Почему мы не используем основные максимальные напряжения при проектировании элемента конструкции?

Учтите, что бетонная колонна находится под давлением от верхней нагрузки и также несет некоторые напряжения сдвига.

Если взять в столбце плоский двухмерный элемент с этими напряжениями и повернуть его до точки, в которой он выдает максимальное нормальное напряжение, то повернуть его, чтобы получить максимальное напряжение сдвига, оба значения которого должны быть выше, чем наши первоначальные рассчитанные напряжения.

Почему бы нам не сравнить эти значения с прочностью бетона на сжатие и сдвигом?

Я прошу прощения, если мой вопрос слишком упрощен, я все еще начинающий инженер-строитель.

Краткий ответ: потому что это слишком сложно / невозможно сделать.

Вот диаграмма основных траекторий напряжений для бетонной балки без трещин при изгибе и сжатии:

Как видите, ориентация и величина главных напряжений будут меняться в зависимости от интересующей вас точки и приложенных нагрузок. Мы знаем, что бетон слаб в напряжении. Таким образом, если мы посмотрим на местоположение основного растягивающего напряжения, мы можем сравнить это с пределом прочности бетона (который часто считается функцией ).$\sqrt{f_c'}$

Что, если основное растягивающее напряжение превышает предел прочности бетона?

Ну, в этот момент бетон может потерпеть неудачу. Но это не значит, что весь элемент потерпит неудачу. Это означает, что он треснет в этом месте. Но это нормально, вот для чего нужно подкрепление!

Итак, теперь у нас есть бетонный элемент с трещиной (или множеством трещин!) И армированием, чтобы скрепить куски:

Если мы теперь хотим вычислить наши главные напряжения, каково состояние напряжения в конкретной точке? У нас есть какое-то напряжение, которое несет арматура, какое-то напряжение, создаваемое совокупной блокировкой вдоль трещин, некоторое, которое переносится сжатием, и некоторые пустоты, в которых не может быть напряжения, - сколько входит в каждый механизм? Мы не можем просто использовать формулы типа поскольку это применимо только к однородному материалу.$\nu = \frac{VQ}{It}$

Мы не можем определить состояние стресса с какой-либо разумной уверенностью в трещиноватой бетонной секции .$_1$

Итак, что мы можем сделать сейчас? Ну, мы делаем много и много тестов, а затем подбираем расчетное уравнение к результатам.

Вы упомянули колонки в своем вопросе. В колоннах преобладают сжимающие напряжения, поэтому растрескивание часто не является большой проблемой. Однако все еще существуют осложняющие факторы, которые затрудняют / делают невозможным определение стрессового состояния. На самом деле, комментарий ACI 318 гласит:

Фактическое распределение напряжения сжатия бетона является сложным и обычно не известно явно. ... Кодекс допускает любое конкретное распределение напряжений при проектировании, если показано, что оно приводит к прогнозированию предельной прочности в разумном согласии с результатами комплексных испытаний.

Итак, еще раз, мы вынуждены пойти по более простому пути: принять упрощенное напряженное состояние и подтвердить его безопасность в соответствии с тестами.

Неопределенность, связанная с использованием этих упрощений, включена в факторы безопасности, используемые в строительных нормах.

Было бы гораздо приятнее иметь методологию проектирования, основанную на основных напряжениях. Это, по-видимому, было опробовано в прошлом, но всегда было неудачно из-за трудностей в определении напряженного состояния .$_2$

1. Kong, FK, & Evans, RH (2013). Железобетон и предварительно напряженный бетон. Springer.

2. Комитет ACI-ASCE 326 (1962). Сдвиг и диагональное напряжение