Этап 1. В бетоне под воздействием нагрузки балка изгибается.
Над средней опорой она выгнута вверх (так как опора сопротивляется давлению), в пролетах – прогиб вниз, на крайних опорах – поворот за счет шарнирного опирания. При этом изгибающий момент, возникающий в балке, растягивает верхнюю надопорную зону (выделена жирным), нижняя же зона в балке над опорой сжата.
Чтобы хорошо представить работу балки над опорой, можно взять прямоугольный ластик, положить его на карандаш и попытаться нажать на него по бокам.
Просто жалко ластик, но если жать и жать, ластик бы треснул примерно так, как подрисовано на фото желтым.
Но ластик – резиновый, он упругий и хорошо гнется. А железобетон – достаточно жесткий материал, состоящий из двух компонентов: бетона (хрупкого материала, который не выносит растяжения, но отлично работает на сжатие) и арматуры (достаточно упругого материала, хорошо воспринимающего растягивающие усилия. Вместе арматура и бетон могут работать как на сжатие, так и на растяжение. Но нужно всегда помнить: в растянутых зонах усилия растяжения воспринимает именно арматура.
Итак, балка у нас изогнулась над опорой, верхняя ее часть испытывает растяжение. Если при этом арматуры достаточно (расчетчик определил максимальные усилия и подобрал для армирования такое количество стержней, которое выдержит это усилие без разрушения), то деформации железобетона дойдут до положенной при этой нагрузке величины и остановятся (на самом деле величина этих деформаций несколько миллиметров, не более). И балка будет спокойно лежать под этой нагрузкой в течение всей жизни здания, арматура с бетоном будут работать в связке, как единое целое.
А если арматуры недостаточно? Тогда наступит следующий этап.
Этап 2. Раскрытие трещин.
Небольшое раскрытие трещин (меньше 0,4 или 0,3 мм) допускается нормами (правда, не для всех конструкций). Эти трещины не заметны глазу, совсем без них запроектировать конструкцию слишком затратно да и не нужно. А с ними железобетон продолжит работать без проблем. Но вот если арматура не подхватывает на себя усилия, трещины в железобетоне начинают раскрываться сильнее, чем это допустимо. Доходит до того, что трещину от раскрытия удерживает только арматура.
Пока арматура держит усилие, трещина сильно не раскроется. Но, к сожалению, арматура может терпеть, терпеть, а потом лопнуть. Обычно лопается сначала один стержень, угловой. Затем никуда не исчезнувшее усилие распределяется по оставшимся стержням (на каждый при этом нагрузка увеличивается), лопается следующий стержень и так далее – до полного разрушения арматуры.
А когда трещина разрывает балку полностью, наступает следующий этап.
Этап 3. Балка из многопролетной неразрезной превращается в несколько однопролетных шарнирно опертых балок.
Да, именно так. Трещина над опорой не всегда приводит к разрушению конструкции. Трещина – это по сути шарнир, возникший по несчастью. И если повезло, и она прошла не по краю колоны, а посередине, на этом разрушение может закончиться. А может и нет. Но обо всем по порядку.
Итак, рассмотрим на примере двухпролетной балки (хотя количество пролетов значения не имеет). Трещина возникла, арматура (если она была) лопнула, и мы получили две однопролетные балки, шарнирно опертые на колонны.
Балочки эти изгибаются по всей длине, работает только нижняя арматура, верхняя нам уже не нужна. И здесь главный вопрос: а выдержит ли нижняя арматура работу в новой расчетной схеме?
Запомните: пролетный момент (а значит и деформации, и напряжения в арматуре) в однопролетной балке всегда больше, чем в многопролетной неразрезной.
Для наглядности обратимся к формулам и эпюрам.
Пусть у нас будет два пролета по 3 м, нагрузка на погонный метр балки 2 т/м.
Для однопролетной балки формула максимального пролетного момента М = ql²/8.
Для двухпролетной балки формулы моментов: М = 9ql²/128 (в пролете) и М = ql²/8 (на опоре).
Посчитаем, что у нас получится:
· однопролетная балка: М = 2∙3²/8 = 2,25 т∙м;
· двухпролетная балка: М = 9∙2∙3²/128 = 1,27 т∙м (в пролете) и М = 2∙3²/8 = 2,25 т∙м (на опоре).
Как видите, в неразрезной двухпролетной балке максимальный момент не больше, чем в однопролетной, зато этот максимум сместился с пролета на опору, а вот в пролете момент в неразрезной балке значительно меньше. Раз меньше момент в пролете, значит меньше и изгиб, меньше раскрытие трещин, меньше армирование.
Но вернемся к нашему наблюдению за работой конструкции.
Итак, балка из неразрезной многопролетной за счет возникновения трещин превратилась в несколько однопролетных шарнирно опираемых балок. Над опорами всем моменты тут же исчезли. Но пролетный момент в этих балках (как мы убедились выше) тут же резко вырос. И главный вопрос здесь: а выдержит ли сечение балки и ее нижняя арматура возросший момент?
Если выдержит, значит разрушение на этом остановится.
Если не выдержит, значит наступит следующий этап.