2. Стадії напружено-деформованого стану перерізу залізобетонного елемента

Численні експериментальні дослідження елементів, які згинаються, позацентрово стиснуті і позацентрово розтягнуті, дали можливість виділити три характерні стадії напружено-деформованого стану перерізу від початку навантажування до зруйнування елемента. Розглянемо ці стадії на прикладі роботи балки на двох опорах, армованої в розтягнутій зоні стержнями із сталі класів А-І...А-ІІІ і навантажуваної зосередженими силами, які поступово збільшуються, аж до зруйнування конструкції (рис. 4.1, а).

Стадія І.При невеликому навантаженні (15...25% від руйнівного) бетон працює спільно з арматурою по всій довжині балки. Епюра напружень у перерізі двозначна, у стиснутій зоні близька до трикутної з напруженням _b1. У розтягнутій зоні в міру наближення _bt до R_bt епюра з трикутної перетворюється в криволінійну, близьку до прямокутної за рахунок розвитку нелінійних непружних деформацій (рис. 4.1, б, 1). Нейтральна вісь проходить нижче від центра ваги бетонного перерізу внаслідок впливу арматури в розтягнутій зоні. Висота стиснутої зони бетону х₁.

Стадію І покладено в основу розрахунку конструкцій на утворення тріщин (рис. 4.1, в). Епюру напружень в розтягнутій зоні приймають прямокутною з ординатою , а деформації

Стадія ІІ. Перехід перерізу в стадію ІІ характеризується утворенням тріщин, нормальних до поздовжньої осі елемента, і виключенням з роботи розтягнутого бетону. У перерізах з тріщинами всі розтягувальні зусилля сприймає арматура, що спричиняє збільшення деформації розтягнутої зони і зміщення нейтральної осі вгору. Дальше збільшення навантаження до 60...70 % від руйнівного веде до зменшення висоти стиснутої зони бетону до х₂, підвищення стискувальних напружень у бетоні до і викривлення епюри напружень у стиснутій зоні. Бетон між тріщинами і над ними продовжує працювати і частково розвантажує розтягнуту арматуру (рис. 4.1,б,ІІ). Стадія ІІ відповідає експлуатаційному стану, і тому її прийнято за основу розрахунків деформацій і ширини розкриття тріщин (рис. 4.1, в, ІІ).

Стадія ІІІ. Зі збільшенням навантаження стадія ІІ переходить у стадію ІІІ  стадію руйнування. Зростання деформацій спричиняє збільшення напружень і деформацій у розтягнутій арматурі, дальше зменшення висоти стиснутої зони бетону, що супроводиться зростанням напружень і викривленням епюри напружень.

Коли в арматурі буде досягнуто межі текучості сталі _y, в перерізі настає граничний стан щодо міцності. Текучість арматури зумовлює швидке скорочення висоти стиснутої зони до х₃, збільшення напружень у стиснутому бетоні до R_b.u, вичерпання граничної стискуваності бетону _b.u, що призводить до дроблення бетону стиснутої зони (рис. 4.1, б, ІІІа).

Рис. 4.1. Стадії напружено деформованого стану під час згинання: а - схема роботи елемента, що працює на згинання; б - дійсні схеми; в - розрахункові схеми; І - стадія до утворення тріщин; ІІ - стадія експлуатації; ІІІ - стадія руйнування непереармованого елемента

Стадію ІІІ покладено в основу розрахунку на міцність (рис. 4.1, в, ІІІ). При цьому вважається, що у розтягнутій арматурі і стиснутій зоні бетону у разі руйнування напруження досягають одночасно граничних значень. Характер руйнування  пластичний. В обчисленнях враховують прямокутну епюру напружень у бетоні стиснутої зони. Це значно спрощує розрахункові формули.

Принцип пластичного руйнування залізобетонного елемента може бути порушений, якщо розтягнуту зону буде переармовано. Тоді напруження в розтягнутій арматурі не досягнуть межі текучості, а переріз зруйнується в результаті дроблення бетону стиснутої зони (рис. 4.1, б, ІІІб).

Пластичне руйнування залізобетонних елементів, які згинаються, буває тільки при певних відсотках армування, що не перевищує максимальних, які визначаються граничною висотою стиснутої зони бетону х_R.

У переармованих перерізах, що характеризуються умовою х>х_R, із збільшенням навантаження деформації в бетоні стиснутої зони зростають швидше ніж в арматурі. Це веде до збільшення висоти стиснутої зони бетону і зростання напружень у бетоні _b за рахунок зменшення плеча внутрішньої пари Z. Зруйнування відбувається ламко від дроблення бетону стиснутої зони при граничних напруженнях і деформаціях. У момент зруйнування напруження в арматурі дорівнюють _s, тобто нижче від межі текучості (рис. 1.1, в, ІІІб). Чим вищий відсоток армування, тим нижчі ці напруження. Отже міцність арматури в переармованих перерізах повністю не використовується.