Деформативність залізобетонних згинаних конструкцій з несиметричним пошкодженням бетону

Abstract

Дана магістерська робота присвячена дослідженню деформативності залізобетонних згинаних елементів з несиметричним пошкодженням поперечного перерізу на дію статичного навантаження. Мета дослідження – провести аналіз впливу несиметричних пошкоджень на деформативність залізобетонних балок та порівняти результати експериментів з розрахунковими моделями. Об’єкт дослідження – вплив несиметричного пошкодження на напружено-деформований стан залізобетонного згинанного елемента. Предмет дослідження – деформативні характеристики залізобетонних балок з несиметричними пошкодженнями бетону. Здатність залізобетонних елементів змінювати свою геометрію під впливом зовнішніх сил, зберігаючи при цьому цілісність структури, визначається як їхня деформаційна поведінка. Ця характеристика є фундаментальною для забезпечення надійності та довговічності будівельних конструкцій із залізобетону. Ключовими аспектами деформаційної поведінки є пружні (тимчасові) та пластичні (стійкі) зміни форми, механізми утворення та розкриття тріщин у бетоні, величини прогинів і зсувів, а також довготривалі деформаційні процеси, такі як повзучість та зсідання бетонної суміші. Величина деформацій залежить від фізико-механічних властивостей складових матеріалів (бетону та арматурної сталі), їхнього кількісного співвідношення та просторового розташування, геометричних параметрів елемента, типу та тривалості прикладеного навантаження, наявності дефектів і пошкоджень, а також умов навколишнього середовища. Точний аналіз та прогнозування деформаційної поведінки є невід'ємною частиною процесу проєктування залізобетонних конструкцій. Ця характеристика безпосередньо впливає на їхню здатність ефективно протистояти експлуатаційним навантаженням, запобігаючи виникненню неприпустимих змін форми та катастрофічних руйнувань. Ретельне врахування всіх факторів, що визначають деформаційну здатність, гарантує безпечну та тривалу експлуатацію будівель і споруд, забезпечуючи їхню надійну функціональність протягом усього життєвого циклу. РОЗДІЛІ 1 присвячено огляду літературних джерел, що стосуються досліджуваної теми, з особливим акцентом на проблематиці дефектів у залізобетонних конструкціях та аналізі їхнього напружено-деформованого стану. На початку розділу констатується провідна роль залізобетону в сучасній будівельній галузі та неминучість появи пошкоджень під час експлуатації, що зумовлюються різноманітними чинниками. Представлено узагальнену класифікацію дефектів [1…4, 7], з поділом за різними ознаками. Значну увагу приділено вивченню конкретних типів пошкоджень, таких як втрата захисного бетонного шару [3], аналізу їхніх причин виникнення та наслідків для міцності й деформаційних характеристик елементів [8…16]. Окремо розглянуто актуальні наукові дослідження, спрямовані на розуміння механізмів утворення дефектів та їхнього впливу на поведінку залізобетонних конструкцій [17,20]. У другій частині розділу здійснено аналіз наукової літератури щодо напружено-деформованого стану залізобетонних балок з урахуванням наявних дефектів, впливу цих дефектів на їхню функціональність, а також розробки відповідних методологій експериментальних досліджень та розрахункових моделей, зокрема із застосуванням програмного комплексу ЛІРА-САПР.[24…32] У РОЗДІЛІ 2 було представлено підготовку до реалізації експериментів та методики безпосереднього проведення досліджень. Перша частина розділу детально описує експериментальну програму дослідження залізобетонних балок. Виготовлено три балки: дві без дефектів та одну зі штучним несиметричним пошкодженням. Усі балки мали розміри 200х100х2100 мм та не відрізнялися одна від одної армуванням. Фізико-механічні властивості матеріалів визначали на стандартних зразках. Випробування балок проводили за схемою чистого згину з використанням гідравлічного навантаження та комплексу вимірювального обладнання, включаючи цифрові мікроіндикатори та метод цифрової кореляції зображень для фіксації деформацій. Навантаження здійснювали поетапно до руйнування, контролюючи зусилля та деформації. Наступні дві частини розділу були присвячені методиці визначення та проведення розрахунку несучої здатності та деформаційних властивостей залізобетонних балок із несиметричними ушкодженнями. Застосовується нелінійно-деформаційний підхід, що ґрунтується на фактичних діаграмах деформування бетону й арматури згідно з будівельними стандартами України. Розрахунок передбачає визначення вихідних параметрів, урахування спільної роботи матеріалів, ітераційний процес та критерії граничних станів. Вплив асиметрії ушкодження на геометрію елемента враховується, а прогини обчислюються за спрощеною формулою. РОЗДІЛ 3 ознайомлює нас з результатами проведених експериментальних та теоретичних досліджень, а також їх аналізом. Перший підрозділ присвячений порівняльному аналізу результатів експериментальних досліджень двох непошкоджених залізобетонних балок (КБ-1 та КБ-2) з результатами їхнього моделювання в програмному комплексі LIRA SAPR. Аналіз виявляє певну розбіжність між теоретичними та експериментальними даними, що пояснюється ідеалізацією моделі в програмному комплексі. Проте, загалом, спостерігається досить близька відповідність між результатами експерименту та теоретичного розрахунку, особливо щодо максимальних деформацій. У наступному підрозділі проводиться аналіз та порівняння результатів досліджень пошкодженої балки (КБ-3) з її розрахунковою моделлю. Аналіз виявив значне перенапруження в зонах пошкодження та зміщення нейтральної осі, що свідчить про несиметричний згин. Порівняння експериментальних та теоретичних деформацій арматури, бетону та загальних прогинів показало певні розбіжності, особливо у величині загальних прогинів при критичних навантаженнях. Це може бути пов'язано зі спрощеним моделюванням пошкодження та неврахуванням усіх особливостей експерименту. Зафіксовано також горизонтальний прогин та залишковий прогин після розвантаження пошкодженої балки. У РОЗДІЛІ 4 було продемонстровано порівняння економічного характеру з варіантами повної заміни пошкодженої балки та підсиленням її способом замонолічення дефекту разом з використанням армованих волок.This master's thesis focuses on the investigation of the deformability of reinforced concrete flexural elements with asymmetrical damage in the cross-section under static loading. The aim is to analyze the influence of asymmetrical damage on the deformability of reinforced concrete beams and to compare the experimental findings with computational models. The object of the research is the influence of asymmetrical damage on the stress–strain state of a reinforced concrete flexural element. The subject is the deformational characteristics of reinforced concrete beams with asymmetrical concrete damage. The ability of reinforced concrete elements to undergo changes in geometry under external forces while preserving structural integrity is defined as their deformational behavior. This property is critical to ensuring the reliability and durability of reinforced concrete structures. Essential aspects of deformational behavior include elastic (temporary) and plastic (permanent) changes in shape, mechanisms of crack initiation and propagation in concrete, magnitudes of deflections and shear deformations, as well as long-term effects such as creep and shrinkage. The magnitude of deformation is determined by the physical and mechanical properties of the component materials (concrete and reinforcing steel), their proportions and spatial configuration, geometric parameters of the element, type and duration of loading, presence of defects or damage, and environmental conditions. Accurate analysis and prediction of deformational behavior are integral to the design process of reinforced concrete structures. This parameter directly influences their performance under operational loads and helps prevent unacceptable deformations or catastrophic failures. Considering all influencing factors ensures safe and long-term operation of buildings and structures, maintaining their reliability throughout their entire service life. Chapter 1 presents a review of literature sources related to the topic, with particular focus on defects in reinforced concrete structures and the analysis of their stress–strain state. The chapter begins by emphasizing the leading role of reinforced concrete in modern construction and the inevitability of damage during operation due to various factors. A generalized classification of defects is presented, organized by different characteristics. Significant attention is given to specific types of damage, such as the loss of the protective concrete layer, along with an analysis of their causes and consequences for the strength and deformational properties of structural elements. Special attention is also paid to recent research aimed at understanding the mechanisms of defect formation and their effects on the structural behavior of reinforced concrete. The second part of the chapter analyzes scientific literature concerning the stress–strain behavior of beams with defects, their influence on structural performance, and the development of methodologies for experimental investigations and numerical modeling, particularly using the LIRA-SAPR software suite. Chapter 2 describes the preparation and methodology for conducting the experimental program. The first section provides a detailed description of the testing plan for reinforced concrete beams. Three beams were fabricated: two intact and one with an artificially introduced asymmetrical defect. All beams had dimensions of 200?100?2100 mm and identical reinforcement layouts. The physical and mechanical properties of the materials were determined using standard samples. The beams were tested in a pure bending setup with hydraulic loading and a comprehensive set of measuring equipment, including digital displacement indicators and digital image correlation techniques for recording deformations. The load was applied incrementally up to failure, with continuous monitoring of forces and deformations. The following sections outline the methodology for determining and calculating the load-bearing capacity and deformational properties of reinforced concrete beams with asymmetrical damage. A nonlinear deformation-based approach is used, based on actual stress–strain diagrams for concrete and reinforcement, in accordance with Ukrainian construction standards. The calculation involves determining input parameters, considering the interaction of materials, iterative computation procedures, and limit state criteria. The influence of damage asymmetry on element geometry is accounted for, and deflections are calculated using a simplified formula. Chapter 3 presents the results of both experimental and theoretical investigations and their comparative analysis. The first section compares the results from two undamaged beams (KB-1 and KB-2) with those from their numerical simulations in LIRA-SAPR. The analysis reveals minor discrepancies between theoretical and experimental results, attributed to idealizations in the numerical model. However, a generally close agreement is observed, particularly concerning maximum deformations. The subsequent section analyzes and compares the damaged beam (KB-3) with its computational model. The analysis reveals significant stress concentrations in the damaged zones and displacement of the neutral axis, indicating asymmetric bending. Comparisons of experimental and theoretical deformations of reinforcement, concrete, and overall deflection reveal some inconsistencies, especially in the magnitude of deflections under critical loads. These may be due to simplified damage modeling and omission of certain experimental features. Horizontal displacement and residual deflection after unloading were also recorded for the damaged beam. Chapter 4 presents a comparative economic assessment of two alternatives: complete replacement of the damaged beam and its strengthening by monolithic repair with the addition of fiber-reinforced materials.