2. Стадии напряженно-деформированного состояния в нормальных сечениях.

Центрально растянутые элементы. Осевому растяжению подвергаются затяжки арок, нижние пояса ферм и много других элементов.

Cтадия 0. Характеризуется отсутствием усилий, вызываемых внешней нагрузкой. Усилие предварительного обжатия составляет

где – сжимающее напряжение в ненапрягаемой арматуре, вызываемое усадкой и ползучестью бетона.

Стадия I продолжается от начала приложения силы N до начала образования первой нормальной трещины в бетоне.

Состояние 1 характеризуется работой элемента под нагрузкой при напряжениях .

Состояние 2 относится к моменту образования трещин в элементе. Сила характеризует сопротивление растянутого элемента образованию трещин, т.е. .

Стадия II напряженно-деформированного состояния характеризуется активным трещинообразованием.

Заканчивается при достижении арматурой предельного сопротивления на растяжение.

Стадия III напряженно-деформированного состояния характеризуется исчерпанием сопротивления арматуры растяжению (рис. 7).

Рис. 7.

Изгибаемые элементы.

Стадия I продолжается от начала загружения элемента до момента образования первой трещины, нормальной к продольной его оси. Эпюра напряжений сжатия в бетоне прямолинейна или криволинейна.

Состояние 1 характеризуется и , то есть напряжения в элементах не достигают предельных значений.

Состояние 2 характеризуется достижением предела прочности бетона растянутой зоны на растяжение, т.е. . Появляется первая трещина.

Стадия II характеризуется активным трещинообразованием и развитием появившихся ранее трещин. Из-за пластических деформаций бетона искривляется его эпюра сжимающих напряжений. С увеличением нагрузки в арматуре растянутой зоны развиваются неупругие деформации и уменьшается ее сцепление с бетоном, который постепенно исключается из работы. Тем самым снижается жесткость элементов. Окончание стадии характеризуется исчерпанием несущей способности.

Стадия III характеризует процесс разрушения изгибаемых элементов.

Случай 1 (пластическое разрушение) – разрушение начинается от арматуры растянутой зоны. Напряжения в арматуре достигают предел текучести стали . Вследствие неупругих деформаций стали предварительное напряжение арматуры погашается, трещины в растянутом бетоне увеличиваются и высота сжатой зоны сокращается до минимума и далее начинается разрушение бетона.

Случай 2(хрупкое разрушение) – разрушение начинается вследствие разрушения бетона сжатой зоны, т.е. . Такое разрушение характерно для переармированных и бетонных элементов (рис. 8).

Рис. 8.

2. Развитие методов расчета железобетонных конструкций.

Развитие методов расчета железобетонных конструкций.

Метод расчета по допускаемым напряжениям (1886 г.). Предпосылки данного метода:

- гипотеза плоских сечений, т. е. плоские сечения, нормальные к продольной оси элемента, остаются плоскими после изгиба;

- бетон растянутой зоны с трещинами не работает;

- эпюра сжимающих напряжений в бетоне сжатой зоны является треугольной, т.е. соблюдается закон Гука для упругих материалов.

Прочность изгибаемого элемента достаточна, если краевые напряжения в бетоне и напряжения в растянутой арматуре не превышают допускаемых величин соответственно 0,45R и 0,5 , где R – кубиковая прочность бетона, - предел текучести стали (рис. 2).

Рис. 2.

Данный метод не позволяет оценить истинные напряжения в бетоне и арматуре и не дает представления о степени запаса прочности конструкции.

Метод расчета по разрушающим нагрузкам (1938 г.). Предпосылки метода:

- в стадии разрушения используется прочность бетона сжатой зоны и растянутой арматуры;

- бетон на растяжение не работает;

- эпюра сжимающих напряжений сжатой зоны имеет прямоугольную форму.

Высота сжатой зоны и разрушающий момент изгибаемого элемента определяются из уравнений усилий в стадии разрушения элемента:

Недостатком метода является естественная невозможность оценки одним коэффициентом запаса влияние изменчивости нагрузок и сопротивлений материалов на безопасность железобетонных конструкций.

В настоящее время используется метод предельного равновесия.

4. Прочность нормальных сечений с ненапрягаемой одиночной арматурой.

Картина трещинообразования изгибаемого элемента (рис. 9).

Рис. 9.

Общий способ расчета по нормальным сечениям. В расчетной схеме усилий принимают, что на элемент действует изгибающий момент M, а в арматуре и бетоне действуют усилия, соответствующие напряжениям, равным расчетным сопротивлениям (при условии, что характер разрушения сечения соответствует 1 случаю III стадии НДС, когда в растянутой арматуре и сжатом бетоне достигнуты предельные сопротивления).

В бетоне сжатой зоны сложную криволинейную эпюру напряжений заменяют прямоугольной, т.е. напряжение в бетоне R_b принимают одинаковым по всей высоте сжатой зоны. При этом принимают, что бетон растянутой зоны не работает σ_bt = 0.

В растянутой зоне имеется арматура площадью сечения A_s с расчетным сопротивлением растяжению R_s, в сжатой зоне - арматура площадью сечения A’_s с расчетным сопротивлением сжатию R_sc.

Из уравнения равенства нулю суммы проекций получаем:

.

Общее условие прочности изгибаемых элементов по нормальным сечениям: момент внешних сил не должен превосходить момента внутренних усилий (рис. 10).

.

Условие прочности при моментах, взятых относительно оси, проходящей через точку приложения равнодействующей усилий в растянутой арматуре A_s:

.

В случае разрушения по 2 случаю III стадии НДС (разрушение элемента происходит хрупко с по сжатому бетону) высоту сжатой зоны х определяют аналогично, но R_s заменяют напряжением .

В элементах, работающих по 1 случаю III стадии НДС, удовлетворяется условие:

,

где - относительная высота сжатой зоны бетона; - граничная относительная высота сжатой зоны бетона.

В элементах, работающих по 2 случаю III стадии НДС, удовлетворяется условие:

.

Рис. 10.

Расчет элементов прямоугольного сечения с одиночной арматурой (рис. 11).

Рис. 11.

Проекция сил, согласно законам статики, приводит к следующим уравнениями с двумя неизвестными:

Расчет элементов прямоугольного сечения с двойной арматурой (рис. 12). Если при расчете прочности элемента прямоугольного профиля с одиночной арматурой оказалось, что , значит прочности сжатой зоны бетона недостаточно и арматура в этой зоне требуется по расчету (рис. 12).

Рис. 12.

Проекция сил, согласно законам статики, приводит к следующим уравнениями с двумя неизвестными:

5. Виды и структура бетона.

Классификация бетона. Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании вяжущего материала в его смеси с заполнителем.

По назначению бывает:

- конструкционный – бетон применяется в несущих и самонесущих конструкциях;

- гидротехнический – предназначается для конструкций, подвергающихся постоянному или повторно-периодическому воздействию вод;

- жаростойкий – для конструкций испытываемых воздействие высоких температур;

- коррозионно-стойкий – применяется для конструкций, находящихся в условиях агрессивной окружающей среды;

- теплоизоляционной – используется в ограждающих конструкциях;

- специальный – для биологической защиты сооружений от радиоактивных излучений.

По виду заполнителей:

- на плотных заполнителях – щебень, гравий, песок фракций до 1,2 и 1,2.. .5 мм, а также дробленый старый бетон. Бетон без крупного заполнителя называется мелкозернистым;

- на пористых заполнителях – сыпучие материалы объемной массой не более 1200 кг/м3 (керамзит, аглопорит, пемза, туф и др.);

- на специальных заполнителях.

По виду вяжущего:

- бетоны на гидравлических клинкерных вяжущих (цементный бетон) – безклинкерных вяжущих (силикатный бетон);

- органических связующих – полимербетон и полимерсиликат;

- смешанных вяжущих.

По условиям твердения:

- бетоны естественного твердения;

- подвергнутые тепловой обработке при атмосферном давлении или в автоклавах.

По плотности:

- особо тяжелые (плотностью более 2500 кг/м3);

- тяжелые (2200...2500 кг/м3);

- облегченные (1800...2200 кг/м );

- легкие (500..1800 кг/м3);

- особо легкие (<500 кг/м).

По структуре:

- плотной структуры с полным (не менее 94%-ным) заполнением пространства между зернами заполнителя наполнителем и затвердевшим вяжущим;

- крупнопористые с неполным заполнением данного пространства вследствие нехватки песка в бетонной смеси;

- поризовавные, содержащие избыток цементно-песчаного раствора со специальными добавками;

- импрегнированные, поры которых заполняются полимерами, мономерами, серой, жидким стеклом и другими веществами;

- ячеистые с равномерно распределенными замкнутыми порами, создаваемыми путем введения в бетонную смесь специальных веществ.

Под микроструктурой бетона подразумевается минерально-фазовый состав, степень гидратации, количество гидратной воды, пористость и микротвердость, гидратированной массы и др.

Под макроструктурой бетона, определяющей его физико-механические свойства, понимается совокупность свойств заполнителей, связующего камня, пор, дефектов и их взаимосвязь.