ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ФРАГМЕНТА КАРКАСА ЗДАНИЯ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМИ СОСТАВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, РАБОТАЮЩИМИ НА ИЗГИБ С КРУЧЕНИЕМ

Полный текст

В последние годы в ряде ведущих стран мира, в том числе и в России, наравне с традиционным расчетом конструкций по предельным состояниям требуется расчетный анализ конструктивных систем на аварийные воздействия, вызванные внезапным выключением из системы одного из несущих элементов. Решение данной задачи требует проведения экспериментальных исследований для определения параметров живучести конструктивных систем, а также изучение особенностей статико-динамического деформирования заданной конструктивной системы в предельных и запредельных состояниях. В представленной работе приведены методика и основные результаты испытаний фрагмента железобетонного каркаса многоэтажного здания с ригелями составного сечения. Цель экспериментальных исследований - изучение особенностей деформирования, трещинообразования и разрушения элементов конструктивной системы в условиях ее структурной перестройки, вызванной внезапным выключением одного из вертикальных несущих элементов (стойки). Основные задачи исследований: - экспериментальное выявление особенностей деформирования и трещинообразования ригеля составного сечения, работающего на кручение с изгибом от заданной нагрузки и запроектного воздействия - выключения центральной несущей стойки; - экспериментальное определение схем разрушения железобетонной рамы при указанных воздействиях. Описание экспериментальной установки Конструкция железобетонной рамы, моделирующая фрагмент пространственного каркаса многоэтажного здания включала пять стоек и два неразрезных ригеля составного сечения армированных плоскими сварными каркасами Кр-1 и Кр-2. Нагружение ригелей опытного фрагмента проектной нагрузкой производилось с использованием рычажно-подвесной системы и нагрузочных устройств, передающих нагрузку в виде сосредоточенных сил на ригели большего пролета в местах установки опорных пластин 4 (см. рис.1,а, в). Запроектное воздействие в виде внезапного выключения подвижной центральной опоры 1 прикладывалось после нагружения рамной системы проектной нагрузкой. Эта опора выполнена в виде шарнирно-стержневого механизма (см. рис. 1,а, рис.2), состоящего из двух расположенных вертикально и шарнирно соединенных между собой и с опорами стержней, геометрическая неизменяемость которого обеспечивается неподвижной опорой и горизонтальной связью в виде шпильки с резьбой, удерживаемой в проектном положении посредством болтового соединения. Приоритет предложенного решения защищен патентом РФ №2016128903 от 15.07.2016г. Рис. 1. Конструкция опытного образца рамы: а - опалубочная схема; б - схема армирования; в - вид сверху: 1 - трехшарнирная выключаемая стойка; 2 -неподвижная стойка; 3 - горизонтальная связь; 4 - опорные пластины При определенном (расчетном) значении испытательной нагрузки в шарнирно-стержневом механизме (1,2), моделирующем выключаемую колонну рамы, принудительно выключалась горизонтальная связь 3 путем разъединения резьбового соединения шпильки и неподвижной опоры 2. При этом сжатая пружина мгновенно создает горизонтальное усилие, выталкивающее в горизонтальном направлении шарнир, соединяющий вертикально расположенные стержни шарнирно-стержневого механизма и таким образом мгновенно выключает из работы центральную подвижную стойку опытного фрагмента. Измерение опытных характеристик в конструкции железобетонной рамы для количественной оценки параметра живучести (?) и коэффициента динамических догружений ? [3] выполнялось с использованием тензометрии и оптико-механических приборов. Предварительно эти параметры были определены расчетным путем по методике [3, 4]. Расчет был проведен по двухуровневой расчетной схеме (рис.3). Рис. 2. Общий вид выключающейся стойки Моделирование Расчетная схема первого уровня (рис. 3,а) представлена пространственной рамно-стержневой системой с центральной стойкой, которая при расчете может исключаться из системы. В расчетной схеме второго уровня(рис. 3,б) составной ригель с частью стойки в расчетной модели представлен комбинацией объемных конечных элементов, моделирующих с заданной степенью дискретизации тело разных бетонов, и стержней - податливых связей растяжения, сжатия, сдвига в некотором малом по толщине слое, разделяющем эти бетоны. Толщина контактного слоя определена в соответствии с рекомендациями работы [5].Объемные элементы - прямоугольные параллелепипеды, например, тип конечного элемента КЭ №31 в программном комплексе Лира-САПР (КЭ №231 в физически нелинейной постановке) моделируют тело бетона разного состава. Рис. 3. Расчетные схемы пространственной рамы первого (а) уровня, второго (б) уровня: 1,2 - объемные КЭ стойки и составного ригеля,3- КЭ связей для предотвращения поворота ригеля, 4 - связи растяжения, сжатия, сдвига, 5 - связи, объединяющие перемещения между жесткой пластиной и объемными элементами Стержневые элементы КЭ №10 (№210) «универсальный стержень» служили для описания дискретных связей между объемными элементами слоев. При проведении расчета на запроектное воздействие по так называемой вторичной расчетной схеме [6, 7, 8] влияние на несущие элементы отброшенной части рамы заменялась вычисленными с использованием расчетной схемы первого уровня (см. рис. 3,а) внутренними усилиями в выключаемой стойке рамы. Указанные усилия передаются на объемные элементы в виде соответствующих компонент M, Q, N в заданной точке и распределяются между узлами объемных элементов при помощи специально введенной в расчетную схему фиктивной пластины. Варьирование жесткостью пластины позволяет моделировать следование гипотезе плоских сечений для каждого элемента составного ригеля или задавать его депланацию. Расчет выполняется с использованием шагово-итерационной процедуры метода последовательных приближений. Результатом расчета с использованием описанной расчетной модели являются перемещения узлов, усилия в стержневых элементах, напряжения в объемных элементах. Проверка условий образования трещин в объемных и стержневых элементах на заданном шаге нагрузки, корректировка их жесткостных характеристик может выполняться как вручную, так и с использованием алгоритма, реализованного в библиотеке конечных элементов программного комплекса, аналогично тому, как это сделано в работе [9]. Полученные в результате эксперимента данные о вертикальных перемещениях в середине пролета элемента ригеля Р-3, Р-2 и углах поворота составного ригеля в середине пролета сечения и над выключенной центральной стойкой приведены на рисунках 4, 5. Здесь же приведены теоретические значения перемещений и углов поворота сечений ригеля, вычисленные с использованием описанной расчетной схемы (см. рис. 3). Рис. 4. Перемещения сечений ригелей рамы при ее нагружении проектной нагрузкой: а - 1,2 - соответственно опытные и теоретические прогибы для среднего пролетного сечения ригеля Р-3 (точка 5);б -1,2 - то же для ригеля Р-2 (точка 6) Основные результаты Полученные данные о перемещениях и углах поворота ригелей при проектной нагрузке позволяют иметь нагрузку распределения деформированного состояния в элементах рамы при проектной нагрузке для ее сопоставления с картиной деформированного состояния рамы после запроектного воздействия. Рис. 5. Углы поворота сечений ригелей рамы при ее нагружении проектной нагрузкой:а - 1,2-соответственно, расчетные и опытные углы поворота сечения над подвижной опорой ригеля Р-3 (точка 2);б - 1,2- расчетные и опытные углы поворота среднего пролетного сечения ригеля Р-3 (точка 6) Анализ полученных опытных данных о трещинообразовании в конструкциях рамы позволяет отметить следующее (рис. 6). Первые трещины с раскрытием 0,05 мм (Тр. 1) в составном ригеле Р-3 появились в верхней зоне приопорного сечения у стойки С-3 при суммарной нагрузке 12,6 кН (рис.6,а). По мере нагружения рамы на 12-м этапе нагружения (13,5 кН) образовались нормальные трещины (Тр. 2) в пролете ригеля Р-1 с шириной раскрытия 0,05 - 0,1 мм и до достижения полной проектной нагрузки 18 кН их раскрытие составило до 0,25 мм. По мере увеличения нагрузки ширина раскрытия этих трещин увеличивалась, и трещины развивались по высоте сечения составного ригеля. После запроектного воздействия образовавшиеся трещины первого и второго типа (Тр.1 и Тр.2) получили значительное раскрытие, количество трещин первого типа (Тр. 1) увеличилось, также произошло образование нормальных трещин в пролете ригеля Р-3 (Тр.2’) (рис. 6, б). Кроме этого, после указанного воздействия в составных ригелях Р-1 и Р-3 образовались продольные трещины в зоне контакта двух бетонов с раскрытием до 1,6 мм (Тр. 3’). Все типы трещин, образовавшиеся при запроектном воздействии (рис. 6,б), обозначены знаком «штрих». Количественные значения раскрытия трещин при увеличении проектной нагрузки приведены на рис. 7. После запроектного воздействия в виде внезапного выключения центральной стойки в элементах опытной конструкции рамы, существующие трещины получили дополнительное раскрытие, и образовалась сеть новых нормальных трещин (Тр.2’). В приопорном сечении ригеля Р-1 в соединении со стойкой С-1 образовалась нормальная трещина (Тр.1’) с шириной раскрытия 2,8 мм, а в приопорном сечении составного ригеля Р-3 в соединении со стойкой С-3нормальная трещина Тр.1’ раскрылась до 2 мм. Ширина раскрытия нормальных трещин (Тр.2’), образовавшихся при проектной нагрузке, после запроектного воздействия значительно увеличилась - с 0,25 мм до 0,8 мм. Рис. 6. Схема образования и раскрытия трещин в опытной конструкции рамы при проектной нагрузке (а) и запроектном воздействии (б) Рис. 7. Зависимость «нагрузка-ширина раскрытия трещин» в среднем сечении и на опоре составного ригеля Р-3(Тр-1,Тр-2) Разрушение составного ригеля рамы характеризовалось значительным раскрытием нормальных трещин (Тр.2) в середине пролета (до 0,8 мм), трещин (Тр.1), развивающихся по пространственному сечению у опор ригеля, испытывающего изгиб с кручением, и разрушением шва контакта между элементами составного ригеля (до 1,6 мм). При этом наблюдались значительные вертикальные перемещения составных ригелей во вторичной (после запроекного воздействия) конструктивной системе, которые составили 15,6 мм или 1/56 пролета составного ригеля. Общий вид разрушения конструктивной системы после запроектного воздействия представлен на рис.8. Рис. 8. Общий вид разрушения пространственной рамы после внезапного выключения центральной стойки Выводы Предложенная методика экспериментальных исследований фрагмента железобетонного каркаса многоэтажного здания позволила экспериментально установить особенности деформирования, трещинообразования и разрушения элементов конструктивной системы после внезапного выключения одного из вертикальных несущих элементов. Полученные опытным путем приращения деформаций, схемы образования и раскрытия трещин в составных конструкциях ригелей, картины характера разрушения опытного фрагмента позволяют анализировать перераспределение силовых потоков в рассматриваемой конструктивной системе и численно оценить динамические догружения в сечениях конструктивных элементов, вызванные внезапным выключением одной из колонн фрагмента каркаса здания.

Об авторах

СВЕТЛАНА АЛЕКСЕЕВНА АЛЬКАДИ

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: fortina2008@mail.ru

АЛЬКАДИ СВЕТЛАНА АЛЕКСЕЕВНА, ассистент кафедры "Уникальные здания и сооружения", ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет». Научные интересы: теоретические и экспериментальные исследования живучести зданий и сооружений, моделирование железобетонных конструкций, испытания железобетонных конструкций с элементами сплошного и составного сечения

305040, Курск, ул. 50 Лет Октября, 94

АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ ДЕМЬЯНОВ

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»

Email: speccompany@gmail.com

ДЕМЬЯНОВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ, к.т.н., доцент кафедры "Промышленное и гражданское строительство, ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет». Научные интересы: исследования составных конструкций при сложном сопротивлении, исследование живучести конструктивных систем и железобетонных и других нелинейно деформированных материалов, экспериментальные исследования в железобетонных конструкциях, компьютерные технологии расчетного анализа зданий и сооружений

305040, Курск, ул. 50 Лет Октября, 94

ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ОСОВСКИХ

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»

Email: jane_wasp@mail.ru

ОСОВСКИХ ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, к.т.н., доцент кафедры "Уникальные здания и сооружения", ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет». Научные интересы: развитие исследований в области деформирования и разрушения железобетонных складчатых покрытий эксплуатируемых производственных зданий в запредельных состояниях, разработка проектов реконструкции таких покрытий с использованием наряду с традиционными методами поверочных расчетов по предельным состояниям анализа живучести этих систем

305040, Курск, ул. 50 Лет Октября, 94

Список литературы