Оценка влияния напряженного состояния на железобетон с косвенным армированием

Железобетон – состоящий и бетона и стали материал благодаря своей высокой прочности, низкой себестоимости (по сравнению с иными строительными материалами) и технологичности стал во второй половине XX века доминантой массового промышленного и жилищного строительства в мировом масштабе. В 1950-1960-е гг. в России была основана и получила дальнейшее развитие целая отрасль по производству сборных железобетонных конструкций, включающая многочисленные заводы разной мощности, расположенные по всей территории страны, в том числе, в самых отдаленных ее районах. Все это позволяет с высокой долей уверенности предполагать, что и в дальнейшем железобетон не уступит своих лидирующих позиций в промышленном и гражданском строительстве, а процессы изготовления несущих строительных элементов из этого высокотехнологичного материала имеют большие перспективы совершенствования. Но следует отметить, что реалии постиндустриального общества, предъявляющие повышенные требования к конструктивности архитектурных форм, величине сооружений и зданий (в том числе, к этажности), повышают, соответственно нагрузки и ответственность на несущие железобетонные конструкции, выход из строя которых может повлечь за собой значительные материальные (а в экстремальных случаях и человеческие потери). В связи с этим актуальными и значимыми являются исследования в области влияния динамических напряжений на бетон с косвенным армированием.

Под косвенным армированием подразумевается технология помещения в бетон специальной поперечной арматуры (не менее четырех сварных металлических сеток) в частом порядке (расстояние: 45  - 100 мм между стержнями). Сварные сетки  изготавливаются из стали следующих параметров: АI, AIII и BpI ¯ 3...10мм. 

За счет применения данных конструкции достигается эффект растяжения, что сдерживает поперечную деформацию бетона, приводящую к возникновению продольных трещин и повышает его несущую способность, что позволяет усилить прочность бетона в зоне наибольшего напряжения.

В действующих в настоящее время проектировочных нормах промышленного и гражданского строительства имеют место конструктивные и статистические расчеты конструкций из железобетона демонстрирующих упрощенные подходы в основе которых лежат: простейшие нелинейные и линейно-упругие законы деформации материалов, содержащие всевозможные коэффициенты и эмпирические зависимости, что отнюдь не всегда и не в надлежащем объеме воспроизводит действительное состояние железобетонной конструкции под нагрузкой того или иного вида, в то время как точная оценка напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций требует производить учет их реального поведения под нагрузкой, т.е. физической нелинейности материалов.

Проблемы оценки влияния вида напряжения на состояние бетон с косвенным армированием входили в круг исследовательских интересов: О.В. Кабанцева и А.Г. Тамразяна [2], В.И. Колчунова и С.Ю. Савина [3]. Результаты исследований поведения бетона с косвенным армированием в условиях сложных напряженных состояний и его деформативно-прочностные характеристики в процессе динамического нагружения приведены в работе А.Г. Тамразяна и Д.С. Попова [5].

К сожалению, на данный период времени в отечественной научной литературе по промышленному и гражданскому строительству ощущается недостаток фундаментальных исследований посвященных изучению состоянию армированного бетона при воздействии на него одноосного и сложного напряжения. Всестороннему анализу данные процессы подвергались только Ю.М.Баженовым  в единственной монографии на эту тему вышедшей в свет  в 1970-м году [1]. Следует отметить, что по сей день в отечественных научных изысканиях не описаны с математической точки зрения и не интерпретированы показатели диаграмм деформирования бетона при сложном сжатии. Таким образом, получить представления (весьма ограниченные и зачастую противоречивые) о процессах, происходящих в армированных бетонных конструкциях под динамическим воздействием в условиях сложного напряжения в настоящий момент можно в основном из иностранных источников (Paul F.Mlakar и др. [10], Gran J.K. и др. [11]).

Отдельные проблемы связанные с деформированием армированного бетона под влиянием динамических нагружений как краткосрочного так и длительного характера подняты в работах: Н.В.Федоровой, М.Д.Медянкина, О.Б.Бушовой [8], В.И. Травуша, В.А.Гордона, В.И.Колчунова, Е.В.Леонтьева [6], А.Г.Тамразяна и Д.С. Попова [5]).

В указанных исследованиях определяются и приводятся критерии параметров определения предельных состояний группы первой и второй для армированных конструкций из железобетона. Одной из основных задач  является разработка стратегии проведения экспериментальных исследований. Такой подход к решению существующих проблем носит название «программно-целевого метода». Программно-целевой метод является особым специфическим методов в научном исследовании. В первую очередь, формируются цели, достижение которых необходимо, после формируются способы их реализации, после чего формируются более детально способы достижения и ресурсы для этого. Особенностью данного метода является построение программы достижения запланированных результатов. Данный метод является динамичным, его осуществление на практике связано с мониторингом текущих результатов и оперативным реагированием на складывающиеся последствия.

П.С. Сазоновым и Б.И. Пинусом [4] проведено экспериментальное исследование, цель которого заключалась в выяснении влияния скорости нагружения (режим постоянного деформирования) на такие нормативные показатели армированного бетона как деформативность и прочность. Учеными проанализированы данные полученные в ходе эксперимента в сопоставлении с нормативными показателями параметров железобетона, на основе чего сделаны выводы о характерных изменениях в состоянии бетона и подтверждена выдвинутая в преддверии эксперимента гипотеза о не тождественности их изменения и качественном структурном преобразовании сжимаемости бетона под влиянием воздействия сопоставимым с сейсмическим по скорости.

В работе Н.В. Федоровой, М.Д. Медянкина и О.Б. Бушовой [8] приведена методика экспериментальных исследований бетонных и железобетонных элементов с целью определения параметров деформирования бетона при его статическом нагружении до заданного уровня, с последующим однократным динамическим высокоскоростным докружением ударной нагрузкой. Испытания образцов проводятся посредством режимного  статико-динамического  нагружения,  которое  осуществляется  с  использованием специально разработанного устройства, позволяющего фиксировать заданный уровень статического нагружения опытного образца и догружать его с этого уровня ударной нагрузкой с заданными  динамическими  параметрами. Разработанная  методика статико-динамических испытаний, приоритет которой защищен патентом РФ, позволяет экспериментально определять параметры диаграмм деформирования бетона такие, как: динамический модуль деформаций, динамическую прочность бетона, предельные деформации бетона при различных режимах рассматриваемого статико-динамического нагружения, а также изменение коэффициента динамической прочности бетона при различном уровне начальной статической нагрузки.

В работе Н.В. Федоровой, Ву Нгог Туена и М.Д. Медянкина [7] приводятся расчетная модель, алгоритм расчетного анализа и результаты расчета нелинейного статико-динамического деформирования железобетонных рам в запредельных состояниях, вызванных внезапным удалением одной из несущих конструкций.  Численным анализом статико-динамического деформирования железобетонной рамно-стержневой системы каркаса многоэтажного здания установлено, что дифференцированный учет количественного значения модуля вязкости бетона и соответственно времени и уровня статико-динамического догружения конструкции позволяет более строго определять критерии особого предельного состояния элементов железобетонных конструктивных систем зданий и сооружений.

И.Н. Шардаковым в соавторстве с А.П. Шестаковым и И.О. Глотом [9] в рамках вибрационной диагностики опытным путем исследованы происходящие в армированном бетоне вибрационные процессы вследствие воздействия ударных нагрузок, что, по мнению ученых, является наиболее перспективным подходом в оценке влияния вида напряженного состояния на бетон с косвенным армированием. Группой исследователей опытным путем изучена степень влияния дефектов на процесс распространения ударной волны по железобетонной конструкции в итоге чего выведена математическая модель конструкции, что представляется ключевым звеном в ударно-волновом контроле железобетонного строительства. В данной работе предложен расчетно-экспериментальный подход для идентификации механических характеристик бетона. В рамках вязкоупругой модели анализируется деформационный отклик бетонного образца на ударную нагрузку. Численное решение начально-краевой задачи распространения ударной волны в образце получено методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS.

Таким образом, проведенный обзор научной литературы по оценке влияния вида напряженного состояния на бетон с косвенным армированием позволяет сделать вывод о том, что постулат о зависимости предельной деформации армированного бетона от вида напряженного состояния и от начального уровня напряженного состояния, с которого производится динамическое догружение требует дальнейших углубленных исследований основанных на экспериментальных данных.