Особенности разрушения железобетонных конструкций при динамическом нагружении

УДК 691.328.1

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

© П.А. Радченко, С.П. Батуев, М.Е. Гончаров,

И.В. Балдин, В.С. Плевков, А.В. Радченко

Ключевые слова: железобетон; прочность; разрушение; динамическое нагружение.

Исследуется влияние стыков железобетонных колонн на разрушение готовое конструкции. Применяется как экспериментальное, так и численное моделирование методом конечных элементов при динамическом нагружении.

Исследование работы стыков железобетонных колонн в последнее время становится все более актуальным, т. к. при возведении железобетонных каркасов многоэтажных жилых и гражданских зданий часто встречаются дефекты и ошибки, которые, снижая несущую способность колонн и их стыков, могут привести к отказу отдельных конструкций здания или здания в целом [1]. Кроме того, динамические воздействия могут воспринимать конструкции, которые ранее не рассчитывались на динамические нагрузки, что обусловлено повышением сейсмичности для многих регионов России и, особенно для городов Западной Сибири.

Для выявления работы стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами, а также для получения величин разрушающих нагрузок и характера их разрушения при кратковременных динамических нагрузках, была разработана программа экспериментальных и численных исследований, которая включала в себя три серии образцов. Каждая серия состояла из пяти образцов, выполненных в масштабе 1:4 к натурным колоннам, с варьированием наличия стыка, армирования в стыке и внешнего усиления в виде металлических элементов. При этом принималась следующая маркировка экспериментальных образцов: Кд - образец без стыка; СКд - образец со стыком, при наличии сеток в уровне стыка; СКДд - образец со стыком, без сеток в уровне стыка; СКМд - образец со стыком, при наличии сеток в уровне стыка и усиленный металлической обоймой; СКМДд - образец со стыком без сеток в уровне стыка и усиленный металлической обоймой. Все экспериментальные образцы армировались пространственными вязаными каркасами. Рабочая арматура была выполнены в виде 8 стержней диаметром 8 мм класса А-Ш (А-400). Косвенное армирование (хомуты и сетки) выполнено из проволоки Вр-1 (В500) диаметром 3 мм. Для предотвращения локальных разрушений в приопорных зонах устанавливается косвенное армирование в виде 5 сеток с шагом 20 мм. При стыке железобетонных колонн без дефекта (СКд, СКДд) в зоне стыка было установлено пять сеток с шагом 20 мм. При стыке колонн с дефектом (СКДд, СКМДд) сетки в зоне стыка отсутствовали. Все опытные образцы были изготовлены из бетона, который соответствовал классу В20. Для получения информации о поведении

элементов использовалась запатентованная копровая установка с системой измерительных приборов лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» [1], которая позволяет создавать кратковременную динамическую нагрузку вида, представленного на рис. 1, на испытываемый железобетонный элемент.

V КІІ

Рис. 1. Характер приложения нагрузки на экспериментальные образцы

Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить характер деформирования и тре-щинообразования железобетонных колонн и их стыков при динамическом воздействии, а также определить величины разрушающих нагрузок (рис. 1) для экспериментальных образцов: для образца Кд - 305,0 кН; для образца СКд - 253,0 кН; для образца СКДд -104,4 кН; для образца с СКМд - 371,6 кН; для образца СКМДд - 326,5 кН.

Кроме экспериментальных исследований работы стыков железобетонных колонн были выполнены численные расчеты их динамического деформирования при нагрузках вида, приведенного на рис. 1. Образцы при численном моделировании полностью соответствовали образцам экспериментальных исследований. При данных исследованиях был применен метод конечных элементов с использованием конечно-разностной схемы Джонсона [4]. Такой подход позволяет изучить механизм разрушения образцов при их динамическом нагружении. В численной конечно-элементной

1578

модели на свободных поверхностях принимались граничные условия с отсутствием касательных напряжений, на контактных поверхностях - условия скольжения без трения. При этом начальная скорость груза, составляющая 4,43 м/с, имела полное совпадение с экспериментальными исследованиями. Общее количество конечных элементов в образце составило 1 • 106.

При описании динамического нагружения использовалась упругопластическая модель для описания поведения металлического груза и упругохрупкая модель - для описания поведения экспериментального железобетонного образца. При этом среда представлялась как квазигамогенная. Система уравнений, описывающих нестационарные адиабатные движения сжимаемой среды в декартовой системе координат ХЇ2 , включает в себя уравнения, представленные ранее [2]. Компоненты тензора напряжений в образце материала до разрушения удовлетворяют коэффициентам обобщенного закона Гука, который был выражен через скорости деформации:

(Г. — С 7 e ! .

ij ijkl kl

Для критерия разрушения материала образца используется критерий Хоффмана. Этот критерий позволяет использовать различные прочностные характеристики материала на сжатие и растяжение, и выраженный через скалярные функции компонент тензора напряжений выглядит следующим образом:

з )2 + С2 (с

1) + С3 (с11 С22) +

+C4C11 ++С5с22 + C6C33 + C7°12 + C8°23 + C9°31 — 1

где С - константні материала.

Предполагается, что разрушение материала исследуемого образца в условиях интенсивных динамических нагрузок происходит следующим образом: если критерий прочности (2) нарушается в условиях сжатия (% < 0 ), то дальнейшее поведение материала описывается гидродинамической моделью, при этом материал сохраняет прочность только на сжатие, а тензор напряжений становится в этом случае сферическим (а,-,- —Р); если критерий (2) осуществлять в условиях растяжения (е&к > 0), то материал считается полностью разрушенным, и компоненты тензора напряжений полагаются равными нулю ( сг. = 0) [3].

На рис. 2 градациями серого цвета показаны значения относительного объема разрушений у / . При

этом значения у. и Ушт приведенні в узлах сетки: V - количество элементов в узле, в котором критерий разрушения (2) выполняется; Уат - общее количество элементов, содержащихся в данном узле. Значение V/ / = 1 соответствует полному разрушению мате-

риала в узле расчетной сетки. Узлы, в которых материал полностью разрушен, исключены из расчета для большей наглядности. Численные расчеты позволили выявить схемы трещинообразования эксперименталь-

ных образцов в различные моменты времени (рис. 2), которые имеют хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями.

Анализ результатов экспериментальных и численных исследований образцов при динамическом воздействии показал надежность усиления железобетонных колонн и их стыков. Повышение несущей способности за счет металлической обоймы составило до 40 % при испытании образца СКМд в сравнении с СКд и более чем в три раза при испытании образца СКМДд в сравнении с образцом СКДд. При этом усиление металлической обоймой позволило увеличить несущую способность образца со стыком СКМДд, имеющего дефект, по сравнению с образцом СКд на 29 %.

а)

б)

Рис. 2. Общий вид разрушения экспериментального образца во времени при численном эксперименте: а) без стыка (колонна); б) проектный стык колонн без усиления

ЛИТЕРАТУРА

1. Кумпяк О.Г., Плевков В.С., Копаница Д.Г., Балдин И.В. Некоторые вопросы динамики железобетона // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2000. № 1. С. 124-136.

2. Радченко А.В. Модель поведения хрупких анизотропных материалов при динамических нагрузках и ее приложения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2003. № 2. С. 179-193.

3. Радченко А.В., Кривошеина М.Н., Радченко П.А., Кобенко С.В., Афтаева Е.Н. Оценка демпфирующих свойств гетерогенной анизотропной оболочки при ударе // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2003. № 2. С. 194204.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Radchenko P.A., Batuyev S.P., Goncharov M.E., Baldin I.V., Plevkov V.S., Radchenko A.V. FEATURES OF FRACTURE OF FERROCONCRETE DESIGNS AT DYNAMIC LOADING

In work the influence of joints of ferroconcrete columns on destruction ready designs is investigated. It is applied both experimental, and numerical modeling by a method of final elements at dynamic loading.

Key words: ferroconcrete; strength; fracture; dynamic loading.

с

с

1579