Экспериментально - теоретические исследования живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельного элемента

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТДЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL RESEARCH ON SURVIVABILITY OF REINFORCED CONCRETE FRAMES IN THE MOMENT OF INDIVIDUAL ELEMENT BUCKLING

В.И. Колчунов, H.O. Прасолов, Л. В. Кожаринова V.I. Kolchunov, N.O. Prasolov, L.V. Kozharinova

«Государственный университет - учебно - научно - производственный комплекс», г. Орел

Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований живучести нагруженных железобетонных рам при потере устойчивости внецентренно сжатой стойки вызванной внезапным изменением граничных условий.

The paper presents the results of experimental and theoretical research on survivability of loaded reinforced concrete frames in case of beyond design basis actions due to the buckling of individual frame member caused by sudden alteration of boundary conditions.

Решению задач конструктивной безопасности и живучести сооружений в научных исследованиях последних лет уделяется всё большее внимание. В этих исследованиях изменение статической неопределимости систем связывалось с внезапным выключением сечений и отдельных элементов от исчерпания их несущей способности [1, 2]. Задачи живучести сооружений, связанные с внезапной потерей устойчивости их элементов, в этих исследованиях не рассматривались. В настоящей работе приведены некоторые результаты экспериментально - теоретических исследований живучести нагруженных железобетонных рам при потере устойчивости внецентренно - сжатой стойки от внезапного изменения её граничных условий.

Для технической реализации этой задачи была разработана методика испытания железобетонной рамы, предусматривающая загружение ригелей заданным уровнем вертикальной проектной нагрузки и запроектным воздействием в виде внезапного выключения связевого элемента крайней стойки. Испытания железобетонных рам выполнены в два этапа. На первом этапе испытана рама с раскрепленной связевыми элементами крайней стойкой. Второй этап испытаний выполнен аналогично с тем лишь отличием, что связевые элементы, раскрепляющие крайнюю стойку, отсутствовали.

Для экспериментальных исследований были запроектированы и изготовлены опытные двухпролетные конструкции рам, каждая из которых состояла из двух сборных ригелей РЛ-1 и РП-1, сечением 120x40 мм и длиной 1200 мм, крайней стойки С-1 сечением 20x30 мм, и стоек С-2, С-3 сечением 120x40 мм. Все стойки выполнены длиной 700 мм. Ригели и стойки были объединены закладными деталями, с замоноличи-ванием стыков в двухпролетную сборно-монолитную рамно-стержневую конструктивную систему (рис. 1а).

а)

Узел А

В)

Г)

Рис. 1 - Схемы конструктивного решения (а), армирования (б) и испытаний (в, г) опытной рамы: 1 - опорная балка, 2 - подкосы с направляющими, 3 - рычажная нагрузочная система;

Крайняя стойка С-1 изготовлена из бетона В 12,5, все остальные элементы рамы выполнены из бетона В25. Крайняя стойка рамы раскреплена связевыми элементами

РЭ-1 выполненными из уголков сечением 20x20x3 мм. Связевые элементы соединены c крайней стойкой с помощью закладной детали ЗД-1, фасонок Ф1 и Ф2 и бетонной шпонки БШ1 диаметром 8 мм.

Армирование сборных ригелей (рис. 1, б) принято в виде плоских сварных каркасов Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 5 мм класса Bp-I (В500). Поперечная арматура запроектирована из арматурной проволоки диаметром 3 мм класса Bp-I (В500) с шагом 60 мм (рис. 1, б). Стойки С-2, С-3 армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса A-III (А400). На приопорных участках балок установлены закладные детали из листовой стали толщиной 4 мм, приваренные к рабочим стержням. Армирование стойки С-1 выполнено каркасами Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 2 мм из проволоки, изготовленной из стали Ст3, Rs = 365мПа.

Параллельно с изготовлением основных образцов были изготовлены вспомогательные бетонные кубы размерами 100x100x100 и призмы 100x100x400, предназначенные для получения фактических прочностных и деформативных характеристик бетона на момент проведения испытаний. Испытания вспомогательных образцов бетона проводили по методике ГОСТ 10180-90. В результате испытаний были определены основные характеристики бетонов. Для образцов с проектным для рассматриваемой стойки классом бетона В12,5 получены следующие xapaKTepncTHKH:Rbn=9,38 МПа, Rb=7,12 МПа, Rbt=0,66 МПа, Eb=29,8-103 МПа. Для образцов с проектным классом бетона В25: Rbn=18,5 МПа, Rb=14,5 МПа, Rbt=1,55 МПа, Eb=29,8-103МПа.

Конструкции опытных рам испытывали на специально изготовленном стенде, включавшем рычажную нагрузочную систему и подкосы для обеспечения устойчивости рамы из её плоскости (рис. 1, в.).

До проектной нагрузки рамы нагружались двумя сосредоточенными силами в середине каждого пролета ригелей (рис. 1, г). Нагрузка на ригели рамы прикладывалась ступенями по 0,5 кН с выдержкой в течение 10 минут на каждой ступени.

При проведении испытаний измерялись и фиксировались следующие опытные величины: продольные деформации сжатого и растянутого бетона стойки С-1, перемещения стойки С-1, значение нагрузки на ригели, образование и раскрытие трещин во всех железобетонных элементах конструкции рамы.

Измерение перемещений крайней стойки производилось индикаторами часового типа с ценой деления 0,001. Измерение продольных деформаций сжатого и растянутого бетона производилось методом электротензометрии с использованием групп тэнзорезисторов Т1-Т8. Схема установки индикаторов и групп тэнзорезисторов представлена на рисунке 2, а, а общий вид испытаний на рисунке 2, б.

Загружение системы производилось до значения проектного усилия в стойке N = 3,2 кН. Запроектное воздействие в виде хрупкого разрушения бетонной шпонки и, соответственно, внезапного выключения связевых элементов РЭ-1 (второй этап испытаний) создавалось в загруженной проектной нагрузкой раме после незначительного её увеличения. Сечение шпонки было подобрано таким образом, чтобы нагружение стойки проектной нагрузкой, превышающей 3,2 кН, приводило к её хрупкому разрушению и, соответственно, внезапному изменению свободной длины стойки.

Расчёт опытных конструкций рам выполнялся в двух вариантах: 1) численным методом с использованием программного комплекса SCAD [5]; 2) полустатическим методом перемещений с использованием шагово-итерационной процедуры для раскрытия физической нелинейности по методике, изложенной в [3]. При расчёте по первому варианту, был выполнен деформационный расчёт рассматриваемой конструктив-

ной системы с учётом её динамического догружения. При этом для учёта податливости сопряжения ригеля и крайней стойки проведён расчёт системы с нераскреплённой крайней стойкой при жёстком, шарнирном и податливом ее соединении с ригелем. В результате такого расчёта, определено значение коэффициента кь учитывающего податливость сопряжения стойки и ригеля.

Расчёт по второму варианту позволил определить критические параметры, характеризующие потерю устойчивости системы.

Рис. 2 - Схема установки индикаторов

Анализ полученных опытных значений деформаций в элементах конструктивной системы позволил отметить следующее: деформирование внецентренно сжатой крайней стойки, раскреплённой упругой горизонтальной связью, нагруженной до проектной нагрузки, имело нелинейный характер (рис. 3). По высоте стойки, в нижней её четверти, поперечные горизонтальные перемещения были направлены внутрь пролёта рамы, в верхней четверти - в противоположную.

Сопоставление опытных и расчётных кривых деформирования крайней стойки при проектной нагрузке и запроектном воздействии (рис. 3, а) удовлетворительно согласуются между собой. Из анализа прогибов в нижней четверти пролёта стойки (кривые 1 и 4) следует, что после внезапного хрупкого разрушения связевого элемента изменилась расчётная схема крайней стойки и, соответственно, количественно и качественно изменился характер её деформирования вследствие бифуркации.

Характер деформирования рассматриваемой крайней стойки при отсутствии горизонтальной связи (второй этап испытаний) (рис. 3, б) отличался от характера деформирования раскреплённой стойки - горизонтальные перемещения всех рассматриваемых сечений имели одинаковый знак. Загружение рамы на втором этапе испытаний (без раскрепления крайней стойки горизонтальной упругой связью) производилось до такого уровня, при котором её деформированное состояние, при указанных условиях закрепления, было эквивалентно деформированному состоянию на первом этапе испытаний после выключения горизонтальной упругой связи. Это усилие оказалось равным N =4,5 кН. Оно является статическим эквивалентом динамического догружения, возникающего в конструктивной системе после рассматриваемого внезапного запро-ектного воздействия.

ВЕСТНИК _МГСУ

а)

4

Nil

¿'1 2

N,kH

1 4 -¿¿я*

\ \ \\ \\ fLj/ V N

\\ /! 1

V у // // II II /' J /' / // у (Л а

II' II' If ' Aill

l)J / Jf / Г/ " /;10м

-0,1

О

0.2

0,4

0.6

Рис. 3 - Диаграмма «усилие-перемещение» («N-f») при проектной нагрузке и за-проектном воздействии для опытной рамы с раскреплённой (а) и нераскреплённой (б) стойкой, соответственно: 1, 2, 3 - экспериментальные значения перемещений в нижней четверти, в середине и в верхней четверти пролёта соответственно; 4,5,6 - то же, теоретические значения

Приведенные на рисунке 4 значения кривизн по высоте стойки, вычисленные по показаниям групп тензорезисторов Т1 - Т8, подтвердили характер деформирования, полученный в результате выполнения теоретического расчёта с использованием программного комплекса SCAD.

Рис. 4 - Диаграмма «момент - кривизна» (М- ж): 1,3,5,7 -экспериментальные кривые, 2,4,6,8 - теоретические кривые для групп тензорезисторов Т1-Т2, Т3-Т4, Т5-Т6, Т7-Т8, соответственно;

По полученным опытным значениям деформаций бетона, определены зоны развития максимальных сжимающих и растягивающих напряжений (таблица 1), а так же характер трещинообразования при проектных и запроектных воздействиях.

Таблица 1 - Напряжения в зонах постановки тензорезисторов вычисленные по пока-

заниям датчиков Т1-Т8 установленных в опытных конструкциях

Усилие в стой-ке

1 2 3 4 5 6 7 8

К -5,1 -5,5 -6,13 -4,5 -6,13 -4,5 -3,3 -7,3

NU -8,8 -6,18 -7,2 -7,7 -6,9 -8,1 -5,82 -9,5

Начало процесса трещинообразования в опытных конструкциях рам было зафиксировано после приложения запроектной нагрузки. Анализ опытной схемы трещинообразования (рис. 5) показывает, что развитие трещин типа Тр1 связано с раздроблением бетона под закладной деталью, в момент структурной перестройки конструктивной системы. Диаграмма момент-кривизна (рис. 4) показывает, что после приложения запроектной нагрузки, кривизна в зонах установки тэнзорезисторов Т7-Т8 резко уменьшилась, а сжимающие напряжения в зоне установки датчика Т8 увеличились вследствие увеличения продольной сжимающей силы. Эти напряжения составили а = 9,5 мПа и превысили нормативную прочность бетона на сжатие Rbn=9,38 МПа. Дальнейшее уменьшение изгибающего момента и, как следствие, кривизны в рассматриваемом сечении говорит о появившейся податливости соединения ригеля и крайней стойки, количественная мера которой определена расчётом по первому варианту. Это значение составило kj = 550 кНм, и находится в интервале значений, полученных при выполнении теоретических расчётов по методике [4].

Рис. 5 - Схемы развития трещин в левой крайней стойке рамы

Полученные опытные данные, а также результаты их сопоставления с численными исследованиями, позволяют сделать вывод о том, что методика расчёта устойчивости рамно-стержневых систем с учётом взаимного влияния соседних элементов и податливости их сопряжения предложенная в [3, 4], эффективна для расчёта живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельного элемента.

Выполненные экспериментальные исследования позволяют количественно и качественно оценить динамический эффект, возникающий в железобетонных рамах при внезапном изменении расчётной схемы.

Литература

1. Бондаренко, В.М. К расчету сооружений, меняющих расчетную схему вследствие коррозионных повреждений [Текст] / В.М. Бондаренко, Н.В. Клюева // Известия вузов. - 2008. - №1

2. Гениев, Г.А. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях [Текст] / Г.А. Гениев, В.И. Колчунов, Н.В. Клюева, А.И. Никулин, К.П. Пятикрестовский// АСВ - М., 2004. - С. 215.

3. Колчунов, В.И. К оценке живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельных элементов. / Колчунов В. И., Прасолов Н. О. Моргунов М.В. // Строительная механика инженерных конструкций №4 2007 С. 40-44.

4. Колчунов, В.И. Влияние коррозионных повреждений отдельных элементов на устойчивость железобетонных рамно-стержневых систем. / Колчунов В.И. Кожаринова Л.В. Прасолов Н.О. Добриков Г.А. // Вестник отделения строительных наук Том 1 2010 С. 107-112.

5. Перельмутер, А.В., Сливкер В.И. Расчётные модели сооружений и возможность их анализа / А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер. - К.: Сталь, 2002. - 600 с.

References

6. Bondarenko, V.M. Additions to structural analysis, concerning analytical model alteration caused by corrosion damage [text]/V.M. Bondarenko, N.V. Klueva//University news (Izvestiya vuzov). - 2008. - №1

7. Geniev, G.A. Strength and strain of reinforced concrete structures under actions beyond design basis [text]/G.A. Geniev, V.I. Kolchunov, N.V. Klueva, A.I. Nikulin, K.P. Pyatikrestovsky//ASV(Association of construction universities) -Moscow., 2004. - p.215

8. Kolchunov, V.I. Additions to survivability measure for reinforced concrete frames with instability of separate members./ V.I. Kolchunov, N.O. Praslov, M.B. Morgunov //Structural mechanics of engineering structures №4 2007, p. 40-44.

9. Kolchunov, V.I. Stability of reinforced concrete frames with corrosion damage of separate members./ V.I. Kolchunov, L.V. Kozharinova, N.O. Praslov, G.A. Dobrikov.// News of construction sciences department. Vol 1 2010 p.107-112

10. Perelmuter, A.V., Slivker V.I. Analytical models of structures and means of their analyzing/ A.V. Perelmuter, V.I. Slivker. - Kiev.: Steel, 2002. -600 p

Ключевые слова: железобетонные элементы, живучесть, экспериментальные исследования, запроектные воздействия, податливость соединений

Keywords: reinforced- concrete elements, vitality, an experimental investigation of the impact of beyond design basis, give connections.

Контактный e-mail: spartak.84@gmail.com Контактные телефоны: (4862)76-03-72, (920)-800-93-87 - Прасолов Н.О.

302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, Колчунову В.И.,

Рецензент: Член-кор. РААСН, заведующий кафедрой «Строительные конструкции здания и сооружения» Московского государственного университета путей сообщения д.т.н., проф. B.C.

Фёдоров