Міцність залізобетонних балок з одностороннім пошкодженням поперечного перерізу

Abstract

Дослідження пошкоджених залізобетонних балок має важливе значення для розвитку інженерного будівництва та вдосконалення інфраструктури. Залізобетонні балки є ключовими елементами в конструкції мостів, будівель, паркінгів, аеропортів та інших споруд, що зумовлює необхідність детального аналізу їх пошкоджень, механізмів руйнування та ефективних методів оцінки стану й відновлення. Оцінка пошкоджених балок дає змогу визначити їх залишкову несучу здатність, що критично важливо для прийняття рішень щодо їхнього підсилення або заміни, а також оцінки допустимих навантажень після ремонту. Розвиток нових підходів до діагностики та ремонту залізобетонних елементів дозволяє оптимізувати витрати на їхнє обслуговування та продовжити термін експлуатації споруд, знижуючи потребу в повній заміні конструкцій. Таким чином, питання аналізу та відновлення пошкоджених залізобетонних балок є важливою частиною сучасної інженерної науки, що вимагає подальших досліджень і вдосконалення методів для підвищення безпеки та довговічності будівельної інфраструктури. Мета роботи- полягає у визначенні міцності залізобетонних балок з одностороннім пошкодженням шляхом та їх моделювання в програмному комплексі. Об’єкт дослідження- залізобетонні згинанні конструкції з одностороннім пошкодженням. Предмет дослідження- несуча здатність залізобетонних балок з односторонніми пошкодженнями при дії навантаження. У розділі 1 представлено аналіз сучасного стану наукових досліджень, що стосуються тематики дипломної роботи. Зокрема, здійснено огляд і систематизацію основних типів пошкоджень залізобетонних конструкцій, їх причин виникнення та наслідків впливу на несучу здатність і експлуатаційну надійність. Значну увагу приділено вивченню напружено-деформованого стану таких конструкцій, що є предметом досліджень великої кількості науковців. Проаналізовано науково-технічну літературу, в якій наведено результати чисельного моделювання роботи залізобетонних елементів із використанням сучасних програмних засобів, що постійно вдосконалюються з метою підвищення точності збігу результатів моделювання з даними експериментальних досліджень. У розділі 2 описано методику проведення експериментального дослідження залізобетонних однопролітних балок та методику цифрового моделювання в ПК ЛІРА-САПР. Розроблено програму експериментального дослідження та виготовлено три залізобетонні балки прямокутного перерізу - дві контрольні балки та балка з пошкодженням. Проведення дослідження фізико-механічних характеристик виготовлених взірців. Дані досліджень фізико-механічних властивостей бетону при випробуванні кубічних, призматичних та циліндричних зразків наведені у таблиці. У розділі 3 представлені результати експериментальних досліджень 3-х залізобетонних балок, Б-1 та Б2 – контрольні балки-близнюки без пошкодження, Б-3 балка з пошкодженням. За результатами проведеного експерименту встановлено несучу здатність залізобетонних балок Б-1 М=16,7 кН*м, Б-2 М=16,2 кН*м, Б-3 М=15,12 кН*м. Також отримано Значення деформацій бетону та арматури, вертикальних прогинів. Проведено цифрове моделювання дослідних балок в програмі ПК ЛІРА-САПР та представлено результати в табличній формі та у вигляді графіків. У розділі 4 представлені порівняльні результати теоретичних досліджень та експериментальних випробувань з детальним порівняльним аналізом та обговоренням. Теоретичні та експериментальні дослідження представлені графічно у вигляді залежностей: «M-?ck?10-5» (згинальний момент щодо деформації найбільш стиснутої зони бетону), «M-?yk?10-5» (згинальний момент щодо деформації арматури), «M-f» (згинальний момент щодо прогину). У розділі 5 представлено економічне обґрунтування, яке включає розроблення двох локальних кошторисів: один стосується витрат на повну заміну балки, інший — на підсилення пошкодженої конструкції. Це дозволило здійснити порівняльний аналіз та визначити, який із варіантів є економічно доцільнішим — підсилення існуючої балки чи її повна заміна.The study of damaged reinforced concrete beams is of great importance for the development of civil engineering and the improvement of infrastructure. Reinforced concrete beams are key elements in the construction of bridges, buildings, parking structures, airports, and other facilities, which necessitates a detailed analysis of their damage, failure mechanisms, and effective methods for condition assessment and restoration. The assessment of damaged beams makes it possible to determine their residual load-bearing capacity, which is critically important for making decisions regarding their strengthening or replacement, as well as evaluating permissible loads after repair. The development of new approaches to the diagnostics and repair of reinforced concrete elements enables the optimization of maintenance costs and extends the service life of structures, reducing the need for complete replacement. Thus, the analysis and restoration of damaged reinforced concrete beams represent an essential part of modern engineering science, requiring further research and the improvement of methods to enhance the safety and durability of construction infrastructure. Aim of research - to determine the strength of reinforced concrete beams with one-sided damage experimentally and their modeling in a software package. Study object - is a reinforced concrete beams with one-sided cross-section damage. Scope of research - is bearing capacity of reinforced concrete beams with unilateral damage under loading. Chapter 1 presents an analysis of the current state of scientific research related to the topic of the thesis. In particular, a review and systematization of the main types of damage to reinforced concrete structures, their causes, and the consequences of their impact on load-bearing capacity and operational reliability are provided. Significant attention is devoted to the study of the stress-strain state of such structures, which has been the subject of numerous scientific investigations. A review of the scientific and technical literature is carried out, including studies involving numerical modeling of the behavior of reinforced concrete elements using modern software tools, which are constantly being improved to increase the accuracy of simulation results compared to experimental data. Chapter 2 describes the methodology of the experimental investigation of single-span reinforced concrete beams and the digital modeling methodology using LIRA-SAPR software. An experimental research program was developed, and three reinforced concrete beams with rectangular cross-sections were fabricated: two control beams and one damaged beam. Tests were carried out to determine the physical and mechanical properties of the manufactured specimens. The results of testing the physical and mechanical properties of concrete using cubic, prismatic, and cylindrical specimens are presented in tabular form. Chapter 3 presents the results of experimental investigations of three reinforced concrete beams: B-1 and B-2 – control twin beams without damage, and B-3 – the damaged beam. Based on the experiment, the load-bearing capacities were established: B-1 – M = 16.7 kN·m, B-2 – M = 16.2 kN·m, B-3 – M = 15.12 kN·m. Concrete and reinforcement strain values and vertical deflections were also obtained. Numerical modeling of the tested beams was performed using LIRA-SAPR software, with results presented in tables and graphical form. Chapter 4 presents a comparative analysis of theoretical studies and experimental tests, with detailed discussion and evaluation. Theoretical and experimental results are presented graphically as the following dependencies: «M-?ck?10-5» (bending moment vs. strain in the most compressed concrete zone), «M-?yk?10-5» (bending moment vs. reinforcement strain), «M-f» (bending moment vs. deflection). Chapter 5 provides an economic assessment, which includes the development of two local estimates: one related to the cost of full beam replacement, and the other – to the strengthening of the damaged structure. This enabled a comparative analysis and determination of which option is more economically feasible – strengthening the existing beam or its complete replacement