Деформативные характеристики нагруженного бетона при нестационарном нагреве

Теория накопления повреждений в бетоне как неоднородно-хрупком материале применительно к условиям высокотемпературного резкорежимного нагрева дополнена предпосылкой об инвариантности предельных структурных напряжений, позволяющей представить развитие нелинейного компонента деформации и снижение прочности как единый процесс. Характеристикой этого процесса является коэффициент упругости (коэффициент секущего модуля) бетона, приобретающий в рассматриваемой постановке характер энтропийного параметра повреждённости материала. Следствия данной предпосылки сформулированы в виде базовых термомеханических соотношений, благодаря которым появляется возможность представить реакцию бетона на действие температуры и нагрузки как результат действия двух деградационных механизмов: испарения влаги из геля цементного камня и разрушения структурных связей с ростом температуры, которые реализуются соответственно в виде линейного и нелинейного компонентов силовой деформации.

Предложена методика нормализации (представления в относительном к начальному значению виде) кривых развития силовых деформаций бетона, которая позволяет обоснованно разделить эти компоненты при анализе кривых деформирования и найти необходимые для их описания температурные параметры в условиях нагрева в нагруженном состоянии. Выявлено, что при той же нагрузке и температуре повышение деформативности при нагреве бетона в нагруженном состоянии по сравнению с нагружением после нагрева происходит за счёт увеличения линейного компонента при сохранении его доли в составе полной деформации, характеризуемой коэффициентом упругости, постоянной. Показано, что допущения, принятые в существующих моделях деформирования нагруженного бетона при нестационарном нагреве, являются частными решениями и определены условия, при которых их применение становимся возможным.

1. Torelli G., Mandal P., Gillie M., Tran V.-X. Concrete Strains under Transient Thermal Conditions: A State-of-the-Art Review // Engineering Structures. 2016. Vol. 127. Pp. 172-188. doi: 10.1016/j.engstruct.2016.08.021

2. Anderberg Y., Thelandersson S. Stress and Deformation Characteristics of Concrete: Part 2 - Experimental Investigation and Material Behavior Model. Bulletin 54. Lund Institute of Technology, Sweden. 1976. 85 p.

3. Schneider U. Ein Beitrag zur Frage des Kriechans und der Relaxation von Beton unter hohen Temperaturen. Habilitationsschrift. Heft 42. Technischen Universität Braunschweig. 1979. 180 p.

4. Schneider U. Concrete at High Temperatures – a General Review // Fire Safety Journal. 1988. No. 13. Pp. 55-68.

5. Khoury G.A., Grainger B.N., Sullivan P.J.E. Transient Thermal Strain of Concrete: Literature Review, Conditions Within Specimen and Behaviour of Individual Constituents // Magazine of Concrete Research. 1985. Vol. 37. No. 132. Pp. 131-144.

6. Khoury G.A., Grainger B.N., Sullivan P.J.E. Strain of Concrete During First Heating to 600 C

7. Diederichs U. Modelle zur Beschreibung der Betonverformung bei Instantionaren Temperature. Abschlubkolloquium Bauwerke unter Brand Einwirkung. Braunschweig. 1987. Pp. 25-34.

8. Terro M.J. Numerical Modeling of the Behaviour of Concrete Structures in Fire // ACI Structural Journal. 1998. Vol. 95. No. 2. Pp. 183-193.

9. Popovics S. A Numerical Approach to the Complete Stress-Strain Curve of Concrete // Cement and Concrete Research. 1973. No. 3. Pp. 583-599. doi: 10.1016/0008-8846(73)90096-3

10. Franssen J.-M. Plastic Analysis of Concrete Structures Subjected to Fire / Proceedings of the Workshop Fire Design of Concrete Structures: Whatnow? What next? Milano. 2005. Pp.133-145.

11. Gernay T., Franssen J.-M. A Formulation of the Eurocode 2 Concrete Model at Elevated Temperature that Includes an Explicit Term for Transient Creep // Fire Safety Journal. 2012. Vol. 51. Pp. 1-9. doi: 10.1016/j.firesaf.2012.02.001

12. Fan K., Li J., Yu M., Wu M., Yao Y. Compressive Stress-Strain Relationship for Stressed Concrete at High Temperatures // Fire Safety Journal. 2022. Vol. 130. 103576. doi: 10.1016/j.firesaf.2022.103576.

13. Law A., Gillie M. Load Induced Thermal Strain: Implications for Structural Behavior // Proceedings of the Fifth International Conference «Structures in Fire» (SiF-2008). Singapore. 2008. Pp. 488-496.

14. Alogla S.M., Kodur V.K.R. Quantifying Transient Creep Effects on Fire Response of Reinforced Concrete Columns // Engineering Structures. 2018. Vol. 174. Pp. 885-895. doi: 10.1016/j.engstruct.2018.07.093

15. Li S., Liew J.Y.R., Xiong M.-X. An Improved Implicit Analysis Method to Model Transient Strain of High-Strength Concrete During Unloading at Elevated Temperatures // The 11th International Conference on Structures in Fire (SiF-2020). Australia, Brisbane. 2020. Pp. 611-621. doi: 10.14264/147edd8

16. Le Q.X., Torero J.L., Dao V.T.N. Stress-strain-temperature Relationship for Concrete // Fire Safety Journal. 2021. Vol. 120. 103126. doi: 10.1016/j.firesaf.2020.103126

17. Mindeguia J.-C., Hager I., Pimienta P. et al. Parametrical Study of Transient Thermal Strain of Ordinary and High Performance Concrete // Cement and Concrete Research. 2013. Vol. 48. Pp. 40-52. doi: 10.1016/j.cemconres.2013.02.004

18. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1962. 96 с.

19. Мурашев В.И. Трещиноустойчивость, жесткость и прочность железобетона (теория сопротивления железобетона). М.: Машстройиздат, 1950. 268 с.

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

21. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 311 с.

22. Бондаренко В.М., Карпенко Н.И. Уровень напряжённого состояния как фактор структурных изменений и реологического силового сопротивления бетона // Academia. Архитектура и строительство. 2007. № 4. С. 56-59.

23. Fedorov V.S., Levitsky V.E., Isaeva E.A. Basic Principles in the Theory of Force and Thermal Force Resistance of Concrete // Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022. Т. 18. № 6. С. 584-596.

24. Карпенко Н.И., Моисеенко Г.А. Развитие диаграммного метода расчета конструкций из сталефибробетона на основе методики построения диаграмм-изохрон // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2023. №6 (1066). С. 20-23.

25. Buttignol T. A Load Induced Thermal Strain (LITS) Semi-Empirical Model for Plain and Steel Fiber Reinforced Concrete Subjected to Uniaxial Compressive Load // Cement and Concrete Research. 2019. Vol. 127. 105896. doi: 10.1016/j.cemconres.2019.105896.

26. Buttignol T., Bitencourt J.L. A Transient Creep Investigation Applied to the Mesoscopic Analysis of Plain Concrete under Uniaxial Compression at High Temperature // Fire Safety Journal. 2021. Vol. 126. 103484. doi: 10.1016/j.firesaf.2021.103484.

27. Alogla S., Kodur V. Temperature-Induced Transient Creep Strain in Fiber-Reinforced Concrete // Cement and Concrete Composites. 2020. Vol. 113. 103719. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2020.103719.

28. Fan K., Li J., He Z., Liu Q., Yao Y. Transient creep strain of fly ash concrete at elevated temperatures // Magazine of Concrete Research. 2022. Vol. 74. doi: 10.1680/jmacr.21.00267.