Иначе говоря, сталь при предварительно напряженном армировании на участке действия эксплуатационных нагрузок воспринимает такие величины нагрузки, которые соответствовали бы модулю упругости облагороженной стали Еа =Еус, т. е. если бы сталь работала с упругостью, уменьшенной в десятки раз.
В этом и заключается то особое характерное качество предварительно напряженного армирования железобетона, устраняющее несоответствие упругих свойств бетона и стали.
Для нагрузок за пределами деформации ОнО, т. е. выше значений N0, в восприятии нагрузки принимают участие и сталь, и бетон, причем дальнейшее восприятие нагрузки арматурой происходит по линии АГ, подчиняясь закону изменения деформаций как при обычном модуле упругости Еа. На участке деформаций ООт распределение до-полнительных усилий от внешней нагрузки (сверх N0) происходит аналогично распределению нагрузки в обычном железобетоне (без предварительного напряжения). Единственной разницей является лишь то, что значение предельной растяжимости бетона для предварительно напряженных конструкций принимается равным не 10-Ю-3, а 15-Ю-5 Таким образом, восприятие внешней силы NT при дополнительной деформации ер в момент возникновения трещины может быть представлено выражением.
После возникновения трещин в бетоне вся внешняя сила N, вплоть до разрушения при Nv, воспринимается одной арматурой при соответствующих больших деформациях раскрытия трещин. Наиболее важным участком деформации элемента является участок эксплуатационных нагрузок, обычно размещаемый в зоне ОяО. Это позволяет утверждать, что в предварительно напряженном железобетоне (без трещин) вся внешняя эксплуатационная нагрузка полностью передается арматуре.
В некоторых случаях зона эксплуатационных нагрузок передвигается вправо от оси NN и располагается в области ООт ; при этом в бетоне допускаются растягивающие напряжения.
Пока внешней растягивающей силы нет, усилие растяжения в арматуре полностью уравновешивается усилием сжатия бетона Fa6 = = Fон. При приложении к элементу внешней растягивающей силы (которая откладывается вверх по оси ординат) усилие растяжения в арматуре медленно увеличивается по прямой Л „Л, в то время как усилие сжатия в бетоне быстро убывает по прямой Ас О.
В любой точке D для нагрузки N 9, вызывающей деформацию Ош Оэ, внешнее усилие N3 воспринимается усилием в арматуре, за вычетом усилия в бетоне:
но ввиду того, что усилия сжатия бетона и соответствующей части растяжения арматуры равны:
имеем т. е., какой бы величины ни была приложена нагрузка в период постепенного освобождения бетона элемента от предварительного обжатия, внешняя сила N3 полностью будет восприниматься и уравновешиваться сопротивлением предварительно напряженной арматуры. При этом всегда существуют усилия обжатия бетона и части предварительного растяжения арматуры, показанные на графике знаками минус (—) и плюс ( + ), которые характеризуют степень использования искусственно созданного предварительного напряжения. Рассматривая эти усилия как внутренние взаимно-уравновешивающиеся и не имеющие прямого отношения к внешней нагрузке, устанавливаем, что эта нагрузка во всем диапазоне деформации ОнО непосредственно уравновешивается усилием растяжения арматуры. Однако изменение этого уравновешивания, или, иначе говоря, восприятия внешней нагрузки на участке деформаций от точки Он до точки А, существенно отлично от закона, установленного для стали модулем ее упругости На графике четко определяется крутой наклон прямой ОнЛ для деформации ен по сравнению с достаточно пологим уклоном АаГ для деформации еа.
Назовем тангенс угла наклона прямой ОнА (восприятия арматурной внешней силы) модулем восприятия нагрузки, или условным модулем упругости, ВуС, который геометрически определяется из графика рис. 2.4,а
Картина распределения усилий сопротивления осевому растяжению предварительно напряженного железобетонного элемента представлена кривой ОпАБВ на графике рис. 2.4, а. В начальном состоянии, когда нет внешней нагрузки, материалы элемента уже испытывают большие усилия предварительного напряжения, которые взаимно уравновешиваются, сохраняя начальное деформированное состояние, характеризуемое значительным усилием сжатия в бетоне, равным Fa6, и растяжением в арматуре, равным Fнон.
В качестве начального состояния конструкции выгодно рассматривать такое сочетание внешних усилий, когда в бетоне элемента устанавливается нулевое (напряженное) состояние, характеризуемое на графике линией ON, по которой и проводятся главные оси координат графика. В этом состоянии все усилие предварительного напряжения элемента, действующее в арматуре, уравновешивается внешней силой N0=FB а0.
При устранении внешней силы растягивающее усилие предварительного напряжения уменьшается до NH.c=FHzн, вызывая сжатие бетона элемента, равное Fa6. Первое на графике отложено вверх от оси абсцисс, второе — вниз.
Обычно при построении таких графиков за начало координат принимают Он, за ось ординат NH, что нам представляется менее наглядным и удобным, так как при этом всегда необходимо знать действующее в арматуре элемента усилие предварительного напряжения.
После возникновения трещин, когда бетон перестал воспринимать (в зоне трещины) внешнюю нагрузку, все усилие JVT = 13 800 кг передается арматуре в результате проявления большой деформации:
в 11 раз большей, чем нормированная растяжимость бетона для железобетонных конструкций.
Если в элементе содержится 2% арматуры, то и здесь ее участие в восприятии составит лишь 17,5%. В то же время деформации конструкции после возникновения тре-щин будут весьма значительны. При применении в качестве арматуры стали более высокой прочности деформации увеличиваются, так что, применяя для армирования высокопрочную проволоку получим относительное удлинение в пределах трещин т. е. столь большим, что практически не представляется возможным применять такой элемент, так как трещины в нем возникли бы при усилии NT = 13 800 кг, которое меньше прочности элемента (по арматуре) Np= = 18 000-6=108 000 кг почти в 8 раз. Это делает невозможным использование в обычном железобетоне сталей столь высокой прочности главным образом вследствие чрезмерного раскрытия трещин и искривления конструкции от прогиба при эксплуатационной нагрузке.
Как уже отмечено выше, выходом из такого положения является применение предварительного напряжения арматуры, что придает конструкции заданную трещиностойкость и не ограничивает возможности эффективного использования высокопрочной стали.
Современная железобетонная конструкция характеризуется тем, что в ней при центральном растяжении или при изгибе в растянутой зоне в результате совместной деформации возникают растягивающие усилия сопротивления внешней силе. Усилия сопротивления распределяются между бетоном и арматурой в начале загружения в соответствии с их упругими свойствами, а затем, после определенной деформации и при приближении конструкции к состоянию, характерному для появления трещин в бетоне, в соответствии с предельной растяжимостью материалов железобетона.
Картина распределения усилий сопротивления осевому растяжению железобетонного элемента без предварительного напряжения представлена кривой АБВ на графике, а. На координатных осях соответственно отложены деформации и усилия N. Вследствие очень малых деформаций стали усилие в арматуре растет медленно, характе-ризуя слабое участие арматуры в восприятии внешней силы до самого момента возникновения трещин в бетоне. Наоборот, бетон в силу своих низких упругих свойств быстро воспринимает нагрузку и входит в область сначала упругопластических (А—От), а затем и полностью пластических деформаций (Ох —Ов), при которых уменьшается его сопротивление, детально описанное. Следовательно, до момента возникновения трещин основную часть внешней нагрузки воспринимает бетон и лишь небольшую ее часть — арматура.
Например, для железобетонного элемента размером поперечного сечения 20X30 см из бетона проектной марки 300 с прочностью на растяжение с содержанием 1% арматуры из стали класса A-I после возникновения деформации моменту образования трещин, максимальное усилие составит.