автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Живучесть железобетонных рамно-стержневых конструкций при внезапной потере устойчивости несущих элементов

На правах рукописи

70

Прасолов Николай Олегович

ЖИВУЧЕСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНО-СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВНЕЗАПНОЙ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ НЕСУЩИХ

ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Орел-2013

005051653

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс».

Научный руководитель:

Колчунов Виталий Иванович

академик РААСН, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Римшин Владимир Иванович

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», директор инспиуга Жилищно-коммунального комплекса

Ведущая организация:

Юров Александр Петрович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Госуниверситег — УНПК», доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство»

ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Защита состоится «26» апреля в 14-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госунивер-ситет-УНПК» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29.

Автореферат разослан « 25 » марта 2013г.

Ученый секретарь ,

диссертационного Совета ^^^ )[ А.И. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы в связи со всё возрастающими вызовами природного и техногенного характера и значительным износом основных фондов страны вступил в силу новый федеральный закон №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружешм». В нём обозначены новые требования функционального и конструктивного соответствия ожидаемы?! силовым и средовым воздействиям при проектных и возможных, так называемых, заироектных воздействиях на сооружения. Однако для обеспечения новых требований Федерального закона необходимо проведение более глубоких исследований, направленных на изучение запроектных воздепст-„ вин, в частности, воздействий, связанных с внезапным выключением из работы отдельных несущих элементов.

Исследованиями РААСН и других научных организаций, выполненными в последние годы, обозначены новые кетщепгуально-мегодолошческие нодаоды к обеспечению конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений, которые должны быть положены в основу решения таких задач. В рамках этих подходов уже выполнен ряд исследований живучести конструктивных систем в условиях исчерпания силонош и средового сопротивления от внезапного выключения отдельных несущих элементов.

Наряду с задачами расчёта несущей способности конструкций с выключающимися связями в решении проблемы конструктивной безопасности зданий и сооружений актуальными япляются исследования живучести железобетонных рамно-стержневых систем, связанные с внезапной потерей устойчивости ключевых конструкций, вызванной эволюционным накоплением повреждений.

Цель реботы - развитое элемегггов теории и практических методов расчета живучести конструкщш в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости отдельных несущих элементов.

Научную ноглпшу работы составляют:

- расчетные зависимости для оценки живучести рамно-стержиепых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущнх элементов;

- опытные данные о характере силового сопротивления и параметрах устойчивости инсцснтреино-сжатых элементов в конструкции железобетонной рамы в предельном и запредельном состояниях;

- методика и алгоритм расчета для исследования живучести железобетонных рамно-сгерлсиевых систем в запредельных состояниях прн внезапной потере устойчивости несущих элементов;

- результаты анализа экспериментальных данных и численных исследований, а также рекомендации по расчету железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях.

Автор защищает:

- методику испытаний и новые экспериментальные данные о деформировании

нелинейных радшо-стерзкневых конструктивных систем в предельных и запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущего элемента;

- расчетные зависимости для оценки живучести нагруженных и коррозион-но-повреедасмых конструкций в запредельных состояниях при потере устойчивости несущег о элемента;

- алгоритм расчета и результаты численных исследований железобетонных рамно-стержневых конструкций в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущих элементов.

Обосиочхиносп, и достоверность научных положений и вьшодое основывается на использовании базовых положений и гипотез строительной механики и механики железобетона, результатами проведенных автором экспериментальных исследований железобетонных рам, подтверждается результатами многовариантных численных исследований, в т.ч. расчетами реальных конструкций при их проектировании.

Практическое значение и реализация результатов работы

Разработанные методика и алгоритм расчёта позволяют анализировать живучесть внезапно повреждаемых железобетонных рам при потере устойчивости несущего элемента в запредельных состояниях. Реализация предложенной методики и алгоритма расчета при решении проектных задач реконструируемых железобетонных каркасов, гражданских и производственных зданий позволяет обосновано принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений.

Работа выполнена в рамках государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) подведомственным Минобрнауки России вузам на выполнение НИОК'Р, проест 7.402.2011 «Физические и расчетные модели сопротивления конструктивных систем из железобетона е запредельных состояниях». Результата проведенных исследований применены Орловским академцентром РААСН при расчете несущих элементов пристройки к бывшему дому Культуры «Железнодорожник» в г. Белгород. Результаты работы внедрены в учебный процесс Гос-универсигета-УНПК (г. Орёл) и Юго-Западного государственного университета (г. Курск).

Апрвбацпо работы и лублшсащш

В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госуни-версигет-УНПК» (г. Орел, февраль 2013 г.).

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Получен патент на изобретение РФ на предложенную в работе методику экспериментальных исследований.

Структура н о&ьем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах,

включающих 135 страниц основного текста, 50 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 192 наименований и 3 приложения (29 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований по рассматриваемой теме, приведены общая характеристика диссертационной работы и основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния вопросов конструктивной безопасности и живучести эксплуатируемых зданий и сооружений. В настоящее время в строительной науке широко известны исследования, отражающие тематику живучести, в их числе работы Н.П. Абовскош, ПИ. Шапиро, A.B. Забегае-ва, П.Г. Еремеева, В.М. Бондаренко, В.И. Колчунова, С.И. Меркулова, В.О. Алмазо-ва, А.И. Попеско, В.Д. Райзера, В.И. Римшина, А.Г. Тамразяна, B.C. Уткина, B.C. Расторгуева, ГА. Гениева, ЛИ. Иосилевского, Н.С. Стрелецкого, В.И. Травуша, PIA. Рябина, А.Г. Догодонова, Е.И. Шербистова, В.Ф. Крапивина, ЮМ. Парфенова, B.C. Флейшмаиа, В А. Котелышкова и др. Однако на сегодняшний день ¡фактически отсутствуют работы по исследованию живучести физически и конструктивно нелинейных конструкций, связанные с потерей устойчивости отдельных несущих элементов в конструктивной системе. Вместе с тем, вопросы изучения процесса потери устойчивости элементов в железобетонных конструктвных системах, в том числе с большим износом несущих элементов, а также с элементами из высокопрочных бетонов, становятся всё более актуальными.

Фундаментальные исследования устойчивости стержней и стержневых систем выполнены известными российскими и зарубежными учеными, среди которых можно отметил, работы Т. Кармана, Ф. Энгессера, Ф.С. Ясинского, И.Г. Бубнова, С.П. Тимошенко, П.Ф. Попковича, Н.С. Стрелецкого, А.Р. Ржаницына, Ф.Р. Шенли, A.C. Вольмира, Н.В. Карнаухова, А.Ф. Смирнова, В.В. Болотина, Б.Я. Лащешшкова, H.H. Шапошникова, В.Д. Потапова, Ю.С. Крутая, JI.M. Ка-ган-Розенцвейга, М.Д. Корчака, A.M. Иващенко, Ю.Б. Гольдштейна и др.

Применительно к стержневым конструктивным системам го железобетона в разные годы решён ряд задач по изучешпо процесса потери устойчивости с учётом специфики деформирования таких конструкций. В их числе известны работы P.C. Санжаровского, А.И. Звездова, В.В Карпова, А.Н. Бамбуры, В.М. Бондаренко, A.A. Веселова, В.В. Улитина, B.C. Фёдорова, А.Ю. Солдатова, Е.А. Ларионова, В.И. Римшина и др.

Одним го ключевых вопросов исследования устойчивости систем является выявление наиболее опасных элементов или частей конструкции, способствующих развитию процесса потери устойчивости. В связи с тем, что процесс потери устойчивости всей конструкции вызывает потеря устойчивости одного несущего элемента или небольшой их группы, в работах HB. Карнаухова и А.Ф. Смирнова были введены поня-тта о состояниях стесненной и принужденной бифуркации отдельных частей конст-

рущии, испытывающей общую ПОТЕрЮ устойчивости. Длительное Время зга понятая имели чисто качественное значение. Однако дня определения ища бифуркации стержня в момент потери устойчивости, не были указаны гэдличествепшле признаки. Критерий, позволяющий определить виц бифуркации стержня, впервые был предложен в работах АВ. Александрова.

К настоящему премени вопрос исследования процесса общей потери устойчивости рамно-стержиевых систем с учётом совместной работы отдельных элементов рассмотрен в работах следующих авторов: А.В Перальмутера, В.И. Сливкера, А.В. Матвеева, ВН. Травуша, О.Б. Завьялова, МИ. Гуковой, М.Н. Кирсанова, А.И. Сапозкнккора, М.П. Сона, В. М. Бондаренко, П И. Карпенко и др.

Новый этап таких исследований связан с изучением живучести физически и конструктивно нелинейных систем с выявлением влияния выключения несущих элементов на процесс общей потери устойчивости в запредельных состояниях. Это и определило цель и зад ачи настоящих исследований, сформулированные выше.

Вторая глава диссертации посвящена построению расчетных зависимостей для оценки живучести рамно-стерзкневых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов.

Для решения поставленной задачи приняты следующие основные рабочие гипотезы:

- запроектное воздействие на конструктивную систему при внезапном выключении из работы элемента определяется либо некоторым интегральным результатом накопления повреждении в ее элементах, либо локальным или прогрессирующим обрушением конструктивной системы;

- переход сечений элементов статически неопределимой системы в запредельное состояние харакгерпуегся теми же критериями, что и при обычном крагашрел*енном режиме натружена-!, но с учетом изменения пределов прочности материалов;

- разрушение конструктивной системы определяется таким набором сечений, в частности, пластических шарниров, которые превращают конструкцию в кинематически изменяемую систему;

- на начальном этапе нагрузка, при действии которой не происходит выключения связей (например, собственный вес), считается постоянной, остальная нагрузка изменяется пропорционально одному параметру,

- при мгновенном изменении степени статической неопределимости полная удельная энергия конструктивной системы не изменяется.

На параметры живучести железобетонных нагруженных и коррозионно-повреждаемых рам при потере устойчивости несущих элементов значительное влияние оказывают внезапные структурные перестройки, связанные с выключением из работы связей или отдельных элементов системы. Такие запроекткые воздействия, сопровождающиеся внезапным изменением степени статической неопределимости конструктивной системы, вызывают изменения критических параметров и соответствующих им значений критических сил. Приращение кри-

тической силы на первой полуволне динамического натружепия системы в момент внезапного запроектиого воздействия может быть определено энергетическим методом из соотношения:

ffp(ii-l) ~ 2 ' ^кр(п-І) ~ Ркр(іі)- ^

Рассматриваемые запроектные воздействия могут вызвать переход отденгаых элементов ю активной формы бифуркации в пассивную. Это явление, как было показано А В. Александровым, представляет собой относительную опасность в связи с тем, что механизм потери устойчивости активной и пассивной стопки различен.

Величины критических параметров, характеризующих процесс общей потерн устойчивости конструктивных сштем, зависят от характера их топаногаи. Ращовашаш выбор топологии рамных конструкций даёт воамозкность управлять сіепеїшо зснвузесга

На живучесть железобетонных нагруженных и коррожоїшо-повре)ї<даег«!ьіх етн-сгрукшшых систем большое влияние оказывают средовые гаиревдешм течений или локальных зон. Дня учёта этих поврезвденшт в рассматриваемый узш расчётной схемы введён схєржеиь-ЕстяЕіса заданной длины, жёсткость которого учитывалась в уравнениях устойчивости конструктивной системы коэффициентом податливости соединения к. Этот параметр можно определить с одной стороны из уравнения изогнутой оси балки, с другой стороны - как реакшеный момент от единичного смещения.

Анализ влияния рассмотренных выше факторе» на живучесть рамно-стерзшевых систем при потере устойчивости несущи?; элементов выполнен пршлшшелыго х рамда-ядшешй системе с зкёсшо защемлёнными стойками и жёсткими ушами сопряжения отдельных стержней (рис. 1, а).

В первом пролёте рама раскреплена связями, уменьшающими свободную дайну крайней стойки в два раза Рама натружена внешними узловыми нагрузками (по стойкам), связшшымп между собой заданным соотношением. В шгаехгте варьируемого параметра при расчёте рассматриваемой рамы принята ст:о€:о.щіая д лина крайней СТОЙКИ.

Для рассматриваемой ^-системы определено значение тфнтнческой сипы, действующей на каждую стойку:

~ 61,5 ■ Вт, л НІ. (2)

Полагая, что в результате коррозионных процессов элементы сгазей в первом пролёте разрушились, свободная длина первой стойки увеличилась в два pica, и расчётная схема метода перемещений при тех же нагрузках изменилась (рис. 1, б).

Критическая сила для полученной таким образом конструктивной системы определена аналогично. Ее значение составило:

Р'' -36,3-fi^,//,2, (3)

а изменение критической силы в результате динамического догружения коисг-руктивной системы, определено на энергетической основе с использованием

выражения (1):

Р4,Ч) = 2-36,3-Вгс<1Л/1?-61,5-В,.ыл/1? =11,1-В^И1,. (4)

Для рассматриваемой конструктивной системы, с применением критерия, предложенного А. В. Александровх>ш, определён вид бифуркации (пассивный или активный) для каждого элемента гзднструктивной системы при рассматриваемом догружении в виде внезапного изменения свободной длины левой стойки рамы.

а)

0.9РКР

0,45Р1а

09Ркр 0,45Ркр 0,225РКр

| Т_|

Ы ^ / '

Активно I Пассивно \

\ л

1и!\Пясешшо>Л 2 3 I

/777 /777 /777

б)

0,225Ркр

0,9РЮ

0,45Ркр

0,225Р.

3

/г

кр

Г)

0.9К

кр

0,45Ркр 0,225Ркр

¡Активно /

! Активно I Пассивно \

1 Ъ 3

/777

Рисунок 1 - Расчетные схемы исходной рамы (а), рамы с выключенной связью (б) и формы потери их устойчивости (в, г), соответственно

Анализ результатов расчёта позволил отметить, что для исходной системы стойки 1Н и 2 рамы теряют устойчивость активно (рис. 1, е), вовлекая в этот процесс стойки 3 и 1в.

После внезапного выключения связей и изменения свободной длины левой стойки активная потеря устойчивости произойдёт в стойках 1 и 3, в то время кахс стойка 2 потеряет устойчивость пассивно (рис. 1, г).

Следовательно, внезапное выключение связи в первом пролёте приведёт не только к снижению критической силы величиной 61,5-ВгЫ1 И\ в 5,5 раз, но и к

качественному изменению формы потери устойчивости системы.

На осиоге расчётной схемы рамы, изображённой на рисунке 1, а, был выпол-

ней анализ юпшшя средовых повреждений отдельных узлов на живучесть рамно-стиржневых конструктив! 1ЫХ систем при потере устойчивости несущих элементов.

Полагаем, что коррозионным повреждениям подвергнута крайняя левая стойка рамы в зоне сопряжения её со связевыми элементами. Используя уравнение изогнутой оси башаг, параметр А: можно представить в следующем виде: к=Вге<]св(щ-а2)/1св-аь (5)

где Вге^св - приведенная жёсткость сечения железобетонного элемента; Lce — длина стержня-вставки; а]-аз—углы поворота сечения по концам стержня-вставки (рис. 2, а, б).

а)

б)

в)

Bred,c і

Bredl

Раскрепляющие элементы

\Bred.l

г)

1

0,9 0,8 0,3

Кг - Per - | i=2 i-3 i~4_

i=4

____________ ________________ —v <

і=2 0,99

: 0,8 Г 0,92 о \

: 1 3 \ 0,32° S(m.u)

10 20 30 40 50 60 0,25 0,5 0,75 1

Рисунок 2 - Схема распределения жесткости по длине левой крайней стойки рамы (а) и схемы её деформирования (б, в), графики изменения критической силы в зависимости от глубины нейтрализации сечения 5 (г) и в зависимости от отношения высоты стоек рамы (д): кривые 1,4- для («^-системы, 2, 5 - для (п-1) -системы, 3, 6 -для (п-1)1системы; при г=2 и г=3, соответственно

С .гнутой стороны, параметр к представляет собой реактивный момент от единичного смещения (см. рис. 2, в):

к ~%-В red tCe -гр2 (усв )/ Lce , (6)

где (p2(vC() - специальная функция метода перемещений.

Коэффициент гц матрицы жёсткости системы, где i — номер новреждае-мого узла, в данном случае узла сопряжения крайней стойки и раскрепляющих элементов (г=1), представлен в следующем виде:

гп = 4 • i\H<pi (vlB ) + 4 • i\e<j>2 (vje) — fi - к. (7)

Параметр fi, учитывающий изменение отношения жесткостей B*rccjce и Bred,се, определён из выражения:

Р~ (Вred,се - в*га1,ссУ Bred,ce, (8)

где В*гескв - остаточная жесткость повреждённого сечения, которая зависит от глубины коррозионного повреждения д и определяется по методике В. М. Боцдаренко.

Так (fi ~ 0) соответствует случаю начальной изгибной жёсткости стержня-вставки, когда остаточная жёсткость приведённого сечения В *га/>се равна жёсткости неповреждённого сечения Brecixe и разнице углов а2 и щ согласно (5) равной нулю. Значение (fi = 1) соответствует случаю, когда остаточная жёсткость B*iv<ia минимальна, а реактивный момент максимален, т. е. стержень-вставка имеет жёсткость, близкую к нулю. Такое значение жёсткости определяет предельное состояние в виде образования пластического шарнира.

Предложенная методика расчёта устойчивости рассматриваемой железобетонной стержневой системы позволяет определить характер изменения критической силы и определить значение жёсткости сечения, при которой в наиболее нагруженных узлах рамы образуется пластический шарнир (рис. 2, г).

Для рамы, изображённой на рисунке 1, а, б, выполнен расчёт и представлены графики изменения критической силы при варьировании высоты второй и третьей стоек рамы /,• (i=2,3), соответственно (см. рис. 2, (3). Полученные результаты расчёта показали, что увеличение высоты второй стойки рамы приводит к уменьшению влияния динамического догружения на значение критической силы, в то время как увеличение длины третьей стойки это влияние увеличивает.

В третьей глава изложены программа, методика и результаты экспериментальных исследований живучести рамно-стержневых железобетонных конструкций, а также результаты исследований характера деформирования и процесса тре-щинообразовйння в сечениях внецентренно-сжатой стойки от внезапного изменения её расчётной дайны.

В ходе выполнения экспериментальных исследований были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- изучение работы внецентренно-сжатого железобетонного элемента в рамной конструкции в предельном и запредельном состояниях;

- определение опытных параметров жесткости и трещшостойкосгш, характера развития и ширины раскрытия трещин в элементах рам на всех этапах на-гружешш конструкций проектной и запроекткой нагрузками;

- определение приращений динамических кривизн в сечениях сжатой стойки на различных уровнях нагружения (до и после образования трещин) и от запроектного воздействия.

Известные до настоящего времени методики испытаний не позволяют оценить динамические догружения в железобетонных элементах рамно-стержневых систем в запредельных состояниях и определять параметры динамического догружения, возникающего в элементах таких систем вследствие внезапного изменения расчётной длины одного из элементов, и вызванной этим изменением его потери устойчивости.

Предложенная автором и запатентованная методика испытаний осуществлена на специально изготовленном стенде (рис. 3, а). Опорные стойки 1,2 закрепляли с помощью опорной балки 12, стоек с подкосами 7 и винтовых упоров 4. Ригели 3 и стойки 1, 2 соединяли в узлах рамно-стержневой системы с использованием соединительных элементов, привариваемых к закладным деталям. Крайнюю левую стожу раскрепляли раскосными элементами 9. Узел соединения раскрепляющих элементов со стойкой (узел А) был выполнен с помощью соединительного элемента, представленного фасовками 10, 14, соединенными с закладной деталью 11 сварным швом, а мезаду собой бетонной шпонкой 13 с заранее фиксированным усилием хрупкого разрушения от приложенной проектной статической нагрузки. Общий вид испытания опытной рамы представлен на рисунке 3, б.

Для технической реализации поставленной задачи исследования живучести железобетонных рам при внезапной потери устойчивости несущего элемента разработана конструкция рамы, крайняя стойка которой была изготовлена с отношением её длины к высоте сечения /о/Л > 10. Согласно результатам расчёта, такое решение должно обеспечить разрушение системы вследствие потери устойчивости крайней стойки.

Загружение рамы проектной нагрузкой, равной 0,9 Рчь осуществлялось с помощью рычажной системы 5, 6 и грузовой платформы 8. При достижении статической нагрузки величины, равной 0,9 Рф, происходило хрупкое разрушение прогашиброван-иой бетонной шпонки в узле А, в результате чего внезапно увеличивалась свободная длина крайней стойки, и возникало динамическое догружегазе всей системы.

В процессе испытаний измерялись следующие опытные параметры:

- продольные деформации сжатого и растянутого бетона стойки С-1;

- перемещения ст-ойки С-1;

- значение нагрузки на ригели, образование и раскрытие трещин во всех железобетонных элементах конструкции рамы;

- характер деформирования стойки С-1 от воздействия внезапно приложенной запроекгаой нагрузки.

Рисунок З - Схема (а), общий вид испытания опытной рамы (б) и схема установки индикаторов ц тензорезисторов (в): 1,2 - опорные стойки. З - ригели рамы, 4 -винтовые упоры, 5,6- рычажная нагрузочная система, 7 - подкосы с направляющими, 8 - фузовая платформа, 9 - раскрепляющие элементы, 10, 14 - фасонки, 11 - закладные детали, 12 - опорная: балка

Узел А

Узел В

І

т

еге

Узел В

Измерение перемещений крайней стойки производилось индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм, измерение продольных деформаций сжатого и растянутого бетона производилось методом электротензометрии с использованием групп тензорезисторов Т1-Т8, установленных на опытных конструкциях рам в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3, в.

Расчёт опытных конструкций рам выполнялся двумя методами: 1) численным методом с использованием программного комплекса SCAD; 2) полуаналнтн-ческим методом перемещении с использованием шагшо-шерационной процедуры для раскрытия физической нелинейности по методике, изложенной в главе 2.

В первом случае при расчёте были определены значения статических и динамических деформаций, напряжений и кривизн в наиболее характерных сечоттях стойки С-1 при потере её устойчивое™. Расчёт но второму методу позволил определить значения критаческих сил для опытных конструкций рам в предельном и запредельном состояниях.

Для проверки предложенной методики расчёта были выполнены вспомогательные испытания рамы, отличающиеся тем, что связевые элементы, раскрепляющие крайнюю стойку, отсутствовали.

Для проведения экспериментальных исследований были запроектированы и изготовлены опытные двухпролетные конструкции рам, каждая из которых состояла in двух сборных ригелей PJI-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 замоноличиванием стыков в двухпролетную сборно-монолитную рамно-стержневую систему.

Крайняя стойка С-1 изготовлена из бетона В 12,5, все остальные элементы рамы выполнены из бетона В25. Крайняя стойка рамы была раскреплена связе-вымн элементами РЭ-1, выполненными из уголков сечением 20x20x3 мм. Связевые элементы соединены с крайней стойкой с помощью закладной детали ЗД-1, фасонох Ф1 и Ф2 и бетонной шпонки БШ1 диаметром 8 мм.

Армирование сборных ригелей принято в виде плоских сварных каркасов Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 5 мм класса Bp-I (B5Q0). Поперечная арматура запроектирована из арматурной проволоки диаметром 3 мм класса Вр-1 (В500) с шагом 60 юл. Стойки С-2, С-3 армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса А-Ш (A40G). На при-опорных 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 СтЗ, Rs = 365 МПа.

Параллельно с изготовлением основных образцов были изготовлены вспомогательные бетонные кубы размерами 100x100x100мм и призмы 100x100x400мм, предназначенные для получения фактических прочностных и деформативных характеристик бетона на момент проведения испытаний. Для образцов с проектным для рассматриваемой стойки классом бетона В 12,5 получены следующие характеристики: Rhn- 9,7б МПа, Иь= 8,1 МПа, Rbt= 0,66 МПа, Еь= 29,8-Ю3 МПа. Для образцов с проектным классом бетона В25:

18,5 МПа, Rb= 14,5 МПа, Яы= 1,55 МПа, Еь= 29,8Л&МПа.

Анализ полученных опытных значений деформаций в элементах конструктивной системы позволил отметать, что деформации внецешрешю сжатой крайней стойки, раскреплённой упругой горизонтальной связью, нагружетшой до проектной нзгрузии, имели следующий характер: по высоте стойки, в нижней её четверти, горизонтальные перемещения были направлены внутрь пролёта рамы, в верхней четверти - в противоположную сторону (рис. 4, а).

а) б)

Рисунок 4 - Диаграмма «усшшя-перемещения» (Лг:/) при проектной нагрузке и запроегсгиом воздействии д ня опытной рамы с раскреплённой (с) и не-раскрегшёшюй (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; 7,8,9 - то же, теоретические значения с учётом появления трещин

Характер деформирования рассматриваемой крайней стойки при отсутствии горизонтальной связи (шорой этап испытаний) (рис. 4, б) отличался от характера деформирования раскреплённой стойки: горизонтальные перемещения всех рассматриваемых сечений имели одинаковый знак.

Энергетическим методам, с помощью зкепфиментальных кривых (см. рис. 4) определено значение приращения прогиба после приложения запроектиош воздействия, Например, для верхней четверти пролёта стойки это приращение вычислено следующим образом:

- определено значение прогиба в (;;)-снстсмс при значении усилия в стойке

„з

N= 3,2 кН, - это значение составило/= 0,12'10 м (см. рис. 4, а);

- определено значение прогиба в (и-1)-системе при значении усилия в стой-

_з

ке N= 3,2 кН - это значение составило/= 0,15 • 10 м (см. рис. 4, б).

Тогда значение динамического приращения прогиба в рассматриваемом сечении будет равно:

/(и-1) = 2' /(и-1) ~ /(«) - 2 • ОД 5 • 10 3

0,12-10~3 ~0,18-]0->лл

(9)

Полученное значение удовлетворительно согласуется с приращением динамического прогиба, определённого экспериментально (см. рис. 4, я).

Аналогично определено приращение динамического прогиба для середины и нижней четверти пролёта стойки;

- для середины пролёта стойки: /(л-1) = 2' °>08 • 10~3 - 0,015 ■ 10-3 = 0,145 • 10-3лг.

- для верхней четверти пролёта стайки: /(л-1) = 2' °.°4 Ю-3 - 0,022 • Ю-3 = 0,058 ■ 10~3.м ■

Приведенные па рисунке 5 значения кривизн по высоте стопки, вычисленные по показаниям групп тешорезисторов Т1 — Т8, подтвердили характер деформирования и количественные значения деформаций, полученных в результате выполнения теоретического расчёта.

Рисунок 5 — Диаграмма «момент — кривизна» (М - £8) для (п) -системы (а, в) и (п-1)- системы (б, г): 1 —диаграмма, полученная по показаниям тешорежгорга Т1-Т2, Т7-Г8,2 - расчётная диаграмма

Приращение значения кривизны в результате динамического догружения системы определено следующим образом: -для групп тензорезисторов Т1-Т2:

3ed кр(п-1) = 2'ее ^,}-геС«pin) = 2-23-10^ - 20-104 = 26-10"4, (10)

-для групп тензорезисторов T7-TS: 3SdKp(n-J) = 2І-57-10"4) - (-4010^) = -23-10"4.

По полученным опытным значениям деформаций бетона определены значения максимальных сжимающих напряжений, а также характер трещинообразования при проектных и запроектных воздействиях.

Начало процесса трещинообразования в опытных конструкциях рам было зафиксировано после приложения запроекгной нагрузки. Анализ опытной схемы трещинообразования (рис. 6, а) показывает, что развитие трещин типа Тр1 связано с раздроблением бетона под закладной деталью в момент структурной перестройки конструктивной системы (хрупкого разрушения бетонной шпонки). Общий вид трещин в левой крайней стойке рамы представлен на рисунке 6, б.

Уж.і А

Рисунок 6 - Схемы развития (а) и общий вид (б) трещин в левой крайней стойке рамы

Полученные экспериментальные данные позволили количественно и качественно оценить приращения параметров, характеризующих процесс потери устойчивости железобетонного внецентренно-сжатого элемента в рамно-стержневой системе в предельном и запредельном состояниях.

В четвертой главе приведены алгоритм расчёта и результаты численных исследований параметров живучести статически неопределимых конструктивных систем при внезапной потере устойчивости несущих элементов.

Для конструктивной системы, изображённой на рисунке 7, а, запро-ектное воздействие связано с выключением из работы упругих связей, раскрепляющих крайнюю стойку рамы. В результате такого запроектного воздействия расчётная схема рамы изменяется (рис. 7, б).

а)

б)

а,Рт а2Щр а3 Цр апРр

а1^ср «2 $р азЦр апРкр _____

Ми

I"

п.,

МзЖ

'.Пгл-.^.,

Мп.о!

7 М1.н

M2.ii

Мп,п Мз.н п

Рисунок 7 - Расчётная схема рамно-стержневой системы с (п) связями (я), и (п-1) связями (б); эшоры изгибающих моментов на относительных перемещениях на (1-1)-ом этапе расчёта (в) и ¡-том этапе расчёта (г)

Для формализованного представления расчетных зависгмостей и последующей автоматизации расчета физически и конструктивно нелинейных систем использован метод перемещений. Определение последовательности образования пластических шарниров в конструктивной системе проводится методом га тематического анализа. Для деформированного состояния, соответствующего определенному значению критической силы, находится элемент с максимальны?.! значением активной работы внутренних сил. В таком элементе максимальное значение относительного изгибающего момента возникнет, 1сак правило, в узлах кршяешга стоек к ригешо Мп в И В опорных сечешгях М„л (см. рис. 7 б, в).

В качестве предельного состояния на первом этапе расчёта определяется максимальное значение относительного изгибающего момента \МуШа% при котором в рассматриваемом узле рамно-стержневой системы образуется нластмеемш шарнир (происходит первое локальное разрушение). Значение приведенной жесткости сечения железобетонного элемент с трещинами В,-^;, соответствующее состоянию пласгаче-ского шарнира, вычислено с использованием шашво-гшратрюнной процедуры.

На каждом последующем этапе расчёта для изменившейся исходной расчётной схемы (см. рис. 7, б) выполнялся кинематический анализ конструктивной системы с учётом значения приведённой жесткости сечения Вге^, в результате которого определялся следующий элемент с наибольшей работой внутренних сил, а также вычислялись относительные изгибающие моменты, в узлах копструкшшой системы при новом деформированном состоянии.

Увеличение нагрузки, при достижении которой происходит образование пластического шарнира на каждом последующем /'-том этапе расчёта, определяем с помощью параметра Л:

pj^pV-D/Л, (И)

где - нагрузка, действующая на систему на (Í-1) этапе расчета.

На персом этапе расчёта значение этой нагрузки составит: р| — >

где" критическая cima для системы после приложения запроектного воздействия в виде внезапного выключения из работы несущего элемента.

Параметр Л представляет собой отношение предельного значения относительного шга&ющего момента в наиболее нагруженном сечении на /-том этапе [М!}ПЮХ*] к предельному значению относительного момента m (i-\) этапе расчета системы [А4•

% - Jj^'-'™" ^ . (12)

В соответствии с выражением (12), на первом этапе расчета параметр Л = 1.

Теоретически признаком прогрессирующего разрушения конструкции рамы может считаться образование кинематически изменяемой системы. Если же в процессе расчёта на /"-том этапе вычислений выполняется условие > Рэаг1 (Р-мл — эксплуатационная нагрузка, действующая на исходную («^-систему, то происходит стабилизация силового потока в конструетивной системе до превращения её в кинематически изменяемую, и, следовательно, имеет место локальное разрушение конструкции рамы.

Для качественной и количественной оценок влияния образования трещин в растянутой зоне в наиболее нагруженных узлах на параметры, характеризующие процесс потери устойчивости, выполнены численные исследования железобетонной рами, представленной на рисунке 1, а. При выполнении этих исследований рассмотрена конетрутанЕная система в момент приложения запреганого воздействия, вызванного внезапным изменением расчётной длины гкгрвой стойки в результате мгновенного выключения из работы раскреплякяцих элементов (см. рис. 1, б). В рассматриваемой конструктивной (п~\) - системе при заданном соотношении нагрузок наибольший шшбающий момент действует в узле сопряжения ригеля и крайней стойки, следовательно, в зтом сечении произойдёт появление трещин.

Численные исследования вьшолнялись в три этапа, на каждом из которых в качестве варьируемого параметра была принята приведённая жёсткость первой, второй и третьей стоек рамы, соответственно. Выполненные численные исследования позволили установить влияние процесса трешшообразования, развивающегося в момент внезапной структурной перестройки конструктивной системы в наиболее нагруженном узле, на параметры динамического догружения элементов системы:

- при одинаковом значении приведённой жесткости каждой стоим это влияние

составляет 17% в сторону увеличения осевой силы;

- при уменьшении приведённой жёсткости первой стойки это влияние увеличивается до 26%;

- в случае увеличения приведённой жёсткости первой стойки влияние процесса трещинообразования уменьшается до 15%.

Влияние появления трещин на динамические догружения при изменении приведённых жесгкосгсй второй и третьей стоек возрастает при увеличении этих жёсткосгей, что может объясняться изменением формы потери устойчивости первой стойки рамы.

Пред ложенная методика анализа живучести конструктивных систем при за-проекшых воздействиях реализована Орловским академическим научно- творческим центром Российской академии архитектуры и строительных наук в процессе проектирования реальных объектов. Так, с её использованием был выполнен расчёт устойчивости железобетонных колонн одного из блоков каркаса здания пристройки к бывшему Дому культуры «Железнодорожник» в г. Белгороде.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построены расчетные зависимости для оценки параметров живучести железобетонных рамно-стсрж! юных конструктивных систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов, связанной с внезапным изменением структуры таких систем.

2. Предложен способ и разработана методика экспериментального определения динамического дофужения в элементах рамно-стержневых систем при потере устойчивости несущих элементов в такой системе. С использованием этого способа экспериментальными исследованиями на специально запроектрованных конструкциях железобетонных двухпролёгаых рам получены новые опьгшые данные о характере и количественных значениях параметров силового сопротивления и устойчивости вне-центреню сжатых элементов рам в предельных и запредельных состояниях.

3. Экспериментально подтверждено наличие динамического догружения и значение коэффициента динамичности в элементах железобетонных рамно-стержневых конструкций при внезапной потере устойчивости одного из несущих элементов с учётом упругопластического деформирования и процесса трещинообразования в таких конструкциях.

4. На основе предложенных в работе аналитических зависимостей метода перемещений разработаны методика и алгоритм расчета живучести железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущих элементов.

5. Выполненные численные и экспериментальные исследования позволили сформулировать некоторые предложения к расчету живучести железобетонных рам при потере устойчивости несущих элементов, касающихся учёта внезапного выключения конструктивных связей, ограничивающих свободную длину колонн, динамических догружений элементов конструкций, а также

позволили выполнить качественную оценку изменения параметров характеризующих процесс потери устойчивости, и предложить адаптационные механизмы защиты конструкций от внезапно возникающих запроектных воздействий.

Список публикаций, отражающих результаты работы:

публикации в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:

1. Колчунов, В.И. К оценке живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельных элементов / В.И. Колчунов, Н.О. Прасолов, МБ. Моргунов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2007. №4. С. 40-44. (0,32/0,1 пл. автора).

2. Колчунов, В.И. К алгоритмизации задач расчета живучести железобетонных рам при потере устойчивости / В.И. Колчунов, И.О. Прасолов, Л.В. Кожаринова, OA. Ветрова// Строительство и реконструкция. 2012. №6. С. 28-35. (0,47/0,1 пл. автора).

3. Колчунов, В.И. К вопросу алгоритмизации задачи расчета живучести железобетонных конструкций при потере устойчивости / В Л. Колчунов, М.В. Моргунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 12. С. 77-79. (0,41/0,1 пл. автора).

публикации в друпк научных изданиях:

1. Колчунов, В.И. Влияние коррозионных повреждении отдельных элементов на устойчивость железобетонных рамно-сгержневых систем / В.И. Колчунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов, Г.А Добриков // Вестник отделения строительных наук. 2010. Том 1. С. 107-112. (0,4/0,1 пл. автора).

2. Клюева, Н.В. Влияние коррозионных повреждений элементов на живучесть железобетонных рамно-сгержневых систем / Н.В. Клюева, Н.О. Прасолов, В И. Колчунов // Успехи строительной механики и теории сооружений. 2010. С. 117-122.(0,4/0,1 пл. автора).

3. Клюева, Н.В. Исследование живучести железобетонных рам при варьировании их топологии / Н.В. Клюева, Н.О. Прасолов // Вестник центрального регионального отделения РААСН-Воронеж-Липецк. 2008. Вып. 7. С. 205-208. (0,25/0,1 пл. актора).

4. Колчунов, ВЛ Экспериментально-теорешческие исследования живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельного элемента / В.И. Колчунов, JT.B. Кожаринова, Н.О. Прасолов //ВестникМТУ. 2011. Том 2,3. С109-115. (0,44/0,15 пл. автора).

5. Пат, № 2420722С1 Российская Федерация, МПК51 G01M 99/00. Способ определения динамического догружения в элементах рамно-стержневых систем при потере устойчивости / В.И. Колчунов, Н.О. Прасолов, Д.В. Кудрина,; заявитель и патентообладатель Орловский государственный технический университет,-№2009144302/28; заявлен 30.112009; опубл. 10.06.2011,Бюл. №16,-С. 8.

Подписано в печать 21.03.2013 г. Формат 60x84 1/16.

Печать офсетная. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,25. Тираж 120 экз. Заказ № 77

Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО «Переплетчик» 302030, г. Орёл, ул. Пушкина, д. 20а. Тел/факс 8(4862) 55-01-54

ФГБОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ-УНГЖ»

УДК 624.012.3/.4 На правах рукописи

ПРАСОЛОВ НИКОЛАЙ ОЛЕГОВИЧ

ЖИВУЧЕСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНОСТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВНЕЗАПНОЙ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ

НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - академик РААСН,

доктор технических наук, профессор В.И. Колчунов

Орел 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................... 4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ..............................................................................................................................................................9

1.1 Современные подходы к оценке живучести конструктивных систем в запредельных состояниях.......................................... 9

1.2 Анализ деформирования железобетонных конструктивно нелинейных систем при запроектных воздействиях, связанных с потерей устойчивости несущих элементов.......................................... 15

1.3 Физические модели разрушения железобетона, реализуемые при оценке предельных и запредельных состояний............................ 33

1.4 Краткие выводы. Цель и задачи исследований.......................... 38

2. КРИТЕРИИ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНО-СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ В ЗАПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ....................................................................... 40

2.1 Основные положения. Исходные гипотезы............................ 40

2.2 Исследование живучести рамных конструктивных систем с учётом критерия пассивной и активной бифуркации........................... 41

2.3 Исследование живучести железобетонных рам при варьировании их топологии................................................................... 51

2.4 Влияние коррозионных повреждений отдельных элементов на устойчивость железобетонных рамно-стержневых систем............... 51

2.5 Выводы......................................................................... 53

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТДЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА....................................................................... 65

3.1 Общие замечания. Цель и задачи исследований............................................65

3.2 Программа и методика исследований......................................................................66

3.3 Конструкция и технология изготовления опытных образцов..............73

3.4 Результаты экспериментальных исследований................................................81

3.5 Выводы....................................................................................................................................................89

4. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНЫХ СИСТЕМ В ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО РАСЧЕТНОГО АППАРАТА........................................................................... 90

4.1 Особенности алгоритмизации задач расчета живучести железобетонных конструкций при нотере устойчивости......................... 90

4.2 Численные исследование живучести теряющих устойчивость железобетонных рамно-стержневых систем при образовании трещинв узлах сопряжения элементов................................................... 92

4.3 Алгоритмизация задач живучести железобетонных рам при потере устойчивости несущих элементов..................................... 98

4.4 Численные исследования некоторых типов эксплуатируемых рамных конструкций в запредельных состояниях........................ 109

4.5 Рекомендации по повышению живучести и предотвращению прогрессирующего разрушения железобетонных рам при запроект-ных воздействиях................................................................. 114

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................... 116

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................................................... 136

ПРИЛОЖЕНИЕ II..................................................................... 146

ПРИЛОЖЕНИЕ III.................................................................. 1А1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы, в связи с всё возрастающими вызовами природного и техногенного характера, а так же принимая во внимание значительный износ основных фондов страны, вступил в силу новый федеральный закон №ФЭ-384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». В нём обозначены новые требования функционального и конструктивного соответствия ожидаемым силовым и средовым воздействиям при проектных и возможных так называемых запроектных воздействиях на сооружения. Однако, для обеспечения новых требований федерального закона необходимо проведение более глубоких исследований направленных на изучение запроектных воздействий, в частности воздействий связанных с внезапным выключением из работы отдельных несущих элементов.

Исследованиями РААСН, и другими научными организациями, выполненными в последние годы, обозначены новые концептуально-методологические подходы к обеспечению конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений, которые должны быть положены в основу решения таких задач. В рамках этих подходов уже выполнен ряд исследований живучести конструктивных систем в условиях исчерпания силового и средового сопротивления от внезапного выключения отдельных несущих элементов.

Наряду с задачами о расчёте несущей способности конструкций с выключающимися связями важной задачей в решении проблемы конструктивной безопасности зданий и сооружений являются исследования живучести железобетонных рамно-етержневых систем, связанные с внезапной потерей устойчивости ключевых конструкций, вызванной эволюционным накоплением повреждений.

Цель работы - развитие элементов теории и практических методов расчета живучести конструкций в запредельных состояниях связанных с внезапной потерей устойчивости отдельных несущих элементов.

Научную новизну работы составляют:

- расчетные зависимости для оценки живучести рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов;

- опытные данные о характере силового сопротивления и параметрах устойчивости внецентренно-сжатого элемента в конструкции железобетонной рамы в предельном и запредельном состояниях;

- методика и алгоритм расчета для исследования живучести железобетонных рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при внезапной потере устойчивости несущих элементов;

- результаты анализа экспериментальных данных, и данных численных исследований, а так же рекомендации по расчету железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях.

Автор защищает:

- методик)' испытаний и новые экспериментальные данные о деформировании нелинейных рамно-стержневых конструктивных систем в предельных и запредельных состояниях связанных с внезапной потерей устойчивости несущего элемента;

- расчетные зависимости для оценки живучести нагруженных и коррозионно-повреждаемых конструкций в запредельных состояниях при потере устойчивости несущего элемента;

- алгоритм расчета и результаты численных исследований железобетонных рамно-стержневых конструкций в запредельных состояниях связанных с внезапной потерей устойчивости несущих элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов основывается на использовании базовых положений и гипотез строительной механики и механики железобетона, результатами проведённых автором экспериментальных исследований железобетонных рам, а также подтверждается результатами многовариантных численных исследований, в т.ч. расчетами реальных конструкций при их проектировании.

Практическое значение и реализация результатов работы

Разработанные методика, алгоритм расчёта позволяют анализировать живучесть внезапно повреждаемых железобетонных рам при потере устойчивости несущего элемента в запредельных состояниях. Реализация предложенной методики и алгоритма расчета при решении проектных задач реконструируемых железобетонных каркасов жилых, гражданских и производственных зданий позволяет обосновано принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений.

Результаты проведенных исследований применены Орловским академцен-тром РААСН, ЗАО «Промстройэнергомонтаж» при выполнении проектов усиления железобетонных несущих элементов реконструиркемых зданий и сооружений. Так же результаты работы внедрены в учебный процесс Госуниверситета-УНГЖ (г. Орёл), Юго-Западным государственным университетом (г. Курск) при изучении студентами и магистрами строительных специальностей дисциплин «Железобетонные и каменные конструкции», «Технические вопросы реконструкции зданий и сооружений».

Апробация работы и публикации

В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госунивер-ситет-УНГЖ» (г. Орел, февраль 2013 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, в том числе получен патент РФ на предложенную в работе методику экспериментальных исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах, включающих 135 страниц основного текста, 50 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 191 наименования и 3 приложений (29 стр.).

Во введении обосновывается актуальность исследований по рассматриваемой теме, приведены общая характеристика диссертационной работы и основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния вопроса конструктивной безопасности и живучести эксплуатируемых зданий и сооружений, а так же выполнен анализ работ по изучению процесса потери устойчивости железобетонных рамно-стержневых систем с учётом взаимного влияния элементов и специфики деформирования материала.

Вторая глава диссертации посвящена построению расчетных зависимостей для оценки живучести рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов.

Для решения поставленной задачи будем исходить из следующих основных рабочих гипотез:

- запроектное воздействие на конструктивную систему при внезапном выключении из работы элемента определяется либо некоторым интегральным результатом накопления повреждений в ее элементах, либо локальным или прогрессирующим обрушением конструктивной системы;

- переход сечений элементов статически неопределимой системы в запредельное состояние характеризуется теми же критериями, что и при обычном кратковременном режиме нагружения, но с учетом изменения пределов прочности материалов;

- разрушение конструктивной системы определяется таким набором сечений в частности, пластических шарниров, которые превращает конструкцию в кинематически изменяемую систему.

- на начальном этапе нагрузка, при действии которой не происходит выключения связей (например, собственный вес), считается постоянной, остальная нагрузка изменяется пропорционально одному параметру;

- при мгновенном изменении степени статической неопределимости, полная удельная энергия конструктивной системы не изменяется;

В третьей главе изложена программа, методика и результаты экспериментальных исследований живучести рамно-стержневых железобетонных конструкций, а также детального изучения живучести нагруженных железобетонных рам

и изменения характера деформирования внецентренно - сжатой стойки от внезапного изменения её расчётной длинны.

В ходе эксперимента были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- исследование работы внецентренно-сжатого железобетонного элемента в рамной конструкции в предельном и запредельном состояниях;

- определение опытных параметров жесткости и трещиностойкости, характера развития и ширины раскрытия трещин в элементах рам на всех этапах нагру-жения конструкций проектной и запроектной нагрузках;

- определение приращений динамических кривизн в сечениях сжатой стойки на различных уровнях нагружения (до и после образования трещин) от запроект-ного воздействия;

В четвертой главе рассмотрена задача анализа живучести статически неопределимых конструктивных систем с выключающимися связями.

Для составления алгоритма расчета живучести рамных систем при запроект-ных воздействиях приняты следующие рабочие гипотезы:

- разрушение конструктивной системы определяется таким набором сечений, в частности пластических шарниров, которые превращают конструкцию в кинематически изменяемую систему.

- признаком окончания решения будет образование геометрически изменяемой системы после выключения очередной связи;

- для линеаризации задачи на каждом шаге нагружения используется итерационный метод.

Заключение содержит основные результаты и выводы по работе.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ

НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Современные подходы к оценке живучести конструктивных систем в запредельных состояниях

В последние годы, в связи с всё возрастающими вызовами природного и техногенного характера, в работе [23] отмечена необходимость поиска новой концепции к обеспечению требований функционального и конструктивного соответствия ожидаемым силовым и средовым воздействиям при проектных и возможных так называемых запроектных воздействиях на сооружения. Новые концептуально-методологические подходы к обеспечению конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений, преложены в исследованиях РААСН последних лет, основные из которых предложены в работе [67]. Наиболее широко тематика живучести отражена в работах: Г.И. Шапиро [162], A.B. Забе-гаева [58], A.B. Перельмутера [106, 109, 112], П.Г. Еремеева [56], В.М. Бон-даренко [23, 25, 27, 28], В.И. Колчунова [79, 84], В.О. Алмазова [13, 14], А.И. Попеско [117-120], В.И. Римшина [136], А.Г. Тамразяна [154], Б.С. Расторгуева [124-132] и др. Значительный вклад в разработку вопросов теории живучести среди отечественных ученых внесли работы С.В. Александрова [1, 4, 11], Г.А. Гениева [45-48], В.И. Травуша [156], Н.В. Клюевой [73-77], Н.И. Карпенко [67], С.И. Меркулова [95], Б.С. Флейшмана [159], Санжаров-ского P.C. [139] и др.

В перечисленных выше работах сформулированы понятия конструктивной безопасности и живучести, в частности отмечено, что «конструктивная безопасность» является характеристикой неразрушимости зданий и сооружений в течение расчётного эксплуатационного периода. Под термином «живучесть» [73] понимается свойство конструктивной системы кратковре-

менно выполнять заданные функции в полном или ограниченном объеме при отказе одного или нескольких элементов подсистемы или системы в целом.

После разрушения аквапарка на Юго-западе Москвы в 2004 г. и Басманного рынка в 2006 г, в РФ появился ряд нормативных и рекомендательных документов [132, 131, 133], содержащих в себе требования регламентирующие выполнение поверочных расчетов по предотвращению прогрессирующего обрушения.

Снижение материалоёмкости конструктивных систем, не понижая степени их живучести возможно посредством выполнения расчетов на действие нагрузок в виде пульсаций ветра, техногенных взрывных и сейсмических воздействий, характеризующихся большой интенсивностью и кратковременностью действия, с учётом возможности развития значительных пластических деформаций. Основные принципы выполнения таких расчётов рассмотрены с позиции живучести и конструктивной безопасности в работах [124, 125, 126, 127, 128].

Современные походы к динамическому анализу расчётных схем сооружений различаются по способу учёта физической, геометрической и конструктивной нелинейности, а так же по выбору расчётных аппаратов, основные из которых основаны на конечно-элементном или конечно-разностном методе анализа. Основная сложность выполнения расчётов на действие кратковременных нагрузок заключается в сложности учёта работы конструкций по наклонным сечениям. В то же время, этот вопрос является особенно актуальным при выполнении анализа степени живучести сооружений в связи с тем, что анализ данных обследований последствий землетрясений указывает на то, что перераспределение усилий, развивающееся в результате подобных воздействий, вызывает разрушение элементов по наклонным сечениям в приопорных зонах.

Рекомендации, выпущенные для зданий массового строительства в Москве [96, 132, 131, 133], содержащие конструктивные требования по предотвращению лавинообразного обрушения указывают на невозможность решения задач живучести универсальными методами, что позволяет говорить

о пока ещё фрагментарном характере подходов к анализу живучести и конструктивной безопасности.

Анализ современных концептуально-методологических подходов направленных на создание аналитических методов расчёта и совершенствования нормативной базы по проектированию сооружений с позиций живучести [73, 162, 129, 46, 95, 36, 27, 28, 31, 48, 44, 37, 75, 76, 77, 79, 101, 91, 67] позволяют отметить следующее:

1. Фундаментальные положения аналитических методов обеспечения конструктивной безопасности зданий и сооружений соде