Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Действительно, главная, несущая арматура концентрируется в областях, где возникают напряжения-растяжения. Сначала методами строительной механики подробно исследуются усилия — изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы — и на основе полученной картины конструктор может судить о том, где в процессе эксплуатации или при аварийном состоянии могут возникнуть растягивающие напряжения. В соответствии с их величиной он определяет количество стали, которая должна быть вложена в определенные места железобетонной конструкции. На рис. 32 показаны принципиальные схемы трех наиболее распространенных железобетонных элементов — балки, плиты и вертикальной диафрагмы высокого здания. Арматура уложена со стороны растягивающих напряжений в бетоне.
Но это лишь часть правды о железобетоне. Необходимо знать, что между сталью и бетоном возникает сильное сцепление, которое практически непреодолимо вплоть до полного разрушения. А это говорит о том, что их деформации идентичны.
Рис. 33. Принцип работы железобетона основан на прочном сцеплении бетона с арматурой. При совместной деформации 0,015% бетон перестает работать, разрывается. В этот момент напряжение Арматуры составляет около 300 кг/см2. После этого трещины свободно расширяются и арматура беспрепятственно растягивается до того момента, пока в ней не возникнут соответствующие напряжения большей величины
Простейшую схему их совместной работы в зоне растяжения мы видим на рис. 33, где показаны символические представители двух материалов в виде тел длиной, равной 1, и сечением, тоже равным 1. Два тела связаны в общий блок, который одинаково их деформирует (растягивает). Таким образом символически отражается сцепление, которое является причиной одинаковых деформаций в двух материалах. Но так как у стали модуль упругости приблизительно в 10 раз больше, чем у бетона, она (в соответствии с законом Гука) при данных деформациях будет работать с растягивающими напряжениями, тоже в 10 раз большими.
В этом и заключается рациональное зерно железобетона. Предельная, разрушительная деформация для бетона при растяжении в среднем составляет 0,15 мм на метр длины. Легко подсчитать, что в этом случае (т. е. при полном использовании сопротивления бетона растяжению) в нем возникнет напряжение 30 кг/см2, а в стали, которая в 10 раз прочнее, — 300 кг/см2. Но напряжение 300 кг/см2 значительно ниже возможностей стали. Как мы помним, расчетное сопротивление арматурной стали класса A-I равно 2100 кг/см2. Следовательно, несмотря на благоприятное соотношение напряжений в бетоне и арматуре, последняя используется не полностью… Тут мы приблизились к последней части правды о железобетоне, которая предполагает небольшую, так сказать, локальную катастрофу.
Итак, при деформации около 0,015% бетон раскрывается и «тандем» перестает существовать. Теряем ли мы от этого? Нет. Значительно более растяжимая сталь беспрепятственно реализует свою деформацию и при достижении величины, которая в 10 раз больше, чем критическая у бетона, начинает работать поистине в полную силу. Для стали класса А-III, например, она составляет 3600 кг/см2. В сравнении со столь значительной величиной скромное общее сопротивление «тандема» — всего лишь 330 кг/см2 — почти что ничего не значит, но это значит, что сопротивление бетона растяжению может вообще не приниматься в расчет. Оно не только само по себе мало, но и существенно ограничивает возможности стали.
Процессы в зоне растяжения железобетонного элемента, подвергающегося изгибу, можно огрублено сравнить с элементарной физической моделью, какой является полоска бумаги с приклеенной к ней резинкой. С растяжением этой несколько смешной конструкции начинаются и деформации. Но так как бумага значительно менее растяжима, чем резинка, то в какой-то момент она рвется. С этого мгновения резинка растягивается свободно, воспринимая все большую нагрузку — во много раз больше той, которую воспринимает система «бумага — резинка».
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН
Итак, подведем итоги. В растягиваемой зоне всех железобетонных элементов с обычной арматурой допускаются трещины. Может быть, это звучит странно и необычно, но практически только так может существовать целесообразный железобетон, только так может быть достигнут ощутимый эффект от арматуры. Иначе говоря, теория и практика современных железобетонных конструкций строятся на локальных катастрофах, которые происходят в подвергающихся растяжению объемах, после чего бетон полностью исключается из работы на растяжение.
Рис.34. Возможная картина трещин в железобетонной балке
О размерах трещин, которые возникают в реальных конструкциях, можно получить представление из рис. 34 (свободно опертая изгибаемая балка). Необходимая полезная деформация в арматуре возможна главным образом за счет трещин. При напряжении в стали 2100 кг/см2 и модуле упругости 210 000 кг/см2 относительное удлинение (деформация), по закону Гука, составляет 1 мм/м. Оно может реализоваться при трещинах шириной 0,2 мм, расположенных на расстоянии 20 см одна от другой.
Рис.35. Идеализированная схема напряженного состояния при изгибе железобетона. Стадия III - миг перед разрушением
Проследим стадии напряженного состояния, через которые последовательно проходит, например, среднее (наиболее нагруженное) сечение балки, от момента нагрузки до разрушения. При очень малой величине внешней нагрузки изгибающий момент тоже очень мал (рис. 35). Бетон в состоянии воспринимать незначительные растягивающие напряжения, а в связи с их незначительной величиной пластические деформации почти не проявляются. Можно сказать, что закон Гука в силе — диаграмма напряжений имеет линейный характер. Такое идиллическое положение сохраняется до того момента, пока растягивающие напряжения в бетоне не достигнут величины его прочности на растяжение (стадия I напряженного состояния).
Но изгибающий момент продолжает увеличиваться. В связи со склонностью к пластификации зона растяжения не разрывается; наиболее нагруженные нижние слои «поддаются» — начинают деформироваться при постоянном напряжении, равном прочности на растяжение, что позволяет расположенным выше и менее нагруженным слоям тоже растягиваться до того момента, пока в них не установится напряжение, равное прочности на растяжение. Этот процесс перераспределения напряжений охватывает всю зону растяжения, и их диаграмма принимает вид, близкий к прямоугольнику (стадия 1а).
Но это лишь прелюдия к локальной катастрофе. Незначительное увеличение момента неминуемо ее вызовет, и появится трещина. В этот момент все растягивающие напряжения концентрируются в арматуре. Однако напряжения в зоне сжатия все еще гораздо ниже возможностей бетона, поэтому пластификация там выражена слабо. С известными оговорками их диаграмма может считаться треугольной. С увеличением момента сжимающие напряжения постепенно достигают сравнительно большой величины, которая вполне обоснованно могла бы считаться максимально допустимой при проектировании железобетонных конструкций (стадия II напряженного состояния).
И действительно, стадия II десятки лет (а во многих странах и сейчас) была той базой, на которой проектировались железобетонные конструкции (конечно, если не принимать в расчет первых, архаичных образцов железобетона, основой расчета которых была стадия I).. Но посмотрим, что происходит потом.
С увеличением изгибающего момента начинает пластифицироваться и зона сжатия. Напряжения достигают прочности бетона на сжатие, «поддаются» и расположенные ниже слои. Постепенно диаграмма трансформируется в сильновыпуклую параболу, близкую к прямоугольнику (стадия III). Между тем арматура достигает предела текучести и тоже значительно «поддается», появляются значительные трещины, и, поскольку бетон не так пластичен, не так деформируем, как сталь, он не выдерживает этого «состояния в деформациях» и разрушается. Во всяком случае, разрушение начинается со сжимаемой зоны бетона.
Именно III стадия лежит в основе расчета железобетонных конструкций в СССР и других развитых странах, включая и НРБ. Многолетние исследования и богатый практический опыт дают достаточно оснований считать, что это не «балансирование на краю пропасти», а единственно целесообразный подход, отвечающий индивидуальности такого специфического материала, как железобетон.
Заслуживает внимания тот факт, что в различных сечениях одного и того же элемента одновременно наблюдаются все стадии напряженного состояния. Так, например, балка, показанная на рис. 34, в середине при максимальном моменте уже работает в стадии III, а с приближением к опорам и соответствующим уменьшением моментов последовательно переходит в стадии II, Iа и I.
