Прикладная теория расчета железобетона строится на основе опытных данных, законах механики твердого тела и исходит из действительного напряженного состояния элементов под нагрузкой.
Выделяют три стадии напряженно-деформированного состояния сечений железобетонных элементов в зоне чистого изгиба элемента при постепенном увеличении нагрузки:
Стадия I — с момента приложения нагрузки до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно;
Стадия II — начинается с момента появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами — арматурой и бетоном совместно;
Стадия III — стадия разрушения, характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента, когда напряжения в растянутой стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести, в высокопрочной арматурной проволоке—временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны — временного сопротивления сжатию; в зависимости от степени армирования элемента последовательность разрушения зон растянутой и сжатой может изменяться.
I стадия
Первая стадия начинается с момента приложения нагрузки и заканчивается в момент появления нормальных трещин в растянутой зоне бетона, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно.
На данной стадии при малых нагрузках на элемент условно можно принять, что сжатая зона бетона работает упруго (деформации носят преимущественно упругий характер), а растянутый бетон в конце стадии доводится до предела по прочности на растяжение.
Эта стадия положена в основу расчета конструкций по образованию трещин.
При упругом характере деформирования зависимость между напряжениями и деформациями линейная и эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения треугольные, нейтральный слой проходит через центр тяжести приведённого к бетону сечения. С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии I. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.
II стадия
Вторая стадия начинается с момента появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной (расположенным ниже нейтральной оси), а на участках между трещинами — арматурой и бетоном совместно.
В интервалах растянутой зоны между трещинами сцепление арматуры с бетоном сохраняется, и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются
Между трещинами бетон работает на растяжение, и напряжения в арматуре уменьшаются по мере удаления от сечения с трещиной.
Данная стадия чаще всего называется эксплуатационной для подавляющего большинства конструкций (балки, плиты перекрытий и покрытий, колонны и т.д.),
поскольку образование и ограниченное раскрытие трещин в обычных условиях не снижают несущей способности элементов в течение требуемого срока эксплуатации.
Эта стадия принята в основу расчета железобетонных конструкций по деформациям и ширине раскрытия трещин.
С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину. Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.
Трещины в бетоне растянутой зоны иногда могут развиваться почти до нейтральной оси.
III Стадия (Стадия разрушения)
С дальнейшим увеличением нагрузки вторая стадия переходит в третью стадию — стадию разрушения.
С ростом нагрузки увеличиваются напряжения и деформации в растянутой арматуре, а высота сжатой зоны продолжает уменьшаться, в сжатой зоне эпюра напряжений искривляется, напряжения бетона возрастают.
С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести, после чего конструкция начинает пластически деформироваться при практически неизменной нагрузке; напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают значений расчетного сопротивления бетона сжатию.
В интервале растянутой зоны между двумя соседними трещинами сцепление арматуры с бетоном не нарушается. В сжатой зоне бетона развиваются неупругие деформации и эпюра нормальных напряжений искривляется. Высота сжатой зоны бетона в этой и следующей стадиях переменна по длине элемента: в сечениях над трещинами она меньше чем в сечениях между трещинами. Продольные деформации бетона сжатой зоны в сечении над трещиной несколько больше чем на участке между трещинами. По этой стадии работают наиболее напряжённые сечения в период эксплуатации. Нагрузка на конструкцию в этот момент может доходить до 65% и более от разрушающей.
Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре. К концу этой стадии напряжения в арматуре превышают предел упругости и при арматуре из «мягкой» стали могут иногда достигать предела текучести. Трещины в бетоне растянутой зоны иногда могут развиваться почти до нейтральной оси.
Бетон растянутой зоны из работы почти полностью исключается.
Стадия III положена в основу расчета несущей способности железобетонных конструкций.
Опыты свидетельствуют, что характер разрушения балки по нормальному сечению зависит от вида и количества продольной арматуры в сечении. При этом возможны следующие два случая разрушения балки:
1 случай: если жб элемент не переармирован (количество растянутой арматуры не превышает определенного предела)
2 случай: если жб с избыточным содержанием растянутой арматуры
1 случай:
В 1 случае разрушение носит пластический характер.
Разрушение ж.б. элемента начинается с арматуры растянутой зоны (в растянутой арматуре) и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны.
В арматуре из мягких сталей напряжения достигают физического или условного предела текучести, что приводит к интенсивному увеличению ширины трещин, а элемент получает значительный прогиб, высота сжатой зоны бетона сокращается, и напряжения быстро достигают предела прочности на сжатие. Разрушение носит пластический характер.
Если элемент в растянутой зоне армирован твёрдой сталью (высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве (~4 %)), то одновременно с разрывом проволоки происходит и раздробление бетона сжатой зоны, т.е. происходит хрупкое разрушение, его также относят к случаю 1.
2 случай:
Во 2 случае разрушение переармированных сечений всегда , независимо от свойств арматурных сталей, носит хрупкий характер при неполном использовании растянутой арматуры
В переармированных элементах разрушение происходит в результате раздробления бетона сжатой зоны, при этом напряжения в растянутой арматуре не достигают предельных значений (арматура не достигает своего предела текучести). Вторая стадия переходит в стадию разрушения внезапно.
Ненапрягаемая арматура сжатой зоны сечения в стадии III испытывает сжимающие напряжения, обусловленные предельной сжимаемостью бетона.
Поскольку прочность арматуры в таких элементах оказывается использованной не полностью, они считаются неэкономичными и без специального обоснования не применяются.
Сечения по длине железобетонного элемента испытывают разные стадии напряженно-деформированного состояния; так, в зонах с небольшими изгибающими моментами — стадия I, по мере возрастания изгибающих моментов — стадия II, в зоне с максимальным изгибающим моментом — стадия III.
Три аналогичные стадии напряжённо-деформированного состояния имеют место при внецентренном сжатии и при внецентренном растяжении, так как в этих случаях также получаются двузначные эпюры напряжений.
Разные стадии напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента могут возникать и на различных этапах — при изготовлении и предварительном обжатии, транспортировании и монтаже, действии эксплуатационной нагрузки.
В предварительно напряженных элементах до приложения внешней нагрузки напрягаемая арматура обжимает все сечение или часть его.
При обжатии в предварительно напряженном элементе возникают довольно высокие напряжения. Под влиянием развития неупругих деформаций эпюра сжимающих напряжений приобретает криволинейное очертание. В процессе последовательного загружения внешней нагрузкой предварительные сжимающие напряжения в бетоне погашаются, а возникающие растягивающие напряжения приближаются к временному сопротивлению бетона растяжению, и в элементе будут последовательно развиваться те же стадии напряженно-деформированного состояния, что и в элементе без предварительного напряжения. Перемещение в глубь сечения ординаты с максимальным напряжением на криволинейной эпюре обусловлено последовательным увеличением значений еь и одновременным уменьшением Еь от оси к внешнему краю сечения.
Особенность напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных элементов проявляется главным образом в стадии I. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин, значительно увеличивается (в несколько раз), напряжение в бетоне сжатой зоны и высота этой зоны также значительно возрастают. Интервал между стадиями I и III сокращается.
После образования трещин в стадиях II и III напряженные состояния элементов с предварительным напряжением и без него сходны.
