CC BY
14
126
Вестник ТГАСУ №1, 2007
N.N. BELOV, D.G. KOPANITSA, N.T. YUGOV, O.V. KABANTSEV,
S.L. KAPARULIN, A.A. YUGOV, A.N. OVECHKINA
THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS AT A REPEATED LONGITUDINAL IMPACT
The results of the experimental research of models of reinforced concrete columns at longitudinal impact are considered in the paper. The tests have been performed on a drop hammer plant. The cases when the column was under doubly or triply repeated impacts. have been considered The results are represented in a form of accelerograms and spectra of the power of oscillations.
УДК 624.012
Д.Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,
М.А. ГРИНКЕВИЧ,
ТГАСУ, Томск
ДИНАМИКА ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ МОДЕЛИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СООРУЖЕНИЯ, ЗАГЛУБЛЕННОЙ В ПЕСЧАНЫЙ ГРУНТ
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований железобетонных моделей реакторного отделения АЭС, заглубленных в песчаный грунт, на действие воздушной ударной волны. Обсуждаются динамические параметры и деформации конструкций в процессе упругой работы и разрушения.
Проблема расчета и проектирования пространственных сооружений на аварийные нагрузки на протяжении ряда лет является весьма актуальной. Аварии в результате взрыва могут вызвать значительные разрушения и привести к большим материальным потерям. Тестирование аварийных ситуаций для дорогостоящих объектов дает возможность предусмотреть последствия аварий и разработать мероприятия по их устранению.
Требования безопасности работы АЭС приводит к необходимости учета ряда специальных динамических нагрузок и воздействий, включая воздушную ударную волну (ВУВ). К настоящему времени достаточно подробно рассмотрены вопросы прочности железобетонных конструкций на действие распределенных статических нагрузок. В меньшей степени разрешены задачи на действие распределенных динамических нагрузок от ВУВ.
Исследования сооружений на действие аварийных динамических нагрузок связаны с разрешением ряда вопросов, касающихся определения параметров нагрузки и собственно динамических свойств объекта. Решения, оценивающие динамические свойства сооружения, наряду с задачей прочности имеют самостоятельное значение. Например, когда нагрузки или некоторая их
© Д.Г. Копаница, М.А. Гринкевич, 2007
последовательность не вызывают разрушений, а являются причиной чрезмерных смещений или ускорений, способных вызвать технологические аварии и вследствие этого вывести сооружение из строя.
1. Методика проведения эксперимента
Реакторное отделение представляет собой уникальное сооружение, в состав которого включена защитная оболочка, конструкция обстройки и монолитно совмещенная с ними фундаментная часть.
Значительные размеры и сложность конструкции реакторного отделения приводят к необходимости упрощений и замены реального сооружения масштабной моделью. В процессе исследований проведены эксперименты и расчеты модели реакторного отделения АЭС, выполненной в масштабе 1:35.
Результаты рассматриваемых экспериментов не предусматривают пересчет показателей на реальное сооружение. Эти результаты могут быть использованы для изучения картины деформаций и разрушения моделей, подверженных воздействию ВУВ, а также для формирования расчетных предпосылок и проверки результатов теоретических исследований.
2. Характеристики модели и материалов
Задачи моделирования динамической системы «нагрузка - сооружение» предполагают решение ряда специальных вопросов, касающихся проектирования и строительства моделей исследуемого сооружения, создания динамической нагрузки с заданными параметрами, а также обеспечения измерений исследуемых параметров при заданной точности.
Выбор и обоснование конструкции модели, имитирующей работу строительного комплекса при действии ВУВ, проведены из соображений максимального упрощения структуры объекта. При этом учитывалось, что наиболее характерными конструктивными объектами реакторного отделения являются фундаментная часть, защитная оболочка и обстройка. На рис. 1 показаны общий вид и характерные сечения железобетонной, монолитной модели, выполненной в масштабе 1:35 по отношению к натуре. В конструкции модели сохранены лишь основные формы фундаментной части, защитной оболочки и обстройки. Все перегородки и конструктивные узлы выполнены с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, упростить конструктивные формы, с другой стороны, построить конструктивную систему, отражающую основные качества прототипа.
Всего испытано четыре модели. Конструкция модели энергоблока представляет собой пространственное монолитное сооружение, выполненное из армированного мелкозернистого бетона. На виде сверху: внешний прямоугольный контур - опорная плита; средний прямоугольный контур - внешние ограждающие стены обстройки; внутренний прямоугольный контур - внутренние ограждающие стены обстройки; две концентрические окружности -вид купола составной оболочки.
Фасад
Вид сверху
1-1, 2-2'
3-3
30
о
<-
А-А
69 <—>
46 <—>
4
69 <—>
51
О
275
5
5
Рис. 1. Конструкция модели энергоблока (См. также с. 129)
Рис. 1. Окончание
Первый этаж модели - фундаментный блок, выполнен в виде двух вертикально стоящих коробов, монолитно совмещенных внизу с опорной плитой модели и в верхней части с промежуточной плитой, объединяющей основание оболочки и основание обстройки.
Вертикальное сечение модели А-А и В-В. На первом этаже виден внутренний короб фундаментной части. Справа и слева в конструкции обстройки видны угловые короба. Они видны и на плане сечений 1-1 и 2-2.
Собственно стена обстройки выполнена монолитной двухэтажной. Между этажами перекрытие толщиной 30 мм. По длине стена также разделена на две части. На разрезе виден крест. Плита покрытия обстройки, крест и короба по углам выполнены толщиной 30 мм и одинаково армированы. Как видно, средний и верхний этажи обстройки имеют одинаковые конструкции. Сечение симметрично относительно главных центральных осей, поэтому размеры указаны с одной стороны.
Для изготовления всех конструктивных форм применялись сборноразборные металлические опалубки. Модели изготавливались из песчаного бетона с модулем крупности до 2,5 мм при водоцементном отношении В/Ц = 0,45. Активность портландцемента Rn = 40,1 МПа. Отношение компонентов по массе составило песок: цемент = 2,5:1. Средняя кубиковая прочность для первой и третьей моделей составила Rb = 25 МПа; для второй и четвертой - Rb = 34 МПа.
Армирование цилиндра выполнено двойной сеткой из отожженной проволоки В-1 диаметром 2,5 мм. Шаг сетки по высоте цилиндра - 23 мм; по радиусу - 36 мм. Процент армирования по кольцу для цилиндра равен 1,4 % (от = 215,0 МПа), процент армирования вертикальными стержнями - 0,9 % (от = 215,0 МПа).
Армирование купола выполнено двойной сеткой из отожженной проволоки В-1 диаметром 2,5 мм (от = 215,0 МПа). Процент армирования в кольцевом направлении 1,6 %, в радиальном направлении - 0,9 %.
Армирование промежуточной плиты (плита, объединяющая фундамент, оболочку и обстройку) выполнено двойной сеткой 70x70 мм из проволоки диаметром 4 мм (от = 365,0 МПа), процент армирования в продольном и поперечном направлениях - 0,66 %.
Армирование ограждающих конструкций обстройки и «креста» проведено сетками из проволоки диаметром 2,5 мм (от = 215,0 МПа), при этом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях процент армирования равен 0,4 %.
Опорная плита модели армирована двойной арматурной сеткой 90x90 мм, выполненной из стержней диаметром 10 мм, арматуры класса А-Ш, (от = 420,0 МПа).
3. Средства измерений и схема расстановки приборов
Напряжено-деформированное состояние и кинематические параметры конструкций исследовались во всем диапазоне прочностных свойств материала. Датчики приборов располагались в точках характерных сечений, выявленных путем предварительного расчета. В процессе экспериментов проводились измерения параметров воздушной ударной волны (давление на фронте ударной волны ЛРф, давление разряжения ЛРразр., продолжительность фазы сжатия т+ и фазы разряжения х_). Измерялись нагрузки на поверхности ЛР(0 и во внутреннем объеме сооружения ДР(^зат, время избыточного давления и разряжения т+ и х_ . Для измерения величин относительных деформаций е(0 использовались тензорезисторы. Скорости и ускорения измерялись посредством акселерометров. Перемещения определялись путем интегриро-
вания диаграмм ускорений. Движение трещины по месту сопряжения цилиндрической части оболочки с основанием определялось по времени срабатывания датчиков разрыва (разр.). Измерения и первичная обработка результатов проведены с использованием регистрирующей аппаратуры, совмещенной с измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Обработка результатов измерений на ИВК проведена по типовым программам математического обеспечения.
Общая погрешность измерений и автоматизированной обработки результатов на ИВК, при доверительной вероятности Р = 0,95, не превышала для измеряемых параметров: давления - 15 %; ускорений - 11,8 %; относительных деформаций - 14 %; скоростей -12 %.
4. Параметры нагрузки
Нагрузка в экспериментах создавалась моделированной ВУВ. В процессе испытаний измерялось давление на фронте ВУВ, ее продолжительность, а также форма импульса. Результаты экспериментов были использованы при составлении расчетных схем, в которых параметры нагрузок представлены упрощенными расчетными диаграммами. Этот подход широко используется в инженерной практике при трансформации форм импульса нагрузки реального взрыва [1, 2, 3].
Распределение давлений по поверхности модели на шаге расчета принималось в виде статических эпюр, принятых по результатам измерений.
5. Динамика упругой модели, заглубленной в песчаную среду
На схеме расстановки приборов (рис. 2) показаны преобразователи скоростей, установленные на подошве опорной плиты. Это позволило определить параметры движения опорной плиты взаимодействующей с песчаным основанием.
A-A
щ-
С-С
У - преобразователь ускорений; Т - тензорезистор.
Схема испытаний заглубленной модели:
а - акселерометры (У) и измерители скоростей (С);
б - на оболочке - тензорезисторы (Т) и датчики разрыва (Р)
ПО Т8 Т6 Т4
I 1 1 ii i ¡a Y>///7>S77Ta
Р3 Р2 Р1
1-1
ІР3
Рис. 2. Схема расстановки преобразователей
Для регистрации кинематических параметров были проведены измерения ускорений (У) и скоростей (С). Относительные деформации измерялись в основании цилиндрической оболочки (Т). Для регистрации возможной трещины по месту сопряжения цилиндрической оболочки с опорной плитой были расположены датчики разрыва (Р).
При подготовке к испытаниям модели устанавливались на песчаное основание в приямке, после чего проводилась их засыпка с послойным уплотнением песка. Готовые к испытаниям модели на две трети высоты были заглублены в песчаный грунт.
Деформации конструкций при АРф = 55 кПа происходили в пределах упругой работы материала. На рис. 3-5 показаны диаграммы нагрузок и ускорений, скоростей перемещения фундаментальной плиты, относительных деформаций бетонной поверхности и соответствующие им акселерограммы.
кПа 100 50 0.0 - 50 -100
120 Р(г)
^
Г55
0.0 40
50 0.0 - 50 -100
120 160 г, мс.
120 60 0.0 - 60 -120
12 0.0 -12 - 24
0.0 40 80 120 160 г, мс.
0.0 40 80 120 160 г, мс.
Рис. 3. Диаграммы нагрузки и ускорений при АРф = 55 кПа
Рис. 4. Диаграммы скорости перемещения фундаментной плиты
7
/ оо 0.30 0.15 0.0 - 0.15 -0.30
0.30 -0.15 -
0.0
- 0.15
- 0.30
0.0 40
120 160
X, мс.
0.0 40 80 120 160
X, мс.
Рис. 5. Диаграммы относительных деформаций основания цилиндрической оболочки при АРф = 55 кПа
5. Деформации и разрушение модели, заглубленной в песчаный грунт
Рассмотрим результаты экспериментов, в которых конструкции моделей получили необратимые деформации и разрушения. Разрушение первой модели проведено при АРф = 220 кПа. Давление в отраженной волне достигло АРотр = 760 кПа, продолжительность отраженной волны составила X = 7 мс. Продолжительность фазы сжатия т+ = 320 мс, фазы разряжения - т- = 350 мс. Разрушение второй модели проведено ударной волной с давлением на фронте АРф = 280 кПа. Давление в отраженной волне достигло АРотр = 790 кПа, продолжительность отраженной волны составила X = 7 мс. Продолжительность фазы сжатия т+ = 340 мс, фазы разряжения - т- = 350 мс. Диаграмма давления при испытании первой модели в проходящей ВУВ и отраженной волны на лобовой поверхности цилиндра показана на рис. 6. Движение конструкций обстройки началось с меньшей временной задержкой и с большим градиентом, чем у открытой модели. Песчаная среда препятствовала раскачиванию модели. Максимальные смещения произошли за первый период колебаний, в первой его фазе (У8). Колебания оболочки (У 14), возбужденные кинематическим смещением ее основания (У 2), начались со смещения оболочки в сторону набегающей волны. Сопоставление акселерограмм на рис. 6 и диаграмм скоростей на рис. 7 указывает на то, что движение модели в грунте началось без временной задержки. Передаваемое давление на грунт через опорную плиту было синхронно показаниям преобразователей скоростей. Вертикальные скорости и перемещения плиты были большими по сравнению с горизонтальными смещениями. Колебания имели быстрозатухающий характер. На рис. 7 показаны диаграммы скоростей в период активного деформирования конструкции в стадии квазиста-ционарного обтекания. Заметим, что действие волны разряжения вызвало соизмеримые скорости перемещений, хотя величины их были незначительными.
Относительные деформации основания оболочки представлены диаграммами на рис. 8. В процессе разрушения оболочки возникла кольцевая трещина по месту сопряжения цилиндра с опорной плитой. Предельные деформации тензорезисторов (Т1, Т2) над трещиной не превысили 0,6 о/оо.
кПа
600
300
0.0
- 300
- 600
160
80
0.0
-80
-160
, 760 р(Л Г 220 " /с2 100 50 0.0 У 2
- 50 -100 - I 103
0 40 80 120 160 і, мс. м/0 /сс 160 80 0 40 80 120 160 і, мс.
1 1 У14 72
98 і і і і і -80 -160 -«3
0.0 40 80 120 160
0.0 40
120 160 і, мс.
Рис. 6. Диаграммы нагрузки и ускорений при АРф = 280 кПа
Рис. 7. Диаграммы скорости перемещения фундаментной плиты при АРф = 280 кПа
Рис. 8. Деформации основания цилиндрической оболочки при АРф = 220 кПа
і, мс
Для регистрации развития трещины по месту сопряжения цилиндрической оболочки с опорной плитой были наклеены датчики разрыва (Р) последовательность разрушения которых показана на рис. 9.
Р5
Р4
Р3
Р2
Р1
0.0 40 80 120 160 г, мс.
Рис. 9. Последовательность срабатывания датчиков разрыва
Разрушение сжатой зоны цилиндрической оболочки произошло от сдвига в течение 100 мс - время, соизмеримое с продолжительностью первого периода собственных колебаний. Разрушенные в песчаном грунте модели показаны на рис. 10. Продолжительность активного сопротивления конструкций составила 240 мс. В процессе разрушения оболочки совершили полное колебание, после чего появились необратимые деформации и трещины, отражающие характерные сочетания видов напряженного состояния, определяющими из которых были сдвиг в сочетании с растяжением и сжатием.
Рис. 10. Модели М1 и М2 после разрушения в песчаном грунте
136
Вестник ТГАСУ №1, 2007
Библиографический список
1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: учебное пособие в трех книгах. Книга 1 / Под ред. К.Е. Кочеткова, В. А. Котляревского, А.В. Забегаева [и др.]. - М. : Изд-во АСВ, 1995. - 320 с.
2. Расчет конструкций убежищ / М. Л. Боданский, Л.М. Горшков, В.И. Морозов [и др.]. -М. : Стройиздат, 1974. - 266 с.
3. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия: справочник проектировщика. - М. : Стройиздат, 1981. - 215 с.
D.G. KOPANITSA, M.A. GRINKEVICH
THE DYNAMICS OF THE REINFORCED CONCRETE MODEL OF A SPATIAL BUILDING BURIED IN A SANDY GROUND
The results of the experimental investigation of the reinforced-concrete models of reactor block of an APP buried in a sandy ground on the air-blast influence are considered in the paper. The dynamical parameters and the deformations of the construction during the elastic behavior and the destruction are discussed.
УДК 624.072.22/.078.54:624.042.8
О.Г. КУМПЯК, докт. техн. наук, профессор, А.В. ПЕДИКОВ, канд. техн. наук,
ТГАСУ, Томск
ИССЛЕДОВАНИЕ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
В данной работе рассматриваются результаты экспериментально-теоретических исследований шарнирно опертых железобетонных балок, загруженных центрально-приложенной продольной силой при поперечном кратковременном динамическом нагружении.
Рассматривается расчет железобетонных балочных конструкций на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении, основанный на диаграммах деформирования конструкций (рис. 1).
Рис. 1. Расчетные диаграммы деформирования железобетонных элементов, армированных сталью:
а - с физическим пределом текучести; б - с условным пределом текучести
© М. А. Гринкевич, 2007
