ПРОКАТНЫЙ ПРОФИЛЬ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ Российский патент 2007 года по МПК B21B1/16 

Изобретение относится к арматурным элементам, предназначенным для армирования железобетонных конструкций, в том числе с напрягаемой арматурой, и может найти применение для армирования железобетонных шпал, брусьев и т.д.

Известен прокатный профиль арматурной стали, выполненный из круглого сечения стержня, содержащий на поверхности два ряда вмятин, образованных при изготовлении путем смятия металла /1, 2/. При этом вмятины имеют эллипсовидную /1/ или более сложную /2/ форму и наклонены к продольной оси стержня под некоторым углом. Недостатком такого профиля арматурной стали является то, что для формирования углублений требуются два валка, охватывающих почти половину сечения стержня каждый, что требует более точного и более трудоемкого изготовления инструмента, т.к. глубина вмятин должна быть ограниченной, поскольку вмятины являются концентраторами напряжений, а в процессе натяжения арматуры и последующей работы в железобетонном изделии величина напряжений в стержне близка к пределу текучести.

Известен прокатный профиль арматурной стали, выполненный из круглого сечения стержня, содержащий на поверхности как минимум шесть рядов ребер, образованных вмятинами в металле, при этом три ряда ребер наклонены к продольной оси стержня под одним углом, а другие три смежных ряда ребер наклонены под симметричным углом, образуя "елочку" /3/. Шесть рядов ребер (и соответственно вмятин) целесообразно использовать на стержнях большого диаметра (более 15 мм), в противном случае вмятины будут незначительной длины и будет недостаточное сцепление с бетоном при небольшой глубине вмятин, или же использовать в конструкциях не требующих натяжения арматурных стержней.

Наиболее близким к заявляемому объекту является прокатываемый в холодном состоянии профиль арматурной стали, выполненный из стержня круглого сечения, имеющий на поверхности от 2 до 6, преимущественно три ряда вмятин, образованных дугами разных радиусов, при этом вмятины имеют более постоянную глубину и крутые фланги /4/, он и взят за прототип. Наклон оси симметрии вмятин к оси стержня составляет от 60° до 90°, а также предложен ряд параметров углублений. Так, для арматурного стержня, имеющего три ряда углублений, параметры следующие: D=0,75ds; B=0,72ds; s=0,25ds; b=0,8ds; t=0,06ds. Недостатки следующие. Угол наклона оси вмятины велик, т.к. такая вмятина по сути будет являться трещиноподобным концентратором напряжений, тем более для случая 90° - на главной площадке напряжений. Параметры D и b связаны (размер вмятины, измеренный по окружности, и размер между вмятинами также вдоль окружности стержня), поэтому для трех рядов должно соблюдаться равенство размеров длине окружности стержня, т.е. π·ds=3·(D+b). Из приведенных выше данных следует 3·(0,75ds+0,8ds)=4,65ds, что больше длины окружности и соответственно не выполнимо, т.к. вмятины будут заходить одна на другую. Большая глубина вмятин t, с одной стороны, будет улучшать сцепление с бетоном, с другой стороны, также будет вести к концентрации напряжений в стержне. Поэтому в целом необходимо изменение параметров вмятин и их геометрии для снижения концентрации напряжений, но сохранения или улучшения сцепления с бетоном.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение сцепления прокатного профиля арматурной стали с бетоном, при упрощении изготовления, а также соблюдение прочностных параметров арматурного стержня, имеющего профиль, содержащий вмятины, для возможности применения в производстве железобетонных конструкций, использующих напрягаемую арматуру.

Для достижения этого технического результата в прокатном профиле арматурной стали, изготовленном из профиля круглого сечения, с трех сторон которого выполнены вмятины, формирующие три продольных ряда на поверхности стержня, при этом каждая вмятина выполнена криволинейной формы, в сечении стержня по продольным осям вмятин каждая вмятина имеет серповидный профиль, продольные оси вмятин одного ряда параллельны между собой и ориентированы под углом α величиной от 40° до 50° к продольной оси стержня, при этом продольные оси вмятин двух рядов параллельны между собой по развертке поверхности стержня, а продольные оси вмятин третьего ряда ориентированы под углом β величиной от 80° до 100° к продольным осям вмятин предыдущих двух рядов, причем в продольное сечение по оси стержня никогда не попадает более двух рядов вмятин.

Для упрощения изготовления инструмента при выполнении вмятин и получения требуемых характеристик изделия очертание каждой вмятины на поверхности стержня ограничено с двух сторон двумя кривыми линиями, разнесенными в наибольшей части вдоль оси стержня на расстояние b и формирующими стенки вмятины, а с других двух сторон ограничено линиями плавного перехода на окружность стержня.

Для меньшего износа инструмента, а также снижения концентрации напряжений в стержне угол наклона ϕ боковой стенки вмятины к ее основанию выполнен от 40° до 50°.

Для обеспечения лучшего сцепления с бетоном с учетом обеспечения прочностных параметров стержня предусмотрены следующие геометрические размеры вмятин:

максимальная ширина вмятины, измеренная вдоль оси стержня, составляет b=(от 0,25 до 0,5)·d;

размер шага вмятин в продольном ряду составляет t=(от 0,45 до 0,8)·d;

максимальная глубина вмятины составляет а=(от 0,01 до 0,03)·d;

расстояние с между линиями плавного перехода двух смежных продольных рядов вмятин определяется соотношением (0,2·π·d≥3·с≥0).

Где d - номинальный диаметр стержня.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен прокатный профиль стержня арматурной стали согласно изобретению; на фиг.2 - сечение арматурного стержня по осям вмятин; на фиг.3 - сечение вмятины арматурного стержня; на фиг.4 - развертка профиля арматурного стержня.

Прокатный профиль арматурной стали 1 с формой поперечного сечения в виде круга содержит на поверхности три ряда вмятин 2. Вмятины 2 выполнены изменяющейся высоты и в сечении стержня по осям 6 вмятин имеют серповидный профиль 3. Стенки вмятины на поверхности стержня ограничены двумя кривыми линиями 4, разнесенными в наибольшей части вдоль оси стержня на расстояние b. С других двух сторон вмятина ограничена линиями 5 плавного перехода на окружность стержня.

Выбранное расположение рядов вмятин 2 в поперечном сечении стержня под углом порядка 120 градусов позволяет использовать при изготовлении три валка с небольшими вогнутыми рабочими поверхностями для образования вмятин 2. Радиус выступа поверхности валка для формирования вмятины 2 больше радиуса арматурного стержня, что позволяет сделать вмятину 2 переменной глубины серповидного профиля 3 с плавным выходом на поверхность стержня.

Продольные оси 6 вмятин 2 одного ряда параллельны между собой, что обусловлено исполнением профиля валков. Ориентация продольных осей 6 вмятин под углом α величиной от 40° до 50° к продольной оси 7 стержня выбрана с учетом того, что вмятина 2 для стержня является концентратором напряжений, поэтому для снижения влияния концентрации напряжений продольные оси 6 вмятин 2 наклонены под углом, близким к 45°, т.е. вдоль линии максимальных касательных напряжений, что значительно снижает нормальные напряжения, действующие по данным площадкам.

Общая ориентация рядов вмятин 2 такова, что в двух рядах продольные оси 6 вмятин 2 параллельны между собой, а продольные оси 6 вмятин третьего ряда ориентированы под углом β=80°-100° к продольным осям 6 вмятин предыдущих двух рядов. Данная ориентация вмятин "елочкой" требуется для исключения расслоения профиля, когда возможна небольшая разница в линейных скоростях рабочих поверхностей валков, и его скручивания при изготовлении, а также для избежания выкручивания стержня из бетона при передаче напряжения на бетон.

При таком исполнении профиля арматурной стали 1 в продольное сечение по оси стержня никогда не попадает более двух рядов вмятин.

Угол наклона ϕ боковой стенки 8 вмятины к ее основанию 9 также выбран с учетом минимизации концентрации напряжений и составляет ϕ=40°-50°. Увеличение угла наклона стенок приведет к повышению местных напряжений вокруг вмятины, а уменьшение угла наклона ϕ будет ухудшать сцепляемость с бетоном.

Параметры вмятин 2 выбраны с учетом диаметра стержня d. Максимальная ширина b вмятины 2, измеренная вдоль оси стержня составляет (от 0,25 до 0,5)·d. Значения выбраны как соизмеримые с размерами мелкой фракции заполнителя (0,14-5 мм). Меньшие значения ширины b не обеспечат хорошее заполнение вмятин растворной составляющей бетона и ухудшат условия сцепления с бетоном, а большие - снизят прочность арматурного стержня. Размер шага t вмятин 2 в продольном ряду составляет (от 0,45 до 0,8)·d и, как правило, соответствует величине, близкой к удвоенной ширине вмятины, и выбран также с учетом неослабления стержня. Максимальная глубина а вмятины 2 составляет (от 0,01 до 0,03)·d. Нижняя граница ее значений также ограничена исходя из размеров мелкой фракции заполнителя и обеспечения достаточного сцепления с бетоном, а верхняя граница ограничена прочностными параметрами, т.е. для данных значений снижение сечения стержня составляет порядка 2-6%. Расстояние с между линиями плавного перехода двух смежных продольных рядов вмятин определяется соотношением (0,2·π·d≥3·c≥0). При изготовлении необходимо стремиться к уменьшению данного размера с, но, как правило, он обусловлен зазорами при установке инструмента (валков). Отрицательные значения данного размера, т.е. перехлест вмятин, приведут к нарушению системы расположения вмятин, описанной выше.

В качестве примера, для арматурного стержня диаметром порядка 10 мм, используемого при изготовлении предварительно напряженных железобетонных шпал, геометрические параметры вмятин (b, t, а) следует выбирать ближе к середине указанных интервалов, а расстояние с - в заданных пределах в зависимости от используемого инструмента.

Предлагаемый профиль арматурной стали может быть прокатан в трехвалковом калибре прокатного стана и, поскольку он изготовлен из профиля круглого сечения и не имеет разнородных выступов, это способствует свободному перемещению стержней в трассе, уменьшает ее износ и вероятность застревания стержней. Данный профиль прост в изготовлении и не требует дополнительных приспособлений при сравнении с прототипом.

Заявляемый прокатный профиль арматурной стали обеспечивает требуемую сцепляемость с бетоном за счет постепенного вовлечения в работу стального стержня благодаря вмятинам, заполненным бетоном. Наличие вмятин, заполненных бетоном при армировании напряженных железобетонных конструкций, создает усилия, препятствующие продольным и вращательным перемещениям стержня в бетоне. Геометрические параметры и конфигурация вмятин обеспечивают достаточную прочность арматурных стержней при их нагружении в процессе изготовления и эксплуатации железобетонной конструкции, например шпалы.

Для известных профилей заанкеривание, при передаче предварительного напряжения арматуры на бетон, происходит на глубине 4-10 диаметров стержня от торца бетона, а смягчение профиля, по предлагаемому изобретению, в связи с углами α, ϕ дает возможность некоторого проскальзывания арматуры на торцах изделия и заанкеривание происходит и постепенно возрастает на глубине 7-12 диаметров стержня, т.е. в процессе изготовления снижается вероятность растрескивания бетона на торце тонкостенной железобетонной конструкции.

Источники информации

1. JP 09-314270, Е04С 5/03, 09.12.1997, "Wire having indent-shaped impression".

2. JP 08-284313, E04C 5/03, 29.10.1996, "Screwed-knotted type high strength bar excellent in availability for bending processing".

3. EP 0601630, E04C 5/03, 15.06.1994, "Metal rod and a method for manufacturing same".

4. EP 0738361, E04C 5/03; B21B 1/16, 23.10.1996, "Cold-rolled reinforcing steel and process for its manufacture", (прототип).

Профиль предназначен для армирования железобетонных конструкций, в том числе шпал, брусьев и т.д. Профиль изготовлен из стержня круглого сечения. С трех сторон профиля выполнены три продольных ряда вмятин серповидного профиля. Продольные оси вмятин одного ряда параллельны между собой и ориентированы под углом α величиной от 40° до 50° к продольной оси стержня. Продольные оси вмятин двух рядов параллельны, третьего ряда - ориентированы под углом β величиной от 80° до 100° к осям вмятин предыдущих двух рядов для исключения расслоения профиля, его скручивания при изготовлении и выкручивания стержня из бетона при эксплуатации. В продольное сечение по оси стержня никогда не попадает более двух рядов вмятин. Упрощение изготовления и обеспечение лучшей сцепляемости с бетоном при сохранении прочности арматуры достигается за счет выполнения профиля с регламентированными геометрическими параметрами. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Прокатный профиль арматурной стали, изготовленный из стержня круглого сечения, с трех сторон которого выполнены вмятины, формирующие три продольных ряда на поверхности стержня, при этом каждая вмятина выполнена криволинейной формы, отличающийся тем, что в сечении стержня по продольным осям вмятин каждая вмятина имеет серповидный профиль, продольные оси вмятин одного ряда параллельны между собой и ориентированы под углом α величиной от 40 до 50° к продольной оси стержня, при этом продольные оси вмятин двух рядов параллельны между собой по развертке поверхности стержня, а продольные оси вмятин третьего ряда ориентированы под углом β величиной от 80 до 100° к продольным осям вмятин предыдущих двух рядов, причем в продольном сечении по оси стержня расположено не более двух рядов вмятин.2. Прокатный профиль арматурной стали по п.1, отличающийся тем, что очертание каждой вмятины на поверхности стержня ограничено с двух сторон двумя кривыми линиями, разнесенными в наибольшей части вдоль оси стержня на расстояние b и формирующими стенки вмятины, а с других двух сторон ограничено линиями плавного перехода на окружность стержня.3. Прокатный профиль арматурной стали по п.1, отличающийся тем, что угол наклона ϕ боковой стенки вмятины к ее основанию составляет от 40 до 50°.4. Прокатный профиль арматурной стали по п.1, отличающийся тем, что вмятины имеют следующие геометрические размеры: максимальная ширина вмятины, измеренная вдоль оси стержня составляет b=(0,25-0,5)·d, размер шага вмятин в продольном ряду составляет t=(0,45-0,8)·d, максимальная глубина вмятины составляет а=(0,01-0,03)·d, расстояние с между линиями плавного перехода двух смежных продольных рядов вмятин определяется соотношением (0,2·π·d≥3·c≥0), где d - диаметр стержня.