автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета железобетонной колонны каркаса на совместное действие сжимающей силы и поперечной ударной нагрузки

На правах рукописи

Пляскин Андрей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ КАРКАСА НА СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ СЖИМАЮЩЕЙ СИЛЫ И ПОПЕРЕЧНОЙ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05. 23.17- Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559556

2 5 ФЕВ 2015

Томск-2015

005559556

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томском государственном архитектурно-строительном университете»

Научные руководители: Копаница Дмитрий Георгиевич

доктор технических наук, профессор;

Белов Николай Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Адищев Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор,

декан строительного факультета

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

архитектурно-строительный университет

Герасимов Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительной механики ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций» (Федеральный центр науки и высоких технологий), г. Москва.

Защита состоится «10» апреля 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 в ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2, ауд. 303/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» и на сайте www.tsuab.ru.

Автореферат разослан «17» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копаница Н.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современных промышленных технологий приводит к необходимости изменения требований к несущим конструкциям каркаса, которые помимо эксплуатационных нагрузок могут быть подвержены действию аварийных нагрузок динамического характера. При исследовании поведения железобетонных колонн существующих зданий на действие аварийных нагрузок установлено, что значимую роль при оценке их несущей способности играет напряженно-деформированное состояние на момент действия динамической нагрузки. Задачи, в которых рассматриваются колонны, испытывающие статическое сжатие в сочетании с поперечным ударом, имеют практическую значимость.

Действие эксплуатационных статических нагрузок приводит к изменению динамических свойств конструкций и определяющим образом изменяет расчетную схему для динамического анализа. Известные зависимости динамических свойств от напряженного состояния в достаточной мере изучены для упругих конструкций. Между тем влияние неупругих деформаций на собственные частоты железобетонных конструкций изучены недостаточно и могут быть дополнены результатами экспериментальных и численных исследований.

Практическая задача по оценке прочности железобетонной колонны на совместное действие продольных статических и поперечных динамических нагрузок может быть решена с использованием современных программ, реализованных на принципах механики сплошной среды и предназначенных для анализа ударно-волновых процессов. Полученные локальные формы разрушения и скорости смещений от удара могут быть приняты в качестве исходных данных для квазистатических расчетов в' инженерных программных пакетах. Задача по расчету железобетонной колонны на совместное действие статической сжимающей силы и поперечного удара весьма сложна и может быть решена в сочетании со значительным объемом экспериментальных исследований, позволяющих уточнять и корректировать расчет.

Таким образом, экспериментально-теоретические исследования железобетонных колонн на совместное действие сжимающих напряжений и поперечного удара является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов деформации и разрушения при ударно-волновом нагруже-нии композиционных материалов, в том числе, полученных с помощью нано-технологий» (№07-01-00414-а), 2007-2009 г., и в рамках Государственного задания по проектам: 1.1.08 «Разработка новых направлений в теории взаимодействия сооружений, материалов, машин и механизмов со средой с целью повышения прочностных характеристик и понижения материалоемкости конструкций. Фундаментальное исследование», 2008-2012 г; №458 «Развитие теории расчета и проектирования сооружений минимальной материало-

емкости», 2014; 7.3835.2011 «Исследование пространственных несущих систем, подверженных действию закритических нагрузок динамического характера с учетом изменяющегося напряженно-деформированного состояния, выявленного на основе анализа динамических параметров элементов в зависимости от степени их нагружения», 2013-2014.

Объект исследования - железобетонная колонна.

Предмет исследования — процессы деформирования и разрушения железобетонных колонн при совместном действии сжимающих напряжений и поперечных ударных нагрузок.

Цель работы: Экспериментальное обоснование и численное исследование динамических параметров и напряженно-деформированного состояния железобетонных колонн при совместном действии продольной сжимающей силы и поперечного удара.

Задачи исследований:

— экспериментально исследовать влияние уровня сжимающих напряжений на динамические параметры железобетонных колонн;

— по результатам численных расчетов железобетонных колонн на действие поперечного удара получить значения остаточного импульса и схемы разрушения в зависимости от процента армирования и скорости удара;

— выполнить экспериментальные исследования железобетонных колонн на совместное действие продольной сжимающей силы и поперечного удара;

— провести экспериментальные исследования железобетонной рамы при действии статической нагрузки на ригель и поперечного удара на колонну;

— разработать алгоритм и рассчитать железобетонную колонну на совместное действие продольной сжимающей силы и поперечного удара;

— выполнить расчет железобетонной колонны в составе рамы на действие статической нагрузки на ригель и поперечного удара на колонну.

Методология работы включает физические эксперименты с использованием современного прецизионного измерительного оборудования и численные расчеты, выполненные на основе сертифицированных программных пакетов.

Научная новизна работы. Новыми в работе являются:

— получен коэффициент К/, характеризующий зависимость спектральной плотности мощности железобетонной колонны от величины сжимающих напряжений;

-экспериментально определены схемы разрушения железобетонных колонн при действии поперечного удара в зависимости от величины сжимающих напряжений, процента армирования и скорости удара;

— численным расчётом определены схемы разрушения и значения остаточного импульса, выраженного в виде произведения масс КЭ на скорость их смещения в зависимости от процента армирования железобетонной колонны и скорости ударника;

— экспериментально-теоретическими исследованиями определены напряженно-деформированное состояние и схема разрушения колонны одно-

пролётной рамы при одновременном действии статической нагрузки на ригель и поперечного удара на колонну.

Практическая значимость работы. Разработан алгоритм расчета прочности и деформаций железобетонной колоны на совместное действие сжимающих напряжений и поперечного удара. Полученная зависимость спектральной плотности мощности колебаний от величины сжимающих напряжений может быть использована для определения стадии деформированного состояния сжатой железобетонной колонны.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием научных положений в области строительной механики, механики конструкций и теории прочности, современных методов проведения экспериментальных исследований и использованием сертифицированного прецизионного измерительного оборудования.

Реализация работы. Результаты исследований использованы в работах выполненных в рамках Государственного задания по проекту № 458 «Развитие теории расчета и проектирования сооружений минимальной материалоемкости», 2014; Государственного задания по проекту 7.3835.2011 «Исследование пространственных несущих систем, подверженных действию за-критических нагрузок динамического характера с учетом изменяющегося напряженно-деформированного состояния, выявленного на основе анализа динамических параметров элементов в зависимости от степени их нагруже-ния», 2013-2014.

Результаты исследований использовались в ООО «ИСЦ Стройпроект» при выполнении НИР «Разработка и экспериментальное обоснование защитных железобетонных конструкций с повышенной отказоустойчивостью».

Материалы диссертационных исследований используются в Томском государственном архитектурно-строительном университете при подготовке специалистов и магистров по направлению «Строительство».

Личный вклад диссертанта состоит:

— в разработке методики и проведении экспериментальных исследований железобетонных колонн на совместное действие сжимающей силы и поперечной ударной нагрузки;

— в экспериментальном получении коэффициента, отражающего зависимость спектральной плотности мощности колебаний железобетонной колонны от величины сжимающих напряжений;

— в проведении численных расчётов по определению значения остаточного импульса и схемы разрушения железобетонной колонны, в зависимости от процента армирования и скорости удара;

-в разработке алгоритма и проведении расчетов прочности и деформаций железобетонной колонны на совместное действие сжимающих напряжений и поперечного удара.

На защиту выносятся:

-коэффициент, отражающий экспериментальную зависимость спектральной плотности мощности железобетонной колонны от величины сжимающих напряжений;

- результаты численного расчета железобетонных колонн на действие поперечного удара в виде НДС, схем разрушения и величины остаточного импульса, выраженного произведением масс КЭ на скорость их смещения в зависимости от процента армирования и скорости удара;

-результаты экспериментальных исследований железобетонных колонн на совместное действие продольной сжимающей силы и поперечного удара, выраженные в виде деформаций и схем разрушения, полученных в зависимости от процента армирования образцов, сжимающих напряжений и скорости удара;

- алгоритм и результаты расчета сжатых железобетонных колонн на действие поперечного удара.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 10 печатных работ, из них 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: на VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 26-29 мая 2009 г.); Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Байкова (Москва, 4-5 апреля 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (Тамбов, 23 ноября 2013 г.); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инвестиции и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики» (Томск, 25-26 февраля 2013 г.); II Международной, III всероссийская конференция по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 12-16 мая 2014 г.).

Объем и структура работы, Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы 146 наименований. Она содержит 82 рисунка, 4 таблицы. Общий объем работы 129 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, сформулирована цель работы, раскрыты её научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дано краткое содержание работы.

В первой главе приводится обзор и анализ отечественных и зарубежных исследований строительных конструкций на совместное действие статических и динамических нагрузок. Рассмотрены прочностные и деформатив-ные характеристики бетона и арматуры при действии динамических нагрузок. Приведен обзор диаграмм ударных воздействий.

Исследования поведения железобетонных конструкций на действие динамических нагрузок отражены в работах: И.К. Белоброва, А.Н. Бирбраера,

В.М. Бондаренко, A.A. Гвоздева, В.И. Жарницкого, A.B. Забегаева, В.А. Кот-ляревского, О.Г. Кумпяка, В.И. Майорова, В.П. Обледова, B.C. Плевкова, Г.И. Попова, H.H. Попова, Б.С. Расторгуева, Г.В. Рыкова, А.Е. Саргсяна, А.П. Синицына, Г.Н. Ставрова, Г.П. Тонких, Г.К. Ягунда, Т. Hatano, Е. Limberger, R.J. Mainstone, J. Palm, H. Tsutsumi, D. Watsteen и др.

Исследования колонн на действие сжимающей силы и поперечного удара проведены в работах: В.В. Бродского, A.A. Гончарова, О.Д. Егоровой, О.Г. Кумпяка, Б.Х. Курбанова, О.М. Лоскутова, М. Дж. Лоу, A.B. Педикова, Ю.И. Пузанкова, A.M. Ременникова, А.Г. Тамразяна, И.Н. Тихонова, H.H. Трекина, Й. Эйбла. Авторами изучалось влияние класса бетона и арматуры, процента армирования продольной и поперечной арматуры, уровня сжимающих напряжений, величины импульса удара и времени действия на прочность железобетонных колонн. По результатам исследования получены диаграммы динамических нагружений при различных условиях, анализ которых показывает, что пиковое усилие реакции при ударном нагружении выше по сравнению со статическими испытаниями, а треугольная форма импульса может быть эффективно использована для имитации удара.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния величины продольной силы на динамические свойства железобетонных колонн. Рассмотрено поведение железобетонной колонны при совместном действии продольной сжимающей силы и поперечной ударной нагрузки. Исследованы отдельно стоящие колонны и в составе плоской однопролетной рамы. Результаты получены для образцов с процентом армирования поперечного сечения 1,136, 2,016 и 3,136%. Скорость ударной нагрузки изменялась в пределах 54,8 и 63,3 м/с.

Программа экспериментов по определению динамических параметров и характеристик исследуемых конструкций приведены в таблице 1. Программа предусматривает изменение величины сжимающей нагрузки.

Для изготовления опытных образцов использован мелкозернистый бетон с соотношением компонентов по массе 1:0,8:2,5 (цемент : песок : отсев) при водоцементном отношении W/C = 0,46. Модуль крупности заполнителя 5 мм. Конструкция колонны и ее армирование показаны на рисунке 1.

Определение прочности и деформативности продольной арматуры проведено на разрывной машине INSTRON со скоростью 4-Ю"4 с"1 по ГОСТ 10884-81. Напряжения а02 = 493 МПа, модуль упругости Е = 1,9-105 МПа.

Статические испытания образцов с измерением частот собственных колебаний проведены на гидравлическом прессе GCTS UTM - 450 (рисунок 2). В соответствии с программой эксперимента продольная сжимающая нагрузка увеличивалась в диапазоне от 10 до 109 кН.

Относительные деформации измерялись посредством тензометриче-ских преобразователей и цифровой оптической системы Vic2D, предназначенной для измерения перемещений и деформаций.

Результаты деформированного состояния образцов при постепенном увеличении нагрузки приведены на рисунке 3.

Таблица 1 - Программа экспериментов по определению динамических характеристик опытных образцов

Схема испытаний Шифр колонны Продольная рабочая арматура Ц, % Прочность бетона МПа Разрушающая нагрузка, кН

К-1 4вЗ Вр500 1,136 37,2 94

К-2 404 Вр500 2,016 28,5 82

К-3 405 Вр500 3,136 22,7 79

К-4 4иЗ Вр500 1,136 39,5 98

К-5 403 Вр500 1,136 34,2 86

К-6 405 Вр500 3,136 34,4 103

! Р К-7 4о4 Вр500 2,016 33,6 93

............. _!_ ..... К-8 405 Вр500 3,136 30,1 96

/ / / /\

А А К К-9 4о4 Вр500 2,016 40,1 108

К-10 4о5 Вр500 3,136 32,6 99

К-11 4о5 Вр500 2,016 36,8 100

К-12 4о4 Вр500 2,016 40,1 109

К-13 405 Вр500 3,136 29,1 93

К-14 4оЗ Вр500 1,136 41,3 101

К-15 403 Вр500 1,136 39,5 98

К-16 404 Вр500 2,016 29,1 83

К-17 4о5 Вр500 3,136 34,1 104

К-18 4оЗ Вр500 1,136 34,8 88

К-19 405 Вр500 3,136 29,9 94

К-20 4о4 Вр500 2,016 35,6 97

К-21 4о4 Вр500 2,016 32,6 89

К-2 2 403 Вр500 1,136 36,8 92

К-23 405 Вр500 3,136 32,6 101

К-24 4в5 Вр500 3,136 30,8 96

К-2 5 403 Вр500 1,136 37,6 90

К-2 6 404 Вр500 2,016 39,1 104

К-2 7 403 Вр500 1,136 32,7 81

и

Рисунок 1 - Конструкция опытных образцов

Рисунок 2 - Общий вид испытаний Определение динамических характеристик колонны

Осевые перемещения

Изучение и анализ динамических свойств дают представление о физическом состоянии конструкции. Действие сжимающей силы приводит на начальном этапе деформирования к упрочнению бетона и появлению в спектре дополнительных частот. Спектральная плотность мощности с соответ-

Вертикальные

Рисунок 3 - Деформации колонны при увеличении напряжений сжатия

ствующей частотой основного тона и появившимися в результате сжатия другими частотами определялись быстрым преобразованием Фурье (БПФ).

В ненагруженном состоянии бетон, обладающий неоднородной структурой, содержит поры и микротрещины. С началом нагружения железобетонной конструкции происходит перераспределение внутренних напряжений с первоначальным сжатием пор и микротрещин, соответствующих упрочнению бетона. Увеличение нагрузки вызывает развитие микротрещин с нарушением сплошности бетона, вплоть до возникновения магистральных трещин и разрушения конструкции.

Результаты исследований показывают, что снижение частоты собственных колебаний для конструкций из прочных бетонов происходит от действия нагрузок, вызывающих напряжения сжатия более (0,7-0,8)Л4. На диаграмме деформирования бетона ст-е при одноосном сжатии эти напряжения соответствуют верхней параметрической точке диаграммы О .Я. Берга.

Рассмотрим результаты экспериментальных исследований железобетонных колонн при осевом сжатии. Испытания проведены с целью оценки степени влияния уровня напряжений на спектральные характеристики сжатых колонн. Нагрузка создавалась гидравлическим прессом UTM — 450. Частота собственных колебаний определялась посредством измерительно-вычислительного комплекса. Акселерометры фирмы Analog Devices устанавливались на поверх-ГГи ность образцов. На каждом этапе

нагружения проводились измерения частот. Возбуждение колебаний выполнялось пружинным ударником на уровне половины высоты колонны. Обработка результатов проведена посредством программы «АСТ-Тест». На рисунке 4 показаны диаграммы изменения частоты собственных колебаний у колонн трех типов, отличающихся процентным содержанием рабочей арматуры.

Диаграммы частот собственных колебаний построены путем аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших квадратов. Доверительный интервал в стадии упругого деформирования составил 10,75 Гц, в стадии упругопластического деформирования 23,74 Гц. Частоты основного тона у колонн с процентом армирования ц = 1,136, 2,016, 3,136% соответственно равны 224,18, 227,51 и 231,13 Гц.

2.01 Л 3.1.и>

Put чет \\'SYS

У \

\ 1

i t

\ i

1 \

1 1

1

Щ 0.2 О. J 0.4 0.S 0.6

0.8 0.9 atjRh

Рисунок 4 - Диаграммы частот собственных колебаний колонн в зависимости от уровня напряжений

С появлением сжимающей нагрузки у всех колонн произошло повышение собственных частот. В большей степени увеличивалась частота у колонн с меньшим процентом армирования. Наибольшие значения частоты у исследуемых образцов наблюдались при сжатии в диапазоне (0,35-0,5) Яь.

На рисунке 4 изображена наклонная прямая, построенная по результатам упругого расчета ПК ЛЛ^КУ. Расчеты показали линейное снижение частоты собственных колебаний при увеличении сжимающих напряжений с 225,19 до 204,11 Гц. Совпадение значений частоты у железобетонных колонн с результатами упругого расчета произошло при напряжениях сжатия, близких к 0,7 Яь.

Полученные БПФ диаграммы спектральной плотности мощности для исследуемых трех типов моделей при различном уровне напряжений сжатия вь!Яь приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты экспериментальных измерений спектров мощности колебаний

ц = 1,136% ц = 2,016% ц = 3,136%

а4/й4 = 0 | Г ' ; 1

Г Ер! ! 1 } \ ~ 1 | 1 1 1 1 ' | .

- аь/Яь = 0,3 :| !

!- I Яшшш 1 II- ■ 1 §

н 1 г: 1 1 Ч

.Л " V, - -

.......> 1 : 1\ ■ ! 1 р, :, 1 ~ 4.".....;...................:

5 1 11 .......... .....____ 3_____________________________-- ............................

аь/Яь = 0,9 3 8 •

- ^ ■ ■. 1

: ......Л ;.............. ; А

........ й* " " " * ~ к;,'"- " ~ - "' - ... - • • -

Увеличение сжимающих напряжений вызывало изменение спектральной плотности мощности. Выявленные закономерности изменения спектров колебаний в зависимости от степени сжатия рассмотрим как отношение величины спектральной плотности мощности А,-, полученной для /'-го уровня нагрузки, к первоначальному значению спектральной плотности мощности

модели колонны без нагрузки А0 в виде коэффициента относительной спектральной плотности мощности

где А о - спектральная плотность мощности при аь/Яь = 0 ; - спектральная плотность мощности при аь/Яь > 0; аь - напряжение сжатия в бетоне; Яь-расчетное значение сопротивления бетона осевому сжатию.

Зависимость коэффициента относительной спектральной плотности мощности от напряжений сжатия показана на рисунке 5.

к/ 1,0

0,9

0,8

0.7

0,6

0.5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,1 о',2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0'Ь/ЯЬ

Рисунок 5 — Зависимость коэффициента спектральной плотности мощности от напряжений сжатия К^-аь1Яь

Результаты экспериментов показали, что полученная зависимость спектральной плотности мощности от величины сжимающих напряжений может быть использована для определения стадии напряженно-деформированного состояния колонн по значениям коэффициента относительной спектральной плотности мощности К

Анализ экспериментальных результатов показал, что упругой работе колонн соответствовало значение 0,71 < К/ < 1,0. В диапазоне 0,47 < К/< 0,71 наблюдались упругопластические деформации. Стадии разрушения соответствовало значение 0 < К/< 0,47.

-

-

- 3%

1% 2%

0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

3% 0,957 0,915 0.872 0,830 0,788 0,748 0,705 0,613 и, 301

2% 0,956 0.911 0.867 0,6 23 0,781 0,739 0,692 0,599 0,301

1% 0,953 0.906 0.860 0,813 0,^69 0,725 0,677 0,587 0,301

\

\

Экспериментальные исследования колонн на совместное действие продольной сжимающей силы и поперечной ударной нагрузки проведены в соответствии с программой, показанной в таблице 3. Испытано 17 железобетонных колонн и две плоские рамы.

Таблица 3 — Программа экспериментов на совместное действие статической и ударной нагрузки

Схема испытаний Шифр КОЛОННЫ Армирование Прочность, МПа Величина осевой силы, кН

К-1 4в5 Вр500 3,136 25,1 0

i т> К-2 404 Вр500 2,016 28,6 32

* К-3 403 Вр500 1,136 30,2 30

-L. К-4 403 Вр500 1,136 32,2 56

Л к; К-5 403 Вр500 1,136 32,4 72

К-6 4вЗ Вр500 1,136 28,6 25

гч К-7 403 Вр500 1,136 33,4 25

К-8 405 Вр500 3,136 28,8 52

К-9 404 Вр500 2,016 38,6 92

т д К-10 4и5Вр500 3,136 27,2 40

К-1 404 Вр500 2,016 29,2 43

К-12 405 Вр500 3,136 30,7 89

К-13 4о5 Вр500 2,016 30,6 68

К-14 404 Вр500 2,016 34,2 75

К-15 405 Вр500 3,136 29,1 50

К-16 403 Вр500 1,136 37,1 78

К-17 4оЗ Вр500 1,136 39,4 88

/ / / / / / Р-1 403 Вр500 1,136 18,7 20

Р-2 403 Вр500 1,136 18,3 15

Поперечный удар создавался пороховой колонкой ПКУ-1ДУ с массой ударника 0,4 кг и площадью ударной части 200 мм2.

Для измерения динамических характеристик использован приемно-измерительный комплекс, состоящий из четырех частей: персонального компьютера, программного обеспечения (ПО), устройства сбора данных (УСД) с измерительными датчиками, подключаемыми к блоку УСД. Обработка информации проводилась в реальном масштабе времени с выводом на персональный компьютер.

Для детального исследования характера трещинообразования при действии удара использована высокоскоростная камера FASTCAM SA2 со скоростью съемки до 6000 кадров/с.

Исследование влияния сжимающих напряжений в бетоне на поведение и характер разрушения образца при ударном нагружении проведено в зависимости от процента армирования и скорости удара.

Результаты исследований показали, что разрушение характеризуется общими деформациями образца и выносом бетонной призмы с потерей устойчивости рабочей арматуры. По измерениям посредством скоростной

камеры выявлено, что с момента соприкосновения ударника с поверхностью колонны формирование наклонных трещин, выделяющих призму происходило в течение 0,5 мс (рисунок 6). Действие ударника привело к разрушению сжатой части бетона в зоне контакта и развитию откола с потерей устойчивости рабочей арматуры.

Рисунок 6 - Разрушение при скорости удара 63,3 м/с, сжатие 89 кН

Изменение сжимающей силы в большую сторону приводило к увеличению угла наклона трещин, выделяющих призму откола. Экспериментально установлено, что рост напряжений сжатия в колонне от действия продольной силы с 25 до 92 кН привел к увеличению угла откола от 53 до 71°.

Исследование влияния скорости удара показало, что при разрушении образца ударником, имеющим скорость 54,8 м/с, часть бетонного сечения фрагментируется, но не выносится, в то время как увеличение скорости ударника до 63,3 м/с привело к выносу всей бетонной призмы, сформированной наклонными трещинами.

Экспериментальные исследования колонны в составе плоской рамы проведены при совместном действии статической нагрузки на ригель и поперечного удара на колонну.

Колонны рамы устанавливались в металлические стаканы, закрепленные на силовом полу. На короткие консоли колонн монтировался ригель, представляющий собой правильный параллелепипед с размерами 42x100x950 мм. Армирование ригеля в продольном направлении выполнено симметрично четырьмя стержнями диаметром б мм класса А240, в поперечном направлении хомутами из проволоки диаметром 2 мм. На торце расположена Г-образная закладная деталь для крепления на консолях колонн. Моделирование эксплуатационной статической нагрузки проводилось пружиной. Нагрузка от пружины передавалась на ригель через траверсу. Величина сжатия пружины контролировалась по графику тарировки и регулировалась четырьмя гайками, закручивающимися равномерно по направляющим шпилькам. Геометрические размеры и армирование элементов рамы приведены на рисунке 7. Сборка рамы проведена на сварке через закладные детали.

аИ №

V-........ ! ,0 НфР

г 5

5 и » п « ы » п

1т

Аг

4.0 ши.

1......

,д я

рз : ж

-4 ч

А

......\

1 ч!

о-

Рисунок 7 — Схема нагрузки и конструкция модели рамы

Испытание колонны на удар проведено после создания статической нагрузки на ригель. Удар был выполнен по поверхности колонны с внешней стороны и сопровождался выносом бетонной призмы. В течение трех секунд арматура колонны выдерживала действие статической нагрузки от пружины после чего потеряла устойчивость и сложилась, как показано на рисунок 8.

Рисунок 8 - Конструкция рамы после разрушения колонны В третьей главе произведен расчет исследуемых образцов на действие поперечной ударно-волновой нагрузки с использованием программного ком-

плекса РАНЕТ-3, предназначенного для решения ударно-волновых задач в полной трехмерной постановке.

Расчеты на поперечную ударную нагрузку проведены с целью получения картин разрушения и значений остаточного импульса в зависимости от процента армирования моделей и скорости удара. Величина остаточного импульса определялась в виде произведения массы каждого конечного элемента модели на скорость его смещения в процессе ударного взаимодействия и разрушения.

Математическая модель мелкозернистого бетона представлена в виде сжимаемой пористой упругопластической среды. Система уравнений пористой упругопластической среды имеет вид

где ? - время; V - объем интегрирования; 5 - его поверхность; п - единичный вектор внешней нормали; р - плотность пористого материала; сг = -pg + 5 - тензор напряжений; ^ - его девиатор; р - давление; £ - метрический тензор; и - вектор скорости; Е = е + и-и/2 - полная удельная энергия; б - удельная внутренняя энергия; е = с! ~(с1: g)g / 2 - девиатор тензора скоростей деформаций; (I = (Ун + Уиг)/2 - тензор скоростей деформаций; = 5 + 5 — производная девиатора тензора напряжений в смысле Яуманна - Нолла; ш = (Унг - Уи)/2 - тензор вихря; Ц = Ц,„0(1-5)Х

£ = (а —1)/а — относительный объем пор; рт — плотность материала матрицы; Рто' с,„о> Имо ~ начальные плотность, объемная скорость звука и модуль сдвига материала матрицы соответственно; г| = 1-рш0и/ а; и = 1/р ; ут0 - коэффициент Грюнайзена матрицы; ят0 - константа материала. Параметр X исключается с помощью условия пластичности Мизеса. Динамический предел текучести материала матрицы в общем случае является функцией скорости деформации, давления, температуры, а также некоторых других параметров.

эффективные мо-

дуль сдвига и предел текучести соответственно; а =

р/ /Р*

— пористость;

При расчете напряженно-деформированного состояния и разрушения

(°max-amin)*P

в бетоне предел текучести ат

/а.

min / \ .

(V -CTmin ) + кР_

Для замыкания системы уравнений необходимы уравнения, описывающие изменение параметра пористости а при растяжении и сжатии. В предположении, что в процессе нагружения не происходит образования новых трещин, а деформирование материала сопровождается ростом изначально существующих с характерным размером R, уравнение, описывающее изменение параметра а при растяжении и сжатии на упругой стадии разрушения, имеет вид

n v - , со Po 0 ~ УоЛ / Зц0(а-а0)

РоУоЬ + ,2 о/1 \»г г>3 _

(l~Vl) &(\ — v)N0Raa0

Рост трещин определяется уравнением R/R = Fi + F2, где Fx = (cls,.-i.Vri, при asj> s. и> F{ =0 при asi < F2 = (|ctp| — /з,)/r)2 при

p< 0, \ap\> р. и F2=0 при р> 0, \ар\< р.;р = p0(l - R/R*)\ sj =^s:s ;

s. = s01(l-R/Я) ; Я =ß/; ioi, Po, Пь Пг, ß - константы материала N0-

число трещин в единице объема v - коэффициент Пуассона.

В бетоне условие R = Ä« является критерием начала фрагментации. Процесс фрагментирования поврежденного трещинами материала и поведение разрушенного материала описываются в рамках модели пористой упру-гопластической среды. При действии растягивающих напряжений в пластически деформированном материале помимо роста трещин происходит рост пор. В этом случае локальным критерием разрушения поврежденного трещинами материала является условие достижения относительным объемом пустот ^=(а-1)/а критического значения с, .

При условии р < —— пористость а определяется из уравнения

а U-lJ

с^р0(1 - y0r| / 2)г| ( а } п р0у0Е + --+ as In - = 0, где as - параметр модели.

О-Vi) W-U

Если поврежденный трещинами материал подвергнуть воздействию сжимающих напряжений, то критерием фрагментирования является предельная величина интенсивности пластических деформаций еи: еи х^ЗТ2 - , где Т\ и Т2 - первый и второй инварианты тензора деформаций.

Расчеты на ударную нагрузку проведены с целью получения картин разрушения и значений остаточного импульса в зависимости от процента армирования колонн и скорости удара. Величина остаточного импульса определялась в виде произведения массы каждого конечного элемента модели на скорость его смещения в процессе ударного взаимодействия и разрушения.

В результате расчета получены изолинии напряжений в момент контакта ударника с поверхностью модели, изолинии остаточных напряжений после фрагментации бетонного тела (рисунок 9) и картины разрушения образцов при различных скоростях удара от 15 до 100 м/с (рисунок 10).

Рисунок 9 - Изолинии напряжений в момент контакта ударника с поверхностью колонны и разрушения

Рисунок 10 - Разрушение образца при скорости удара 15; 30; 54,8; 63,3 и 100 м/с

Выявленные зависимости значений остаточного импульса для скоростей удара от 15 до 100 м/с для образцов с различным процентом армирования показаны на рисунке 11.

Данные о степени повреждения образца и о значениях остаточного импульса при ударном нагружении использованы в качестве исходных параметров при расчете прочности и деформаций железобетонной колонны в составе плоской рамы в ПК АРМ Civil Engineering-X 1.

Vo, м/с

Рисунок 11 - Зависимость величины остаточного импульса от скорости ударника и процента армирования

Четвертая глава посвящена численным исследованиям железобетонной колонны и колонны в составе плоской рамы на совместное действие статической сжимающей силы и поперечного удара в ПК АРМ Civil Engineering-Ii к сопоставлению результатов численных исследований с экспериментальными данными. Расчетные схемы колонны и рамы с поврежденной колонной, полученные по результатам расчета в РАНЕТ-3, приведены на рисунке 12.

Рисунок 12 - Расчетная схема колонны и рамы

Вертикальная нагрузка на колонну и ригель создана сосредоточенными силами, приложенными в узлах. Импульсная нагрузка приложена к поверхностям бетона после разрушения и к оголенным арматурным стержням. Направление остаточного импульса нагрузки совпадает с направлением удара.

Результаты расчета приведены в виде карт эквивалентных напряжений, соответствующих им деформаций и перемещений, показанных на рисунке 13.

Рисунок 13 - Напряжения, деформации и перемещения колонны

При сопоставлении результатов численных и экспериментальных исследований железобетонных колонн на действие статических сжимающих напряжений и поперечного удара проведена качественная и количественная оценка результатов. Качественная оценка для колонны и рамы показаны на рисунках 14, 15.

Рисунок 14 - Картина разрушения колонны, полученная экспериментально и численным расчетом. Скорость удара 63,3 м/с, ц = 3,136 %

иБиМЫи]. и5иМ|им)

П

1389

0.9613 0.8545 0.7477 0.6409 0.5341 0.4272 0.3204 0.2136

I

I

Рисунок 15 - Картина разрушения рамы, полученная численным расчетом

Здесь приведены экспериментальные и расчетные схемы разрушения колонны. Показана деформированная схема рамы, качественно совпадающая с экспериментальной картиной разрушения, показанной на рисунке 8.

Сопоставление результатов для отдельно стоящей колонны проведено по качественным показателям в виде формы разрушения и по количественным показателям, включающим объем вынесенного бетонного тела. Получена удовлетворительная сходимость результатов расчета и экспериментов.

Для колонн в составе рамы расчетные деформированные схемы после разрушения качественно совпали с полученными в эксперименте. Сравнение показало, что расчетные значения перемещений колонны с локальным разрушением отличаются от экспериментальных значений не более 18,2 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально получена зависимость спектральной плотности мощности железобетонной колонны от величины сжимающих напряжений в виде коэффициента КУстановлено, что значение коэффициента в диапазоне 0,71 <К/< 1,0 соответствует упругой работе, при 0,47 < К/< 0,71 - упругопла-стической работе и при 0 < К/ < 0,47 - разрушению.

2. По результатам численных исследований железобетонных колонн на действие поперечного удара получены схемы разрушения и зависимости значений остаточного импульса от процента армирования и скорости удара. Установлено, что увеличение процента армирования приводит к снижению величины остаточного импульса, выраженного в виде произведения массы конечных элементов на скорость их смещения.

3. Экспериментальные исследования железобетонных колонн показали, что при совместном действии сжимающих напряжений и поперечного удара разрушение характеризуется выносом бетонной призмы с потерей

устойчивости рабочей арматуры в контактной зоне и общими деформациями образца. Установлено, что формирование наклонных трещин, выделяющих призму, происходит за / = 0,5 мс, а рост напряжений сжатия в модели от увеличения продольной силы - с 25 до 92 кН приводит к увеличению угла наклона трещин с 53 до 71°.

4. Испытания колонны в составе рамы показали, что совместное действие статической нагрузки на ригель и поперечного удара на колонну вызвали локальное разрушение сечения с потерей устойчивости арматуры и сдвигом верхней части колонны из пролета под действием изгибающего момента. Разрушение колонны ударом привело к снижению основной собственной частоты колебаний рамы с 43,42 до 18,44 Гц, т.е. в 2,35 раза.

5. Разработан алгоритм, и проведен расчет сжатой железобетонной колонны на действие поперечного удара, включающий последовательное решение ударно-волновой задачи по определению картины разрушения, вычисление значений остаточного импульса и численный расчет прочности и деформаций.

6. Сопоставление результатов численных исследований с экспериментальными данными показало их удовлетворительную сходимость. Для отдельно стоящей колонны расчетные значения частот собственных колебаний до разрушения отличались от экспериментальных на 7 %, после разрушения колонны - на 11,2 %. Полученная в эксперименте форма разрушения колонны и объем вынесенного бетонного тела отличаются от результатов расчета в меньшую сторону до 12 %. Для рамы расчетные значения частот собственных колебаний до разрушения колонны отличались от экспериментальных на 1,5 %, после разрушения колонны - на 14,2 %. Расчетная деформированная схема рамы после разрушения колонны качественно совпала с полученной в эксперименте. Разница по перемещениям колонны, не получившей повреждение, составила 14,3 %, для колонны с локальным разрушением - 18,2 %.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Копаница, Д.Г. Экспериментальные исследования моделей железобетонных колонн при ударном воздействии / Д.Г. Копаница, A.C. Пляскин// Вестник ТГАСУ. -2011. -№ 4. - С. 91-96.

2. Расчет остаточного поперечного импульса в железобетонной колонне при ударно-волновом нагружении ее боковой поверхности / H.H. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, C.JI. Капарулин, A.C. Пляскин // Вестник ТГАСУ.-2012,-№4.-С. 179-190.

3. Пляскин, A.C. Расчет модели железобетонной колонны при совместном действии продольной сжимающей силы и поперечного удара / A.C. Пляскин // Вестник ТГАСУ. - 2013. - № 3 - С. 175-182.

4. Экспериментальные исследования модели железобетонной рамы при разрушении колонны ударной нагрузкой / Д.Г. Копаница, C.JI. Капарулин, A.C. Пляскин, А.М. Устинов //Вестник ТГАСУ,- 2013.- №4. -С. 175-183.

5. Расчет однопролетной железобетонной рамы на совместное действие статической и ударной нагрузки / Д.Г. Копаница, В.И. Савченко, A.C. Пляскин, A.M. Устинов//Вестник ТГАСУ.-2013,-№4.-С. 166-174. '

Публикации в других печатных изданиях

6. Копаница, Д.Г. Экспериментальные исследования моделей сжатых железобетонных колонн при поперечном ударе / Д.Г. Копаница, A.C. Пляскин // Сборник докладов Международной научно-методической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Н. Байкова - М ■ МГСУ 2012.-С. 176-182.

7. Пляскин, A.C. Экспериментальные исследования железобетонной рамы при ударном нагружении / A.C. Пляскин // Труды VI Международной конференции студентов и молодых ученых. - Томск : Изд-во ТПУ 2009 -С. 813-815.

8. Копаница, Д.Г. Капарулин С.Л., Пляскин A.C. Спектральный анализ физического состояния моделей железобетонных колонн подверженных осевому сжатию / Д.Г. Копаница, С.Л. Капарулин, A.C. Пляскин // Бетон и железобетон - взгляд в будущее: сб. науч. тр. III Всероссийской, II Международной конференции по бетону и железобетону. - М. : МГСУ 2014 - Т 4 -С. 176-182.

9. Пляскин, A.C. Экспериментальное исследование модели однопролетной железобетонной рамы при совместном.действии статического и ударного нагружений / A.C. Пляскин, A.M. Устинов // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества». - Тамбов 2013 - Ч 10 -С. 138-139.

10. Пляскин, A.C. Моделирование несущих конструкций плоской железобетонной рамы / A.C. Пляскин, A.M. Устинов // Инвестиции и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики: материалы III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 2013. - С. 353-359.

/

"24

Подписано в печать Об. 02.10/^ ■ Формат 60x84/16. Бумага офсет. Гарнитура Тайме, печать офсет. Уч .-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №

Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2 Отпечатано с оригинал - макета в ООП ТГАСУ. 634003, Томск, ул. Партизанская, 15.