CC BY
22
УДК 624.073.121+624.042.3
КУМПЯК ОЛЕГ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, OGKumpjak@yandex. ru
ГАЛЯУТДИНОВ ЗАУР РАШИДОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, zaurg@sibmail. com
МАКСИМОВ ВАЛЕРИЙ БОРИСОВИЧ, аспирант,
ValerDoz@sibmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ, ОПЕРТЫХ ПО КОНТУРУ НА ЖЕСТКИЕ И ПОДАТЛИВЫЕ ОПОРЫ, ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
В работе представлены результаты экспериментальных исследований железобетонных плит, опертых по контуру, при кратковременном динамическом нагружении. Рассматриваются особенности динамического сопротивления конструкций при разных стадиях работы податливых опор.
Ключевые слова: динамическая нагрузка; железобетонные конструкции; плиты, опертые по контуру; податливые опоры.
KUMPYAK, OLEG GRIGORYEVICH, Prof. Dr. Tech. Sc., OGKumpjak@yandex. ru,
GALYAUTDINOV, ZAUR RASHIDOVICH, Ph. D., Assoc. Prof., zaurg@sibmail. com,
MAKSIMOV, VALERIY BORISOVICH, P.G.,
ValerDoz@sibmail. com,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003
RESEARCH OF REINFORCED CONCRETE SLABS LEANING ON A COUNTOUR ON RIGID AND PLIABLE SUPPORTS AT SHORT-TERM DYNAMIC LOADING
The results of experimental researches of reinforced concrete slabs leaning on a contour at short-term dynamic loading are given in the article. The features of the dynamic resistance of structures at different stages of pliable supports work are considered.
Key words, dynamic loading; reinforced concrete structures; slabs, supported on four sides; supporting structures.
В практике гражданского и промышленного строительства динамические нагрузки непериодического характера возникают главным образом вследствие ударных и взрывных воздействий (падение груза на перекрытие, ударная волна взрыва и т. п.). Одним из активных способов повышения взры-
© О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, В.Б. Максимов, 2013
востойкости железобетонных конструкций является использование податливых опор. Исследования железобетонных балок на податливых опорах, проводимые на кафедре ЖБК ТГАСУ, показали высокую эффективность их применения [1, 2, 3, 5].
Целью экспериментальных исследований является изучение прочности и деформативности железобетонных плит при интенсивном динамическом нагружении при разных условиях работы опорных устройств.
Как показали проводимые ранее исследования, податливая опора может работать в трех стадиях [4]: упругая, упругопластическая и стадия отвердения (рис. 1).
Р
Рис. 1. Стадии работы податливых опор
При этом наибольший положительный эффект был достигнут при работе опор в упругопластической стадии. С учетом этого программа экспериментальных исследований включала испытания 8 образцов железобетонных плит (табл. 1). На первом этапе использовались опоры одинаковой жесткости вдоль сторон плиты, далее характер распределения жесткостей податливых опор по периметру принимался в соответствии с изменением опорной реакции.
Таблица 1
Программа экспериментальных исследований железобетонных плит
Условия опирания Жесткое Податливое
Жесткость опор Постоянная по длине стороны Постоянная по длине стороны Изменяется согласно эпюре распределения опорной реакции
Шифр образца П-і* ПУ-і* ПУП-і* ПО-і*
Количество 2 2 2 2
Стадия работы податливой опоры Неподвижные опоры Упругая Упругопластическая Упругопластическая с отвердением
*і - порядковый номер плиты
Экспериментальными образцами являлись железобетонные плиты с размерами в плане 1100*1600 мм, толщиной 40 мм. Образец, поименованный П-1,— плита (П) при жестком опирании первая по порядку; а образец ПУП-2,- плита (П) при податливом опирании, стадия работы опоры упругопластическая (УП), вторая по порядку. Армирование опытных образцов выполнено в виде вязаной сетки из арматуры 04 класса Вр500 с ячейкой 100 мм.
Экспериментальные исследования проводились на специально запроектированном стенде (рис. 2). Опытный образец (9) устанавливается на жесткий либо податливый контур (5), расположенный на опорной раме (5), которая в свою очередь опирается на опорные траверсы (4). Динамическое нагружение создается за счет энергии падающего груза (3), движущегося по направляющим (2), жестко закрепленным в силовом полу (1) при помощи резьбовых шайб (73). Падающий груз за монтажную петлю (14) фиксируется на заданной высоте посредством сбрасывающего устройства. Равномерное распределение нагрузки по поверхности плиты обеспечивалось при помощи системы распределительных устройств (7, 12) и емкости с водой (11), которая по периметру окружена ограничительной рамой (6). Для исключения сил трения между мешком с водой и испытуемой конструкцией укладывается два слоя брезентовой материи (10).
Оценка напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе эксперимента осуществлялась по показаниям комплекса измерительных датчиков и устройств. Измерение деформации арматуры и бетона во времени осуществлялось тензорезисторами. Для определения реакции системы ис-
пользовались месдозы. Перемещения отдельных точек конструкции фиксировали четырьмя датчиками перемещения. Показания тензорезисторов, месдоз и датчиков перемещений регистрировались посредством 64-канальной тензо-метрической системы MIC-400D. Для фиксирования ускорений были установлены 6 акселерометров, показания которых записывались при помощи 16-канального цифрового регистратора М1С-300М. Все тензометрические устройства предварительно были протарированы.
Схемы расстановки измерительных датчиков и устройств представлены на рис. 3.
Рис. 3. Схема расположения тензорезисторов на бетоне сжатой зоны (а) и на арматуре (б), датчиков ускорений (в) и прогибомеров (г)
На графиках (рис. 4-7) представлено изменение реакции плиты, перемещений отдельных точек конструкции, деформаций бетона сжатой зоны и арматуры от внешнего воздействия. Анализ полученных результатов показывает, что независимо от характера деформирования опорных устройств имеет место запаздывание рассматриваемых параметров относительно реакции системы на начальном этапе деформирования. При достижении пиковых значений запаздывание параметров напряженно-деформированного состояния наблюдается только в плитах с жестким и упругим податливым опиранием. При этом отставание перемещений от действующей нагрузки в начале нагружения составляет 8-10 мс - для плит на жестких опорах (рис. 4 и 6, а), 1 мс -для плит на податливых опорах, сработавших в упругой стадии (рис. 4, б),
10-12 мс - для плит на податливых опорах, сработавших в упругопластической стадии (рис. 6, б) и 10-12 мс - для плит на податливых опорах, сработавших в стадии отвердения (рис. 6, в). Отставание пика перемещений от пика нагрузки соответственно равно 8-15, 13, 1-3 и 1 мс (рис. 4 и 6). Для деформаций бетона сжатой зоны и арматуры запаздывание в начальный момент соответственно меняется в пределах 6-15 и 9-15 мс, а при достижении экстремальных значений - 1-15 и -2-4 мс.
Вместе с тем необходимо отметить, что применение податливых опор приводит к снижению реакции системы и увеличению времени действия нагрузки. Для плит на упругих податливых опорах по сравнению с плитами на жестких опорах изменение времени действия нагрузки незначительно и составляет ~ 5 мс, перемещения отдельных точек конструкции также соизмеримы (рис. 4). Деформации бетона сжатой зоны и арматуры при упругом податливом опирании также изменяются несущественно от соответствующих значений плит на жестких опорах. Снижение реакции системы в данном случае достигает 18 % (рис. 4).
Рис. 4. Графики изменения реакции системы и прогибов во времени для плит на жестких опорах (а) и плит на упругих податливых опорах (б)
Для плит, опоры которых сработали в упругопластической стадии и стадии отвердения, время действия нагрузки увеличивается соответственно на 10,4 и 28 %, а реакция системы снижается на 22,8 и 48 % (рис. 5 и 6). Также наблюдается снижение деформаций бетона на 10 % в плитах на упругопластических опорах и на 20 % в плитах, опоры которых вошли в стадию отвердения (рис. 6). Перемещения плит на податливых опорах соизмеримы с аналогичными величинами для плит на жестких опорах, однако для плит на податливых опорах значения перемещений приведены с учетом деформаций податливой опоры (рис. 5). При сопоставлении перемещений плит на податливых опорах за вычетом деформаций опор (25-36,5 мм) с прогибами плит на жестких опорах видно, что наблюдается значительное снижение перемещений: до 33 % для плит с податливыми опорами, сработавшими в упругопластической стадии, и до 50 % для плит с опорами, вошедших в стадию отвердения. Анализ графиков деформаций арматуры показывает, что при деформировании плит на жестких опорах ряд тензодатчиков, расположенных в наиболее напряженных сечениях, выходят из строя (рис. 7), а это, в свою очередь, свидетельствует о резком росте деформаций в арматуре. Деформации арматуры плит с опорами, сработавшими
в упругопластической стадии, на 35 % меньше соответствующих значений для плит на жестких опорах (рис. 7, а и б). Деформации плит на податливых опорах в стадии отвердения ниже деформаций плит с упругопластическими опорами на 55-64 % (рис. 7, б и в).
Й|нчмн. -г
Рис. 5. Графики изменения реакции системы и прогибов во времени для плит на жестких опорах (а), плит на упругопластических податливых опорах (б) и плит на податливых опорах, сработавших в стадии отвердения (в)
Рис. 6. Графики изменения реакции системы и деформаций бетона сжатой зоны во времени для плит на жестких опорах (а), плит на упругопластических податливых опорах (б) и плит на податливых опорах, сработавших в стадии отвердения (в)
Вррнн, с БДОи. с
Рис. 7. Графики изменения реакции системы и деформаций арматуры во времени для плит на жестких опорах (а), плит на упругопластических податливых опорах (б) и плит на податливых опорах, сработавших в стадии отвердения (в)
В целом можно отметить, что со снижением жесткости опор уменьшается реакция системы, перемещения и напряжения в конструкции. Наибольший эффект достигается в плитах, опоры которых сработали в упругопластической стадии или в стадии отвердения.
Интересно сопоставить характер изменения реакции системы для плит на упругопластических опорах и плитах с опорами в стадии отвердения. В первом случае (рис. 5, 6 и 7, б) при переходе опор из упругой в пластическую стадию наблюдается незначительный спад реакции системы, после чего возобновляется ее рост вплоть до достижения максимума и дальнейшее снижение нагрузки до нуля. Во втором случае (рис. 5, 6 и 7, в) на этапе снижения нагрузки наблюдается переход опоры в стадию отвердения, что ведет к локальному росту реакции системы и сопровождается ростом деформаций и перемещений. Данный факт объясняется тем, что при деформировании опоры в пластической стадии конструкция приобретает значительные скорости и ускорения, в дальнейшем при переходе опоры в стадию отвердения ускорения создают дополнительную нагрузку к уже действующей, что и приводит к всплеску реакции системы и других параметров напряженно-деформированного состояния.
Вывод
Применение податливых опор в железобетонных плитах, опертых по контуру, позволяет повысить сопротивление конструкций действию динами-
ческих нагрузок большой интенсивности. Положительное влияние податливости опор увеличивается с уменьшением жесткости опорных закреплений и выражается в снижении реакции системы, перемещений и напряженного состояния плит.
Библиографический список
1. Кумпяк, О.Г. Расчет железобетонных плит на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов // Вестник ТГАСУ. -Томск. - 2012. - № 2. - С. 107-111.
2. Кумпяк, О.Г. Экспериментальные исследования железобетонных балок на податливых опорах по наклонным сечениям при кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, Д.Н. Кокорин // Вестник ТГАСУ. - Томск. - 2011. - № 1. - С. 116-125.
3. Кумпяк, О.Г. Экспериментально-теоретическое исследование сжатых железобетонных балок на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, А.П. Малиновский, А.В. Педиков // Вестник ТГАСУ. - Томск. - 2006. -№ 2. - С. 110-114.
4. Устройство для обеспечения живучести строительных конструкций при кратковременном динамическом воздействии: пат. на изобретение № 2428549 Рос. Федерация /
О.Г. Кумпяк, Г.И. Однокопылов, Д.Н. Кокорин; заявл. от 05.04.2010.
5. Педиков, А.В. Расчет железобетонных сжато-изгибаемых балок с податливыми шарнирными опорами на кратковременную динамическую нагрузку / А.В. Педиков // Известия вузов. Строительство. - 2004. - № 6. - С. 125-129.
References
1. Kumpjak O.G., Galjautdinov Z.R. Raschet zhelezobetonnyh plit na podatlivyh oporah pri krat-kovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Calculation of reinforced concrete slabs on pliable supports at short-time dynamic loading] // Vestnik TGASU. - Tomsk [Proceedings of Tomsk State University of Architecture and Building]. - 2012. - No. 2. - P. 107-111.
2. Kumpjak O.G., Kokorin D.N. Jeksperimental'nye issledovanija zhelezobetonnyh balok na podatlivyh oporah po naklonnym sechenijam pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Experimental study of strength of reinforced concrete beams on pliable supports along sloping sections at short-time dynamic loading] // Vestnik TGASU. - Tomsk [Proceedings of Tomsk State University of Architecture and Building]. - 2011. - No. 1. - P. 116-125.
3. Kumpjak O.G., Malinovskij A.P., Pedikov A.V. Jeksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie szhatyh zhelezobetonnyh balok na podatlivyh oporah pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Experimental and theoretical study of strut reinforced concrete beams on pliable supports at short-time dynamic loading] // Vestnik TGASU. - Tomsk [Proceedings of Tomsk State University of Architecture and Building]. - 2006. - No. 2. - P. 110-114.
4. Kumpjak O.G., Odnokopylov G.I., Kokorin D.N. Ustrojstvo dlja obespechenija zhivuchesti stroitel'nyh konstrukcij pri kratkovremennom dinamicheskom vozdejstvii [Device to ensure survivability of building structures under short dynamic action]: pat. na izobretenie № 2428549 Ros. Federacija, zajavl. ot 05.04.2010.
5. Pedikov A.V. Raschet zhelezobetonnyh szhato-izgibaemyh balok s podatlivymi sharnirnymi oporami na kratkovremennuju dinamicheskuju nagruzku [Calculation of reinforced concrete strut-bending beams with hinge supports at short-term dynamic loading] // Izvestija vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Education Institutions.]. - 2004. - No. 6. - P. 125-129.
