(ГУП УНИИ АКХ),
канд. техн. наук, член-корр. АЖКХ
К вопросу предельных состояний железобетонных конструкций
Основное отличие методов расчетов конструкций по предельным состояниям от метода расчета по разрушающим усилиям в том, что в нем четко должны быть установлены предельные состояния конструкций [1÷4].
Предельными считаются состояния, при котором конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т. е. получают недопустимые перемещения, местные повреждения или теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям.
По нормам проектирования СНиП 2.03.01-84 железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по несущей способности (предельные состояния первой группы) и по пригодности к нормальной эксплуатации (предельные состояния второй группы). Расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать конструкции от хрупкого, вязкого или иного характера разрушения, в необходимых случаях этот расчет следует выполнять с учетом прогиба конструкций перед разрушением. Кроме того, расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать конструкции от потери устойчивости, разрушением под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды, а также их усталостного разрушения.
Расчет по предельным состояниям второй группы должен обеспечивать конструкции от образования трещин, а также их чрезмерного или длительного раскрытия и от чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота, углов перекоса).
Статически неопределимые железобетонные конструкции составляют наиболее обширный класс строительных конструкций. Расчет их по первой и второй группам предельных состояний производится с учетом перераспределения усилий, вызываемого проявлением неупругих деформаций бетона и арматуры и образованием трещин. Учет перераспределения усилий позволяет более правильно оценить прочность, трещиностойкость и деформативность конструкций, а также дает возможность рационального их проектирования и получения производственного и экономического эффекта [9].
После определения усилий от статических нагрузок согласно Руководству [9], дальнейший расчет статически неопределенных конструкций выполняется по элементам с учетом требований СНиП П-21-75. Считается, что несущая способность таких конструкций может быть исчерпана либо при хрупком разрушении одного из ее элементов ранее, чем общие деформации станут слишком велики, либо за счет чрезмерного роста общих необратимых деформаций без полного разрушения какой-либо из частей конструкции.
Расчет несущей способности, если предельное состояние ее характеризуется резким возрастанием необратимых деформаций, может быть выполнен методом предельного равновесия.
Для расчета несущей способности конструкции при хрупком разрушении следует прослеживать перераспределение усилий до тех пор, пока не выявятся условия хрупкого разрушения одного из элементов конструкции [9].
Метод предельного равновесия основывается на двух предпосылках:
- деформации конструкции до исчерпания ее несущей способности должны быть достаточно малы для того, чтобы можно было пренебречь изменениями геометрических размеров,
- усилия в элементах конструкции (особенно в тех из них, которые фактически определяют ее несущую способность) должны быть ограничены предельными условиями, с достижением которых деформации этих элементов могут достаточно сильно возрастать.
Для выполнения этих расчетных предпосылок к конструкциям предъявляются довольно серьезнее требования:
1. Они должны быть достаточно жесткие, однако признаком жесткости служат здесь не эксплуатационные требования, а чувствительность условий равновесия к возникающим деформациям.
2. Необходимость проектировать конструкции так, чтобы причиной разрушения не может быть срез сжатой зоны или раздавливание бетона от главных сжимающих напряжений.
3. Применять для продольной растянутой арматуры стали, обладающие достаточно большими пластическими деформациями и имеющие сцепление с окружающим бетоном.
Отсутствие количественных данных в перечисленных требованиях свидетельствует о недостаточной изученности механизма перераспределения усилий, что ограничивает применение современного рационального метода предельного равновесия.
Специфические особенности поведения железобетонных конструкций, связанных с образованием трещин и развитием неупругих деформаций в сечениях элементов конструкций, не позволяют непосредственно использовать совершенный аппарат строительной механики упругих систем для описания всех стадий работы конструкций, а именно, для определения ее деформаций и несущей способности.
Для оценки работы сложных статически неопределимых железобетонных конструкций необходимо иметь подробные сведения о напряженно деформированном состоянии отдельных наиболее нагруженных элементах конструкций при различных уровнях нагрузки. Если работа конструкций в упругой стадии (до появления трещин не вызывает особых вопросов, то работа на упругопластической стадии приводит к ряду сложных вопросов. Так, предельное состояние стержневых статистически неопределимых систем в состоянии предельного равновесия оценивается появлением на элементах зон чрезмерных деформаций, называемых пластическими шарнирами.
В процессе нагружения статистически неопределимой конструкции отдельные участки ее элементов претерпевает ряд качественных изменений. При относительно небольшой величине внешней нагрузки можно считать, что конструкция работает упруго. Но на определенном этапе нагружения в элементах конструкции возникают трещины, возрастает влияние неупругих деформаций сжатого бетона, жесткость отдельных участков конструкции снижается. Изменение жесткости отдельных участков конструкции вызывает перераспределение усилий в системе. В статически неопределимой системе распределение усилий зависит еще и от соотношения их жесткостей [5].
При дальнейшем увеличении нагрузок продолжается образование новых трещин, увеличиваются ширина раскрытия и глубина трещин, возникших ранее, интенсивнее начинают проявляться неупругие деформации бетона [6]. Все это вызывает дальнейшее изменение соотношений жесткостей отдельных элементов и их участков, новое перераспределение внутренних усилий. Следующий этап перераспределения усилий начинается с момента, когда усилия в арматуре достигают предела текучести. В случае, если прочность сжатой зоны достаточно велика арматура и бетон сжатой зоны допускают развитие пластических деформаций, в сечении образуется пластический шарнир. Дальнейшее увеличение изгибающего момента в этом сечении с возрастанием нагрузки становится невозможным. Как принято считать пластический шарнир допускает лишь дальнейшее увеличение деформаций (поворот) при постоянном, равном предельному, значении изгибающего момента.
Поворот в пластическом шарнире сопровождается ростом относительных деформаций отдельных слоев бетона (продолжается перераспределение усилий в сжатой зоне) и арматуре. Изгибающие моменты при дальнейшем увеличении нагрузки растут в сечениях, не затронутых пластическими деформациями. Возникают новые пластические шарниры. Заканчивается процесс перераспределения превращением на определенном этапе нагружения системы в кинематический механизм, когда количество пластических шарниров при соответствующем их расположении превысит на единицу степень статической неопределенности системы.
Рассмотренное пластическое разрушение характерно для большинства статически неопределимых железобетонных конструкций. Для его реализации необходимо, чтобы в процессе образования новых пластических шарниров и интенсивного перераспределения усилий относительные деформации сжатого бетона и растянутой арматуры в первоначально возникших пластических шарнирах не достигли предельных значений. Например, при применении сталей с ограниченными пластическими свойствами будут ограничены и деформации сечения. Разрыв арматуры (разрушение всей системы) может произойти до того, как образуются другие пластические шарниры, превращающие систему в механизм. В этом случае произойдет хрупкое разрушение конструкции [7; 8; 10]. Хрупкое разрушение может произойти от скалывания бетона при действии поперечных сил.
Подробное описание предельных состояний сделано для того, чтобы подчеркнуть важную роль пластических шарниров в перераспределении усилий и работе статически неопределимых систем в предельной стадии (по прочности). Большой вклад для дальнейшего развития расчетов по методу предельного равновесия дадут специальные исследования напряженно-деформативного состояния в зоне пластического шарнира.
Очень важно заложенные в расчеты основные предпосылки учитывать при натурных обследованиях и оценке технического состояния конструкций в процессе их эксплуатации, а также при подсчете ресурса.
Литература
1. Стрелецкий вопросы развития методики предельных состояний. Сб. статей под ред. докт. техн. наук, проф. . МИСИ. М., 1971.
2. Стрелецкий НС. К вопросу развития методики расчета по предельным состояниям. Сб. статей под рук. докт. техн. наук, проф. . МИСИ. М 19781.
3. Мурашев , жесткость и прочность железобетона. М., 1950.
4. , Гольденблат ИИ, и др. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. Под ред. докт. техн. наук, проф. . М., 1951.
5. Кузьмичев влияния пластических деформаций сжатого бетона на перераспределение усилий в железобетонных рамах. Исследования по теории железобетона. Сб. трудов НИИЖБ, вып. 17, под редакцией . Госстройиздат. М., 1960.
6. Маилян ДР., Корниенко работы сжатой арматуры в изгибаемых элементах. Сб. «Вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона». РИСИ. Ростов на Дону, 1977.
7. О совершенствовании нормируемых методов расчета железобетонных конструкций. «Бетон и железобетон». 1977, № 5.
8. , Скоробогатов высокопрочной стержневой арматуры из стали с улучшенными упругопластическими свойствами в изгибаемых железобетонных элементах. В сб. Материалы VII Всесоюзной конференции по бетону и железобетону. Ленинградский промстройпроект. Л., 1972.
9. Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций. НИИЖБ. М., 1975.
10. Гвоздев замечания по поводу статьи «О совершенствовании нормируемых методов расчета железобетонных конструкций». «Бетон и железобетон», 1977, № 5.
