Статико-динамическое деформирование железобетонных элементов конструктивных систем с косвенным армированием при особых воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Фан Динь Гуок

• Фан Динь Гуок
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Фан Динь Гуок

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Способы обеспечения защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения при внезапных аварийных воздействиях

1.1 Текущая ситуация по проблеме прогрессирующего обрушения зданий и сооружений

1.2 Методы проектирования защиты от прогрессирующего обрушения

1.2.1 Метод контроля событиями (event control)

1.2.2 Метод косвенного проектирования (indirect design)

1.2.3 Метод прямого проектирования (direct design)

1.3 Анализ исследований фрагментов конструкций зданий для проверки параметров их живучести

1.3.1 Анализ экспериментальных исследований

1.3.2 Другие методы защиты прогрессирующего обрушения зданий и сооружений

1.4 Прочностные и деформативные характеристики материалов при расчете на статико-динамические воздействия

1.5 Обзор методов расчета зданий и сооружений на устойчивость к прогрессирующему обрушению

1.6 Обзор исследований деформирования железобетонных конструкций с косвенным армированием

1.7 Краткие выводы, цель и задачи исследований

ГЛАВА 2. Определение параметров диаграмм деформирования и параметров живучести железобетонных рамных систем с косвенным армированием при режимном нагружении

2.1 Диаграмма «напряжения -деформации» бетона и «момент - кривизна» изгибаемого элемента с косвенным армированием

2.2 Параметры диаграммы «момент-кривизна» при статико-динамическом деформировании

2.3 Предельные напряжения (деформации) железобетонного элемента с косвеннам армированием

2.4 Расчет параметра живучести железобетонных рам с элементами дополнительно армированными косвенной арматурой

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования образцов призм и железобетонных рам с косвенным армированием при особом воздействии

3.1 Объекты, цель и задачи экспериментальных исследований

3.2 Методика экспериментальных испытаний бетонных образцов с косвенным армированием

3.3 Методика экспериментальных испытаний монолитных железобетонных рам с косвенным армированием

3.3.1 Конструирование и изготовление опытных образцов

3.3.2 Методика проведения испытаний

3.4 Результаты экспериментальных исследований монолитных железобетонных рам на живучесть

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Численные исследования статико - динамического деформирования железобетонных элементов и конструкций с косвенным армированием

4.1 Особенности моделирования задач расчета

4.2 Анализ поведения обычных образцов бетона и образцов бетона с косвенным армированием при сжатии

4.3 Поведение железобетонной каркасной конструкции с косвенным армированием при действии статико-динамических нагрузок

4.4 Пример расчета статико-динамического деформированя железобетонной неразрезной балки с косвенным армированием

4.5 Исследование монолитных железобетонных каркасов многоэтажных зданий и железобетонных рам, моделирующих фрагменты таких каркасов в запредельных состояниях, вызванных особыми воздействиями

4.6 Предложения по защите железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения

4.7 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Статико-динамическое деформирование железобетонных элементов конструктивных систем с косвенным армированием при особых воздействиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы во всем мире участились воздействия природного, техногенного и даже террористического характера. Такие особые воздействия на здания и сооружения до недавнего времени не учитывались нормами проектирования, тем не менее эти воздействия не редко приводили к повреждениям несущих конструкций, иногда вызывали и обрушение отдельных частей, а в некоторых случаях и всего сооружения. Поэтому во многих странах мира, в том числе и в России, для повышения механической безопасности зданий и сооружений, сохранения жизни и здоровья, находящихся в них людей разработаны и введены в практику проектирования нормативные документы нового поколения по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения при таких воздействиях.

В научных публикациях рассматривались и решены отдельные задачи, связанные с этой проблемой, изучены ряд новых особенностей напряженно деформированного состояния конструкций зданий и сооружений при таких воздействиях, вызывающих в конструкциях особые запредельные состояния. Рассматривались и конструктивные системы железобетонных каркасов многоэтажных зданий из обычных и предварительно напряженных конструкций. Изучение деформирования, разрушения и живучести железобетонных рам и рамно-стержневых каркасов зданий с элементами косвенного армирования при обозначенных особых воздействиях не проводилось.

Степень разработанности темы исследования. Задачи живучести сооружений в запредельных состояниях и методы их защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения составляют новое направление в исследованиях строительных конструкций и решении общей проблемы их механической безопасности. Решением задач этого направления одними из первых в мире еще в 90-е годы прошлого столетия, начали заниматься российские ученые такие, как В.А. Алмазов, В.М. Бондаренко, В.Н. Байков, Г.А. Гениев, В.А. Гордон, О.В. Кабанцев, Н.И. Карпенко, Э.Н. Кодыш, В.И. Колчунов, С.Б.

Крылов, Б.С. Расторгуев, А.Г. Тамразян, В.И. Травуш, Н.Н. Трекин, А.Р. Туснин, Г.И. Шапиро, В.С. Федоров, Н.В. Федорова и др. Среди зарубежных исследований можно отметить работы H.M. Elsanadedy, X. Lu, P. Ren, M. Tsai, J. Yu, J.L. Gross, W. McGuire и др. На основе исследований этих и других авторов был получен ряд новых научных результатов в отношении безопасности зданий и сооружений, в том числе и в случае особого или аварийного воздействия. Однако эти результаты позволяют решить только отдельные задачи механической безопасности и живучести конструктивных систем зданий и сооружений. Исследование статического и динамического деформирования железобетонного каркаса, армированного одновременно обычной и косвенной арматурой, под действием аварийной нагрузки не проводилось.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование деформирования и разрушения железобетонных элементов конструктивных систем с косвенным армированием в запредельных состояниях, вызванных особыми воздействиями и развитие элементов теории живучести таких конструктивных систем.

Принятая научно-техническая гипотеза. Полагается, что введение косвенного армирования в наиболее напряженные зоны изгибаемых элементов железобетонных каркасов зданий с изменяющимися силовыми потокоми существенно влияет на деформативные, прочностные и диссипативные характеристики сечений этих элементов в запредельных состояниях.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- обзор и анализ современного состояния исследований по проблеме живучести и безопасности железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем зданий и сооружений;

- обзор и анализ современного состояния исследований деформирования косвенно армированных железобетонных конструкций;

- разработка методики расчета косвенно армированных железобетонных элементов при их статико-динамическом деформировании;

- разработка методики и выполнение экспериментальных исследований по оценке несущей способности и деформативности косвенно армированных железобетонных элементов конструктивных систем, находящихся в запредельных состояниях, вызванных особым воздействием - внезапным удаления из системы одной из конструкций;

- разработка алгоритма и выпонение численного анализа живучести железобетонных косвенно армированных рамно-стержневых конструктивных систем при внезапном выключении из работы одного из элементов;

- оценка эффективности и достоверности предложенных методики и алгоритма расчета и разработка рекомендаций по защите от прогрессирующего обрушения железобетонных конструктивных систем многоэтажных зданий.

Объектом исследования являются железобетонные элементы в составе монолитных конструкций, армированные одновременно обычной и косвенной арматурой в условиях особого воздействия.

Предмет исследования являются параметры статико - динамического деформирования сечений конструктивных систем с косвенным армированием в предельных и запредельных состояниях.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке методики и получении новых экспериментальных данных по определению параметров живучести фрагментов монолитного железобетонного каркаса с косвенным армированием;

- построении аналитических зависимостей для определения параметров живучести железобетонных монолитных рамно-стержневых конструктивных систем с косвенным армированием при внезапном выключении одного из несущих элементов;

- разработке алгоритма и проведении численных исследований параметров живучести железобетонных монолитных рамно-стержневых конструктивных систем с косвенным армированием.

Теоретическая значимость работы. Предложенные аналитические зависимости для определения параметров живучести железобетонных монолитных рамно-стержневых конструктивных систем с косвенным армированием при внезапном выключении одного из несущих элементов и подтвержденные экспериментально позволяют установить особенности режимного статико-динамического деформирования, трещинообразования и разрушения таких конструктивно нелинейных систем в запредельных состояниях при внезапном изменении их напряженно-деформируемого состояния.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложенная методика и алгоритм расчета железобетонных рамных систем с косвенным армированием на живучесть может быть использована при разработке методов защиты таких конструкций от прогрессирующего обрушения.

Методология и методы исследования. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования основаны на фундаментальных положениях строительной механики и механики железобетона, а также на физико-механическом и численном моделировании исследуемых железобетонных конструктивных систем при статическом и высокоскоростном динамическом нагружениях.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты анализа современного состояния исследований по проблеме живучести и безопасности железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем зданий и сооружений;

- построенные криволинейные и линеаризованные диаграммы деформирования косвенно армированного бетона;

- методика и алгоритм расчета деформирования, разрушения и параметра живучести железобетонных рам с косвенным армированием при внезапном удалении в них одного из элементов, с учетом трещинообразования и нелинейной работы материала;

- методика и результаты экспериментальных исследований параметров деформирования и разрушения железобетонных рам с косвенным армированием после внезапного удаления одного из вертикальных элементов;

- результаты численного статико-динамического анализа деформирования и разрушения конструкций железобетонных рам с косвенным армированием элементов после внезапного удаления одной из конструкций, а также рекомендации по защите железобетонных конструкций рассматриваемого типа от прогрессирующего обрушения.

Личный вклад автора в научные результаты, полученные в данной работе, включает выбор тематики и методов исследования, сбор и анализ ранее проведенных исследований по рассматриваему направлению, разработка программы проведения экспериментальных испытаний, обработка и анализ результатов исследований, разработка расчетных моделей и методики по расчета параметров деформирования и живучести монолитных железобетонных рам с косвенным армированием при особом аварийном воздействии.

Обоснованность и достоверность научных положений базируется на использовании общепринятых допущений строительной механики и теории железобетона, с экспериментальной проверкой отдельных гипотез на железобетонных фрагментах рамно-стержневых конструкций и сопоставлением полученных данных с результатами теоретических и экспериментальных исследований автора, других ученых.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований Фан Динь Гоуком опубликованы в 11 научных работах, в том числе 4 из них опубликованы в центральных научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 - в изданиях индексируемых в Scopus, 1 опубликована в других научных журналах и изданиях и др. Получено два патена РФ.

Внедрение результатов работы. Элементы научных исследований были внедрены в учебный процесс Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ, г. Курск), а также использованы ООО КРЫМСПЕЦПРОЕКТом при

решении проектных задач при проектировании железобетонных каркасов многоэтажных зданий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили поддержку на научно-технических мероприятиях, среди которых: семинар молодых ученых в рамках XXIII Международной научной конференции «Строительство — формиро-вание среды жизнедеятельности» (Вьетнам, г. Ханой, 23-26 сентября 2020 г.), президентский форум и Международный консорциум архитектурно-строительных университетов «Один пояс - один путь» (Beit and Road Architecturai Univwrsity International Consortium - BRAUIC), IX Международная научная конференция «Задачи и методы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» («Золотовские чтения», 25-26 августа 2021 года), посвященная 100-летнему юби-лею НИУ МГСУ, International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2021, научно-практический семинар, посвященном 95 - летию со дня рождения д.т.н., заслуженного деятеля науки России чл. корр. РААСН Г.А. Гениева «Прочность и деформативность строительных кон-струкций в условиях новых вызовов» (НИУ МГСУ 21 января 2022 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 176 страницы, включающей 87 рисунков и 14 таблиц. Количество источников использованной литературы - 203, в том числе 78 зарубежных источника. Количество приложений - 1.

ГЛАВА 1. Способы обеспечения защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения при внезапных аварийных воздействиях

1.1 Текущая ситуация по проблеме прогрессирующего обрушения зданий и

сооружений

Наряду с развитием науки и технологий, в области строительства все более высокие требования предъявляются к безопасности масштабу, эффективности использования, полезности и эстетике в этой сфере. Параллельно с этим потенциальные проблемы и риски в процессе проектирования, строительства и эксплуатации возникают всегда.

Это ставит новые задачи перед учеными и инженерами-строителями при проектировании и обеспечении безопасности строительных конструкций. Одна из важнейших при этом задач - обеспечить безопасность и минимизировать риск возникновения прогрессирующего обрушения конструкции.

До настоящего времени, для термина «прогрессирующий обрушения» можно найти различные определения, и соответствующая терминология до сих обсуждается в литературе, о чем говорится ниже. Некоторые авторы отвергают термин «прогрессивный», поскольку почти все структурные сбои включают в себя определенную степень прогрессирования, и предпочитают термин «несоразмерный» [134]. Последнее, однако, остается довольно расплывчатым, если нет количественной оценки. Тем не менее, все определения разделяют общее, хотя и не всегда четко выраженное количественно, понятие непропорционального окончательного ущерба по отношению к начальному запускающему событию. Ниже приводится несколько определений, которые можно найти в документах и стандартах по смягчению последствий прогрессирующего обрушения.

- Стандарт ASCE 7-05 определяет прогрессирующее обрушение как «распространение начального локального разрушения элемента к элементу, которое в итоге приводит к обрушению всей конструкции или непропорционально большой ее части» [133];

- Национальный институт стандартов и технологий США предлагает профессиональному сообществу принять следующее определение: «прогрессирующее обрушение - распространение локального ущерба от исходного события от элемента к элементу, что в конечном итоге приводит к обрушению всей конструкции или непропорционально большей его части, известное также как непропорциональный коллапс » [133];

- Еврокоды не содержат отдельного отдельного стандарта для прогрессивного обрушения, но включают это явление в стандарты случайных действий. В нем определение устойчивости дается как «способность конструкции противостоять таким событиям, как пожар, взрывы, удары или последствия человеческой ошибки, без повреждения в степени, несоразмерной исходной причине» [140];

- Управление общих служб США в Руководстве по анализу и проектированию прогрессивного обрушения, выпущенном в 2003 г [148], определяет прогрессирующее обрушение как «ситуацию, когда локальный отказ основного структурного компонента приводит к обрушению соседних элементов, что, в свою очередь приводит к дополнительному обрушению. Следовательно, общий ущерб несоразмерен первоначальной причине».

Из приведенных определений мы принимаем концепцию прогрессирующего обрушения, когда один из конструктивных структурных элементов внезапно выходят из строя независимо от причины (природного и техногенного характера), и затем здание последовательно разрушается, каждое перераспределение нагрузки вызывает, в свою очередь, разрушение других структурных элементов, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия (геометрической неизменяемости), в котором часть если не вся конструкция, обрушится.

Особые воздействияя - это воздействия, которые в большинстве своем не учитываются в традиционных стандартах проектирования для различных типов конструкций. Это воздействия, вызванные взрывом газа, взрывом бомбы, столкновением транспортного средства, ошибкой проектирования конструкции и

т. J.L. Gross [147] обобщил и классифицировал аномальные нагрузки по следующим причинам (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Основные причины прогрессирующего обрушения

Прогрессирующее обрушение конструкций обычно непропорционально. То есть он характеризуется диспропорцией между небольшим запускающим событием и результирующим обрушением большей части или даже всей конструкции. Хотя диспропорция между причиной и следствием является общей чертой, существуют различные механизмы коллапса, которые приводят к такому результату. Соответственно может варьироваться возможность концептуальной, теоретической и вычислительной обработки. Возможности, способствующие обрушению, возможные или предпочтительные меры противодействия, а также пригодность индексов для количественной оценки устойчивости и сопротивления обрушению также будут зависеть от механизма обрушения. Наконец, разные виды конструктивных структур подвержены разным механизмам разрушения.

Рассматривается пять основных типов механизмов обрушения показаны на следующем (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Основные типов механизмов обрушения

Обрушение по вертикальному направлению. Примером этого типа является обрушение башен Всемирного торгового центра (Рисунок 1.4а) (WTC) (Нью-Йорк, США, 2001 г.). Удар самолета и последующие пожары привели к первоначальным повреждениям и привели к локальным сбоям в местах падения самолета. Последующая потеря й несущей способности по вертикальному направлению была ограничена несколькими этажами, но в конечном итоге распространилась по всему поперечному сечению каждой башни. Верхняя часть конструкции начала опускаться и накапливать кинетическую энергию. Последующее столкновение с нижней частью, которая все еще оставалась неповрежденной, вызвало удар большой силы, который вышел далеко за рамки как расчетной, так и фактической резервной несущей способности конструкции. Этот удар, таким образом, привел к потере несущей способности по вертикальному направлению и по всей площади плана башни в зоне удара. Отказ прогрессировал таким же образом и привел к полному прогрессирующему обрушению всего здания [129-131, 141]. Были предложены также противоположные объяснения этой аварии [136, 137], но они не нашли всеобщего признания. Механизм обрушения по вертикальному направлению имеет характерные особенности (Рисунок 1.3).

у м - Начальная локальная потеря несущей способности по

о н вертикальному направлению.

ь - Отрыв и вертикальное падение частей конструкции.

ка и ю •Т— - Преобразование гравитационной потенциальной энергии в

т р и н е кинетическую энергию.

е в л в - Удар отделившихся и падающих частей о оставшуюся

о п а р —► конструкцию.

е и ЬН ап н - Потеря несущей способности по вертикальному направлению в

н е м остальной конструкции из-за ударной нагрузки.

ш у о - Развитие отказа (прогрессирующего обрушения) в вертикальном

р б О направлении.

Рисунок 1.3 - Характерные особенности обрушения по вертикальному

направлению

Во время обрушения башен ВТЦ было замечено, что перекрытия упали раньше,

чем колонны периметра и ядра здания 2. Даже после обрушения части внешней стены и ядра жесткости остались неразрушенными (см.Рисунок 1.4б). Следовательно, разрушение соединений между этажами и колоннами и разрушение перекрытий, по-видимому, преобладали во время развития вертикального прогрессирующего обрушения. Это открытие противоречит основному предположению Бажанта и др [129-131] о том, что вертикальное разрушение прогрессирует из-за прогрессирующего разрушения колонны, что ставит под сомнение их объяснение обрушения башен Всемирного торгового центра. С другой стороны, возникновение разрушения, по-видимому, больше связано с потерей устойчивости положения верхней части здания и «короблением» колонн по периметру от крена здания .

Рисунок 1.4 - Общий вид разрушения Всемирного торгового центра, 2001-США

Обрушение типа «застежка-молния. Некоторые типичные аварии с таким типом обрушения были зарегистрированы, например обрушение моста через пролив Такома, США, в 1940 году. Первоначально причина была изучена и определена как разрушение из-за вибрационного резонанса конструкции моста со штормовым ветром. При этом все отклоненя параметров превысили допустимые значение, потому что амплитуда колебаний увеличивалась. Подвески моста разрушились из-за чрезмерных перемещений балки моста, вызванных ветром [186], вся балка отслоилась от подвесок и подвесных тросов и упала (Рисунок 1.5)

Рисунок 1.5 - Обрушение моста Tacoma Narrows Bridge, вызванное вибрациями

от ветра (Tacoma, WA, USA, 1940)

Из только что приведенного примера, обрушение типа «застежка-молния» связано с исходным выходом из строя натяжных элементов. Однако это не всегда является обязательным условием. Прежде чем идентифицировать дальнейшие возможные сценарии обрушения типа «застежка-молния», уточняются некоторые характеристики этого типа прогрессирующего обрушения. Механизм обрушения типа «застежки-молнии» имеет следующие характерные особенности (Рисунок 1.6)

-а

е

т

с

а

з

«

у »

п я

и и

т н

о п л о м

е

и

н

е

ш

у

р

б

О

Рисунок

- первоначальное выключение из работы несущего элемента или

участка.

- Перераспределение усилий воспринимаемых до выключения этими элементами на оставшиеся неразрушенными элементы конструктивной системы.

- Возникновение дополнительной динамической (импульсной) составляющей нагрузки с величиной, зависящей от скорости выключения элемента из работы.

- Динамический отклик оставшихся неразрушенными элементов конструкции

- Возникновение новых значений усилий на участках, смежных с выключенными из работы, в том числе с изменением знака их действия.

- Превышение предельных значений критериев предельного состояния и выключение из работы этих элементов или отдельных областей.

- последовательное выключение из работы участков в направлении, поперечном действующим усилиям до разрушения.

.6 - Характерные особенности обрушения по типу «застежка-молния»

Первоначально и постепенно выходящие из строя элементы или области могут быть отдельными структурными элементами, такими как подвески, анкерные стержни или колонны, или определенными областями структурных компонентов, такими как потенциальные зоны разрушения при продавливании и сдвиге в плоских железобетонных плитах. Характерными чертами схлопывания типа «застежка-молния» являются перераспределение сил по альтернативным путям нагрузки, импульсная нагрузка из-за внезапности отказа и концентрация статических и динамических сил в элементах или областях, следующих за разрушением.

Распространяющее действие при схлопывании типа «застежка-молния» - это внутренняя сила, высвобождаемая в результате разрушения структурных элементов или областей и перераспределяемая в остальной конструкции. Его можно представить и смоделировать в виде двухэтапной процедуры следующим образом. Во-первых, внутренняя сила в вышедших из строя элементах или областях до разрушения прикладывается к двум сторонам разорванных секций как внешние силы. Это оставляет состояние системы практически неизменным, поскольку две стороны разорванного участка все еще совпадают. Затем к двум

сторонам разорванных участков дополнительно прилагается отрицательное значение этих сил. Таким образом, четыре искусственно приложенных внешних силы нейтрализуются, и состояние системы изменяется, чтобы адаптироваться к состоянию разрыва. При внезапном отказе отрицательные внешние силы второй ступени применяются как ступенчатые импульсные нагрузки, и результирующий отклик конструкции определяется с помощью динамического анализа. Потеря несущей способности, приводящая к первоначальному отказу, может быть отложена, а не внезапна, в частности, когда она вызвана коррозией или пожаром. Тем не менее, полный первоначальный отказ, который в конечном итоге происходит при исчерпании несущей способности, обычно происходит не медленно, а с определенной степенью внезапности [194] и это следует учитывать.

Обрушение в виде эффекта домино. В 2013 году в результате пожара обрушился 270-метровый деревянный эстакадный железнодорожный мост в округе Лампасас, штат Техас. Как можно увидеть на захватывающем видео, весь мост постепенно обрушился в продольном направлении (Рисунок 1.7). Развитие отказов характеризовалось складыванием стоек эстакады на середине их высоте, опрокидыванием и ударом о следующую соседнюю эстакаду, в результате чего она также складывается и переворачивается.

Рисунок 1.7 - Обрушение эстакады в результате пожара (округ Лампасас, штат

Техас, США, 2013 г.)

Рисунок 1.8 - Обрушение опор воздушных линии электропередачи по типу домино, вызванное обледенением (Мюнстерланд, Германия, 2005 г.)

Другой случай, демонстрирующий большинство характерных особенностей, рассматриваемого типа разрушения - это прогрессирующее обрушение опор воздушных линий электропередачи, которое время от времени происходило в ряде стран, иногда в чрезвычайно большом масштабе [195]. Во время такого инцидента недалеко от Мюнстера, Германия, в 2005 году обледенение мокрым снегом на линиях электропередач привело к обрушению 82 опор (Рисунок 1.8) [157].

Основные свойства рассматриваемого типа обрушения показаны на Рисунок 1.9

- Первоначальное опрокидыван ие одного элемента (т.е. одного элемента

о К домино).

о - Падение этого элемента при угловом движении твердого тела вокруг

нижнего края.

о £ - Преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую

и энергию.

т С-г —► - Боковой удар верхнего края опрокидывающегося элемента о боковую грань

О с соседнего аналогичного элемента.

и к - Горизонтальная толкающая сила, вызванная ударом, имеет как статические,

ж и в так и динамические составляющие, так как она является результатом как

Л ю О наклона, так и движения ударного элемента.

- Опрокидывание соседнего элемента из-за горизонтальной толкающей силы

от ударного элемента.

Рисунок 1.9 - Характерные свойства типаобрушения под эффектом домино

Еще одно интересное свойство следует из приведенного перечня характерных свойств. Кинетическая энергия замедляемых элементов в значительной степени преобразуется в кинетическую энергию ускоренных элементов (при условии, что зоны воздействия или промежуточные элементы не выходят из строя до того, как эта передача энергии будет завершена). Это может означать относительно простую вычислимость реакции конструкции и хорошую предсказуемость в отношении развития отказа для данного начального состояния движения.

Обрушение из-за потери устойчивости. Разрушение конструкции из-за нестабильности характеризуется небольшими возмущениями (дефекты, боковая нагрузка), ведущими к большим перемещениям, деформациям или обрушению. Конструкции проектируются таким образом, чтобы нарушения устойчивости положения обычно не возникало. Обычно это достигается за счет предоставления дополнительных структурных компонентов, которые укрепляют конструкцию. Когда конструкция ограничена нарушением статической устойчивости при нормальных нагрузках, скрепленные или усиленные части конструкции являются несущими элементами во время сжатия, и такое нарушение устойчивости называется «короблением».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фан Динь Гуок, 2022 год

- -

хэремя! с 1 1 . 1 . 1 . 1 . х 1

10

8

6 -

2 0

-2 - /=0,00 (КЖ11) 1 -й этаж

-4 - /=0,00 (КЖ11) 2 -ой этаж

6 - /=0,00 (КЖ11) 3 этаж

-8 - /=0,0078 (КЖ12) 1 й этаж

-10 - /=0,0078 (КЖ12) 2 ой этаж

-12 - /=0,0078 (КЖ12) 3 этаж

-14 - /=0,0177 (КЖ13) 1 й этаж

-16 - /=0,0177 (КЖ13) 2 ой этаж

-18 - /=0,0177 (КЖ13) 3 этаж

0.10

0.15

0.20 а)

0.25

0.30

0.10

0.15

0.25

Время(с) 0.30

Рисунок 4.13 - Зависимость «прогиб - время» для элементов рамы при ^ = 0,01с выключении из работы средней колонны: а - в пролетных сечениях ригелей 1-го этажа; б - над удаляемой колонной в разрушенном узловом сечении в месте

выключения колонны

4

14 12 10 8 6 4 2

0 -

Время разрушения средней колонны: 0,02с

0.10

0.15

10

0.20

0.25

0.30

Время разрушения средней колонны: 0,02с

-2 - =0,00 (РЖ21) 1 й этаж

- 4 - =0,00 (РЖ21) 2 ой этаж

-6 - =0,00 (РЖ21) 3 этаж

-8 - =0,0078 (РЖ22) 1 й этаж

-10 - =0,0078 (РЖ22) 2 ой этаж

12 - =0,0078 (РЖ22) 3 этаж

-14 - =0,0177 (РЖ23) 1 й этаж

-16 - =0,0177 (РЖ23) 2 ой этаж

-18 - =0,0177 (РЖ23) 3 этаж

Время(с)

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

а) б)

Рисунок 4.14 - Зависимость «прогиб - время» для элементов рамы при ^ = 0,02с выключении из работы средней колонны: а - в пролетных сечениях ригелей 1-го этажа; б - над удаляемой колонной в разрушенном узловом сечении в месте

выключения колонны

8

6

4

2

0

14 12 10 8 6 4 2 0

Время разрушения средней колонны: 0,03с

Время разрушения средней колонны: 0,03с

Ю

О а с

-ц=0,00 (РЖ31) -ц=0,0078 (РЖ32) -ц=0,0177 (РЖ33)

Время(с)

2 - ^=0,00 (РЖ31) 1-й этаж

4 - ц=0,00 (РЖ31) 2-ой этаж

6 - ^=0,00 (РЖ31) 3 этаж

8 - ^=0,0078 (РЖ32) 1-й этаж

10 - ^=0,0078 (РЖ32) 2-ой этаж

12 - ^=0,0078 (РЖ32) 3 этаж

■ 14 - ^=0,0177 (РЖ33) 1-й этаж

16 - ^=0,0177 (РЖ33) 2-ой этаж

18 - ^=0,0177 (РЖ33) 3 этаж

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.10

0.15

0.20

0.25

Время(с)

0.30

а) б)

Рисунок 4.15 - Величина прогиба при мгновенном = 0,03с) выключении из работы средней колонны: а - в разрушенном узловом сечении в месте выключения колонны а) в пролетных сечениях ригелей

Анализируя результаты прогибов в сечении над удаленной колонной за тот же период времени, получаем, что прогиб уменьшается по мере увеличения количества косвенной арматуры. Так, при динамическом времени 0,01с прогиб уменьшается на 7,9% при динамическом времени 0,01с (см.Рисунок 4.13), при

8

6

4

2

0

динамическом времени 0,02с - на 8,4% (см.Рисунок 4.14), при динамическом времени 0,03с - на 9,4% (см.Рисунок 4.15). Кроме того можно видеть, что при использовании косвенного армирования уменьшаются амплитуда колебаний и время колебаний конструкции при воздействии особых нагрузок. Приведенные

выше результаты еще раз показывают нам эффективность использования косвенного армирования, когда конструкция подвергается особым воздействиям.

Был выполнен также анализ прогиба в зоне удаления средней колонны при

одинаковом количестве косвенной арматуры, и варьировании времени отказа.

Результаты анализа приведены на рисунке 4.16.

а) б)

Коэффициент косвенного армирования /=0,0177 16 —|-"--"--"--"--

в) 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Рисунок 4.16 - Зависимость между прогибом и временем ^ = 0,01-0,03с: а) при

^=0,0; б) ^=0,0076; в) ^=0,0177

Когда время удаления колонны увеличивается с 0,01с до 0,03с прогиб балок уменьшается следующим образом: 16,1% - при ¡и=0,0; 21,3% - при ^=0,0076;

17,3% - при и =0,0176 Это еще раз подтверждает вывод о том, что когда сооружение подвергается особому ударному воздействию динамическое догружение его элементов возрастает с уменьшением времени этого воздействия.

Алгоритм и пример расчета статико-динамического деформированя железобетонной неразрезной балки с косвенным армированием.

Для численного анализа были приняты исходные данные (см.Рисунок 4.17,а): бетон класса В40, рабочая надопорная арматура 2025 класса А500, нижняя арматура 2010 класса А500. Размеры сечения балки 250x160 мм. Характеристики материалов: Яь = 22МПа; Еь = 36000МПа; £Ъи = 3,5.10 3 ; ^ = 435МПа ;

А = 9,82.10-4м2; £ии = 2,18.10_3 ; ЯС = 435МПа; АЛс = 1,57.10"*м2; ^ = 415МПа ; и = 0,026, Н = 70мм; с = 30мм; с = с2 = 15мм; аЛ = 40мм ; аЛС = 25мм.

' Л ,Ху С 12 Л ЛС

Пролеты балки равны соответственно \ = 2000мм, 12 = 1000мм. Распределенная

нагрузка на балку q = 150 кН / м.

а) а\ а„ . а-а

л-3

-4 . 2 .

ш

111111111111111

С;

Л1

а'

4

ПППШШШШШШГ* ^

0 1 I 2 1

С) \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\гч

•ч

о

о о •ч

и- Ь

о

Ф

м м м

{

1.л-1

1,4.1

1,я

__ У ~ ---------

0 —-------- 1А 2

¡1 12

Рисунок 4.17 - К расчету двухпролетной железобетонной балки с двойным армированием и косвенной арматурой в сжатой зоне в виде сеток с шагом 70 мм

Для решения сформулированной задачи по определению параметров статико-динамического деформирования железобетонного элемента

рассматриваемой конструкции балки в предельном и запредельном состояниях используем энергетический подход [26] и положения теории пластичности бетона и железобетона Г.А. Гениева.

Для статического участка диаграммы деформирования бетона с косвенным армированием 0 - а - Ь, можно принять линеаризованную билинейную зависимость вида:

при 0 <£ь <£

Ь 23

при 23 <3Ь <3

Ь 23

<Ь =£ЬЕЬ ,

( - \ 0.4 £ь £ь23 + 0.6

(4.11)

(4.12)

0 23 &Ъп £>ЬЗЗ &ЬЗ

Рисунок 4.18 - Линеаризованная диаграмма «<7Ь - бь » статико - динамического

деформирования бетона

Построение динамического участка диаграммы деформирования бетона с косвенным армированием 2 - 3 выполнено использованием зависимостей [28]. Определение динамической прочности сжатого бетона, усиленного сетками косвенного армирования, Я%3, может быть выполнено по аналогии с задачей определения динамической прочности неармированного бетона [68, 104], полагая

что как и для статического участка диаграммы «<Ь - £Ь» физико-механические

процессы в таком армированном бетоне могут быть представлены деформационной моделью теории пластичности Г.А Гениева. Тогда связь между интенсивностью относительных деформацией у, относительным динамическим пределом прочности р и временем динамического воздействия £ представляется нелинейным дифференциальным уравнением вида [26, 28]:

ду

— + у

' 1 -1Л

2

у=|р, (4-13)

2

где при одноосном напряженном состоянии сжатого бетона с косвенным армированием значение относительных параметров у, р и £ определяются выражениями:

Sb аь е

У = —, р = R-, % = , (4.14)

Sb03 Rb3

Здесь ю= —; G0 - длительный модуль сдвига бетона, г/1 - коэффициент h

вязкости бетона, определяемый экспериментально.

Поскольку на статико-динамической диаграмме нами рассматривается участок динамического догружения уже нагруженного бетона, опытные данные по определению параметра ю, опытные данные для такого режима нагружения получены в главе 3. Как показал анализ этих данных, в первом приближении для количественного анализа динамической прочности армированного бетона можно использовать среднее значение этого параметра для тяжелых бетонов [28]. В рассматриваемой задаче решение уравнения (4.13) нас будет интересовать при р > 1. Принимая в качестве начальных условий у = 0 и £ = 0, запишем:

у = р/[(1 + (р-1)1/2) X (ctg(р-1)1/2 )0.5£]. (4.15)

Решая (4.13), при <;=£d, с использованием деформационного критерия предельного состояния армированного бетона у = 1, несложно установить связь между динамическим пределом прочности бетона, армированного косвенной арматурой и предельно допустимым временем динамического воздействия, т.е

времени от начала времени приложения динамического догружения (точка Ь) на диаграмме оъ - еъ до разрушения бетона (см.Рисунок 4.18, точка с):

2агс^у1 ра -1

4 =■

у/р* -1

(4.16)

где: р* - Я^/ Я

Ъ3

Значение предельной прочности бетона с косвенным армированием (ЯЪ3) в первом приближении согласно исследованиям [192] может быть определено по формуле:

ЯЪ3 -

1 -Р:

ху

+

'е1 -Р Л2

ч1/2

ху

+ 9р

ху

Рху -¥ъЛху

У

Я

Я

Я

(4.17)

(4.18)

В формулах (4.17) и (4.18) приняты следующие обозначения: и Яъ -соответственно расчетное сопротивление стержней косвенного армирования и расчетное сопротивление сжатию бетона; /иху - коэффициент косвенного

армирования, определяемый по [104]; у/ь - коэффициент неравномерности обжатия бетонного ядра, зависящий от формы поперечного сечения.

Определив значение предельной прочности бетона с косвенным армированием можем перейти к определению предельного линамического МП-момента в рассматриваемой конструкции балки нагруженной внешней статической нагрузкой и особым воздействием в виде внезапного удаления опоры 2 и уменьшения ее статической неопределимости на единицу (п-1) с учетом мгновенного приложенния опорной реакции Я2 с обратным знаком.

Пусть в произвольном сечении I - го железобетонного элемента с косвенным армированием нагруженной конструктивной п=1 раз статически неопределимой балки (Рисунок 4.18), напряжение в произвольной точке сжатой зоны бетона равны значению а'1'п. Это напряжение может быть вычислено статическим

расчетом конструктивной системы при заданном уровне распределенной нагрузки. Напряжение <<п_1 - это напряжение в том же сечении, но в п-1 раз

статически неопределимой системе если бы ее переход из системы п в систему п-1 происходил бы постепенно, т.е. медленно. При мгновенном изменении статической неопределимости конструктивной системы в ее элементах возникает динамический эффект и, соответственно, приращения напряжений в рассматриваемой сжатой зоне бетона достигающих значений на диаграмме _1.

Известно [26], что максимальное приращение этих напряжений в рассматриваемом i - том железобетонном элементе произойдет на первой полуволне после начала колебаний железобетонного элемента.

Как было показано в работе [26] уровень потенциальной энергии для произвольного i - го железобетонного элемента, измеряя его на диаграмме относительно точки статического равновесия <<п_1 определяется выражением:

Ф(еь )-< ^Еь. (4.19)

0

Условие постоянства удельной энергии i - го железобетонного элемента приводит к следующему соотношению для искомого значения <Ъ!п_1 или е'11п_1 (см. Рисунок 4.18):

Ф {<_1) _ Ф {<) = <_1 «1 _ «). (4.20)

Аналитическое выражение (4.19) означает равенство площадей криволинейной трапеции е*ь[п , Ъ,е, е^ и прямоугольника е^п, й, / еЪуп_1, общим

участком для которых является площадь фигуры е*ь[п , Ъ, g, f, _1.

Таким образом, действительное значение деформации е^ соответствует равенству площади треугольников и /е^.

Для рассматриваемого линейного участка диаграммы работы бетона Ъ-с, при

_ 1

^ _ ]Ъ3 Ъп _ ^ ^ ч _ 1Т7й 2

ЕЪ --—п , <Ъп -ЕЕЪ и Ф(Е) - 2 ЕЪ Е .

ЕЪ33 Еъп 2

Зависимость (4.20) в напряжениях может быть записана в виде:

1

2[«-i)2 -(<)2] = <-iKU ), (4.21)

< =<-i -<. (4.22)

откуда следует выражение:

^ п—1 '"*' п—1 '"*' п

Для количественной оценки этого динамического эффекта, возникающего в железобетонной конструкции из физически нелинейного хрупкого материала-косвенно армированного бетона выполним следующие преобзазования.

Пусть ломаный участок динамического нагружения сжатого бетона на диаграмме «<гь — £ъ» о а Ь описывается нелинейной зависимостью второго

порядка: £ъ = (оъ / Б)2, где В - некоторая константа.

Тогда, следуя (4.19) можно записать:

eh

Ф (sb) = \a( sb) dsb=\ (< )2 ds = -Be'32 = <B2, (4.23)

0 0

2

B

.[«-1)3 -(O- ] = <-!(<-!"<), (4.24)

. ____ .. . .. . ___ . _d

или

3

а зависимость (4.20) принимает вид:

2[(<d (_st \3 | _st г _d

^«J3 - «)3] = « - <). (4.25)

Приняв соотношение между напряжениями в сжатом бетоне в сечении А-А <п-11 <П в первом приближении таким же как и соотношение между моментами

Msb[n-11 МП (Рисунок 4.17), т.е в рассматриваемом конкретном примере равным

1,67 и решая уравнение (4.25) относительно искомого напряжения ст£п -1 получим

°Ь,п -1=1,29 <b n-1.

В случае линейной зависимости на участке b c динамического догружения сжатого бетона «<b - sb» (см.Рисунок 4.18), при том же соотношении между

<n-11 <П получим:

<ь,( n-1) = 2< = 1,33 <n-1. (4.26)

Используя приведенные аналитические зависимости (формулы (4.17) и (4.18)), определим значение предельной прочности бетона с косвенным армированием сетками:

Rb3 =

1 - 0,196

(( 1 - 0,196 Y

2025 А500

20Ю / , ^

А500 ^ 4 С>W50°

Рисунок 4.19 - Схема распределения деформаций (s) и напряжений (а) по высоте

расчетного сечения балки А-А

Значения динамической прочности армироваанного бетона R¿3 определим приняв, согласно [28], значение w=n * 10-2 сек-1 и продолжительность динамического воздействия td =10-2 сек-1 . Используя уравнения (4.16) получим pd =1,38 и, соответственно Rdb3=1,38*34,11=47.07 МПа.

Определив расчетные параметры статико-динамической диаграммы для расчетного сечения А-А по значениям предельных деформаций на наиболее сжатой грани £b2=3.5*10-3 и < = Rs , вычислена высота сжатой зоны в рассматриваемом рсчетном сечении А-А : х=130мм.

Используя гипотезу плоских сечений для распределения деформаций в рассматриваемом расчетном сечени (см.Рисунок 4.19), из условий статики вычислены напряжения по высоте сечения в сжатом бетоне и сжатой арматуре <b3 и <bc и соответственно усилия в сжатой зоне бетона и сжатой арматуре. По

вычисленным значениям напряжений получим предельный момент, воспринимаемый сечением А-А.

1

МиЫ = 2(°Ьс3 + °Ьс ) * Ь

^ /"> ^ х *

к -

х„

+ -&Ьс * Ь * (х - х. ) *

Ь * (х - хс):

К - 4 -1

/ 1г\ - — х„ — х

+ А

= 70.15 кН * м

Аналогичным образом вычисляется предельный динамический момент м^ принимая во внимание при его вычислении значения предельной динамической прочности бетона ЯЬ3 и арматуры Я^ . Его расчетное значение составило М^ =99 кН*м.

4.4 Исследование монолитных железобетонных каркасов многоэтажных зданий и железобетонных рам, моделирующих фрагменты таких каркасов в запредельных состояниях, вызванных особыми воздействиями

Объект исследования. В качестве объекта исследования был рассмотрен железобетонный рамно-стержневой каркас многоэтажного здания со смешанным армированием, включающем в себя железобетонные колонны, монолитные ригели и монолитную плиту (Рисунок 4.20). С целью повышения сопротивляемости каркаса внезапному изменению силовых потоков при удалении одной из колонн, армирование ригеля выполнено двойной арматурой и дополнительной косвенной арматурой в виде сеток, установленных в приопорных зонах ригелей (Рисунок 4.21).

а)

б)

¡! ¡1

1 I I !!

I ! I

«= ' I..... '

ШШ-Т зш

В)

©

шш

Рисунок 4.20 - Конструктивная (а) и расчетная (б) схема железобетонного каркаса здания и план типового этажа (в):1 - удаляемая колонна

а)

тттттт

5

б)

н

Рисунок 4.21 - Конструктивная система железобетонного каркаса здания (а) и разрез 1-1 (б): 1 - несущая колонна, 2 - удаляемая колонна, 3 -ригель, 4 -многопустотная плита, 5, 6 -нижняя и верхняя арматура ригеля, 7 - сварные сетки

Конструкции колонн, ригелей и плит перекрытия здания выполнены из бетона разной прочности классов В20 и В35. При расчете на особое воздействие был рассмотрен вариант воздействия в виде удаления угловой колонны на первом этаже здания.

Методика и алгоритм расчета. При расчете каркаса на особое воздействие с помощью метода конечных элементов и программного комплекса ЛИРА-САПР использовалась комбинированная модель детализации элементов каркаса, при которой нижний этаж каркаса здания вместе с зоной возможного локального разрушения моделировался объемными конечными элементами, а вышележащие этажи - стержневыми конечными элементов (Рисунок 4.22). Стыковка конструктивных элементов первого и второго этажей осуществлялась при помощи жестких вставок, аналогично, как это было показано в работе [38].

Рисунок 4.22 - Мозаика перемещения здания при смешанном армировании: при расчете по первичной схеме нагружения до удаления колонны (а) при расчете по вторичной схеме нагружения после удаления колонны (б)

Были также рассчитаны модели рам фрагментов железобетонных каркасов, для которых имеются опытные данные (см. главу 3 и работу [114]). Они представляли собой железобетонные монолитные рамы, из бетона класса В15, армированные симметрично по высоте сечения вверху и внизу продольными стержнями диаметром 6 мм, из арматуры класса А240 и поперечной арматурой из проволоки из проволоки диаметром 2 мм, класса Вр500. Помимо традиционного армирования в ригелях рамы устанавливалась косвенная арматура в виде сеток из

стержней диаметром 2 мм, класса Вр500. Все конструктивные элементы рам были приняты сечением 100х100х100мм.

Анализ результатов расчета. По результатам расчета каркаса здания по первичной и вторичной расчетным схемам, с различными вариантами армирования их ригелей (двойным армированием продольной арматурой и установкой дополнительного косвенного армирования в приопорных зонах на всю высоту сечения), были получены получены напряжения м деформации в бетоне и арматуре ригеля первого этажа над удаляемой колонной и картина разрушения элементов каркаса многоэтажного здания после удаления угловой колонны первого этажа (Таблица 4.3). Получены также картины разрушения каркаса здания для двух вариантов армирования ригелей: двойной арматурой и армирования двойной арматурой с сетками косвенного армирования (Рисунок 4.23).

Таблица 4.3 - Параметры напряженно-деформированного состояния

железобетонного каркаса здания с элементами косвенного армирования

Вариант расчета

Наименование Первичная Вторичная

расчетная схема расчетная схема

Каркас с двойным армированием ригелей

Относительный прогиб 1/91 1/5

Максимальные напряжения в сжатом бетоне, МПа -68,96 -142,12

Относительные деформации в сжатом бетоне 0,0023 0,0047

Относительные деформации в продольной арматуре Верхняя:0,00011 Нижняя: 0,0002 Верхняя: 0,014 Нижняя: 0,035

Каркас с двойным армированием и установкой дополнительного косвенного

армирования в ригелях

Относительный прогиб 1/144 1/87

Максимальные напряжения в сжатом бетоне, МПа -16,78 -23,74

Относительные деформации в сжатом бетоне 0,00056 0,00078

Относительные деформации в продольной арматуре Верхняя: 0,00012 Нижняя: 0,00028 Верхняя: 0,0016 Нижняя: 0,0031

Рисунок 4.23 - Картина разрушения элементов после удаления колонны для каркаса с двойным армированием (а) и каркаса с двойным армированием и сетками косвенного армирования в ригелях (б)

Результаты сопоставления расчетных параметров деформирования различных сечений железобетонных рам «М - ж » с опытными данными были привелены в главе 2, на рисунках 2.9 - 2.10.

Сопоставление расчетных параметров перемещений, относительных деформаций, напряжений и картин разрушения каркасов показало, что установка косвенного армирования, в комбинации с двойным продольным армированием, значительно повышает сопротивляемость каркаса многоэтажного здания особым авариным воздействиям. Подтверждением этому служит и полученные картины деформирования и разрушения нижних ригелей рам первой (а), второй (б) и третьей (в) серии (см.Рисунок 3.23).

Из приведенного анализа следует, что использование в ригелях каркасов многоэтажных зданий смешанного армирования в виде продольной арматуры в верхней и нижней зоне и косвенной арматуры в приопорных зонах может быть одним из эффективных способов повышения живучести таких конструктивных систем и их защиты от прогрессирующего обрушения.

4.5 Предложения по защите железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований деформирования и разрушения конструкций железобетонных каркасов с ригелями, армированными косвенной арматурой, позволяют сформулировать ряд предложений по защите железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения.

Ж

1—©

• —©

—©

ч I Узел А ^ ^

а) б)

Рисунок 4.24 - Схема конструктивной системы железобетонного каркаса здания (а) и план типового этажа (б): 1 - несущая колонна, 2 - удаляемая колонна, 4,5 -предварительно напряженные ригели, 9 - многопустотные плиты

Сущность предложнгия по защите железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения состоит в следующем.

Железобетонный рамный каркас выполняется в сборно-монолитном варианте и включает (см.Рисунок 4.24 - Рисунок 4.26) железобетонные колонны 1, 2 с отверстиями и оголением продольных арматурных стержней 3 в уровне диска перекрытия, сборно-монолитные предварительно напряженные в нижней сборной части ригели 4, 5, имеющие выпуски продольной обычной или предварительно напряженной арматуры 6, 7 и выпуски поперечной арматуры 8 и косвенной арматуры (сеток 12) из верхней плоскости сборной части, корытообразный профиль сборной части ригеля (сечение 2-2).

Работа представленной конструктивной системы рамного каркаса многоэтажного здания обеспечивается следующим образом. Выключение из работы при особом 2) и сборные многопустотные плиты диска перекрытия 9 с зазором между торцами плит, которые вместе с отверстиями бетона в колоннах, выпусками поперечной арматуры 8, установленной в сборной части ригеля, выпусками продольной арматуры ригелей 10, 11 и пространством между торцами плит, имеющих шпонки, замоноличены заодно.аварийном воздействии любой из колонн первого этажа здания, что приводит к резкому перераспределению силовых потоков в каркасе здания и к увеличению изгибающих моментов во всех несущих элементах каркаса здания. Отгибы рабочих ненапряженных стержней 10, 11 из сборной и монолитной частей ригеля и объединение их с рабочими ненапряженными стержнями 3 колонны, а также анкеровка обычной (преднапряженной) арматуры 6, 7 и установка в ригеле и колонне косвенного армирования в виде сеток 12, повышают прочность бетона в зоне сопряжения ригеля и колонны и обеспечивают неразрезность и совместную работу замкнутых контуров «ригель-колонна» в каркасе здания при внезапном изменении в нем силовых потоков.

Конструкции сборно-монолитных ригелей объединены в единую рамно-стержневую систему (узел А) с помощью установки в монолитной части обычных (предварительно напряженных) арматурных стержней 6, анкеровка (натяжение) которых выполнена на специальные траверсы 13, опирающиеся на

закладные детали в виде уголков 14, 15. Пространство корытообразного профиля сборной части ригеля и сборные многопустотные плиты диска перекрытия с зазором между торцами плит, которые вместе с отверстиями бетона в колоннах, выпусками поперечной арматуры 8,и косвенной арматуры установленной в сборной части ригеля, выпусками продольной арматуры ригелей 10, 11 и пространством между торцами плит, имеющих шпонки, замоноличены заодно.

Описанное сочетание всех элементов в единой сборно-монолитной рамно-стержневой системе обеспечивают совместную работу всех элементов каркаса здания при знакопеременных поперечной силе и изгибающих моментах, вызванных внезапным изменением силовых потоков от удаления любой из колонн первого этажа.

а)

б)

Рисунок 4.25 - Узел А и узел Б конструктивной системы железобетонного каркаса здания:3 - продольные арматурные стержни колонны, 6,7 - выпуски продольной обычной или предварительно напряженной арматуры, 8 - выпуски поперечной арматуры, 10,11 - ненапряженные арматурные стержни, 12- косвенное армирование (сетки); 13- траверсы, 14,15- закладные детали

Установка в ригелях и колоннах здания косвенного армирования увеличивает пластичность их деформирования, установка стержней ненапряженного и преднапряженного армирования хорошо заанкеренных в колоннах карокаса здания в монолитной части ригелей и перекрестно отгибаемых ненапряженных арматурных стержней из монолитной и сборной частей ригелей обеспечивают высокую общую пространственную жесткость сборно-монолитного

каркаса, его геометрическую неизменяемость, повышает диссипативные свойства всей конструктивной системы и, как следствие - препятствует образование в нем локальной схемы обрушения над любой из удаляемых колонн первого этажа.

/-/ 2-2 з-з

Рисунок 4.26 - Сечения элементов конструктивной системы 1-1, 2-2, 3-3

Приоритет сделанного на основании проведенных исследований предложения по защите железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения защищен патентом РФ Яи2755669С1

4.6 Выводы по главе 4

1. С использованием программного комплекса ABAQUS 2020 проведены численные исследования характерного объемного железобетонного элемента с косвенным армированием и определены напряженное состояние и расчетные параметры статико - динамического деформирования этого элемента.

2. С использованием полученных аналитических зависимостей выполнен расчет железобетонной конструкции статически неопределимой балки с косвенным армированием сжатой зоны при статико-динамическом режиме ее нагружения в предельном и запредельном состояниях.

3. Сопоставленим расчетных параметров перемещений, относительных деформаций, напряжений и картин разрушения каркасов показано, что установка косвенного армирования, в комбинации с двойным продольным армированием, значительно повышает сопротивляемость железобетонного каркаса многоэтажного здания особым авариным воздействиям. Установдлено также, что использование в ригелях каркасов многоэтажных зданий смешанного армирования в виде продольной арматуры в верхней и нижней зоне и косвенной

арматуры в приопорных зонах может быть одним из эффективных способов повышения живучести таких конструктивных систем и их защиты от прогрессирующего обрушения.

4. Разработаны предложения по защите монолитных железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения при особых аварийных воздействиях с использованием смешанного армирования ригелей.

149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования деформирования и разрушения конструкций железобетонных каркасов с ригелями, армированными косвенной арматурой, позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования деформирования и разрушения конструкций железобетонных каркасов с ригелями, со смешанным армированием: двойной арматурой и сетками косвенного армирования позволили сформулировать следующие основные результаты.

1. Анализом зарубежных и отечественных исследований установлено, что проблема обеспечения конструктивной безопасности зданий и сооружений является актуальной и широко обсуждается в мировых научных исследованиях при решении проблемы защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Показано, что способы защиты сооружений от таких воздействий с использованием элементов косвенного армирования наиболее напряженных зон ранее не изучались.

2. На основе диаграмного метода построены диаграммы деформирования железобетонного элемента с косвенным армированием для оценки динамической прочности и предельной деформативности сжатой зоны железобетонных стержневых конструкций с косвенным армированием.

3. С использованием принятых рабочих гипотез и полученных диаграмм динамического деформирования, на энергетической основе выведены аналитические зависимости для определения параметров диаграмм «момент -кривизна» в косвенно армированных железобетонных рамно-стержневых конструктивных системах при динамических эффектах, возникающих в таких системах от внезапного выключения одного из несущих элементов.

4. С использованием теории пластичности железобетона Г.А. Гениева получен вариант деформационных соотношений для определения предельной прочности (деформативности) выделенного из конструктивной системы характерного объемного железобетонного элемента, армированного во всех

трех направлениях и испытывающего одноосное напряженное состояние и объемную деформацию.

5. Проведенные экспериментальные исследования деформирования, трещинообразования и разрушения монолитных железобетонных рам с узлами, усиленными косвенным армированием и анализ полученных результатов позволили установить действительный характер изменения напряженно-деформированного состояния такой несущей рамной системы при проектных нагрузках и запроектном воздействии, вызванном удалением из работы одной из конструкций. Экспериментально подтверждены выдвинутые автором гипотезы об увеличении жесткости и пластичности конструктивной системы за счет усиления косвенным армированием узлов в монолитных железобетонных каркасах и дополнительных резервах пластического деформирования сечений железобетонных элементов. Показано увеличение не только предельной деформативности (еЬ1) сечений вследствие косвенно армированного бетона, но и возможность дополнительного роста прочности сечений железобетонных элементов за счет увеличения площади растянутой арматуры без угрозы хрупкого разрушения.

6. С использованием программного комплекса ABAQUS 2020 проведены численные исследования характерного объемного железобетонного элемента с косвенным армированием и определены напряженное состояние и расчетные параметры статико - динамического деформирования этого элемента. С использованием полученных аналитических зависимостей выполнен расчет железобетонной конструкции балки, со смешанным армированием: стержневой арматурой и сетками косвенного армирования при статико-динамическом режиме ее нагружения в предельном и запредельном состояниях.

7. Разработаны предложения по защите монолитных железобетонных конструкций каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения при особых аварийных воздействиях с использованием дополнительного косвенного армирования ригелей. Показано, что косвенное армирование в виде арматурных сеток ригелей монолитных рам, в дополнение к обычному стержневому армированию, может рассматриваться

как один из способов защиты железобетонных каркасов зданий от прогрессирующего обрушения. 8. Полученные результаты дают возможность более полно оценивать работу

рассмотренных несущих систем при критериальной оценке параметров

особого предельного состояния.

Перспективы дальнейшей разработки темы будут связаны с исследованиями силового сопротивления железобетонных каркасов многоэтажных зданий с различными вариантами косвенного армирования, комбинацией косвенного армирования и стержневой обычной и преднапряженной арматуры при решении задач живучести зданий и сооружений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пособие по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. ФАУ ФЦС, часть 1 - 2018 г., часть 2 - 2020 г., 2020.

2. Абрамов Н.М. Изучение свойств бетона в обойме. Механическая лаборатория института инженеров путей сообщения / Н.М. Абрамов // СПб. -1905.

3. Алексейцев А.В. Обзор методов и результатов экспериментальных исследований стальных и сталебетонных конструкций при особых воздействиях / А.В. Алексейцев, Н.С. Курченко // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2018. - T. 14. - № 3. - C.205-212.

4. Алмазов В.О. Сопротивление прогрессирующему разрушению: расчеты и конструктивные мероприятия / В.О. Алмазов // Вестник ЦНИИСК им. ВА Кучеренко" Исследования по теории сооружений". - 2009. - № 1. - C.179-193.

5. Алмазов В.О. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов / В.О. Алмазов, К.К. Зуй. - М.: АСВ, 2013. - 208 c.

6. Алперина О.И. Исследование сжатых железобетонных элементов с поперечным армированием / О.И. Алперина // Исследование бетона и железобетонных конструкций транспортных сооружений. Труды ВНИИ транспортного строительства.-М.: Трансжеддориздат I. - 1960. - T. 960. -C.118-150.

7. Афанасьева СА. Разрушение бетонных и железобетонных плит при высокоскоростном ударе и взрыве // Доклады академии наук. - T. 401 -Федеральное государственное бюджетное учреждение" Российская академия наук" 2005. - C.185-188.

8. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении / Ю.М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1970. - 272 c.

9. Бакиров К.К. Несущая способность сжатых железобетонных элементов прямоугольного сечения с косвенным армированием в виде сеток (При кратковременном действии нагрузки): / К.К. Бакиров - Дис. ... канд. техн. наук. M:, 1976. - 127 c.

10. Белов Н.Н. Математическое моделирование процессов динамического разрушения бетона / Н.Н. Белов, П.В. Дзюба, О.В. Кабанцев, Д.Г. Копаница, А.А. Югов, Н.Т. Югов // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. - 2008. - № 2. - C.124-133.

11. Белов Н.Н. Расчет железобетонных конструкций на взрывные и ударные нагрузки. / Н.Н. Белов, Д.Г. Копаница, О.Г. Кумпяк, Н.Т. Югов: STT Publishing, 2004.

12. Белостоцкий А.М. Численное моделирование процессов деформирования конструкций, подверженных аварийным воздействиям / А.М. Белостоцкий,

A.С. Павлов // Строительство и реконструкция. - 2015. - № 2. - C.51-56.

13. Берг О.Я. Исследование напряженного и деформированного состояния бетона при трехосном сжатии / О.Я. Берг, Г.Г. Соломенцев // Труды Всесоюзного НИИ транспорта, строительства. М. - 1969. - № 70. - C.106-123.

14. Бондаренко В.М. Экспозиция живучести железобетона / В.М. Бондаренко,