Лекція 4

18. Експериментальні основи теорії залізобетону та методи розрахунку залізобетонних конструкцій

18.1. Про теорії опору залізобетону

Бетон – пружно-пластичний матеріал, який володіє нелінійною залежністю між напруженістю і деформаціями. Армування не ліквідовує цієї особливості роботи бетону під навантаженням. Тому теорія опору пружних матеріалів для залізобетону непридатна. Пружно-пластичні властивості бетону і залізобетону – повзучість, усадка, утворення тріщин у розтягненій зоні залізобетонних елементів – істотно впливають на напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій. Ці властивості значною мірою залежать від виду бетону і арматури, характеру армування, виду деформацій, довготривалості дії навантаження тощо. Звідси зрозумілою є складність проблеми створення строгої теорії опору залізобетону.

В Україні на підставі великої кількості експериментальних досліджень вивчені найважливіші питання теорії опору залізобетону і розроблений метод розрахунку залізобетонних елементів за граничними станами.

Всі проблеми, які пов’язані із опором залізобетону, можна вирішити тільки на основі дослідних даних, тому значення експериментальних досліджень у розробці теорії залізобетону мають виняткове значення.

Конструкцію розраховують для того, щоб гарантувати її надійність та необхідні експлуатаційні якості у разі найекономічніших розмірах елементів конструкції.

Щоб розрахувати і законструювати залізобетонну конструкцію, необхідно передовсім знайти діючі на неї навантаження і визначити внутрішні зусилля у характерних перерізах всіх елементів, із яких ця конструкція складається. Нагромадження експериментальних даних поступово зумовлювало і зумовлює поправки у розрхункові положення, наближаючи теоретичні розрахунки до дійсної роботи конструкції.

У світовій практиці сьогодні використовують три основні методи розрахунку залізобетонних конструкцій: за допустимими напруженнями, за руйнуючими зусиллями та за граничними станами.

В Україні та в країнах СНД вже більше 30 років використовують метод розрахунку залізобетонних елементів за граничними станами.

Розглянемо стадії напружено-деформованого стану при згині залізобетонних елементів, які є експериментальною базою теорії розрахунку залізобетону.

18.2. Стадії напружено-деформованого стану при згині

За результатами багатьох дослідів над згинальними елементами аж до руйнування була виявлена залежність напружено деформованого стану (НДС) цих елементів від розміру навантаження. У разі сталого збільшення навантаження можна виділити три стадії НДС.

Стадія І. У разі малих навантажень (згинальних елементів) напруження у бетоні і арматурі малі, у бетоні розвиваються переважно пружні деформації. Залежність між напруженнями і деформаціями майже лінійна, і епюри напружень як у стисненій, так і в розтягненій зонах можна вважати трикутниками (рис. 8.1, а).

У разі збільшення напруження у розтягненому бетоні зростають повільніше порівняно з деформаціями. У розтягнутій зоні перерізу розвивається пластичні деформації; епюра напружень тут приймає криволінійний обрис, і напруження у бетоні сягає межі міцності на розтяг: . У стисненій зоні бетон отримує переважно пружні деформації, і епюра напружень близька до трикутної. Цей НДС називають стадією 1, а (рис. 18.1, b).

Стадія 1а прийнята за основу розрахунків на появу тріщин.

Стадія ІІ. При подальшому збільшенні навантаження у бетоні розтягненої зони з’являються тріщини, які збільшуються аж до нейтральної осі; у місцях, де утворилися тріщини, бетон виключається із роботи і напруження розтягу сприймає тільки арматура. У стисненій зоні епюра напружень у бетоні стає криволінійною (рис.18.1, c).

Стадію ІІ прийнято в основу розрахунку за допустимими напруженнями (епюру в стисненій зоні вважають трикутною).

Стадія ІІІ. У разі подальшого збільшення навантаження тріщини у розтягненій зоні розкриваються, напруження у матеріалах збільшується, і настає вичерпання несучої здатності (руйнування балки). У цій стадії непружні деформації охоплюють значну частину стисненої зони, і епюра напружень у бетоні має чітко криволінійний обрис. Критеріями вичерпання несучої здатності розрізняють настання одного з трьох випадків. Перший це досягнення граничних деформацій бетоном стиснутої зони ( ), другий розрив розтягнутої арматури ( ) і третій – втрата стійкості деформування. При реалізації в процесі навантаження першого критерію вичерпання несучої здатності перерізу відбувається руйнування бетону стиснутої зони. Настання другого критерію вичерпання несучої здатності характеризується розривом розтягнутої арматури, як правило, цей критерій реалізується в конструкціях з попереднім напруженням арматури. Настання третього крітерію вичерпання несучої здатності залізобетонного перерізу характеризується значним наростанням прогинів при незначному збільшенні навантаження. При тому напруження у розтягнутій арматурі можуть і не досягати межі текучості (випадок 2, рис.18.1, e). У стадії ІІІ напруження у стиснутій арматурі як правило досягають межі текучості.

Стадію ІІІ прийнято в основу розрахунку за руйнівними зусиллями і за граничними станами.

Характер вичерпання несучої здатності балок у стадії ІІІ залежить від міцності бетону та кількості і механічних властивостей розтягнутої арматури. У нормально армованих балках, в яких кількість розтягненої арматури не перевищує певної межі (прийнято що ця межа приблизно складає 3,0 %), руйнування починається з боку розтягненої арматури. Під час досягнення в ній межі текучості швидко наростають пластичні деформації арматури і прогини балки, внаслідок цього швидко зменшується висота стиснутої зони бетону, деформації бетону досягають своїх граничних значень і бетон руйнується.

По довжині балки у одні і ті самі моменти часу перерізи проходять різні стадії напружено-деформованого стану. У перерізах з малим згинальним моментом спостерігається стадія І; там, де згинальний момент більший, – стадія ІІ , а в перерізах з максимальним моментом може бути стадія ІІІ (рис. 18.2).