Различают три этапа деформации предварительно напряженных конструкций):
1) когда поведение конструкции при эксплуатационной нагрузке характеризуется зоной и деформациями в пределах Он О слева от оси NN в этом случае в бетоне зоны растяжения балки никогда не возникают растягивающие напряжения, и нагрузки воспринимаются непосредственно арматурой конструкции. Нормами и техническими условиями проектирования многих стран, как, например, Франции, Англии, ГДР и ФРГ, не допускаются растягивающие напряжения в бетоне при эксплуатации сооружения;
2) когда деформации конструкции при эксплуатационной нагрузке выходят из зоны и характеризуются зоной II и деформациями в пределах Он Ог, т. е. допускаются нормированные растягивающие напряжения. На этой основе рассчитывают предварительно напряженные конструкции большинства стран мира;
3) когда деформации конструкции при эксплуатационной нагрузке выходят за пределы зон и II и находятся в зоне III, характеризуясь деформациями в пределах Он Ор, т. е. уже при эксплуатации в бетоне допускается возникновение трещин. Это, по существу, частный случай предварительного напряжения, относящийся только к стержневому армированию сталями средней прочности.
Такое поведение арматуры предварительно напряженных конструкций дает возможность широко применять предварительное напряжение в сооружениях больших пролетов, для которых армирование определяется не условиями прочности, а условиями допустимой деформации.
В приведенном примере для всех рассмотренных элементов нами условно была принята одна и та же марка бетона. В рассматриваемом случае следует руководствоваться предельной величиной обжатия бетона при отпуске арматуры и выбирать при изменении площади сечения конструкции соответственно бетон марок 200, 400 и 600.
Рассмотрим теперь график. Здесь усилие предварительного напряжения N0=FHa0 меняется за счет изменения одной или обеих составляющих FH и <з0.
Неизменной остается площадь сечения бетона F. Можно изменить площадь сечения арматуры при постоянном а0 и выбирать ее в любом соотношении, которое на графике принято равным 1:2:4. Можно, наоборот, при постоянной площади сечения напрягаемой арматуры менять степень ее предварительного напряжения а0. На графике это дано в том же виде 1:2:4. В частном случае, когда о0 = 0, мы имеем картину деформаций обычного железобетонного элемента О Г аналогично графику. Таким образом, предварительное напряжение поднимает кривую деформации элемента вверх на величину, которая откладывается по оси N соответственно до точки. Из графика видно, что чем меньше в элементе арматуры, тем меньше напряжение и деформация обжатия бетона в нем, т. е. соответственно
Модуль восприятия нагрузки Еус здесь почти один и тот же, а именно: 23,4 Еа, 24,8 Еа и 26,8 Еа— для всех рассматриваемых элементов, однако при существенно отличных значениях Еус для случая, представленного на графике, о, где соответственно равно. Это характеризуется почти одинаковым наклоном линий восприятий нагрузки на графике.
Таким образом, восприятие арматурой предварительно напряженной конструкции эксплуатационной нагрузки будет различным в зависимости от того, в какой области располагаются эти нагрузки.
При нагружении каждого из рассматриваемых элементов F, F, F нагрузка будет передаваться до точки А, как показано на графике условными линиями (сплошной, пунктирной, пунктирной с точкой), а после разгрузки — для всех элементов по соответствующей кривой АБВГ, АБВГ, АБВГ, причем во всех случаях на арматуру будет передаваться одно и то же усилие, характеризуемое прямой АГ.
Здесь, слева от оси ординат N, действуют законы деформаций предварительно напряженных конструкций, подчиненные модулю восприятия арматурой нагрузки — Еус, а справа от оси действуют законы деформаций обычных железобетонных конструкций, подчиненные модулю упругости арматуры — Еа. Таким образом, ось ординат является границей пределов различного восприятия нагрузок арматурой.
Приведем, пользуясь установленными свойствами и выведенными закономерностями, несколько числовых определений.
Заданы элементы площадью 400, 200 и 100 см2 из бетона марки 500 с высокопрочной прядевой арматурой площадью FH=4 см2, имеющей временное сопротивление Требуется определить деформацию обжатия для заданных элементов.
Принимая степень предварительного напряжения Малый коэффициент армирования у элемента с площадью 7=400 см2 придает арматуре при ее предварительном напряжении способность воспринимать нагрузку, соответствующую модулю даже для весьма высокого коэффициента армирования р- = 0,04 у элемента с площадью г= 100 см2 условный модуль восприятия нагрузки будет
Рассмотрим график, а. Усилие предварительного напряжения Fua0, оставляемое без изменений, выражается на нем постоянным отрезком OA. Здесь точка А соответствует моменту начала восприятия арматурой нагрузки по закону обычного модуля упругости Е для зоны ООт.
Однако этот отрезок и, следовательно, график охватывают широкий диапазон любых размеров площадей арматуры и степеней армирования для сталей различной нормативной прочности В зависимости от временного сопротивления или предела текучести рассматриваемой арматуры, и, следовательно, установленной для нее степени предвари-тельного напряжения о0 получается необходимая для восприятия заданной нагрузки N площадь сечения арматуры FH, меньшая — для высокопрочных сталей и большая — для сталей средней и низкой прочности.
Усилие предварительного напряжения может быть передано на различные площади сечения бетона F, F и F, которые условно в масштабе графика взяты в соотношении. При постоянной величине F это означает, что рассматриваются случаи при одной и той же степени предварительного напряжения с различным коэффициентом армирования, также меняющимся в соотношении. Почти в том же соотношении будет изменяться и интенсивность предварительного сжатия бетона об. На графике при неизменном положении координатной оси силы N для каждого из рассматриваемых сечений бетона F, F и F получим соответственно деформацию предварительного обжатия, определяющую положение осей сил обжатия, когда внешняя нагрузка отсутствует. На каждой из этих осей действует равновесие внутренних усилий
В зависимости от процента содержания предварительно напряженной арматуры в бетоне величина условного модуля упругости ЕуС может изменяться в довольно широких пределах, что видно из сопоставления графиков рис. 2.5 для двух случаев: во-первых, ког-да при одинаковом количестве арматуры F меняется площадь сечения бетона F и, во-вторых, когда при неизменном сечении бетона меняется либо площадь предварительно напрягаемой арматуры, либо интенсивность предварительного напряжения, т. е. один из членов произведения Fn о0.
В обоих случаях показано влияние на деформацию процента армирования сечения предварительно напряженного элемента и изменение условного модуля Еус арматуры.
Как мы увидим далее, это свойство приобретает особенное значение в сборно-монолитных конструкциях.
График, а построен в предположении действия неизменной силы предварительного напряжения N0=FHo0 при меняющейся площади бетона F и его марки R. В этом случае величины FH и а0 взаимно сопряженные и могут изменяться лишь посредством уменьшения одной и увеличения другой.
График построен в предположении неизменной площади бетона F, но с меняющимся усилием предварительного напряжения N0=FHa0 за счет изменения либо площади арматуры, либо степени предварительного напряжения, или же обеих величин одновременно. В этом заключается, в известной мере, общность и выгодная особенность изображения деформаций в функциях нагрузок, а не напряжений.