Фактическое напряженно-деформированное состояние железобетонного изгибаемого элемента на различных этапах нагружения

Введение. Анализируются требования действующих нормативных и технических документов по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения, а также отдельные способы защиты. Рассматривается целесообразность совершенствования теории расчета несущих железобетонных элементов не только на стадии работы элемента до границы первого предельного состояния, но и на стадии особого предельного состояния. Приведены резервы по прочности и деформативности изгибаемых элементов.

Цель. Экспериментальная проверка гипотезы перемещения нейтральной оси изгибаемого элемента в процессе нагружения и уточнения его величины, в том числе на этапе особого предельного состояния.

Материалы и методы. Экспериментальное исследование проведено путем испытания опытных образцов изгибаемых элементов. Загружение однопролетной свободно опертой железобетонной балки производилось двумя сосредоточенными нагрузками через распределительную траверсу в третях пролета. Представлено описание экспериментальной установки, характеристик материалов и опытных образцов, а также средств измерений, используемых для получения экспериментальных данных об изменении напряженно-деформированного состояния изгибаемого элемента на всех стадиях его работы, включая стадию снижения несущей способности (разупрочнение).

Результаты. В статье приводится первая часть результатов анализа экспериментальных исследований (стадия нагружения от 0,8 M_ult до M_ult), направленных, в том числе, на определение критериев особого предельного состояния для изгибаемых железобетонных элементов. Приводится анализ полученных расчетных и экспериментальных значений относительных деформаций бетона и арматуры, а также изгибающих моментов, определенных на стадиях деформирования. Разработана и представлена для обсуждения методика определения напряженно-деформированного состояния конструкции на различных этапах нагружения, основанная на уравнении равновесия внешних и внутренних сил, действующих в сечении железобетонного элемента с учетом изменения положения нейтральной оси.

Выводы. Погрешность теоретических результатов, полученных при помощи разработанной авторами методики определения напряженно-деформированного состояния конструкции в сравнении с экспериментальными данными на стадии нагружения от 0,8 M_ult до M_ult, составила до 3–5 % в зависимости от стадии деформирования. Гипотеза изменения положения нейтральной оси, изложенная в разработанной методике и подтвержденная экспериментальными исследованиями, будет опубликована в последующих работах авторов.

1. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений: Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ [интернет]. Режим доступа: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=475858.

2. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения (с Изменением № 1). Москва: Стандартинформ, 2015.

3. СП 385.1325800.2018. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения (с Изменениями № 1–4). Москва: Стандартинформ, 2018.

4. СП 296.1325800.2017. Здания и сооружения. Особые воздействия (с Изменениями № 1, 2). Москва: Стандартинформ, 2017.

5. Келасьев Н.Г., Трекин Н.Н., Кодыш Э.Н., Леонтьев Е.В., Терехов И.А., Шмаков С.Д. Конструктивные решения защиты одноэтажных каркасных зданий от прогрессирующего обрушения // <i>Промышленное и гражданское строительство</i>. 2021. № 3. С. 17–22. DOI: https://doi.org/10.33622/0869-7019.2021.03.17-22. EDN: HZUMIM.

6. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Келасьев Н.Г., Терехов И.А. Введение в проектирование технически сложных зданий и сооружений. Москва: Издательство АСВ, 2022. 294 с.

7. Trekin N.N., Kodysh E.N., Kelasiev N.G., Shmakov S.D., Terehov I.A., Chaganov A.B. The improvement of protection methods from the progressive collapse of one-storey industrial buildings. <i>Journal of Physics: Conference Series:</i> International Scientific Conference on Modelling and Methods of Structural Analysis 2019, MMSA 2019, Moscow, November 13–15, 2019. Vol. 1425. Moscow: Institute of Physics Publishing, 2020, p. 012050. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1425/1/012050. EDN: PULCCK.

8. Трекин Н.Н., Кодыш Э.Н., Шмаков С.Д., Чаганов А.Б., Черепанов А.В., Гончарук И.В. Деформирование железобетонных изгибаемых элементов в стадии разрушения // <i>Промышленное и гражданское строительство</i>. 2024. № 6. С. 33–39. DOI: https://doi.org/10.33622/0869-7019.2024.06.33-39. EDN: LRZBWW.

9. Trekin N.N., Kodysh E.N., Shmakov S.D., Terekhov I.A., Kudyakov K.L. Determination of the criteria of deformation in a special limiting state. <i>International Journal for Computational Civil and Structural Engineering</i>. 2021, vol. 17, no. 1, pp. 108–116. DOI: https://doi.org/10.22337/2587-9618-2021-17-1-108-116. EDN: EZKHRK.

10. Плотников А.И. Динамика упругопластичности железобетонных балок при действии интенсивных кратковременных нагрузок аварийного характера [диссертация]. Москва, 1994. 375 с.

11. Гуща Ю.П. Исследование изгибаемых железобетонных элементов при работе стержневой арматуры в упругопластической стадии [диссертация]. Москва, 1967. 142 с.

12. Тамов М.А. Исследование железобетонных изгибаемых конструкций, армированных сталями повышенной прочности, при кратковременном динамическом нагружении [диссертация]. Москва, 1981. 150 с.

13. Зенин С.А. Экспериментальные исследования прочности изгибаемых железобетонных элементов с обжимными муфтовыми соединениями арматуры // <i>Бетон и железобетон</i>. 2024. № 3 (622). С. 5–12. DOI: https://doi.org/10.37538/0005-9889-2024-3(622)-5-12. EDN: AICXBU.

14. Белостоцкий А.М., Карпенко Н.И., Акимов П.А., Сидоров В.Н., Карпенко С.Н., Петров А.Н., Кайтуков Т.Б., Харитонов В.А. О методах расчета напряженно-деформированного состояния и на устойчивость к прогрессирующему обрушению пространственных плитнооболочечных железобетонных конструкций с учетом физической нелинейности, трещинообразования и приобретаемой анизотропии // <i>Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций</i>. 2018. № 2 (14). С. 30–47. DOI: https://doi.org/10.22337/2587-9618-2018-14-2-30-47. EDN: XWXBWP.

15. Колчунов В.И., Бушова О.Б. Деформирование железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий в запредельных состояниях при особых воздействиях // <i>Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2022. № 4 (18). С. 297–306. DOI: https://doi.org/10.22363/1815-5235-2022-18-4-297-306.

16. Савин С.Ю., Федорова Н.В., Колчунов В.И. Устойчивость железобетонных каркасов зданий в запредельных состояниях // <i>Academia. Архитектура и строительство</i>. 2023. № 4. С. 127–137. DOI: https://doi.org/10.22337/2077-9038-4-127-137. EDN: DCUCJI.

17. Травуш В.И., Колчунов В.И., Клюева Н.В. Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений // <i>Промышленное и гражданское строительство</i>. 2015. № 3. С. 4–11. EDN: TOBVVD.

18. Травуш В.И., Федорова Н.В. Живучесть конструктивных систем сооружений при особых воздействиях // <i>Инженерно-строительный журнал</i>. 2018. № 5. С. 73–80. DOI: https://doi.org/10.18720/MCE.81.8.

19. Зенин С.А. К вопросу расчета железобетонных конструкций на действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил по СП 63.13330.2018 // <i>Бетон и железобетон</i>. 2023. № 2 (616). С. 50–55. DOI: https://doi.org/10.37538/0005-9889-2023-2(616)-50-55. EDN: CCTIYB.

20. Трекин Н.Н., Авдеев К.В., Кодыш В.Э., Шмаков С.Д., Черепанов А.В., Тучин М.А., Чаганов А.Б. Разработка датчика для определения напряжений внутри железобетонных конструкций. Часть 2 // <i>Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений</i>. 2023. № 5. С. 40–52. DOI: https://doi.org/10.37153/2618-9283-2023-5-40-52. EDN: IUBQUV.

21. Трекин Н.Н., Авдеев К.В., Кодыш В.Э., Шмаков С.Д., Черепанов А.В., Тучин М.А., Чаганов А.Б. Разработка датчика для определения напряжений внутри железобетонных конструкций. Часть 1 // <i>Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений</i>. 2023. № 4. С. 45–58. DOI: https://doi.org/10.37153/2618-9283-2023-4-45-58. EDN: IQQVOW.