Длительные нагрузки сделали бетон более прочным

Прочность бетона увеличивается на 7–10% при долговременных статических нагрузках и на 20–32% — при динамических, однако при этом материал становится более жестким и хрупким, то есть меньше деформируется перед тем, как разрушиться. К такому выводу пришли ученые, подвергнув бетон разных классов прочности динамическим нагрузкам после 180 дней длительного статического нагружения. Этот эксперимент имитировал условия эксплуатации железобетонных конструкций в реальных зданиях, где нагрузки действуют годами. На основе полученных данных авторы разработали математическую модель, которая позволит проектировать более устойчивые здания и сооружения, способные выдерживать аварийные воздействия, например, связанные с внезапным разрушением одной из несущих конструкций. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Structures.

Железобетонные конструкции в ходе эксплуатации подвергаются постоянной (статической) нагрузке, а в случае аварийных ситуаций, например, при внезапном разрушении колонны или перекрытия, — высокоинтенсивному динамическому воздействию. Такие события могут привести к обрушению здания, поэтому важно понимать, как бетон ведет себя при комбинированных статико-динамических нагрузках.

Исследователи из Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (Москва) провели серию экспериментов на бетонных образцах разных классов прочности, широко используемых в массовом строительстве. Бетоны в течение 180 дней подвергали предварительной длительной статической нагрузке, которая составляла примерно 60% от ожидаемого предела прочности — максимальной нагрузки, которая может действовать на материал в условиях нормальной эксплуатации конструкций.

В этих испытаниях авторы определяли, как в бетоне со временем при постоянной нагрузке появляются и растут деформации, а также как происходит усадка материала — уменьшение размеров и объема бетона из-за испарения влаги и сопутствующих физико-химических процессов для каждой серии образцов. После этого исследователи доводили образцы до разрушения при различных скоростях нагружения.

Результаты показали, что длительная нагрузка положительно влияет на прочность бетона как при статических, так при динамических испытаниях. Прочность образцов, которые подвергали длительной нагрузке, увеличилась на 7–10% при статических испытаниях и на 20–32% — при динамических. Это происходит потому, что силы, которые возникают в материале под воздействием внешней нагрузки или других факторов (например, усадки или изменения температуры) перераспределяются более равномерно внутри бетона. А в зонах контакта между компонентами бетона (основными материалами, из которых он состоит) силы становятся меньше.

На основе экспериментальных данных исследователи предложили нелинейную вязкоупругую модель, в которой учли как долговременные деформации бетона (ползучесть и усадку), так и его реакцию на динамические нагрузки, такие как вибрации и удары. На первом этапе с помощью модели можно рассчитать деформации бетона под действием статической нагрузки с учетом изменения свойств материала из-за «старения». На втором этапе расчетов оценивают динамическое поведение бетона. В этом случае учитывают, что материал уже подвергался долговременной нагрузке и будет вести себя иначе по сравнению с новым. Так, если бетон долго подвергается нагрузке, его прочность увеличивается, потому что внутренняя структура становится плотнее. Но из-за этого он хуже выдерживает деформации (изменение формы) при внезапных нагрузках — становится более хрупким и легче трескается.

Предложенная модель позволяет прогнозировать, как бетон будет вести себя при аварийных ситуациях, таких как внезапное разрушение несущих элементов здания. Это особенно важно, чтобы корректно оценить устойчивость конструкций к прогрессирующему обрушению — случаю, когда повреждение какой-либо малой части сооружения ведет к частичному или полному его разрушению.

Полученные результаты будут полезны при проектировании зданий и сооружений с учетом требований защиты от прогрессирующего обрушения.

«В будущем мы планируем применить предложенную модель для анализа устойчивости железобетонных конструкций с учетом их эксплуатационного режима и срока службы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Савин, кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций Национального исследовательского Московского государственного строительного университета.