Армодемпфирующие элементы для работы материала в условиях динамических и сейсмических нагрузок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 696.83

П.Г. КОМОХОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, А.В. БЕНИН, канд. техн. наук, Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн. наук (belents@mail.ru), Петербургский государственный университет путей сообщений

Армодемпфирующие элементы для работы материала в условиях динамических и сейсмических нагрузок

Проблема раннего разрушения материала в конструкциях зданий и сооружений связана с воздействием многократно повторяющихся динамических нагрузок от ветра и транспорта, изменения температуры и влажности, а также воздействия сейсмических нагрузок. Расчет пуль-сационной составляющей ветровой нагрузки не исчерпывает реальную картину силовых и динамических воздействий ветра, поскольку периодические изменения направления приводят к изменению напряженно-деформируемого состояния элемента на противоположный и процесс этот повторяется многократно. Многократные колебания температурно-влажностного режима поверхности конструкции в зданиях и сооружениях также изменяют характер работы всего сооружения или здания, что нередко приводит к частичному его разрушению. Динамические нагрузки от транспорта и оборудования вызывают активное трещинообразование в существующих зданиях, снижая межремонтные сроки и период эксплуатации. Сейсмические нагрузки приводят к практически мгновенному разрушению отдельных наиболее загруженных элементов за счет воздействия энергетических повторяющихся в течение короткого времени, воздействующих на конструкции значительными знакопеременными ускорениями толчков. Подобные процессы становятся особенно существенными при строительстве высотных зданий и ответственных сооружений, и учет только силовой составляющей воздействий не гарантирует безаварийной эксплуатации отдельной конструкции и всего здания в целом. Работа материалов в конструкциях при динамических (многоцикловых, сейсмических) нагрузках определяется количеством энергии, подведенной к материалу при воздействии различных внешних нагрузок и климатических факторов.

Использование современных высокопрочных материалов приводит к существенному снижению трещино-стойкости конструкций, а нарушение структуры — к снижению долговечности за счет проникновения внешней агрессивной среды в объем конструкции. Поэтому современные здания и сооружения из бетона часто требуют ремонта в течение 20 лет в условиях городской

эксплуатации вместо планируемых 40—50 лет. Причина нарушения структуры — значительные деформации в различных направлениях, в том числе и нагрузками, противоположными по знаку гравитационным. Результаты внешнего воздействия зависят от геометрических параметров конструкций здания, сооружения и от веса отдельных элементов. Расчет инерционных сил в современных нормах рассмотрен, однако при этом выпадает из внимания роль вертикальных колебаний отдельных конструкций и сооружения в целом, кроме особо ответственных конструкций. Способность конструкции воспринимать внешние воздействия зависит от конструктивной схемы, прочностных и энергетических показателей материала, из которого она изготовлена. Создание материала специально для конкретной конструкции не решается технологически, поэтому типовые материалы адаптируются для конкретных конструкций без учета возможности создавать материалы с заданным набором свойств. Принципиальным является создание активных материалов, корректирующих свои механические свойства в зависимости от характера и уровня внешних воздействий. Необходимо комплексно решать проблему повышения свойств материала в заданном направлении — прочность, трещиностойкость, деформативность и т. д. Применение высокопрочных и трещиностойких материалов ограничено в силу различных причин: высокой стоимости, деформативности, ограниченной долговечности, пониженной надежности и т. д. Целесообразно совершенствовать существующие материалы, обеспечивая их высокую энергоемкость (способность воспринимать большое количество внешней энергии без разрушения структуры) за счет сверхвысокой прочности, используя с большим запасом их возможности восприятия нагрузки, или материалы с высокой деформативностью, что ограничено эксплуатационными характеристиками конструкции. Необходимо внедрять материалы и конструкции способные к большим деформациям при высокой прочности в чрезвычайных условиях, но при этом сохраняющие эффективную структуру без разрушения и изменения деформативности при различных

б

Рис. 1. Удельная работа деформирования на графике ст-Е: а - для хрупких (1) и вязкопластичных (2) материалов сопоставимой прочности и начальным модулем упругости; б - для идеализированного материала (3) с повышенной работой деформирования при сохранении структуры при деформировании

а

о

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

AÜ сентябрь 2010 69"

Таблица 1

Расход материалов, кг/м3 ь т с ои о бет3 § и нь ^ 1 ри

Цемент Песок Щебень Вода Добавка * 8 £ 2 § О о П Плотность на, кг/м от рс 1= о ш 5 § ш д о В Средняя г ность се МПа

500 725 1020 170 9,685 П4 2179 W8 46,3

Таблица 2

Рис. 2. Вид образцов с армодемпфером

нагрузках. Идеальный материал должен увеличивать модуль деформаций по мере увеличения нагрузки, что означает сохранение структуры и снижение вероятности резонансных явлений в конструкциях. Материалы должны характеризоваться большой работой деформирования и удельной энергией разрушения [1]. График напряжения—деформации материала должен характеризоваться повышением модуля деформаций при увеличении нагрузки, это свойственно эластомерам, но не конструкционным материалам. Использование вяз-копластичных материалов сопровождается накоплением пластических деформаций и микротрещин, связанных с нарушением структуры (рис. 1). Линейная зависимость (снижение) модуля деформаций по мере увлечения напряжений свидетельствует либо о хрупком характере разрушения, либо о постепенном накоплении нарушений структуры, что опасно разрушением материала.

Идеализированный материал за счет высокой удельной энергии деформирования будет хорошо сопротивляться многоцикловым повторяющимся загружениям (вибрационным и сейсмическим нагрузкам), при этом сохранять структуру без развития внутренних дефектов и трещин до момента, предшествующего разрушению. Создание такого идеализированного материала возможно использованием анизотропных материалов или включением в конструкции элементов, создающих в материале эффект анизотропии с сохранением прочностных и эксплуатационных свойств. Одним из вариантов является включение в бетонные, кирпичные и другие конструкции армодемпфирующих элементов, выполня-

450 400 350

- 300

£

з

£ 250

го

х 200 150 100 50

Образец Модуль упругости, МПа Модуль деформаций, МПа

перед разрушением средний

Без армодемпфера 27-103

С армодемпфером 2,94-103 15,8-103 4,4-103

ющих роль демпфера в основном направлении приложения нагрузки, а в поперечном — косвенного армирования. Это существенно увеличит энергоемкость материала за счет высоких деформаций в начальный момент времени при обжатии и постепенный прирост модуля деформаций по мере увеличения нагрузки.

Современные испытания бетона в соответствии с нормативными документами предполагают использование для построения регрессионной кривой количество циклов до разрушения при нагрузке 0,9; 0,8; 0,7; 0,6 от разрушающей [2]. Понятие класса бетона предполагает, что при максимальном коэффициенте вариаций однородности прочностных свойств с обеспеченностью 0,95 прочность бетона при сжатии составляет 77,8% средней прочности партии [3]. Следовательно, построение регрессионной кривой за пределами величины 77,8% средней прочности малоинформативно, хотя сокращает продолжительность испытаний. Таким образом, для динамических и многоцикловых испытаний необходимо использовать показатели регрессионной кривой в диапазоне прочности менее 77,8% разрушающей нагрузки. Моделирование реальных условий испытания с коэффициентом асимметрии цикла равным 0,1 также маловероятно, поскольку чисто динамическое нагружение встречается на практике достаточно редко; при этом для конструкций коэффициент постоянных нагрузок обычно не ниже 30—40% полных. Поэтому и коэффициент ассимметрии при динамическом или многоцикловом испытании для моделирования реальных условий должен составлять 0,3—0,4.

Деформация 0,5%, мм

Деформация 0,5%, мм

Рис. 3. Графики зависимости нагрузка-деформация: а - стандартного образца бетона без армодемпфера; б -щадь 10000 мм2

образца с армодемпфером. Пло-

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал р ^ Г Г Iг ! 13

~~70 сентябрь 2010 *

Результаты экспериментальных испытаний бетонных образцов с армодемпферами на многоцикловую нагрузку приведены далее. На пульсаторе испытывали образцы в возрасте 56 сут, вид образцов с амродемпфе-ром приведен на рис. 2. Использовали следующий состав для изготовления образцов: соотношение цемент (Ц):песок (П):щебень (Щ) 1:1,45:2,04 при В/Ц = 0,34 с добавкой СП-3 0,8%. Основные физико-механические свойства бетона приведены в табл. 1.

Армодемпфирующие элементы устанавливали после набора прочности бетона, толщина армодемпфера встраиваемого в бетон составила 5—7 мм. Армодемпфирующий элемент выполняли из полимерного раствора состава пе-сок:полимер = 1:1; песок стандартного гранулометрического состава; армирующая составляющая сеткой с шагом 7 мм, диаметром 1 мм. Результаты испытаний на статическую нагрузку при сжатии образцов показали повышение прочности на 10% и повышение деформативности в 5,5 раз при использовании армодемпфера (рис. 3). При этом изменился характер деформирования бетонных образцов, что свидетельствует об отсутствии трещинообразования в образцах с армодемпферами практически до разрушающей нагрузки. Удельная работа разрушения выросла в образцах в 7,36 раза, что свидетельствует о более полном использовании свойств структурных элементов в композите.

Изменения модуля деформаций испытанных образцов приведены в табл. 2.

В начальный момент времени при динамическом нагружении деформация образца с армодемпфером играет положительную роль, позволяя поглощать колебания с обратным знаком без нарушения структуры. Колебания системы не должны превышать максимальную деформацию материала.

Экспериментальную проверку проводили на аналогичных образцах при нагрузке 0,8 и 0,7 разрушающей. При

Таблица 3

Образец Нагрузка, доли разрушающей

0,8 0,7 0,45

Без армодемпфера 0,6-103 11,8103 2,7-106

С армодемпфером 1,2-103 117103 2,7-106

Примечание. При нагрузке 0,45 разрушающей испытание прекратили, образцы не разрушались.

нагрузке 0,45 разрушающей бетонные образцы с армо-демпфером при рассим =0,3—0,4 выдержали 2,7-106 циклов без разрушения и испытание прекратили. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Количество циклов нагружения образца с армодем-пфером при расчетной нагрузке составило на порядок больше, чем у обычного бетона. Это подтверждает эффективность использования армодемпфирующих элементов для создания анизотропии свойств композиционных материалов при работе в условиях динамических, многоцикловых и сейсмических нагрузок.

Ключевые слова: модуль упругости, многоцикловая (динамическая, сейсмическая) нагрузка, прочность, тре-щиностойкость, армодемпфирование.

Список литературы

1. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М.: Наука, 1975. 828 с.

2. ГОСТ 24545—81. Бетоны. Методы испытаний на выносливость. М.: Издательство стандартов, 1982. 13 с.

3. ГОСТ 25192—82. Бетоны. Классификация и общие технические требования. М.: Издательство стандартов, 1983. 8 с.

гиЛипЬ

пожд^народный I 8ьста0очно-оапсбсй ¡литр

имени Карст М>радат

С

строител ьство а р х и те кту р а

Красноярск

18-21 января 2011

XIX специализированная выставка строительных и архитектурных проектов, новых технологий и оборудования в строительстве, строительных и отделочных материалов.

Ежегодный конкурс архитектурных проектов «Ордер воплощения«

МВДЦ «Сибирь», ул. Авиаторов, 19 Тел.: (391) 22-88-405, 22-88-613 22-88-611 (круглосуточно) www.krasfair.ru

ифнииаглнйп пцвдержка

в, те.—

1*11

ташга

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Л] сентябрь 2010 ТГ