Stal zbrojeniowa – wymagania norm budowlanych a zakładowa kontrola produkcji

Właściwościami stali stosowanej do zbrojenia betonu, najbardziej istotnymi z punktu widzenia pracy konstrukcji, są jej cechy wytrzymałościowe i odkształceniowe. Decydując o wyborze gatunku i klasy stali zbrojeniowej, projektant powinien zwracać uwagę przede wszystkim na jej charakterystyczną granicę plastyczności f_yk (lub f_0,2k w przypadku stali o małej ciągliwości – umowną granicę plastyczności, równą naprężeniu, przy którym odkształcenie trwałe próbki wynosi 0,2%), wytrzymałość na rozciąganie f_t oraz wydłużenie procentowe próbki pod największym obciążeniem εuk. Eurokod 2 (EC2) podaje również stosunek charakterystycznych wartości wytrzymałości na rozciąganie do granicy plastyczności k = f_tk/f_yk jako jeden z parametrów decydujących o przydatności stali zbrojeniowej. Wartości tych parametrów, podane w załączniku C do EC2, są wartościami charakterystycznymi – norma ta dopuszcza pewien procent wyników gorszych: w przypadku f_yk jest to 5%, dla k oraz ε_uk 10%. Oznacza to, że odpowiednio 95% i 90% próbek z badanej serii powinno spełniać wymagania stawiane w EC2.
Wymienione warunki dla stali zbrojeniowej, zawarte w EC2 oraz innych normach do projektowania konstrukcji, w praktyce spotykają się z warunkami zawartymi w normach metalurgicznych, które zgoła inaczej definiują najważniejsze cechy stali. Otóż w tzw. normach produktowych dla stali zbrojeniowej stosuje się następujące symbole: R_e dla granicy plastyczności, R_m dla wytrzymałości na rozciąganie oraz A_gt dla procentowego wydłużenia próbki pod maksymalnym obciążeniem (rys. 1).

Rys. 1 Wykres zależności naprężeń od odkształceń uzyskany dla stali EPSTAL z oznaczonymi parametrami wytrzymałościowo-odkształceniowymi wg normy hutniczej
 

Zasadnicza różnica pomiędzy tymi oznaczeniami sprowadza się do założenia, że R_e, R_m i A_gt odnoszą się do wartości określanych na podstawie długoterminowej kontroli jakości procesu produkcji prowadzonej przez wytwórcę, a f_yk, f_yd oraz ε_uk – do właściwości danego pręta stosowanego w konstrukcji. Można powiedzieć, że producent stali porusza się w zbiorze innych pojęć niż projektant konstrukcji, a między wymaganiami, do których dostosowuje się wytwórca, a tymi, które musi spełnić konstruktor, formalnie nie ma żadnego związku. Przyjmuje się jednak, że deklarowane przez hutę cechy stali można wprost przełożyć na użytek projektu budowlanego – granicę plastyczności Re przyjąć jako charakterystyczną wartość granicy plastyczności f_yk w projektach konstrukcji. Czy słusznie?
Ocenę zgodności prętów żebrowanych i procesu ich produkcji z wymaganiami odpowiedniej normy produktowej (hutniczej) zwykle wykonuje się zgodnie z systemem 1+ (wg normy PN-EN 10080:2005), który wymaga od producenta prowadzenia wewnętrznej kontroli produkcji, wykonywania przez niego uzupełniających badań próbek pobranych w zakładzie oraz poddania się kontroli notyfikowanej jednostki certyfikującej (wykonującej wstępne badania wyrobów, inspekcję zakładu, ciągły nadzór oraz – co wyróżnia system 1+ od pozostałych – badania sondażowe próbek pobranych w zakładzie, w obrocie lub na budowie). Wszystkie wymagania co do właściwości wytrzymałościowo-odkształceniowych stali odnoszą się do długoterminowego poziomu jakości, co oznacza, że producent wykazuje ich spełnienie dopiero po zebraniu określonej w normie liczby wyników badań wytrzymałościowych i opracowaniu ich statystycznie. Na przykład dla gatunku stali B500SP norma PN-H-93220:2006 wymaga zgromadzenia wyników badań z sześciu miesięcy lub około 200 wyników, przy czym badana jest przynajmniej jedna próbka na każde 30 ton wyprodukowanej stali i co najmniej trzy próbki na partię do badań. Na podstawie zebranych wyników wyliczana jest wartość średnia (m), odchylenie standardowe (s) oraz sprawdzany jest warunek:
 

m – ks ≥ C_v dla dolnych granic R_e, R_m/R_e i A_gt

oraz
 

m + ks ≤ C_v dla górnej granicy R_m/R_e

gdzie:
k – współczynnik zależny od liczby badanych próbek,
C_v – wartość charakterystyczna dla danego parametru (np. 500 MPa dla granicy plastyczności).

Wykazana przez producenta w wyżej opisany sposób jakość stali zbrojeniowej nie oznacza jednoznacznie spełnienia wymagań stawianych tym wyrobom przez normy budowlane. Dlatego Eurokod 2 zastrzega, że aby można było uznać taką zgodność i przyjąć wartości deklarowane przez wytwórcę przy projektowaniu konstrukcji żelbetowych, wszystkie wyniki pojedynczych badań muszą spełniać ograniczenia co do wartości charakterystycznych (np. granica plastyczności R_e musi wynosić co najmniej 500 MPa), a wartość średnia z próby powinna spełniać warunek:
 

M ≥ C_v + a

gdzie a jest współczynnikiem zależnym od rozpatrywanego parametru i podany jest w załącznikach krajowych (EC2 zaleca, aby a wynosiło 10 MPa dla f_yk i zero dla k i ε_uk).
 

Dodatkowo norma proponuje absolutne granice wyników badań:
 

• 0,97 • minimum C_v i 1,03 • maksimum C_v dla obliczenia f_yk,
• 0,98 • minimum C_v i 1,02 • maksimum C_v dla obliczenia k,
• 0,80 • minimum C_v dla obliczenia ε_uk.

Dla konstruktora jednak sprawdzenie tych warunków zgodności może być kłopotliwe, jeśli w ogóle możliwe. Dlatego, aby oddalić wszelkie wątpliwości, producenci stali zbrojeniowej deklarują spełnienie przez produkowane przez nich wyroby wymagań stawianych przez normy produktowe z zachowaniem odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa. Ponadto przyjmuje się, że rozkład wartości badanych parametrów jest zbliżony do normalnego, a wartości średnie są wystarczająco wyższe od minimalnych i niższe od maksymalnych. Te założenia pozwalają konstruktorom z czystym sumieniem przyjmować do obliczeń deklarowane przez wytwórców parametry stali, a o ich słuszności przekonują wyniki rocznej kontroli jakości produkcji, przekazane Centrum Promocji Jakości Stali przez polskie huty. Wyniki te dotyczą produkcji stali zbrojeniowej EPSTAL. Ich opracowanie w postaci histogramów obrazujących rozkład najważniejszych parametrów pokazano na rysunkach 2, 3 i 4.
Przedstawione na wykresach wyniki badań są dowodem na spełnienie przez producentów stawianych im przez normy produktowe wymagań z dużym marginesem bezpieczeństwa – wartości średnie są znacznie odsunięte od przerywanej linii wartości minimalnych. Ponadto charakter ich rozkładu, zbliżony do normalnego, świadczy o stabilności procesu produkcji, co też jest gwarancją wysokiej jakości. Powyższe dane, a także dane z innych lat, opracowane na podstawie wyników dla stali EPSTAL uzyskanych w różnych hutach, są stale prezentowane i aktualizowane na stronie Centrum Promocji Jakości Stali: www.cpjs.pl w zakładce Stal zbrojeniowa/Statystyka.
 

Rys. 2 Histogramy przedstawiające wyniki badań prowadzonych w jednej z polskich hut w ramach zakładowej kontroli produkcji prętów żebrowanych EPSTAL o średnicy 12 mm, zebrane w 2011 r.:
a) R_e – granica plastyczności (minimum 500 MPa),
b) R_m – wytrzymałość na rozciąganie (minimum 575 MPa),
c) A_gt – wydłużenie przy maksymalnej sile (minimum 8%)

Rys. 3 Histogramy przedstawiające wyniki badań prowadzonych w jednej z polskich hut w ramach zakładowej kontroli produkcji prętów żebrowanych EPSTAL o średnicy 16 mm, zebrane w 2011 r.:
a) R_e – granica plastyczności (minimum 500 MPa),
b) R_m – wytrzymałość na rozciąganie (minimum 575 MPa),
c) A_gt – wydłużenie przy maksymalnej sile (minimum 8%)

Rys. 4 Histogramy przedstawiające wyniki badań prowadzonych w jednej z polskich hut w ramach zakładowej kontroli produkcji prętów żebrowanych EPSTAL o średnicy 20 mm, zebrane w 2011 r.:
a) R_e – granica plastyczności (minimum 500 MPa),
b) R_m – wytrzymałość na rozciąganie (minimum 575 MPa),
c) A_gt – wydłużenie przy maksymalnej sile (minimum 8%)
 

mgr inż. Magdalena Piotrowska
Centrum Promocji Jakości Stali