I materiali di costruzione più resistenti e resistenti, che offrono una maggiore resistenza al cemento, sono stati i vantaggi della costruzione di strutture di cemento più resistenti e più resistenti.

Fondamenti di resistenza dei reflui in barre d'acciaio

Il punto di rendimento è il passaggio da un punto di uscita all'altro, in cui il materiale inizia a deformarsi permanentemente (plasticamente) sotto carico di trazione. Nel contesto delle barre di acciaio, definisce lo stress massimo che la barra può sostenere senza subire allungamenti irreversibili.

La resistenza alla resa di una barra regola direttamente la capacità di carico-portante di un membro in cemento armato in tensione o flessione. Doubling della resistenza alla resa raddoppia efficacemente la forza di trazione una barra può resistere alla stessa area trasversale, consentendo ai progettisti di ridurre il numero di barre o il diametro della barra. Tuttavia, la resistenza alla resa più alta spesso viene con ridotta duttilità – la capacità di deformare plasticamente prima della frattura – che è una proprietà critica

Proprietà meccaniche chiave

  • Elastic Modulus:[ La rigidità dell'acciaio (circa 200 GPa) non è significativamente influenzata dalla legatura o dal trattamento termico. La maggiore resistenza alla resa non cambia il modulo, quindi la deflezione elastica dei membri RC rimane governata dalla geometria del cemento e della sezione.
  • Ductility:] Misurato per allungamento percentuale a frattura o per rapporto di resistenza alla trazione a produrre forza (f]] ]/]]]] ottenere più alto
  • Weldability:[] Il contenuto di carbonio aumentato o alcuni elementi di legamento possono rendere le barre inclini a cracking saldato.

Barre in acciaio tradizionali contro alte prestazioni

Le principali categorie di reinforzo tradizionali con il grado 250 (250 MPa resa) o il grado 300, sono ampiamente utilizzate fin dai primi del XX secolo. Gli anni sessanta hanno visto l'introduzione del grado 400 (ora comune come il grado 60 negli Stati Uniti, 420 MPa).

  • Acciai legati:[] Piccole aggiunte di vanadio, niobio, o titanio (tipicamente 0,05–0,15%) affinano la struttura del grano e formano precipitati fini che rafforzano senza eccessiva perdita di duttilità.
  • Le barrette termomeccaniche (TMT) trattate in modo meccanico:] Conosciute anche come barre auto-temprate e disinfettate (QST), queste sono prodotte da un rapido sbavamento superficiale di barre laminate a caldo seguite da raffreddamento ad aria, creando un cerchio martensitico duro e temperato e un nucleo di ferrite-pearlite-duttile.
  • Barre a freddo (freddo-twisted):[ Queste sono prodotte da una torsione fredda di barre laminate a caldo, aumentando la densità di dislocazione e aumentando la resistenza alla resa. Tuttavia, spesso mostrano una duttilità inferiore e sono meno comuni oggi.

Le barrette TMT e microlegate offrono la migliore combinazione di resistenza, duttilità, saldabilità e convenienza. Le barre di Grade 500 TMT sono diventate il default in molti paesi (ad esempio, Fe500 dell’India, B500B dell’Europa), mentre le barre di Grade 550 e 600 sono disponibili per applicazioni speciali.

Vantaggi delle barre d'acciaio ad alta efficienza

Capacità di carico aumentata e quantità d'acciaio ridotte

Un vantaggio diretto di una maggiore resistenza alla resa è la capacità di portare maggiori forze di trazione con lo stesso diametro della barra. Ad esempio, la sostituzione di Grade 400 bar con barre di grado 600 riduce l'area dell'acciaio richiesta del 33% per lo stesso momento di progettazione o tensione assiale. Questa riduzione si traduce in meno barre, meno congestione in casseforme, più facile posizionamento del cemento e costi materiali inferiori – nonostante un prezzo unitario potenzialmente più alto per tonnellata.

Resistenza alla corrosione avanzata

Le barre microlegate ad alta resistenza spesso includono cromo, rame o nichel che migliorano la resistenza alla corrosione promuovendo la formazione di uno strato di ossido stabile. In ambienti ricchi di cloruro (strutture marine, ponti de-iced con sale), l'aumento della resistenza alla corrosione di rebarre ad alte prestazioni può prolungare la durata di servizio di 20–40 anni rispetto all'acciaio al carbonio.

Miglioramento delle prestazioni strutturali sotto carichi sismici

[LT] la resistenza ad alta prestazione (in particolare TMT e microlegato) è progettata per ottenere un minimo di allungamento del 12-14% e un rapporto di resistenza a trazione di almeno 1,08-1,25, che soddisfa i severi requisiti dei codici del terremoto come ACI 318's Type 2 bar (in inglese)

Riduzione del carico morto e delle richieste della Fondazione

Poiché sono necessari meno chilogrammi di acciaio per metro cubo di cemento, il peso della struttura diminuisce. Negli edifici ad alto volume, questa riduzione si articola in cascate: piani più leggeri significano colonne e fondazioni più piccole, risparmiando costi di cemento e scavo. Uno studio parametrico pubblicato nella Gazzetta di Ingegneria Strutturale (ASCE) ha dimostrato che l'utilizzo di Grade 600 rebar invece di Grade 400 in un edificio di 40 piani ha ridotto il tonnellaggio totale del 18%.

Metodi per ottimizzare la resistenza dei reflui

Ottimizzare la resistenza alla resa delle barre comporta il controllo della composizione chimica, della lavorazione termica e della deformazione meccanica.Le seguenti tecniche sono impiegate singolarmente o in combinazione dai produttori moderni di barre.

Legazione

L'aggiunta di elementi leganti è il modo più fondamentale per aumentare la resistenza alla resa.

  • Carbon (C): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Il più economico rinforzatore; aumento del carbonio dallo 0,2% allo 0,4% aumenta la resa di circa 100 MPa. Tuttavia, l'alto carbonio riduce la duttilità e la saldabilità, così le moderne barre ad alta resistenza limitano il carbonio a <0.25% (spesso 0,15-0,22%) e compensano con la microlegatura.
  • Manganese (Mn): Fino all'1,5% Mn migliora la forza con il rafforzamento a solida soluzione e riduce anche gli effetti deleteri dello zolfo. Mn è presente in quasi tutti i gradi di barra.
  • Chromium (Cr):[] Aggiunto 0.2–1.0% per aumentare la resistenza (tramite la soluzione solida e la formazione di carburo) e migliorare la resistenza alla corrosione.
  • Vanadium (V): Un potente elemento di microlega; solo 0,03–0.10% V può aumentare la resistenza alla resa di 50–80 MPa attraverso la precipitazione di carbonicoli di vanadio fini. Vanadium inoltre affina la dimensione del grano, migliorando sia la resistenza che la durezza.
  • Niobium (Nb):] Simile al vanadio ma maggiore rinforzo delle precipitazioni per peso; il niobio ritarda anche la ricristallizzazione durante la laminazione a caldo, che promuove una struttura più fine del grano.
  • Nitrogen (N):] A volte aggiunto in combinazione con elementi come il vanadio per formare particelle di precipitazioni, ma deve essere controllato con attenzione per evitare l'embrittlement di invecchiamento della tensione.

Trattamento termico: Il processo Tempcore

Il processo Tempcore (intasamento e auto-tempramento) è la tecnologia dominante per la produzione di barre TMT con resistenza alla resa di 500–600 MPa. La barra laminata a caldo (a ~950°C) passa attraverso una camera di spruzzo dell'acqua che rapidamente spegne la superficie esterna, trasformandola in martensite.

Lavorazione fredda

La deformazione di plastica sotto la temperatura di rerystallizzazione introduce un'alta densità di dislocazioni, che ostacolano ulteriormente il movimento dislocazione e aumentano la resistenza alla resa – un fenomeno noto come indurimento della tensione.

Raffinazione del microlegamento e del grano

Le piccole aggiunte di vanadio, niobio o titanio (0.005–0,0%) promuovono la formazione di pregiati precipitati di carbonitro che pernottano i confini del grano e inibiscono la crescita del grano durante la la laminazione a caldo. La conseguente struttura di ferrite/perlite finemente granulata (ASTM granulometria 10–12) fornisce una maggiore resistenza al rendimento attraverso l'effetto Hall-Petch – i più piccoli confini del grano per ostacolano il movimento discarico.

Impatto sulla progettazione e sui codici strutturali

L'adozione di una barra ad alta resistenza[5][6][6][6][6]][6]][6]][6]][6]][6]]][[6]] standard di progettazione moderno[5][6] permette il grado 60 (420 MPa] come il default, ma permette il grado 80 (550 MPa) e il grado 100 (690 MPa) per cemento armato, a condizione che le disposizioni di duttilità di e di classe C richiedono

I progettisti devono regolare i dettagli di rinforzo quando si utilizzano le barre ad alta resistenza. Poiché la tensione nella barra di rendimento è proporzionale alla resistenza di rendimento (ε]y[FLT: 1] = f] ]]

Attuazione in costruzione

Controllo e test di qualità

Per i test di resistenza per ASTM A615 o equivalenti devono essere eseguiti su campioni da ogni calore. Ulteriori prove di flessione e ri-bend verificano duttilità. Per le barre TMT, la profondità del cerchio in martensite temperato (tipicamente 10-15% del diametro della barra) deve essere coerente.

Bending, Cuting e saldatura

Le barre di alta resistenza hanno un rapporto di rendimento più elevato e una capacità di indurimento più bassa di acciaio mite, quindi i raggi di flessione devono essere aumentati per evitare la crepatura. Ad esempio, ACI 318 specifica un diametro minimo di curvatura di 6 bar diametri per il grado 60, ma 8 diametri per il grado 80.

Protezione contro la corrosione

In ambienti aggressivi, le barre ad alta resistenza beneficiano di una protezione aggiuntiva oltre la resistenza alla corrosione intrinseca delle composizioni microlegate. Il rivestimento epossidico, galvanizzante o rivestimento in acciaio inossidabile può essere applicato. Tuttavia, il costo iniziale più elevato deve essere giustificato dall'estensione di vita di servizio prevista.

Studi di casi nell'applicazione della barra di alta conformità

Il palazzo di 307 metri, New York

Per ridurre al minimo le dimensioni delle colonne e massimizzare lo spazio noleggiabile, il team di progettazione ha specificato le barre TMT Grade 600 (87 ksi) per le pareti e le colonne perimetrali. L'uso di acciaio ad alta resistenza ha ridotto il rapporto di rinforzo dal 4% al 2,8%, riducendo il peso totale dell'acciaio del 22%.

Patel Brothers Bridge, Kolkata

Questo ponte da 1,5 km di cemento-girder utilizza le barre microlegate Grade 550 contenenti cromo dello 0,3%. L'aggiunta di cromo conferisce un miglioramento 2× della resistenza alla corrosione del cloruro. Progettato per una durata di 120 anni, il ponte impiega rebar ad alta resistenza nel ponte e nei cappi del pier.

Tendenze future

La prossima frontiera nell'ottimizzazione della barra è costituita da acciai ultra-alti (UHSS) con resistenza alla resa di 800–1.200 MPa. Tali materiali sono già utilizzati in calcestruzzo prefornito, ma la loro applicazione in rinforzo non prefornito rimane limitata a causa delle preoccupazioni circa la duttilità e le fessure di manutenzione.

Conclusioni

Ottimizzare la resistenza alla resa delle barre in acciaio attraverso materiali ad alte prestazioni offre un percorso convincente per strutture in cemento armato più economiche, durevoli e resistenti. Levando i processi di microlegatura, trattamento termomeccanico e termo-tempramento, le moderne barrette raggiungono i punti di forza di resa di 500-700 MPa, preservando al contempo la duttilità e la saldabilità essenziali per il design sicuro.

Riferimenti esterni

  1. Istituto di calcestruzzo americano. “ACI 318-19: Requisiti di codice per la costruzione di calcestruzzo strutturale.” (www.concrete.org)
  2. Eurocodice 2: Progettazione di strutture in cemento – Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici (EN 1992-1-1).
  3. K. J. Grassl e T. B. Ural, “Microalloying for High-Strength Rebars,” [Materials Science and Technology[[], vol. 34, n. 2, 2018. (Disponibile tramite www.maneypublishing.com)
  4. R. A. Spencer, “Thermo-Meccanica Trattamento delle barre d’acciaio – Il processo Tempcore”, Wire Journal International[], 2015. (www.wirenet.org)