Железобетонные конструкции в ходе эксплуатации подвергаются постоянной (статической) нагрузке, а в случае аварийных ситуаций, например, при внезапном разрушении колонны или перекрытия, — высокоинтенсивному динамическому воздействию. Такие события могут привести к обрушению здания, поэтому важно понимать, как бетон ведет себя при комбинированных статико-динамических нагрузках.
Исследователи из Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (Москва) провели серию экспериментов на бетонных образцах разных классов прочности, широко используемых в массовом строительстве. Бетоны в течение 180 дней подвергали предварительной длительной статической нагрузке, которая составляла примерно 60% от ожидаемого предела прочности — максимальной нагрузки, которая может действовать на материал в условиях нормальной эксплуатации конструкций.
В этих испытаниях авторы определяли, как в бетоне со временем при постоянной нагрузке появляются и растут деформации, а также как происходит усадка материала — уменьшение размеров и объема бетона из-за испарения влаги и сопутствующих физико-химических процессов для каждой серии образцов. После этого исследователи доводили образцы до разрушения при различных скоростях нагружения.
Испытание образцов из армированного бетона при комплексном режиме нагружения: А) определение деформаций ползучести в образцах при длительном нагружении; Б) образец после испытания на динамическую нагрузку. Источник: Сергей Савин
Результаты показали, что длительная нагрузка положительно влияет на прочность бетона как при статических, так при динамических испытаниях. Прочность образцов, которые подвергали длительной нагрузке, увеличилась на 7–10% при статических испытаниях и на 20–32% — при динамических. Это происходит потому, что силы, которые возникают в материале под воздействием внешней нагрузки или других факторов (например, усадки или изменения температуры) перераспределяются более равномерно внутри бетона. А в зонах контакта между компонентами бетона (основными материалами, из которых он состоит) силы становятся меньше.
На основе экспериментальных данных исследователи предложили нелинейную вязкоупругую модель, в которой учли как долговременные деформации бетона (ползучесть и усадку), так и его реакцию на динамические нагрузки, такие как вибрации и удары. На первом этапе с помощью модели можно рассчитать деформации бетона под действием статической нагрузки с учетом изменения свойств материала из-за «старения». На втором этапе расчетов оценивают динамическое поведение бетона. В этом случае учитывают, что материал уже подвергался долговременной нагрузке и будет вести себя иначе по сравнению с новым. Так, если бетон долго подвергается нагрузке, его прочность увеличивается, потому что внутренняя структура становится плотнее. Но из-за этого он хуже выдерживает деформации (изменение формы) при внезапных нагрузках — становится более хрупким и легче трескается.
Предложенная модель позволяет прогнозировать, как бетон будет вести себя при аварийных ситуациях, таких как внезапное разрушение несущих элементов здания. Это особенно важно, чтобы корректно оценить устойчивость конструкций к прогрессирующему обрушению — случаю, когда повреждение какой-либо малой части сооружения ведет к частичному или полному его разрушению.
Полученные результаты будут полезны при проектировании зданий и сооружений с учетом требований защиты от прогрессирующего обрушения.
«В будущем мы планируем применить предложенную модель для анализа устойчивости железобетонных конструкций с учетом их эксплуатационного режима и срока службы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Савин, кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных и каменных конструкцийНационального исследовательского Московского государственного строительного университета.
