CC BY
19
УДК 624.075.23+624.042.8
КОПАНИЦА ДМИТРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kopanitsa@mail. ru
КАПАРУЛИН СЕРГЕЙ ЛЬВОВИЧ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, skaparulin@mail. ru
ПЛЯСКИН АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, plyaskinandrei@mail. ru
УСТИНОВ АРТЁМ МИХАЙЛОВИЧ, магистрант, artemustinov@bk. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
МОДЕЛИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ РАМЫ
ПРИ РАЗРУШЕНИИ КОЛОННЫ УДАРНОЙ НАГРУЗКОЙ*
В статье рассмотрены конструкции элементов модели однопролетной железобетонной рамы и узлов их сопряжения. Даны геометрические характеристики и показан принцип действия испытательной установки. Представлен порядок проведения эксперимента модели рамы на совместное действие вертикальной статической нагрузки на ригель и горизонтального ударного воздействия на колонну. Результаты экспериментальных измерений представлены в виде акселерограмм и диаграмм спектральной плотности мощности ускорений колебаний конструкций.
Ключевые слова: железобетонная рама; ударное воздействие; частота собственных колебаний; напряженное состояние; форма разрушения.
DMITRIIG. KOPANITSA, DSc, Professor, kopanitsa@mail. ru
SERGEIL. KAPARULIN, PhD, A/Professor, skaparulin@mail. ru
ANDREI S. PLYASKIN, Research Assistant, plyaskinandrei@mail. ru ARTEM M. USTINOV, Undergraduate Student, artemustinov@bk. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
EXPERIMENTAL RESEARCH
INTO REINFORCED CONCRETE FRAME
UNDER IMPACT LOAD COLUMN DESTRUCTION
The paper presents design elements and linking joints of the modeled single-span reinforced concrete frame. Geometry and operation of the test unit is described herein. The experimental procedure is shown for the frame model load test of both vertical static load and horizontal im-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. © Д.Г. Копаница, С.Л. Капарулин, А.С. Пляскин, А.М. Устинов, 2013
pact load on beam and column, correspondingly. Accelerograms and power spectral acceleration density of structural oscillations represent the experimental results obtained.
Keywords: reinforced concrete frame; impact; eigen frequency; stress state; destruction.
Проектирование и строительство железобетонных каркасных зданий и сооружений, способных противостоять нагрузкам аварийного характера, является весьма востребованной задачей. Развитие методов расчета, являющихся основой проектных решений, базируется на результатах экспериментальных исследований. Расчет конструкций каркаса на ударно-волновое воздействие в сочетании с действующими статическими нагрузками в трехмерной постановке является непростой задачей. Поэтому для получения данных, обосновывающих расчет модели железобетонной рамы на совместное действие статической и ударной нагрузки, проведены экспериментальные исследования.
Однопролетная рама выполнена из колонн высотой 700 мм и поперечным сечением 50x50 мм с одной консолью для крепления ригеля с размерами поперечного сечения 42x100 мм и длиной 950 мм. В продольном направлении колонна армирована арматурными стержнями диаметром 4 мм класса Вр-500, в поперечном направлении - хомутами из отожжённой холоднотянутой проволоки диаметром 2 мм с шагом 30 мм. Оголовки колонн армированы 4 сетками из проволоки диаметром 1 мм. По торцам устанавливались металлические закладные детали в виде пластин 50*50*5 мм. Армирование ригеля в продольном направлении выполнено четырьмя стержнями диаметром 6 мм класса А-240, в поперечном направлении - хомутами из проволоки диаметром 2 мм.
Узел соединения ригеля с колонной шарнирный. Фиксация рабочего положения несущих элементов осуществляется сварным соединением закладных Г-образных деталей. Узел крепления основания колонны предусмотрен жестким. Для обеспечения условия заделки предусмотрены стальные подстаканники. Конструкции и схемы армирования элементов рамы представлены на рис. 1.
Модели однопролетной рамы изготовлены из цементно-песчаной смеси с соотношением компонентов по массе 1:1,6 (цемент : песок) при водоце-ментном отношении W/C = 0,46. Модуль крупности песка 2,5 мм. Призменная прочность бетона опытных образцов на момент испытания составила 18,1 МПа, кубиковая - 21,3 МПа.
Сосредоточенная вертикальная сила от пружины распределялась траверсой на два металлических цилиндра, находящихся в третях пролета. Величина силы от пружины контролировалась по графику тарировки, показанному на рис. 2, и регулировалась четырьмя болтами, закручивающимися равномерно по направляющим шпилькам.
Горизонтальная ударная нагрузка прикладывалась к внешней поверхности колонны в плоскости рамы. Удар создавался пороховой колонкой ПКУ-1ДУ с массой ударника 0,4 кг и площадью пятна контакта 200 мм2. Использовался пороховой патрон Д-3 с энергоемкостью 600 Дж. Общий вид испытаний показан на рис. 3.
Рис. 1. Конструкции элементов и армирование образца
Регистрация ускорений выполнялась измерительными блоками со встроенными пьезокерамическими датчиками ускорения ADXL-202AQC1 производства USA фирмы ANALOG DIVICE, измеряющими ускорение в двух взаимно-перпендикулярных 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 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 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 проводится посредством персонального компьютера.
3:5
н
п
1,5
Рис. 3. Общий вид испытательного стенда
3,505
3;0 01 3,2
2,3 2'{ Об^^ М
2,0 27 2,1 62,
20 19.5 19 18,5 18 Г ,5 17
Высота пружины, см
Рис. 2. Тарировочный график пружины
Результаты измерений представлены в виде акселерограмм и диаграмм спектральной плотности мощности ускорений колебаний, полученной путем быстрого преобразования Фурье.
Относительные деформации измерялись посредством тензометрических преобразователей типа КФ с базой 20 мм, наклеенных на бетонную поверхность элементов модели рамы. Схема расстановки приборов показана на рис. 4.
„53* Ш
к-
г к
7 г* Щ
М-
i / у
й
ш
№
/
п
JL
B_f
/
J&
Ш
В2
ъ
т
■ %J
/
ЯП
К?
и & ■ щ
к
■h
kU
Рис. 4. Схема расстановки приборов для регистрации относительных деформаций (Т - тензорезисторы) и ускорений (ДУ - акселерометры)
Эксперимент проведен в два этапа. На первом этапе производились статические испытания с измерением частот собственных колебаний рамы по мере увеличения нагрузки на ригель. Ригель рамы был загружен двумя вертикальными сосредоточенными силами, равными 15 кН. Весь процесс нагруже-ния конструкции сопровождался записью данных о деформациях. Если бы колонны рамы были центрально сжаты, то соответствующее этой нагрузке нормальное напряжение в поперечном сечении каждой колонны равнялось бы 6,0 МПа, как, например, в опытах A.M. Ременникова [1, 2]. Между тем измерения относительных деформаций в приопорной части колонн показали, что распределение их по сечению изменялось от 0,2 7оо на внешних поверхностях колонн рамы до 2,6 7оо на внутренних поверхностях колонн, а в сечениях, расположенных в средней части по высоте колонн, наблюдалось равномерное сжатие с напряжением 6,0 МПа.
После стабилизации деформаций выполнялись измерения собственных частот колебаний рамы. Возбуждение колебаний конструкции производилось ударом резиновой киянки. При действии вертикальной статической нагрузки частота собственных колебаний рамы по основному тону равна 48,84 Гц. На рис. 5 приведены спектры мощности колебаний по данным акселерометра ДУ1, установленного на колонне, и спектры мощности колебаний по данным с ДУ2, установленного на ригеле.
q/qm
1,00
0,466 0,333
:
: 1
| 1 1
■
1 1
1
[
г I
" ^ т, [ [
1 1 г
1 1 / 1 д........
/ д
/......1 4 : ........v /
. у 1/ 1 'У!
■ ■ 1 ■ , I т , , 1
/, Гц
а
q/qnl
1,00
0,466
0,2
5
V
V
• I ■ ■ ■ ■, ■ • I ■ ■ ■ ■ I' ■ ] 1 ' I'' ■ ■
37,15 43,25 49,35 55,45 61
55 67.65 Гц
б
Рис. 5. Спектры мощности колебаний рамы под действием статической нагрузки:
а - результаты с датчика ускорения № 1; б - результаты с датчика ускорения № 2
На втором этапе были проведены испытания рамы на поперечный удар по колонне. Ударная нагрузка от пороховой колонки ориентирована под прямым углом к продольной оси колонны в плоскости рамы и прикладывалась в средней по высоте части колонны [3, 4].
Действие удара вызвало местное разрушение колонны с выносом части бетона. Совместное действие удара и статической нагрузки вызвало потерю устойчивости арматуры в зоне разрушения и общие деформации рамы. На рис. 6 показана модель рамы после разрушения колонны. Действие статических сил вызвало наклон рамы в сторону разрушенной колонны.
Рис. 6. Деформированная модель железобетонной рамы от совместного действия статической нагрузки и поперечного удара по колонне
Разрушение колонны привело к снижению частоты собственных колебаний рамы по основному тону до 28,36 Гц. Соответствующие акселерограмма и спектр мощности колебаний рамы в процессе разрушения показаны на рис. 7.
В представленном спектре мощности колебаний модели рамы qmax - максимальное значение мощности колебательного процесса, q/qmax - отношение значений энергетического спектра мощности к его максимальному значению.
Локальное разрушение колонны и деформации всей конструкции привели к снижению частоты собственных колебаний рамы. В большей степени уменьшились нижние частоты. Так, если первая собственная частота рамы
снизилась в 1,5 раза, а вторая - в 1,37 раза, то третья частота уменьшилась лишь на 12 %.
1,00
0,526 0,421
-1 "| 1-гн р™ (—" I I | Г™ I I Г™ Г^
0,53 7,43 14,25 21,43 28,36 35,32 42,38 49,24 56,20 Гц
Рис. 7. Спектры мощности колебаний модели рамы при разрушении колонны поперечным ударом:
а - результаты с датчика ускорения № 1; б - результаты с датчика ускорения № 2
Полученные результаты могут быть использованы для обоснования практического метода расчета железобетонной рамы при одновременном действии статической и ударной нагрузки.
а
Библиографический список
1. Remennikov, A.M. Impact resistance of reinforced concrete columns: experimental studies and design considerations / A.M. Remennikov, S. Kaewunruen // Faculty of Engineering and Information Sciences: University of Wollongong, 2006.
2. Экспериментально-теоретические исследования железобетонных балок на податливых опорах по наклонным сечениям при сейсмических и других динамических нагружени-ях / О.Г. Кумпяк [и др.] // Сейсмическое строительство. Безопасность сооружений. -2013. - № 1. - С. 40-44.
3. Копаница, Д.Г. Экспериментальные исследования моделей железобетонных колонн при ударном воздействии / Д.Г. Копаница, А.С. Пляскин // Вестник ТГАСУ. - 2011. - № 4 -С. 91-96.
4. Пляскин, А.С. Экспериментальные исследования железобетонной рамы при ударном нагружении / А.С. Пляскин // Труды VI Международной конференции студентов и молодых ученых. - Томск : Изд-во ТПУ. - 2009. - С. 813-815.
References
1. Remennikov, A.M., Kaewunruen S. Impact resistance of reinforced concrete columns: experimental studies and design considerations // Faculty of Engineering and Information Sciences: University of Wollongong, 2006.
2. Kumpyak, O.G. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovaniya zhelezobetonnykh balok na po-datlivykh oporakh po naklonnym secheniyam pri seismicheskikh i drugikh dinamicheskikh nagruzheniyakh [Experimental and theoretical studies of concrete reinforced slabs on yielding supports under seismic and dynamic loadings]. Sejsmicheskoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenij. 2013. No. 1. Pp.40-44. (rus)
3. Kopanitsa, D.G., Plyaskin, A.S. Eksperimental'nye issledovaniya modelei zhelezobetonnykh kolonn pri udarnom vozdeistvii [Experimental study of reinforced concrete columns under impact loading]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 4. Pp. 91-96. (rus)
4. Plyaskin, A.S. Eksperimental'nye issledovaniya zhelezobetonnoi ramy pri udarnom nagruzhe-nii [Experimental study of reinforced concrete frame under impact loading]. TPU Publishing House. 2009. Proc. 4th Int. Conf. of Young Researchers. Pp. 813-815. (rus)
