszonego chłodzenia wcelu wytworzenia struktury perlityczno-bainitycznej pręta.Przykładowe wymagania w stosunku do prętów sprężających o minimalnej granicyplastyczności 900 MPa i minimalnej wytrzymałości 1100 MPa zawarte w warunkachdopuszczeniowych jednego z państw zachodnich, zamieszczono w tablicach 3a i 3b.Wymagane własności prętów można także uzyskać metodą umacniania cieplnego poprzezprzyspieszone chłodzenie bezpośrednio po walcowaniu stali węglowo-manganowejeutektoidalnej (tj. zawierającej 0,75 ÷ 0,80 % C) z dodatkiem dziesiątych procenta Cr, o

strukturze drobnopłytkowego perlitu [1, 2] lub poprzez umacnianie cieplne staliśredniowęglowej z dodatkami krzemu i wanadu [3] lub innych pierwiastków stopowych.Na rys. 1 zamieszczono wybrane wyniki badań, na podstawie których opracowanotechnologię obróbki prętów sprężających ze stali perlitycznej o minimalnej granicyplastyczności 900 MPa i minimalnej wytrzymałości 1100 MPa [1, 2].

Tablice 3a i 3b. Przykładowe właściwości prętów sprężających St 900/1100, wymaganeprzez warunki dopuszczające do stosowania w jednym z państw zachodnich

Tablica 3a. Wymagany skład chemiczny stali (według analizy wytopowej) na prętysprężające St 900/1100

Pierwiastek C Si Mn S P Cr Cu Ni Mo

Zawartośćw % masy

min

max

0,63

0,77

0,15

0,45

0,50

1,00

-

0,035

-

0,035

-

0,25

-

0,25

-

0,15

-

0,09

Tablica 3b. Wymagane własności wytrzymałościowe i plastyczne prętów sprężającychSt 900/1100, z użebrowaniem gwintowym lub skośnym

Parametr Wymagana wartośćparametru

Umowna granica plastyczności przy wydłużeniu 0,1%,Rp0,1, MPa 900

Wytrzymałość na rozciąganie,Rm, MPa 1100

Wydłużenie względne,A10, % 7

Wydłużenie przy maksymalnej sile rozciągającej,Agt, % 4

Średnica trzpienia w próbie zginania i kąt zginania 6xd (średnica nominalnapręta), 180°

Amplituda obciążenia zmęczeniowego, 2 σ0, MPa 200/180

Naprężenie maksymalne obciążenia zmęczeniowego,σmax σmax=0,65xRm

lub σmax=0,9xRp0,1Wymagana liczba cyklibez zerwania próbki =

= 2 x 106

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

200

400

600

800

1000

1200

wytrzymanie izotermiczne

odkształcenie

Tem

pera

tura

, [o C

]

Czas, [s]

Rys. 1 a.

400 450 500 550 600Temperatura przemiany, [oC]

950

1050

1150

1250

1350

1450

Re,

m, [

MPa

]

ReRm

Rys.1 b.

400 450 500 550 600Temperatura przemiany, [oC]

7

8

9

10

11

12

13A 5

, [%

]

Rys. 1 c.

Rys. 1. Wyniki prób laboratoryjnych, których celem było opracowanie technologii obróbkicieplnej bezpośrednio po walcowaniu na gorąco prętów sprężających ze stali perlitycznej o

minimalnej granicy plastyczności 900 MPa i minimalnej wytrzymałości 1100 MPa [1].a) - Schemat eksperymentalnej obróbki cieplno-plastycznej realizowany za

pomocą urządzenia Gleeble 3800b) - Otrzymane eksperymentalne zależności pomiędzy wartością granicy

plastyczności Re i wytrzymałością na rozciąganie a temperaturą, w którejprzeprowadzono przemianę badanej stali podczas realizacji cyklu pokazanego narys. (a)

c) - Otrzymane eksperymentalne zależności pomiędzy wartością wydłużeniawzględnego A5 a temperaturą, w której przeprowadzono przemianę badanej stalipodczas realizacji cyklu pokazanego na rys. (a)

3.2. Kierunki rozwoju gatunków stali na cięgna sprężające

Z analizy doniesień literaturowych i sprawozdań z prac badawczych wyłaniają się dwakierunki rozwoju gatunków stali na druty i sploty sprężające :− podwyższanie własności mechanicznych stali wysokowęglowych o strukturze

perlitycznej,− doskonalenie technologii wytwarzania stali dwufazowych ferrytyczno-

martenzytycznych.

Wysokowęglowe stale perlityczne o podwyższonej wytrzymałości

Podwyższanie granicy plastyczności i wytrzymałości stali wysokowęglowych perlitycznych(o zawartości węgla 0,75 ÷ 0,80 %) następuje w wyniku sterowania przemianą, w kierunkuotrzymania perlitu o możliwie małej odległości międzypłytkowej. Dla tych gatunków staliosiągnięto już najwyższą możliwą do uzyskania wytrzymałość [4 ÷ 6]. Dalszepodwyższanie granicy plastyczności i wytrzymałości stali perlitycznych można uzyskaćpoprzez dodatek niewielkich ilości (do ok. 0,2 %) pierwiastków tworzących węgliki i azotki,w szczególności wanadu. Umocnienie wywołane mikrododatkiem wanadu powoduje wzrostgranicy plastyczności, w optymalnych warunkach technologicznych, o 250 MPa [7].Najnowszym kierunkiem prób zwiększenia wytrzymałości stali perlitycznych jestzwiększenie zawartości węgla do 0,95 %, przy równoczesnym dodatku ok. 1 % Si i 0,2 % V[8]. Uzyskany synergiczny efekt podwyższa wytrzymałość drutów ciągnionych z tej stali do2500 MPa [8].

Stale ferrytyczno-martenzytyczne

Stale ferrytyczno-martenzytyczne są niskowęglowymi gatunkami o zawartości węgla zprzedziału 0,05 ÷ 0,15 % oraz z dodatkiem Mn w ilości do ok. 2 % i/lub z dodatkiem Si dook. 2 %. Wytwarzanie walcówki z tych stali polega na zastosowaniu takiego schematuprzebiegu temperatury walcowanego pasma i walcówki bezpośrednio po walcowaniu, abyuzyskać strukturę mieszaną składającą się z ferrytu i z martenzytu w ilości 15 ÷ 25 %. Drutyciągnione ze stali ferrytyczno-martenzytycznych osiągają wytrzymałość z zakresu 2000 ÷2700 MPa i jednocześnie dobrą plastyczność [9].

Ze względu na fakt, że w procesie produkcji prętów sprężających nie jest możliwezastosowanie znacznego odkształcenia na zimno lub w obniżonych temperaturachpowodującego dodatkowy przyrost wytrzymałości, wytwarzanie wysokowytrzymałychprętów sprężających jest technologią trudną w realizacji, a jej parametry nie są ujawnianeprzez producentów.

Rozwój technologii wytwarzania prętów sprężających sprowadza się do doboru składuchemicznego stali, w tym zawartości pierwiastków stopowych takich jak Mn, Cr, Si, V, Mooraz charakterystyki chłodzenia bezpośrednio po walcowaniu, pozwalającego na uzyskaniedla określonej średnicy pręta wymaganego zestawu własności wytrzymałościowych iplastycznych.

4. Podstawowe właściwości mechaniczne, technologiczne i fizyczne cięgiensprężających

4.1. Właściwości mechaniczne, technologiczne i fizyczne cięgien sprężającychwedług normy PrEN 10138: 2000

Jak już zostało podane, projekt normy EN 10138 : 2000 znajduje się w ostatniej fazieuzgodnień i należy przyjąć, że w najbliższych latach stanie się dokumentemobowiązującym. Norma ta zawiera najwyższy możliwy obecnie do osiągnięcia w skaliprzemysłowej poziom właściwości cięgien sprężających.W kolejnych podrozdziałach podano wymagane właściwości mechaniczne i technologicznedrutów, splotów i prętów na podstawie normy PrEN 10138 : 2000.Wyniki pomiarów siły maksymalnej w próbie rozciągania (Fm) oraz siły przy odkształceniuplastycznym równym 0,1 % (Fp0,1) podlegają ocenie z zastosowaniem metod statystycznych.W długim okresie produkcji (typowo 6 miesięcy) dla wartości Fm i Fp0,1 musi zostaćspełniony warunek:

m – ks ≥≥≥≥ Cv (1)gdzie:

m – wartość średnia wyników pomiaróws – odchylenie standardowek – współczynnik statystyczny (odczytany z tablic)Cv – wartość charakterystyczna (w tym przypadku wymagana wartość charakterystyczna Fm lub Fp0,1

4.1.1. Druty

Wymagane normą PrEN 10138: 2000 właściwości drutów sprężających wraz z niezbędnymiobjaśnieniami podano w tablicach 4 i 5.

Tablica 4. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności drutów sprężającychwedług normy PrEN 10138-2: 2000

Gatunek stali

Średnicanominalna

d

mm

Nominalnawytrzymałość na

rozciąganieRm

MPa

Wartośćcharakterystycznasiły maksymalnej

w próbierozciągania

FmkN

Wartośćcharakterystycznasiły rozciągającej

przy odkształceniuplastycznym 0,1%

Fp0,1kN

3,0 13,1 11,34,0 23,4 20,1Y1860C5,0

186036,5 31,4

3,2 14,2 12,25,0 34,8 29,9Y1770C6,0

177050,0 43,0

6,9 62,4 53,77,0 64,3 55,37,5 73,8 63,4Y1670C

8,0

1670

83,9 72,29,4 109 90,49,5 111 92,4Y1570C10,0

1570123 102

Objaśnienia:Y – stal sprężającaC – druty ciągnione na zimno

Tablica 5. Wymagane właściwości drutów sprężających (poza parametramiwytrzymałościowymi podanymi w tablicy 4)

według normy PrEN 10138-2: 2000

Parametr Wymagana wartość

Wydłużenie przy maksymalnej sile, Agt, przy L0≥100 mm min 3,5 %

Wygląd powierzchni po zerwaniu Przełom ciągliwy

Próba przeginania. Średnica drutu, mm Promień gięcia, mm

3,03,2 i 4,05,0 i 6,8

6,9 do 9,39,4 do 10,0

7,510152025

Minimalna liczba przegięć − dla drutu gładkiego− dla drutu żebrowanego

43

Maksymalna relaksacja dla1000 godzin

Dla początkowej siły równej:70% Fm (wymagane)80% Fm (do uzgodnienia)

2,5 %4,5 %

Zakres naprężeniazmęczeniowego przy górnej

granicy równej 70 %rzeczywistej wartości Rm

− drut gładki− drut żebrowany

200 MPa180 MPa

W normie PrEN 10138-2:2000 nie podano wymaganejliczby cykli bez zerwaniapróbki. Z wymagań ogólnychzawartych w PrEN 10138-1:2000 wynika, że minimalnaliczba cykli bez zerwaniapróbki powinna być równalub większa od 2 x 106

Czasminimalny

CzasśredniKorozja naprężeniowa w NH4SCN

2 godziny 5 godzin

4.1.2. Sploty

Wymagane normą PrEN 10138: 2000 właściwości splotów sprężających wraz zniezbędnymi objaśnieniami podano w tablicach 6 i 7.

Tablica 6. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności splotów sprężającychwedług normy PrEN 10138-3: 2000

Klasacięgna

Gatunekstali

Średnicanominalna

d

mm


rozciąganieRm

MPa



FmkN



Fp0,1kN

Y1960S3 5,2 1960 26,7 22,96,5 39,2 33,86,8 43,5 37,4Y1860S37,5

186054,0 46,4

7,0 56 489,0 93 8011,0 140 12012,5 173 14913,0 186 16015,2 260 224

Y1860S7

16,0

1860

279 24015,2 248 21316,0 265 228Y177S718,0

1770354 304

Y1860S7G 12,7 1860 209 180Y1820S7G 15,2 1820 300 258

A

Y1700S7G 18,0 1700 380 327Y2160S3 5,2 2160 29,4 26,2Y2060S3 5,2 2060 28,0 24,1Y1960S3 6,5 1960 41,4 35,6Y2160S7 6,85 2160 60,9 52,4Y2060S7 7,0 2060 62,0 53,0

B

Y1960S7 9,0 1960 98 84Objaśnienia:

A, B – klasa cięgnaY - stal sprężającaS - splot3, 7 - liczba drutów w splocieG - splot zwarty (kompaktowy)

Tablica 7. Wymagane właściwości splotów sprężających (poza parametramiwytrzymałościowymi podanymi w tablicy 6)





Maksymalna relaksacja dla1000 godzin

Dla początkowej siły równej:70% Fm (wymagane)80% Fm (do uzgodnienia)

2,5 %4,5 %

Zakres naprężeniazmęczeniowego przy górnej

granicy równej 70 %rzeczywistej wartości Rm

− drut gładki− drut żebrowany

190 MPa170 MPa

W normie PrEN 10138-3:2000 nie podano wymaganejliczby cykli bez zerwaniapróbki. Z wymagań ogólnychzawartych w PrEN 10138-1:2000 wynika, że minimalnaliczba cykli bez zerwaniapróbki powinna być równalub większa od 2 x 106

Czasminimalny

Czasśredni

Klasa A 2 godziny 5 godzinKorozja naprężeniowa wNH4SCN

Klasa B 1,5 godziny 4 godziny

Maksymalna wartość D w próbie rozciągania odgiętegosplotu siedmiodrutowego kompaktowego o średnicy

nominalnej ≥ 12,5 mm28 %

4.1.3. Pręty

Wymagane normą PrEN 10138: 2000 właściwości prętów sprężających wraz zniezbędnymi objaśnieniami podano w tablicach 8 i 9.

Tablica 8. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności prętów sprężających wedługnormy PrEN 10138-4: 2000

Gatunekstali

Rodzajpowierzchni

Średnicanominalna

d

mm


rozciąganieRm

MPa



FmkN



Fp0,1kN

Y1100H R 15 1100 194 159Y1100H R 20 1100 346 283Y1030H P 25,5 1030 526 426Y1030H P 26 1030 547 443Y1030H R 26,5 1030 568 461Y1030H P 27 1030 590 478Y1030H P 32 1030 828 672Y1030H R 32 1030 828 672Y1030H P 36 1030 1048 850Y1030H R 36 1030 1048 850Y1030H P 40 1030 1294 1049Y1030H R 40 1030 1294 1049Y1030H P 50 1030 2022 1640Y1230H P 26 1230 653 573Y1230H R 26,5 1230 678 596Y1230H P 32 1230 989 869Y1230H R 32 1230 989 869Y1230H P 36 1230 1252 1099Y1230H R 36 1230 1252 1099Y1230H P 40 1230 1546 1357Y1230H R 40 1230 1546 1357

Objaśnienia:Y – stal sprężającaH – pręt walcowany na gorącoP – powierzchnia gładkaR – pręt żebrowany

Tablica 9. Wymagane właściwości prętów sprężających (poza parametramiwytrzymałościowymi podanymi w tablicy 8)





Maksymalna relaksacja dla 1000 godzin

Dla siły początkowej równej 70 % Fm

Nominalna średnica pręta ≤ 15 mm

Nominalna średnica pręta > 15 mm

6 %

4 %

Zakres siły zmęczeniowej przy górnej granicy

równej 70 % Fm

Pręty gładkie

Pręty żebrowane

Liczba cykli bez zerwania

próbki ≥ 2 x 106

200 MPa

180 MPa

Korozja naprężeniowa wNH4SCN Minimalny czas do pęknięcia w godzinach

Średnica pręta, mm Poszczególne próby Średnia z prób

d = 15 20 50

15 < d ≤ 25 60 250

25 < d ≤ 50 100 400

4.2. Metody badań właściwości cięgien sprężającychobjętych normą PrEN 10138: 2000

Norma PrEN 10138: 2000 wymaga, aby badania parametrów geometrycznych iwytrzymałościowych (Fm i F0,1) cięgien sprężających były wykonywane na bieżąco, napróbkach atestacyjnych pobranych z partii produkcyjnych w sposób określony normą.Badania właściwości specjalnych, do których należą: relaksacja izotermiczna, wytrzymałośćzmęczeniowa, rozciąganie odgiętych próbek oraz odporność na korozję naprężeniową,norma nakazuje wykonywać okresowo, co najmniej jeden raz w roku. Badania wszystkichwłaściwości cięgien sprężających objętych normą PrEN 10138: 2000 należy wykonywaćzgodnie z metodami zawartymi w normie PrEN ISO 15630-3 „Steel for the reinforcementand prestressing of concrete-Test methods – Part 3: Prestressing steels” (Stal zbrojeniowa isprężająca do betonu – Metody badań – Część 3 : Stale sprężające). Norma PrEN ISO15630-3 obejmuje następujące metody badań:− Określenie wymiarów cięgien, charakterystyki geometrycznej i masy jednostkowej;− Pomiar własności wytrzymałościowych;− Próba zginania;− Próba przeginania;− Analiza chemiczna;− Pomiar relaksacji w warunkach izotermicznych:

− temperatura badania 20°C ± 2°C− siła początkowa 70% (lub 80%) siły maksymalnej w próbie zrywania (Fm)

określonej na próbce z tego samego odcinka pręta, co próbka poddanarelaksacji

− czas trwania próby 1000 godzin;− Określenie wytrzymałości zmęczeniowej:

− rodzaj obciążenia: osiowa siła rozciągająca sinusoidalnie tętniąca,przyłożona do odcinka pręta, w granicach od 70% Fm do (70% Fm – 200MPa) dla gładkich drutów i prętów, w granicach od 70% Fm do (70% Fm –180 MPa) dla żebrowanych drutów i prętów, w granicach od 70% Fm do(70% Fm – 190 MPa) dla gładkich splotów i w granicach od 70% Fm do(70% Fm – 170 MPa) dla żebrowanych splotów

− częstotliwość powinna być stabilna podczas próby i nie przekraczać 120 Hzdla drutów i prętów oraz 20 Hz dla splotów;

− Odporność na korozję naprężeniową w środowisku rodanku amonu (NH4SCN) :− rodzaj obciążenia : osiowa siła rozciągająca równa 80% Fm

− temperatura roztworu 50°C ± 1°C;− Rozciąganie próbek odgiętych (dotyczy splotów siedmiodrutowych o średnicy

nominalnej ≥ 12,5 mm):− kąt odgięcia próbki 20°.

4.3. Właściwości technologiczne i fizyczne cięgien sprężających nie objętenormą PrEN 10138: 2000

Do właściwości specyficznych dla wysokowytrzymałych cięgien nie objętych normą PrEN10138: 2000, o których informacja może być istotna dla konstruktora, należą: podatnośćprętów do zginania, odporność na obciążenia udarowe i podatność do spajania.Próba zginania prętów sprężających nie została zaliczona w normie PrEN 10138: 2000 dowymaganych badań, jednak normy krajowe w państwach Europy Zachodniej oraz warunkidopuszczenia prętów do stosowania, wymagają przeprowadzenia tej próby. Z badań wynika[1], że wysokowytrzymałe pręty o strukturze perlitycznej, przechodzą pozytywnie próbęzginania o kąt 180° na trzpieniu o średnicy 6d. Przykład pręta żebrowanego o średnicynominalnej 15 mm i o wytrzymałości Rm > 1100 MPa, zginanego na trzpieniu o średnicy 6d,zamieszczono na rys. 2.Odporność na obciążenia udarowe nie wchodzi w zakres znormalizowanych badań prętówzbrojeniowych i sprężających. Udarność stali jest cechą, która w przypadku konstrukcjisprężonych może być istotna w sytuacjach awaryjnych. Na rys. 3 pokazano zakresy wartościgranicy plastyczności i odpowiadające im zakresy wartości odporności na obciążeniaudarowe, dla stali o różnych składach i strukturach, w tym dla stali perlitycznych.Wysokowytrzymałe pręty o strukturze całkowicie perlitycznej (takiej jak pokazana na rys.2b), charakteryzują się niską odpornością na obciążenia udarowe, zwłaszcza w obecnościmechanicznych karbów. Z przykładu zamieszczonego na rys. 4 widać, że energiapochłaniana podczas łamania próbek typu Charpy V 5x10 mm w zakresie temperatur 0 ÷50°C jest niższa od 8 J, a poziom dobrej udarności dla tej geometrii próbek wynosi ≥ 15 J.Wyższą udarność wykazują wysokowytrzymałe pręty średniowęglowe produkowanemetodą umacniania cieplnego bezpośrednio po walcowaniu, o strukturze mieszanej zudziałem odpuszczonego martenzytu.Stale wysokowęglowe, z jakich obecnie produkowane są wysokowytrzymałe cięgnasprężające, są niespajalne. Podatność do spajania lub zgrzewania, czyli możliwośćwykonania spoin bez pęknięć o wymaganych własnościach wytrzymałościowych iplastycznych, określa się na podstawie składu chemicznego stali za pomocą wartościrównoważnika węgla, oznaczonego symbolem CE, CE lub Ceq. Stosowane są różne wzory naobliczanie CE [11, 12], ale najczęściej używana jest następująca formuła:

15Ni%

5)V%Mo%Cr(%

6Mn%C%CE +

++++= (2)

Jeżeli wartość równoważnika CE przewyższa 0,6, prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięćspawalniczych jest wysokie. Dla wysokowęglowych stali sprężających równoważnik węglaCE przyjmuje wartości powyżej 0,85. W takich przypadkach spajanie można przeprowadzićspecjalnymi metodami, z zastosowaniem podgrzewania elementów przed spajaniem (cojednak powoduje zmianę ich własności mechanicznych) i obróbki cieplnej bezpośrednio pospajaniu.

(a)

(b)

Rys. 2.a) Wysokowytrzymały pręt sprężający o nominalnej średnicy 15 mm i o użebrowaniu

gwintowym, o wytrzymałości Rm > 1100 MPa, granicy plastyczności Re > 900MPa i wydłużeniu względnym A5 > 7%, po pozytywnym przejściu próby zginaniana trzpieniu o średnicy 6d w temperaturze otoczenia.

b) Mikrostruktura pręta w postaci drobnopłytkowego perlitu. Powiększenie 5000x,[1].

Rys. 3. Zakresy wartości granicy plastyczności i odpowiadające im zakresy wartościudarności (mierzonej w temperaturze otoczenia na znormalizowanych próbkach Charpy V)

dla różnych klas stali1 - stale węglowe i stopowe ulepszone cieplnie2 - stale mikrostopowe perlityczno-ferrytyczne3 - stale mikrostopowe perlityczno-ferrytyczne o podwyższonej ciągliwości4 - niskowęglowe stale o strukturze dyslokacyjnego martenzytu listwowego i/lub bainitu

dolnego5 - stale perlityczne węglowe (niestopowe) i niskostopowe.

Rys. 4. Zależność energii pochłanianej w próbie łamania udarowego próbek o przekrojupoprzecznym 5x10 mm z naciętym karbem Charpy V, od temperatury łamania.

Na wykresie zamieszczono zależności dla dwóch różnych struktur perlitu :drobnoziarnistego i gruboziarnistego. (Odległości międzycząstkowe dla obydwóch

struktur były jednakowe, równe 0,2 mm) [10].

Temperatura badania, ° C

Małe ziarna perlitu

Duże ziarna perlitu

Ener

gia ła

man

ia, J

5. Dostępność cięgien sprężających na rynku polskim

Obecnie w Polsce nie są produkowane cięgna sprężające spełniające standardy światowe,określone np. wymaganymi parametrami zawartymi w normie PN-B-03264 : 1999„Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone” i posiadające dopuszczenia do stosowania wpostaci Aprobaty Technicznej Instytutu Techniki Budowlanej. Na rynku krajowym sądostępne wyroby importowane posiadające Aprobatę Techniczną ITB.Krajowi producenci prętów żebrowanych są na etapie wdrażania do produkcji prętówsprężających.

Piśmiennictwo

[1] Kuziak R. : Nieopublikowane sprawozdania z badań – Technologia produkcji prętów dosprężonego betonu. Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice, 2001

[2] Kuziak R. i in. : Zgłoszenie patentowe Nr 332463 „Sposób utwardzania prętówstalowych do betonu sprężonego” Biuletyn Urzędu Patentowego Nr 21, 2000,s. 12

[3] Bik J. i in. : Zgłoszenie patentowe Nr 334505 „Stal na pręty o minimalnej granicyplastyczności 900 MPa po hartowaniu powierzchniowym z temperatury walcowania”,Biuletyn Urzędu Patentowego Nr 2, 2000, s. 42

[4] Garbarz B. : Stale mikroskopowe przeznaczone na wyroby kute. Prace InstytutuMetalurgii Żelaza, t. 43, 1991,nr 3-4, s.23

[5] Garbarz B., Kuziak R. : The effect of microalloying on microstructure and properties ofmedium – and high – carbon ferrite-pearlite steels (0,25-0,80%C). Proc. Int. Conf.„Microalloying`95”, Pittsburgh, USA, June 1995, Iron and Steel Society 1995, s. 409

[6] Kondek T., Pietrzyk M, Kuziak R., Zalecki W. : Matematyczne modelowanie procesówumacniania cieplnego profili kształtowych ze stali perlitycznych z uwzględnieniemprzemian fazowych zachodzących w silnie zróżnicowanych warunkach wymiany ciepła.Przegląd Mechaniczny, t. 60, 2001, z. 4, s. 5

[7] Pickering F. B., Garbarz B. : Strengthening in pearlite formed from thermomechanicallyprocessed austenite in vanadium steels and implications for toughness. Mater. Sci.Technol., t. 5, 1989, s. 227

[8] Han K., Edmonds D. V., Smith G. D. W. : Optymization of Mechanical Properties ofHigh-Carbon Pearlitic Steels with Si and V Additions. Metallurgical and MaterialsTransactions, t. 32A, 2001, s. 1313

[9] Grosman F., Herian J., Oskędra K. : Kształtowanie struktury wysokowytrzymałychdrutów ze stali ferrytyczno-martenzytycznych . Materiały V MiędzynarodowejKonferencji Ciągarskiej, Włocławek maj 1996, Wyd. Pol. Częstochowskiej, 1996, s.87

[10] Garbarz B., Pickering F. B. : Effect of pearlite morphology on impact toughness ofeutectoid steel containing vanadium. Mater. Sci. Technol., t. 4, 1988, s. 329

[11] ASM Specialty Handbook-Carbon and Alloy Steels. ASM International, 1996[12] Welding of HSLA (Microalloyed) Structural Steels. Proc. Intern. Conf., ASM, 1978

stal sprężająca, typy i rodzaje cięgien sprężających

Documents