ОБЗОР МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТАЛЬНЫХ И СТАЛЕБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ОСОБЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Полный текст

Введение. Проблема обеспечения живучести несущих конструкций зданий и сооружений явля- ется одной из центральных в современной строительной науке [1-4]. Для решения ряда задач по данному направлению разрабатываются новые методы расчетов, основой верификации которых часто являются лабораторные или натурные испытания. Для достаточно распространенных железобетонных конструкций в настоящее время в данном направлении проведен значительный объем экспериментально-теоретических исследований [1; 5; 6]. Наименее изученными представляются вопросы экспериментальных исследований стальных конструкций при воздействиях, не предусмотренных нормальными условиями эксплуатации (запроектных воздействиях). В частности, имеют важность опыты, изучающие динамическое поведение стальных и сталебетонных конструкций. В настоящей статье приводится краткое описание экспериментальных исследований балочных, рамных и пластинчатых объектов со стальными конструкциями при испытаниях на запроектные воздействия. Целью работы является актуализация основных направлений опытного изучения живучести таких объектов. Направления экспериментальных исследований. Как для моделей (лабораторных образцов), так и для натурных сооружений рассматриваются следующие основные виды нагружений: - локальное повреждение одной или нескольких опор, в том числе и с последующим взаимодействием поврежденной конструкции с преградами; - циклическая знакопеременная горизонталь- ная нагрузка, имитирующая идеализированное сейс- мическое воздействие; - ударные нагрузки, включающие локальное ди- намическое воздействие от разгрузки, повреждения от неупругого удара, взаимодействие с взрывной волной, комбинированные ударные воздействия; - статическая разрушающая нагрузка при простых деформациях и сложном сопротивлении. Динамические испытания на локальные повреждения опор Экспозиция некоторых схем лабораторных стендов и объектов, на которых изучалось локальное повреждение опор, приведена на рис. 1-7. Дадим краткое описание этих экспериментальных работ. В статье [7] рассматривается сопротивляемость модели трехмерной пластинчато-стержне- вой конструкции (несущий стальной каркас и перекрытие) запроектному воздействию в виде удаления колонны. Перекрытие выполнено бетонным с внешним армированием сплошным стальным листом и соединено сваркой со стержневой системой каркаса. В ходе эксперимента измерялись деформации и перемещения. Для анализа перераспределения силовых потоков напряженно-деформи- рованное состояние каждого конструктивного элемента исследовалось дополнительно. Система была доведена до исчерпания несущей способности с образованием зон локальных разрушений плиты и пластических шарниров в стержнях. В статьях [8; 9] исследовался эффект общей сопротивляемости многопролетных пространствен- ных рам зданий воздействию в виде удаления средней колонны. В работе [10] ставились эксперименты по анализу живучести рам при различных конструкциях болтовых стыков. В эксперименте [11] исследуется сопротивляемость прогрес- сирующему разрушению двухпролетной рамы повышенной живучести, оборудованной страховочными тяжами. Экспериментальным путем для данной конструкции был определен коэффициент конструкционного демпфирования по Релею. Смеж- ным направлением этих исследований является учет взаимодействия поврежденной конструкции с неразрушаемой преградой [12]. Такой тип воздействий является характерным для ряда аварийных ситуаций на объектах строительства. Целью данных экспериментальных исследований являлась проверка точности методик расчета повреждаемых систем на этот тип нагружения. Работы [13-18] посвящены удалению колонны образца в виде композитной рамы с ригелями, состоящими из стальных прокатных профилей и жестко соединенной с ними железобетонной плиты. Стыки ригелей с колоннами осуществлялись болтовым соединением. В работе [13] исследовался эффект от усиления узловых соединений подкрепляющими пластинками. Выявлено, что рамы хорошо сопротивляются таким воздействиям, определены рациональные углы установки пластинок, позволяющие более эффективно распределять силовые потоки при динамических догружениях. В статье [19] рассматривается экспериментальное моделирование напряженно-деформированного состояния фрагмента шестиэтажного здания при удалении колонны. Колонна удаляется с помощью механического актуатора, сдвигающего колонну. Узловые соединения выполнены на болтах, соединяющих фланцы балок и пояса колонн. Установлен характер изменения вертикальных перемещений во времени и характер деформирования балок и узловых соединений. Выяснено, что болтовые соединения при заданном виде воздействий позволяют эффективно распределять силовые потоки и не допускать прогрессирующего разрушения. В работах [20-22] исследуются неразрезные стальные балки при удалении одной из опор. Оценивается эффект динамического догружения в за- висимости от уровня напряженно-деформирован- ного состояния конструкции. При этом удаление опор моделируется не обычным механическим способом, а с помощью электромагнита. Особого внимания заслуживают эксперименты на реальных сооружениях и стальных рамах в составе их каркасов [23-27]. Так, в работе [23] исследовался процесс деформирования реального здания, подлежащего сносу, при последовательном удалении до 4-х крайних колонн поперечной рамы здания. Измерялись перемещения и нагруженность стержней. При этом для оценки уровня на- пряженного состояния вычислялся коэффициент K = Mmax/Mp ≤ 1, где Mp - момент, при котором в сечении стальной рамы образуется пластический шарнир. С помощью выполненных экспериментов проверялась корректность использования двумерных и трехмерных моделей для конечно-элемент- ных расчетов пространственных объектов при быстром удалении стоек из расчетной схемы. Показывается, что для удаления крайних колонн как двухмерные, так и трехмерные модели при сравнении с экспериментальными данными дают удовлетворительные результаты. В работе [28] исследуется несущая способность рамных тонкостенных стальных конструкций при просадках грунтового основания. Во всех рассматриваемых системах сбор экспериментальных данных выполняется с помощью современных промышленных систем сбора данных, основанных на применении крейтов с аналогово-циф- ровыми преобразователями, универсальных многоканальных модулей, соединенных с линейными стержневыми, тросовыми или лазерными датчиками перемещений. Измерялись преимущественно перемещения и деформации во времени для повреждаемых систем. В результате проведения такого рода исследований были выявлены характерные закономерности динамического поведения стальных рам при удалении одной или нескольких стоек. Рис. 1. Удаление средней колонны пространственной рамной системы с композитным перекрытием [Fig. 1. Removing the middle column of a spatial frame system with a composite overlap] [7] Рис. 2. Локальное повреждение поперечной рамы повышенной живучести [Fig. 2. Local damage to the transverse frame of increased survivability] [11] Рис. 3. Выключение опоры в раме, взаимодействующей с преградой [Fig. 3. Disconnection of the support in the frame, interacting with balk] [12] Рис. 4. Удаление средней колонны плоской рамной системы [Fig. 4. Removing the middle column of a flat frame system] [13] Рис. 5. Последовательное удаление колонн в здании [Fig. 5. Consecutive removal of columns in the building] [23] Рис. 6. Выключение средней опоры в ячейке здания [Fig. 6. Тhe disconnection of support in the middle of the building cell][19] Рис. 7. Выключение опоры в П-образной раме [Fig. 7. Disconnection of the support in a U-shaped frame] [20] Испытания на квазисейсмические воздействия Испытания конструкций на циклическую горизонтальную нагрузку изображены на рис. 8-10. Приведем краткое описание таких экспериментов. В статье [29] экспериментально исследовался сдвиг пластинок, опертых по двум сторонам при динамических нагружениях, в виде циклически повторяющихся горизонтальных силовых воздействий, аналогичных идеализированным сейсмическим. Измерялись деформации во времени для сплошных и перфорированных образцов различной толщины. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании балок со сплошной и перфорированной стенкой в зданиях, расположенных в сейсмически опасных районах. В работах [30-32] рассматривается поведение пластин, подкрепленных стержнями при сейсмических нагрузках. Статья [33] посвящена исследованию сопротивления боковой циклической нагрузке рамной конструкции с тонкостенными пластинами, работающими на сдвиг. Также испы- тывались на сейсмические воздействия и тонкостенные стержневые системы [34-37]. На лабораторных образцах [34] исследовалась несущая способность при кручении тонкостенных профилей различных сечений при периодически повторяющихся горизонтальных нагрузках, моделирующих сейсмические воздействия. Исследовалось влияние постановки ребер жесткости на силовое сопротивление стержня. В результате установлено, что при таких воздействиях постановка ребер жесткости по длине профиля не всегда приводит к увеличению прочности образцов. Работы [35-37] посвящены испытаниям рамных тонкостенных элементов и рам в целом, при этом для исследователей особый интерес представляет диссипация энергии при деформациях таких систем. Отдельно на сейсмические воздействия исследуются узловые соединения [38-40]. В этих работах уделяется внимание узлам, состоящим из стальных сварных конструкций, усиленных железобетоном. В статье [38] испытывался узел сопряжения стальной балки и колонны, усиленной железобетонной обоймой. При этом соединения колонны с балкой - сварные через сплошную соединительную пластину, проходящую в теле колонны. Узел доводился до разрушения. Приведены зависимости деформаций опасных точек во времени. Цель эксперимента - опытная проверка применимости такого типа узлового соединения для повышения сопротивляемости здания сейсмическим воздействиям. Рис. 8. Испытания стальной пластины [Fig. 8. Testing of a steel plate for shear in its plane] [29] Рис. 9. Испытания колонны из ЛСТК [Fig. 9. Tests of a light steel thin-walled column profile] [34] Рис. 10. Разрушающие испытания сварного фланцевого узла опирания балок [Fig. 10. Destructive testing of a welded flange support unit for beams] [38] Исследования предельной статической нагруженности На рис. 11-14 представлены эксперименты по определению предельной статической нагрузки на балки при их сложном сопротивлении и пространственную раму. Рис. 11. Косой изгиб трубчатых стержней [Fig. 11. Skew bending of tubular bars] [41] Рис. 12. Изгиб с кручением трубчатых стержней [Fig. 12. Bending with torsion of tubular bars][41] Рис. 13. Поперечный изгиб двутавровых балок [Fig. 13. Transverse bending of I-beams] [42] Рис. 14. Предельное нагружение пространственных рам [Fig. 14. Limit loading of spatial frames] [43] В экспериментах [41-43] исследовалось дефор- мирование стержней при сложном сопротивлении. В результате установлено, что механизм разрушения исследуемых систем аналогичен схеме образования пластического шарнира при плоском изгибе. Эксперименты [42; 43] выполнялись с целью верификации методики расчета, основанной на схеме эволюционного моделирования с ограничениями статической теоремы метода предельного равновесия. Эти исследования подтвердили, что пространственные стальные рамы при достижении ими предельной несущей способности имеют схемы локальных разрушений в виде системы пространственных пластических шарниров. При этом деформируемая система обладает свойством живучести до тех пор, пока не произойдет переход в состояние, соответствующее образованию механизма, что отмечалось ранее для железобетонных конструкций. Комбинированные ударные и взрывные воздействия На рис. 15-18 представлены некоторые исследования на ударные и взрывные воздействия. В работе [44] изучен характер изменения несущей способности образцов трубчатых колонн при локальном повреждении ударным воздействием. Удар наносился перпендикулярно продольной оси трубы. Воздействие приводило к незначительному локальному смятию части стен- ки. Далее образец испытывался на сжатие до потери устойчивости. Установлено, что такие воздействия приводят к потере несущей способности более чем на 40%, при этом большая несущая способность наблюдается у образцов большей толщины. Экспериментально исследуется на сопротивление взрыву защитная сэндвич-панель [45], состоящая из двусторонней стальной обшивки и алю- миниевых гнутых листов, образующих при соеди- нении друг с другом структуру, аналогичную ячей- кам пчелиных сот. Такая панель обладает существенной сопротивляемостью взрыву по сравнению со сплошной панелью. Цель эксперимента - разработка и верификация пластинчатых защитных панелей для повышения устойчивости зданий к террористическим актам, связанным со взрывами самодельных устройств. Кроме того, исследуется стойкость взрывозащитных сэндвич-панелей при контакте с жидкими взрывчатыми веществами [46] и с воздушной взрывной волной [47; 48]. На воздействие взрывом испытывались также трубобетонные колонны [49]. Рис. 15. Ударные воздействия на раму [Fig. 15. Shock impacts on the frame] [50] Рис. 16. Испытание фермы в составе каркаса здания на локальную динамическую разгрузку [Fig. 16. Testing the truss as part of the building frame for local dynamic unloading] [51] Рис. 17. Схемы испытаний [Fig. 17. Testing schemes] [51] Рис. 18. Испытание защитной панели на взрыв от самодельного заряда [Fig. 18. Testing the protective panel for an explosion under a self-made charge] [45] Эксперименты [50] и [51] посвящены исследованиям динамики конструкций при ударных воздействиях. Пространственная рама из испытания [50] подвергалась серии неупругих ударов массивным телом, свободно падающим с различных высот. При этом фиксировалась динамическая реакция на ударное воздействие. В результате установлено, что для пространственных рам значения максимальной амплитуды наблюдаемых характеристик достигаются в первой четверти периода основной частоты колебаний системы. Объектом для испытания [51] являлась стропильная ферма пролетом 18 м, установленная в каркасе промышленного здания. Эта ферма подвергалась исследо- ванию при ненормируемом ударном воздействии, которое включало динамическую разгрузку фермы при моделировании обрыва подвеса К1 (см. рис. 17) вентиляционно-охладительного комплекса (ВОК), закрепленного в нижний узел фермы. При этом падение груза в цех предотвращалось страховочными канатами, связывающими груз (модель ВОК) и две соседних фермы, расположенные по разным сторонам от испытуемой конструкции. В результате была определена максимальная масса ВОК, который можно разместить на ферме при обеспечении недопущения появления значительных плас- тических деформаций в случае возникновения такого рода запроектных воздействий. В качестве другого воздействия на конструкцию рассматривался обрыв троса ВОК, сопровождающийся ударом по страховочной траверсе, закрепляемой в нижний узел фермы. Такое воздействие моделировалось введением двух канатов К1 и К2 (см. рис. 17). После разрыва каната К1 с грузом последний совершает свободное падение и передает ударный импульс с помощью каната К2 в узел нижнего пояса фермы. Вывод. Оценка степени силового сопротивления стальных конструкций аварийным воздействиям, в том числе их живучести, наиболее достоверно может быть выполнена при верификационных экспериментальных исследованиях, моделирующих эти воздействия. Необходимо расширять область нормирования запроектных воздействий на стальные конструкции с целью более всесторонней оценки безопасности объектов при возникновении различных аварийных ситуаций. Основываясь на результатах обзора, можно отметить, что мало внимания уделяется экспериментальным исследованиям, включающим локальные разрушения узлов соединения стальных балок с колоннами при запроектных воздействиях, а также напряженно-деформированному состоянию рамных систем при локальных просадках грунта.

Об авторах

Анатолий Викторович Алексейцев

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

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

кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования зданий и сооружений, ФГБОУ ВО «Национальный ис- следовательский Московский государственный строительный университет». Область научных интересов: строительные конструкции, строительная механика

Ярославское шоссе, д. 26, Москва, Россия, 129337

Наталья Сергеевна Курченко

Брянский государственный инженерно-технологический университет

Email: ms.kurchenko@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры строительного производства, Брянский государственный инженерно-техно- логический университет. Область научных интересов: строительные конструкции, организация строительства.

проспект Станке Димитрова, д. 3, Брянск, Россия, 241037

Список литературы