Критерии деформирования и разрушения железобетонных элементов. Общие модели деформирования бетона

Развитие современных вычислительных программ по расчету и моделированию напряженно-деформиро­ванного состояния как отдельных конструкций, так и зданий и сооружений в целом из железобетона немыс­лимо без использования общих моделей деформиро­вания и разрушения бетонных и железобетонных эле­ментов при различных напряженных состояниях, хотя модели начали разрабатываться задолго до развития компьютерных методов. Фактически, общие критерии и модели - это основной раздел компьютерных мето­дов, в которых учитываются реальные физико-механи­ческие и реологические свойства строительных мате­риалов (в данном случае бетона и железобетона), и их влияние на характер работы конструкций под на­грузкой.

Однако в вопросах построения современных (в последние 10-15 лет) отечественных промышленных вычислительных программ для расчета железобетон­ных конструкций наблюдаются серьезные негативные Тенденции. Речь идет о полном или частичном игнори­ровании факторов нелинейности и трещинообразования бетона и железобетона на уровне закладываемых связей между напряжениями и деформациями {физи­ческих соотношений), что приводит к искажению ре­альной картины деформирования конструкций, а в ито­ге - к понижению надежности конструктивных решений в одних случаях и неоправданному перерасходу ма­териалов в других.

Причина "засилья" линейных методов в основном кроется в ограниченных финансовых возможностях разработчиков {программы линейных расчетов намно­го проще нелинейных). Сточки зрения готовности не­линейных моделей к внедрению их в программы и про­граммные комплексы, особых препятствий нет. Пожа­луй, можно указать лишь на программный комплекс Лира-Windows, разработчики которого наметили и ин­тенсивно осуществляют программу по учету физичес­кой нелинейности при расчете пластин и оболочек.

Коротко остановимся на разработках НИИЖБ по этой проблеме (традиционно в последние 20 лет общие модели деформирования бетона и железобетона и кри­терии оценки прочности разрабатывались в лаборато­рии механики железобетона НИИЖБ). В основном об­ратим внимание на физические предпосылки, опреде­ляющие качество моделей. К общим моделям и крите­риям относим таковые для бетонных и железобетон­ных элементов в общем случае объемного напряжен­ного состояния {естественно, из них следуют и все ча­стные случаи напряженных состояний).

Критерии прочности бетонов

Начало исследованиям общих критериев прочнос­ти в НИИЖБ {точнее, в бывшем ЦНИПС) было положе­но работами А.А. Гвоздева которые нашли обобщение в [2]. Основные выводы этих исследований сводились к следующему;

-  напряженное состояние оказывает значительное влияние на прочность элементов;

- классические теории прочности, включая теорию Мора, к бетону (без значительных модификаций) не применимы;

-  следует учитывать влияние среднего напряже­ния σ₂ на прочность, а также влияние эффекта дилатации;

-  преобладающим является отрывной механизм разрушения.

Законченного критерия прочности А.А. Гвоздевым не было предложено, однако указанные выводы несом­ненно повлияли на процесс построения общих критеиев прочности в нашей стране. Физическая сторона проблемы в дальнейшем получила развитие в работах О.Я. Берга.

К важной вехе развития критериев прочности мож­но отнести разработку экспериментального оборудова­ния, экспериментальных методик и проведение в тече­ние - 20 лет (1970 -1990 гг.) значительных эксперимен­тальных исследований в НИИЖБ над бетонными эле­ментами при различных объемных и плоских напряжен­ных состояниях. Работы проводились А.В. Яшиным и его многими аспирантами под руководством А.А. Гвоз­дева. Среди других значимых экспериментальных центров того времени следует выделить центр под ру­ководством О.Я. Берга, позже Е.Н. Щербакова (ЦНИИС Минтрансстроя) и центр Ю.Н. Малашнина -И.М. Безгодова (МИСИ). Результаты этих эксперимен­тальных исследований (к сожалению, в настоящее вре­мя полностью прекратившиеся) позволили значитель­но уточнить теоретические построения критериев проч­ности и приблизить их к адекватному описанию экспе­риментальных данных. Среди теоретических построе­ний сотрудников НИИЖБ следует выделить построе­ния А.В. Яшина, Е.С. Лейтеса, хотя их применимость ограничивается плотными бетонами. Более общий критерий прочности, относящийся к различным бето­нам (плотным и пористым), разработанН.И. Карпенко (рис. 7.1). Среди работ сотрудниковдругих институтовпопостроениюкритериев прочности можно указать на пионерные работыГА. Гениева

Рис.7.1. Схемы современных поверхностей прочности

                   а, в, г — для плотных бетонов; б — для пористых бетонов

и В.Н. Киссюка (ЦНИИСК), работы Л.К. Лукши (ПИ, Минск), В.М. Круглова (МИИТ), М.Б. Лившица (НИИЖТ), Т.А- Балана (ПИ, Кишинев), А.Б. Пирадова (ПИ, Тбилиси) и др.

Большинство современных предложений сводятся к построению феноменологических критериев в виде функциональных зависимостей между первым (I₁) инвариантом тензора напряжений, вторым (D₂) и третьим (D₃) инвариантом девиатора напряжений и характерис­тиками (константами) материала rjв виде