Деформации бетона под нагрузкой. Модуль упругости

Характер деформаций бетона под нагрузкой определяется однократным нагружением бетонного образца при испытаниях на сжатие с одновременной фиксацией напряжений Ϭ и относительных деформаций ε. Диаграмма

Ϭ – ε (см. рис. 3.2) имеет криволинейный характер, деформации в бетоне растут быстрее напряжений. В бетоне под нагрузкой одновременно с упругими растут так же неупругие деформации, обусловленные ползучестью бетона, т.е. его способностью деформироваться даже при неизменной нагрузке. Из диаграммы видно, что полные деформации бетона ε   состоят

 

 

Рисунок 3.2 Диаграмма зависимости между напряжениями и

деформациями в бетоне при сжатии

 

из упругих ε  и пластических ε : ε = ε + ε . С увеличением длительности нагружения t доля ε увеличивается. С увеличением сжимающих напряжений деформации в бетоне достигают значений предельной сжимаемости ε =0,002 (примерное значение), после чего сопротивление бетона сжатию постепенно снижается – ниспадающая ветвь на диаграмме. В конструкциях такой участок повышенного деформирования наблюдается у внешней грани сжатой зоны изгибаемых элементов.

В расчетах железобетонных конструкций, как правило, учитываются упругие свойства бетона, оцениваемые с помощью начального модуля упругости бетона Е , определяемого испытаниями бетонных призм по показателям начальной части диаграммы Ϭ – ε: Напряжения в бетоне в упругой стадии его работы согласно закону Гука

                                           Ϭ = Е ε .                                           (3.1)

Здесь Е = Ϭ /ε - начальный модуль упругости бетона, полученный из опыта. Те же напряжения в бетоне, выраженные через его полные деформации ε =

ε + ε ( см.рис.3.2):

                               Ϭ = Е ε =Е (ε + ε ).                                 (3.2)

Из равенства левых и правых частей (3.1) и (3.2) следует:

Е ε = Е (ε + ε ). Из этого соотношения выделяют модуль упругопластичности бетона

                                  Е = Е ε / (ε + ε ) = Е .                            (3.3)

здесь = ε / (ε + ε ) = 1 - 0,2 – коэффициент упругости бетона отражает соотношение упругой части деформаций бетона и их полной величины. Обратная по отношению к   величина λ = 1- - коэффициент пластичности бетона.

 

Арматура

В железобетонных конструкциях применяют стальную стержневую, проволочную и канатную арматуру. Арматура в конструкциях предназначена для восприятия растягивающих и сжимающих усилий в изгибаемых элементах, растягивающих -в растянутых элементах, сжимающих - в сжатых элементах, сжимающих и растягивающих – во внецентренно сжатых элементах. При этом необходимое количество арматуры определяется расчетом и такая арматура называется рабочей.

Для восприятия усилий в конструкциях, возникающих от монтажных нагрузок, усадки бетона, а так же для обеспечения проектного положения рабочей арматуры при изготовлении конструкции устанавливают монтажную арматуру.

Оба вида арматуры объединяют в арматурные изделия: каркасы и сетки плоские и пространственные. Каркасы чаще применяются в балках и колоннах, сетки - в плитах, рис. 3.3.

Для железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуры в каркасах качестве рабочих поперечных стержней применяют горячекатаную гладкую стержневую арматуру класса А240, а так же стержневую арматуру периодического профиля классов А300, А400, и холоднодеформированную проволочную классов В500, Вр500. Для рабочей продольной арматуры в каркасах и сетках применяют горячекатаную стержневую арматуру периодического профиля классов А400, А500.

Для предварительно напряженных железобетонных конструкций в качестве напрягаемой арматуры применяют:

- горячекатаную термомеханически упрочненную стержневую арматуру классов А600, А800, А1000;

- холоднодеформированную проволочную периодического профиля            классов Вр1200, Вр1300, Вр1400, Вр1500, Вр1600;

- канатную проволочную арматуру классов К1400, К1500, К1600, К1700.

Ненапрягаемая арматура в предварительно напряженных железобетонных конструкциях поименована выше.

 

Рисунок 3.3 Арматурные изделия: каркасы и сетки

 

Нормируемые механические характеристики для арматурных сталей определены по экспериментальным зависимостям Ϭ – ε, полученным при испытаниях образцов арматуры на растяжение с построением соответствующих диаграмм (рис.3.4,3.5).

 

Рисунок 3.4 Диаграмма напряжения-деформации мягких сталей

 

 

Рисунок 3.5 Диаграмма напряжения-деформации твердых сталей

 

Для горячекатаных низкопрочных (мягких) сталей, рис.3.4, на диаграмме присутствует характерная площадка текучести с физическим пределом текучести Ϭ  - напряжением, при котором растягиваемый образец деформируется без увеличения нагрузки. Напряжение, непосредственно предшествующее разрыву образца называется временным сопротивлением арматурной стали Ϭ .

Для легированных (содержащих химические добавки) и термомеханически упрочненных (твердых) арматурных сталей характерно хрупкое разрушение, а при испытаниях на растяжение наблюдается плавный, постепенный переход в пластическую область деформирования без ярко выраженной площадки текучести, рис.3.5. Для таких сталей установлен условный предел текучести

Ϭ - напряжение, при котором остаточные деформации ε составляют 0,02% от полных остаточных деформаций. Временное сопротивление Ϭ (при разрушении) для таких сталей достигает значительно более высоких значений.

Для назначения нормативных сопротивлений сталей R   в нормах проектирования использованы значения напряжений Ϭ  и Ϭ  с учетом статистической обработки многочисленных результатов испытаний с обеспеченностью значений нормативных сопротивлений 0,95.

Упругие свойства арматурных сталей в нормах проектирования учтены величиной модуля упругости Е , полученного из закона Гука Ϭ =Е ε  , экспериментально в упругой стадии работы материала.

 

4 СУЩНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА. ВИДЫ ЖБК. НАПРЯЖЕНИЯ
             И ДЕФОРМАЦИИ В ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
           ВИДАХ ЗАГРУЖЕНИЙ

Сущность железобетона

Железобетон состоит из бетона и расположенных в нем стальных арматурных стержней, работающих с ним совместно. Бетон и арматура в железобетоне составляют одно монолитное целое.

Способность бетона сопротивляться напряжениям сжатия в 10-15 раз выше его же способности сопротивляться напряжениям растяжения. Сталь, как более однородный материал, обладает одинаковой прочностью как при работе на сжатие, так и при работе на растяжение. Эти свойства бетона и стальной арматуры и явились основой создания железобетонных конструкций, в которых сжимающие напряжения воспринимались бы бетоном, а растягивающие – арматурой.

В изгибаемых элементах (балках, плитах и др.) арматурные стержни располагаются вблизи крайних сжатых и растянутых волокон по высоте сечений (рис.4.1а), в сжатых и растянутых элементах – симметрично, по контуру сечений (рис.4.1б).

Кроме обычных железобетонных конструкций (без предварительно создаваемых в материалах напряжений) существуют предварительно напряженные железобетонные конструкции. ПН ЖБК обладают повышенной трещиностойкостью, низкой деформативностью. В них возможно использование высокопрочных бетонов и сталей. В предварительно наряженных железобетонных конструкциях на стадии их изготовления бетон подвергается предварительному обжатию, а арматура – растяжению. Предварительные напряжения в арматуре создаются натяжением арматуры на упоры (рис.4.2а, когда бетон в форме отсутствует) или натяжением арматуры на бетон (рис. 4.2б). Предварительные напряжения сжатия в бетоне, созданные искусственно при передаче напряжений от арматуры бетону, препятствуют росту растягивающих напряжений в нем при эксплуатации конструкции. В результате образование трещин в бетоне происходит на самых поздних стадиях работы конструкции, близких к ее предельному состоянию. Этим обусловлена повышенная трещиностойкость предварительно напряженных ЖБК.

Рисунок 4.1 Расположение арматуры: а) – в изгибаемых элементах;

б) – в растянутых и внецентренно сжатых элементах

 

Рисунок 4.2 Способы изготовления предварительно напряженных ЖБК:

а) –натяжением на упоры; б) – натяжением на бетон

 

Основные физико-механические факторы, обеспечивающие совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетонных конструкциях:

- значительное сцепление арматуры с бетоном;

-близкие свойства температурных деформаций бетона и арматуры;

- защищенность стальной арматуры, заключенной в плотный бетон, от

атмосферной коррозии и температурных воздействий.