§ 2.2. Стадии напряженно-деформированного состояния нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов
Различают три характерные стадии напряженно-деформированного состояния нормальных сечений изгибаемых элементов.
.
Рис. 2.2. Опытные эпюры напряжений в нормальных
сечениях изгибаемого элемента:
а...в — с ненапряженной;
г, д — с предварительно напряженной арматурой
Стадия I (рис. 2.2, а). При малых нагрузках напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят упругий характер, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон — треугольные. С увеличением нагрузки в растянутом бетоне развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются, а затем становятся равными пределу прочности бетона при растяжении (стадия 1а). Это положено в основу расчета по образованию трещин. При дальнейшем увеличении нагрузки в сечении образуются трещины.
Стадия II (рис. 2.2,6). После появления трещин, растягивающие усилия в сечении с трещиной воспринимаются арматурой и бетоном над трещиной (ниже нейтральной оси). Между трещинами бетон в нижней зоне работает на растяжение и напряжения в арматуре уменьшаются по мере удаления от трещины. В сжатой зоне бетона развиваются неупругие деформации, и эпюра нормальных напряжений искривляется. Считается, что стадия II заканчивается, когда в растянутой арматуре достигнут предел текучести. По этой стадии, называемой эксплуатационной, производится расчет прогибов и ширины раскрытия трещин конструкций.
Стадия III (рис. 2.2, в). Это стадия разрушения. Опыты показывают, что характер разрушения зависит главным образом от количества и вида арматуры, при этом возможны два случая:
случай 1 — разрушение начинается в момент, когда напряжения в растянутой арматуре достигают физического или условного предела текучести; с развитием пластических деформаций в арматуре раскрываются трещины, напряжения в бетоне сжатой зоны возрастают, и, наконец, происходит его разрушение; разрушение сечения элемента носит пластический характер;
случай 2 — разрушение элемента происходит вследствие раздавливания бетона сжатой зоны, при этом напряжения в растянутой арматуре могут не достигать предела текучести и ее прочностные свойства используются не полностью. Такое разрушение носит хрупкий характер и, как правило, имеет место в сечениях с избыточным содержанием арматуры. Стадия III положена в основу расчета прочности.
В предварительно напряженных элементах до приложения внешней нагрузки напрягаемая арматура обжимает все сечение или часть его (рис. 2.2, г). После приложения внешней нагрузки, сжимающие напряжения в нижней зоне уменьшаются и становятся равными нулю (рис. 2.2, д), При дальнейшем увеличении нагрузки возникают растягивающие напряжения и в предварительно напряженном элементе будут последовательно развиваться те же стадии напряженно-деформированного состояния, что и в элементе без предварительного напряжения (см. гл. 3).
§ 2.3. Расчет сечений по допускаемым напряжениям
Метод расчета по допускаемым напряжениям применялся в нашей стране до 1938 г. Согласно этому методу бетон рассматривался как упругий материал. В основу расчетных зависимостей были положены закон Гука, гипотеза плоских сечений. Вместо действительного железобетонного сечения в расчет вводилось приведенное бетонное сечение, в котором арматура заменялась эквивалентным по прочности количеством бетона. Сопротивлением бетона растянутой зоны пренебрегали. В результате расчета определялись напряжения в бетоне и арматуре от эксплуатационных нагрузок, которые не должны были превосходить допускаемые. Последние назначались как доля от предела прочности σadm=R/γ, где γ — обобщенный коэффициент запаса.
Однако на основании многочисленных опытов было установлено, что этот метод, не учитывающий пластических свойств железобетона, обладал рядом серьезных недостатков: не позволял определять действительные напряжения, находить разрушающую нагрузку и т. д.