Численное моделирование напряженно-деформированного состояния преднапряженной физически нелинейной железобетонной оболочки

Цель. Данная работа посвящена количественной оценке влияния внутреннего преднапряжения арматуры на напряженно-деформированное состояние и несущую способность толстостенной цилиндрической оболочки.
Метод. Исследование выполняется путем вычислительного эксперимента с использованием метода конечных элементов в осесимметричной постановке. Физическая нелинейность бетона описывается диаграммой Сарджина, параметры которой верифицированы по данным Еврокода 2.
Результат. Разработан итерационный алгоритм, основанный на методе переменных параметров упругости, для корректировки секущего модуля деформаций бетона. Арматура моделируется дискретно, а эффект преднапряжения задается в виде начальных напряжений в арматурных элементах. В результате моделирования установлено, что для цилиндра из бетона класса В40 с процентом армирования 3,11 % разрушение при действии внутреннего давления носит деформационный характер и связано с достижением предельных растягивающих деформаций в бетоне, а не с исчерпанием прочности на сжатие. Предельное внутреннее давление для ненапряженной конструкции составляет 0,55 МПа. Определен порог преднапряжения арматуры в окружном направлении 265 МПа, превышение которого вызывает недопустимые растягивающие напряжения в бетоне еще до этапа эксплуатации. Показано, что оптимальный уровень преднапряжения окружной арматуры 250 МПа позволяет увеличить предельное внутреннее давление вдвое — до 1,1 МПа.
Вывод. Разработанная численная модель и алгоритм расчета позволяют прогнозировать поведение железобетонных конструкций с учетом реальных свойств материалов и технологических факторов. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность преднапряжения для толстостенных цилиндров и указывают на необходимость контроля не только прочностных, но и деформационных критериев разрушения бетона.

1. Ломакин, В.А. Теория упругости неоднородных тел. — М.: Изд-во МГУ, 1967. — 367 с.

2. СП 27.13330.2011. СНиП 2.03.04-81. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур // Министерство регионального развития Российской Федерации. — 2011.

3. Байков, В.Н. Общий случай расчёта прочности элементов по нормальным сечениям / В.Н. Байков, М.И. Додонов, Б.С. Расторгуев и др. // Бетон и железобетон. — 1987. — № 5. — С. 16-18.

4. Карпенко, Н.И. К построению методики расчёта стержневых элементов на основе диаграмм деформирования материалов /Н.И. Карпенко, Т.А. Мухамедиев, М.А. Сапожников// В кн.: Совершенствование методов расчёта статически неопределимых железобетонных конструкций. — 1987. — № 1. — С. 4-24.

5. Зоалкфл, Д.А. Определение температурных напряжений при возведении монолитных толстостенных цилиндрических оболочек /Д.А. Зоалкфл, В.С. Тюрина, А.С. Чепурненко// Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. — 2024. — Т. 3. — № 2. — С. 50-58. — DOI: 10.23947/2949-1835-2024-3-2-50-58.

6. Kondratieva, T.N. Predicting the strength of eccentrically compressed short circular concrete filled steel tube columns/T.N. Kondratieva, A.S. Chepurnenko, B.M. Yazyev. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. — 2025. — Т. 21. — № 3. — С. 231-241. — DOI: 10.22363/1815-5235-2025- 21-3-231-241.

7. Андреев, В.И. Некоторые задачи и методы механики неоднородных тел: монография / В.И. Андреев. — М.: Издательство АСВ, 2002. — 288 с.

8. Гениев, Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона / Г.А. Гениев, В.Н. Киссюк, Г.А. Тюпин. — М.: Стройиздат, 1974. — 316 с.

9. Андреев, В.И. Упругое и упруго-пластическое равновесие толстостенных цилиндрических и сферических непрерывно-неоднородных тел: Спец. 01.02.03 — Строительная механика: Дисс. … д-ра. техн. наук. — М., 1985. — 427 с.

10. Андреев, В.И. О равнопрочных и равнонапряжённых конструкциях / В.И. Андреев, И.А. Потехин // Сб. тр. Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. — 2007. — № 1. — С. 84-90.

11. Боровских, А.В. Теория силового сопротивления сжатых железобетонных конструкций / А.В. Боровских, В.Г. Назаренко. — М.: Отдел информационно-издательской деятельности РААСН, 2000. — 112 с.

12. Расторгуев Б.С. Упрощённая методика получения диаграмм деформирования стержневых элементов в стадии с трещинами. Бетон и железобетон. — 1993. — № 3. — С. 16-19.

13. СП 63.13330.2018. СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения // Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации. — 2019.

14. EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures. — Brussels: CEN, 2004. — 225 p.

15. Litvinov, S.V. Study of the concordance between various concrete deformation models and experimental data for uniaxial compression cases / S.V. Litvinov, B.M. Yazyev, V.V. Kuznetsov, N.V. Belyugin, A.A. Avakov // Construction Materials and Products. — 2024. — № 7 (5). — С. 6..— DOI: 10.58224/2618-7183-2024-7-5-6.

16. ТКП TN 1992-1-1-2009 (02250). Еврокод 2: Проектирование железобетонных конструкций // Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий. — Минск, 2010.

17. Александров, А.В. Основы теории упругости и пластичности: Учебное пособие / А.В. Александров, В.Д. Потапов. — М.: Высш. шк., 1990. — 400 с.

18. Смолов, А.В. Напряжённо-деформированное состояние неоднородных упругих цилиндров под действием силовых и температурных нагрузок: Спец. 01.02.03 — Строительная механика: Дисс. … канд. техн. наук. — М., 1987. — 184 с.

19. Стренг, Д. Теория метода конечных элементов / Г. Стренг, Д. Фикс. — М.: Мир, 1977. — 349 с.

20. Ершов, В.И. Действие распределённой нагрузки на нелинейно-деформируемое полупространство / В.И. Ершов // Изв. вузов. Сер. строительство. — 1994. — № 1. — С. 25-29.

21. Колчунов, В.И. Физическая суть сопротивления бетона и железобетона от дислокаций до трещин / В.И. Колчунов // Строительство и реконструкция. — 2022. — № 4 (102). — С. 15-33.

22. Муханов, А.В. Оптимизация строительных конструкций на основе численного и аналитического решения задач механики неоднородных тел: Спец. 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения, 05.13.17 — Строительная механика: Дисс. … канд. техн. наук. — Ростов-н/Д, 2013. — 121 с.

23. Карпенко, Н.И. Общие модели механики железобетона. — М.: Стройиздат, 1996. — 416 с.

24. Литвинов, С.В. Нелинейная ползучесть неоднородных многослойных цилиндров и сфер: Спец. 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела: Дисс. … канд. техн. наук. — М., 2010. — 200 с.