Мусаева Р.Д., Садыров Р.К.
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КЛАССА БЕТОНА НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ *
Аннотация:
работа посвящена оценке влияния класса бетона на сейсмостойкость железобетонных конструкций. Построены расчётные модели в программном комплексе LIRA-SAPR, позволяющие сравнить поведение конструкций, выполненных из бетона различных классов, при сейсмическом воздействии. Проведён численный и сравнительный анализ, отражающий изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций в зависимости от прочностных характеристик бетона. Выполнен технико-экономический анализ, позволивший определить наиболее рациональный класс бетона для применения в сейсмоопасных районах.
Ключевые слова:
сейсмостойкость, железобетонные конструкции, класс бетона, численное моделирование, технико-экономический анализ
Введение.Строительство зданий в сейсмоактивных зонах требует повышенного внимания к выбору материалов и конструктивных решений. Железобетонные конструкции являются одним из наиболее распространенных типов строительных объектов благодаря их высокой прочности и долговечности.Обеспечение надежности и безопасности железобетонных конструкций в сейсмически активных районах Казахстана является одной из приоритетных задач строительной отрасли. В настоящее время действующие нормативные документы, несмотря на предоставление общих рекомендаций по выбору классов бетона, недостаточно освещают влияние применения различных классов бетона на сейсмическую устойчивость конструкций и их экономическую эффективность. В связи с этим комплексное исследование влияния выбора класса бетона на динамические характеристики железобетонных конструкций и затраты на строительство является актуальной задачей.Численное моделирование.Для анализа динамического поведения железобетонных конструкций в условиях сейсмических нагрузок были построены расчетные модели в программном комплексе ЛИРА-САПР. Представленные модели позволяют исследовать распределение напряжений, перемещения и деформации конструктивных элементов при различных сценариях нагрузок. Визуализация расчетных схем и результатов анализа играет ключевую роль в оценке надежности проектных решений и выборе оптимальных параметров конструкции.Рисунок 1. Общая модель здания.Численное моделирование, проведенное в программном комплексе ЛИРА-САПР, позволило оценить поведение железобетонных конструкций из бетона классов C16/20, C25/30 и C35/45 при сейсмических воздействиях. Анализ проводился с учетом динамических нагрузок, характерных для сейсмических воздействий, а также с учетом конструктивных особенностей железобетонных элементов.Таблица 1. Зависимость площади арматуры от класса бетона.1. Распределение арматурыАнализ результатов расчета показал следующее распределение площадей арматуры по верхней грани плиты для различных классов бетона:C16/20: Максимальная площадь арматуры составила 5.21 см²/м в наиболее нагруженных узлах, что свидетельствует о высокой потребности в армировании при низкой прочности бетона.C25/30: Значения арматуры уменьшились до 5.01 см²/м (- 3.8%), что говорит о снижении требуемого армирования при повышенной прочности материала.C35/45: Минимальная площадь арматуры среди исследуемых классов – 4.9 см²/м (- 5.9% по сравнению с C16/20), что подтверждает снижение нагрузки на арматуру при увеличении прочности бетона.2. Деформации конструкции.При сравнении прогибов плит установлено:Для C16/20 характерны наибольшие прогибы, особенно в центральной части конструкции, что указывает на низкую жесткость и податливость конструкции к динамическим нагрузка.У C25/30 прогибы уменьшились примерно на 10-15%, что свидетельствует о повышении жесткости и лучшей способности конструкции противостоять нагрузкам.В модели с C35/45 наблюдается наименьший прогиб (снижение на 20-25% по сравнению с C16/20), что подтверждает значительное повышение жесткости конструкции.3. Степень повреждаемости.Анализ распределения зон максимальных напряжений выявил следующие закономерности:В модели с C16/20 отмечены значительные зоны перераспределения напряжений, что может привести к образованию трещин и снижению сейсмостойкости.В конструкции из C25/30 напряжения распределены более равномерно, что уменьшает риск образования пластических шарниров и развития трещин.В модели с C35/45 напряжения локализованы в небольших зонах, что указывает на улучшенные прочностные характеристики материала и меньшую вероятность разрушений при сейсмическом воздействии.4. Выводы.Численное моделирование подтвердило, что увеличение класса бетона приводит к:снижению потребности в армировании,уменьшению прогибов и повышению жесткости конструкции,снижению концентрации напряжений, что повышает сейсмостойкость.Оптимальным выбором для повышения сейсмостойкости железобетонных конструкций является бетон класса C35/45, так как он обеспечивает наилучшие механические характеристики при динамических нагрузках.Рисунок 2. График зависимости площади арматуры от класса бетона.Экспериментальные испытания.С целью определения влияния класса бетона на сейсмостойкость железобетонных конструкций проводились экспериментальные испытания. В рамках эксперимента были изготовлены модели зданий с применением бетонов классов C16/20, C25/30 и C35/45. Испытания проводились на сейсмоплатформе, воспроизводящем динамическое воздействие, аналогичное сейсмическим колебаниям.Рисунок 3. Готовая модель на сейсмоплатформе.Для регистрации данных использовались сейсмические датчики, подключенные к Zetlab, что позволило зафиксировать временные зависимости ускорений, спектральные характеристики и другие параметры. Анализ данных проводился с применением методов спектрального и корреляционного анализа, а также расчета амплитудных характеристик.Рисунок 4. Сравнительный график максимальных значенийускорения для классов бетона.Рисунок 5. Сравнительный график зависимость ускоренияот времени для классов бетона.На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о влиянии класса бетона на динамические характеристики конструкций. Максимальные значения ускорений были зафиксированы у бетона класса C16/20, тогда как минимальные значения – у бетона класса C35/45. Это свидетельствует о том, что менее прочные бетоны более подвержены динамическим воздействиям. Разброс значений ускорений у бетона C16/20 оказался выше, чем у C25/30 и C35/45, что указывает на большую изменчивость характеристик при нагрузке. Анализ результатов показал, что увеличение класса бетона сопровождается снижением пиковых значений ускорений, что подтверждает его более высокую сейсмостойкость.Технико-экономический анализ.Помимо повышения сейсмической стойкости, в строительной отрасли важнейшее значение имеет также вопрос экономической эффективности. В этой связи был проведён расчёт и сравнительный анализ материальных затрат для различных классов бетона.Таблица 3. Сравнительные характеристики классов бетона.Использовались рыночные цены на апрель 2025 года, город Алматы.Рисунок 6. Сравнительный график затрат для различных классов бетона.Выводы.Результаты численного моделирования показали, что с увеличением класса бетона жёсткость конструкций возрастает, а деформации и амплитуды колебаний снижаются. При этом выявлены значительные различия в динамическом поведении конструкций в зависимости от применяемого класса бетона. Бетон класса C16/20 показал недостаточный уровень сейсмической стойкости, тогда как бетон класса C35/45 обеспечил наивысшую жёсткость и прочность. Однако технико-экономический анализ выявил, что бетон класса C25/30 обеспечивает наилучший баланс между техническими характеристиками и строительными затратами.Экспериментальные исследования подтвердили данные численного моделирования. Повышение класса бетона улучшило устойчивость моделей при сейсмических воздействиях, а конструкции из бетона C25/30 обеспечили достаточную сейсмическую устойчивость при оптимальном объёме арматуры.С точки зрения экономической эффективности проведённый анализ показал, что общий уровень затрат для бетона класса C25/30 оказался самым низким, в то время как бетон C35/45 увеличил стоимость строительства примерно на 3%, а бетон C16/20 потребовал значительных расходов на арматуру, нивелируя его первоначальную дешевизну.Таким образом, результаты исследования подтвердили необходимость комплексного подхода к выбору класса бетона, учитывающего как механические характеристики, так и экономическую целесообразность. Бетон класса C25/30 рекомендуется для использования в железобетонных конструкциях сейсмически активных районов как наиболее эффективное решение.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Мусаева Р.Д., Садыров Р.К. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КЛАССА БЕТОНА НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1751 - 1761. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23489 (дата обращения: 08.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+