The paper presents the results of experimental and theoretical investigations of the mechanisms of crack formation in reinforced concrete beams subjected to quasi-static bending. The boundary-value problem has been formulated in the framework of brittle fracture mechanics and solved using the finite-element method. Numerical simulation of the vibrations of an uncracked beam and a beam with cracks of different size serves to determine the pattern of changes in the spectrum of eigenfrequencies observed during crack evolution. A series of sequential quasi-static 4-point bend tests leading to the formation of cracks in a reinforced concrete beam were performed. At each loading step, the beam was subjected to an impulse load to induce vibrations. Two stages of cracking were detected. During the first stage the nonconservative process of deformation begins to develope, but has not visible signs. The second stage is an active cracking, which is marked by a sharp change in eingenfrequencies. The boundary of a transition from one stage to another is well registered. The vibration behavior was examined for the ordinary concrete beams and the beams strengthened with a carbon-fiber polymer. The obtained results show that the vibrodiagnostic approach is an effective tool for monitoring crack formation and assessing the quality of measures aimed at strengthening concrete structure

One of the effective methods of non-destructive testing of structures is active vibration diagnostics. This approach consists of the local dynamic impact of the actuator on the structure and the registration of the vibration response. Testing of massive reinforced concrete structures is carried out with the use of actuators, which are able to create sufficiently high-impact loads. The actuators, which are based on piezoelectric elements, cannot provide a sufficient level of force and the areas where it is possible to register the vibrations excited by such actuators are quite small. In this paper, we propose a variant of a piezoactuator with attached mass, which ensures an increase in the level of dynamic impact on the structure. The effectiveness of this version is verified by numerical modeling of the dynamic interaction of the actuator with a concrete slab. The simulation was carried out within the framework of the theory of elasticity and coupled electroelasticity. An algorithm for selecting the value of the attached mass is described. It is shown that when vibrations are excited in a massive concrete slab, an actuator with an attached mass of 1.3 kg provides a 10,000-fold increase in the force compared to an actuator without attached mass. In the pulse mode, a 100-fold increase in force is achieved.

Проектирование, строительство и эксплуатация зданий в условиях техногенного воздействия, которое является следствием разработки полезных ископаемых, – комплекс сложных и наукоемких задач. В рамках исследования этого направления требуется осуществлять решение как задач математического моделирования процессов взаимодействия сооружений с грунтовым массивом в области подрабатываемых территорий, так и задач верификации численных решений посредством сравнения с данными мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) систем «здание–фундамент–грунтовое основание». Помимо всего прочего, решение задач осложняется наличием большого числа типов строительных сооружений, характер взаимодействия которых с грунтовым основанием существенным образом разнится. Более того, отличается деформационный отклик и сооружений на техногенное воздействие на подрабатываемой территории. В данной работе анализируется состояние строительных сооружений – панельных жилых домов, находящихся в зоне подрабатываемых территорий Верхнекамского месторождения калийных солей (г. Березники, Пермский край). Представлена математическая модель НДС системы «здание–фундамент–грунтовый массив», описывающая возможность упругого и неупругого деформирования, неидеальный контакт между фундаментом и грунтовым массивом. Также модель учитывает упругопластические свойства грунтового основания. В численном эксперименте установлены многопараметрические зависимости НДС в элементах панельных строительных конструкций от параметров деформирования земной поверхности, которое провоцируется техногенными процессами разработки горных пластов при добыче полезных ископаемых. Полученные зависимости делают более обоснованным определение максимально допустимых горизонтальных деформаций грунта, при которых в элементах здания достигается предельное НДС.

The validity of the mathematical model describing the propagation of vibrations in the reinforced concrete structures (RC structures) was verified by comparing the experimental and numerical data. The proposed model allowed us to perform numerical experiments aimed at comparing vibrorecords obtained for the structure without defects and the structure with typical fracture caused by crack formation. Based on the results of comparison, an informative diagnostic parameter was proposed. This parameter makes it possible to control the nucleation and growth of cracks in a RC structure.