Экспериментальные исследования рамно-стержневых конструктивных систем с элементами составного сечения при внезапном выключении связей

Экспериментальные исследования

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАМНО-СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ С ЭЛЕМЕНТАМИ СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ ВНЕЗАПНОМ ВЫКЛЮЧЕНИИ

СВЯЗЕЙ

B.И. КОЛЧУНОВ, акад. РААСН, д-р. техн. наук, проф.

C. С. ПЕРЕЛЫГИН, асп.

Орловский государственный технический университет

Проблема безопасности эксплуатируемых и вновь проектируемых конструкций занимает все большее внимание в исследованиях строительных конструкций.

Одним из направлений решения таких задач явилось направление, развиваемое в работах [1,2]. В них квазистатическим методом без привлечения аппарата динамики сооружений предложено решение задач конструктивной безопасности строительных систем. В работе [3] решение рассматриваемых задач предложено применительно к эволюционно и внезапно повреждаемым железобетонным рамным системам с элементами сплошного сечения.

В развитие этих исследований в данной работе приведены результаты экспериментальных исследований железобетонных рам с элементами составного сечения. Целью данных исследований явилось изучение особенностей деформирования и разрушения таких конструкций при внезапном выключении моментной связи на одной из опор.

В соответствии с поставленной задачей конструкция двухпролетной рамы выполнена из двух сборных ригелей составного сечения Р-1 и трех монолитных стоек С-1 (рис.1). Сечения ригелей приняты составными из двух элементов: нижний элемент выполнен из бетона В20 высотой 80 мм, а верхний - из бетона В35 высотой 40 мм. Между элементами устроен шов из 2-х слоев полиэтилена. Благодаря этому совместная работа элементов осуществлялась только за счет поперечных стержней армирования арматурного каркаса Кр-1, устанавливаемого на всю высоту ригеля. Стойки рамы были изготовлены из бетона В35.

Армирование сборных образцов ригелей принято в виде плоских каркасов Кр-1, с продольной симметричной рабочей арматурой диаметром 6 мм класса A-III. Поперечное армирование ригелей первого опытного образца рамы (OP-I) запроектировано из проволоки диаметром 3 мм с шагом 60 мм. Поперечное армирование ригелей второго опытного образца рамы (OP-II) из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм.

Стойки обоих опытных рам были заармированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с продольной симметричной рабочей арматурой диа^й-

Н6*

ром 5 мм класса Вр-1. Поперечная арматура стоек была принята из проволоки Вр-1 диаметром 4 мм, с шагом 100 мм. На приопорных участках балок установлены закладные детали из листовой стали толщиной 8 мм, приваренные к рабочим стержням.

М;

У

I—

И

_Ц-_1 и

Ф

С.ТПЙКА ГГ1 _

хтп

и я

7ИЦ ___

Рис. 1. Схема конструкций опытных образцов: 1 - каркас ригеля (Кр-1); 2 -каркас стойки (Кр-2); 3 - шов между брусьями ригеля

Для моделирования внезапного выключения моментной связи соединительные элементы сборной рамы были выполнены в виде прокалиброванных накладок М1 свариваемых с закладными деталями сборных ригелей и стоек (см. рис.1). Сечение шва рассчитывалось в зависимости от расчетных растягивающих усилий для каждой опытной рамы.

Схема и режим нагружения опытных конструкций были приняты следующими. До проектной нагрузки раму нагружали двумя симметричными сосредоточенными силами в каждом пролете, приложенными на расстояниях 450 мм от торцов ригелей. Внезапное выключение моментной связи в узле соединения левой крайней стойки и ригеля осуществлялось после разрыва по сварному шву прокалиброванного соединительного элемента от растягивающего усилия, действующего в этом элементе, при на-гружении рамы сосредоточенными силами заданной величины.

Расчет живучести опытных конструкций рам при рассматриваемом запроектном воздействии был выполнен с использованием неординарного варианта смешанного метода в виде, предложенном в работе [4].

При расчете рассмотрено два варианта разрушения опытных рам: 1 -локальное разрушение первой опытной рамы (ОР-1) при внезапном выключении моментной связи на первой опоре; 2 - прогрессирующее разрушение второй опытной рамы (OP-II) при внезапном выключении той же моментной связи.

Кроме этого расчет опытных рам был выполнен с использованием программного комплекса SCAD Office. Эти данные позволили выполнить более полную и всестороннюю качественную оценки исследуемого явления деформирования и разрушения рамных систем с внезапно выключающимися связями.

Разработанная методика с выполненной численной оценкой возможных теоретических схем разрушения рассматриваемых физически и конструктивно нелинейных рамно-стержневых систем позволяет выполнить экспериментальную оценку внезапно повреждаемых рамно-стержневых железобетонных конструкций с элементами составного сечения в запредельных состояниях.

По результатам численных исследований для проверки заложенных здесь критериев разрушения проведены экспериментальные исследования на описанных выше образцах рам. Для случая локального разрушения получены опытные данные о характере трещинообразования и разрушения образца двухпролетной рамы с составным ригелем (рис. 2).

При первом загружении рамы запроектной нагрузкой статическая нагрузка была принята Р = 0 ,8РСГС, где Рск - нагрузка, при которой образуются нормальные трещины в нижнем брусе ригеля составного сечения. В результате запроектного воздействия в среднем сечении ригеля первого пролета опытных конструкций рам образовались трещины. Момент в пролетном сечении, возникший вследствие внезапного воздействия был в 1,4 раза больше момента трещинообразования в том же сечении. Это явилось подтверждением наличия динамического эффекта в оставшихся не разрушенными частях рамы при мгновенном разрушении отдельных ее сечений.

При втором нагружении опытных конструкций запроектной нагрузкой, помимо подтверждения качественной стороны описанного процесса их деформирования получены и количественные характеристики этого процесса. Установлено, что при более высоком уровне нагружения рам проектной нагрузкой, когда в конструкциях имеют место неупругие деформации и трещины, происходит расслоение шва сдвига, динамический коэффициент, равный отношению Md/Mc, снижается. Аналогичным образом на динамический коэффициент влияет и жесткость шва сдвига между брусьями. Из сравнения испытаний первого и второго опытных образцов, с увеличением жесткости шва динамический коэффициент увеличивается.

Рис. 2. Зависимости «нагрузка-прогиб»

Анализ опытных результатов измерений приращений деформаций, позволяет отметить следующее. В момент запроектного воздействия резко возрастают деформации сжатого бетона и растянутых соединительных элементов. Так, первый во времени всплеск кривизн, по показаниям вибрографа, наблюдался для сечений в пролете, примыкающему к месту обрыва соедийительной детали. Максимальная амплитуда всплеска для кривизн и прогибов во всех сечениях приходилась на первую полуволну.

При нагружении рамы проектной и запроектной нагрузками были из-

Рис. 3. Схема (а) и фотография (б) трещин в оставшемся не разрушенным ригеле (пунктиром обозначены трещины образовавшиеся после запроект-

ного воздействия)

Измерениями ширины раскрытия трещин (нормальных Тр1 и наклонных Тр2) в раме до и после запроектного воздействия установлено как увеличение этих параметров в отдельных сечениях, так и интегральный результат накопления повреждений в опытной конструкции при запроект-ном воздействии. Полученные опытные данные о приращениях ширины раскрытия трещин в ригелях опытной рамы также подтвердили наличие динамического эффекта в конструкции при мгновенном разрушении отдельных ее частей. В тоже время, количественные значения приращений

ширины раскрытия трещины &асгс от запроектного воздействия оказались существенно меньшими, чем приращений прогибов.

Помимо раскрытия нормальных и наклонных трещин Тр1 и Тр2, в процессе нагружения рамы проектной нагрузкой, на третьем этапе нагру-жения (две силы в каждом пролете по 0,5 кН) началось видимое нарушение сплошности шва сдвига и трещина ТрЗ в этом шве распространяется по его длине к середине (показано сплошной волнистой линией). После приложения запроектной нагрузки развитие этой трещины по длине увеличилось (показано пунктирной линией). Появление описанной трещины связано со значительным относительным смещением верхнего и нижнего брусьев относительно друг друга.

Рис. 4. Общий вид разрушения образца

Анализируя полученную картину разрушения обоих обоих опытных образцов рам, можно отметить: разрушение первого опытного образца ОР-I (рис. 4) после приложения запроектной нагрузки характеризовалось следующим. Произошло хрупкое разрушение по бетону для каждого из брусьев составного ригеля в середине пролета (в зоне образования трещин Тр1). При этом произошло резкое увеличение трещины Тр2 и значительный сдвиг по шву между брусьями (трещина ТрЗ).

Второй опытный образец рамы с поперечным армированием меньшей интенсивности имел прогрессирующий характер обрушения. Вначале после приложения запроектной нагрузки, как и в первом опытном образце рамы разрушился первый близлежащий к моментной выключающейся связи пролет, а затем с перерывом в 0,2 сек. разрушился второй пролет ригеля. т. е. реализовалась достигнутая расчетом и соответствующей установкой арматуры прогрессирующая схема разрушения обоих ригелей рамы.

Вывод. Проведенные испытания железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем с элементами составного сечения позволили экспериментально определить основные параметры деформирования и разрушения таких конструкций при мгновенном выключении из работы моментной связи на одной из опор. Полученные опытные данные о трещино-образовании, деформировании и разрушении конструкций рам с элементами ставного сечения позволяют экспериментально проводить анализ живучести таких конструкций при внезапных запроектных воздействиях рассматриваемого вида.

Литература

1. Гениев Г.А., Клюева Н.В. Экспериментально-теоретические исследования неразрезных балок при аварийном выключении из работы отдельных элементов. // Изв. Вузов. Строительство. 2000 №10 с. 21-26

2. Гениев Г.А., Колчунов В.И., Клюева Н.В., Никулин А.И., Пятикре-стовский К.П. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях: Научное издание. - М.: Издательство АСВ, 2004.-216 с.

3. Н.В. Клюева, В.И. Колчунов, О.А. Ветрова Экспериментально-теоретические исследования эволюционно и внезапно повреждаемых железобетонных рамных конструкций. // Вестник центрального регионального отделения РААСН, Воронеж-Орел, 2006 с.42-52.

4. Клюева Н.В., Федоров В.Л. СМиРС №3 2006 г.

THE METHOD OF EXPERIMENTAL RESEARCHES OF FRAME-PIVOTAL CONSTRUCTIVE SYSTEMS WITH ELEMENTS OF THE COMPONENT SECTION IN THE CASE OF INFLUENCES ARE NOT FORESEEN BY PROJECT.

V.I. Kolchunov, S.S. Perelygin

The problem of safety exploited and newly designed constructions occupies at present one of the first places in researches of building constructions. In development of this directions in given work are executed numerical researches on the base of kvazistatical method with reference to reinforced concrete frame-pivotal constructive system with elements of the component section, but is in the same way are offered methods of experimental researches and results of the experimental researches on the example of the models of two-spaned frames with component beam.