В самонапряженных конструкциях предварительное напряжение возникает в результате выделения энергии расширения твердеющего бетона, которая в основном расходуется на деформацию конструкции, создавая высокие напряжения в ее материалах. Различаются два случая самонапряжения:
VI. когда нет внешних препятствий (жесткие или упруго-податливые опоры), противодействующих свободной деформации конструкции в процессе самонапряжения;
VII. когда ц период самонапряжения создаются временные внешние реакции, препятствующие деформации и производящие перераспределение усилий внутри конструкции.
В первом случае результатом самонапряжения является возникновение почти равного напряжения сжатия в бетоне конструкции при различных деформациях арматуры разных зон. Во втором случае может быть создано любое желаемое и наиболее выгодное внутреннее напряженное состояние.
Графическое изображение восприятия материалами самонапряженных конструкций внешней нагрузки остается таким же, как для предварительно напряженных конструкций с механическим натяжением арматуры. Необходимо лишь знать начальное напряженное состояние, вызванное процессом самонапряжения.
Такая же картина наблюдается и в сжатой зоне (несовпадение точек приложения усилий сжатия элементов и растяжение арматуры). При дальнейшем увеличении нагрузки это несовпадение. Рассматривая последовательно эпюры напряженных состояний при увеличивающейся нагрузке, мы видим, что в растянутой зоне усилие, воспринимаемое ненапряженным бетоном, уменьшается соответственно с 35 до 30%, после трещины — до 15, 6, 5, 4, 6%, т. е. восприятие нагрузки не исчезает с появлением трещины, как бывает при центральном растяжении. Это объясняется тем, что наличие предварительно на-пряженных элементов, работающих упруго, сдерживает раскрытие трещины и вызывает ее очень медленное развитие вверх, оставляя еще значительную часть ненапряженного бетона в работе по восприятию нагрузки.Правильность представленного на эпюрах напряженного состояния может быть легко проверена, применением уравнений статики для каждой ступени нагрузок. В сопоставлены подсчитанные по эпюрам напряжений равнодействующие усилий сжатия iVc и растяжения Nр и моменты внутренних сил Мвнутр с моментами внешних сил Мвнешн от нагрузки. Расхождение для моментов составило только 6% в начальный период нагружения, а в остальных —не более 2%. Для сил сжатия и растяжения в сечении на двух этапах расхождение оказалось больше, т. е. 14%, но при приближении к моменту возникновения трещин в эпюрах уменьшилось до 1—2%. Постепенность выхода из работы ненапряженного бетона сборно-монолитной конструкции по восприятию нагрузки хорошо иллюстрируется графиком, из которого вытекает, что вплоть до момента возникновения трещины в ненапряженном бетоне работа этого бетона весьма существенна и составляет 50—30%; после возникновения трещины, по мере нагружения балки ненапряженный бетон не сразу, а постепенно, выключается из работы, что незаметно сказывается на прогибах. Доля участия бетона предварительно напряженных элементов в восприятии нагрузки невелика, и он вступает в работу только в процессе или после выхода из строя ненапряженного бетона. График показывает, что полоса была законструирована не по оптимальному варианту и площадь сечения предварительно напряженных элементов выбрана недостаточная. На графике пунктирной линией показана возможная работа ненапряженного бетона в случае оптимального армирования. Рассматриваемый график зависимости прогиба от нагрузки весьма нагляден для оценки работы сборно-монолитной конструкции, так как он суммирует работу отдельных точек конструкции, представленных ранее в графике. На данном графике, как это уже было принято ранее, не показаны взаимно уравновешивающиеся внутренние усилия, действующие в сечении.
Графические изображения, принятые выше для изучения деформаций и напряжений, позволяют глубже понять и представить себе работу материалов конструкции и более обоснованно маневрировать этими материалами при подборе сечений элементов конструкции в процессе проектирования.
На представлены эпюры фактических деформаций сечения полосы под нагрузкой в месте действия наибольшего момента для различных ступеней нагрузки.
Эпюры напряженных состояний сечения приведены для нагрузок изгибающим моментом Mi — 0 (эпюра а); М2 = 27,7 тм (эпюра б); М3 = 34,8 тм (эпюра в), отражающая напряженное состояние полосы перед возникновением трещины в напряженном бетоне; М4 = 38,4 тм (эпюра г), отвечающая нагрузке, вызывающей возникновение трещины в ненапряженном бетоне; М5 = 46 тм (эпюра д), вызывающая дальнейшее развитие трещины в ненапряженном бетоне; М6 = =49,4 тм (эпюре е), отвечающая моменту перед образованием трещины в напряженных элементах; М?= 52,9 тм (эпюра ж), отвечающая моменту после образования трещины в напряженном элементе, и А48= 56,5 тм (эпюра з), характеризующая момент полного выхода из работы бетона растянутой зоны. Разрушение полосы было вызвано разрывом арматуры растянутой зоны под нагрузкой Мр = 110 тм, при напряженном состоянии, представленном эпюрой.
На эпюрах слева от вертикальной черты дано распределение напряжений в сечении полосы, а справа — распределение равнодействующих усилий в материалах полосы и доля участия их в восприятии нагрузки. Так, для нагрузки М2 = 27,7 тм, когда в сечении растянутой ненапряженной зоны бетона еще нет трещин, он воспринимает усилие 17,1 т или 35%. а арматура этой зоны уже 69,6—37,2 = 32,4 т, или 65%; в сжатой зоне ненапряженный бетон воспринимает усилие 18,8 т, или 42%, а предварительно напряженный бетон элементов 45,2—19,2 = 26 т, или 58%. Характерно, что в зоне растяжения полосы предварительно сжатый бетон элементов показывает усилие сжатия бетона, равное части усилия растяжения арматуры. Одновременно вследствие смешения точек приложения этих усилий бетон элементов начинает частично воспринимать изгибающий момент как результат этого смещения, что является совершенно естественным.
Рассмотрим такое построение графиков и эпюр для конкретной модели сборно-монолитной конструкции, подвергшейся детальному исследованию инж. О. В. Михайловым. Модель представляет собой полосу, вырезанную из подпорной стенки гидротехнического сооружения. Напряженные элементы в виде тавров, армирующие полосу, выходят на поверхность конструкции и образуют поверхностный защитный слой сооружения, а ненапряженный бетон выходит на поверхность сооружения лишь узкой полоской шириной 40 мм. Напряженные элементы армированы высокопрочной проволокой периодического профиля диаметром 2,6 мм по ГОСТ 8480—57 с временным сопротивлением 18 000 кгсм2, причем нижние, в растянутой зоне по 80 проволок в каждом элементе, общей площадью F„ = 8,16 см2, а верхние — по 20 проволок в каждом элементе, общей площадью FH — 2 см2. Площадь напряженных элементов растянутой и сжатой зон. Полная площадь сечения полосы 7 = 2880 см2. Марка бетона 500, марка ненапряженного бетона 300. Степень обжатия нижних элементов составляет Na.c =60 т или ан = 150 кгсм2, степень обжатия верхних 7VH с= 16 т или зн =40 кг!см2.
Испытание дало следующую картину деформаций сечений полосы (рис. 2.23). Имеются три пучка кривых, а именно: для ненапряженного бетона — пучок , для напряженных элементов растянутой зоны — пучок II и для напряженных элементов сжатой зоны — пучок III. Для любой точки I, 2, 3 ненапряженного бетона сечения испытанной полосы имеются свои кривые, а для любой точки 1, 2, 3 бетона предварительно напряженных элементов — кривые 1, 2, 3 (показаны в квадратах). Для каждой ступени нагрузки свой уровень Mi; М2; Мз, пересекающий кривые всех точек.
Все сказанное о центральном растяжении справедливо и в отношении растянутой зоны изгибаемой конструкции. Только в этом случае на оси ординат откладывается нагрузка в виде изгибающего момента М.
Рассмотрим сборно-монолитную конструкцию, армированную в растянутой зоне предварительно напряженными элементами. Проведя ось М через точки А и Л2, получим график, аналогичный графику на рис. 2.16, характеризующий свойство обычного железобе-тона (ветвь кривых I из точки О) и предварительно напряженного (ветвь кривых II из точки Он).
Любой точке в сечении сборно-монолитной конструкции отвечает своя кривая деформаций. Следовательно, для любой нагрузки Мь М2, М3 горизонтали 1—, 2—2, 3—3 пересекают кривые различных точек в сечении и дают деформированное и находящееся в пределах упругости напряженное состояние бетона конструкции. Если в сжатой зоне сборно-монолитной конструкции будут также располагаться предварительно напряженные элементы, то появится еще один пучок кривых III из точки 0′н (показан пунктиром), ха-рактеризующих деформированное и, следовательно, напряженное состояние бетона элементов в сжатой зоне конструкции.
Последующее построение эпюр деформаций и напряжений в сечении сборно-монолитной изгибаемой конструкции не представляет трудностей и производится аналогично вышеизложенному, как для изгибаемых предварительно напряженных конст-рукций.