Экспериментальные исследования моделей железобетонных колонн при ударном воздействии Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.075.23+624.042.8

КОПАНИЦА ДМИТРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kopanitsa@mail ru

ПЛЯСКИН АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, plyaskinandrei@mai. ru

Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН ПРИ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований моделей железобетонных колонн на одновременное действие продольной статической и поперечной ударной нагрузки. Показана зависимость изменения частотных характеристик моделей колонн от величины продольной сжимающей силы. Результаты представлены в виде диаграмм ускорений, соответствующих спектров мощности колебаний и схем разрушения исследуемых моделей.

Ключевые слова: железобетонная колонна, ударное воздействие, частота собственных колебаний.

KOPANITSA, DMITRIY GEORGIYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., kopanitsa@mail ru

PLYASKIN, ANDREI SERGEYEVICH, P.G., plyaskinandrei@mai. ru

Tomsk State University of Architecture and Building,

2 Solyanaya sq., Tomsk; 634003, Russia

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF MODELS OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS AT SHOCK LOADING

The article presents the results of experimental studies of models of reinforced concrete columns at the simultaneous action of longitudinal and transverse static shock. The dependence of the frequency characteristics of the columns models on the magnitude of the longitudinal compressive force is shown. The results are presented in the graphs of acceleration, the corresponding power spectra of vibrations and damage patterns of the model.

Keywords: reinforced concrete column, shock-loading, natural vibration frequency.

© Д.Г. Копаница, А. С. Пляскин, 2011

Исследования моделей железобетонных колонн проведены с целью выявления степени влияния величины продольной силы на напряженно-деформированное состояние моделей, подверженных поперечному удару. Подобные задачи рассматривались в работах А.В. Забегаева, Н.Н. Белова, Й. Эйбла и др. [1-3]. В процессе проведения испытаний исследовались деформации и частотные характеристики.

Регистрация ускорений выполнялась измерительными блоками со встроенными пьезокерамическими датчиками ускорения ADXL-202AQC1 производства USA фирмы ANALOG DIVICE, измеряющими ускорение в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. В приемно-измерительном комплексе, состоящем из двух 32-канальных измерительных блоков, осуществляется мультиплексирование и преобразование сигнала в 16-разрядный параллельный двоичный код. В качестве АЦП (аналого-цифрового преобразователя) используется Е 14-440 с максимальной частотой преобразования 400 кГц и совместимый с USB 2.0. Выбор диапазонов измерения, частоты дискретизации и конфигурации входов осуществляется программно. Управление работой комплекса и обработка экспериментальных результатов проводятся посредством персонального компьютера.

Результаты экспериментальных измерений представлены в виде акселерограмм и диаграмм спектральной плотности мощности ускорений колебаний конструкций, полученной путем быстрого преобразования Фурье.

Относительные деформации измерялись посредством тензометрических преобразователей типа КФ с базой 20 мм, номинальным сопротивлением 100 Ом и коэффициентом тензочувствительности 2,17, наклеенных на бетонную поверхность в опорной зоне, у оголовка и в средней части моделей. Опытные образцы имели форму правильного параллелепипеда высотой 700 мм и поперечным сечением 50x50 мм. Все образцы имели одинаковое армирование, выполненное в продольном направлении четырьмя стержнями диаметром 3 мм арматурной проволокой Вр-I, в поперечном направлении хомутами из отожжённой проволоки Вр-I диаметром 2 мм с шагом 30 мм. Оголовки колонны армировались четырьмя сетками из проволоки Вр-I диаметром 1 мм. Коэффициент армирования колонны в продольном направлении составил 1,14 %. Схема армирования моделей показана на рис. 1.

Определение прочности и деформативности продольной арматуры проведено на разрывной машине INSTRON со скоростью 4-10-4 с-1 по ГОСТ 10884-81. Напряжения о02 = 378 МПа, модуль упругости Е = 1,9-105 МПа.

Все опытные образцы колонн были изготовлены из цементно-песчаной смеси с соотношением компонентов по массе 1:1,6 (цемент : песок) при водоцементном отношении W/C = 0,46. Модуль крупности песка 2,5 мм. Призменная прочность бетона опытных образцов на момент испытания составила 17,6 МПа, кубиковая 20,6 МПа.

В соответствии с программой эксперимента продольная сжимающая нагрузка изменялась в диапазоне от 30 до 80 кН. Динамическая поперечная нагрузка создавалась пороховой колонкой ПКУ-1ДУ с массой ударника 0,4 кг и площадью ударной части 200 мм2. Для создания нагрузки использован патрон Д-3 с энергоемкостью 600 Дж. Всего испытано 12 образцов. Общий вид испытаний показан на рис. 2. Модель колонны закреплялась в опорах. Сжи-

мающая нагрузка увеличивалась поэтапно. При достижении контрольной величины проводился выстрел, и динамическая нагрузка от ударника пороховой колонки действовала на поверхность модели.

Рис. 1. Армирование опытных образцов

Рис. 2. Схема и общий вид испытаний

Результаты экспериментов представлены в виде акселлерограмм и соответствующих спектров мощности колебаний. Показано, что при увеличении продольной сжимающей силы частота колебаний на начальном этапе нагружения незначительно возрастала, а затем снижалась. При испытании колонны К-3 создаваемая прессом продольная сила равнялась 30 кН, соответствующие напряжения в бетоне 12,0 МПа. Энергия удара при выстреле составила 600 Дж. Время действия нагрузки 8 мс определялось по показаниям тензометрических преобразователей. Полученная акселлерограмма и соответствующий спектр с частотой основного тона 46,81 Гц приведены на рис. 3. Максимальные значения ускорения средней части модели в первом цикле колебаний составили 64 м/с2.

,и- ‘

1 \ /• 1

1 1

4- 1 / *— А Л г

П.ПВ- 0,05- 1 -т- ■ ; А ;•/ \"А'" ■ ■ ы /\ 1 V . 1

1 1 444 •• ( ' V 1и А ■V 1М-

МН- 1 ' •ово— У [- и 1 у V/

- =-г«7_ 1— 1 ■ ■ ‘ ■ .1! ИЦ|11 ‘„1 -+ г-

Рис. 3. Акселлерограмма и спектр мощности колебаний модели К-3 при действии продольной статической силы 30 кН и поперечного удара 600 Дж

Согласно показаниям тензометрического преобразователя, продольные деформации постепенно увеличивались от нуля до 0,08 %. От действия удара средняя часть модели была разрушена. При этом скорость деформаций бетона в области разрушения достигла 1,47-2,22 еод/с.

При испытании колонны К-5 сжимающая сила была увеличена до 73 кН. Полученные акселлерограмма и соответствующий спектр мощности колебаний приведены на рис. 4, из которого видно, что бетон модели работает в стадии упругопластического деформирования.

Рис. 4. Акселлерограмма и спектр мощности колебаний модели К-5 при действии продольной статической силы 73 кН и поперечного удара 600 Дж

Колебания по основному тону соответствуют частоте 27,34 Гц. Максимальные ускорения средней части модели в первом цикле колебаний достигли 118 м/с2.

Увеличение продольной сжимающей силы привело к снижению частоты основного тона колебаний при работе модели в процессе нагрузки. Нагрузка 73 кН вызвала сжимающие напряжения в бетоне образца 29,2 МПа. Соответствующие деформации постепенно возрастали от нуля до 0,17 %. Действием ударника средняя часть модели была разрушена. При этом скорость деформаций бетона в области разрушения достигла 1,64-3,8 еод/с.

Полученные формы разрушения моделей колонн К-3, К-4, К-5 и К-7 показаны на рис. 5. Основное разрушение образцы получили в зоне удара. На лицевой поверхности образца образовались продольные и поперечные трещины. Конструкция получила прогиб, примерно равный половине размера поперечного сечения колонны. Общие деформации образца и разрушение части сечения в области удара вызвали потерю устойчивости и выпучивание рабочей арматуры в сторону лицевой поверхности. На боковых поверхностях образцов образовались наклонные трещины, выделяющие фрагмент модели в виде призмы с наклонными гранями под углом, близким к 35-40°. На тыльной стороне образцов образовались продольные и поперечные трещины (рис. 6).

Рис. 5. Модели колонн после разрушения

Результаты исследований показали:

1. Увеличение продольной силы приводило к росту напряжений сжатия и изменению динамических свойств модели колонны.

2. При действии продольной статической силы, величина которой не превышала 30 % от прочности, происходило уплотнение бетона и соответ-

ствующее повышение частоты собственных колебаний. Разрушение от действия поперечного удара произошло на частоте, близкой к 46 Гц.

Рис. 6. Фрагмент образца в области разрушения

При действии продольной статической силы, вызывающей сжимающие напряжения около 80 % от прочности, в бетоне появились микротрещины и снижение частоты в процессе разрушения до 27 Гц.

Библиографический список

1. Забегаев, А.В. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при аварийных ударных нагружениях / А.В. Забегаев. - М., 1992. - 429 с.

2. Расчетно-экспериментальный метод анализа динамической прочности элементов железобетонных конструкций / Н.Н. Белов, О.В. Кабанцев, Д.Г. Копаница [и др.]. - Томск : Изд-во STT, 2008. - 289 с.

3. Eibl, J. Behaviourof critical regions under hard impact / J. Eibl // Concrete structures under impact and impulsive loading : Int. Symp. - Berlin (West). - 1982. - V. 1. - Р. 113-127.