Невидимый конфликт - [36]
Теперь посмотрим, что происходит при многократно повторяющихся нагрузках. В таком режиме работают балки под электрические мостовые краны, конструкции некоторых мостов и эстакад, фундаменты под машины и турбоагрегаты. Многократные «приливы» и «отливы» силовых воздействий, несомненно, отражаются на поведении такого неоднородного упруго пластичного материала, как бетон.
Если нагрузка возрастает до уровня относительно малых напряжений и сразу после этого снимается, то в конце каждого цикла остается определенное количество необратимых пластических деформаций. После многих таких циклов пластические деформации наслаиваются одна на другую, постепенно достигая общей величины, при которой пластический потенциал материала исчерпывается. Когда исчезают все люфты материала, он начинает работать как однородное упругое тело и его рабочая диаграмма выглядит как прямая линия.
Однако если нагрузки возрастают до уровня относительно больших напряжений, после определенного числа повторных нагрузок материал разрушается. В этом случае пластические деформации, постепенно нарастая до большой величины, достигают предела, за которым может следовать только разрушение. Максимальное напряжение, при котором материал работает по первоначальной схеме без разрушения, называется пределом выносливости, или пределом усталости. Определение усталостной прочности имеет большое значение для конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам: их проектирование осуществляется на основании именно этой характеристики. Однако необходимо, чтобы число рабочих циклов достигало почти двух миллионов.
До сих пор речь шла о кратковременных — однократных или многократных— нагрузках, при которых пластические деформации достаточно отчетливо выражены. Что же произойдет, если на каком-либо этапе нагрузка будет более длительной? Именно таким образом действуют постоянные и многие временные нагрузки.
Тогда картина будет еще менее приятной (рис. 14). Всякая задержка нагрузки приводит к ползучести — к увеличению деформаций при постоянных, фиксированных напряжениях. Это явление наблюдается и в случае применения сталей, хотя и в более ограниченных масштабах. В реальных конструкциях деформации ползучести крайне нежелательны, но абсолютно неизбежны. Причем они тем больше, чем выше фиксированные напряжения и чем ниже марка бетона. Сильнее всего ползучесть проявляется в первые 4—5 месяцев после нагрузки, а через несколько лет почти затихает. Следует отметить, что величина деформаций этого рода в четыре-пять раз выше величины упругих деформаций.
Ползучесть, в отличие от усадки и температурных деформаций, наблюдается только при наличии нагрузки. Причем деформации в этом случае являются не пространственными, а линейными (в направлении силового воздействия).
Все, что было сказано до сих пор, касается напряжений и деформаций при сжатии. Почти так же ведет себя бетон и при растяжении с той лишь разницей, что его сопротивление растяжению почти в 10 раз меньше, чем сопротивление сжатию. А это весьма существенное различие... Именно роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет почти все особенности и парадоксы не только бетона как материала, но и выполненных из него конструкций (рис. 15).
В качестве примера возьмем хотя бы характер разрушения образца, подвергающегося сжатию. Это может прозвучать неожиданно, но разрушение обусловлено исчерпанием резервов прочности на растяжение, а не на сжатие. Прочности на растяжение, но только в поперечном направлении… Каждая пора или пустота в бетоне (а их бесчисленное множество) может рассматриваться как отверстие в однородном материале, вокруг которого происходит неизбежная концентрация напряжений. Перпендикулярно силовому воздействию возникают деформации (боковое расширение) и, следовательно, боковые напряжения расширения. Именно это вторичное силовое поле в основном решает судьбу элемента, подвергающегося сжатию. Сначала образуются внутренние микротрещины, которые затем расширяются, и материал сжатого бетонного образца разрушается.
Роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет и необычную работу бетона и железобетона на изгиб. Из-за относительной слабости растянутой зоны (а также из-за ее особой склонности к пластическим деформациям) прежде всего происходит ее пластификация: крайние, наиболее нагруженные слои начинают течь при фиксированном напряжении, а их примеру вынуждены последовать и внутренние слои. В конечном счете во всей растянутой зоне устанавливаются почти постоянные напряжения, а их диаграмма из треугольника превращается в почти правильный прямоугольник. Поэтому аналогичные напряжения сжатия значительно ниже возможностей бетона, вследствие чего в сжатой зоне пластификация почти не проявляется. Диаграмма напряжений сохраняет линейную, треугольную форму, в силе (с известными оговорками) закон Гука.
