1.6. Характер руйнування

Елементи залізобетонних конструкцій, що зазнають згину, руйнуються залежно від їх армування і навантаження.

Так, на навантажених поперечною силою Qділянках елемента,

що зазнає згину, виникають, як відомо, ще й головні напруги, які визначаються за формулою

. (1.9)

Якщо σ_х = 0 (бо в розтягнутому бетоні є волосні тріщини, нормальні до осі елемента) і якщо немає поперечного обтиску елемента (σ_y = 0), то головні розтягальні напруги дорівнюють сколюючим

.

Коли σ_гр менше R_p в елементі, що зазнає згину, виникають косі тріщини, які так само, як і нормальні, ділять цей елемент на дві взаємодіючі між собою частини. Ці частини зв'язані бетоном стиснутої зони і розтягнутою арматурою (поздовжньою, відгинами, хомутами), яку пересікає розглядувана коса тріщина.

Елемент, що зазнає згину, руйнується через одну з таких трьох причин і, відповідно, за одною з таких трьох схем.

Якщо поздовжня робоча арматура недостатня за перерізом у прольоті балки або погано заанкерована по кінцях, її опір буде вичерпаний в місці максимального згинального момента і руйнування відбудеться за нормальним перерізом (рисунок 1.18,а).

Якщо поздовжня робоча арматура недостатня за перерізом або погано заанкерована в зоні виникнення початкової косої тріщини (від дії σ_т.р), а напруги в арматурі досягнуть границі текучості, або вона почне переміщуватись у бетоні, то обидві частини елемента, що зазнає згину, почнуть взаємно повернутої навколо точки, що біля кінця косої тріщини встиснутій піні (рисунок 1.18,6).

При достатньому перерізі поздовжньої робочої арматури і належному її анкеруванні, але при слабкій за перерізом поперечній арматурі обидві частини елемента не можуть повернутися, і він руйнується в зоні початкової косої тріщини внаслідок зрізу стиснутого бетону і зрушення однієї частини елемента відносно другої (рисунок 1.18,в)

а – від момента за нормальним перерізом; б – від момента за похилим перерізом; в – від поперечної сили за похилим перерізом.

Рисунок 1.18 - Три схеми можливого руйнування елемента, що зазнає згину

Руйнування за першою схемою буває при недостатній міцності нормальних перерізів по згинальних моментах; за другою схемою – коли мала міцність похилих перерізів по мішальних моментах, за третьою – коли мала міцність похилихперерізів по поперечних силах.

Розрахунки роблять не заради інтересу, а для того щоб уникнути помилок у конструюванні. Тому елементи слід проектувати так, щоб вони були рівноміцними по нормальних і косих; перерізах під дією згинальних моментів і поперечних сил.

1.7 Методи розрахунку елементів залізобетонних конструкцій

У розвитку науки про міцність можна виділити три періоди..

Початокцій науці покладено працями Галілео Галілея. Досліджуючи в 1638 р. згин і центральний розтяг брусів прямокутного і круглого перерізів, він прийняв величину руйнівного навантаження за критерій міцності.

Другий період відкрив Луї Нав'є (1785–1836). Запровадивши в 1826 р. принцип розрахунку за робочою стадією, він встановлював допустиме навантаження як частину руйнуючого.

Теорія Нав'є, яка згодом дістала назву класичної,спиралась на такі основні припущення:

• робоча стадія і стадія руйнування схожі, тобто відношення зусиль, напруг і деформацій в обох стадіях однакові;

• перерізи, плоскі до деформації, залишаються такими самими і після неї (гіпотеза плоских перерізів - Бернуллі);

• напруги пропорційні відносним видовженням (закон Р. Гука).

З цих припущень випливали нові:

• напруги в волокнах елемента, що зазнає згину, зростають пропорційно віддаленню від нейтрального шару;

• модуль пружності даного матеріалу — величина стала.

Основи класичної теорії залізобетону були створені в 1876— 1890 рр. працями Мазо, Кенена, Неймана, Туллі, Твайта, Кон-сідера, Геннебіка та ін. Це були роки успішного розвитку науки в галузі стальних конструкцій, і тому новий, ще мало вивчений матеріал, був втиснутий в рамки класичних положень опору пружного і однорідного матеріалу, яким можна вважати сталь. Пі одна з гіпотез, покладених в основу класичної теорії залізобетону (вони перелічені на початку цього параграфа), строго кажучи, не правильна.

Третій період у розвитку науки про міцність веде свій початок фактично з 1905 р., коли наш співвітчизник Артур Лолейт опублікував працю «До питання про правила приймання залізобетонних споруд», в якій запропонував у розрахунках розглядати миттєву рівновагу, що передує моментові руйнування їй інструкції. Оскільки бетон при цьому не бере участі в опорі розтягові, то з розрахунку усувається фактор, який призводив до невизначеності розв'язання задачі: нейтральна вісь займає цілкомпевне положення.

Після офіційного запровадження методу розрахунку елементів залізобетонних конструкцій за руйнівними навантаженнями роботапо дальшому вивченню міцності залізобетону не припинилась. Навпаки, були виявлені недоліки цього методу розрахунку.

Спеціальна комісія виробила метод розрахункуелементів будівельних конструкцій за розрахунковими граничними станами.

Наші будівельні норми встановлюють три розрахункових граничних стани (замість колишнього одного — за міцністю):

• перший—за міцністю — характеризується втратою несу­чої здатності елемента або конструкції або якісними змінами їх геометричних схем, які виключають їх з експлуатації;

• другий— за деформаціями — настає внаслідок недостатньої жорсткості конструкції або надмірних її коливань;

• третій—за утворенням або розкриттям тріщин — настає через утворення або неприпустиме розкриття тріщин у матеріалі конструкції, внаслідок чого вона втрачає непроникність, виникає небезпека корозії арматури і т. п.

Другий і третій граничні стани характеризуються труднощами і! експлуатації елемента або конструкції (надмірні прогини, розкриття тріщин тощо).

Отже, граничними називають такі стани конструкції, з настанням яких вона перестає задовольняти поставлені перед нею експлуатаційні вимоги: втрачає здатність чинити опір зовнішнім навантаженням, зазнає недопустимих деформацій або місцевих пошкоджень.

Перехід конструкції в той чи інший граничний стан залежить від багатьох факторів, з яких найважливіші: зовнішні навантаження і впливи, якість і властивості матеріалів, умови роботи цих матеріалів і всієї конструкції.

Зовнішні навантаження і впливи, як один з факторів, що спричиняють перехід конструкції в один з граничних станів, нормують за величинами, близькими до найбільших навантажень при нормальній експлуатації конструкції. Можливість перевищення такого нормативного навантаження внаслідок його мінливості характеризують коефіцієнтом перевантаження n > 1.

Розрахункове навантаження

,

де а – середньоквадратичневідхиленняокремихсплесківна­вантаження від середнього нормативного;

σ – коефіцієнт, який характеризує відхилення навантаження від найбільшого.

Для різних категорій навантажень встановлюють різні значення n. Так, відносно малу мінливість власної ваги конструкцій оцінюють коефіцієнтом перевантаження n=1,1; (0,9), але для власної ваги теплоізоляційних плит і засипок n = 1,2; (0,8), а для насипних грунтів навіть n=1,3; (0,8).

Значення коефіцієнтів перевантаження, вказані в дужках, приймають у тих випадках, коли зменшення навантажень від ваги грунтів і будівельних конструкцій погіршує роботу останніх, наприклад, під час розрахунків їх на перекидання, стійкість проти спливання і т. п.. Для різних тимчасових (корисних) і тому більш мінливих, навантажень n=1,2 - 1,4.

Динамічний вплив навантаження враховують незалежно від коефіцієнта перевантаження.

Мінливість міцності матеріалів залежить від їх якості, властивостей і технології виробництва.

Щоб побудувати криву розподілу (розсіювання) міцності матеріалів, по осі абсцис відкладають міцність R, а по осі ординат– кількість зразків n, які показали одну і ту саму міцність – частоту випадків появи того чи іншого значення міцності. Гостра симетрична крива а відповідає однорідному матеріалові, а полога крива б – неоднорідному.

Найбільшій кількості випробуваних зразків відповідає середнє значення досліджуваної величини R, яку приймають за нормативну міцність Rн, а всі інші відхиляються від середнього в меншу і більшу сторони, і чим більше відхилення, тим воно буває рідше.

а - крива для матеріалу з досить малою мінливістю величини R; б - крива для матерілу з великою мінливістю

Рисунок 1.19 – Криві розподілу величини границі міцності

Щоб досить точно побудувати криву розподілу міцності, треба випробувати багато зразків. При невеликій кількості випробувань за середньою міцністю R і стандартом σ будують теоретичну криву, користуючись для цього рівнянням.

Прийнята тепер методика відшукування розрахункових опо­рів матеріалів за середніми значеннями міцності мінус три стандарти потребує уточнення, інакше для матеріалів з малим розсіюванням міцності розрахунковий опір може стати надто близьким до середнього значення.

R=R_н-3σ=R_н ,

де R - розрахунковий опір;

R_н - нормативний опір;

σ - коефіцієнт однорідності матеріалу.

Таблиця 1.6 - Коефіцієнт однорідності бетону k_б і арматури k_a

Бетон			Арматура класу або виду
Марка бетону	Стиск осьовий і під час згину	Розтяг		А-І, А-ІІ А-ІІв, А-ІІІв	А-ІІІ А-IV Aт-IV	А-ІІ, А-ІІІв з контролем лише видовжень, A-V, Aт-V,Aт-VI, дріт арматурний звичайний, високоміцний, семидротові пасма
100 200 200	0.55 0.60	0.45 0.50		0.9	0.85	0.8

Коефіцієнти умов роботи m < 1 матеріалів дають змогу враховувати як особливості роботи під навантаженням матеріалів самих по собі, так і в складі конкретної конструкції. Так, для бетону марки «500» m_б = 0,95, а для марки «600» m_б = 0,9, чим враховують меншу пластичність високомарочних бетонів.

Для розтягнутого бетону попередньо напружених конструк­цій вводять коефіцієнт т_б = 1,4, який дає змогу врахувати під­вищення міцності бетону, який тверднув в обтиснутому стані, і відносно меншу небезпеку настання третього граничного стану (про один з додаткових коефіцієнтів умов роботи бетону т_б = 0,85).

Щоб уникнути крихкого руйнування (без попереджувальних прогинів і розвитку тріщин) попередньо напружених конструкцій, армованих високоміцним дротом періодичного профілю або семидротовими пасмами, вводять коефіцієнт умов роботи арматури т_а = 0,8. А коли арматура з гладкого високоміцного дроту, то т_а = 0,7. Для термічно зміцненої арматури m_а = 0,95.

У кращих умовах працює гарячокатана арматура періодичного профілю, зміцнена витяжкою. Але, оскільки і вона не має чітко виявленої площадки текучості, то для неї значення та теж не можна вважати рівним одиниці: m_а = 0,9.

Елементи поперечного армування – стержні або відгини, що перерізуються похилою тріщиною, можуть виявитися різнонапруженими, тому при розрахунку вводять додатковий коефіцієнт умов роботи поперечної арматури т_а = 0,7 (для дроту) і т_а = 0,8 (для інших видів поперечної та відігнутої арматури). Менша величина коефіцієнта умов роботи арматурного дроту пояснюється тим, що під час зварювання сталей, які пройшли холодну обробку, вони відпускаються.

Отже, розрахункові опори бетону та арматури визначають (і округленням), як добуток нормативних опорів на відповідні коефіцієнти однорідності та основні коефіцієнти умов роботи

_, (1.10)

_. (1.11)

Крім того, коли це потрібно, враховують додаткові коефіцієнти умов роботи бетону та арматури.

Коефіцієнтами умов роботи конструкції вважають ті фактори, які впливають на неї в цілому, наприклад просторовість роботи, умови експлуатації тощо.

Гак, для залізобетонних плит, облямованих по контуру монотип зв'язаними з ними ребрами, вводять m > 1, що рівносильне зменшенню згинальних моментів; m = 1,2 вводять під час розрахунку залізобетонних конструкцій на додаткові короткочасно діючі сейсмічні навантаження і т. п.

Вся коротко описана різноманітність мінливості навантажень, міцності матеріалів і умов роботи враховувалась раніше, и методика розрахунку залізобетонних конструкцій за руйнівними навантаженнями, єдиним коефіцієнтом запасу, через що розрахунки не мали потрібної гнучкості і це часом призводило до неточних або неекономічних результатів.

Що ж до запровадженого А.Ф. Лолейтом методу розгляду конструкції, розраховуваної па міцність, в стадії її руйнування, товін залишається непорушним і в розрахунках за граничними станами.

Контрольні питання

1. Визначення бетону

2. Які важливі показники якості бетону

3. Які Ви знаєте класи і марки бетону

4. Як розрізняють бетон в залежності від маси

5. Як визначається міцність бетону

6. Як характеризуються пружні властивості бетону

7. Як визначається усадка і повзучість бетону

8. Як проводиться контроль якості бетону

9. Як класифікується арматура

10. Що вважають умовною границею пружності арматурних сталей

11. Що таке релаксація напруг в арматурі

12. Застосування арматурних сталей і їх умови роботи

13. Що собою представляє залізобетон

14. Які основні умови роботи арматури і бетону

15. Які основні фактори впливають на міцність бетону, арматури і залізобетону

16. Від чого залежить руйнування залізобетону