Совместная работа арматуры и бетона

Железобетон – комплексный строительный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое монолитное тело. Бетон в основном предназначен для восприятия сжимающих усилий, а арматура – преимущественно растягивающих. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже (в 10…20 раз) – растяжению. Это неблагоприятно для изгибаемых и растянутых элементов, широко распространенных в зданиях и сооружениях. Так, при приложении нагрузки в верхней зоне сечения балки возникает сжатие, в нижней – растяжение. (рисунок 2.1, а). Когда напряжения в растянутой зоне достигнут предельного сопротивления бетона растяжению, образуется трещина и происходит хрупкое разрушение балки задолго до того как будет использована прочность балки на сжатие. Это обстоятельство сильно сужает область применения неармированного бетона.

Рисунок 2.1- Схемы разрушения балок

Армирование (усиление) растянутой зоны изгибаемых элементов стальными стержнями, обладающими значительно более высокой прочностью на растяжение, чем бетон, позволяет существенно повысить их несущую способность. Предположим, что в растянутой зоне уложена мягкая сталь (рисунок 2.1, б). В процессе загружения балка будут вначале работать подобно бетонной. После образования трещин в бетоне растянутой зоны балка не разрушится, т.к. растягивающие усилия будут восприняты арматурой. Несущая способность армированной балки намного выше, чем бетонной. Работа балки, армированной высокопрочной сталью принципиально не будет отличаться от работы балки, армированной мягкой сталью, однако несущая способность ее будет значительно выше. Все же в такой балке еще до исчерпания несущей способности прогибы и ширина раскрытия трещин возрастают настолько, что становятся недопустимыми по условиям эксплуатации.

Исследования показали, что высокопрочную сталь можно успешно применять в предварительно напряженных конструкциях. Идея предварительного напряжения заключается в том, чтобы предварительно натянуть арматуру и закрепить ее в таком состоянии, а после укладки и твердения бетона отпустить ее. При этом арматура, стремясь сократиться, обжимает бетон. Конструкции такого типа и называются предварительно напряженными.

При приложении нагрузки к предварительно напряженной балке (рисунок 2.1, в) растягивающие напряжения в нижней зоне сечения суммируются со сжимающими напряжениями от предварительного натяжения, и только тогда, когда последние погасятся, в нижней зоне будут возникать растягивающие напряжения. Трещины появляются при значительно более высокой нагрузке, в результате чего прогибы конструкций и ширина раскрытия трещин при эксплуатационных нагрузках остаются в допустимых пределах.