Survivability of reinforced concrete frames of multi-storey buildings with complex stress elements

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Experimental determination of the parameters of the force resistance of reinforced concrete structures aimed at protecting them from emergency beyond design impacts is an important direction in improving the safety of buildings and structures. In this connection, the purpose of the study was an experimental assessment of the deformation parameters in the complexly stressed elements of reinforced concrete frames under special impact in the form of a sudden column removal. Experimental studies were carried out for two frames, one of which was tested when removing the middle column, the second - when removing the extreme. Experimental two-span structures of reinforced concrete frames are designed with three floors in height, reinforcement was made with spatial reinforcing cages that provide resistance to torsion with bending. The results of experimental and theoretical studies of reinforced concrete frame structures under special influences and an assessment of displacements, cracking and destruction of the considered complex-stressed structural elements under such influences are presented. It is established that the type of stress state, the formation and width of crack opening significantly affect the dissipative properties of the structural system.

Full Text

Введение Вопросы создания методов по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения все более актуальны в связи с постоянным увеличением на них количества и интенсивности воздействий природного и техногенного характера, приводящих к непропорциональному отказу конструкций, а в некоторых случаях к их полному разрушению. В России и ряде зарубежных стран в настоящее время разработаны и введены новые нормативные документы по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения[2] [1]. Для их совершенствования и в развитие этого направления необходимы новые исследования, направленные на изучение силового сопротивления различных типов конструкций при таких воздействиях [2-4]. Анализируя теоретические [5-7] и экспериментальные [8-14] исследования отечественных и зарубежных ученых можно заметить, что в предлагаемых решениях по защите от прогрессирующего обрушения железобетонных рамно-стрежневых конструкций каркасов многоэтажных зданий рассмотрены простейшие напряженные состояния в конструктивных элементах: растяжение - сжатие, изгиб [8; 13], внецентренное сжатие [11; 12; 15; 16] и др. При этом следует отметить, что совместное действие изгибающего и крутящего моментов и поперечных сил относится к достаточно распространенному виду сочетания усилий, и решение задач по защите каркасов многоэтажных зданий со сложнонапряженными железобетонными элементами в запредельных состояниях от таких воздействий до настоящего времени не рассматривались. В настоящей работе представлены результаты экспериментально-теоретического исследования монолитных железобетонных рам со сложнонапряженными элементами при особом статико-динамическом воздействии, вызванном внезапным удалением средней и крайней стоек рамы. Целью исследования являлась экспериментальная оценка параметров деформирования в сложнонапряженных элементах железобетонных рам при рассматриваемых воздействиях. Методика Для решения поставленных задач разработана методика и проведены экспериментальные исследования живучести конструкций монолитных железобетонных рам двух серий при двух вариантах воздействий: РЖ-1 - рама с внезапным выключением из работы центральной стойки; РЖ-2 - рама с внезапным выключением из работы крайней стойки. Перед проведением испытаний выполнен расчет напряженно-деформированного состояния опытных конструкций рам. Расчетная схема построена на основе модели деформирования железобетонных конструктивных систем в запредельном состоянии при особых воздействиях [17; 18]. Конечно-элементная модель рамы реализована в программном комплексе ЛИРА-САПР с использованием объемных конечных элементов для двух вариантов расчетных схем. Первичная расчетная схема - при действии симметричной нагрузки в виде сосредоточенных сил Р, приложенных к ригелям над первым этажом в третях каждого пролета (на расстоянии 350 мм от опор) с эксцентриситетом 0,4 м из плоскости рамы. Вторичная расчетная схема - при действии тех же сосредоточенных сил и особом воздействии, вызванным внезапным удалением из рамы одной из стоек (центральной или крайней) первого этажа и приложением по месту отброшенной связи реакции с обратным знаком, действовавшей в этой стойке до приложения запроектного воздействия. Расчет, в соответствии с комбинацией алгоритмов [18; 19], проведен по двухуровневой расчетной схеме. Расчетная схема первого уровня, построенная для фрагмента конструктивной системы здания, представляла собой конечно-элементную модель рамы с использованием объемных конечных элементов (рис. 1). Армирование сложнонапряженного ригеля определено по расчетной схеме второго уровня [20; 21] с использованием физических зависимостей деформационной модели [22; 23]. По результатам расчета запроектирована опытная конструкция рамы, в которой армирование ригелей выполнено замкнутыми пространственными каркасами, работающими на растяжение от изгиба с кручением при учете поперечной силы (рис. 2). рис3 б фрагмент - копия а б Рис. 1. Конечно-элементная расчетная схема первого (а) и второго (б) уровней Figure 1. Finite element calculation scheme of the first (a) and second (б) levels Ригели опытной конструкции рамы армированы симметрично по высоте сечения в сжатой и растянутой зонах четырьмя (2+2) продольными стержнями, объединенными в пространственный каркас поперечной арматурой с шагом 40 мм на приопорных участках и 60 мм в пролете. Колонны армированы четырьмя продольными стержнями диаметром 6 мм с шагом хомутов 100 мм. Такая схема армирования конструкции принята из условия обеспечения силового сопротивления элементов рамы заданным проектным нагрузкам и рассматриваемому особому воздействию. Стенд для проведения экспериментальных исследований рассматриваемых конструкций рам на особые воздействия включал рычажную установку, передающую нагрузку на раму, нагрузочные устройства, раскрепляющие распорки для обеспечения устойчивости положения рамы в проектном положении, рычаг для создания крутящего момента и другие элементы. До проектной нагрузки рама нагружалась сосредоточенными силами в каждом пролете ригеля через специальные рычаги-консоли для создания в ригелях над первым этажом сложного напряженного состояния - изгиба с кручением. В опытных конструкциях исследуемых рам отсутствовала одна из колонн первого этажа, а в процессе испытаний она моделировалась специально изготовленной кинематически изменяемой опорой, позволяющей мгновенно выключать из работы колонну в составе рамы. 2 англ а б Рис. 2. Конструкция опытной рамы первой серии (РЖ-1): а - схема установки приборов; б - армирование Figure 2. The design of the experimental frame of the first series: a - the installation scheme of the devices; б - reinforcement В соответствии с методикой испытаний, с помощью механических приборов и методом электротензометрии тензорезисторами Тi измерялись перемещения и деформации бетона на фибровых волокнах поперечных сечений ригелей и в приопорных зонах вдоль оси ригеля и под углом 45° (рис. 2). Микроскопом фиксировалась картина образования и измерялась ширина раскрытия трещин. Учитывая динамический характер догружения конструкции рамы на втором этапе испытаний при особом воздействии, для фиксации показаний механических приборов в момент динамического догружения конструкции использовались осциллограф, а также цифровые фотокамеры. Общий вид испытаний конструкций рам первой и второй серий показан на рис. 3. DSC_2839 DSC_2736 а б Рис. 3. Общий вид испытаний рам первой, РЖ-1 (а) и второй, РЖ-2 (б) серий Figure 3. General view of the tests of the frames of the first (a) and the second (б) series Результаты и обсуждение Анализ результатов исследований опытных конструкций рам позволяет отметить следующее. Картина трещин при приложении проектной нагрузки и запроектного воздействия, вызывающих сложное сопротивление в конструкциях ригелей, носила пространственный характер (рис. 4 а, б) и коррелировалась с картиной трещин, полученной при испытаниях отдельных балок на кручение с изгибом в опытах [19]. На втором этапе испытаний, после приложения особого воздействия в виде внезапного удаления средней (рама РЖ-1) или крайней (рама РЖ-2) стойки, качественная картина образования пространственных трещин не изменилась (рис. 4 в, г). При этом предельная ширина раскрытия образовавшихся при проектной нагрузке трещин была превышена и образовались новые пространственные трещины в приопорных участках ригелей. После приложения особого воздействия продольная арматура практически достигает предела текучести, а в поперечной арматуре напряжения превышают временное сопротивление стали. Значительные различия напряжений в продольной и поперечной арматуре, расположенной с разных сторон ригеля, и характер трещинообразования в конструкции (рис. 4) при проектной нагрузке свидетельствуют о сложном напряженном состоянии в приопорных зонах ригеля, испытывающего изгиб с кручением. После приложения особого воздействия произошло разрушение в наиболее напряженной приопорной зоне ригеля по одной из образовавшихся ранее пространственных трещин. Сопоставительная оценка ширины раскрытия трещин и перемещений в сложнонапряженных ригелях рамы при заданной эксплуатационной нагрузке и после особого воздействия приведены в таблице. Для сложнонапряженных конструкций ригелей выполнена оценка ширины раскрытия пространственных трещин на разных этапах нагружения конструкций (рис. 5). Установлено, что теоретические значения ширины раскрытия трещин, определенные по действующим нормам[3], более чем на 40 % меньше опытных значений. Из этого следует вывод о том, что при рассматриваемом сложном напряженном состоянии расчетные зависимости норм нуждаются в уточнении. Анализ этих данных показывает, что в обеих опытных конструкциях рам при принятом армировании, испытанных на втором этапе на особое воздействие в виде удаления одной из колонн рамы, ширина раскрытия трещин и, соответственно, предельные деформации арматуры превышают критерии, установленные СП 385.1325800.2018. Значение предельного прогиба (1/84 и 1/35) не превысило нормируемую величину (1/30), установленную для особого воздействия. Следовательно, выполнение деформационных критериев особого предельного состояния для опытных конструкций рам при рассматриваемых воздействиях может быть обеспечено увеличением интенсивности поперечного армирования ригелей. до запроек англ а б после англ в г Рис. 4. Схема образования и ширина раскрытия трещин в конструкциях до (а, б) и после (в, г) запроектного воздействия рам первой, РЖ-1 (а, в) и второй, РЖ-2 (б, г) серий Figure 4. Scheme of formation and width of crack opening in structures before (a, б) and after (в, г) beyond the design impact of the frames of the first (a, в) and the second (б, г) series Ширина раскрытия трещин и относительные прогибы в сложнонапряженных ригелях до и после запроектного воздействия Серия рамы Параметры деформирования До удаления конструктивного элемента После удаления конструктивного элемента РЖ-1 Ширина раскрытия трещин, acrc,st, мм 0,19 Превышение критерия особого предельного состояния Относительный прогиб, f/l 1/954 1/84 РЖ-2 Ширина раскрытия трещин, acrc,st, мм 0,19 Превышение критерия особого предельного состояния Относительный прогиб, f/l 1/755 1/35 Width of crack opening and relative deflections in the complex-stressed crossbars before and after the beyond design impact Frame series Deformation parameters Before removing the column After removing the column First The width of crack opening, acrc,st, mm 0.19 Exceeding the criterion of a special limit state Relative deflections, f/l 1/954 1/84 Second The width of crack opening, acrc,st, mm 0.19 Exceeding the criterion of a special limit state Relative deflections, f/l 1/755 1/35 а б Рис. 5. Ширина раскрытия трещин в сложнонапряженных ригелях рам первой, РЖ-1 (а) и второй, РЖ-2 (б) серий Figure 5. The width of crack opening in the complex-stressed crossbars of the frames of the first (a) and the second (б) series Заключение Предложенные физическая модель железобетонной рамы, моделирующей фрагмент каркаса многоэтажного здания, элементы которого испытывают сложное напряженное состояние, а также методика ее испытаний позволили экспериментально определить параметры деформирования и разрушения таких конструкций в запредельных состояниях в условиях статико-динамического деформирования. Анализом экспериментальных данных деформирования, трещинообразования и разрушения конструкций железобетонных опытных рам в предельных и запредельных состояниях установлены приращения прогибов, изменения картины трещинообразования и раскрытия трещин до и после запроектного воздействия. Моделирование деформирования, трещинообразования и разрушения железобетонных рам в физически и конструктивно нелинейной постановке выполнено с использованием объемных конечных элементов и уровневых расчетных схем. При этом учитывалось изменение структуры сечений при образовании трещин и пространственный характер трещин в рассматриваемых сложнонапряженных конструкциях.
×

About the authors

Vitaly I. Kolchunov

Southwest State University; Russian Academy of Architecture and Construction Sciences

Email: asiorel@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5290-3429

Doctor of Technical Sciences, Professor, full member of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Head of the Department of Unique Buildings and Structures, Faculty of Construction and Architecture, Southwest State University

94 50 let Oktyabrya St, Kursk, 305040, Russian Federation

Violetta S. Moskovtseva

Southwest State University

Author for correspondence.
Email: lyavetka1@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5509-1937

engineer of the Department of Unique Buildings and Structures

94 50 let Oktyabrya St, Kursk, 305040, Russian Federation

References

  1. Alternate path analysis & design guidelines for progressive collapse resistance. Washington: General Services Administration; 2016. 203 p.
  2. Kodysh E.N., Trekin N.N., Chesnokov D.A. Protection of multistory buildings from progressive collapse. Industrial and Civil Engineering. 2016;(6):8–13. (In Russ.)
  3. Kodysh E.N. Designing the protection of buildings and structures from progressive collapse, taking into account the occurrence of a special limit state. Industrial and Civil Engineering. 2018;(10):95–101. (In Russ.)
  4. Adam J.M., Parisi F., Sagaseta J., Lu X. Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century. Engineering Structures. 2018;173:122–149.
  5. Travush V.I., Fedorova N.V. Calculation of the parameter of survivability of frame-bar structural systems. Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2017;(1):21–28. (In Russ.)
  6. Pham A.T., Tana K.H., Yu J. Numerical investigations on static and dynamic responses of reinforced concrete subassemblages under progressive collapse. Engineering Structures. 2017;149:2–20. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.07.042
  7. Alogla K., Weekes L., Augusthus-Nelson L. Theoretical assessment of progressive collapse capacity of reinforced concrete structures. Magazine of Concrete Research. 2017;69(3):145–162.
  8. Fedorova N.V., Korenkov P.A., Ngoc V.T. Methodology for experimental studies of the deformation of monolithic reinforced concrete frames of buildings under emergency impacts. Buildings and Reconstruction. 2018;4(78):42–52. (In Russ.)
  9. Kolcunov V.I., Tuyen V.N., Korenkov P.A. Deformation and failure of a monolithic reinforced concrete frame under accidental actions. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;753:032037.
  10. Fedorova N.V., Guok F.D., Chang N.T. Experimental life studies of reinforced concrete frames with girders reinforced by indirect reinforcement. Buildings and Reconstruction. 2020;(1):92–100. (In Russ.)
  11. Yu J., Tan K.H. Experimental and numerical investigation on progressive collapse resistance of reinforced concrete beam column sub-assemblages. Engineering Structures. 2013;55:90–106.
  12. Xuan W., Wang L., Liu C., Xing G., Zhang L., Chen H. Experimental and theoretical investigations on progressive collapse resistance of the concrete-filled square steel tubular column and steel beam frame under the middle column failure scenario. Shock and Vibration. 2019;2019:1–12. https://doi.org/10.1155/2019/2354931
  13. Lin K., Lu X., Li Y., Guan H. Experimental study of a novel multi-hazard resistant prefabricated concrete frame structure. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2019;119:390–407. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.04.011
  14. Shan S., Li S., Xu S., Xie L. Experimental study on the progressive collapse performance of RC frames with infill walls. Engineering Structures. 2016;111:80–92. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.12.010
  15. Fedorova N.V., Ngoc V.T. Deformation and failure of monolithic reinforced concrete frames under special actions. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1425:012033.
  16. Weng J., Lee C.K., Tan K.H., Lim N.S. Damage assessment for reinforced concrete frames subject to progressive collapse. Engineering Structures. 2017;149:147–160. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.07.038
  17. Geniev G.A., Kolchunov V.I., Klyueva N.V. Strength and deformability of reinforced concrete structures under non-design impacts. Moscow: АSV Publ.; 2004. (In Russ.)
  18. Kolchunov V.I., Klyueva N.V., Androsova N.B., Bukhtiyarova А.S. Survivability of buildings and structures under non-design impacts. Moscow: ASV Publ.; 2014. (In Russ.)
  19. Travush V.I., Karpenko N.I., Kolchunov Vl.I., Kaprielov S.S., Demyanov A.I., Bulkin S.A., Moskovtseva V.S. Results of experimental studies of high-strength fiber reinforced concrete beams with round cross-sections under combined bending and torsion. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020;16(4):290–297. http://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-4-290-297
  20. Alkadi S.A., Fedorova N.V., Osovskyh O.E. Analysis of reinforced concrete space frame deformation with composite sections elements. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;456:012033. https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012033
  21. Demyanov A.I., Alkadi S.A., Static-dynamic deformation of reinforced concrete elements of the spatial frame with their complex resistance. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2018;(11):20–33. (In Russ.)
  22. Demyanov A.I., Kolchunov V.I., Salnikov A.S., Mikhailov M.M. Computational models of static-dynamic deformation of a reinforced concrete structure during torsion with bending at the moment of formation of a spatial crack. Buildings and Reconstruction. 2017;3:13–22. (In Russ.)
  23. Demyanov A.I., Naumov N.V., Kolchunov V.I. Method for determining the parameters of deformation and crack resistance of reinforced concrete composite structures undergoing torsion with bending. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2018;(7):5–16. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Kolchunov V.I., Moskovtseva V.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.