CC BY
16
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 624.012.042.8.001.2 Б01: 10.31675/1607-1859-2021-23-3-109-117
Г.И. ОДНОКОПЫЛОВ1, З.Р. ГАЛЯУТДИНОВ2, В.Б. МАКСИМОВ3, 1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
2Томский государственный архитектурно-строительный университет, 3Международный телематический университет УНИНЕТТУНО
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Представлены результаты экспериментальных исследований прочности и деформа-тивности железобетонных плит, опертых по контуру на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении. В качестве податливых опор рассмотрены сминаемые вставки кольцевого сечения, деформирующиеся в упругой стадии, пластической и стадии отвердения.
Выполнена оценка изменения перемещений, скоростей и ускорений в зависимости от стадии деформирования податливых опор.
По результатам выполненных исследований железобетонных плит показана высокая эффективность применения податливых опор рассматриваемого типа. Применение податливых опор привело к значительному снижению перемещений конструкции и, соответственно, усилий и напряжений.
Ключевые слова: железобетонные плиты; опертые по контуру; кратковременная динамическая нагрузка; податливая опора; упругая стадия; упругопла-стическая стадия; стадия отвердения; перемещение; скорость; ускорение; испытания.
Для цитирования: Однокопылов Г.И., Галяутдинов З.Р., Максимов В.Б. Экспериментальные исследования железобетонных плит на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т. 23. № 3. С. 109-117. Б01: 10.31675/1607-1859-2021-23-3-109-117
© Однокопылов Г.И., Галяутдинов З.Р., Максимов В.Б., 2021
G.I. ODNOKOPYLOV1, Z.R. GALYAUTDINOV2, V.B. MAKSIMOV3, 'National Research Tomsk Polytechnic University, 2Tomsk State University of Architecture and Building, 3International Telematic University UNINETTUNO
REINFORCED CONCRETE SLABS ON YIELDING SUPPORTS UNDER DYNAMIC LOAD
The paper presents the experimental results of strength and defoimability of reinforced concrete slabs on yielding supports arranged along the perimeter under the dynamic loading. Crushable ring-shaped inserts deforming at the elastic, plastic and curing stages are considered as yielding supports. The displacement, velocity and acceleration are evaluated depending on the deformation stage of yielding supports. The high efficiency is shown for the use of yielding supports, which leads to a significant reduction in the structure displacement, strain, and stress.
Keywords: reinforced concrete slabs; dynamic load; yielding support; elastic stage; elastoplastic stage; hardening; moving; speed; acceleration; testing.
For citation: Odnokopylov G.I., Galyautdinov Z.R., Maksimov V.B. Eksperi-mental''nye issledovaniya zhelezobetonnykh plit na podatlivykh oporakh pri kratkov-remennom dinamicheskom nagruzhenii [Reinforced concrete slabs on yielding supports under dynamic load]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta - Journal of Construction and Architecture. 2021. V. 23. No. 3. Pp. 109-117.
DOI: 10.31675/1607-1859-2021-23-3-109-117
Кратковременные динамические нагрузки, возникающие при взрывных воздействиях различного рода (детонация газо-, паро-, пылевоздушных смесей, воздействие средств поражения), могут приводить к разрушению несущих конструкций, крупному материальному ущербу и гибели людей. Вследствие высокой интенсивности указанных нагрузок применение традиционных методов проектирования конструкций, основанных на принципе полного восприятия динамического воздействия, приводит к значительным материальным и трудовым затратам. В настоящее время все большее развитие получают активные способы защиты конструкций, обеспечивающие снижение интенсивности динамической нагрузки. Исследования железобетонных балок [1-7] показывают, что степень уменьшения амплитуды динамической нагрузки зависит от стадии деформирования податливой опоры. Наибольшее снижение происходит при деформировании податливой опоры в пластической стадии. Для оценки влияния вертикальной податливости опор на усилия и перемещения опертых по контуру железобетонных плит проведены их экспериментальные исследования, результаты которых приведены в настоящей статье.
Экспериментальные исследования выполнены на моделях плит из бетона класса B20 размерами в плане 1500*1000 мм и толщиной 40 мм. Опытные образцы армированы плоской сеткой из арматуры 04 класса Вр500 с размерами ячейки 100*100 мм. Жесткое опирание плиты реализовывалось при помощи роликовых и шаровых опор. В качестве податливых опор использованы трубы наружным диаметром 42,8 мм и толщиной стенки 3,2 мм. Жесткость опор и, соответственно, стадия их деформирования регулировались длиной вставки кольцевого сечения [8].
Для регистрации показаний деформаций бетона и арматуры, перемещений и ускорений на опытные образцы установлен комплекс измерительных приборов. Фиксация и обработка регистрационных данных осуществлялись с использованием информационно-вычислительных комплексов MIC300M и MIC400D [9].
Измерения показаний тензорезисторов, датчиков перемещений и сило-измерительных датчиков обеспечивалось ИВК MIC400D по 64 каналам с частотами 80...7000 Гц. Измерения фиксировались с разрешением 16 двоичных разрядов (216 = 65 536 уровней измерений). ИВК MIC400D позволяет использовать четвертьмостовую, полумостовую и мостовую схемы измерений с номиналом 100.5000 Ом. Измерение показаний акселерометров обеспечивалось ИВК MIC300M по 16 каналам с частотой 64 000 Гц.
Синхронизация процесса измерений при динамических испытаниях обеспечивалась за счет последовательного включения ИВК MIC400D и MIC300M с последующим сбрасыванием испытательного груза (рис. 1). Первоначальные данные, полученные в процессе динамического нагружения, фиксировались информационно-вычислительными комплексами и впоследствии обрабатывались в программах Winpos, Excel и др.
Рис. 1. Схема подключения испытательного оборудования при динамическом нагружении
Реакция системы определяется по показаниям датчиков давления и представляет собой обобщенную характеристику сопротивления конструкции внешнему динамическому воздействию. Схема распределения опорной реакции во времени представлена на рис. 2.
Время, с
Рис. 2. Изменение реакции системы во времени для плит на жестких (1) и податливых опорах, сработавших в пластической стадии (2) и стадии отвердения (3)
Анализ опытных зависимостей показывает, что применение податливых опор приводит к снижению реакции системы на 22,5 и 47,4 % соответственно для плит, опоры которых сработали в упругопластической и упругопластиче-ской с отвердением стадиях, и увеличению времени динамического сопротивления конструкции на 11,4 и 29,8 % (рис. 2).
Для анализа перемещений плит рассмотрим пять сечений, проходящих через датчики перемещений и ускорений (рис. 3). Перемещения центральной зоны плиты принимаются по показаниям прогибомеров ДП- 1...Д11-4. Помимо показаний прогибомеров, дополнительно, для определения перемещений, использованы показания датчиков ускорений ДУ-3 и ДУ-6. Перемещения в данном случае определены путем двойного интегрирования ускорений, измеренных в процессе испытаний.
Анализ перемещений плит на жестких и упругих податливых опорах показывает, что использование податливых опор, деформирующихся в упругой стадии, приводит к незначительному увеличению прогибов плит в средних сечениях 1-1 и 3-3 (рис. 4). В остальных сечениях перемещения незначительно ниже либо практически равны. Применение податливых опор, деформирующихся в упругопластической стадии и стадии отвердения, приводит к значительному снижению прогибов конструкции (рис. 5). Из представленных графиков видно, что в центральной части плит суммарные перемещения с учетом деформаций опор практически соизмеримы с перемещениями плит на жестких опорах. Однако действительные прогибы конструкции (за выче-
том деформаций опор) значительно меньше прогибов плит на жестких опорах во всех рассматриваемых сечениях. При этом основная часть прогибов обусловлена перемещениями плиты как жесткого тела.
Рис. 3. Схема расстановки датчиков ускорений и перемещений
б
а. _оп----
100 200 300 400 500 600 700 800 Координата х, мм
-30
% I I I к! I ^___и- 1 1 Л/ ___// 1А — 1 1 1 | 1 1
! ^ ч= г 1 X" 1 —■-1
1 г*ч _1____ЦС 1
1 \/ ! З-З^Г ___ . I N. 1
1 1 1 т . 1 7 X* чЧ
1 1 ,4-4 А ^ N
---- Л____1__ 1 —- --Ч-— 1
- 1 огюрах
- — - плита на упругих податливых опорах 1 1 1
3 -15
о. _20------г----,---
-25----
100
200 300 400 Координата у, мм
500
600
Рис. 4. Перемещения плит на жестких (а) и упругих податливых (б) опорах
б "
-51
400 500 600 700 800
Координата х, мм
упругопластических опорах с отвердением
200 300 400 Координата у, мм
а
а
Рис. 5. Перемещения плит на жестких и податливых опорах, сработавших в упругопла-стической стадии (а) и стадии отвердения (б)
Также можно отметить, что действительные перемещения плит уменьшаются с увеличением величины деформаций опор в пластической стадии (рис. 5). Так, в сечении 1-1 при пластических деформациях опоры ~ 16 мм максимальный прогиб в центре плиты составляет ~ 8 мм. В то же время при пластической деформации опоры на 23 мм прогиб плиты составляет всего 2,3 мм.
Значения ускорений плит на жестких и упругих податливых опорах представлены на рис. 6. Из графиков видно, что в плитах на жестких опорах при однократном динамическом нагружении происходит один период колебаний с максимальной амплитудой, после чего наблюдается резкое затухание ускорений. Для плит на упругих податливых опорах колебательный процесс с максимальными амплитудами протекает более длительное время, которое составляет 2,5 периода, после чего начинается процесс затухания. Величина ускорений в плитах на упругих податливых опорах ниже на 25.40 %, при этом период колебаний незначительно выше.
Рис. 6. Ускорения плит на жестких и упругих податливых опорах:
а - по показаниям акселерометра ДУ-1; б - по показаниям акселерометра ДУ-4
Изменение ускорений во времени для плит на податливых опорах, деформирующихся в упругопластической стадии и стадии отвердения, аналогично характеру изменения ускорений плит на жестких опорах. При этом амплитуда ускорений плит на податливых опорах больше амплитуды ускорений плит на жестких опорах на 24 % в центре плиты и на 17 и 33 % по месту установки датчика ускорений ДУ-4 (рис. 7). Более высокий уровень ускорений плит на податливых опорах связан с низким сопротивлением внешнему динамическому воздействию на опорном контуре при деформировании опор в пластической стадии. Рост ускорений плит на податливых опорах приводит к увеличению сил инерции, оказывающих сопротивление движению плиты, что, соответственно, ведет к снижению перемещений и деформаций конструкции.
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования позволили подтвердить полученные ранее теоретические результаты [10, 11], свидетельствующие, что применение податливых опор, работающих только в упругой стадии, в опертых по контуру плитах при кратковременном динамическом нагружении, оказывает отрицательное влияние на деформирование
конструкции, выражающееся в росте перемещений и деформаций бетона и арматуры по сравнению с плитами на жестких опорах.
Время, с Время, с
Рис. 7. Ускорения плит на жестких и податливых опорах, сработавших в упругопласти-ческой стадии и стадии отвердения:
а - по показаниям акселерометра ДУ-1; б - по показаниям акселерометра ДУ-4
Также экспериментально подтверждены результаты, показывающие, что применение податливых опор, деформирующихся в упругопластической стадии и стадии отвердения в опертых по контуру плитах, позволяет значительно снизить реакцию системы и перемещения конструкции. Последовательный переход податливых опор в стадию отвердения не приводит к резкому увеличению прогибов. Несмотря на незначительные локальные всплески перемещений и ускорений, обусловленные наступлением стадии отвердения опор, в целом перемещения значительно ниже аналогичных величин для плит на жестких опорах.
Библиографический список
1. Кумпяк О.Г., Кокорин Д.Н. Экспериментальные исследования железобетонных балок по наклонным сечениям при кратковременном динамическом нагружении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 1. С. 116-129.
2. Кумпяк О.Г., Малиновский А.П., Педиков А.В. Экспериментально-теоретическое исследование сжатых железобетонных балок на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2006. № 2. С. 110-114.
3. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Galyautdinov D.R. Experimental study of beams on yielding supports with thrust // MATEC Web of Conferences. 2018. 143. 01016. DOI: 10.1051/1.4973016
4. Кумпяк О.Г., Галяутдинов З.Р., Кокорин Д.Н. Прочность и деформативность железобетонных конструкций на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении. Томск : Изд-во ТГАСУ, 2016. 270 с.
5. Галяутдинов З.Р., Кумпяк О.Г. Расчет железобетонных балок на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении // Строительная механика и расчет сооружений. 2019. № 4. С. 63-70.
6. Расторгуев Б.С. Прочность железобетонных конструкций зданий взрывоопасных производств и специальных сооружений, подверженных кратковременным динамическим воздействиям : автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1987. 37 с.
7. Саид А.-Р.А. Повышение несущей способности железобетонных конструкций при взрывных воздействиях : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1995. 207 с.
8. Кумпяк О.Г., Галяутдинов З.Р., Максимов В.Б. Расчет длины податливой опоры // Ло-лейтовские чтения-150. Современные методы расчета железобетонных и каменных конструкций по предельным состояниям : сборник докладов Международной научно-практической конференции, Москва : МГСУ, 2018. С. 201-204.
9. Кумпяк О.Г., Однокопылов Г.И. Автоматизация испытаний железобетонных конструкций // Научные труды Общества железобетонщиков Сибири и Урала. Вып. 8. Новосибирск : НГАСУ, 2004. С. 122-125.
10. Galyautdinov Z. Calculation of reinforced concrete slabs on yielding supports under short-term dynamic loading // XXVI Conference on Numerical Methods for Solving Problems in the Theory of Elasticity and Plasticity (EPPS-2019). 2019. V. 221. P. 1-12. DOI: https://doi. org/10.1051 /epjconf/201922101009
11. Кумпяк О.Г., Галяутдинов З.Р. Расчет железобетонных плит на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 2. С. 107-111.
References
1. Kumpjak O.G., Kokorin D.N. Eksperimental'nye issledovanija zhelezobetonnyh balok po naklonnym sechenijam pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Experimental investigation of reinforced concrete beams in inclined cross-sections under dynamic load]. Vest-nik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 1. Pp. 116-129. (rus)
2. Kumpjak O.G., Malinovskij A.P., Pedikov A.V. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie szhatyh zhelezobetonnyh balok na podatlivyh oporah pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Compressed reinforced concrete beams on yielding supports under dynamic load]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2006. No. 2. Pp. 110-114. (rus)
3. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Galyautdinov D.R. Experimental study of beams on yielding supports with thrust. MATEC Web of Conferences. 2018. V. 143. 01016. DOI: 10.1051/1.4973016
4. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Kokorin D.N. Prochnost' i deformativnost' zhelezobet-onnyh konstrukcij na podatlivyh oporah pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Strength and deformability of reinforced concrete structures on yielding supports under dynamic load]. Tomsk: TSUAB, 2016. 270 p. (rus)
5. Galyautdinov Z.R., Kumpyak O.G. Raschet zhelezobetonny'x balok na podatlivykh oporax pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii. [Strength analysis of reinforced concrete beams on yielding supports under dynamic load]. StroiteVnaya mexanika i raschet sooru-zhenij. 2019. No. 4. Pp. 63-70. (rus)
6. Rastorguev B.S. Prochnost' zhelezobetonnyh konstrukcij zdanij vzryvoopasnyh proizvodstv i special'nyh sooruzhenij, podverzhennyh kratkovremennym dinamicheskim vozdejstvijam: Avtoref. diss. dokt. tehn. nauk [Strength of reinforced concrete structures of buildings of hazardous industries under dynamic load. DSc Abstract]. 1987. 37 p. (rus)
7. Said A.-R.A. Povyshenie nesushhej sposobnosti zhelezobetonnyh konstrukcij pri vzryvnyh vozdejstvijah. Diss. kand. tehn. nauk [Improvement of load-bearing capacity of reinforced concrete structures in explosion conditions. PhD Thesis]. 1995. 207 p. (rus)
8. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Maksimov V.B. Raschet dliny podatlivoj opory [Length analysis of yielding support]. In: Lolejtovskie chteniya-150 Sovremennye metody rascheta zhelezobetonnyh i kamennyh konstrukcij po pre-del'nym sostoyaniyam. Sbornik dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii (Proc. Sci. Conf. 'Modern Methods of Limit Design of Reinforced Concrete and Masonry Structures', Loleitov Readings-150). Pp. 201 -204. (rus)
9. Kumpyak O.G., Odnokopylov G.I. Avtomatizaciya ispytanij zhelezobetonny'x konstrukcij [Automated testing of reinforced concrete structures]. Novosibirsk: NGASU, 2004. Pp. 122-125. (rus)
10. Galyautdinov Z. Calculation of reinforced concrete slabs on yielding supports under short-term dynamic loading. In: Proc. 26th Conf. on Numerical Methods for Solving Problems in the
Theory of Elasticity and Plasticity. 2019. V. 221. Pp. 1-12. DOI: https://doi.org/10.1051/ epjconf/201922101009
11. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R. Raschet zhelezobetonnykh plit na podatlivykh oporakh pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Strength analysis of reinforced concrete slabs on yielding supports under dynamic load]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 2. Pp. 107-111. (rus)
Сведения об авторах
Однокопылов Георгий Иванович, докт. техн. наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ogiz@yandex.ru
Галяутдинов Заур Рашидович, канд. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, gazr@yandex.ru
Максимов Валерий Борисович, аспирант, Международный телематический университет УНИНЕТТУНО, Италия, г. Рим, пр. Витторио Эмануэля II, 39, Maximov.valeriy@gmail.com
Authors Details
Georgii I. Odnokopylov, DSc, Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin Ave., 634050, Tomsk, Russia, ogiz@ yandex.ru
Zaur R. Galyautdinov, PhD, A/Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, gazr@yandex.ru
Valeriy B. Maksimov, Research Assistant, International Telematic University UNINETTUNO, Corso Vittorio Emanuele II, 39, 00186, Romе, Italy, Maximov.valeriy@gmail.com
