Удосконалені моделі пластичності з урахуванням руйнування та стратегії калібрування для точного скінченно елементного аналізу бетону без армування у тонкостінних конструкціях

Анотація

Точне прогнозування поведінки нетрадиційних, неармованих бетонів у тривимір-ному скінченно елементному аналізі потребує синтезу розвинутої конститутивної теорії, ретельної експериментальної калібровки та уважної числової реалізації. У цій роботі узагальнено останні досягнення й окреслено актуальні виклики моделювання шлакопортландцементних, бетонів на переробленому заповнювачі, волокнистих та ультратонких опалубних бетонів у середовищі ANSYS. Огляд літератури виділяє три провідні підходи для звичайного бетону: класичний елемент SOLID65 із розмаза-но тріщинною моделлю, узагальнена пластичність Друкера-Прагера з користувацьким пошкодженням і детальні мезомоделі, що розрізняють заповнювач, розчин і межові зони. Порівняльний аналіз показує, що пошкоджено пластичні формулювання, зокрема модель Concrete Damaged Plasticity (CDP), відтворюють криві навантаження прогину та картини тріщиноутворення з точністю до 15 % за умови калібрування параметрів на повному наборі випробувань на стиск, розтяг, розкол і тривалу поведінку. Проте протоколи калібрування залишаються несистематизованими, що ускладнює відтворю-ваність і порівнянність результатів. Відсутність відкритої еталонної бази даних для нетрадиційних бетонів визнано ключовою перешкодою на шляху до узгоджених почат-кових параметрів. Тонкостінні елементи створюють додаткові труднощі: геометри-чна нелінійність поєднується з прогресуючим зниженням жорсткості, спричиняючи залежне від сітки розсіяння енергії руйнування та проблеми збіжності розв’язку. Як заходи пропонуються уточнене сіткування крізь товщину, нелокальна регуляризація та стійкі алгоритми дугової довжини. Явні методи відстеження тріщин, зокрема фа-зово польове руйнування та когезійні сегменти, підвищують точність, особливо для сумішей із високим вмістом волокон, де залишкова несуча здатність у розтягу визна-чає експлуатаційну придатність, однак їх систематична верифікація поки що обме-жена. Довготривалі явища, такі як повзучість, усадка, довговічність, а також висо-кошвидкісні навантаження при ударах чи сейсмічних впливах недостатньо представ-лені у сучасних програмах перевірки моделей, особливо для бетонів зі шлаком і перероб-леним заповнювачем. Запропоновано практичну «дорожню карту», що об’єднує п’ять ключових дій: створення публічної еталонної бази випробувань; розроблення уніфікова-них протоколів моделювання з чіткими метриками похибок; цільові інвестиції в явні моделі тріщиноутворення для тонкостінних та волокнистих елементів; розширення довготривалих і динамічних експериментальних програм; упровадження машинного навчання для автоматизації підбору параметрів і виявлення аномальної поведінки мо-делей. Супутні програмні вдосконалення підключні підпрограми матеріалів «plug and play» та графічні майстри калібрування знижують поріг входу для практи-куючих інженерів. Сукупно ці заходи прокладають шлях від академічних напрацювань до надійних, готових до промислового використання симуляцій, здатних підтримати проєктування стійких бетонних конструкцій без арматури.