НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ БЕТОННОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОВРЕЖДЕНИЕМ

УДК 620.179.18

DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.260220.59.611

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН БЕТОННОГО ЕЛЕМЕНТУ

З ПОШКОДЖЕННЯМ

КОЛОХОВ В В.1 , к. т. н, доц., СОШЛЬНЯК А. М 2, к. т. н., доц., МОСЬПАН В. I.3, к. т. н.

Анотащя. Постановка проблеми. На сьогодшшнш день актуальным постае визначення тeхнiчного стану констpукцiй та !х пiдсилeння за нeобхiднiстю. Пошкодження констpукцiй впливае на процес визначення фiзико-мeхaнiчних характеристик бетону конструкцп. Мета cmammi - визначити вплив пошкоджень конструкцп на напружено деформований стан елемента конструкцп, виконати розрахунки та отримати поля напружень, дeфоpмaцiй та перемщень за piзних пapaмeтpiв модeлi та piвнiв напружень. Виклад Mamepimy. Для досягнення ще! мети проведено дослщження на структурних моделях iз використанням програмного комплексу "LIRA SAPR". Для дослiджeння застасовано структурну модель pозмipaми 100 х 100 х 400 мм. Використовували бетони клаав C16/20, C18/22,5 та C20/25 з ввдповщними властивостями. Констpуктивнi пошкодження були змодельоваш шляхом послвдовного видалення одного з п&яти елеменпв iз дослвдно! модeлi. Розрахунки проводилися для моделей з одним та двома дефектами в конструкцп. Для дослвдно! модeлi з двома дефектами в конструкцп пази розташовували паралельно. Параметри навантаження для моделювання процесу деформаци змiнювaлись у межах 0,1...0,5 ввд граничного напруження. Висновки. Анaлiз peзультaтiв проведеного дослвдження показуе, що на зм^ напруги в дiлянцi, яке примикае до пошкоджень конструкцп, впливае pозмip ще! площi, piвeнь напружено-деформованого стану в конструктивному елеменл та сшвввдношення м1ж pозмipaми сусiднiх eлeмeнтiв конструкцп; на поверхш конструктивного елемента можуть з&являтися нульовi зони напруги; необхвдно враховувати piвeнь напружено-деформованого стану тд час оцiнювaння фiзико-мeхaнiчних характеристик бетону за допомогою неруйшвних мeтодiв контролю в зош, на яку впливають нaявнi пошкодження констpукцil.

Ключовi слова: напружено-деформований стан елемента; неруйн1вн1 методи контролю

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ БЕТОННОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОВРЕЖДЕНИЕМ

КОЛОХОВ В. В.1 , к. т. н., доц., СОПИЛЬНЯК А. М.2, к. т. н, доц., МОСЬПАН В. И.3, к. т. н.

Аннотация. Постановка проблемы. На сегодняшний день актуальным является определение технического состояния конструкций и их усиление по мере необходимости. Повреждение конструкций влияет на процесс определения физико-механических характеристик бетона конструкции. Цель статьи - выполнить расчеты и получить поля напряжений, деформаций и перемещений при различных параметрах модели и уровнях напряжений. Изложение материала. Для достижения этой цели проведены исследования на структурных моделях с использованием программного комплекса "LIRA SAPR". Для исследования использована структурная модель размерами 100 х 100 х 400 мм. Использовали бетоны классов C16/20, C18/22,5 та C20/25 с соответствующими свойствами. Конструктивные повреждения были смоделированы путем последовательного удаления одного из пяти элементов с опытной модели. Расчеты проводились для моделей с одним и двумя дефектами в конструкции. Для опытной модели с двумя дефектами в конструкции пазы

располагали параллельно. Параметры нагрузки для моделирования процесса деформации изменялись в пределах 0,1...0,5 от предельного напряжения. Выводы. Анализ результатов проведенного исследования показывает, что на изменение напряжения в участке, примыкающем к повреждениям конструкции, влияет размер этой площади, уровень напряженно-деформированного состояния в конструктивном элементе и соотношение между размерами соседних элементов конструкции; на поверхности конструктивного элемента могут появляться нулевые зоны напряжения; необходимо учитывать уровень напряженно-деформированного состояния при оценке физико-механических характеристик бетона с помощью неразрушающих методов контроля в зоне, на которую влияют имеющиеся повреждения конструкции.

STRESS-STRAIN STATE OF CONCRETE ELEMENT WITH DAMAGE

KOLOKHOV V.V.1 , Cand. Sc. (Tech.), Ass. Prof., SOPILNIAK A.M. 2, Cand. Sc. (Tech.), Ass. Prof, MOSPAN V.l. 3, Cand. Sc. (Tech.)

Abstract. Problem statement. At present, it is relevant to determine the technical condition of structures and their strengthening as needed. Damage of structures affects the process of determining the physical and mechanical characteristics of concrete structures. Purpose. To determine the effect of structural damage on the stressed state of the structural member. To perform calculations and obtain fields of stresses, strains and displacements at different model parameters and stress levels. The technique. The research has been performed on structural models using software systems "LIRA SAPR". A structural model having dimensions of 100 x 100 x 400 mm was used for the study. Materials of concrete C16/20, C18/22.5 and C20/25 with corresponding properties have been used. The structural damage was modeled by sequentially removing one of the five elements from the experimental model. The calculations were performed for models with one and two defects in the design. For the experimental model with two defects, the grooves were arranged in parallel. The load parameters for modeling the deformation process varied within 0.1.. .0.5 of the limit stress. Results. Analysis of the results of the study shows that the change in stress in the area adjacent to structural damage is affected by the size of this area, the level of stress-strain state in the structural element and the relationship between the sizes of adjacent structural elements; Zero voltage zones may appear on the surface of the structural member; it is necessary to take into account the level of stress-strain state when assessing the physical and mechanical characteristics of concrete using non-destructive methods of control in the area affected by existing structural damage.

Вступ. Пщ час експлуатаци конструктивного елемента вщбуваеться змша фiзико-механiчних характеристик матерiалiв та утворення дефектсв. Проведення перевiрочних розрахунюв грунтуеться на визначенш властивостей будiвельних матерiалiв за допомогою неруйшвних методiв. На точшсть цих методiв впливае рiвень напружено-деформованого стану конструктивного елемента.

Мшливють властивостей бетону в час за постшних навантажень постае визначальним фактором мщносп та надшносп конструктивного елемента. У деяких випадках можуть утворюватися навт мiсцевi зони з нульовою напругою. Поява зони без напруги обов&язково буде супроводжуватися появою зони «переходу» з юнуючого рiвня напруги до нуля, а також появою област з тдвищеною напругою. Актуальним бачиться дослщження впливу фiзико-механiчних характеристик будiвельного матер1алу на процес деформаци локально&1 дiлянки елемента конструкций що прилягае до зони конструкци з пошкодженням.

Анал1з публжацш. Забезпечення надiйностi будiвель та споруд [1] вимагае достовiрноi шформаци про !х технiчний стан. Системи оцiнювання технiчного стану базуються на визначенш фiзико-механiчних характеристик (ФМХ) конструкцiйних матерiалiв. Вимоги до формально&1& оцiнки регулюються державними стандартами [2-7], яю застосовують неруйнiвнi методи контролю (НМК).

Отриманi данi пiдлягають статистичнш обробцi за встановленими процедурами, а результат обробки отримуеться з розрахунковою точнiстю. Як показано у [8-12] та у багатьох шших дослщженнях, на результати оцiнювання значно впливають: склад бетонно&1& сумiшi; умови твердшня бетонних елементiв; вiк бетону; рiвень напружено-деформованого стану (НДС) в елеменп та умови навколишнього середовища. Складшсть прямого визначення ФМХ бетону скеровувала дослщниюв на iнший шлях [13-18]. Але все ж мшливють у рiвнi НДС елемента залишае процедуру

Параметри навантаження для моделювання процесу деформаци були в межах 0...0,5 вiд граничного навантаження. Проведет розрахунки дали можливють отримати поля напружень, деформацш та перемiщень за рiзних параметрiв моделi та рiвнiв напружень. Конструктивнi

пошкодження були змодельоваш шляхом послiдовного видалення елементiв i3

застосування НМК наближеною до певного рiвня невизначеностi. Конструктивнi дефекти та коливання ФМХ в бетош пщ час експлуатаци рiзко змiнюють НДС елемента на дшянщ бiля дефекту.

Визначення впливу цих факторiв на НДС конструктивного елемента дозволить пщвищити точнiсть визначення ФМХ бетону в елементах за допомогою керування НМК.

Мета статт1 - виконати розрахунки та отримати поля напружень, деформацш та перемщень за рiзних параметрiв моделi та рiвнiв напружень

Виклад матер1алу. Для досягнення ще проведено дослщження на структурних моделях з використанням програмного комплексу "LIRA SAPR". Розмiри моделi для дослщжень становили 100 х 100 х х 400 мм. Для моделювання застосовано бетони (з вщповщними властивостями) клаав C12/15, С16/20 та C20/25 [2]. Дослщження проводилися за допомогою програмних систем "LIRA SAPR".

На рисунку 1 показано фрагменти дослщно&1& моделi, що використовуеться для розрахунку за допомогою програмно&1& системи "LIRA SAPR"

дослщно&1& моделi. Тобто в призмi утворився паз глибиною вщ 5 до 20 мм. Прирют становив 5 мм (з 0 до 0,20^ вiдповiдно з кроком 0,05^. Розрахунки проводилися для моделей з одним та двома дефектами в конструкци. Для дослщно&1& моделi з двома дефектами в конструкци пази розташовувались паралельно. Пщ час

._ □□□□□□запас ; I adoddtjaciDQt

□ппппопс □□□□□□□□пас □□□□□□□□□□с

ппппппппппс

□□□□□□□□□□с оппрршпши

I □□□□□□□□□□[ IIIIIII IIIIII 1С □□□□□□□□□ас прппппврпрс

ппппппг*--эорррс з/Шпис 15

Рис. 1. Фрагмент модел1, використано&1 для розрахунку програмним комплексом а - без пошкоджень; б-д - з пошкодженнями разного розм1ру (б - 5 мм; в - 10 мм; г &LIRA SAPR": 15 мм; д - 20 мм)

до^дження вlдcтaнь м1ж цими пазами не змlнювaлacя.

а б в г

Рис. 2. Поля напpyжень Nx на дiлянцi мoделi з пошкодженням: poзмip пошкодження S мм (а), 10 мм (б), 1S мм (в), 20 мм (г) для бетону класу С16/20 пpи на^уз1 в бетот а = 0.4 fcd [kH/m2]

а б в г

Рис. 3. Поля напpyжень Nx у дiлянцi мoделi з пошкодженням: poзмip пошкодження S мм (а), 10 мм (б), 1S мм (в), 20 мм (г) для бетону класу C20/2S з напpyгoю в бетон а = 0,1 fcd [kH/m2]

а б в г

Рис. 4. Поля на^ужень Ny в дшянц мoделi з пошкодженням: poзмip пошкодження S мм (а), 10 мм (б), 1S мм 20 мм (г) для бетону класу C12/1S пpи напpyзi в бетон а = 0,1 f cd [kH/m2]

а б в г

Рис. 5. Поля напружень Ny в дшянц модел1 з пошкодженням: розм1р пошкодження 5 мм (а), 10 мм (б), 15 мм 20 мм (г) для бетону класу С16/20 при напрузг в бетон ia = 0,4 fcd [kH/m2]

Рис. 6. Поля напруження Txy в дiлянцi моделi з пошкодженням: розмiр пошкодження 5 мм (а), 10 мм (б), 15 мм (в), 20 мм (г) для бетону класу С12/15 тд напругою в бетот a = 0,1 fcd [kH/m2]

Рис. 7. Поля напружень тху в дшянцг модел1 з пошкодженням: розм1р пошкодження 5 мм (а), 10 мм (б), 15 мм (в), 20 мм (г) для бетону класу С20/25 тд напругою в бетома = 0,4^ [Ш/т2]

Результати й обговорення. На пошкодженнями. Окремi результати

рисунках 2-7 показаш поля напружень Ых, наведено для розрахунюв залежно вщ змши

Ыу i Тху (вщповщно) в локальнш обласп навантажень та змши розмiрiв дефекпв. елемента конструкцп iз структурними

Очевидно, що поля напружень стиску у вах випадках схожь Рiзнi значення напруги зумовлеш мiнливiстю навантажень, ФМХ бетону та розмiрами дефектiв. Наявнiсть проектних розрахунюв забезпечуе !х порiвняння з результатами НМК. Таке

порiвняння дозволяе виявити структуры дефекти, що утворилися в перюд будiвництва та/або експлуатаци [19] та використовувати для ощнювання техшчного стану будiвельного елемента схему, що наведена на рисунку 8.

Визначення НДС бетону за допомогою НМК

Вим1рювання ф1зичних розм1р1в буд1вельного елемента

Визначення фактичних навантажень

чи майбутшх навантажень, яш впливатимуть на буд1вельний елемент

Налаштування модел1 елемента (якщо необхщно)

Статичний розрахунок. Розрахунок внутршшх зусиль 1 деформацш

Визначення дшянок НДС у буд1вельному елеменп

Налаштування модел елемента

Верифжацшний розрахунок буд1вельних елеменпв

Оцшка техшчного стану буд1вельного елемента

Рис. 8. Порядок оцтювання технгчного стану будгвельного елемента

Висновки. Аналiз результат проведеного дослiдження показуе, що:

• на змшу напруги в дшянщ, що примикае до дефекпв конструкцГi, впливае розмiр ще! площi, рiвень НДС у конструктивному елеменп та

спiввiдношення мiж розмiрами сусiднiх

елементiв конструкци;

• на поверхш конструктивного елемента можуть з&являтися нульовi зони напруги;

• необхщно враховувати рiвень НДС пiд час ощнювання ФМХ бетону за допомогою НМК в зош, на яку впливають наявш дефекти конструкци.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДБН В.1.2-2:2006. Система забезпеченя надшносп та безпеки буд1вельних об&екпв. Навантаження та впливи. Норми проектування [Чинш вщ 2007-01-01]. Вид. офщ. Кшв : М1нрегюнбуд Украши, 2006. 78 с. (Державш буд1вельш норми Украши).

ДБН В.2.6-98:2009. Конструкци будиншв 1 споруд. Бетонш та зал1зобетонш конструкци. Основш положення [На замшу СниП 2.03.01-84*; чинш вщ 2011-06-01]. Вид. офщ. Кшв : Мшрегюнбуд Украши, 2009. 75 с. (Державш буд1вельш норми Украши.).

ДСТУ Б В.2.7-217:2009. Буд1вельш матер1али. Бетони. Методи визначення иризмово! мщносл, модуля пружносп 1 коефщента Пуассона [Уведено вперше (з1 скасуванням ГОСТ 24452-80); чинний вщ 2010-0901]. Вид. офщ. Кшв : М1нрегюнбуд Украши, 2010. 16 с. (Нацюнальний стандарт Украши). ДСТУ Б В.2.7-220:2009. Буд1вельш матер1али. Бетони. Визначення мщносл мехашчними методами неруйшвного контролю [Уведено вперше (з1 скасуванням ГОСТ 22690-88); чинний в1д 2010-09-01]. Вид. офщ. Кшв : Мшрегюнбуд Украши, 2010. 20 с. (Нацюнальний стандарт Украши).

ДСТУ Б В.2.7-223:2009. Буд1вельш матер1али. Бетони. Методи визначення мщносл за зразками, вщбраними з конструкцш. [Уведено вперше (з1 скасуванням ГОСТ 22690-88); чинний вщ 2010-09-01]. Вид. офщ. Кшв : Мшрегюнбуд Украши, 2010. 12 с. (Нацюнальний стандарт Украши).

ДСТУ Б В.2.7-224:2009. Буд1вельш матер1али. Бетони. Правила контролю мщносл [Уведено вперше (з1 скасуванням ГОСТ 18105-86); чинний вщ 2010-09-01]. Вид. офщ. Кшв : Мшрегюнбуд Украши, 2010. 23 с. (Нацюнальний стандарт Украши).

REFERENCES

Надшшла до редакцп: 05.02.2020.