Оценка влияния напряженного состояния на железобетон с косвенным армированием

Оценка влияния напряженного состояния на железобетон с косвенным армированием

Авторы публикации

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 38 (83), Сентябрь ‘22

Дата публикации 13.09.2022

Поделиться

Статья посвящена обзору теоретических и экспериментальных научных исследований  оценки влияния вида напряженного состояния на железобетон с косвенным армированием. Известно, что в практике эксплуатации строительных конструкций достаточно часто встречаются случаи аварийного действия динамических нагрузок, вызываемых взрывными или ударными воздействиями. Для совершенствования оценки предельных состояний конструкций, рассчитываемых на специальное сочетание нагрузок, а также при выполнении поверочных расчетов при анализе влияния аварийного динамического воздействия на конструкции, необходимо обладать достоверными сведениями о прочностных и деформативных  характеристиках конструкционных материалов.

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.

Список литературы

  1. Баженов, Ю.М. Бетон при динамическом нагружении / Ю.М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1970. - 272с.
  2. Кабанцев, О.В. Учет изменений расчетной схемы при анализе работы конструкции / О.В. Кабанцев, А.Г. Тамразян // Инженерно-строительный журнал. - 2014. - № 5(49). - С.15-26.
  3. Колчунов, В.И. Критерии живучести железобетонной рамы при потере устойчивости / В.И. Кочунов, С.Ю. Савин // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 4 (80). С. 73-80.
  4. Сазонов, П.С. Влияние скорости нагружения на конструктивные свойства бетона / П.С. Сазонов, Б.И. Пинус // Вестник Иркутского государственного университета. 2015. №2. С.117 – 120.
  5. Тамразян, А.Г., Попов, Д.С. Напряженно-деформированное состояние коррозионно-поврежденных железобетонных элементов при динамическом нагружении / А.Г. Тамразян, Д.С. Попов // Промышленное и гражданское строительство. - 2019. - № 2. - С. 19-26.
  6. Травуш, В.И. Динамическое деформирование балки при внезапном структурном изменении упругого основания / В.И. Травуш, В.А. Гордон, В.И. Колчунов, Е.В. Леонтьев // Инженерно-строительный журнал. - 2019. - № 7 (91). - С. 129-144.
  7. Федорова, Н.В. Анализ нелинейного статико-динамического деформирования железобетонных рам в запредельных состояниях / Н.В. Федорова, Ву Нгог Туена, М.Д. Медянкин // Научный журнал строительства и архитектуры. - 2021. - № 4 (64). - С. 11 – 24.
  8. Федорова, Н.В. Экспериментальное определение параметров статико - динамического деформирования бетона при режимном нагружении / Н.В. Федорова, М.Д. Медянкин, О.Б. Бушова // Строительство и реконструкция. - 2020. - № 3(29). - С. 73 - 79.
  9. Шардаков, И.Н. Определение упругих и диссипативных свойств бетона при динамическом деформировании / И.Н. Шардаков, А.П. Шестаков, О.П. Глот // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. - 2018. - №2. - С.186 – 190.
  10. Paul, F.Mlakar Dynamic Tensile-Compressive Behavior of Concrete / Mlakar. F. Paul, Р. Ken, Udom Vitaya, Cole. А. Robert // Journal of American Concrete Institute. – 1985. - v.82. - №4. - Р.349 - 362.
  11. Gran, J.K. Dinamic Triaxial Tests of High-Strength Concrete / J.K. Gran, A.L. Florence, J.D. Colton // Journal of Engineering Mexanics. – 1989. - v.115. - №5. Р. 891 - 904.
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Осталось 3 дня до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary
Публикация за 24 часа
Узнать подробнее
Акция
Cкидка 20% на размещение статьи, начиная со второй
Бонусная программа
Узнать подробнее