BETONUL ARMAT

BETONUL ARMAT

4.1 CONLUCRAREA DINTRE BETON SI ARMATURA

4.1.1 Natura aderentei

Asocierea si conlucrarea betonului cu armatura este necesara deoarece, in principal, armatura are rolul de a prelua eforturile de intindere pe care betonul simplu nu are capacitatea necesara de a le prelua, rezistenta lui la intindere fiind foarte mica.

Conlucrarea dintre cele doua materiale este posibila deoarece la suprafata de contact dintre acestea se realizeaza o legatura cunoscuta sub numele de aderenta, care ia nastere in cursul procesului de intarire a betonului. Aderenta impiedica lunecarea armaturii si asigura caracterul monolit al elementului de beton armat pana la rupere. Chiar daca betonul solicitat la intindere fisureaza si armatura luneca in beton pe o anumita portiune in imediata vecinatate a fisurii, conlucrarea dintre cele doua materiale continua sa existe pe distanta dintre fisuri. Conlucrarea celor doua materiale este favorizata de marimile apropiate ale coeficientilor lor de dilatare termica.

Cauze ale aderentei::

incleierea (adeziunea) pastei de ciment pe armatura;

inclestarea (impanarea) betonului in neregularitatile de pe suprafata armaturii;

frecarea dintre armatura si beton in procesul smulgerii barei.

Incleierea reprezinta adeziunea gelurilor din pasta de ciment la suprafata armaturii, care prin intarire, asigura conlucrarea celor doua materiale. Aportul incleierii la valoarea totala a efortului unitar de aderenta este destul de mic, reprezentand, in medie, circa 10% din efortul total. Efortul unitar de aderenta datorita incleierii poate fi determinat masurand forta necesara pentru dezlipirea unei probe de beton turnata pe o placa metalica slefuita (fig.4.1a). In cazul barelor netede, ponderea incleierii din eforul unitar total de aderenta este mai mare comparativ cu barele cu profil periodic.

Fig. 4.1 Cauzele aderentei

Inclestarea betonului in neregularitatile de pe suprafata armaturilor reprezinta factorul esential in explicarea fenomenului de aderenta.

Barele cu suprafata neteda obtinute prin laminare au pe suprafata lor o serie de neregularitati variind intre (40 120)m, neregularitati inerente procesului de laminare, care nu sunt insa evidente la o cercetare sumara cu ochiul liber. Pasta de ciment intra in aceste neregularitati, se intareste, iar la smulgerea barei din beton are loc o forfecare a pietrei de ciment la nivelul neregularitatilor armaturii.

La barele cu profil periodic, la care exista - prin laminare - nervuri transversale, de ordinul milimetrilor, dispuse regulat, efectul inclestarii este mult mai mare. La aceste arm. in momentul smulgerii se creeaza un plan potential de forfecare la nivelul superior al nervurilor transversale (fig. 4.1b). S-a constatat ca efortul unitar de aderenta datorita inclestarii poate sa reprezinte pana la 70% din efortul unitar total de aderenta.

Frecarea dintre beton si armatura datorita contractiei se produce o presiune concentrica asupra armaturii ceea ce determina o frecare importanta la smulgerea barei (fig.4.1c). Pe baza cercetarilor experimentale s-a ajuns la concluzia ca efortul unitar de aderenta datorita frecarii reprezinta 15% pana la 20% din valoarea efortului unitar total de aderenta.

4.1.2 Determinarea efortului unitar de aderenta

Cea mai simpla metoda pentru determinarea efortului unitar de aderenta consta in smulgerea unei bare de otel dintr-o proba de beton, cubica sau cilindrica. Smulgerea se poate face solicitand bara la intindere sau, mai rar, la compresiune, masurand forta care trebuie aplicata la un capat al barei pentru a o face sa lunece in proba de beton (fig.4.2)

Fig. 4.2 Determinarea marimii efortului unitar de aderenta

Smulgerea barei din beton are aspecte diferite in functie de tipul armaturii, astfel, in momentul distrugerii aderentei bara neteda luneca prin beton, manifestandu-se numai o frecare redusa. In cazul barelor cu profil periodic nu se produce cedarea in lungul planului potential de forfecare, ci se formeaza fisuri interne ca in figura 4.3a, deoarece efortul unitar principal     a depasit rezistenta la intindere a betonului R_t. Aceste fisuri apar in jurul armaturii si au o inclinare de circa 60⁰ fata de axa longitudinala a barei. Def. dintilor de beton - formati ca urmare a fisurarii interne - produce o crestere a presiunii generate de contractia betonului asupra armaturii. In plus, portiunile detasate din structura bet. la supraf. de contact cu armatura produc un efect de impanare al armaturii in beton si in consecinta o sporire a presiunilor exercitate asupra barei. Sporirea presiunilor asupra barei atrage dupa sine cresterea frecarii si deci a aderentei dintre beton si armatura. Eforturile unitare inelare produse de extragerea armaturii, tot ancorata in beton pe masura cresterii fortei de smulgere, cresc tot mai mult producand in final despicarea betonului printr-o fisura radiala (fig. 4.3b).

Fig. 4.3 Modelul aderentei dintre beton si armatura cu profil periodic

In conformitate cu STAS 10107/0-90, efortul unitar de aderenta     se poate lua in considerare dupa cum urmeaza:

    pentru bare cu profil periodic;

    pentru bare netede;

    pt. bare netede, in peretii rezerv. si silozurilor executate in cofraje glisante.

Normele europene EC2 prevad pentru det. ef. unitar de aderenta urmatoarele relatii:

    pentru bare netede

    pentru bare cu aderenta ridicata.

In prezenta unei presiuni transversale medii p_med (N/mm²), perpendiculara pe planul posibil de despicare, valorile de mai sus se multiplica cu coeficientul 1/(1 - 0,04/ p_med), dar care nu va depasi valoarea 1,4.

4.1.3 Repartitia eforturilor unitare de aderenta

Repartitia eforturilor unitare de aderenta transmise de la armatura la beton este neuniforma in masa acestuia, atat in sens transversal, cat si in sens longitudinal.

Repartitia eforturilor unitare de aderenta in sens transversal armaturii este functie de dist. de la armatura. La smulgerea unei bare de otel din bet. acesta se deformeaza pe o anumita portiune, de raza r, denumita zona de influenta (fig. 4.4). Se constata ca bet. este puternic antrenat in deformatii in vecinatatea imediata a armaturii si ca aceasta deformatie scade odata cu cresterea distantei; la o anumita departare de arm. bet. nu se mai deformeaza oricare ar fi valoarea ef. unitar din arm. Experimental s-a constatat ca marimea zonei de influenta creste cu marirea diametrului armaturii si scade la bet. de calitatea superioara. Dupa unii cercetatori raza de actiune ar fi r = (10 15)d, altii insa admit valori mai mici, r = 2,5d. Cunoasterea zonei de influenta este necesara pentru o pozitionare mai rationala a armaturii in sectiunea transversala a elementului, atunci cand acest lucru este posibil.

Daca intr-un element din beton se afla mai multe armaturi, influenta lor poate sa se suprapuna prin intersectarea zonelor de influenta.

Cond. cele mai bune de transmitere a ef. de la arm. la bet. au loc atunci cand zonele de influenta sunt tangente exterioare si deci nu se suprapun; in cazurile curente, cand distanta min. dintre arm. se ia ³ d sau ³ 25mm, se produce suprap. zonelor de influenta.

Distributia eforturilor unitare de aderenta in lungul armaturilor prezinta importanta atat pentru calculul fortei de aderenta cat si pentru calculul starii de fisurare a elementelor din beton armat. Pentru o bara inglobata in beton, diagrama reala de distributie a eforturilor unitare de aderenta are forma din figura 4.5. Pentru cazurile practice s-au admis diagrame simplificate, mai des folosite fiind diagrama dreptunghiulara si cea triunghiulara.

Admitand una din legile de variatie a ef. unitar de aderenta, se poate det. lungimea minima de ancorare a armaturii in beton din conditia ca distrugerea aderentei sa se produca simultan cu curgerea armaturii. In cazul distributiei dreptunghiulare cu , rezulta:

de unde:

Deoarece efortul unitar mediu de aderenta     este proportional cu rezistenta la intindere a betonului R_t, in STAS 10107/0-90 lungimea de ancorare l_a se exprima in functie de raportul R_a / R_t conform relatiei (13.5). Modul practic de ancorare in beton a barelor de armatura este prezentat in detaliu la punctul 13.3.

4.1.4 Factorii care influenteaza aderenta

Calitatea betonului. Aderenta creste odata cu cresterea calitatii betonului, fiind legata in mod direct de rezistenta la intindere. Prin urmare toti factorii care influenteaza calitatea betonului (dozajul si natura mineralogica a cimentului, factorul A/C, compactitatea etc), si in special rezistenta lui la intindere, vor influenta si marimea efortului unitar de aderenta.

Dozajul de ciment. Aderenta se imbunatateste odata cu sporirea dozajului de ciment, deoarece marirea cantitatii pastei de ciment asigura o incleiere si o inclestare mai buna la suprafata de contact dintre cele doua materiale.

Raportul apa-ciment Aderenta scade odata cu cresterea raportului A/C, atat ca urmare a reducerii compactitatii betonului cat si ca urmare a formarii unor pungi de apa sub portiunile orizontale ale barelor. In timp, apa din aceste pungi se evapora, iar armatura nu mai ramane in contact intim cu betonul in zona respectiva.

Compactarea betonului. Utilizarea unor mijloace mecanice de punere in opera influenteaza favorabil rezistentele betonului, deci si aderenta dintre beton si armatura.

Pozitia armaturii in raport cu directia betonarii. Armaturile asezate orizontal, in momentul turnarii si compactarii betonului, prezinta o aderenta mai slaba decat cele asezate vertical, deoarece tasarea betonului proaspat provoaca pungi de apa si aer sub armaturi reducand suprafata de contact dintre armatura si beton. De asemenea aderenta dintre cele doua materiale mai depinde si de tasarea betonului proaspat. Influenta tasarii plastice a betonului proaspat este mai accentuata la barele asezate la partea superioara a elementelor, aderenta acestor bare reducandu-se pana la 75% fata de aceea a barelor de la partea inferioara. Aceasta reducere se datoreaza aparitiei unor fisuri longitudinale deasupra armaturii (fig. 11.1g). Aceste bare sunt considerate, conform STAS 10107/0-90, ca aflandu-se in conditii defavorabile de aderenta (pct. 13.3.1.1).

Forma sectiunii transversale a armaturii. In conditii similare de incercare efortul unitar de aderenta depinde de forma sectiunii si de tipul armaturii. In conditiile aceluiasi beton, pentru diferite tipuri de armaturi au fost stabilite, experimental, urmatoarele valori ale efortului unitar de aderenta (N/mm²):

Se poate constata ca cea mai buna aderenta o au barele cu sectiune circulara, forma care se foloseste cu preponderenta la alcatuirea elementelor de beton armat. In cazul barelor necirculare compactarea betonului poate fi necorespunzatoare, in colturile profilurilor se produc concentrari de eforturi care conduc la distrugeri locale si in consecinta aderenta scade.

Diametrul si numarul barelor. In conditii similare de experimentare, efortul unitar de aderenta scade atunci cand diametrul d al armaturii creste, asa cum se poate constata din diagrama obtinuta experimental si prezentata in figura 4.6a. Pentru asigurarea unei aderente corespunzatoare, legat de necesitatea inglobarii barelor intr-un anumit volum minim de beton, normele prescriu in functie de tipul elementului si al armaturii distanta minima dintre bare. Prevederile pentru stalpi si grinzi sunt prezentate la punctele 13.6.1, respectiv 13.7.1.

Grosimea stratului de acoperire cu beton. In functie de conditiile de exploatare, grosimea stratului de acoperire cu beton a armaturilor, pentru diferite elemente de constructii, este cuprinsa intre 1035 mm. Stratul de acoperire cu beton asigura in acelasi timp protectia armaturii impotriva coroziunii, motiv pentru care in anumite conditii grosimea lui se majoreaza. Diminuarea stratului de acoperire cu beton conduce la scaderea aderentei deoarece presiunile radiale, exercitate prin contractia betonului asupra armaturii (fig. 4.1c), se reduc. Prevederile normelor referitoare la stratul de acoperire cu beton sunt prezentate la punctul 13.2.

Lungimea de inglobare a barei in beton. Testele experimentale au relevat ca efortul unitar de aderenta scade odata cu cresterea lungimii de inglobare (fig. 4.6b). Aceste rezultate sunt o confirmare a faptului ca distributia efortului unitar de aderenta in lungul barei nu este uniforma.

Natura suprafetei armaturilor. Pe baza rezultatelor experimentale s-a constatat ca barele cu profil periodic laminate la cald (PC) prezinta o aderenta de 35 ori mai mare decat cea a barelor cu suprafata neteda. Efectul ruginii incipiente si neregularitatile suprafetei barei obtinute la laminare (tunderul) joaca, la scara redusa, rolul profilelor barelor laminate la cald. Barele ruginite a caror strat de rugina are tendinta de exfoliere se curata cu perii de sarma rezultand o rugozitate mai pronuntata si o aderenta mai buna.

Dupa activarea aderentei, care are loc la o deplasare de 0,01 mm a capatului liber al barei, efortul unitar de aderenta creste, valoarea lui maxima atingandu-se la o deplasare de 0,25 mm in cazul barelor netede, respectiv 1 mm in cazul barelor cu profil periodic.

Armarea transversala. Ancorarea armaturii in beton si in special a armaturii cu profil periodic duce la tensiuni transversale in masa betonului (fig. 4.2b) datorita efectului de impanare al neregularitatilor. La smulgerea unor bare cu profil periodic s-a observat aparitia unor fisuri longitudinale si despicarea epruvetelor in momentul smulgerii (fig. 4.3b). Armatura transversala sub forma de freta, etrieri sau plase sudate impiedica deformatiile transversale ale betonului, marind forta de aderenta. Pe baza rezultatelor experimentale s-a constatat ca la armaturile cu profil periodic PC, freta sporeste aderenta de 3 5 ori fata de ceea inregistrata in cazul elementelor nefretate, in timp ce la barele cu suprafata neteda acest spor este de numai 50%.

Fig. 4.6 Variatia efortului unitar de aderenta in functie de

diametrul barei si de lungimea de inglobare

Modul de solicitare. Aderenta dintre beton si armatura se diminueaza in cazul cand solicitarile nu au un caracter static. In cazul elementelor structurilor antiseismice sau a celor supuse la oboseala, aderenta dintre beton si armatura se poate diminua cu pana la 25%, datorita conditiilor severe de solicitare (13.3.1.1).

Modul de pastrare. Diferenta dintre eforturile unitare de aderenta la pastrarea in mediu umed sau uscat este sensibila numai la betoane de varsta mai mare, cand probele pastrate in mediu umed prezinta o aderenta cu (1015)% mai mare decat cele pastrate in mediu uscat. Daca imediat dupa turnare survine un inghet, aderenta dintre beton si armatura scade foarte mult. Experimental, la betoanele inghetate s-au inregistrat rezistente la aderenta mult diminuate fata de cele intarite normal.