Влияние динамических нагрузок на бетон



В статье автор анализирует существующие методики и исследования, направленные на изучение влияния динамических нагрузок на бетон конструкций.

Ключевые слова: бетон, железобетон, динамические нагрузки, напряжения, колебания.

В настоящее время в промышленном строительстве предприятий оборонного комплекса, крупных металлургических предприятий, горно-обогатительных фабрик, предприятий по производству строительных материалов, наиболее распространены железобетонные конструкции. Эти конструкции постоянно подвергаются динамическим нагрузкам, а также в процессе эксплуатации получают значительные повреждения, связанные с теми или иными факторами, воздействующими на них. И если всё технологическое оборудование рассчитывается на определенное количество циклов производства и имеют определённый ресурс, то учёт влияния данных сложных производственных циклов на железобетонные конструкции до конца не изучен и изучается по сей день.

Перечень железобетонных конструкций, которые подвергаются воздействию различных динамических нагрузок крайне обширен. Так, конструкции мостов, шпалы, подкрановые балки испытывают динамическое воздействие от подвижных нагрузок, фундаменты под машины — воздействие импульсных или гармонических нагрузок, сваи при забивке подвергаются воздействию ударных нагрузок. Долговечность и надежность таких конструкций зависят в том числе и от того насколько правильно при проектировании учитываются особенности поведения бетона при динамическом нагружении.

Рис. 1. Железобетонные конструкции на металлургическом предприятии

Бетон в конструкциях может испытывать как однократное (врыв, удар), так и многократное динамическое нагружение (мостовые краны, поезда, воздействие машин с вращающимися и кривошатунными механизмами).

Однократное динамическое воздействием разделяют на:

— нагружение общего характера (напряжения в бетоне возрастают до максимальных значений за 0,001–1 сек);

— нагружение местного характера, как правило ударное (напряжения распределяются неравномерно при этом, время нагружения не превышают 0,01 сек);

— взрывное (данный вид воздействия отличается крайне высокой скоростью нагружения и вызывает местные перегрузки и разрушение бетона).

Многократное нагружение разделяют на нагружения с симметричным и несимметричным циклами. В первом случае, в бетоне возникают напряжения только одного знака (сжатие/растяжение), во втором случае, динамическая нагрузка изменяется во времени и вызывает в бетоне напряжения разных знаков. Многократное нагружение с несимметричным циклом наиболее часто встречается в практике проектирования с изменением нагрузки по синусоидальному закону.

Рис. 2. Железобетонные конструкции галере на предприятии по производству цемента

Динамические свойства бетона при различных режимах нагружения определяют при помощи специальных установок и аппаратуры. Для исследований при однократном нагружении используют копры, пневмодинамические установки, пороховые и пружинные устройства, а при многократном воздействии прибегают к использованию специальных механических, электрических и гидравлических машин.

Поведение бетона при динамическом воздействии может происходить по различным сценариям. Конструкция может разрушиться как при возрастании динамической нагрузки, так и при ее спаде. В то же время, если нагрузка кратковременна (доли секунды), то при превышении статической разрушающей нагрузки испытываемый образец не разрушится.

Главным критерием, определяющим поведение бетона при динамическом нагружении, служит коэффициент динамического упрочнения, который представляет собой отношение прочности бетона при динамическом нагружении к его статической прочности. При оценке сопротивляемости бетона нельзя не учитывать, что в процессе многократного динамического нагружения бетон обычно разрушается при более низких напряжениях, чем при стандартных испытаниях. За критерий, определяющий поведение бетона в этом случае, как правило принимают предельные напряжения, которые способен выдержать бетон при 1–2 млн циклов, называемый пределом выносливости.

Данные показатели сильно зависят от скорости нагружения. В своей монографии Васильев П. И. [5] отмечает, что закономерности этого влияния изучены недостаточно, а результаты различных исследований значительно расходятся, а иногда противоречат друг другу. В ряде случаев это объясняется влиянием методики испытаний, так как не всегда удается обеспечить нагружение образца с абсолютно равномерной скоростью, а в других — влиянием исходного состава, технологии изготовления, возраста и условий твердения бетона. В большинстве опубликованных работ эти вопросы при оценке результатов испытаний как правило в комплексе не рассматриваются.

Наибольший практический интерес представляют данные по влиянию скорости деформации на призменную прочность, предельные деформации укорочения и модуль упругости бетона, поскольку указанные характеристики прямо или косвенно учитываются при динамическом расчете железобетонных конструкций.

В своей статье В. А. Рахманов и В. Е. Розовский [6] приводят результаты исследования влияния скорости сжатия на свойства наиболее широко применяющегося тяжелого бетона средней прочности. Исследования проводили на образцах размером 70х70х280 мм. Скорость деформирования бетона Vs в опытах изменяли в среднем от 0,01 мм/с (статическая)до 100 мм/с.

Авторами был сделан вывод о то, что относительное изменение сопротивления и деформаций при динамическом осевом сжатии (по сравнению со статическим) традиционного тяжелого бетона средней прочности при отсутствии волновых и инерционных эффектов существенно зависит от скорости деформации. Повышение динамических деформаций бетона происходит за счет увеличения упругих и неупругих его деформаций. При этом скорость воздействия не влияет существенно на соотношение упругих и пластических свойств бетона.

Известно, что размеры образцов могут заметно влиять на результаты испытаний. В своей книге М. Ю. Баженов [7] приводит результаты испытаний, согласно которым переходные коэффициенты от предела прочности при сжатии образцов высотой 5 см к образцам высотой 10 см при статическом и динамическом нагружениях приблизительно равны, а значит динамическую прочность бетона при сжатии можно определять по его статической призменной прочности с учетом коэффициента динамического упрочнения.

Изменение свойств бетона в зависимости от времени и скорости нагружения определяется структурой материала и зависит от следующих технологических факторов:

— свойств применяемых материалов;

— особенностей структуры бетона (распределение и количество отдельных составляющих, наличие и характер дефектов);

— содержание и распределение жидкой фазы.

Влияние различных технологических факторов на статическую и динамическую прочность различно. Известно, что статическая прочность сильно зависит от качества цементного камня, в то время как при динамическом нагружении повышение прочностных свойств материала в 2 раза приводит к увеличению коэффициента динамического упрочнения всего на 15 %. При этом на коэффициент динамического упрочнения большее влияние оказывают факторы, незначительные для статических нагружений, например, неоднородность макростуктуры и наличие дефектов. В таблице 1 приведена оценка влияния различных технологических и эксплуатационных факторов на сопротивление бетона динамическому воздействию произведенная Шубекиным П. Ф. [8].

Таблица 1

Влияние различных факторов на динамическую прочность бетона

Характеристика	Влияние на коэффициент динамического упрочнения
Качество цемента	Пластифицированные цементы и цементы с микронаполнителем повышают коэффициент динамического упрочнения
Качество заполнителя	Заполнители, с повышенным сцеплением с цементным камнем (например, известковые) повышают коэффициент динамического упрочнения
Марка бетона	Повышение марки бетона может понизить коэффициент динамического упрочнения
Возраст бетона	С увеличением возраста бетона коэффициент динамического упрочнения понижается
Влажность бетона	Повышение влажности бетона увеличивает коэффициент динамического упрочнения
Условия твердения	При пропаривании бетона коэффициент динамического упрочнения может снизиться

В своей статье Корнилович Ю.Е [9] приводит результаты динамических испытаний бетона в зависимости от циклов попеременного замораживания/оттаивания. Образы в возрасте 45 суток подвергали испытаниям на замораживание/оттаивание и в возрасте 7 месяцев, после 85 циклов они были испытаны при статическом и динамическом нагружениях. Опыты показали, что данный вид воздействия крайне сильно сказывается на динамической прочности бетона. В целом наблюдалось снижение коэффициента динамического упрочнения относительно установленных для обычных бетонных образцов, а в ряде случаев, динамическая прочность оказалась вовсе ниже статической. Авторы связывают столь существенное влияние данного фактора с нарушением структуры бетона, особенно в контактной зоне и последующим образованием характерных дефектов и утверждают об необходимости учета данного фактора в расчетах конструкций и сооружений.

Д. С. Попов в своей диссертации [10] в рамках своего экспериментального исследования выявляет снижение коэффициента динамического упрочнения до 30 % при появлении коррозионных повреждений в железобетонных конструкциях.

На основании анализа существующей изученной литературы делаются следующие заключения:

1. Поведение железобетонных конструкций при восприятии динамических нагрузок существенно отличается от поведения железобетонных конструкций при статических нагрузках.
2. При расчете конструкций на восприятие динамических нагрузок необходимо учитывать коэффициент динамического упрочнения бетона.
3. Коэффициент динамического упрочнения бетона определяется опытным путем, при этом отсутствует нормативная база по стандартизации определения данного показателя.
4. Коэффициент динамического упрочнения существенно изменяется в зависимости от технологии выполнения строительно-монтажных работ и от порядка ухода за бетоном.
5. Методика определения коэффициента динамического упрочнения для существующих и ранее эксплуатируемых конструкций не стандартизирована, с учетом глобального влияния коэффициента упрочнения на эксплуатационные параметры можно получить как недостаточную, так и завышенную несущую способность конструкций.

Литература:

1. СП 63.133330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции»
2. СП 430.1325800.2018 «Монолитные конструктивные системы. Правила проектирования».
3. ГОСТ Р 54257–2010 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования»
4. СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции»
5. Васильев П. И. Связь между напряжениями и деформациями в бетоне с учетом влияния времени. Труды ВНИИГ им. Веденеева, и.45 М.-Л., 1951.
6. В. А. Рахманов, Е. Л. Розовский, кандидаты технических наук, И. А. Цупков, инженер. (ВНИИ железобетон) «Влияние динамического воздействия на прочностные и деформативные свойства тяжелого бетона» Бетон и железобетон, 1987.
7. Баженов Ю. М. «Бетон при динамическом загружении». — М.: Стройиздат, 1970. — 272 с.
8. Шубекин П. Ф., Баженов Ю. М. Исследование динамической прочности и ползучести мелкозернистых бетонов. Вестик ВИА, № 175, 1961 г.
9. Корнилович Ю. Е. Исследование прочности бетонов и растворов. Госстройиздат УССР, 1960.
10. Попов Д. С. «Силовое сопротивление корозионно-поврежденных сжатых железобетонных элементов при динамическом загружении». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2020 г. 179 с.