CC BY
20
118
Вестник ТГАСУ №1, 2007
УДК 624.012.3/.4
Н.Н. БЕЛОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,
Д. Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,
Н.Т. ЮГОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,
О. В. КАБАНЦЕВ, канд. техн. наук,
С.Л. КАПАРУЛИН, канд. техн. наук,
А.А. ЮГОВ,
А.Н. ОВЕЧКИНА,
ТГАСУ, Томск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН НА НЕОДНОКРАТНЫЙ ПРОДОЛЬНЫЙ УДАР
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований моделей железобетонных колонн на действие продольного удара. Испытания проведены на копровой установке. Рассмотрены случаи, когда на колонну действует нагрузка от двух и трех последовательно проведенных ударов. Результаты представлены в виде акселлерограмм, спектров мощности колебаний.
В соответствии с нормами [1] интенсивность землетрясения в спектральном методе расчета оценивается величиной горизонтального ускорения основания. Между тем известно [2, 3, 4], что при сильных землетрясениях в качестве сейсмического воздействия в ряде случаев отмечаются не только горизонтальные ускорения основания, но и вертикальные, вызванные взаимными смещениями, сдвигами и разрывами поверхности грунта. Такие виды сейсмических воздействий не нормируются, вследствие чего здания, подвергающиеся указанным воздействиям, не обладают необходимыми в таком случае специфическими резервами несущей способности. На рис. 1 и 2 показаны деформации земной поверхности и разрушение колонн каркаса, вызванные землетрясением 4 октября 1994 г. с магнитудой М = 7,9 балла в пос. Горячие Ключи на острове Итуруп.
В основу сейсмического расчета колонн каркаса на действие вертикальных нагрузок могут быть положены результаты исследований, полученные на моделях. Ниже приведены экспериментальные исследования моделей железобетонных колонн на продольный удар. Рассмотрены случаи, когда на колонну последовательно действует один, два и три продольных ударов. Эксперименты на действие повторных ударных нагрузок проведены на копровой установке.
Энергия удара определялась массой и высотой падения груза и увеличивалась от 800 до 2000 Дж при соответствующей скорости соударения 2,7-3,7 м/с. Всего испытано 20 моделей железобетонных колонн размером 10x10x100 см. Прочность бетона каждой колонны определялась на момент проведения испытаний. Испытанные призмы изготовлены вместе с моделями колонн и хранились в одинаковых с ними условиях. Средняя прочность призм на сжатие составила 18,9 МПа. Для испытаний колонны устанавливались вертикально на стальную пластину толщиной 40 мм. На оголовок колонны устанавливалась стальная плита, воспринимающая удар падающего груза. В плите
© Н.Н. Белов, Д.Г. Копаница, Н.Т. Югов, О.В. Кабанцев, С.Л. Капарулин, А.А. Югов, А.Н. Овечкина, 2007
располагался измерительный блок, регистрирующий ускорения колебаний в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Обработка информации осуществлена приемно-измерительным комплексом в реальном масштабе времени с выводом на персональный компьютер.
Рис. 1. Разрывы и сдвиги дневной поверхности при землетрясении в пос. Горячие Ключи (о. Итуруп)
Рис. 2. Разрушение колонн каркаса здания госпиталя пос. Горячие Ключи (о. Итуруп)
Результаты экспериментов представлены акселлерограммами, спектрами мощности колебаний и формами разрушения колонн для каждого удара. На рис. 3 показаны диаграммы ускорений и спектры мощности колебаний, полученные при энергии удара 800 Дж и скорости на момент соударения 2,7 м/с.
а________________________________________________________________________________________б)
| №2]
2
0 -2
щ
0
10
Iі
14 Я
1 2 1 4 1 6 1 0 1 3 1 2 1 4 1 6 1 0 1 4 1 2 1 4 1 6 1 40 1 5 1 2 1 4
| №21
5 0 -10
-20 -
[тж
И
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 2 2 2 3
1 №2І
0,3-
0,2
0,1
5 0 5 0 5 40
Рис. 3. Акселлерограммы и спектры мощности колебаний колонны при энергии удара
Е = 800 Дж:
а - первый удар; б - второй удар
Из акселлерограмм видно, что продолжительность второго удара значительно превысила длительность первого. В процессе второго удара произошло снижение скорости деформаций и трехкратное увеличение ширины спектра собственных частот колебаний. На рис. 4 приведены фотографии испытанных колонн. Действие первого удара вызвало отколы углов бетона по месту сопряжения основания колонны с опорной стальной плитой. Второй удар разрушил основание, защитный слой бетона осыпался, а в бетоне, заключенном между продольными рабочими стержнями, появились многочисленные пронизывающие трещины. Второй удар не вызвал потери устойчивости рабочей арматуры. Верхняя часть колонны повреждения не получила.
Рис. 4. Основание колонны, разрушенной ударом с энергией Е = 800 Дж: а - первый удар; б - второй удар
На рис. 5 приведены диаграммы ускорений и спектр мощности колебаний колонн, полученные при энергии удара 1400 Дж и скорости на момент соударения 3,2 м/с. Испытания показали, что уже при первом ударе произошло разрушение бетона оголовка колонны. Спектры колебаний для каждого из двух ударов практически одинаковы. Формы разрушения показаны на рис. 6. Первый удар вызвал откол бетона от рабочей арматуры и появление трещин в ее окрестности. Второй удар разрушил бетон и вызвал потерю устойчивости рабочей арматуры с выгибом ее на внешнюю сторону.
а)____________________________________________________________________________________, б)
| №~|
2 -2 1 |
:
— -
74 1 76 1 78 1 8 1 02 1 04 1 * 1 9 1 92 1 94 1 Ой 1 2 02 2 04 2 53 2 В 2 1 2 ,12
| №2 |
| №21
0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 15 0, 0,05
і 0 5 3 0 3 і 0
45
35
25
05
41
Рис. 5. Акселлерограммы и спектры мощности колебаний колонны при энергии удара Е = 1400 Дж:
а - первый удар; б - второй удар
Рис. 6. Разрушение оголовка колонны, энергия удара Е = 1400 Дж: а - после первого удара; б - после второго удара
Рассмотрим диаграммы ускорений и спектр мощности колебаний колонны, полученные при энергии удара 2000 Дж и скорости на момент соударения 3,7 м/с.
а)_
Г № |
ПІІ
-
—
-
~
97 1 8 1 99 2 1 2 02 2 03 14 2 05 06 2 17 2 08 2 19 1 2 1 2 2 2 3 2 4 2 1'
б!
| №~|
0,0В
-
...
5
Рис. 7. Акселлерограммы и спектры мощности колебаний колонны при энергии удара Е = 2000 Дж:
а - первый удар; б - второй удар
45
35
25
На рис. 7, а продолжительность полупериода 0,04 с, соответствующая длительность удара равна 0,08 с. При амплитуде ускорений 3,8 м/с2 скорость деформаций колонны достигла 1,5 м/с. На рис. 7, б продолжительность полупе-
риода 0,12 с. Соответствующая длительность удара равна 0,24 с. При амплитуде ускорений 32 м/с2 скорость деформаций колонны увеличилась до 2,56 м/с. Таким образом, период ускорений в процессе второго удара увеличился по сравнению с периодом первого удара с 0,08 до 0,24 с. При этом скорость деформаций колонны увеличилась с 1,5 до 2,56 м/с.
Соответствующая картина разрушения показана на рис. 8. После первого удара произошел откол защитного слоя арматуры и появились микротрещины в ее окрестности в нижней части колонны (рис. 8, а). Действие второго удара выбило бетон основания, в результате чего рабочие стержни потеряли устойчивость.
Рис. 8. Разрушение колонны, энергия удара Е = 2000 Дж: а - после первого удара; б - после второго удара
На следующем этапе были проведены испытания колонн на действие трех последовательно проведенных ударов.
Учитывая опыт предыдущих экспериментов и результаты расчетов, энергия падающего груза на момент соприкосновения с оголовком колонны равнялась 1000 Дж. В процессе первого и второго ударов частоты собственных колебаний колонны практически не изменились (рис. 9, а, б). Первый удар вызвал откол защитного слоя на одной плоскости оголовка колонны. На спектре колебаний видна реакция колонны на частоте 8 Гц.
Соответствующие скорости деформаций снизились на порядок. Разрушение бетона сопровождалось значительным расширением спектра колебаний. Полученные формы разрушения показаны на рис. 8. Разрушению подверглась лишь верхняя часть колонны. От первого удара произошел откол бетона оголовка. Второй удар разрушил защитный слой арматуры на 1/6 высоты колонны. В бетоне появились сквозные трещины. Деформации арматуры происходили в диапазоне ее упругой работы. В результате третьего удара бетон оголовка был разрушен.
Г~№П
—
—
■^1 Ж К
10 1 5 20 25 30 35 (1
Рис. 9. Акселлерограммы и спектры мощности колебаний колонны при энергии удара Е = 1000 Дж:
а - первый удар; б - второй удар; в - третий удар
Рис. 10. Разрушение колонны, энергия удара Е = 1000 Дж: а - первый удар; б - второй удар; в - третий удар
Разрушение произошло на втором ударе. Этому соответствует завал спектра на первой частоте собственных колебаний. Третий удар разрушил оголовок колонны. Разрушение произошло на нижних частотах. Соответствующие формы разрушения показаны на рис. 10. Бетон оголовка разрушен. Рабочая арматура потеряла устойчивость, стержни выгнулись наружу.
Результаты экспериментов показали, что нагрузка на колонну действовала по двум основным схемам. Согласно первой схеме удар действовал вдоль центральной продольной оси (центральный продольный удар). По второй схеме удар проводился под углом к продольной центральной оси (косой удар).
Угол косого удара изменялся в пределах 5-24°. Все колонны были доведены до разрушения.
Действие центрального удара вызывало практически одновременное разрушение оголовка и основания колонн. Разрушение происходило на нижних частотах спектра колебаний по первой и второй форме. Косой удар вызывал отклик колонны на более высоких формах колебаний с преобладанием в спектре верхних частот.
Продолжительность действия нагрузки каждого последующего удара по отношению к предыдущему возрастала кратно. При этом соответствующие скорости деформаций снижались, а спектр собственных частот колебаний расширялся.
При нагрузках, вызывающих разрушение с первого удара, частотный спектр колебаний колонны сужался в область нижних частот, ограниченных первой и второй формами колебаний.
Все испытанные колонны получили разрушение бетона оголовка или основания с потерей устойчивости продольной рабочей арматуры. Частота первой формы колебаний для рассматриваемых колонн находилась в пределах 7,5-8,2 Гц. В результате первого удара во всех случаях происходило разрушение внутренних связей колонн и расширение полосы спектра частот, отражающего появление новых более высоких форм колебаний. В поперечном направлении спектр колебаний во всех испытаниях был шире. Из этого можно сделать вывод, что разрушение колонн происходило с образованием продольных трещин. Причем разрушение связей и появление более высоких форм колебаний от удара к удару происходило быстрее.
Библиографический список
1. СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах / Госстрой России. - М. : ГУП ЦПП,2000. - 44 с. + прил.2: 10 карт.
2. Макросейсмический эффект землетрясения 4 октября 1994 г. на островах Итуруп, Ку-нашир, Шикотан / О.В. Кабанцев // Экспресс-информация ВНИИИС Госстроя СССР. Серия 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. - М., 1995. - Вып. 4. - С. 7-11.
3. Kabantsev, O.V. October 1994 Shikotan Earthquake: Damage To Buildings Related To Tectonic Situation Of Constraction Site / O.V. Kabantsev, N.I. Frolova // Eighth International Conference On Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Istanbul, Turkey, July 20-24, 1997. Volume of Extended Abstracts / Edited By A.S. Cakmak, M. Erdik, E. Durukal. -P. 307.
4. Lobatskaya, R.M. Felt Effects In Relation To The Development Of The Interfault Spase / R.M. Lobatskaya, G.L. Koff, V.A. Kozlov, O.V. Kabantsev // Eleventh World Conference On Earthquake Engineering. Acapulco, Mexico, June 23-28, 1996. Paper № 1621.
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
