Вплив швидкості прикладання навантаження на параметри зчеплення арматури з бетоном при чисельних та експериментальних випробуваннях
DOI:
https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2025-14(24)-10Ключові слова:
зчеплення арматури з бетоном, швидкість прикладання навантаження, динамічні навантаження, динамічний коефіціент збільшення зчеплення (DIF), вибухові впливи, анкерування, проковзування, випробування на висмикуванняАнотація
Зчеплення арматури з бетоном є основним фактором, який забезпечує сумісну роботу цих двох матеріалів, що критично впливає на несучу здатність, жорсткість та довговічність залізобетонних конструкцій. Незважаючи на велику значущість зчеплення, загальну теорію зчеплення досі не побудовано. Ця ситуація обумовлена великою кількістю взаємозалежних факторів, які систематизовано на сім основних груп (включаючи геометричні та фізичні параметри арматури/бетону, вид НДС, деформаційні параметри, тріщиностійкість, корозію та вплив середовища). Дослідження також базується на аналізі класичних законів зчеплення (ступінчастий закон Г. Рема, пружнопластичний закон І. Гийона, нормальний закон М. Холмянського, емпіричний закон С. Мирзи і Д. Хауда, модель BPE), які аналітично описують зв'язок між дотичними напруженнями та відповідними деформаціями зсуву. Обґрунтовується необхідність вивчення динамічних впливів (ударів, вибухів, сейсміки), віднесених до складних видів напружено-деформованого стану, що є критично важливим в умовах повномасштабної війни в Україні.
Метою дослідження є встановлення та аналіз впливу швидкості прикладання навантаження (loading rate) на ключові параметри зчеплення, а також оцінка ефективності сучасних чисельних та аналітичних моделей для прогнозування поведінки залізобетонних конструкцій під екстремальними динамічними впливами. Дослідження ґрунтується на узагальненні результатів експериментальних випробувань на висмикування (pull-out test) у квазістатичному (0,1 мм/с) та динамічному (до 100 мм/с, або значно вище при вибухах) режимах, а також чисельному моделюванні.
Результати підтверджують, що підвищення швидкості прикладання навантаження є значущим фактором, який призводить до збільшення міцності зчеплення. Динамічний коефіцієнт збільшення (DIF) для максимальних напружень зчеплення (τbmax) може сягати близько 1,5 у порівнянні зі статичним навантаженням. При високих швидкостях деформації, характерних для вибухових впливів ( до або вище), явна міцність матеріалів може значно зростати. При вищій швидкості навантаження ефективна довжина анкерування зменшується, оскільки зусилля концентруються ближче до навантаженого кінця стержня. При цьому типи руйнування (висмикування, висмикування після досягнення межі текучості, розрив стержня) залишаються аналогічними статичним випробуванням.
Встановлено, що експериментальні дослідження зчеплення демонструють доволі високу мінливість результатів через гетерогенність бетону: коефіцієнт варіації може сягати до 18% для максимального напруження зчеплення та 23% для відповідного проковзування.
Чисельне моделювання динамічної поведінки зчеплення включає дискретні методи (наприклад, Slide Line Contact Model, CBISF у «LS-DYNA»), моделі на основі Concrete Damage-Plastic (CDP) та аналітичні моделі, модифіковані динамічним коефіціентом збальшення зчеплення (DIF) або моделлю шаруватого перерізу (EIeq) для вибухового аналізу. Встановлено, що чисельні моделі, калібровані на динамічних експериментальних даних, забезпечують адекватне прогнозування поведінки конструкцій під екстремальними впливами.
Завантажити
Посилання
Клімов Ю. Вплив корозійних пошкоджень на зчеплення арматури періодичного профілю з бетоном. Будівельні конструкції. Теорія і практика. 2021. Вип. 9. С. 4–14. https://doi.org/10.32347/2522-4182.9.2021.4-14
2. Ромашко О. В., Журавський В. М., Ромашко О. Д. Узагальнена модель зчеплення арматури з бетоном. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. 2019. Вип. 37. С. 214–221. https://doi.org/10.31713/budres.v0i37.319
3. Кочкарьов Д. В. Про середні напруги зчеплення арматури з бетоном. Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. 2014. Вип. 1. С. 176–184. URL: http://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?I21DBN=LINK&P21DBN=UJRN&Z21ID=&S21REF=10&S21CNR=20&S21STN=1&S21FMT=ASP_meta&C21COM=S&2_S21P03=FILA=&2_S21STR=Vnuvgp_tekhn_2014_1_24
4. Яковенко І. А., Дмитренко Є. А. Класифікація параметрів та пошук аналітичних залежностей зчеплення арматури з бетоном у залізобетонних конструкціях будівель та споруд. Збірник тез доповідей ХII Міжнародної науково-технічної конференції «Крамаровські читання». Київ, Україна : НУБіП України, 2025. С. 533–536.
5. Eligehausen, R., Popov, E.P., & Bertero, V.V. (1983). Local Bond stress-slip relationships of deformed bars under generalized excitations. Berkeley, California: University of California. Retrieved from: https://elib.uni-stuttgart.de/bitstreams/f20592ed-7314-4412-9e28-a834343dc413/download
6. Томенко В., Великий І. (2024). Методи оцінки та відновлення технічного стану залізобетонних конструкцій при силових, високотемпературних впливах та вибухових навантаженнях. Proceedings of the 2nd International scientific and practical conference “Innovative Solutions in Science: Balancing Theory and Practice”. Сан-Франциско, США : European Open Science Space, 2024. С. 28–35. URL: http://repositsc.nuczu.edu.ua/handle/123456789/24203
7. Polyakov, A., & Lapenko, O. (2025). Numerical studies of the dynamic impact of the blast wave on protective structures. Theory and Practice of Design, (36), 103–115. https://doi.org/10.32782/2415-8151.2025.36.10
8. Shi Y., Li Z. X., Hao H. Bond slip modelling and its effect on numerical analysis of blast-induced responses of RC columns. Structural Engineering and Mechanics. 2009. Vol. 32, No 2. P. 251–267. https://doi.org/10.12989/sem.2009.32.2.251
9. Lee M., Kwak H. G. Blast and impact analyses of RC beams considering bond-slip effect and loading history of constituent materials. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2018. Vol. 12. No 32. https://doi.org/10.1186/s40069-018-0244-9
10. Peng Q., Wu H., Jia P. C., Ma L. L., Fang Q. Numerical studies on rebar-concrete interactions of RC members under impact and explosion. Structures. 2023. Vol. 47. P. 63–80. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.11.063
11. Mirhosseini R. T., Araghizadeh E., Rashidi S. Approximate relationship for the bond-slip using a concrete damage-plastic model. Advances in Materials Science and Engineering. 2023. Vol. 2023. No 1320192. https://doi.org/10.1155/2023/1320192
12. Long X., Wang C. Y., Zhao P. Z., Kang S. B. Bond strength of steel reinforcement under different loading rates. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 238. No 117749. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117749
13. Kang S. B., Wang S., Long X., Wang D. D., Wang C. Y. Investigation of dynamic bond-slip behaviour of reinforcing bars in concrete. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 262. No 120824. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120824
14. Corres E., Muttoni A. Bond of steel reinforcement based on detailed measurements: Results and interpretations. Structural Concrete. 2023. Vol. 24, No 6. P. 7173–7204. https://doi.org/10.1002/suco.202300324
15. Corres E., Muttoni A. Local bond-slip model based on mechanical considerations. Engineering Structures. 2024. Vol. 314. No 1181190. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.118190
16. Ромашко-Майструк О. В., Ромашко В. М. Моделювання діаграми напруження-деформації стиснутого бетону за дії довготривалих навантажень. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. 2024. Вип. 46. С. 275–282. https://doi.org/10.31713/budres.v0i46.32
17. Zheng Y., Fan C., Ma J., Wang S. Review of research on Bond-Slip of reinforced concrete structures. Construction and Building Materials. 2023. Vol. 385. No 131437. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131437
18. Vembu P. R. S., Ammasi A. K. A comprehensive review on the factors affecting bond strength in concrete. Buildings. 2023. Vol. 13, No 3. No 577. https://doi.org/10.3390/buildings13030577
19. Ansell A., Pixa M., Peterson V., Hallgren M. Modelling of bond slip for impact-loaded reinforced concrete beams. Proceedings of the 15th International Conference on Shock & Impact Loads on Structures (SILOS). Gothenburg, Sweden : KTH Royal Institute of Technology, 2025. URL: https://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1992753&dswid=8118
20. Galkovski T., Mata-Falcón J., Kaufmann W. Experimental investigation of bond and crack behaviour of reinforced concrete ties using distributed fibre optical sensing and digital image correlation. Engineering Structures. 2023. Vol. 292. No 116467. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.116467
21. Long X., Li H., Iyela P. M., Kang S. B. Predicting the bond stress-slip behavior of steel reinforcement in concrete under static and dynamic loadings by finite element, deep learning and analytical methods. Engineering Failure Analysis. 2024. Vol. 161. No 108312. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.108312
22. Yakovenko I., Dmytrenko Y., Bakulina V. Construction of Analytical Coupling Model in Reinforced Concrete Structures in the Presence of Discrete Cracks. In: Bieliatynskyi A., Breskich V. (Eds.). Safety in Aviation and Space Technologies. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer, 2023. P. 107–120. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-85057-9_10.
23. Lv X., Yu Z., Shan Z. Bond stress-slip model for rebar-concrete interface under monotonic and cyclic loading. Structures. 2021. Vol. 34. P. 498–506. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.07.093
