CC BY
5Экспериментальное и численное моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций: анализ механизмов трещинообразования и возможности повышения прочности
со см о см
о ш т
X
<
т О X X
Павленко Павел Владиславович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта» (МИИТ), pvpav8@mail.ru
Разрушение железобетонных конструкций может привести к серьезным последствиям, таким как потеря жизней и имущества. Поэтому важно понимать механизмы разрушения конструкций и иметь возможность моделировать их процесс для повышения прочности и надежности конструкций.
В данной статье рассматривается экспериментальное и численное моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций, а также анализ механизмов трещинообразования и возможности повышения прочности. Основное внимание уделено исследованию механизмов трещинообразования, которые являются основной причиной разрушения конструкций.
Целью данной работы является систематизация существующих знаний о механизмах разрушения железобетонных конструкций и определение возможностей повышения их прочности. Для достижения этой цели были использованы результаты экспериментальных и численных исследований, а также анализ литературы по данной теме. Таким образом, данная статья представляет собой обзор современных методов моделирования процесса разрушения железобетонных конструкций и анализ механизмов трещинообразования, а также даёт рекомендации по повышению прочности конструкций. Ключевые слова: железобетонные конструкции, разрушение, трещи-нообразование, экспериментальное моделирование, численное моделирование.
Результаты исследования показали, что трещинообразование является главным механизмом разрушения железобетонных конструкций. Однако, различные факторы могут оказывать влияние на процесс трещинообразования. Например, существует зависимость между формой конструкции и скоростью распространения трещин [1].
Также, было выявлено, что использование различных видов арматуры может значительно повлиять на прочность и устойчивость железобетонных конструкций. Например, добавление арматуры из стеклопластика может улучшить устойчивость конструкций к воздействию сейсмических нагрузок [2].
Одним из возможных способов повышения прочности железобетонных конструкций является использование ультрадисперсных добавок к бетону [3]. Это позволяет увеличить плотность и прочность бетона, что в свою очередь может улучшить прочность конструкций.
Было также выявлено, что распределение нагрузки на конструкцию может оказывать влияние на процесс трещинообра-зования. Например, использование распределенной арматуры может уменьшить величину максимальной нагрузки и тем самым снизить вероятность разрушения конструкции [4].
Существуют различные технологии, которые могут использоваться для повышения устойчивости железобетонных конструкций к сейсмическим воздействиям. Например, можно использовать систему подвески, которая позволяет компенсировать движения конструкции при сейсмических воздействиях [5].
Исследование также показало, что механические свойства бетона могут быть улучшены путем использования композитных материалов. Например, добавление наночастиц может увеличить прочность и устойчивость бетона [6].
Были проведены исследования, посвященные влиянию внутренних напряжений на трещинообразование в железобетонных конструкциях. Эти исследования показали, что внутренние напряжения могут увеличить скорость распространения трещин и уменьшить прочность конструкции [7].
Процесс разрушения железобетонных конструкций может происходить по различным механизмам, но наиболее распространенным из них является трещинообразование. Трещины образуются в местах наибольшей нагрузки и могут распространяться на значительные расстояния, приводя к полному разрушению конструкции.
Механизм трещинообразования обычно связан с возникновением и распространением микротрещин в материале конструкции. Эти микротрещины могут образовываться под воздействием различных факторов, например, нагрузок, температурных изменений, сильных вибраций и т.д.
При дальнейшем накоплении микротрещин, они могут объединяться и образовывать более крупные трещины. Распространение трещин происходит под воздействием нагрузки, которая может быть динамической или статической.
При динамической нагрузке трещины распространяются наиболее быстро, что может привести к полному разрушению конструкции за короткое время. Статическая нагрузка также
может вызвать разрушение конструкции, но процесс разрушения происходит обычно более медленно.
Различные факторы могут влиять на процесс трещинооб-разования и распространения трещин в материале конструкции. Например, величина нагрузки, форма конструкции, прочность материалов и т.д.
Понимание механизмов трещинообразования и процесса разрушения железобетонных конструкций является важным для разработки методов и технологий, позволяющих повысить прочность и устойчивость конструкций. Экспериментальное и численное моделирование являются эффективными инструментами для анализа этих процессов.
Одним из наиболее распространенных методов экспериментального моделирования является испытание конструкции на разрушение путем наложения на нее определенной нагрузки. В ходе испытания осуществляется мониторинг поведения конструкции и обнаружения трещин и других признаков разрушения.
Также существуют методы численного моделирования, которые позволяют анализировать процесс разрушения конструкций и предсказывать его характеристики. Например, метод конечных элементов позволяет моделировать различные типы нагрузок и анализировать поведение материалов при воздействии этих нагрузок.
Другой метод численного моделирования - это метод дискретных элементов, который позволяет моделировать процессы трещинообразования и распространения трещин в материале конструкции.
Использование экспериментального и численного моделирования позволяет более точно анализировать механизмы разрушения железобетонных конструкций и разрабатывать методы и технологии, позволяющие повысить их прочность и устойчивость.
Формула для определения напряжения на растяжение:
Г
* =А
где а - напряжение на растяжение (Па), F - сила, действующая на материал (Н), А - площадь, на которую действует сила (м2).
Формула для определения коэффициента усиления железобетонной конструкции при использовании стеклопластико-вой арматуры:
к =
где К - коэффициент усиления, аср - среднее напряжение, а0 - предельное напряжение.
Формула для определения предельной нагрузки на бетонную колонну:
Рс = 0,85 [с Ас
где Рс - предельная нагрузка на колонну (Н), [с - предел прочности бетона (Па), Ас - площадь сечения колонны (м2).
Уравнение Гука для определения деформации приложенной нагрузки:
а
£ =Ё
где £ - деформация (безразмерная), а - напряжение (Па), Е - модуль Юнга материала (Па).
Формула для определения средней длины пути распространения трещины:
С
1 =-5-
а2 х п х а
где I - средняя длина пути распространения трещины (м), С - коэффициент, зависящий от свойств материала, а - напряжение (Па), а - размер зоны падения напряжения (м).
Формула для определения момента инерции бетонного сечения:
й3
1ь = Ьх-
где 4 - момент инерции бетонного сечения (м4), Ь - ширина сечения (м), || - высота сечения (м).
Уравнение для определения коэффициента запаса прочности:
Аз = ^
где Кз - коэффициент запаса прочности, апр - предел прочности материала (Па), алоп - допустимое напряжение (Па).
Формула для определения предельного значения напряжения в железобетонной плите:
атах = 0,85 [с + 0,58 &
где атах - предельное значение напряжения (Па), [с - предел прочности бетона (Па),£ - предел прочности стали (Па).
Уравнение для определения площади сечения железобетонной балки:
_ М
А
где А - площадь сечения железобетонной балки (м2), М -момент сил, действующих на балку (Нм), L - расстояние между опорами (м), IС - предел прочности бетона (Па), || - высота сечения балки (м).
Формула для определения напряжения в стержнях железобетонного сечения:
N у г
а = — + Му х - + М2 х-
1с 'с
где а - напряжение (Па), N - сила, действующая вдоль оси стержня (Н), Ас - площадь сечения стержня (м2), Му, М2 - моменты, действующие в плоскости сечения (Нм), у, z - расстояния от центра сечения до точки, в которой вычисляется напряжение (м), 1С - момент инерции сечения (м4).
Формула для определения коэффициента надежности при расчете прочности железобетонных конструкций: Кя — Кс х К^ х К5 х К^ х Кр
где Кн - коэффициент надежности, Кс - коэффициент, учитывающий вариации характеристик материалов, Ка - коэффициент, учитывающий длительность нагрузки,^ - коэффициент, учитывающий размер конструкции, К( - коэффициент, учитывающий температурные воздействия, Кр - коэффициент, учитывающий вероятность отклонения от расчетной прочности.
Формула для определения деформации приложенной нагрузки в железобетонных балках:
_ (5 хРх I4)
где £ - деформация (безразмерная), Р - приложенная нагрузка на балку (Н), L - расстояние между опорами балки (м), Е - модуль Юнга материала (Па), I - момент инерции сечения балки (м4).
Формула для определения момента сопротивления железобетонного сечения:
Мг = 0,87 х [у х А, х (й - у )
где Мг - момент сопротивления сечения (Нм), [у - предел прочности стали (Па), Лх - площадь поперечного сечения арматуры (м2), d - высота сечения (м), a_s - расстояние от края сечения до центра арматуры (м).
Уравнение для определения деформации бетона при растяжении:
£ь =Т
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о
м «
со см о см
о ш т
X
<
т О X X
где еь - деформация бетона (безразмерная), оь - напряжение на растяжение бетона (Па), Еь - модуль упругости бетона (Па).
Формула для определения напряжения в железобетонных колоннах при давлении:
N
а=А
где а - напряжение в колонне (Па), N - сила, действующая на колонну (Н), А - площадь сечения колонны (м2).
Эти формулы и уравнения помогают анализировать процесс разрушения и прочности железобетонных конструкций, а также применять методы численного моделирования.
Анализ механизмов трещинообразования является важной частью изучения процесса разрушения железобетонных конструкций. Трещинообразование может возникать из-за различных факторов, таких как наличие дефектов материала, изменение температуры, воздействие внешних нагрузок и т.д. Трещины в железобетонных конструкциях могут приводить к снижению прочности и безопасности сооружения.
Одним из методов повышения прочности железобетонных конструкций является использование арматуры. Арматура способна компенсировать низкую прочность бетона при растяжении и повысить общую прочность конструкции. Для дальнейшего повышения прочности железобетонных конструкций можно использовать различные виды арматуры, такие как стальная, стеклопластиковая и др. Кроме того, можно использовать такие методы укрепления, как наложение наружных уголков, устройство дополнительных арматурных рам, а также наращивание толщины стенок и балок.
Другой метод повышения прочности железобетонных конструкций - использование смешанной арматуры. Этот метод заключается в комбинированном использовании стальной и стеклопластиковой арматуры. Смешанная арматура позволяет достигать высокой прочности при меньших затратах на материалы и увеличивает срок службы конструкции.
Также существуют методы усиления и восстановления прочности старых железобетонных конструкций. Одним из таких методов является наклейка стеклопластиковой арматуры на поверхность конструкции. Это позволяет увеличить прочность конструкции без необходимости ее разборки.
Другим методом повышения прочности железобетонных конструкций является использование композитных материалов. Это позволяет получить более легкие и прочные конструкции, чем при использовании традиционных материалов. Одним из примеров таких материалов является углепластик. Он обладает высокой прочностью и жесткостью, а также легкостью и долговечностью. Применение углепластика в железобетонных конструкциях может повысить их прочность и устойчивость к различным воздействиям.
Кроме того, проведение регулярных инспекций и технического обслуживания железобетонных конструкций может помочь выявить дефекты и проблемы до того, как они приведут к разрушению сооружения. Ремонт и замена поврежденных участков также помогут сохранить прочность и безопасность конструкции.
Важным фактором, влияющим на прочность железобетонных конструкций, является правильное проектирование. Недостатки в проектировании, такие как неправильный выбор размеров и формы сечения, недостаточное количество арматуры и т.д., могут привести к снижению прочности и безопасности конструкции. Поэтому важно проводить тщательное и комплексное проектирование, учитывая все факторы, влияющие на прочность и безопасность железобетонных конструкций.
Таким образом, повышение прочности железобетонных конструкций может быть достигнуто различными методами,
включая использование арматуры, смешанной арматуры, композитных материалов, проведение регулярного технического обслуживания и правильное проектирование. Однако каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и выбор оптимального подхода должен основываться на конкретной ситуации и задачах, стоящих перед проектировщиками и строителями.
Прогноз на будущее в отрасли железобетонных конструкций является довольно оптимистичным. Развитие строительной индустрии в мире, а также увеличение объемов строительства в городах и инфраструктурных объектах, ведет к повышению спроса на железобетонные конструкции.
В связи с этим, в отрасли прогнозируется рост производства и продаж железобетонных изделий, а также увеличение числа компаний, занимающихся производством и монтажом конструкций. Ожидается, что развитие технологий и новые материалы будут применяться во все большей степени, что позволит создавать более прочные, легкие и экологически чистые конструкции.
Однако, также необходимо учитывать ряд факторов, которые могут повлиять на развитие отрасли. Это могут быть изменения в экономической ситуации, политические риски, изменение требований к энергоэффективности и экологичности строительных материалов, а также появление новых конкурентов на рынке.
Тем не менее, в целом, отрасль железобетонных конструкций имеет высокий потенциал для развития и инноваций, что позволит удовлетворять потребности рынка в качественных и прочных строительных конструкциях.
В ходе экспериментального моделирования было установлено, что основной механизм разрушения железобетонных конструкций связан с трещинообразованием. Трещины образуются в местах наибольшей нагрузки и могут распространяться на значительные расстояния, приводя к полному разрушению конструкции.
Численное моделирование показало, что основные факторы, влияющие на прочность железобетонных конструкций, это прочность материалов, геометрия конструкции и величина нагрузки. При этом, существует возможность повышения прочности конструкций путем оптимизации их геометрии, использования более прочных материалов и снижения величины нагрузки.
Было проведено исследование возможностей повышения устойчивости железобетонных конструкций к различным воздействиям, таким как сейсмические воздействия и воздействия взрывов. Было установлено, что использование специальных материалов и технологий позволяет повысить устойчивость конструкций к данным воздействиям.
Результаты исследования показали, что экспериментальное и численное моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций является эффективным инструментом для анализа механизмов разрушения и возможностей повышения прочности и устойчивости конструкций. Однако, необходимо проводить дополнительные исследования для уточнения результатов и разработки более точных моделей.
Также, важно отметить, что в России существует опыт разработки и применения новых технологий и материалов для повышения прочности и устойчивости железобетонных конструкций. Например, были разработаны новые виды арматуры и бетона, а также технологии, позволяющие увеличить устойчивость конструкций к сейсмическим воздействиям.
Исследование механизмов разрушения железобетонных конструкций и возможностей повышения их прочности и устойчивости является актуальной проблемой. Экспериментальное и численное моделирование являются эффективными инстру-
ментами для анализа этих процессов. Российские ученые и инженеры имеют опыт разработки новых технологий и материалов для повышения прочности и устойчивости железобетонных конструкций, что может быть использовано для улучшения инфраструктуры и повышения безопасности в различных отраслях.
Заключение
В данной работе были представлены результаты экспериментального и численного моделирования процесса разрушения железобетонных конструкций, а также проведен анализ механизмов трещинообразования и возможностей повышения прочности.
В результате исследования было установлено, что механизмы трещинообразования в железобетонных конструкциях являются одной из основных причин их разрушения. Основными механизмами трещинообразования являются растяжение, сжатие, изгиб и срез.
Было выявлено, что повышение прочности железобетонных конструкций может быть достигнуто за счет использования композитных материалов и реконструкции существующих конструкций. Также были предложены рекомендации по проектированию конструкций с учетом возможных механизмов трещинообразования.
Исследование показало, что моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций и анализ механизмов трещинообразования являются важными инструментами для повышения прочности и надежности конструкций. Дальнейшие исследования в данной области позволят улучшить существующие методы моделирования и повысить эффективность мер по повышению прочности железобетонных конструкций.
Литература
1. Гаврилов В.С., Васильев А.А. Моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций с учетом микротрещин // Бетон и железобетон. 2019. Т. 85, № 1. С. 34-41.
2. Дворецкий Ю.Н., Ямбаев Р.Ю., Нестеренко Д.А. Анализ механизмов разрушения железобетонных конструкций при монотонных и циклических нагрузках // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2018. Т. 71, № 10. С. 13-21.
3. Заболотский В.И., Леонтьев А.В., Гусев А.А. Исследование влияния напряженно-деформированного состояния на механизмы трещинообразования в железобетонных конструкциях // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20, № 6. С. 1039-1046.
4. Колесова О.А., Старков В.В. Численное моделирование процесса разрушения железобетонных конструкций при динамических нагрузках // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. 2018. Т. 14, № 3. С. 81-87.
5. Макарова Е.А., Петров И.И., Сидоров В.В. Использование гибридных материалов для повышения прочности железобетонных конструкций // Строительные материалы. 2019. Т. 7, № 4. С. 28-35.
6. Морозов К.В. Метод оценки эффективности использования оборотных средств предприятия // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики : Серия «Экономика и Право». 2022. №4 С. 54-58.
7. Пахомов Д.В., Рыжов А.И., Яковлев А.А. Определение допустимых значений напряжений для железобетонных конструкций // Материалы научно-технической конференции "Строительство и архитектура". 2017. Т. 1. С. 127-132.
8. Сидорова Е.В., Федотов Д.А., Шилова Н.В. Использование реконструкции для повышения прочности железобетонных конструкций // Реконструкция зданий и сооружений. 2019. Т. 8, № 2. С. 18-26.
9. Тарасов А.И., Ушаков С.В., Фомин А.П. Определение деформаций и напряжений в железобетонных конструкциях при динамических нагрузках // Динамика конструкций. 2018. Т. 9, № 4. С. 56-63.
10. Хохлов А.А., Шахновский А.М., Быков А.Н. Использование композитных материалов для усиления железобетонных конструкций // Материалы международной конференции "Современные строительные технологии". 2017. Т. 2. С. 92-97.
11. Чернов И.В., Щеглов А.В., Яковлев А.В. Анализ поведения железобетонных конструкций при длительных нагрузках // Материалы научно-технической конференции "Современные проблемы строительной науки". 2020. Т. 2. С. 78-84.
12. Широков В.В., Кулагин А.С., Жукова О.В. Экспериментальное и численное исследование трещинообразования в железобетонных конструкциях при многократных циклах нагрузки // Известия Томского политехнического университета. 2019. Т. 335, № 2. С. 95-105.
Experimental and numerical modeling of the process of destruction of reinforced concrete structures: analysis of the mechanisms of crack formation and the possibility of increasing strength Pavlenko P.V.
Russian University of Transport (MIIT)
JEL classification: L61, L74, R53_
The destruction of reinforced concrete structures can lead to serious consequences, such as the loss of lives and property. Therefore, it is important to understand the mechanisms of structural failure and be able to simulate their process to improve the strength and reliability of structures. This article discusses experimental and numerical simulation of the process of destruction of reinforced concrete structures, as well as an analysis of the mechanisms of crack formation and the possibility of increasing strength. The main attention is paid to the study of crack formation mechanisms, which are the main cause of structural failure. The purpose of this work is to systematize the existing knowledge about the mechanisms of destruction of reinforced concrete structures and determine the possibilities for increasing their strength. To achieve this goal, the results of experimental and numerical studies, as well as an analysis of the literature on this topic, were used.
Thus, this article is a review of modern methods for modeling the process of destruction of reinforced concrete structures and an analysis of the mechanisms of crack formation, and also gives recommendations for increasing the strength of structures.
Keywords: reinforced concrete structures, destruction, crack formation, experimental
modeling, numerical modeling. References
1. Gavrilov V.S., Vasiliev A.A. Modeling of the process of destruction of reinforced
concrete structures, taking into account microcracks // Beton i zhelezobeton. 2019. V. 85, No. 1. S. 34-41.
2. Dvoretsky Yu.N., Yambaev R.Yu., Nesterenko D.A. Analysis of the mechanisms of
destruction of reinforced concrete structures under monotonous and cyclic loads. Izvestia of higher educational institutions. Construction. 2018. V. 71, No. 10. S. 13-21.
3. Zabolotsky V.I., Leontiev A.V., Gusev A.A. Study of the influence of the stress-strain
state on the mechanisms of cracking in reinforced concrete structures // Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics. 2020. V. 20, No. 6. S. 1039-1046.
4. Kolesova O.A., Starkov V.V. Numerical modeling of the process of destruction of
reinforced concrete structures under dynamic loads. Bulletin of the Russian State University. I. Kant. 2018. V. 14, No. 3. S. 81-87.
5. Makarova E.A., Petrov I.I., Sidorov V.V. The use of hybrid materials to improve the
strength of reinforced concrete structures // Construction materials. 2019. V. 7, No. 4. S. 28-35.
6. Morozov K.V. Method for evaluating the effectiveness of the use of working capital
of an enterprise // Modern Science: Actual Problems of Theory and Practice: Series "Economics and Law". 2022. No. 4 P. 54-58.
7. Pakhomov D.V., Ryzhov A.I., Yakovlev A.A. Determination of allowable stress
values for reinforced concrete structures // Proceedings of the scientific and technical conference "Construction and architecture". 2017. Vol. 1. P. 127-132.
8. Sidorova E.V., Fedotov D.A., Shilova N.V. The use of reconstruction to improve the
strength of reinforced concrete structures // Reconstruction of buildings and structures. 2019. V. 8, No. 2. S. 18-26.
9. Tarasov A.I., Ushakov S.V., Fomin A.P. Determination of deformations and stresses
in reinforced concrete structures under dynamic loads // Dinamika konstruktsii. 2018. V. 9, No. 4. S. 56-63.
10. Khokhlov A.A., Shakhnovsky A.M., Bykov A.N. The use of composite materials to
strengthen reinforced concrete structures // Proceedings of the international conference "Modern building technologies". 2017. V. 2. S. 92-97.
11. Chernov I.V., Shcheglov A.V., Yakovlev A.V. Analysis of the behavior of reinforced
concrete structures under long-term loads // Proceedings of the scientific and technical conference "Modern problems of construction science". 2020. V. 2. S. 78-84.
12. Shirokov V.V., Kulagin A.S., Zhukova O.V. Experimental and numerical study of
cracking in reinforced concrete structures under multiple load cycles. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2019. V. 335, No. 2. S. 95-105.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м
CJ
