Комплексное численное моделирование долговременного поведения железобетонных конструкций с учетом совместного влияния ползучести бетона и коррозии арматуры
Повышение точности прогнозирования эксплуатационной надежности строительных конструкций является ключевой задачей современной строительной механики. Существующие нормативные методы расчета часто не в полной мере учитывают синергетическое влияние длительных процессов, таких как ползучесть бетона и коррозионное повреждение арматуры, что может привести к неконсервативной оценке деформаций и несущей способности в течение срока службы. Цель исследования является разработка и апробация комплексной вычислительной методики, позволяющей оценить эволюцию напряженно-деформированного состояния железобетонных балок при совместном учете нелинейной ползучести бетона и кинетики коррозии арматуры в условиях изменяющейся внешней среды. Исследование основано на методологии механики последовательно возводимых конструкций и реологии композитных материалов. С применением системы конечно- элементного анализа создана многоэтапная модель. На этапе имитации строительства использована технология пошагового включения элементов. Долговременный расчет интегрирует: 1) усовершенствованную модель ползучести бетона с учетом старения и нелинейности; 2) кинетическую модель потери сечения арматуры, зависящую от времени, влажности и химической агрессивности среды; 3) модифицированные диаграммы деформирования материалов, параметры которых обновляются на каждом шаге расчета в зависимости от степени коррозионного повреждения. Решение осуществлялось итерационным методом с переменным шагом по времени. Установлены количественные закономерности влияния скорости коррозии на развитие деформаций ползучести. Выявлен эффект непропорционального ускорения роста прогибов после превышения определенного порога коррозионных повреждений (около 8-10% сечения). Анализ релаксации напряжений в бетоне показал замедление этого процесса на 20- 25% при активной коррозии вследствие снижения общей жесткости поперечного сечения. Предложенная методика позволяет перейти от качественных оценок к количественному прогнозу долговременного поведения конструкций. Improving the accuracy of predicting the operational reliability of building structures is a key objective in modern structural mechanics. Existing standard calculation methods often fail to fully account for the synergistic effects of long-term processes such as concrete creep and reinforcement corrosion, which can lead to unconservative estimates of deformations and load- bearing capacity over the service life. The objective of this study is to develop and test a comprehensive computational methodology for assessing the evolution of the stress-strain state of reinforced concrete beams by jointly accounting for nonlinear concrete creep and reinforcement corrosion kinetics in a changing external environment. The study is based on the methodology of the mechanics of sequentially constructed structures and the rheology of composite materials. A multi-stage model was created using a finite element analysis system. During the construction simulation phase, a stepwise element integration technology was employed. The long-term calculation integrates: 1) an improved concrete creep model accounting for aging and nonlinearity; 2) a kinetic model of reinforcement cross-section loss dependent on time, humidity, and chemical aggressiveness of the environment; 3) modified material deformation diagrams, the parameters of which are updated at each calculation step depending on the degree of corrosion damage. The solution was implemented using an iterative method with a variable time step. Quantitative patterns of the influence of corrosion rate on creep deformation development were established. A disproportionate acceleration of deflection growth was observed after exceeding a certain corrosion damage threshold (approximately 8-10% of the cross-section). Analysis of stress relaxation in concrete revealed a 20-25% slowdown in this process during active corrosion due to a decrease in the overall cross-sectional stiffness. The proposed method enables a transition from qualitative assessments to quantitative predictions of the long-term behavior of structures.