CC BY
38
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.072.2/.7:624.042.7.001.5
КУМПЯК ОЛЕГ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, ogkumpjak@rambler. ru
КОКОРИН ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ, аспирант, kokorin@vtomske. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПО НАКЛОННЫМ СЕЧЕНИЯМ
ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
В статье представлены результаты экспериментальных исследований железобетонных балок на опорах с различной жесткостью при поперечном статическом и кратковременном динамическом нагружении. Рассматривается сопротивление конструкций по наклонным сечениям при разном пролёте среза.
Ключевые слова: динамическая нагрузка, железобетонные конструкции, податливые опоры.
KUMPYAK, OLEG GRIGORYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., ogkumpjak@rambler. ru KOKORIN, DENIS NIKOLAYEVICH, P. G., kokorin@vtomske. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH OF REINFORCED CONCRETE BEAMS BASED ON COMPLAINT SUPPORTS UNDER SHORT-TIME LOADING IN CASE OF SHEAR CRACKS
The results of experimental research of reinforced concrete beams based on supports with different rigidity at static and short-time dynamic loading are given in the article. The resistance of structures along inclined sections at different span of shear is considered.
Keywords: dynamic loading, reinforced concrete structures, compliant supports.
© О. Г. Кумпяк, Д. Н. Кокорин, 2011
В работах ряда зарубежных и отечественных авторов указана возможность применения в качестве активных устройств для защиты конструкций от интенсивных динамических нагрузок податливых опор в виде сминаемых вставок кольцевого сечения. Исследованы сминаемые вставки различного сечения, материала (стальные, алюминиевые, медные) при статическом нагружении опор. При работе опоры в упругой стадии наблюдается линейная зависимость между деформацией и нагрузкой. В упругопластической стадии работы образуются пластические шарниры в зонах максимальных моментов. При работе вставки в упругопластической стадии с отвердением в предельном состоянии полностью выбираются прочностные и деформативные свойства материала (рис. 1, 2) [1, 2].
а б в
Рис. 1. Механизм деформирования сминаемой вставки кольцевого сечения: упругая стадия (а); упругопластическая (б); упругопластическая с отвердением (в)
упругая
упруго пластическая
упругопластическая с отвердением
Рис. 2. Диаграмма деформирования сминаемых вставок
В лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета проведены исследования, цель которых - выявление эффекта податливости опор на несущую способность железобетонных изгибаемых балок по наклонному сече-
нию при действии кратковременной динамической нагрузки. Для решения данной задачи на начальном этапе экспериментально изучался вопрос оценки энергопоглощения опор. Выполнены испытания сминаемых вставок на статические и кратковременные динамические нагрузки. Программа экспериментальных исследований представлена в таблице, рис. 7.
Программа экспериментальных исследований сминаемых вставок
Характеристика вставки Сминаемая вставка, внутренний диаметр 25,4 мм, толщина стенки 3,2 мм
Вид испытаний Статические испытания Динамические испытания
Схема приложения нагрузки ЇІ "П'Г * Ш
Длина, мм 20 40 80 120 20 40 60 80 2x20 2x40
Количество 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2
Статические испытания проводились на экспериментальной установке ГК8ТЯОК-3382. Нагружение проводилось в режиме постоянной скорости 200 мм/мин. Величина действующей нагрузки и деформация сминаемой вставки регистрировались в автоматическом режиме.
Цель статических испытаний сминаемых вставок заключалась в выявлении «упругой», «упругопластической» и «упругопластической с отвердением» стадий работы при различной длине экспериментальных образцов.
В процессе проведенного эксперимента получены диаграммы деформирования сминаемых вставок при статическом нагружении (рис. 3).
Деформации, мм
Рис. 3. Диаграммы сжатия сминаемых вставок при статическом нагружении длиной: 20 мм (1); 40 мм (2); 80 мм (3); 120 мм (4)
Полученные диаграммы указывают на одинаковый характер сопротивления сминаемых вставок независимо от длины.
С учётом результатов статических испытаний разработана и реализована программа экспериментальных исследований сминаемых вставок при кратковременном динамическом нагружении.
Опытные образцы выполнены таким образом, чтобы они сработали в упругопластической стадии и упругопластической с отвердением. Это сделано для того, чтобы выявить оптимальную податливость вставки (наибольшее энергопоглощение) для данной стадии работы.
Масса и высота падения груза определялись несущей способностью экспериментальных железобетонных балок. Время действия нагрузки изменялось в диапазоне 13-29 мс. По скорости воздействия данное кратковременное динамическое нагружение относится к динамическому воздействию, наиболее часто встречающемуся в промышленном и гражданском строительстве.
Фиксация величины динамической нагрузки и времени её действия производилась посредством предварительно протарированного силомера ДСТ-4126.
Стенд для динамического испытания вставок представлен на рис. 4.
Рис. 4. Испытательный стенд сминаемых вставок на кратковременное динамическое нагружение:
1 - металлическая сминаемая вставка; 2 - силоизмеритель ДСТ-4126; 3 - металлические пластины; 4 - демпфирующие прокладки; 5 - тяги винтовые; 6 - силовой пол; 7 - сбрасываемый груз
Анализ опытных данных показывает, что максимальное снижение пика динамической нагрузки зафиксировано для сминаемых вставок длиной 80 мм (49,5 %) (рис. 5). Вставки сработали в упругопластической области (см. рис. 1, 2). Заметно и незначительное снижение времени действия нагрузки для данных
вставок в сравнении со вставками, полностью исчерпавшими свой ресурс (стадия упругопластическая с отвердением, длины 20, 40, 60 мм). По совокупности признаков (максимальное снижение величины динамической нагрузки и времени ее действия) можно сделать предположение, что сминаемые вставки с податливостью в упругопластической стадии являются наиболее оптимальными с точки зрения максимальной сохранности конструкции при кратковременном динамическом нагружении.
о, от
0,013672 412; 4К 0,01563 4ТГ-
Рис. 5. Реакция сминаемых вставок при динамическом нагружении:
жёсткая опора (1); вставка длиной: 20 мм (2); 40 мм (3); 60 мм (4); 80мм (5)
С использованием полученных результатов опытных исследований сминаемых вставок разработана и реализована программа экспериментальных исследований железобетонных балок. Программа включала проектирование и изготовление трёх серий образцов (по 7 в каждой серии) (рис. 6). Для каждой серии опытных конструкций менялись величина пролета среза и условия работы податливых устройств. Приняты образцы прямоугольного сечения размером 100x200 мм и длиной 2000 мм. Например, образец, поименованный БС-1: балка (Б), испытанная при статическом приложении нагрузки (С), первой серии. Или образец БДУ-3: балка (Б), испытанная на динамическое нагружение (Д), на податливых опорах, сработавших упруго (У), третьей серии. Величина пролёта среза (а) для каждой серии балок представлена на рис. 7. Армирование нижней (растянутой) зоны опытных конструкций осуществлялось двумя стержнями диаметром 18 мм из стали А-111 (2018А-111) цз = 2,54 %, верхней (сжатой) зоны 206А-1 цз ' = 0,51 %. Поперечное армирование в приопорной зоне (зоне среза) выполнено из вязаных хомутов 203Вр-1 цзж = 0,28 % (с02= 620 МПа), с шагом 50 мм.
Рис. 6. Программа экспериментальных исследований железобетонных балок по наклонному сечению на податливых опорах при статическом и кратковременном динамическом нагружении
Рис. 7. Схемы приложения нагрузки и расстановки тензорезисторов на образцах
После изготовления арматурных каркасов на стержни поперечной арматуры наклеивались тензорезисторы.
Набор прочности бетоном опытных образцов осуществлялся в естественных температурно-влажностных условиях. Кубиковая прочность бетона определялась спустя 28 сут. При этом опытная кубиковая прочность бетона соответствовала классу бетона по прочности на осевое сжатие В20.
Для определения прочностных и деформативных характеристик арматуры были проведены испытания стали на растяжение на разрывной машине INSTRON-3382 (рис. 8). После испытаний обыкновенной арматурной проволоки класса Вр-1 была получена диаграмма деформирования стали и установлены её основные физико-механические параметры а0 2 и ав (рис. 9).
В процессе динамических испытаний на экспериментальные образцы дополнительно крепились датчики ускорений (акселерометры). Величину действующей динамической нагрузки измеряли по показанию динамометра (силомера).
Рис. 8. Испытание арматуры Вр-1 Рис. 9. Диаграмма а - є арматуры Вр-1 при
на разрывной машине МЕТКОМ- растяжении
3382
Показания тензорезисторов на бетоне и арматуре, датчиков перемещений и датчиков опорных реакций при испытаниях регистрировали с помощью измерительно-вычислительного комплекса МІС-400.
Стенд для динамических испытаний реализован на основе технических решений, на которые получены патенты РФ [3, 4].
После установки балки на опоры на конструкцию устанавливалась распределительная траверса, на которую, в свою очередь, крепился динамометр. Сверху на динамометр укладывались резиновые демпфирующие прокладки для создания необходимого времени действия кратковременной динамической нагрузки (0,030-0,033 с).
Груз сбрасывался на опытный образец с высоты 650 мм массой 385 кг и представлял собой пакет стальных пластин, туго стянутых между собой болтами. Сбрасывание происходило при помощи автоматического грузо-сбрасывателя.
Анализ опытных данных показал, что при статическом нагружении, независимо от пролёта среза, сопротивление приопорной зоны конструкции происходит более пластично, чем при динамическом нагружении образцов на неподатливых опорах. В обоих случаях формируется магистральная трещина, развивающаяся от опоры к участку приложения нагрузки. Однако при статическом нагружении магистральная трещина проявляется в предельной стадии, а в процессе поэтапного нагружения образца образуется сеть мелких наклонных трещин, что характеризует более пластичную работу приопорной зоны балки (рис. 10, 11, а).
Рис. 10. Схемы разрушения и образования трещин в наклонных сечениях образцов, испытанных на статическую нагрузку
зио
БДП-Ц1)
2Ьо
Рис. 11. Схемы разрушения и образования трещин образцов, испытанных на динамическую нагрузку:
а - на неподатливых опорах; б - на упругоподатливых опорах; в - на опорах в упругопластической стадии с отвердением; г - на опорах в упругопластической стадии
г
Характер напряженно-деформированного состояния приопорных зон балок на податливых опорах при динамическом нагружении близок к статическому. При этом критическая трещина идёт не по кратчайшему пути от опоры до груза, а формируется сеть наклонных трещин, в работу включается значительная часть приопорной зоны балки. При этом, чем выше податливость опоры, тем более пластично сопротивление конструкции по наклонному сечению (рис. 11, б, в, г).
Также необходимо отметить, что с увеличением податливости опоры при одной и той же динамической нагрузке разрушение конструкции значительно меньше, при этом магистральная трещина не успевает сформироваться, а ширина раскрытия наклонных трещин не превышает 0,2 мм.
На рис. 12, а-в и рис. 13-16 приведены опорные реакции балок и диаграммы деформирования поперечной арматуры и бетона наклонного сечения, подтверждающие описанный характер их динамического сопротивления. Чем выше податливость опоры (балки БДО и БДИ), тем меньше реакция системы и выше длительность действия нагрузки. То есть условия работы системы (конструкция - податливая опора) более благоприятны. С увеличением пролёта среза наблюдается снижение динамической реакции образца и увеличение времени действия нагрузки.
Максимальная сохранность балок и минимальный общий уровень напряжений зафиксированы у балок на податливых опорах в упругопластической стадии деформирования и упругопластической с отвердением.
Описанный характер динамического сопротивления балок подтверждается развитием деформаций в поперечной арматуре и бетоне наклонного сечения. Анализ сопротивления наклонного сечения балок первой серии, БД-1 (рис. 13), показывает, что деформации конструкции начинаются со сжатой зоны бетона (тензорезисторы Т11, Т12), далее с запаздыванием более чем на
0,01 с проявляются деформации растяжения в нижней части хомутов (тензорезисторы ТЗ, Т5) и бетона растянутой зоны (тензорезисторы Т14, Т15). Затем происходит дальнейшее развитие деформаций хомутов, которые пересекает наклонная трещина (тензорезисторы Т13, Т9, Т1). При этом деформации в хомутах, пересекающих наклонную трещину, превысили 0,0028 е.о.д. Ширина раскрытия трещины в бетоне превысила 0,4 мм. При анализе характера деформирования балки БДО-1 (первая балка) (рис. 15) выявлено, что время запаздывания деформаций поперечной арматуры в 1,5 раза выше, чем у БД-1, а средний уровень напряжений в поперечной арматуре ниже более чем в 2 раза. Тензорезисторы, регистрирующие растягивающие деформации бетона (Т 13-Т 15), показали близкие к нулю значения, что говорит об отсутствии (или незначительном значении) растягивающих усилий в бетоне наклонного сечения. Наклонных трещин в балке, испытанной на податливых опорах, не установлено (см. рис. 6, БДО-1, первая балка). Деформации арматуры и бетона в наклонном сечении балки БДП-1 (первая балка) (рис. 16) оказались наименьшими по сравнению с другими элементами. Средняя разница между уровнем напряжений в поперечной арматуре на 10 % ниже, чем у БДО-1 (первая балка). В данной конструкции также отсутствуют наклонные трещины. Этот эффект объясняется тем, что при неподатливом опирании энергия дина-
мического воздействия целиком воспринимается железобетонной балкой. В случае использования податливых опор, значительная часть удара поглощается за счет их деформации. У балок на податливых опорах в упругопластической стадии энергопоглощение опор выше в сравнении с работой опоры в упругопластической стадии с отвердением. За счет этого и достигается минимальный уровень напряжений в наклонном сечении балок на податливых опорах в упругопластической стадии.
а
б
в
Рис. 12. Опорные реакции балок, испытанных на кратковременную динамическую нагрузку:
а - пролёт среза 340 мм; б - пролёт среза 510 мм; в - пролет среза 170 мм
Рис. 13. Диаграмма развития нагрузки и деформации арматуры и бетона наклонного сечения балки, испытанной на динамическую нагрузку на неподатливых опорах (см. совместно с рис. 11, а, БД-1)
Рис. 14. Диаграмма развития нагрузки и деформации арматуры и бетона наклонного сечения балки, испытанной на динамическую нагрузку на податливых опорах, сработавших упруго (см. совместно с рис. 11, б, БДУ-1)
Экспериментальные исследования предложенных сминаемых вставок позволили оценить их энергопоглощение, которое характеризуется величиной реакции системы и временем действия нагрузки. Наиболее высокое энергопоглощение выявлено у сминаемых вставок, сработавших в упругопластической области. Для балок на податливых опорах с упругопластическим характером работы опор снижение пика реакции системы составило 49,5 % по сравнению
с образцами на неподатливых опорах. Снижение опорных реакций для балок первой и второй серий в среднем составило 37 % (рис. 11, а, б). В соответствии с этим максимальную сохранность динамической несущей способности показали балки первой и третьей серий, испытанные на податливых опорах, сработавших в упругопластической и упругопластической стадии с отвердением.
БДО-1(1)
Рис. 15. Диаграмма развития нагрузки и деформации арматуры и бетона наклонного сечения балки, испытанной на динамическую нагрузку на податливых опорах, сработавших упругопластически с отвердением (см. совместно с рис. 11, в,
БДО-1 (1))
БДП-1(1)
Рис. 16. Диаграмма развития нагрузки и деформации арматуры и бетона наклонного сечения балки, испытанной на динамическую нагрузку на податливых опорах, сработавших упругопластически (см. совместно с рис. 11, г, БДП-1 (1))
Для балок, испытанных на упруго податливых опорах, зафиксировано снижение опорных реакций в среднем на 26 %. Также выявлен факт наличия «восстанавливающей силы». Это в достаточно явном виде наблюдается при сравнительном анализе деформаций поперечной арматуры балок на неподатливых и упруго податливых опорах. Как видно у образца на неподатливых опорах (рис. 17, а), развитие деформаций поперечной арматуры происходит в одном направлении (от зоны приложения нагрузки к опоре). У образца на податливых опорах, сработавших упруго (рис. 17, б), начиная с момента времени Дґ = 0,0223 с, деформации стержня № 4 более высокие, чем у стержня № 5. На последующих этапах времени деформации в стержнях постепенно выравниваются между собой. Данный характер развития деформаций может говорить о дополнительном источнике динамического воздействия, находящемся в зоне опирания балки. Этим источником дополнительного динамического воздействия может быть восстанавливающая сила, которая возникает при упругой работе сминаемой вставки в процессе «возвращения» опоры в исходное состояние. Общий характер трещинообразования балок, испытанных на податливых опорах, сработавших упруго, также позволяет сделать вывод о наличии восстанавливающей силы, возникающей в конструкции.
її 2| Зі 4| 5 6і 7 8| 9| 10
\Рт | ї= 0,021с
777^
Ы 0,0138с
2, Зі 4 5і 6і 7 8 9і 10
777^
Ы 0,015 с
2, 3| 4 5 6| 7 8 9| 10
21 31 41 5 | () | 7 | N
Рм
777А
\Рм < ї= 0,0223с
3. 4, 5і 6. 7 8. 9, 10
Рм
77^\
УРм 1-= 0,026с
2| Зі 4| 5| 61 71 8| 9| 10
Л
Рм
б
а
Рис. 17. Развитие деформаций поперечной арматуры во времени при динамическом нагружении балок второй серии:
а - балка на неподатливых опорах; б - балка на упруго податливых опорах
Экспериментально установлено, что при кратковременном динамическом воздействии наблюдается запаздывание развития деформаций бетона и поперечной арматуры в наклонном сечении балки относительно действующей нагрузки. Причем снижение жесткости опорных устройств увеличивает время запаздывания деформаций (см. рис. 13-16), то есть включение в работу наклонного сечения балки происходит на более позднем этапе.
Библиографический список
1. Саид, А.Р.А. Повышение несущей способности железобетонных конструкций при взрывных воздействиях : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1995. - 25 с.
2. Кумпяк, О.Г. Исследование сжатых железобетонных балок на податливых опорах при поперечном кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, А.В. Педиков // Вестник Томского гос. архит.-строит. ун-та. - № 1. - 2007. - С. 136-145.
3. Стенд для испытания железобетонных элементов на динамический изгиб: пат. на ПМ № 85233 Рос. Федерация / О.Г. Кумпяк, Г.И. Однокопылов, А.В. Педиков, Д.Н. Кокорин; зарегистрирован 27.06.2009.
4. Стенд для испытания железобетонных элементов на динамический изгиб с податливыми опорами: пат. на ПМ № 92537 Рос. Федерация / О.Г. Кумпяк, Г.И. Однокопылов, Д.Н. Кокорин; зарегистрирован 20.03.2010.
