Экспериментальные исследования сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении

156

Вестник ТГАСУ № 3, 2QQS

D.V. LOSKUTOVA

CALCULATION OF THE INTENSE-DEFORMED CONDITION OF WOOD IN THE ZONE OF CONTACT WITH METAL GEAR PLATES

The results of calculations of the intense-deformed condition of a contact zone of a tooth of a metal gear plate with a wooden element are given in the paper. The isotropic and orthotropic model of wood is considered. In nonlinear calculation of contact interaction the «fictitious con-tact» elements are used. Results of calculations are presented in the form of fields of pressure and movings. Values of factors of subgrade reaction are received; comparison of results of calculations with data of experiments is made.

УДК 624.012.45.001.6

Д.Г. УТКИН, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖАТО-ИЗОГНУТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ЗОННЫМ АРМИРОВАНИЕМ ИЗ СТАЛЬНОЙ ФИБРЫ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

В статье представлены программа и результаты экспериментальных исследований сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры в растянутой и сжатой зонах при кратковременном динамическом нагружении. На основании анализа результатов экспериментальных исследований сформулированы основные выводы об эффективности усиления железобетонных элементов слоем стале-фибробетона в сжатой и растянутой зонах.

Вследствие непрерывного развития химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности увеличивается вероятность возникновения и воздействия на конструкции зданий и сооружений случайных кратковременных динамических нагрузок аварийного характера. Во многих случаях они приводят не только к крупному материальному ущербу, но и к гибели людей. Поскольку данные воздействия относятся к аварийным, основное требование, предъявляемое к зданиям и сооружениям, состоит в том, что они должны выдержать без обрушения однократное воздействие кратковременной динамической нагрузки. В связи с этим в настоящее время является весьма актуальным при проектировании и расчете железобетонных конструкций учитывать возможность кратковременного динамического воздействия на эти конструкции.

В России и за рубежом сталефибробетон применяется в различных элементах и конструкциях, в основном, в качестве экспериментальных или опытно-промышленных образцов. Однако вопрос широкого практического применения сталефибробетона остается и в настоящее время открытым. В связи

© Д.Г. Уткин, 2008

с этим актуальность теоретических и экспериментальных исследовании изгибаемых и сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении очевидна.

Программа экспериментальных исследований сталефиброжелезобетонных балок при кратковременном динамическом изгибе и изгибе со сжатием представлена на рис. 1.

Рис. 1. Программа экспериментальных исследований сталефиброжелезобетонных балок при кратковременном динамическом изгибе и сжатии с изгибом

Общая длина экспериментальных балок равна 2200 мм при величине пролета между опорами - 2,0 м и размерами поперечного сечения ЪхН = 100x200 мм. Балки армировались вязаными пространственными каркасами с нижней рабочей арматурой (2012А-ІІІ). Верхняя арматура из стержней 0 6А-І. Поперечная арматура в виде гнутых хомутов из проволоки 0 5Вр-І.

Для зонного армирования железобетонных балок применялась фибра (2 % по объему), нарезанная из стальной полосы, сечением 0,4х0,6 мм, длиной 40 мм по ТУ 67-987-88.

Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии экспериментального образца используется комплекс измерительных приборов. Для измерения величины динамической нагрузки использовался силоизмери-тель, для фиксации опорных реакций применялись динамометрические опоры с наклеенными на них тензорезисторами, перемещения балок фиксировались в пяти точках балки, датчики перемещений находились на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 333 мм.

Для измерения деформаций бетона и сталефибробетона применялись тензорезисторы марки ПКБ-50 с базой 50 мм. Для измерения деформаций растянутой арматуры на арматурные стержни 012 А-ІІІ в середине стержня наклеивались тензорезисторы марки ПКБ-10 базой 10 мм по два датчика на каждый стержень. Для фиксирования ускорения были установлены 5 акселерометров типа 4382 с усилителем заряда 2634 с предельной шкалой - 980g. Их

показания записывались при помощи 16-канального цифрового регистратора МІС-300М. Акселерометры располагались в тех же точках, что и датчики перемещений. Также акселерометры располагались на силоизмерителе и на гру-зосбрасывателе для определения скорости падения груза.

Перед испытаниями проведена тарировка всех измерительных приборов. Это необходимо для того, чтобы при обработке полученных данных перейти от показаний измерительной системы к физическим величинам нагрузки, деформаций, перемещений, опорных реакций и ускорений, измеряемых в момент испытания конструкции.

Балки испытывались кратковременно действующей динамической нагрузкой, приложенной в четвертях расчетного пролета, по схеме однопролетной шарнирно опертой конструкции продольной сжимающей силой. В серии № 1 (рис. 1) балки испытывались при кратковременном динамическом поперечном изгибе. В сериях № 2 и 3 предварительно перед испытанием на динамическую изгибающую нагрузку к балкам прикладывалась продольная сжимающая сила N = 0,25 от несущей способности бетонного сечения (серия № 2) и N = 0,5 бет.сеч. (серия № 3).

Испытание балок при кратковременном динамическом изгибе и сжатии с изгибом производилось на стенде, представленном на рис. 2. Стенд представляет собой копровую установку, размещенную на силовом полу 1, состоящую из направляющих 3, жестко прикрепленных к силовому полу при помощи винтовых тяг. По направляющим свободно перемещается нагружающий элемент 11 массой 400 кг, прикрепленный с помощью лебедки и фиксируемый на необходимой высоте при помощи страховочных хомутов. Испытываемая балка устанавливалась на жесткие динамометрические опоры 2. Под экспериментальным образцом 5 расположена система страховок 4, выполненная во избежание повреждения измерительных приборов. Вначале при помощи домкрата 16 на экспериментальный образец подается сжимающая нагрузка. Крепление домкрата осуществляется путем распора, создаваемого с помощью опорных траверс 19 с двух сторон, которые соединены тяжами - штангами 22. После установки всех элементов распор регулируется гайками-держателями 24, которые надеты на штанги. Сжимающая нагрузка передается на балку с помощью металлических шаров 17 через металлические пластины 18, которые выполняют роль распределительных пластинок. Величина сжимающей нагрузки создается с помощью насосной станции. После подачи сжимающей нагрузки экспериментальный образец выдерживается приблизительно десять минут. По истечении этого времени прикладывается поперечная ударная нагрузка, при помощи грузосбрасыва-теля 12 происходит отцепление груза 11, который ударяет по балке через систему демпфирующих резиновых прокладок 8. На грузосбрасыватель установлен акселерометр, фиксирующий момент времени начала падения груза. Нагрузка на балку передавалась через распределительную траверсу 6 в четвертях расчетного пролета. При ударе груза об экспериментальный образец кинетическая энергия удара переходит в потенциальную энергию, которая тратится на разрушение образца.

Рис. 2. Схема приложения нагрузки и стенд для испытания железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом изгибе с обжатием

В результате проведенных экспериментальных исследований при кратковременном динамическом изгибе и изгибе с обжатием все балки были разрушены по нормальному сечению. Схемы разрушения и трещинообразования железобетонной балки и балок с зонным армированием из стальной фибры как в растянутой, так и в сжатой зонах, испытанных при кратковременном динамическом изгибе и сжатии с изгибом с различными уровнями продольной сжимающей силы, представлены на рис. 3.

г)

д)

Рис. 3. Схемы разрушения и трещинообразования балок:

а - железобетонная балка; б - железобетонная балка с ДЬґ = 40 мм; в - железобетонная балка с ДЪ = 60 мм; г - железобетонная балка с ДЪ = 40 мм; д - железобетонная балка с ДЪ = 60 мм

Из представленных схем разрушения видно, что железобетонные балки с зонным сталефибровым армированием в растянутой зоне разрушились вследствие образования нескольких нормальных трещин по длине зоны чистого изгиба с дальнейшим разрушением сжатой зоны бетона. У балок с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне при аналогичных нагрузках разрушение происходит вследствие текучести растянутой арматуры, в результате чего образуются нормальные трещины по длине зоны чистого изгиба, равной 1 м, и при дальнейшем развитии трещин в процессе загруже-ния происходит частичное разрушение сжатой зоны бетона. Это говорит о преимуществах усиления сжатой зоны железобетонных балок зонным армированием из стальной фибры.

На рис. 4 представлена зависимость разрушающей нагрузки для балок от уровня продольной сжимающей силы для образца.

Рис. 4. Зависимость изменения разрушающей динамической нагрузки от уровня продольной сжимающей силы для балок

Из графика можно видеть, что применение зонного армирования из стальной фибры как в растянутой, так и в сжатой зонах повышает несущую способность железобетонной балки при кратковременном динамическом нагружении. При этом несущая способность балки с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне величиной 60 мм выше, чем у железобетонной балки на 25 %. При приложении к балкам сжимающей нагрузки несущая способность для балок с зонным армированием также повышается по сравнению

с железобетонной балкой. Несущая способность железобетонной балки при приложении сжимающей нагрузки N = 0,25 ЯьЬН повышается примерно на 10 %. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности применения зонного армирования из стальной фибры как в растянутой, так и в сжатой зонах в целях повышения несущей способности железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.

На рис. 5 представлено характерное изменение кратковременной динамической нагрузки и опорных реакций во времени.

Время

Рис. 5. Характерный график изменения кратковременной динамической нагрузки и опорных реакций во времени

Динамическая нагрузка достигает своего максимума 90 кН за 0,008 с, затем происходит затухание динамической нагрузки примерно за 0,026 с. Опорные реакции достигают максимума за 0,014 с, отставание достижения максимума опорных реакций от максимума нагрузки составляет в среднем

0,006 с, что объясняется запаздыванием реакции системы при приложении внешней динамической нагрузки кратковременного действия.

На рис. 6 представлена зависимость максимальных перемещений для балок от величины предварительного обжатия образца.

Из графика можно видеть, что максимальные перемещения у железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры в любой из зон ниже, чем у железобетонной балки, что говорит о снижении деформативности у балок с зонным армированием. У таких балок в сжатой зоне перемещения меньше, чем у балок с зонным армированием в растянутой зоне. При повышении уровня сжимающей нагрузки образцов с зонным армированием из стальной фибры прогибы уменьшаются при разрушающих нагрузках. Данный эффект позволяет сделать вывод, что применение зонного армирования из стальной фибры повышает несущую способность железобетонных балок при кратковременном динамическом нагружении.

N=0

N=0.25 ЛьЬІі

Рис. 6. Зависимость изменения максимальных перемещений для балок от величины предварительного обжатия образцов

Таким образом, анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонной и сталефиброжелезобетонных балок при кратковременном динамическом нагружении, можно сделать следующие выводы:

1. Несущая способность железобетонных балок при кратковременном динамическом нагружении повышается с применением зонного армирования из стальной фибры как в сжатой, так и в растянутой зонах. В целях повышения несущей способности железобетонных элементов рекомендуется применять зонное армирование из стальной фибры в сжатой зоне, высоту фибрового армирования при этом целесообразно принимать 1/3 от высоты сечения элемента.

2. Разрушение железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры в растянутой зоне происходит вследствие разрушения сжатой зоны бетона с образованием нескольких нормальных трещин по длине зоны чистого изгиба элемента. Разрушение железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне происходит вследствие текучести рабочей арматуры, развития нормальных трещин по высоте сечения и частичного разрушения сжатой зоны бетона.

164

Вестник ТГАСУ № 3, 2008

3. Деформативность железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне ниже, чем у балок с зонным армированием в растянутой зоне.

4. При применении сжимающей нагрузки для экспериментальных образцов наблюдается небольшое понижение несущей способности для балок с зонным армированием из стальной фибры в растянутой зоне и некоторое повышение несущей способности для балок с фибробетоном в сжатой зоне. Величина максимальных перемещений при этом для балок уменьшается.

D.G. UTKIN

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF BENT - COMPRESSION FERRO-CONCRETE ELEMENTS WITH ZONED REINFORCING FROM THE STEEL FIBER AT SHORT-TERM DYNAMIC LOAD

The program and the results of experimental researches of bent - compression ferro-concrete elements with zoned reinforcing from a steel fiber in the stretched and compressed zones at short-term dynamic loads are given in the paper. On the basis of the analysis of results of experimental researches the main conclusions about efficiency of strengthening of ferro-concrete elements by a layer of steel fibre reinforced concrete in the compressed and stretched zones are made.

УДК 624.011.2.001.24

Д.Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,

Л.И. ОФИЦЕРОВА, канд. техн. наук, доцент,

Д. В. ЛОСКУТОВА,

ТГАСУ, Томск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕУГОЛЬНОЙ ДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований двух треугольных деревянных ферм, объединенных в пространственный блок, на действие статической нагрузки, приложенной к верхнему поясу. Экспериментальные исследования сопровождались расчетами напряженно-деформированного состояния ферм на действие нагрузок, взятых из программы эксперимента. Результаты расчетов представлены в виде деформированных схем и карт нормальных напряжений в сечениях элементов. Проведено сопоставление результатов расчетов с опытными данными по деформациям и напряжениям. Показано удовлетворительное согласование полученных результатов.

Индустриализация строительства деревянных конструкций может быть достигнута за счет использования сквозных плоских конструкций, выполненных в заводских условиях. Одним из путей снижения трудовых и материаль-

© Д.Г. Копаница, Л.И. Офицерова, Д.В. Лоскутова, 2008