Методика расчета по образованию наклонных трещин в трехслойных железобетонных элементах монолитного сечения
Для оценки образования наклонных трещин с использованием методики сопротивления материалов трехслойное сечение заменяли однородным двутавровым из полистиролбетона с шириной стенки, равной ширине исходного сечения, и шириной полок, увеличенной пропорционально отношению модулей упругости бетонов наружных и среднего слоев.
Расчет по образованию наклонных трещин производится из условия, по которому главные растягивающие напряжения не должны превосходить сопротивления полистиролбетона растяжению, т.е
В средней зоне изгибаемого элемента, где одновременно действуют касательные напряжения, нормальные напряжения, направленные параллельно продольной оси элемента, и возможны нормальные напряжения, направленные перпендикулярно этой оси, имеет место плоское напряженное состояние, при котором главные растягивающие напряжения, и главные сжимающие напряжения в любой точке упругого элемента определяются по известной формуле сопротивления материалов
При проведении экспериментальных исследований значения главных растягивающих и главных сжимающих напряжений в бетоне определяли на уровне центра тяжести приведенного сечения.
При вычислении главных растягивающих и главных сжимающих напряжений для остальных балок учитывали только величины касательных напряжений, определяемые по формуле
Очевидно, местные сжимающие напряжения оу повышают усилия образования наклонных трещин. Поэтому при действии сосредоточенных нагрузок рассматривали область вне зоны действия этих напряжений, а в случае, если эти зоны перекрывали друг друга, в месте наименьших значений где образование наклонных трещин наиболее вероятно.
В СНиП 2.03.01-84 расчет по образованию наклонных трещин производится с использованием методики сопротивления материалов, если наклонные трещины в приопорных зонах образуются раньше нормальных Это характерно для предварительно напряженных конструкций, но может иметь место и для трехслойных из-за конструктивных особенностей их сечения, обусловленных расположением малопрочного бетона в среднем слое При этом напряжения в бетоне определяются как для сплошного упругого тела, а предельные значения сопротивлений растяжению - с учетом бетона в условиях плоского напряженного состояния.
Принятая в СНиП 2.03.01-84 зависимость между продольными значениями главных растягивающих и сжимающих напряжений базируется в основном на экспериментальных данных для конструкционных бетонов и, по существу, имеет ограничение со снижением прочности бетона. Вместе с тем она не в полной мере отражает выявленные экспериментально особенности сопротивления малопрочного полистирола в условиях плоского напряженного состояния, в частности снижение прочности на растяжение до 15% даже при небольших относительных сжимающих напряжениях, соответствующих появлению наклонных трещин в испытанных балках. Эта закономерность может быть учтена в расчете из условия
При этом формула (3.47а) имеет такую же физическую сущность, что и формула норм для расчета по образованию наклонных трещин, но другой подход для определения критерия прочности бегона в условиях плоского напряженного состояния.
Таким образом, для трехслойных железобетонных элементов с монолитной связью слоев расчет по образованию наклонных трещин можно осуществлять как для упругого тела приведенного сечения только при отсутствии нормальных трещин в приопорных зонах, но с учетом снижения прочности на растяжения бетона среднего слоя в условиях плоского напряженного состояния.
В отличие от однослойных элементов без поперечной арматуры разрушение таких же трехслойных не наступает сразу после образования наклонных трещин из-за сопротивления наружных слоев из более прочного бетона развитию одной из трещин в критическую. Поперечная арматура значительно повышает прочность наклонных сечений трехслойных элементов по сравнению с неармированными. При этом их несущая спосрбность лимитирована разрушением по наклонным полосам между наклонными трещинами в среднем слое. На несущую способность наклонной сжатой полосы существенно влияет поперечная арматура, пересекающая бетонную полосу. Наиболее эффективно влияние наклонной к продольной оси элемента поперечной арматуры.
В СНиП 2.03.01-84 расчет изгибаемых элементов без поперечной арматуры производится по усилию образования критической наклонной трещины из условия
Зависимость (3.51), отражая влияние прочности и вида бетона, пролета среза на усилие образования наклонных трещин, не учитывает в ряде случаев возможные конструктивные особенности сечения, в частности влияние наиболее прочных наружных слоев в трехслойных элементах монолитного сечения.
При анализе экспериментальных данных выявлено, что наружные слои из более прочного бетона в трехслойных элементах сдерживают развитие наклонных трещин, тем самым значительно повышая их несущую способность по наклонным сечениям. Это является существенным отличием трехслойных элементов от однослойных, разрушение которых происходит практически сразу же после образования критической наклонной трещины, за исключением элементов с малыми пролетами среза. Такая особенность должна быть учтена в расчете по прочности наклонных сечений.
Таким образом, для трехслойных железобетонных элементов с монолитной связью слоев без поперечной арматуры с учетом выявленных закономерностей предельная поперечная сила определяется по формуле
Оказывая сопротивление развитию одной из наклонных трещин в критическую, одновременно наружные слои из более прочного бетона способствуют продолжению процесса трещинообразования в среднем слое приопорных зон В результате образующейся системой наклонных трещин выделяется система наклонных полос. Бетонные полосы испытывают воздействие сжимающих сил, направленных вдоль них, и касательных сил, которые возникают в зоне контакта среднего и наружных слоев По фактической картине разрушения можно заключить, что определяющими при малых пролетах среза являются сжимающие напряжения, а с увеличением пролета среда и касательные, которые снижают несущую способность трехслойных элементов. Учитывая данную особенность, необходима проверка испытанных трехслойных элементов на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной сжатой полосе. В нормах она производится из полученного эмпирически условия
В литературе имеются и другие предложения для определения предельной поперечной силы, вызывающей разрушение трехслоиных элементов по наклонным сечениям. В частности предложено ограничивать предельную поперечную силу, соответственно вызывающую срез сжатой зоны и сдвиг по контакту слоев. Однако принятые допущения при выводе предложенных зависимостей не основаны на изучений фактического напряженно-деформированного состояния в наклонном сечении а, следовательно, условно отражают реальную работу трехслойного элемента монолитного сечения в предельном состоянии, хотя в целом удовлетворительна оценивают экспериментальные данные.
Значительно повысить прочность приопорных зон трехслойных конструкций с монолитной связью слоев возможно за счет установки поперечной арматуры в виде ферм с треугольной решеткой и углом наклона раскосов 45°. В первом приближении предельную поперечную силу для таких элементов можно определить как суммарную, воспринимаемую сжатым бетоном наклонных полос и раскосами ферм. В целом же вопрос работы приопорных зон трехслойных конструкций монолитного сечения при наличии поперечной арматуры нуждается в специальном направленном исследовании.
