WYNIKI BADAŃ

Na (rys. 4) przedstawiono określone eksperymentalnie, uśrednione zależności naprężenie-odkształcenie przy rozciąganiu badanych prętów w wysokich temperaturach (znaczniki wypełnione). Dodatkowo podano tam wykresy opracowane na podstawie zaleceń EN 1992-1-2 [5] (znaczniki niewypełnione). Wykresy te są różne dla prętów poszczególnych średnic, ponieważ do modelu [5] wstawiono wartość granicy plastyczności stali określoną eksperymentalnie w temperaturze pokojowej (tab.1). Należy przypomnieć, iż zależności

Mocowanie górne

Dolna szczęka Próbka

Piec Narzędzie do pomiaru odkształceń

długość pomiarow a

Próbka

Ekstensometry Zacisk górny

Zacisk dolny Termoelementy, 5 szt.

podane na (rys. 4) nie uwzględniają swobodnego, wydłużenia termicznego stali.

Rys. 4. Zależności naprężenie-odkształcenie przy rozciąganiu prętów w wysokich temperaturach

We wszystkich temperaturach uzyskane eksperymentalnie zależności naprężenie-odkształcenie są, w początkowej fazie rozciągania położone bardzo blisko siebie. Różnice między wykresami, początkowo małe uwidaczniają się dopiero przy większych odkształceniach, gdy są już bliskie zerwania badanych prętów. Można wnioskować, że wyrażona wstępnie przez autorów obawa, iż zachowanie się prętów różnych średnic w wysokiej temperaturze nie musi być jednakowe, nie znalazła potwierdzenia w wynikach przeprowadzonych badań.

W niezbyt wysokich temperaturach (100 i 200^oC), z określonych zależności można wyraźnie wyodrębnić zakres liniowy oraz odkształcenie, przy którym nastąpiło uplastycznienie prętów, wynoszące nieco ponad 2‰. W wyższych temperaturach wykresy

„wyginają się”, co jest zgodne z zaleceniami modelu podanego w [5], a zniszczenie prętów następuje przy dużo większych odkształceniach.

W (tab. 2) podano naprężenia, przy których odkształcenia badanych prętów osiągnęły wartość 20‰. Z praktycznego punktu widzenia wystąpienie takiego odkształcenia można uznać za zniszczenie pręta [8]. Biorąc pod uwagę, że w warunkach wysokiej temperatury nie ma sensu rozdzielenie pojęć granica plastyczności i wytrzymałość stali na rozciąganie [3], wartości naprężeń podane w (tab. 2) można również traktować jako granicę plastyczności stali występującą w wysokiej temperaturze.

Tablica 2. Naprężenia w prętach odpowiadające wystąpieniu odkształcenia wynoszącego 2‰ (praktycznie odpowiadające zerwaniu prętów)

Naprężenia, MPa, w zależności od temperatury Średnica pręta, mm

100 ºC 200 ºC 300 ºC 400 ºC 500 ºC 600 ºC

10 554 536 569 523 447 314

12 527 541 543 484 414 294

16 560 553 570 513 436 274

Na (rys. 5) przedstawiono wykresy współczynnika redukcji wytrzymałości stali (ks,θ = fy,θ/fyk) w zależności od temperatury. Wartości odłożone na osi pionowej odpowiadają stosunkowi naprężenia, podanego w (tab. 2) do średniej granicy plastyczności stali w temperaturze pokojowej, określonej eksperymentalnie (tab. 1). Dodatkowo na (rys. 5) naniesiono wykres współczynnika ks,θ rekomendowany w EN 1992-1-2 [5] dla stali walcowanej na gorąco oraz wyniki badań zaczerpnięte z prac [10 i 12].

Wszystkie wyniki badań są bliskie wartościom określonym na podstawie modelu normowego [5]. W przypadku prętów o średnicy 16 mm, w przedziale temperatur od 100 do 300^oC uzyskano wartości współczynnika ks,θ, nieco większe od jedności. Zdaniem autorów jest to związane ze stosunkowo niską wartością granicy plastyczności tych prętów określoną eksperymentalnie w temperaturze pokojowej (tab. 1).

Wartości naprężeń podane w (tab. 2) są dla prętów poszczególnych średnic zbliżone do siebie. Pozwala to ponownie wnioskować, że wyrażona wstępnie przez autorów obawa, iż zachowanie się prętów różnych średnic w wysokiej temperaturze nie musi być jednakowe, nie znajduje potwierdzenia w wynikach przeprowadzonych badań.

Z praktycznego punktu widzenia na podkreślenie zasługuje dobra zgodność wyników prezentowanych tu badań z wynikami badań, przeprowadzonych przez autorów, przedstawionych w pracy [10]. Badania te wykonano w zmiennej temperaturze. Pręty uprzednio obciążone do założonego poziomu naprężeń były ogrzewane w tempie 10^oC/min.

Można zatem wnioskować, iż przy takim tempie wzrostu temperatury wpływ odkształceń prętów wywołanych pełzaniem stali jest mało istotny i może być pominięty. Oznacza to, że podczas prognozowania zachowania się zbrojenia zginanych elementów żelbetowych narażonych na działanie pożaru wystarczy uwzględniać jedynie sumę odkształceń spowodowanych występowaniem naprężeń i swobodnych odkształceń termicznymi stali.

0,0

Wg [5], stal walcowana na gorąco

Wg [12], stal walcowana na gorąco, średnica prętów 10 mm

Rys. 5. Względne zmniejszenie wytrzymałości stali na rozciąganie w zależności od temperatury

4. WNIOSKI

Pręty używane obecnie do zbrojenia betonu, produkowane z zastosowaniem technologii umacniania cieplnego mają niejednakowe wartości cech mechanicznych w różnych strefach przekroju. Zasadne wydaje się zatem eksperymentalne badanie stali zbrojeniowej w wysokiej temperaturze, bezpośrednio prętach, a nie na wytoczonych z nich próbkach o mniejszej średnicy.

Wyniki badań prętów o średnicy 10, 12 i 16 mm, wykonanych ze stali gatunku B500SP, przeprowadzone w warunkach nieustalonej wysokiej temperatury nie potwierdziły wstępnych obaw autorów, iż w temperaturach pożarowych obniżenie wartości cech mechanicznych prętów różnych średnic nie musi być jednakowe. Określone eksperymentalnie zależności naprężenie-odkształcenie oraz wartości współczynnika redukcji wytrzymałości stali (ks,θ) w wysokiej temperaturze wydają się być niezależne od średnicy pręta.

Wartości współczynnika redukcji wytrzymałości stali (k_s,θ) określone eksperymentalnie przez autorów w warunkach ustalonej temperatury okazały się zgodne z określonymi w warunkach temperatury nieustalonej, wzrastającej z prędkością 10^oC/min. Można zatem wnioskować, iż przy takim tempie ogrzewania, wpływ odkształceń prętów wywołanych pełzaniem stali jest mało istotny i może być pominięty.

PIŚMIENNICTWO

[1] Anderberg, Y.; Modelling Steel Behaviour. Fire Safety Journal, 13, 1988; p.17-26.

[2] Skowroński W.; Teoria bezpieczeństwa pożarowego konstrukcji metalowych. PWN, Warszawa, 2004.

[3] Abramowicz M., Kowalski R.; Odkształcenia zbrojenia zginanych elementów żelbetowych narażonych na działanie wysokiej temperatury. IV Międzynarodowa Konferencja: Bezpieczeństwo Pożarowe Budowli, Warszawa 2008; Conf. Proc.

[4] Abramowicz M., Kowalski R.; Stress-strain relationship of reinforcing steel subjected to tension and high temperature. International Conference: Applications of Structural Fire Engineering, Prague 2009; Conf. Proc. p.134-139.

[5] EN 1992-1-2: 2004: Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-2: General rules - Structural fire design.

[6] Garbarz B.; Postęp w produkcji i stosowaniu stalowych wyrobów hutniczych do zbroje-nia betonu i na cięgna sprężające. Hutnik - Wiadomości hutnicze, 6, 2002; p. 236-245 [7] Garbarz B.; Pręty żebrowane do zbrojenia betonu klasy 500 TECOR wytwarzane przez

Hutę Ostrowiec S.A. z zastosowaniem technologii umacniania cieplnego. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza, 1, 2001; p. 21 – 37.

[8] Hertz K.D.; Quenched reinforcement exposed to fire. Magazine of Concrete Research, Vol.58, No. 1, 2006; p.43-48.

[9] EN 10002-5: 1991: Metallic materials – Tensile testing – Part 5: Method of testing at elevated temperature.

[10] Abramowicz M., Kisieliński R., Kowalski R.; Mechanical properties of reinforcing bars heated up under steady stress conditions. International Conference: Applications of Structural Fire Engineering, Prague 2011; Conf. Proc.

[11] EN 1992-1-1: 2004: Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-2: General rules and rules for buildings.

[12] Elghazouli A.Y., Cashell K.A., Izzuddin B.A.; Experimental evaluation of the mechanical properties of steel reinforcement at elevated temperature. Fire Safety Journal, 44, 2009; p.909 919.

EXPERIMENTAL EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF