БУКИНИСТ

В настоящее время в связи с интенсивным развитием вычислительной техники остро встает проблема перевода методов расчета и проектирования строительных конструкций на полностью автоматизированную компьютерную основу. Весьма перспективным и назревшим представляется решение этой проблемы для железобетонных конструкций, занимающих доминирующее место в строительстве.

И основу автоматизированных методов, как правило, закладываются современные вычислительные методы и, в первую очередь, метод конечных элементом (МКЭ). Однако эти методы слабо увязываются с эмпирическими и частными подходами нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций, что стало тормозом на пути автоматизации проектировании.

Возникает проблема построения автоматизированных моделей на базе таких механических моделей бетона и железобетона, которые бы по общности приближались к современным моделям и теориям прочности механики деформируемого твердого тела и были с ними тесно увязаны. В то же время они должны максимально учитывать особенности механических свойств бетона и железобетона: нелинейность, трещиноватость, неоднородность, приобретаемую в процессе деформирования и трещинообразования анизотропию, ползучесть, термоползучесть, усадку, особенности сцепления арматуры с бетоном и др.

Обобщению работ по современным общим моделям бетона и железобетона и посвящена эта книга. Остановимся на некоторых общих вопросах. Известно, что любой материал “входит” в механику и ее современные вычислительные методы с набором только ему присущих соотношений. К ним относятся связи между напряжениями и деформациями (физические соотношения), а также общие критерии оценки прочности и трещиностойкости бетона и железобетона. В целом они образуют систему определяющих соотношений материала.

Свойства бетона существенно зависят от неоднородности, внутренней трещиноватости и ее развития. Эти свойства выходят за рамки привычных гипотез сплошного тела. В связи с этим автор счел необходимым отдельно (гл. 1) остановиться на особенностях применения методов механики сплошного деформируемого тела к таким телам, как бетон и железобетон.

Представление о железобетоне как о материале требует пояснения. Нередко утверждают, что железобетон - не двухкомпонентный материал, а некоторая система (конструкция). С точки зрения механики оба утверждения могут быть верными в зависимости от формирования и введения в разрешающую систему уравнений физических соотношений. Следует отметить, что материал в этой системе определяется только этими соотношениями. Если удается составить общие физические соотношения с включением в матрицу жесткости обеих компонент — арматуры и бетона, пусть даже в некотором обобщенном виде, то железобетон выступает как материал. Если физические соотношения для компонент при решении задач используются раздельно с записью дополнительных условий на их контакте, то железобетон — система (сложная конструкция). В книге основное внимание уделяется первому направлению, хотя предлагается и некоторый новый подход к развитию второго направления (гл. 7).

Деформирование железобетона в итоге оказывается подобным деформированию анизотропных тел в общем случае анизотропии при нелинейной матрице жесткости. Заметим, что аналогичная матрица, связывающая напряжения с относительными деформациями в линейной механике называется матрицей упругости (по терминологии МКЭ). Физические соотношения для железобетона как нелинейного анизотропного тела с приобретаемой в процессе деформирования анизотропией, а также заимствованные из теории упругости дифференциальные уравнения равновесия, геометрические уравнения и граничные условия (они записываются по аналогии с граничными условиями теории упругости анизотропного тела) составляют полную систему определяющих уравнений механики железобетона, которые затем преобразуются к разрешающим уравнениям. Поскольку элементы матрицы жесткости физических соотношений (условно жесткости) не являются константами, а зависят от напряжений и деформаций и нередко представляются неаналитическими зависимостями типа вычислительного оператора, то решение задач выполняется в основном численными методами.

Разрешающие уравнения конструируются с помощью метода конечных элементов (МКЭ), метода конечных разностей (МКР), вариационно-разностным методом (ВРМ). Накоплен уже достаточный опыт решения задач на основе этих методов. Решение уравнений осуществляется шагово-итерационными методами, в основе которых лежат различные модификации метода упругих решений применительно к бетону и железобетону. Хотя многие результаты, например различные диаграммы связи напряжений с деформациями, в том числе при переменных и знакопеременных программах нагружения, критерии оценки прочности и трещиностойкости, зависимости по подбору арматуры и другие, могут использоваться непосредственно без привлечения сложных вычислительных средств.

Основное внимание в книге уделено моделям, которые разрабатывались и исследовались автором или при его участии, однако в обзорах представлены и подходы различных исследователей, оставляя окончательный выбор за читателем.