Живучесть железобетонных каркасов многоэтажных зданий со сложнонапряженными элементами

Полный текст

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.

Об авторах

Виталий Иванович Колчунов

Юго-Западный государственный университет; Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук

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

доктор технических наук, профессор, действительный член Российской академии архитектуры и строительных наук, заведующий кафедрой уникальных зданий и сооружений, факультет строительства и архитектуры, Юго-Западный государственный университет

Российская Федерация, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

Виолетта Сергеевна Московцева

Юго-Западный государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: lyavetka1@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5509-1937

инженер кафедры уникальных зданий и сооружений

Российская Федерация, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

Список литературы