Исследование несущей способности коррозионно-повреждаемых сжатых железобетонных элементов при поперечном действии импульсной нагрузки

Введение. Определение несущей способности сжатых колонн при комбинированном воздействии (эксплуатационном статическом и поперечном динамическом загружении), в том числе при аварийных нагрузках с учетом фактического состояния в условиях воздействия различных коррозионных и других средовых воздействий, является актуальной, недостаточно изученной проблемой. Ее решение требует разработки аналитических методов, трудоемких конечно-элементных моделей (КЭМ), рассмотрения и учета значительного количества параметров конструкции и среды.

Материалы и методы. Решение задачи получено аналитическим методом. Для оценки его корректности разработана КЭМ в объемной постановке, выполнено сравнение полученных аналитических результатов с экспериментальными данными других авторов.

Результаты. Разработана инженерная методика приближенной оценки несущей способности центрально сжатых поврежденных коррозией железобетонных колонн при поперечной импульсной нагрузке, вызванной аварийными ситуациями. Проведено сравнение результатов расчета с результатами конечно-элементного моделирования и известных натурных экспериментов для конкретной схемы закрепления колонны. Предложена дискретно-временная модель учета коррозионных повреждений для объемных конечно-элементных схем, основанная на параболическом законе снижения механических характеристик бетона по глубине распространения коррозии.

Выводы. Установлено, что увеличение коррозионных повреждений бетона приводит к его хрупкому разрушению при аварийном воздействии, а увеличение глубины коррозионных повреждений при значительных сжимающих нагрузках ведет к местной потере устойчивости стержней арматуры в зоне действия поперечного импульса и существенному снижению сопротивляемости колонны прогрессирующему разрушению. Показана применимость предложенной инженерной методики к практическому использованию в интервале фактических эксплуатационных нагрузок.

1. Daneshvar K., Moradi M.J., Ahmadi K., Mahdavi G., Hariri-Ardebili M.A. Dynamic Behavior of Corroded RC Slabs with Macro-Level Stochastic Finite Element Simulations // Engineering Structures. 2021. Vol. 239. P. 112056. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112056

2. Yu X., Robuschi S., Fernandez I., Lundgren K. Numerical Assessment of Bond-Slip Relationships for Naturally Corroded Plain Reinforcement Bars in Concrete Beams // Engineering Structures. 2021. Vol. 239. P. 112309. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112309

3. Daneshvar K., Moradi M.J., Ahmadi K., Hajiloo H. Strengthening of Corroded Reinforced Concrete Slabs under Multi-Impact Loading: Experimental Results and Numerical Analysis // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 284. P. 122650. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122650

4. He S., Cao Z., Ma J., Zeng S., Li P., Wang H. Influence of Corrosion and Fatigue on the Bending Performances of Damaged Concrete Beams // Advances in Civil Engineering. 2021. Vol. 2021. Issue 1. DOI: 10.1155/2021/6693224

5. Fu C., Fang D., Ye H., Huang L., Wang J. Bond Degradation of Non-Uniformly Corroded Steel Rebars in Concrete // Engineering Structures. 2021. Vol. 226. P. 111392. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111392

6. Mari A., Bairan J.-M., Oller E., Duarte N. Modeling Serviceability Performance and Ultimate Capacity of Corroded Reinforced and Prestressed Concrete Structures // Structural Concrete. 2021. Vol. 23. Issue 1. Pp. 6–15. DOI: 10.1002/suco.202100159

7. Zhang W.-P., Chen J.-P., Yu Q.-Q., Gu X.-L. Corrosion Evolution of Steel Bars in RC Structures Based on Markov Chain Modeling // Structural Safety. 2021. Vol. 88. P. 102037. DOI: 10.1016/j.strusafe.2020.102037

8. Mahmoud K.A. Lateral Deformation Behavior of Eccentrically Loaded Slender RC Columns with Different Levels of Rotational End Restraint at Elevated Temperatures // Journal of Structural Fire Engineering. 2021. Vol. 12. Issue 1. Pp. 35–64. DOI: 10.1108/JSFE-04-2020-0014

9. Kashani M.M., Crewe A.J., Alexander N.A. Structural Capacity Assessment of Corroded RC Bridge Piers // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Bridge Engineering. 2017. Vol. 170. Issue 1. Pp. 28–41. DOI: 10.1680/jbren.15.00023

10. Yilmaz T., Kiraç N., Anil Ö. Experimental investigation of axially loaded reinforced concrete square column subjected to lateral low-velocity impact loading // Structural Concrete. 2019. Vol. 20. Issue 4. Pp. 1358–1378. DOI: 10.1002/suco.201800276

11. Wang X., Zhang Y., Su Y., Feng Y. Experimental Investigation on the Effect of Reinforcement Ratio to Capacity of RC Column to Resist Lateral Impact Loading // Systems Engineering Procedia. 2011. Vol. 1. Pp. 35–41. DOI: 10.1016/j.sepro.2011.08.007

12. Fan W., Liu B., Consolazio G.R. Residual Capacity of Axially Loaded Circular RC Columns after Lateral Low-Velocity Impact // Journal of Structural Engineering. 2019. Vol. 145. Issue 6. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0002324

13. Liu B., Fan W., Huang X., Shao X., Kang L. A Simplified Method to Predict Damage of Axially-Loaded Circular RC Columns Under Lateral Impact Loading // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2020. Vol. 14. Issue 1. DOI: 10.1186/s40069-020-00406-z

14. Zhao W., Qian J. Resistance Mechanism and Reliability Analysis of Reinforced Concrete Columns Subjected to Lateral Impact // International Journal of Impact Engineering. 2020. Vol. 136. P. 103413. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103413

15. Gholipour G., Zhang C., Mousavi A.A. Effects of Axial Load on Nonlinear Response of RC Columns Subjected to Lateral Impact Load: Ship-Pier Collision // Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 91. Pp. 397–418. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.055

16. Li X., Yin Y., Li T., Zhu X., Wang R. Analytical Study on Reinforced Concrete Columns and Composite Columns under Lateral Impact // Coatings. 2023. Vol. 13. Issue 1. P. 152. DOI: 10.3390/coatings13010152

17. Anil O., Cem Yilmaz M., Barmaki W. Experimental and Numerical Study of RC Columns under Lateral Low-Velocity Impact Load // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Structures and Buildings. 2020. Vol. 173. Issue 8. Pp. 549–567. DOI: 10.1680/jstbu.18.00041

18. Anil Ö., Tuğrul Erdem R., Tokgöz M.N. Investigation of Lateral Impact Behavior of RC Columns // Computers and Concrete. 2018. Vol. 22. Issue 1. Pp. 123–132. DOI: 10.12989/cac.2018.22.1.123

19. Zhao W., Ye J. Dynamic Behavior and Damage Assessment of RC Columns Subjected to Lateral Soft Impact // Engineering Structures. 2022. Vol. 251. P. 113476. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113476

20. Demartino C., Wu J.G., Xiao Y. Response of Shear-Deficient Reinforced Circular RC Columns under Lateral Impact Loading // International Journal of Impact Engineering. 2017. Vol. 109. Pp. 196–213. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2017.06.011

21. Zhou X., Zhou M., Luo D., Wu B., Liu L. Study on the Nonlinear Response and Shear Behavior of RC Co-lumns under Lateral Impact // Structures. 2021. Vol. 34. Pp. 3834–3850. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.09.094

22. Sun J.-M., Yi W.-J., Chen H., Peng F., Zhou Y., Zhang W.-X. Dynamic Responses of RC Columns under Axial Load and Lateral Impact // Journal of Structural Engineering. 2023. Vol. 149. Issue 1. DOI: 10.1061/jsendh/steng-11612

23. Swesi A.O., Cotsovos D.M., Val D.V. Effect of CFRP Strengthening on Response of RC Columns to Lateral Static and Impact Loads // Composite Structures. 2022. Vol. 287. P. 115356. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115356

24. Lai D., Demartino C., Xu J., Xu J., Xiao Y. GFRP Bar RC Columns under Lateral Low-Velocity Impact: An Experimental Investigation // International Journal of Impact Engineering. 2022. Vol. 170. P. 104365. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104365

25. Alekseytsev A.V. Mechanical Safety of Reinforced Concrete Frames under Complex Emergency Actions // Magazine of Civil Engineering. 2021. Nо. 3 (103). DOI: 10.34910/MCE.103.6. EDN ILMMNH.

26. Tamrazyan A., Alekseytsev A.V. Optimization of Reinforced Concrete Beams under Local Mechanical and Corrosive Damage // Engineering Optimization. 2022. Vol. 55. Issue 11. Pp. 1905–1922. DOI: 10.1080/0305215X.2022.2134356

27. Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete // Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 8. Pp. 1804–1826. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1988)114:8(1804)

28. Feng D.C., Ding Z.D. A New Confined Concrete Model Considering the Strain Gradient Effect for RC Columns under Eccentric Loading // Magazine of Concrete Research. 2018. Vol. 70. Issue 23. Pp. 1189–1204. DOI: 10.1680/jmacr.18.00040

29. Alekseytsev A.V., Kurchenko N.S. Safety of Reinforced Concrete Columns: Effect of Initial Imperfections and Material Deterioration under Emergency Actions // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 4. P. 1054. DOI: 10.3390/buildings13041054

30. Пузанков Ю.И. Прочность и деформативность сжатых железобетонных элементов при поперечной динамической нагрузке : дис. ... канд. техн. наук. М., 1979. 136 с. EDN WLDCER.

31. Alekseytsev A.V., Botagovsky M., Kurchenko N. Cost Minimization for Safety Enhancing of Timber Beam Structures in Historical Buildings // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 03002. DOI: 10.1051/e3sconf/20199703002

32. Alekseytsev A.V., Gaile L., Drukis P. Optimization of Steel Beam Structures for Frame Buildings Subject to Their Safety Requirements // Magazine of Civil Engineering. 2019. Nо. 7 (91). Pр. 3–15. DOI: 10.18720/MCE.91.1. EDN GDKVHM.

33. Serpik I., Alekseytsev A. Optimization of Steel Frame Building Systems in Terms of Parameters and Reliability Requirements // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365. P. 052003. DOI: 10.1088/1757-899x/365/5/052003