Прочность сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Мещеулов Никита Владимирович

• Мещеулов Никита Владимирович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мещеулов Никита Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Кратковременные динамические нагрузки на сооружения

1.2. Предельные состояния железобетонных конструкций и

способы их нормирования

1.3. Прочностные и деформативные свойства бетона при статическом и кратковременном динамическом нагружении

1.4. Прочность и деформативность арматуры при статическом и кратковременном динамическом нагружении

1.5. Динамическое деформирование железобетонных конструкций

1.6. Обзор исследований железобетонных изгибаемых конструкций

по наклонным сечениям

1.7. Способы повышения взрывостойкости железобетонных консрукций

1.8. Обзор экспериментально-теоретических исследований железобетонных конструкций на податливых опорах

1.9. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВЕРТИКАЛЬНОЕ СМЕЩЕНИЕ ОПОР БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Опорные устройства из стальных труб

2.2. Экспериментальные исследования

2.2.1. Программа исследований. Методика испытаний

2.2.2. Результаты экспериментальных иследований

2.3. Теоретические исследования

2.3.1 Методика и расчетные предпосылки исследований податливых опор при статическом воздействии

2.3.2 Результаты расчета податливых опор при статическом нагружении

2.3.3 Расчетные предпосылки и методика расчета податливых опор при динамическом нагружении

2.3.4 Результаты динамических исследований

2.4 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1. Задачи экспериментальных исследований. Программа экспериментов

3.2. Опытные образцы и их конструирование

3.3. Методика статических и динамических испытаний

3.4. Результаты экспериментальных исследований сжато-изгибаемых конструкций при статическом нагружении

3.5. Особенности деформирования сжато-изгибаемых балок при динамическом нагружении

3.5.1 Деформативность наклонных сечений при работе

поперечной арматуры в зоне упругих деформаций

3.5.2 Деформативность наклонных сечений при работе

поперечной арматуры за условным пределом текучести

3.6. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ

КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

4.1. Методика и предпосылки расчета. Формирование физической модели железобетона с трещинами

4.2. Результаты расчета. Оценка достоверности и точности

4.3. Численные исследования влияния уровня продольного обжатия и стадии деформирования опорных устройств на прочность сжато-изгибаемой конструкции при кратковременном динамическом нагружении

4.4. Балочные конструкции с продольным обжатием на жестких опорах

4.5. Изгибаемые элементы на упругих податливых опорах

4.6. Изгибаемые балочные конструкции на пластических податливых опорах

4.7. Балочные конструкции на опорах в стадии отвердения

4.8. Балочные конструкции без обжатия при разных стадиях работы податливых опор

4.9. Сжато-изгибаемые конструкции с продольным обжатием

N = 0,2Nmax на упругих податливых опорах

4.10. Балочные конструкции с продольным обжатием N = 0,2Nmax на пластических податливых опорах

4.11. Сжато-изгибаемые элементы с обжатием N = 0,2Nmax при деформировании податливых опор в стадии отвердения

4.12. Балочные конструкции с обжатием N = 0,2Nmax при разных стадиях работы податливых опор

4.13. Сжато-изгибаемые конструкции с продольным обжатием

N = 0,4Nmax на упругих податливых опорах

4.14. Балочные элементы с обжатием N = 0,4Nmax на пластических податливых опорах

4.15. Сжато-изгибаемые конструкции с продольным обжатием

N = 0,4Nmax на податливых опорах в стадии отвердения

4.16. Балочные конструкции с обжатием N = 0,4Nmax при разных стадиях работы податливых опор

4.17. Изгибаемые элементы на податливых опорах при разном

уровне обжатия

4.18. Аналитический расчет сжато-изгибаемых железобетонных конструкций на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении

4.19. Расчет железобетонных балок в упругой стадии на податливых опорах

4.20. Расчет железобетонных балок в упругой стадии на упругих податливых опорах

4.21. Расчет железобетонных балок в упругой стадии при деформровании податливых опор в пластической стадии

4.22. Расчет железобетонных балок в упругой стадии при деформровании податливых опор в стадии отвердения

4.23. Выводы по четвертой главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Примеры расчета изгибаемых и сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на эквивалентные

статические нагрузки с учетом податливости опор

Пример №

Пример №

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Патенты

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Документы подтвердающие внедрение результатов диссертационой работы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В связи с активным ростом вероятности возникновения динамических воздействий природного и техногенного характера на здания и сооружения, всё чаще встречается необходимость проектирования железобетонных конструкций, устойчивых к данному типу нагрузок. Особое внимание уделяется опасности действия на сооружения ударных волн вследствие взрывов обычных взрывчатых веществ при их хранении, транспортировке, в результате террористических актов и т.д.

Возникающие при этом нагрузки ввиду малого времени действия и большой интенсивности часто вызывают не только локальные повреждения или полные разрушения конструкций, но и как следствие, ведут к утрате технологического оборудования, травмам и гибели людей. Поэтому решение проблемы взрывостойкости зданий и сооружений имеет важное экономическое и социальное значение.

В настоящее время для обеспечения восприятия зданиями и сооружениями динамических нагрузок используется два принципиально разных пути решения.

Первый реализуется через увеличение несущей способности конструкций путем использования материалов с повышенными физико-механическими характеристиками (высокопрочный бетон и арматура, композитная арматура, фибробетон), более интенсивное армирование, увеличение поперечного сечения элементов. При этом допускают работу конструкций в зоне больших пластических деформаций.

При расчете зданий и сооружений на высокоинтенсивные динамические воздействия основными конструктивными элементами являются изгибаемые и сжато-изгибаемые. К таким конструкциям относятся плиты перекрытия, ригели, колонны. Возникновение в них больших пластических деформаций может привести к локальному или полному разрушению здания. Вместе с тем повышение динамической прочности путем увеличения прочностных и геометрических

параметров конструкций не всегда может быть реализовано с технологической точки зрения или быть экономически целесообразным.

Альтернативным способом защиты является снижение интенсивности и локализация динамического воздействия как за счет применения легкосбрасываемых элементов здания (плиты покрытия и ограждающие конструкции), так и за счет легкоразрушающихся конструкций и устройств. В первом случае здания проектируются таким образом, чтобы при воздействии ударных волн опорные закрепления некоторых конструкций выходили из строя и несущие элементы сбрасывались, образуя «окно» для высвобождения ударных волн. Во втором случае предлагается предусматривать в здании конструкции или устройства (податливые опоры), которые, деформируясь, будут воспринимать на себя избыточную часть взрывной энергии, тем самым разгружая и оставляя неповрежденными несущие элементы.

Таким образом, работа, направленная на исследование железобетонных сжато-изгибаемых конструкций с податливыми опорными закреплениями при кратковременном динамическом нагружении, является актуальной, представляет научный интерес и имеет важное значение при проектировании экономичных и надежных зданий и сооружений.

Работа выполнялась в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности № 2014/224 (2014-2016), научно-исследовательская работа № 458 «Развитие теории расчета и проектирования сооружений минимальной материалоемкости» и проекта грантовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований договор № 16-38-00133/16 от 27 января 2016 г. и договор № 16-38-00133/17 от 05 мая 2017 г. «Исследование напряженно-деформированного состояния изгибаемых и сжато-изгибаемых железобетонных конструкций на податливых опорах при динамических нагрузках» на основании решения бюро совета фонда, протокол № 14(170) от 24.12.2015 г. и протокол № 5(187) от 28.04.2017 г.

Степень разработанности темы исследования. В исследованиях, выполненных отечественными и зарубежными учеными (А.С. Абдуль-Рахман,

Г.С. Алиев, И.В. Балдин, Ю.М. Баженов, И.К. Белобров, М.Д. Боданский, В.М. Бондаренко, З.Р. Галяутдинов, А.А. Гвоздев, Л.М. Горшков, И.А. Дикович, А.Н. Добромыслов, С.С. Егиян, В.И. Жарницкий, А.В. Забегаев, Х.А. Зиганшин,

A.С. Зорич, Н.И. Карпенко, В.А, Котляревский, О.Г. Кумпяк, В.И. Колчунов, Д.Г. Копаница, Н.С. Михайлова, В.П. Митрофанов, В.И. Морозов, А.И. Мордич,

B.С. Плевков, Г.И. Попов, Н.Н. Попов, Б.С. Расторгуев, В.В. Родевич, Г.В. Рыков, А.Е. Саргсян, И.Н. Старишко, А.Г. Тамразян, И.А. Титов, И.Н. Тихонов, Г.П. Тонких, Н.Н. Трекин, S.D. Adhikary, L. Agardh, A. Ansell, A.W. Beeby, A.T. Bere, A.Q. Bhatti, Y. Chen, D.M. Cotsovos, D. Dearth, Y.T. Feng, K. Fujikake, K. Fujimoto, M. Hallgren, H. Hansson, S. He, G. Hughes, M. Haskett, B. Li, H. Jiang, J. N. Kishi, H. Konno, J. Magnusson, I.M. May, H. Mikami, Т. Ohno, J. Owen, M.N. Pavlovic, D. Roger, H. Saadatmanesh, A.J. Sangi, S. Soeun, H. Tachikawa, J. Takeda, T. Tang, X. Wang, и др.) рассмотрены вопросы прочности и деформативности железобетонных конструкции при статическом и кратковременном динамическом нагружении. В работах И.В. Балдина, З.Р. Галяутдинова, А.В. Забегаева, Д. Н. Кокорина, О.Г. Кумпяка, В.Б. Максимова, А.В. Педикова, В.С. Плевкова, Н.Н. Попова, Б.С. Расторгуева, А. Усманова, A. Kezmane, B. Chiaia, L. Placidi изучалось влияние вертикальной податливости опорных закреплений железобетонных конструкций при кратковременном динамическом нагружении на их несущую способность и деформативность. При этом рассматривались железобетонные плиты, опертые по контуру, изгибаемые и сжато-изгибаемые конструкции с разрушением по нормальным и наклонным сечениям. Однако особенности деформирования сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении в достаточной степени не изучены.

Объектом исследования являются сжато-изгибаемые железобетонные конструкции с податливым опорным закреплением.

Предметом исследования является прочность и деформативность сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении.

Цель работы: Совершенствование метода расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций по наклонным сечениям при кратковременных динамических воздействиях с учетом вертикальной податливости опор.

Задачи исследований:

- на основе анализа выполненных экспериментальных и теоретических исследований изгибаемых и сжато-изгибаемых железобетонных конструкций установить особенности их сопротивления при кратковременном динамическом нагружении с учетом влияния вертикальной податливости опор;

- на основе экспериментальных и численных исследований получить диаграммы сопротивления податливых опорных устройств;

- разработать программу и провести экспериментальные исследования прочности железобетонных сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям при поперечном статическом и кратковременном динамическом нагружении с учетом разного уровня продольного обжатия 0 < N < 0,4Nmax (Nmax = ЯьпЬИ0), а также стадий работы конструкций и податливых опор;

- сформировать физико-математическую расчётную модель, описывающую упругопластическую работу железобетона на основе метода конечных элементов в ПВК ANSYS. Выполнить численные исследования по выявлению влияния вертикальной податливости опор на прочность и деформативность сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям при кратковременном динамическом нагружении;

- разработать аналитический метод динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций в условно упругой стадии с учетом деформирования податливых опор в упругой стадии, упругопластической и стадии отвердения.

- на основе физического и численного эксперимента получить данные для расчета сжато-изгибаемых железобетонных конструкций при податливом опирании на эквивалентные статические нагрузки.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с учетом результатов научных работ российских и зарубежных ученых в области исследования изгибаемых и сжато-изгибаемых железобетонных конструкций с использованием фундаментальных положений строительной механики и теории железобетона. Численные и натурные эксперименты выполнены в соответствии с общепринятыми стандартами и разработанными методиками проведения исследований.

Научная новизна работы заключается в получении новых знаний о работе сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при поперечном кратковременном динамическом нагружении, а именно:

- экспериментально получены и теоретически обоснованы функции сопротивления податливых опор, позволяющие аналитически определить жесткость для каждой стадии деформирования (упругая, упругопластическая, стадия отвердения);

- получены и систематизированы новые опытные данные, характеризующие процесс динамического сопротивления железобетонных сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям в зависимости от уровня продольного обжатия, стадий работы конструкций (упругая, пластическая) и стадии работы податливых опор;

- в ПВК ANSYS разработана физико-математическая расчетная модель динамического деформирования железобетона с трещинами, и выполнены численные исследования с целью выявления особенностей работы железобетонных сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при поперечном кратковременном динамическом нагружении;

- разработан аналитический метод динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций в условно упругой стадии на податливых опорах;

- на основе численного и физического эксперимента получены данные для

расчёта сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям на эквивалентные статические нагрузки с учётом вертикальной податливости опор.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием основных положений теории железобетона, сопротивления материалов, строительной механики; комплексом экспериментальных исследований с применением сертифицированных лабораторных приборов и установок; применением современных средств регистрации исследуемых параметров; использованием лицензионного и верифицированного программного обеспечения. Верификация предложенной численной модели подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных опытным и расчетным путем. Личный вклад диссертанта состоит:

- в участии выбора и обоснования актуальности исследования;

- получении аналитической функции сопротивления податливых опор, включающей характерные стадии их деформирования;

- разработке методики и проведении экспериментальных исследований сжато-изгибаемых железобетонных элементов при статическом нагружении и кратковременном динамическом воздействии с учетом податливости опор;

- формировании физико-математической расчетной модели, описывающей динамическое поведение железобетона с трещинами при податливом опирании конструкции;

- разработке аналитического метода динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций на податливых опорах;

- получении данных для динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных конструкций при податливом опирании на эквивалентные статические нагрузки.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методика и результаты численных и экспериментальных исследований податливых опор при статическом и кратковременном динамическом воздействии;

- методика и результаты экспериментальных исследований железобетонных сжато-изгибаемых элементов по наклонным сечениям при разном уровне продольного обжатия, стадий работы конструкций и податливых опор при поперечном кратковременном динамическом нагружении;

- аналитический метод динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций в условно упругой стадии на податливых опорах;

- результаты численного анализа влияния уровня продольного обжатия и податливости опор на прочность и деформативность железобетонных конструкций по наклонным сечениям при поперечном кратковременном динамическом воздействии;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность сжато-изгибаемых железобетонных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении»

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на научных семинарах кафедры железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (2014-2020 гг.); на XI и XVI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, НИ ТПУ, 2014 г., 2019 г.); на I, III и IV Международной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (г. Томск, ТГАСУ, 2014-2017 гг.); на Международной научной конференции «Современные проблемы расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений на аварийные воздействия» (г. Москва, МГСУ, 2016 г.); на XII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (Республика Крым, г. Ялта, 2017 г.); на VII Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (г. Новосибирск, Сибстрин, 2018 г.); на Международной научно-практической конференции «Лолейтовские чтения-150» (г. Москва, МГСУ, 2018 г.); на Международном конкурсе молодых ученых (г. Бонн, 2017 г.); на Германо-российском форуме молодых ученых (г. Берлин, 2018 г.);

на 26-й Всероссийской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (г. Томск, ТГАСУ, 2019 г.). В полном объеме работа доложена и одобрена на межкафедральном семинаре Томского государственного архитектурно-строительного университета (22 апреля 2020 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемнадцать печатных работ, включая три статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, три статьи, индексируемые базами данных Scopus и Web of Science. Получено десять патентов, включая патент на изобретение Евразийского патентного ведомства, патент на изобретение РФ и восемь патентов на полезную модель РФ.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в получении функции сопротивления податливых опор; в получении новых экспериментальных данных по динамической прочности сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах; в разработке аналитического метода динамического расчета сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций с учетом вертикальной податливости опор; в получении коэффициентов динамичности, позволяющих выполнять динамические расчеты сжато-изгибаемых железобетонных балочных конструкций по наклонным сечениям на податливых опорах.

Объем и структура работы. Диссертация объемом 241 страница машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 365 наименований, 6 таблиц, 118 рисунков и трех приложений.

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета под руководством профессора, д.т.н. Кумпяка О.Г.

ГЛАВА 1. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с разрушениями зданий и сооружений в результате интенсивных кратковременных динамических воздействий, вызванных как природными так техногенными причинами, которые в ряде случаем приводят к большим человеческим и экономическим потерям.

Динамические нагрузки действующие на здания и сооружения делятся на периодические, являющиеся проектными и действующие в течение всего срока эксплуатации здания (двигатели, вентиляторы, генераторы, механизмы вращательного действия с неравномерным распределением масс), и непериодические, действующие однократно, и, как правило, обусловленные аварийной ситуацией техногенного или природного характера (нагрузки возникающие вследствие взрывного горения паро-газо-воздушных смесей или пылевоздушных горючих смесей).

При действии периодических нагрузок, например, возникающих при работе машин с неуравновешенными массами, для снижения динамического воздействия на конструкции здания применяются системы виброизоляции (стальные пружины, резиновые прокладки и др.), способные не терять своих эксплуатационных качеств при длительном многократном действии нагрузки.

Особо опасными являются однократные динамические нагрузки, которые вследствие большой интенсивности и короткого времени действия могут привести не только к разрушению конструкций и повреждению технологического оборудования, но и к гибели людей. На сегодняшний день известны два пути повышения сопротивления строительных конструкций однократным динамическим воздействиям. В первом случае идут по пути увеличения несущей способности конструкции, что достигается путем увеличения размеров сечения элементов, увеличением армирования, применением материалов с повышенными

физико-механическими характеристиками. В результате увеличения размеров сечения элементов значительно увеличивается вес сооружения, происходит увеличению нагрузок на нижележащие конструкции каркаса, фундаменты и грунты, что в свою очередь требует проектирования более мощных несущих конструкций и фундаментов. Данный путь связан со значительным увеличением стоимости здания.

Другим путем является применение активных способов защиты, основанных на предотвращении или локализации динамического воздействия, либо снижении интенсивности динамической нагрузки. Последнее достигается как за счет применения легкосбрасываемых и легкоразрушающихся конструкций, так и за счет применения податливых опор.

Наиболее широкое применение податливые опоры получили в сейсмостойком строительстве, где они, «отрезая» здание от основания, позволяют в значительной степени снизить величину сейсмической реакции, передаваемой на сооружение. Применяемые в настоящее время опоры, например, резинометаллические, качающиеся и другие, используются для снижения динамической реакции. В соответствии с требованиями нормативного документа СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП П-7-81*» [185] проектирование конструкций с применением систем сейсмоизоляции разрешается только при обязательном научном сопровождении специализированной организации, имеющей опыт проектирования и применения сейсмоизолирующих систем. Данное требование свидетельствует о сложности научной задачи и необходимости индивидуального подхода к проектированию данных систем в каждом конкретном случае. То есть отсутствует единая методика при проектировании подобных систем даже несмотря на значительный объем теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении.

Возможность применения податливых опор при действии однократных динамических нагрузок аварийного характера нормативными документами не регламентируется. Научные исследования в данном направлении имеют ограниченный характер, и свидетельствуют лишь об эффективности применения

данного способа повышения сопротивления железобетонных конструкций действию интенсивных динамических нагрузок. Вместе с этим отсутствуют методы расчета конструкций на податливых опорах при однократном динамическом нагружении и рекомендации по подбору оптимальных параметров податливых опор. Согласно СП 88.13330.2014 «Защитные сооружения гражданской обороны. Актуализированная редакция СНиП П-11-77» [188] допускается производить расчет путем расчленения сооружения на отдельные элементы с учетом влияния их закрепления на опорах. Однако рекомендаций по определению и учету податливости опорных закреплений не приводится.

Таким образом, задача, направленная на исследование систем активной защиты конструкций при кратковременном динамическом нагружении, которые в случае чрезвычайных ситуаций позволят сохранить или минимизировать ущерб, наносимый конструкциям, и сократить материальные издержки на их восстановление, является крайне актуальной. Однако в настоящее время в данном направлении ведутся как теоретические исследования, направленные на совершенствование методов расчета, учитывающих особенности динамического деформирования железобетона, так и экспериментальные исследования поведения конструкций и материалов при интенсивном динамическом нагружении. При этом в подавляющем большинстве исследований рассматриваются системы на жестких опорах (здания с жестким сопряжением надземных конструкций с фундаментом, отдельные конструкции на жестких опорах). Изучение влияния податливых опор на напряженно-деформированное состояние железобетонных изгибаемых и сжато-изгибаемых балочных элементов при однократном динамическом нагружении высокой интенсивности практически не рассматривалось.

Вместе с тем в последние годы наблюдается тенденция к учету деформирования опор в расчетах сооружений. Так при проектировании высотных зданий и сооружений расчет ведется с учетом совместной работы здания с грунтовым основанием. Разрабатываются рекомендации по учету податливости узлов сопряжения при проведении статических расчетов («Рекомендации по расчету каркасов многоэтажных зданий с учетом податливости узловых

сопряжений сборных железобетонных конструкций», ЦНИИПромзданий, Москва 2002 г.). Учет податливости соединений позволяет получить более достоверную картину напряженно-деформированного состояния конструкций. Таким образом, растет потребность в учете податливости опор при расчетах зданий и сооружений, а также отдельных конструкций.

Несмотря на глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области поведения железобетонных конструкций при кратковременном динамическом нагружении, вопросы влияния податливых опор на их прочность и деформативность для обеспечения взыровоустойчивости зданий и сооружений остаются малоизученными.

1.1. Кратковременные динамические нагрузки на сооружения

Динамическая нагрузка характеризуется быстрым изменением во времени ее интенсивности, направления или области приложения и вызывает в элементах сооружения существенные силы инерции. Такие силы необходимо учитывать совместно с другими силами, оказывающими воздействие на сооружение. Динамические нагрузки возникают при работе машин с неуравновешенными массами, соударении массивных тел, землетрясениях и т.п. [20, 158, 165, 188, 189]. По характеру действия динамические нагрузки делят на периодические и непериодические.

Методы расчета сооружений на периодические нагрузки (двигатели, генераторы, вентиляторы), циклически повторяемые неопределенное количество раз и вызывающие в конструкциях колебательные процессы, разработаны достаточно подробно. Основной причиной особого внимания, уделяемого расчету сооружений на действие периодических нагрузок, является то, что динамические нагрузки такого типа часто встречаются в практике проектирования промышленных, гражданских и транспортных сооружений.

Непериодическим нагрузкам не уделялось достаточного внимания. Однако в настоящее время в строительстве, ракетной технике и авиации все чаще встречаются нагрузки, возникающие в результате воздействия на сооружение взрывных волн или удара (падение груза на конструкции перекрытия и / или покрытия). Основной фокус настоящей работы направлен на взрывные волны, действующие на конструкции сооружения как кратковременные динамические нагрузки. В зависимости от назначения сооружения и причин действия взрыва кратковременные нагрузки могут быть эксплуатационными и аварийными. В первом случае в конструкциях не допускается возникновения деформаций, приводящих к нормальной эксплуатации сооружения. Во втором случае в конструкциях сооружений могут возникать пластические деформации и / или разрушения.

Взрывом называется процесс быстрого выделения энергии, вызванный внезапным изменением вещества или его параметров [20, 55, 152, 165]. Изменение состояния вещества обычно возникает вследствие быстрого протекания химической или ядерной реакции. После чего происходит разрушение стенок паровых котлов, баллонов со сжатым воздухом и т.п. Взрыв паров, твердых веществ и смесей горючих газов, относится к химическому превращению, основой которого является реакция горения. В результате взрыва в окружающей среде распространяются волны сжатия или ударные волны. Формирование фронта ударной волны зависит от режима горения и / или интенсивности протекания химической реакции.

В общем представлении [20, 165] различают три режима горения: нормальный, ускоренный и детонационный. В первом и втором случае фронт волны развивается с дозвуковой скоростью. При этом в окружающей среде возникают волны сжатия, характеризуемые постепенным увеличением нарастания давления. При детонационном режиме горения распространение фронта волны протекает со сверхзвуковой скоростью. В этом случае образуются ударные волны, на фронте которых происходит скачкообразное увеличение температуры, плотности и давления. Параметры волн, такие как время действия, скорость распространения,

давление и т.д. зависят от окружающей среды, расстояния от центра взрыва, источника энергии взрыва и т.п.

Характерными параметрами взрывных волн являются (рисунок 1.1.1): перепад давления на фронте ударной волны АРф, то есть превышение давления над атмосферным Ро, АРф = Рф - Ро; время фазы сжатия т+, в течении которого текущее давление в волне превышает атмосферное Р(^) > Ро; амплитуда фазы разрежения АР; длительность фазы разрежения т-.

Рисунок 1.1.1 - Изменение давления в фиксированной на местности точке во времени: АРф - избыточное давление на фронте ударной волны; АР-- максимальное давление разрежения; т+, т- - продолжительность фазы сжатия

и разрежения соответственно

Значения параметров взрывных ударных волн могут определяться из эмпирических зависимостей:

дп 0,084 0,27 0,7

ДРф = —^ + + (1.1.1)

ф Я Я2 Я3'

АР_ = -0,3/Я, (1.1.2)

Я = Я/МС. (1.1.3)

где, Я - расстояние от центра заряда, м; С - масса заряда в тротиловом эквиваленте, кг.

т+ = 1,5 X 10"3 X У~С X Мя, (1.1.4)

т_ = 0,13 Мс. (1.1.5)

Взрывные волны действуют на конструкцию как кратковременные динамические нагрузки, продолжительность действия которых может изменяться

от малых долей секунды до нескольких минут. Законы изменения нагрузки задаются аналитически или графически. Как правило, сложные законы изменения нагрузки заменяют упрощенными. Таким образом при расчете конструкций на действие динамических нагрузок наиболее часто используются следующие законы (рисунок 1.1.2):

а) б) в)

Рисунок 1.1.2 - Расчетные законы изменения во времени динамической нагрузки:

при мгновенном нарастании (а); при отражении(б); при постепенном нарастании (в), где, 0 - эффективное время действия ударной волны определяется

согласно (1.1.6) и (1.1.7)

• если максимальная деформация конструкции наступает в конце фазы сжатия или после окончания действия нагрузки:

0=-^, (1.1.6)

п + 1

• если время достижения максимальной деформации в конструкции меньше продолжительности фазы сжатия:

е = —, (1.1.7)

п

где, т+ - продолжительность фазы сжатия; п ~ 1 при ДРф < 0,05 МПа; п= 0,6У ДРф при ДРф > 0,05 МПа. Время 01 определяется зависимостями (1.1.8) и (1.1.9):

• для расчетных законов (рисунок 1.1.2, а, б):

(4 Н/Оф

е1 = тпЬ/дГ (1Л.8)

• для расчетного закона (рисунок 1.1.2, в):

22

ех = зя*/Аф,

(1.1.9)

где, Н - высота сооружения; Ь - ширина здания в направлении ортогональном направлению действия динамической нагрузки; Н* - меньшее из значений Н и Ь / 2; Эф - скорость движения фронта ударной волны:

Зависимости, описывающие мгновенно возрастающие, а затем убывающие нагрузки (рисунок 1.1.2, а, б), используются при расчетах конструкций на действие воздушных ударных волн (проходящих и отраженных): нагрузки типа а - для конструкций покрытий и боковых стен сооружения, б - для конструкций фронтальных стен сооружения. Нагрузки типа в (рисунок 1.1.2) принимают для расчета конструкций, находящихся на тыльной стороне сооружения, в замкнутом пространстве при затекании в него взрывной волны через проемы.

1.2. Предельные состояния железобетонных конструкций и способы их

На основании актуальных нормативных документов расчет железобетонных конструкций при действии статических нагрузок выполняется по предельным состояниям первой и второй группы. В соответствии с предельными состояниями накладываются ограничения на возникающие в конструкции усилия и деформации в процессе ее нагружения. Железобетонные конструкции, подверженные кратковременным динамическим воздействиям не являются исключением.

В конструктивных элементах при статическом нагружении, наступление предельного состояния по прочности характеризует достижение III стадии напряженно-деформированного состояния (НДС) в наиболее нагруженном сечении, что сопровождается разрушением конструкции в результате развития чрезмерных деформаций. Особенностью конструкций, воспринимающих кратковременное динамическое нагружение, является то, что достижение III

(1.1.10)

нормирования

стадии НДС не всегда приводит к разрушению конструкции, так как величина полной нагрузки со временем уменьшается и происходит постепенная ее разгрузка. При этом в конструкции могут развиваться существенные пластические деформации. Вместе с тем напряжения сжатой зоны бетона не достигают предельных значений.

При расчете несущих элементов зданий и сооружений на воздействие кратковременных динамических нагрузок по первой группе предельных состояний выделяют предельные состояния 1а, 1б и 1в [152, 154]. Состояние 1а - предотвращает потерю способности к дальнейшей эксплуатации здания; 1б -предотвращает потерю способности к сохранению безопасности людей и дорогостоящего оборудования; 1в - предотвращает полное разрушение здания.

Состояние 1а устанавливается для конструктивных элементов, в которых не допускается невозвратных деформаций, что свидетельствует о работе конструкции только в условно-упругой стадии. Для внецентренно сжатых и изгибаемых непереармированных конструктивных элементов с пластическим разрушением состояние 1а характеризуется достижением напряжений в растянутой арматуре, соответствующих динамическому пределу текучести. Данное предельное состояние допускает возникновение остаточных деформаций в том случае, если арматура работает только в упругой стадии, а деформации сжатого бетона находятся на восходящем участке диаграммы деформирования, т.е

— — "ТГ"", гЬ —^-Ь,и. (1.2.1)

В отдельных, наиболее напряженных сечениях, растянутая арматура которых имеет пластические деформации, могут возникать шарниры пластичности. Однако расположение и число таких шарниров не должно превращать конструкцию в механизм. Для внецентренно сжатых и изгибаемых конструкции с хрупким разрушением по состоянию 1а допускается работа только в упругой стадии.

При расчете железобетонных конструктивных элементов по предельному состоянию 1б принимается, что бетон работает на нисходящем участке диаграммы деформирования, а в растянутой арматуре возникают невозвратные деформации.

Однако, для предотвращения возможности отказа конструкции или обрушения здания в целом должно соблюдаться следующее условие:

£5 ^^.т-, Ч — £-Ь,т.. (1.2.2)

Невыполнение условия (1.2.2) ведет к наступлению состояния 1в, т.е если £5 >£5,ш происходит обрыв арматуры или в случае еь >ЕЬ т происходит разрушение сжатого бетона.

С целью обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации зданий и сооружений, в конструкциях которых возникли предельные состояния 1б и 1в, необходимо производить замену вышедших из строя конструктивных элементов.

1.3. Прочностные и деформативные свойства бетона при статическом и кратковременном динамическом нагружении

Работа бетона как материала с изотропными характеристиками и нелинейной зависимостью деформационных свойств от напряжений изучается длительное время. Эти исследования в связи со сложностью процессов деформирования материала при действии совокупности факторов вызывают особый интерес. Несмотря на обильное количество экспериментально-теоретических исследований, направленных на изучение свойств бетона, неоднозначными остаются вопросы, относящиеся к применению расчетных зависимостей при определении тех или иных характеристик материала.

Описанию диаграмм деформирования посвящены работы Ю.М. Баженова [7], В.Н. Байкова [9], О.Я. Берга [18], В.М. Бондаренко [22 - 23], А.Б. Вальта [26], Г.А. Гениева [36-38], Н.И. Карпенко [87, 89, 90], А.П. Кириллова [94], В. М. Митасова [130, 131], Н.Н. Попова [152, 154 - 157], Б.С. Расторгуева [164], В.А. Рахманова [169, 171], А.В. Яшина [224] и др.

Как отмечалось ранее, важность исследования поведения бетона обуславливается созданием актуальных методик расчета бетонных

и железобетонных конструкций с использованием реальных диаграмм деформирования материалов. Результаты многочисленных экспериментов свидетельствуют на то, что зависимость между деформациями и напряжениями для бетона можно описать графически (рисунок 1.3.1).

На представленной диаграмме выделяют три участка: упрочнение, разупрочнение и разрушение материала. При нагружении сжатого бетона на первом участке работа протекает в упругой области деформаций и деформаций ползучести с линейной зависимостью - уплотняется структура без нарушения сплошности. Дальнейшее нагружение до напряжений Я£,сгс нарушает сплошность материала, в результате появления микротрещин, наличие которых возможно установить применением приборов ультразвукового контроля.

Рисунок 1.3.1 - Общий вид диаграммы деформирования бетона при статическом

нагружении

Условную границу образования микротрещин О.Я. Берг [18] предложил оценивать по характеру изменения деформаций бетона когда:

где Л£2 - приращение поперечной деформации; Ае2- приращение продольной деформации.

Область

(1.3.1)

При увеличении напряжений до Rbicrc происходит процесс разупрочнения бетона, сопровождающийся развитием микротрещин и пластических деформаций. Эти процессы вызывают появление нелинейной ползучести в материале. После достижения деформаций предельного значения гт бетон разрушается.

Границы микротрещинообразования характеризуются долей напряжений от предела прочности в следующих пропорциях:

R°biCrc = (0,15...0,25)Rb, (1.3.2)

К.сгс = (0,85.. .0,95)Rb. (1.3.3)

Стоит отметить, что ниспадающая ветвь диаграммы сильнее выражена у бетонов с небольшой прочностью. При этом фиксация ниспадающей ветви возможна лишь при испытании конструкций с постоянной скоростью деформирования de/dt = const. Испытание бетона с постоянной скоростью нагружения do/dt = const не позволяет получить полную диаграмму деформирования, так как при достижении максимальных напряжений происходит быстрое исчерпание несущей способности материала.

В зависимости от решаемых задач и требуемой точности допускается не учитывать в расчетах ниспадающий участок деформирования. Такой подход регламентируется действующей нормативной документацией [187]. В качестве рабочих диаграмм, связывающих напряжения с деформациями тяжелого, мелкозернистого и напрягающего бетона, приведены упрощенные двухлинейная и трехлинейная диаграммы Прандтля (рисунок 1.3.2). Вместе с тем, для аппроксимации полных диаграмм деформирования бетона существуют зависимости в виде экспоненты, дробно-рациональных функций, полиномов второй, третьей, пятой степени, тригонометрических рядов и сплайн-функций.

Диаграммы деформирования «o — £» в основном получают в результате испытания контрольных образцов. При этом в ряде испытаний отмечалась зависимость физико-механических характеристик бетона от множества факторов: технология изготовления, вид бетона, скорость нагружения, сложное напряжённо

деформированное состояние, стесненность развития деформаций, влияние продольной и поперечной арматуры и др. Однако влияние перечисленных факторов на жесткостные и прочностные свойства бетона при статическом и кратковременном динамическом воздействии (КДВ) неодинаково. Известно, что влажность понижает прочность бетона, но при действии КДВ наблюдается ее увеличение.

а) б)

Рисунок 1.3.2 - Упрощенные диаграммы Прандтля для бетона: трехлинейная (а), двухлинейная (б) (обозначения соответствуют [187])

Исследования бетона при действии высоких скоростей нагружения показали, что качественная картина деформирования бетона при КДВ коррелирует со статическим воздействием. Общий вид диаграммы сохраняется: отмечаются восходящие и нисходящие участки деформирования. Отличие заключается лишь в координатах параметрических точек о и £.

Изменённые координаты параметрических точек обусловлены задержкой развития микротрещин и запаздыванием неупругих деформаций. Для образования сплошных трещин отрыва требуется условно-длительный процесс образования трещин и достижение в материале определенных предельных деформаций. В связи с запаздыванием пластических деформаций в бетоне при высоких скоростях нагружения фактическое напряжение, соответствующее деформации отрыва, при кратковременном динамическом воздействии оказывается выше, чем при статическом.

Большинство работ, посвященных исследованию прочности бетона, выполнено при одноосном сжатии / растяжении. В реальных конструкциях бетон находится в состоянии многоосного нагружения. Это влияет на прочностные и деформационные характеристики, в том числе и на нижнюю и верхнюю границу трещинообразования. В работе [216] данные величины предложено определять:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мещеулов Никита Владимирович, 2020 год

// / / // // / /

2

А

3 \ 4 Время, сек

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

б)

2000

1600

1200

800

400

ев « со 2 Л/

ев X

//////////

3 А 4

\ I V- 5ремя, сек

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 Рисунок 2.3.4.4 - Диаграмма изменения динамической реакции опор в зависимости от их жесткости; абсолютно упругая (жесткая) опора (1); податливая опора, работающая в упруго пластической с отвердением стадии (2); момент перехода податливой опоры в стадию отвердения (А); податливые опоры, работающие в упруго пластической стадии (3, 4).

Опоры, работающие в упруго пластической стадии (рисунок 2.3.4.4, а, б-3, 4), в зависимости от своей жесткости (рисунок 2.3.3.3, в, г), существенно отличаются друг от друга динамической реакцией. По мере увеличения пластической составляющей таких опор, происходит увеличение времени реакции.

Так, например для опоры длиной 120 мм (рисунок 2.3.4.4, б - 4 и 2.3.3.3, в), по отношению к опоре длиной 1600 мм (рисунок 2.3.4.4, б - 3 и 2.3.3.3, г), произошло увеличение времени динамического сопротивления в 2,66 раза, что говорит о более пластичной работе первой. Вместе с тем опора большей длины не исчерпывает весь потенциал пластических свойств (рисунок 2.3.4.2), в то время как опора меньшей длины практически соприкасается внутренними поверхностями кольца (рисунок 2.3.4.3). Стоит отметить снижение максимального значения динамической реакции (рисунок 2.3.4.4, б - 3, 4) с 407 кН соответствующие опоре длиной 1600 мм до 288 кН для опоры длиной 120 мм, что составляет 29,2 %.

Сопоставляя работу опор в упругопластической стадии (рисунок 2.3.4.4, б - 4) с опорами работающими в стадии отвердения (рисунок 2.3.4.4, б - 2), установлено снижение динамической реакции системы в 6,4 раза.

Анализируя работу податливых опор (рисунок 2.3.4.4, а - 2, 3, 4) по отношению к абсолютно упругой (жесткой) опоре (рисунок 2.3.4.4, а - 1) можно установить существенное снижение динамической реакции системы. Так например для упругопластической опоры (рисунок 2.3.4.4, а - 4), относительно жесткой (рисунок 2.3.4.4 а - 1) снижение составило 23,4 раза. Для упругопластической с отвердением опоры, относительно жесткой, снижение динамической реакции составило 6,62 раза. Вместе с тем стоит отметить увеличение времени динамической реакции для податливых опор относительно жёстких (рисунок 2.3.4.4, а - 1). Время деформирования для опор, работающих в стадии отвердения и в пластической стадии составило 0,009 и 0,012 сек., когда для жестких опор - 0,0005 сек, что соответственно на 94,4 и 95,8 % меньше.

2.4. Выводы по второй главе

1. Выполнены численные исследования на основе сформированной физико-математической модели, базирующейся на методе конечных элементов и описывающей работу податливых опор в виде вставок кольцевого сечения

в условиях сложного напряженно-деформированного состояния с учетом их физического, геометрического и контактного нелинейного поведения при статическом и кратковременном динамическом нагружении.

2. Установлено, что деформирование податливых опор при статическом и кратковременном динамическом нагружении носит схожих характер и описывается тремя стадиями деформирования (упругая, пластическая, стадия отвердения).

3. Предложена расчетная функция сопротивления податливых опор и зависимости для определения жесткости вставок кольцевого сечения для каждой из рассматриваемых стадий их работы.

4. Эффект от использования податливых опор достигается за счет увеличения времени их динамической работы и особенности пластического деформирования кольцевого сечения ввиду образования шарниров пластичности.

5. Показано, что опоры работающее в пластической стадии являются наиболее энергоэффективными по отношению к жестким. Снижение динамической реакции составляет 95,6 %. При этом увеличение времени деформирования достигает до 95,8 %.

6. Совокупность полученных экспериментально и в результате численных исследований данных, позволяет судить о высокой степени эффективности податливых опор в виде вставок кольцевого сечения при воздействии на них кратковременной динамической нагрузки по сравнению с традиционными абсолютно упругими (жесткими) опорами. Таким образом можно считать возможным использование данных податливых опор для увеличения динамической прочности изгибаемых и сжато-изгибаемых железобетонных конструкций.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1. Задачи экспериментальных исследований. Программа экспериментов

В настоящее время, результаты исследований в области применения податливых опор для защиты конструкций подверженных динамическим нагрузкам большой интенсивности, представлены малочисленным количеством опубликованных работ. Имеющиеся экспериментальные и теоретические исследования свидетельствуют не только о положительном, но и об отрицательном влиянии податливости опорных закреплений на динамическую реакцию железобетонных изгибаемых конструкций. Вместе с тем, анализ исследований динамической прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых конструкций на податливых опорах, показал, что вопрос продольного обжатия в них не рассматривался.

Для изучения влияния продольного обжатия на прочность и деформативность наклонных сечений проведены экспериментальные исследования железобетонных сжато-изгибаемых конструкций при действии поперечных кратковременных динамических нагрузок с учетом податливости опор. Были изготовлены и испытаны сорок сжато-изгибаемых конструкций с относительным пролетом среза а = 2Ио. При действии статической нагрузки испытаны шесть образцов, с уровнем продольного обжатия N = 0; 0,2Мпах; 0,4Мпах, где Мпах = ЯьпЬИ. При действии кратковременной динамической нагрузки проведено тридцать четыре испытания, в которых по мимо варьирования уровнем продольного обжатия N = 0; 0,2^ах; 0,4^ах, изменялись стадии деформирования податливых опор (жесткая -условно не деформируемая; упругая; упругопластическая и упругопластическая с отвердением). При этом рассматривали динамическое деформирование сжато-изгибаемых конструкций для двух предельных состояний. Первое - состояние 1а,

работа поперечной арматуры рассматривается в области упругих деформаций (напряжения менее 00,2). Второе - состояние 1б, деформации поперечной арматуры превышают значения, соответствующие условному пределу текучести стали и наблюдается разрушение сжатой зоны бетона над критической наклонной трещиной. Программа исследований представлена в таблице 3.1.1.

Шифр образца указывает на условия испытания конструкции. Индексы (С) и (Д) в обозначении, говорят о том, что балка испытана статической или динамической нагрузкой соответственно. Следующие за ним буквы обозначают стадию динамического деформирования опоры: (Ж) - жесткая (условно не деформируемая); (У) - упругая; (УП) - упругопластическая; (УПО) -упругопластическая с отвердением. Цифра указывает относительный уровень продольного обжатия. Верхний индекс в шифре свидетельствует о предельном состоянии, в котором сработала конструкция: (у) - состояние 1а; (п) - состояние 1б.

Так, например, опытный образец БДУП-02(п) расшифровывается следующим образом: образец испытан динамической нагрузкой (состояния 1б), на податливых опорах, сработавших в упругопластической стадии, уровень продольного обжатия составлял N = 0,2^ах.

Задачи экспериментальных исследований заключались в следующем:

1. Получить данные о прочности и деформативности наклонных сечений сжато-изгибаемых конструкций при действии кратковременной динамической нагрузки на разной стадии деформирования податливых опорных устройств;

2. Установить влияние продольного сжимающего усилия на прочность изгибаемых конструкций по наклонным сечениям при однократном динамическом воздействии с учетом разных условий работы податливых опор;

3. На основе результатов экспериментальных исследований дать оценку достоверности расчетов, выполненных по разработанному методу.

Экспериментальные исследования проводились в Научно-образовательном центре «Испытание строительных материалов и конструкций» Томского государственного архитектурно-строительного университета в период с 2012 по 2016 год.

Таблица 3.1.1- Программа экспериментальных исследований

Условия испытания

Статическое нагружение

Динамическое нагружение

Уровень обжатия

N = 0

N = 0,2Мт

N = 0,4Жт

N = 0

N = 0,2Мт

N = 0,4Мт

Схема испытаний

Шифр образца

о ш

о ■

и ш

о ■

и ш

ш

о ■

С

Ш

О

с

щ

о

Ш

о

I

с:

ш

о

I

О С

ш

о й Ш

о

Ш

о

I

С

&

ш

Количество

2 / 2*

2 / 2*

2 / 2*

2 / 2*

2 / 2*

Стадия работы конструкции

я я

а а

к и

с с

е е

ч ч

и к

т н

с с

а а

л л

п п

о о

г и

у

р р

п п

у у

ая

к с е ч и т с а л п о

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

ая

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

ая

к с е ч и т с а л п

о я м ае ки осн

с <и Й «

с ^ ^ Г н

усв ат

плот

Стадия работы опоры

я «

а ев

к И

т н

с о

ж *

я «

а ев

к И

т н

с о

ж К

ая

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

о

г

ая

к т с

ая

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

с

я м . й 2

осн

«

с ^ ^ Г н

усв ат

плот

ая

к т с

ая

г у

р

п

у

о

г у

р

п

у

ая

к с е ч и т с а л п

*

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

* — = ЯЬп х Ь х к ; ** — указывает на количество образцов испытанных в упругой(у) / упругопластической стадии(п)

3.2. Опытные образцы и их конструирование

Железобетонные образцы балочного типа изготовлены из бетона марки М-400, размерами: длина 2000 мм, ширина 100 мм, и высота 200 мм. Армированы балки пространственным каркасом (рисунок 3.2.1, а, б). Поперечное армирование выполнено из двух стержней холоднодеформированной арматуры класса Вр500 диаметром 3 мм (условный предел текучести 00,2 = 565 МПа) с шагом 50 мм в приопорной зоне и 100 мм в середине пролета.

Рисунок 3.2.1 - Армирование экспериментальных образцов: схема армирования (а); общий вид пространственного каркаса (б)

Продольное армирование выполнено из горячекатаной стержневой арматуры класса А240, 206 мм = 0,28 %) в сжатой зоне элемента и горячекатаной стержневой арматуры класса А500, 2018 мм (^ = 2,55 %) в растянутой зоне. Физико-механические характеристики арматурной стали определялись на электромеханической экспериментальной установке INSTRON-3382 (рисунок 3.2.2) и автоматизированной разрывной гидравлической машине МР-500 (рисунок 3.2.3) в соответствии с ГОСТ 12004-81. Диаграммы деформирования поперечной и продольной арматуры приведены на рисунке 3.2.4 и в таблице 3.2.1.

Рисунок 3.2.2 - Испытание холоднодеформируемой арматуры Вр500: электромеханическая экспериментальная установка INSTRON-3382 (а); испытываемый образец (б); разрушение образца (в)

Опытные образцы изготовлены из тяжелого бетона идентичного состава компонентов по массе 1: 1,5: 3 (цемент: песок: щебень), плотностью р = 2500 кг / м3 при водоцементном отношении Ж / С = 0,5. Изготовление бетонной смеси производилось на основе портландцемента по ГОСТ 30515-2013 марки ЦЕМ I 42,5Б, Топкинского завода с пределом прочности на сжатие Я = 46,8 МПа, щебня с фракцией 5...20 мм и предварительно промытого и высушенного карьерного песка. Укладка бетонной смеси производилась после ее тщательного

перемешивания в бетоносмесительной установке в течение пятнадцати минут (рисунок 3.2.7).

а) б) в)

Рисунок 3.2.3 - Испытание горячекатаной стержневой арматуры А500: автоматизированная разрывная гидравлическая машина МР-500 (а); испытываемый образец (б); разрушение образца (в)

Таблица 3.2.1 - Физико-механические характеристики арматурной стали после испытания в соответствии с ГОСТ 12004-81

Вид арматуры Диаметр, мм Предел текучести Оу (00,2), МПа Временное сопротивление Ои, МПа Относительное удлинение, %

А240 (Ст3СП) 6 235,0 370,0 24.. .27

А500 (Ст3СП) 18 490,0 590,0 13.. .15

Вр500 (Ст3СП) 3 565,0 695,0 2,9.3,0

Одновременно с бетонированием балок производилась укладка бетонной смеси контрольных образцов в виде шести кубов с размером ребер 100 мм; трех кубов с размером ребер 150 мм и четырёх призм размерами 100 х 100 х 400 мм.

а) 800

700 600 500 400 300 200 100 0

б) 700 600

500

400

300

200

100

0

Об, МПа Вх еменное сопротив пение (а> ), МПа

\

--- Разрыв ?

/ /\Уы 10ВНЫЙ п >едел тек ^чести (о «), МПа

/ 1 1

/ 1

/ 1

/ / / /

/ 1 / 1 1 65, %

0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 2. 4 2. 8 3.

- о МПа В! 1СМСННОС сопротив ЛСНИС (а! ), МПа

\

- Разрыв /

\ Фи31 гаеский г редел те! :учести (с .у), МПа

- 1 1 85, %

10 12 14 16

Рисунок 3.2.4 - Диаграммы деформирования арматуры: холоднодеформируемая класса Вр500 диаметром 3 мм (а); горячекатаная стержневая класса А500

диаметром 18 мм (б)

Процесс укладки бетонной смеси производился с уплотнением посредством виброрейки и глубинного вибратора. Разопалубливание конструкций осуществлялось на четвертые сутки после бетонирования. Твердение бетона происходило в увлажненном состоянии при температуре 20 ± 2 °С в течение 28 календарных дней после бетонирования. Кубиковая и призменная прочность определялись с использованием гидравлического пресса П-250 (рисунок 3.2.5) согласно ГОСТ 10180-2012 в момент испытания опытных балок.

Диаграмма продольного и поперечного деформирования бетона при осевом статическом нагружении приведена на рисунке 3.2.6.

Рисунок 3.2.5 - Определение прочностных характеристик бетонных образцов: гидравлический пресс П-250 (а); образцы во время испытания (б), (г); разрушение

образцов (в), (е); призма (б), (в); куб (г), (е)

га С < К

о £ « Л е св П/Д Попер! ' дефор( :чные 1ации

1 Ч \ Про; дефс 10льные рмации

1 ~> /

/ /

1 1 1 . I 0 / Д гформа! ,ии, ед.о д. *105 1 1 1

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 Рисунок 3.2.6 - Диаграмма деформирования бетона (призма)

Рисунок 3.2.7 - Рабочее пространство перед укладкой бетонной смеси

Перед проведением экспериментальных исследований, конструкции были побелены гашеной известью, после чего, на боковой поверхности каждого из образцов - нанесены проекции осей поперечной и продольной арматуры с целью упрощения визуальной фиксации и анализа трещинообразования (рисунок 3.2.8).

Рисунок 3.2.8 - Общий вид экспериментальных образцов

3.3. Методика статических и динамических испытаний

Перед испытаниями, на балках был установлен комплекс измерительных приборов (рисунок 3.3.1 и рисунок 3.3.2): деформации арматуры и бетона регистрировались датчиками деформаций (тензорезисторы) 5П1-10-200-Б-12 измерительной базой 20 мм (R = 201 +/- 0,1 Ом) на поперечной арматуре и 5П1-50-300-Б-12 измерительной базой 50 мм (R = 308 +/- 0,1 Ом) на бетоне.

После присоединения выводных проводов, тензорезисторы покрывались гидроизоляционным слоем, приготовленном на основе эпоксидной смолы.

Измерение приращения длины податливых опор при деформировании производилось при помощи специально разработанного устройства (патент на полезную модель РФ: № 176603), основанного на базе прогибомеров WayCon SL50-G-SR, измерение прогибов различных участков конструкции осуществлялось прогибомерами WayCon SL150-G-SR. Фиксация нагрузки при статических испытаниях производилась при помощи манометра системы «масляная станция-домкрат». Измерение величины нагрузки и опорных реакций при кратковременном динамическом нагружении производилось силоизмерительным устройством ДСТ 4126, ускорение различных участков конструкции регистрировались акселерометрами Tokyo Sokki Kenkyujo corporation, ARE-100000A.

Фиксация и обработка данных измерительных приборов осуществлялась при помощи системы электронно-вычислительного оборудования MIC300M и MIC400D. Комплекс электронно-измерительного и вычислительного оборудования (рисунки 3.3.1 и 3.3.2), является сертифицированным и поверенным высокоточным инструментом промышленного уровня, предназначенного для осуществления измерений при кратковременных динамических воздействиях с частотой сьемки показаний до v = 64 кГц.

Размещение измерительного оборудования осуществлялось в соответствии с расчетной схемой (рисунок 3.3.3) экспериментальных исследований и характером

деформирования и разрушения изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций по наклонным сечениям (рисунок 3.3.4).

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рисунок 3.3.1 - Электронно-измерительные приборы: датчик деформаций

5П1-10-200-Б-12 (тензорезистор) с базой 20 мм (а); датчик деформаций 5П1-50-300-Б-12 с базой 50 мм (б); устройство для измерения перемещения опоры (в); прогибомер WayCon SL50-G-SR (г); силомер ДСТ 4126 (д); датчик ускорений - акселерометр Tokyo Sokki Kenkyujo corporation, ARE-100000A (е)

Рисунок 3.3.2 - Комплекс электронно- вычислительного оборудования: М1С300М (слева); MIC400D (справа)

Рисунок 3.3.3 - Расчетная схема экспериментальных балок

Датчики деформаций поперечной арматуры и бетона располагались в зоне предполагаемого образования и развития критической наклонной трещины, и проходящей между внешним краем грузовой и внутренним краем опорной площадок. Датчики ускорений и перемещений были размещены в зоне чистого изгиба под грузовой площадкой и равномерно в пролете балки с шагом 300 мм.

Испытание образцов на действие статической нагрузки осуществлялось по схеме однопролетной шарнирно опертой балки с загружением конструкций в двух сечениях на расстоянии а = 2ко на разработанном и изготовленном стенде (патенты на полезную модель РФ: № 145007; № 152733) (рисунок 3.3.5). Испытываемый образец 2, устанавливался на динамометрические опоры 5, обеспечивающие шарнирное опирание и жестко закрепленные на силовом полу 1. При помощи гидравлического домкрата 6, мощностью пятьдесят тонн, посредством системы горизонтальных тяжей 9 и упорных траверс 10, производилось нагружение, фиксация и выдержка продольного сжимающего усилия. Данное усилие составляло

0 %, 20 % и 40 % от разрушающего (Атах = ЯьпЬИ) и прикладывалось по геометрическому центру поперечного сечения элемента.

Рисунок 3.3.4 - Схема расположения тензорезисторов на поперечной арматуре (а) и бетоне (б); общий вид расположения тензорезисторов на поперечной арматуре (в) и бетоне (г); схема расположения прогибомеров (ПР-1.. .ПР-5), акселерометров (А-1.А-5), динамометрических опор (ДОП-1... ДОП-2) и силомера (С-1) на экспериментальном образце

Поперечная нагрузка прикладывалась симметрично в двух сечениях на расстоянии а = 2Ио от опор. Создавалась нагрузка посредством гидравлического домкрата 3, мощностью пятьдесят тонн, и передавалась на конструкцию через распределительную траверсу 7 и вертикальную раму, состоящую из тяжей 11,

зафиксированных в силовом полу 1 и упорной траверсы 4. Нагружение конструкций производилось этапами по 6,4.. .16 кН с выдержкой по 8-10 мин. на каждом этапе.

Рисунок 3.3.5 - Стенд для испытаний сжатых конструкций поперечной статической нагрузкой. Схема (а); общий вид (б); 1 - силовой пол; 2 - образец; 3 - гидродомкрат поперечной нагрузки; 4 - силовая траверса; 5 - динамометрическая опора; 6 - гидродомкрат продольного усилия; 7 - распределительная траверса; 8 - пружина; 9 - горизонтальные тяжи; 10 - упорные траверсы; 11 - вертикальные тяжи

Величина прикладываемого усилия фиксировалась по показаниям предварительно протарированного манометра системы «домкрат - масленая станция».

Экспериментальные исследования сжато-изгибаемых конструкций на действие поперечной динамической нагрузки выполнялись на специально разработанном и изготовленном стенде-копровой установке (патенты на полезную модель РФ: № 161908; № 152647, Евразийский патент на изобретение: № 027864) (рисунки 3.3.6 и 3.3.7).

Рисунок 3.3.6 - Схема стенда для испытаний сжатых конструкций поперечной кратковременной динамической нагрузкой: 1 - силовой пол; 2 -образец; 3 - груз; 4 - силомер; 5 - динамометрическая опора с установленной податливой вставкой;

6 - гидродомкрат;7 - распределительная траверса;8 - пружина;

9 - горизонтальные тяжи; 10 - упорные траверсы; 11 -вертикальные направляющие; 12 - податливая опора

Динамическое нагружение осуществлялось путём свободного падения груза 3 по вертикальным направляющим 11. Нагрузка на образец передавалась в двух сечениях в соответствии с расчетной схемой (рисунок 3.3.3), посредством

распределительной траверсы 7. В приопорной зоне располагалась податливая опора 12.

Согласно предварительных расчетов балок на действие однократной динамической нагрузки и анализа деформирования идентичных конструкций на действие статической нагрузки, масса груза была принята 265 кг, высота его падения 150 мм для случая, в котором рассматривается работа поперечной арматуры в области упругих деформаций (состояние 1а) и 650 мм для случая деформирования образцов при работе поперечной арматуры, выходящей за условный предел текучести арматурной стали (состояние 1б).

Рисунок 3.3.7 - Общий вид испытательного стенда на действие кратковременной

динамической нагрузки (а); размещение измерительного оборудования (б); устройство опорного закрепления на динамометрической опоре (вид сверху) (в)

С целью исключения отскока образцов после динамического воздействия и получения более достоверных данных о сопротивлении железобетонных

конструкций при динамическом воздействии, предварительно была произведена фиксация балок на опорах, исключающая вертикальное перемещение конструкций, но допускающая их поворот на опоре (рисунок 3.3.7).

3.4. Результаты экспериментальных исследований сжато-изгибаемых конструкций при статическом нагружении

Характер деформирования, трещинообразования и разрушения опытных образцов по наклонным сечениям представлен на рисунках 3.4.1-3.4.11. Диаграммы прогибов конструкций представлены на рисунках 3.4.4, 3.4.7 и 3.4.10.

Для каждого образца было зафиксировано одновременное появление нормальных и наклонных трещин, однако порог трещинообразования зависел от уровня продольного обжатия. а) б)

Рисунок 3.4.1 - Разрушение образца по наклонному сечению. Сдвиг блоков разделенных наклонной трещиной (а); разрыв поперечной арматуры пересекаемой наклонной трещиной (б)

Все исследуемые конструкции разрушились по сечению, наклонному к продольной оси элемента. Стоит отметить что во всех случаях разрушение носило хрупкий характер и наступало в момент достижения в поперечной арматуре

напряжений, превышающих временное сопротивление арматурной стали, что приводило к образованию шейки и разрыву стержней, вследствие чего происходил сдвиг двух частей экспериментального образца, разделенного магистральной наклонной трещиной (рисунок 3.4.1).

—180-X ■х оГ Pu=160 кН

Тр -2

Тр-4

—80— Т H—

>3 341) 21,, 240 -■Г р

Гл?' Гр-5 С,

Т8 |Т5 и» jpr Т2 Î pli

Рсгс=25.6 кН

—о- е* 105

■50 0 50 100 150 200 250 300 350