Деформационная модель для расчета железобетонных эксплуатируемых конструкций

Актуальность темы исследования. Железобетон – относительно молодой строительный материал, но доступность, технологическая простота и надежность сделали его самым распространенным конструкционным материалом. Бетон является вторым после воды наиболее употребляемым ресурсом на земле. Так как число эксплуатируемых сооружений постоянно растет, то с каждым годом все большее их количество достигает предельных сроков эксплуатации. Кроме того, по тем или иным причинам может возникнуть необходимость реконструкции объектов. Как известно, со временем, при нормальных условиях эксплуатации, прочность бетона может существенно возрасти, и эксплуатационная надежность сооружений не уменьшится. Но если конструкция подвергалась высокотемпературному или агрессивному воздействию, то прочность бетона может значительно снизиться. Во всех этих случаях для конструкций, прошедших значительный период эксплуатации, соотношение между прочностью и модулем упругости бетона не будет соответствовать параметрам, заложенным в нормативные материалы. Поэтому построение деформационных моделей для длительно эксплуатируемых конструкций является актуальной задачей. Степень разработанности темы исследования. На основе теоретических и экспериментальных исследований отечественных ученых – А.А. Гвоздева, Н.Н. Лессига, К.З. Галустова, В.Н. Байкова, О.Я. Берга, В.М. Бондаренко, Ю.М. Баженова, А.С. Залесова, Ю.В. Зайцева, А.Р. Ржаницына, П.И. Васильева, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, Н.И. Карпенко, В.И. Мурашева, В.В. Петрова, В.И. Травуша, С.В. Александровского, В.И. Колчунова, В.П. Селяева, А.Г. Тамразяна, В.С. Федорова, Л.Р. Маиляна, Д.Р. Маиляна, Э.Н. Кодыша, Н.Н. Трекина, А.И. Звездова, Т.А. Мухамедиева и др. были созданы основы современных методов расчетов железобетонных конструкций, вошедшие в действующие нормативные документы. Разработанная Н.И. Карпенко модель, отражающая зависимость деформаций и напряжений (𝜎−), получена на статистическом анализе многочисленных экспериментов и с высокой точностью корректирует все полученные ранее модели. Нормативные документы, касающиеся расчетов обследованных конструкций, не учитывают изменения прочности и модуля упругости бетона, происшедшие в результате длительного периода их эксплуатации. Цель и задачи исследования Целью диссертационного исследования является разработка обобщенной деформационной модели бетона и диаграммного метода расчета эксплуатируемых железобетонных конструкций. 4 Для достижения указанной цели в диссертации необходимо было решить следующие задачи: 1) выполнить краткий обзор развития теории нелинейного деформирования бетона и провести анализ применения общепринятых деформационных моделей для бетонов с измененными характеристиками; 2) разработать модель деформирования бетона, с возможностью ее построения на основе прочностных и деформационных характеристик бетона, получаемых при обследовании зданий и сооружений, для расчета железобетонных конструкций; 3) сопоставить предложенную деформационную модель с моделями по нормам РФ и Еврокодов; 4) разработать методику определения несущей способности железобетонных конструкций на любом этапе эксплуатации, основанную на предложенной модели деформирования; 5) разработать методику расчета деформаций железобетонных конструкций на любом этапе загружения, на основе деформационной модели; 6) определить влияние ползучести при расчете кривизны и прогибов на распределение деформаций в сжатой зоне изгибаемого железобетонного элемента, на основе предложенной деформационной модели бетона; 7) сопоставить результаты расчета прогибов по предложенной методике с результатами экспериментальных исследований; 8) разработать методику определения остаточного ресурса на примере плит покрытия железобетонного резервуара для хранения нефти; 9) разработать расчетную зависимость, позволяющую учитывать нарастание прочности бетона при длительной эксплуатации сооружений по предложенной деформационной модели. Научная новизна исследования: – Разработана нелинейная модель деформирования бетона с учётом времени эксплуатации и сокращения исходный данных для ее построения; – Получен секущий модуль деформирования бетона и обосновано его определение по двум характерным точкам диаграммы сжатия бетона, соответствующим наибольшей величине напряжений в бетоне и точке ниже границы нарушения сплошности бетона; – выявлена зависимость трансформирования нелинейной модели деформирования бетона от реальных условий эксплуатации; 5 – разработана методика расчета остаточного ресурса на основе предложенной модели нелинейного деформирования бетона с учетом упрочнения и деградации бетона при эксплуатации на примере плит покрытия железобетонного резервуара. Теоретическая значимость работы На основании анализа существующих моделей деформирования бетона, учитывающих фактор нелинейности, раскрыта новая научная проблема, связанная с получением некорректных результатов при применении этих моделей в расчетах эксплуатируемых железобетонных конструкций. Получено и обосновано напряженно-деформированное состояния сечения изгибаемых железобетонных элементов, деформационные и прочностные характеристики бетона которых могут выходить за рамки нормативных величин в результате длительной эксплуатации или в результате внешних воздействий, а также в случае применения разных видов бетонов. Получено и обосновано изменение напряженно-деформированного состояния бетона в результате перераспределения деформаций в железобетонных изгибаемых элементах от влияния длительной ползучести. Разработаны методики расчета прочности и прогибов нормально армированных и переармированных изгибаемых железобетонных конструкций на основе предложенной модели нелинейного деформирования бетона. Разработана методика определения коэффициента секущего модуля на основе предложенной модели нелинейного деформирования бетона. Разработана методика расчета остаточного ресурса плит покрытия железобетонного резервуара, которая позволяет определять сроки выхода конструкций из строя или необходимости их ремонта, в том числе при агрессивном воздействии среды. Практическая значимость работы Предложенная модель деформирования бетона ориентирована на практические расчеты прочности и прогибов железобетонных конструкций и определения их напряженного состояния, с учетом нелинейной связи напряжений и деформаций. Предложенная модель деформирования бетона повышает точность расчетных моделей бетона за счет их приближения к реальному физическому состоянию материала в процессе эксплуатации. Предложенная модель деформирования бетона носит универсальный характер и может использоваться в решении практических задач, при расчете длительно эксплуатируемых и новых конструкций. Представлены методические рекомендации для расчета прочности и прогибов железобетонных конструкций на основе предложенной модели деформирования бетона. 6 Создана система практических рекомендаций по определению деформационных свойств бетона при обследовании железобетонных конструкций. На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований отечественных и зарубежных ученых предложена функция роста прочности бетона. Определение функции роста прочности бетона и изменение его деформативных свойств со временем позволяет более точно определить ресурс эксплуатируемой конструкции. Предложенная методика расчета остаточного ресурса безопасной эксплуатации для плит покрытия железобетонного резервуара позволяет определять сроки выхода конструкций из строя или необходимости их ремонта, в том числе при агрессивном воздействии среды. Методология и методы диссертационного исследования Методология основана на анализе проведенных экспериментальных и теоретических исследований, использования методов теории железобетона, теории упругости и строительной механики, анализе исследований отечественных и зарубежных авторов на темы, связанные с диссертационной работой, а также на анализе Российских и зарубежных нормативных документов. На защиту выносятся: 1) деформационная модель бетона, построение которой выполнено на основании фактических деформационных характеристик материала, получаемых при обследовании железобетонных конструкций зданий и сооружений; 2) сопоставление и сравнение предложенной модели деформирования с моделями по нормам РФ и Еврокодов; 3) методика расчета несущей способности железобетонных конструкций на основе предложенной деформационной модели с нелинейным деформированием бетона при силовом воздействии; 4) методика расчета деформаций на любом этапе загружения изгибаемых железобетонных конструкций, на основе предложенной деформационной модели, получаемой при испытании образцов бетона в процессе обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений; 5) методика определения влияния ползучести при длительном нагружении на распределение деформаций в сечении изгибаемого элемента для ее учета в расчете кривизны и прогибов на основании предложенной деформационной модели бетона; 6) сопоставление результатов расчета прогибов изгибаемого элемента по предложенной методике с результатами расчета по нормативным документам, а также с результатами проведенных экспериментальные исследований; 7 7) методика определения, в рамках обследования, остаточного ресурса безопасной эксплуатации конструкций, на примере плит покрытия железобетонного резервуара для хранения нефти; 8) расчетная зависимость роста прочности бетона во времени, при длительной эксплуатации сооружений, позволяющая выполнить аппроксимацию роста прочности бетона в процессе обследования, для расчетов по предложенной деформационной модели. Степень достоверности Достоверность научных положений и результатов подтверждается использованием основных положений теории железобетона, теории упругости и строительной механики, норм по расчету железобетонных конструкций, совпадением с результатами собственных экспериментальных исследований, а также анализом экспериментальных и теоретических исследований, отечественных и зарубежных авторов на темы, связанные с диссертационной работой. Апробация результатов Основные результаты научных исследований докладывались на Международных, Всероссийских и Межвузовских научно-технических конференциях: «Состояние и перспективы развития предварительно напряженных железобетонных конструкций: Материалы 7-й конференции Межрегиональной Ассоциации «Железобетон» (Москва, 2000 г.); «Актуальные проблемы современного строительства: Всероссийской ХХХI научно-техническая конференция» (г. Пенза, 2001 г.); «Эффективные строительные конструкции: теория и практика. Международная научно-техническая конференция» (г. Пенза, Россия, 2002 г.); «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии. III Международная научно-техническая конференция» (г. Тула, Россия, 2002 г.); «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья. Всероссийская научно-практическая конференция» (г. Тольятти, 2004 г.); «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. 63-я Всероссийская научно-техническая конференция» (г. Самара, 2006 г.); «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. 65-я Всероссийская научно-техническая конференция» (г. Самара, 2008 г.); «Высшее профессиональное образование в Самарской области. Архитектура и строительство. Региональная межвузовская научно-практическая конференция» (г. Самара, 2011 г.); «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. 70-я юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция» (г. Самара, 2013 г.); «International conference for Computational Civil and Structural Engineering» (Moscow, 2015); «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» 81-я Всероссийская научно-техническая конференция (г. Самара, 2024 г.). 8