Энергетические аспекты малоцикловой усталости обычных и фиброармированных бетонов

Усталость является одним из последствий структурной деградации цементосодержащих композитов при нестационарных внешних воздействиях различного происхождения. Одним из апробированных направлений повышения их усталостного сопротивления является модификация структуры мелкодисперсными волокнами материалов высокой прочности и растяжимости, физически совместимых с цементной матрицей. В статье анализируются статистически представительные экспериментальные данные по изменению демпфирующего потенциала обычного и фиброполипропиленармированного бетона при немногократных циклических воздействиях, уровень которых моделирует колебания напряжений в конструкциях при фоновых сейсмических воздействиях. Приведены результаты динамических испытаний призматических образцов с различными уровнями максимальных напряжений, находящихся в диапазоне R^o_crc…R^ν_crc, и нулевом коэффициенте асимметрии. Отклик конструкций рассматривается как колебательный процесс, кинетика которого оценивается по изменению энергии разрушения в стандартизированных условиях монотонного нагружения. Испытания проведены на универсальном испытательном комплексе Instron 5989 в жестком режиме циклического и последующего монотонного сжатия с постоянной скоростью деформирования 0,04 мм/с вплоть до разрушения. Использована оригинальная методика многофакторного автоматизированного контроля параметров, времени поэтапного сопротивления, энергии разрушения и других параметров на каждом цикле нагрузки и разгрузки. Приведена сравнительная оценка энергетического потенциала бетона и фибробетона и кинетика энергетических показателей на этапах циклических нагружений. Установлена высокая чувствительность композитов к циклическим воздействиям принятой интенсивности, подтвержденная ощутимым снижением энергии постциклического сжатия (разрушения). Доказана возможность и технико-экономическая целесообразность усиления усталостного сопротивления железобетонных элементов посредством введения мелкодисперсных полипропиленовых волокон.

1. Сорокин Е. С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. Москва : Издательство литературы по строительству, архитектуре и строительной механике, 1960. 253 с.

2. Сорокин Е. С. Метод учета неупругого сопротивления материалов при расчете конструкций на колебания // Исследования по динамике сооружений. Москва : Cтройиздат, 1951. С. 170–176.

3. Пановко Я. Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. Москва : Госиздат физико-математической литературы, 1960. 196 с.

4. Сейсмостойкое строительство зданий : учебное пособие для вузов / под ред. И. Л. Корчинского. Москва : Высшая школа, 1971. 320 с.

5. Chopra A. K. Dynamics of Structures, Theory and Applications to Earthquake Engineering. New Jersey : Prentice Hall, USA, 1995. 729 р.

6. Корчинский И. Л., Беченева Г. В. Прочность строительных материалов при динамических нагружениях. Москва : Стройиздат, 1966. 212 с.

7. Сейсмостойкое строительство зданий : учебное пособие для вузов / И. Л. Корчинский, Л. А. Бородин, А. Б. Гроссман [и др.] ; под ред. И. Л. Корчинского. Москва : Высшая школа, 1971. 319 с.

8. Созонов П. С., Пинус Б. И. Статистические закономерности изменения прочности железобетонных конструкций при циклических знакопеременных воздействиях // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2015. № 6. С. 33–36.

9. Zollo R. F. Collated Fibrillated Polypropylene Fibers in FRC // SP-81. Detroit : American Concrete Institute, 1984. Р. 397–409.

10. Ramakrishnan V., Gollapudi S., Zellers R. Performance Characteristics and Fatigue of Polypropylene Fiber Reinforced Concrete // SP-105. Detroit : American Concrete Institute, 1987. Р. 159–177.

11. Nagabhushanam M., Ramakrishnan V., Vondran G. Fatigue Strength of Fibrillated Polypropylene Fiber Reinforced Concrete // Transportation Research Record. 1989. No. 1226. P. 36–47.

12. Hannant D. J. Fibre Cements and Fibre Concretes. New York: John Wiley and Sons Ltd., 1978. 213 p.

13. Guirguis S., Potter R. J. Polypropylene Fibres in Concrete // Technical Report TR/F90 Cement and Concrete Association of Australia. 1985. 21 p.

14. Vondran G. L., Nagabhushanam M., Ramakrishnan V. Fatigue Strength of Polypropylene Fiber Reinforced Concretes // Fiber Reinforced Cements and Concretes: Recent Developments / edited by R. N. Swamy, B. Barr. London ; New York : Elsevier Applied Science, 1990. Р. 533–543.

15. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов: вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. Москва : АСВ, 2011. 639 с.

16. Рабинович Ф. Н. Моделирование структуры дисперсно армированных бетонов // Строительство и архитектура. Известия вузов. 1986. № 1. С. 22–29.

17. Cachim Paulo B., Figueiras Joaquim A., Pereira Paulo A. A. Fatigue model for steel fiber-reinforced concrete // Cement & Concrete Composites. 2002. No. 24. P. 211–217.

18. Banthia N. Fibre-Reinforced-Concrete // Seminar-Reports. 2013. No. 7. URL: http:/38871626-Banthia-Fibre-Reinforced-Concrete.pdf (123seminarsonly.com) (дата обращения: 28.06.2024).

19. Барашиков А. Я. Шевченко Б. Н., Валовой А. И. Малоцикловая усталость при сжатии // Бетон и железобетон. 1985. № 4. С. 27–28.

20. Кузовчикова Е. А., Яшин А. В. Исследование влияния малоцикловых сжимающих воздействий на деформативность, прочность и структурные изменения бетона // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1976. № 10. С. 30–35.

21. Pinus B. I., Kustov A. S. Low-cycle fatigue of concrete with alternating loads // Investments, Construction, Real Estate : New Technologies and Special-Purpose Development Priorities : Proceedings of conference, Irkutsk, Russian Federation, April 26–27, 2018. IOP Publishing Ltd, 2019. Р. 1–6. https://doi.org/10.1088/1757-899X/687/3/033014.

22. Ghosni N., Samali B., Vessalas K. Evaluation of structural behaviour of polypropylene fibre reinforced concrete beam under cyclic loading // 23rd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials : Proceedings of conference, Byron Bay, Australia, 9–12 December, 2014. Lismore, N. S.W : Southern Cross University, 2014. Vol. I. Р. 319–326.

23. Korneeva I. G., Pinus B. I. Energy aspects of low-cycle fatigue of fibropolypropylene concrete // International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety : Proceedings of conference, Sochi, Russia, September 6–12, 2020. IOP Publishing Ltd, 2020. Р. 1–5. DOI 10.1088/1757-899X/962/2/022020.