CC BY
38
УДК 624.044:004.94
Н.В. Клюева, К.А. Шувалов*
ФГБОУ ВПО «ЮЗГУ», *ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ В ЗАПРЕДЕЛЬНЫХ
СОСТОЯНИЯХ
Изложена методика экспериментального определения параметров преднапряженных железобетонных статически неопределимых балочных систем в запредельных состояниях. Предложен способ моделирования запредельных состояний и способ экспериментального определения динамических усилий и деформаций в таких системах после внезапного выключения из работы одного из элементов.
Ключевые слова: конструктивная безопасность, живучесть, режим нагружения, динамический эффект, приращение напряжений.
Решению задач живучести железобетонных статически неопределимых балочных систем с элементами сплошного и составного сечения посвящен ряд теоретических и экспериментальных исследований последних лет, например [1—8]. Дальнейшее развитие работ этого направления связано с расширением области исследований, в т.ч. на случай разрушения элементов балочных конструктивных систем, выполненных с предварительным натяжением арматуры.
Учитывая сложность решения таких задач, при разработке расчетного аппарата живучести рассматриваемых железобетонных конструкций целесообразно использовать физические представления о сопротивлении железобетонных элементов в запредельных состояниях, основанные на экспериментальных данных. С этой целью для исследования характера разрушения предварительно напряженных железобетонных балочных элементов в запредельных состояниях разработана методика экспериментального определения параметров деформирования и динамических догружений в элементах таких конструкций, вызванных хрупким разрушением одного из связевых элементов. Особое внимание при таких исследованиях обращено на анализ деформирования и трещинообразования преднапряженной конструкции с точки зрения возможного характера разрушения и изучение перераспределения динамических усилий в элементах от указанного воздействия.
Для решения поставленной задачи на основе запатентованного способа [9] была разработана методика экспериментальных исследований предварительно напряженной балочной конструктивной системы, включающей три сборные железобетонные балки, объединенные соединительными элементами и замоноличиванием стыков, образующие трехпролетную сборно-монолитную неразрезную предварительно напряженную балку (рис. 1).
Изготовление образцов производилось на Орловском заводе ЖБИ-3 ОАО «Орелагропромстрой». Сборные балки сечением 70*120 мм, длиной 1200 мм были изготовлены из бетона класса В25. При бетонировании балок (рис. 2, а, б) в них были установлены каналообразователи внутренним диаметром 12 мм для предварительно напрягаемого стержня, в которые после установки балок в проектное положение устанавливается этот стержень. На крайних балках установлены торцевые закладные детали из листовой стали толщиной 12 мм с целью предотвращения смятия бетона
© Клюева Н.В., Шувалов К.А., 2012
61
ВЕСТНИК
11/2012
при передаче на него усилия предварительного обжатия. Предварительное напряжение трехпролетной балки осуществлялось затяжкой гаек по нарезанной на стержне резьбе с контролем преднапряжения по усилиям и удлинениям.
1
1180
э£
1250
Ж
1180
100
е
^ ш
щ. М<
1200
1-1
10
ч
1Ж >
100 |Т1 пт
120^ =' '
1200
И-
10
М
2-2
10
(к
.70
К*
Рис. 1. Схема опытной сборно-монолитной конструктивной системы (а) и конструкции сборных балок Б-1 (б) и Б-11 (в): 1 — сборная железобетонная балка Б-1; 2 — сборная железобетонная балка Б-11; 3 — опорное устройство; 4 — закладная деталь; 5 — прокалиброванный соединительный элемент; 6 — шов замоноличивания; 7 — предварительно напрягаемый арматурный стержень; 8 — гайка для создания преднапряжения; 9 — гибкий каналообразователь; 10 — арматурный каркас; 11 — торцевая закладная деталь
а
б
в
Расчет опытных конструкций балочной системы выполнен по методике [10]. Испытания балок производятся на специальном стенде, включающем опорные устройства, рычажную систему с нагрузочными устройствами, платформами и штучными грузами (рис. 2, в). Создание запроектного воздействия обеспечивается с помощью закладной детали 5 (рис. 1, а). Для обеспечения хрупкого разрушения этой детали она выполняется из двух элементов в форме «рыбки», соединенных между собой в узкой части швом с катетом, рассчитанным на заданное усилие. Предварительно такие элементы калибруются с помощью испытания их на разрывной машине.
Для измерения деформаций, перемещений и фиксации момента трещинообра-зования преднапряженной неразрезной балочной конструкции на нее устанавливаются прогибомеры, индикаторы часового типа и тензорезисторы (с каждой стороны опытных образцов). Всплеск перемещений после запроектного воздействия элементов балочной системы фиксируется цифровой камерой с частотой более 60 Гц. Для определения времени первого полупериода динамических колебаний используется виброанализатор Вибран 3.0. Ширина раскрытия трещин фиксируется при статическом нагружении и после запроектного воздействия с использованием микроскопа МПБ-2.
В процессе испытаний, согласно разработанной методике, определяются следующие параметры:
продольные деформации сжатого и растянутого бетона;
деформации растянутых соединительных элементов (калиброванных накладок);
62
/ББМ 1997-0935. УеэМИ МвБи. 2012. № 11
прогибы балок во всех пролетах, в т.ч. при приложении запроектной нагрузки; уровень нагрузки и характер трещинообразования и ширина раскрытия трещин до и после приложения запроектной нагрузки;
общая картина и характер разрушения опытных образцов всех серий при внезапном хрупком разрушении сварного шва соединительного элемента;
приращения перемещений и время первого полупериода колебаний, возникающих в элементах предварительно напряженных балок после внезапного разрушения надопорного соединения.
в
Рис. 2. Общий вид опалубочных форм (а) и стенда (б) для изготовления опытных балок и стенда для проведения испытаний балочной системы на живучесть (в)
Разработанная методика экспериментального определения параметров деформирования и разрушения преднапряженных железобетонных статически неопределимых балочных систем в запредельных состояниях позволяет выявить закономерности деформирования, трещинообразования и разрушения рассматриваемой системы при запроектном воздействии. Полученные при этом опытные параметры обеспечивают построение экспериментальных диаграмм статико-динамического деформирования таких систем, необходимых для расчета их живучести.
Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России», проект 14.B37.21.0170.
Библиографический список
1. Бондаренко В.М., Клюева Н.В. К расчету сооружений, меняющих расчетную схему вследствие коррозионных повреждений // Известия вузов. Строительство. 2008. № 1. С. 4—12.
2. Бондаренко В.М. Коррозионные повреждения как причина лавинного разрушения железобетонных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений. 2009. № 5. С. 13—17.
3. Бондаренко В.М., Ларионов Е.А. Оценка динамических напряжений и моментов в конструктивных элементах сооружений // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2006. № 2. С. 93—98.
4. Гениев Г.А., Клюева Н.В. Экспериментально-теоретические исследования неразрезных балок при аварийном выключении из работы отдельных элементов // Известия вузов. Строительство. 2000. № 10. С. 24—26.
5. Клюева Н.В., Андросова Н.Б. К построению критериев живучести коррозионно повреждаемых железобетонных конструктивных систем // Строительная механика и расчет сооружений. 2009. № 1. С. 29—34.
6. Клюева Н.В., Демьянов А.И. Экспериментальные исследования железобетонных балок сплошного и составного сечения в запредельных состояниях // IV Международный науч.-метод. семинар «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров в Республике Беларусь». Брест, 2001. С. 167—172.
7. Экспериментальные исследования деформативности железобетонных конструкций составного сечения / В.И. Колчунов, Е.А. Скобелева, Н.В. Клюева, С.И. Горностаев // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2008. № 1. С. 54—60.
8. Ларионов Е.А., Бондаренко В.М. К вопросу конструктивной безопасности сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 1. С. 47—48.
9. Пат. 2393452 Российская федерация, МПК G01M 19/00. Способ экспериментального определения динамического догружения в преднапряженной арматуре железобетонных элементов рамно-стержневых конструктивных систем / Н.В. Клюева, Д.В. Кудрина, Н.Б. Андросова; Заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. заявл. 10.03.2009, опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.
10. Колчунов В.И., Скобелева Е.А., Клюева Н.В. К расчету живучести внезапно повреждаемых железобетонных рам с элементами составного сечения // Academia. Архитектура и строительство. 2006. № 3. С. 23—26.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторах: Клюева Наталия Витальевна — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования, строительства зданий и линейных сооружений, ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ЮЗГУ»), 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, 8 (4712) 50-48-16, [email protected];
Шувалов Константин Александрович — ассистент кафедры строительных конструкций и материалов, ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»), 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, 8 (4862) 73-43-49, [email protected].
Для цитирования: Клюева Н.В., Шувалов К.А. Методика экспериментального определения параметров деформирования и разрушения преднапряженных железобетонных статически неопределимых балочных систем в запредельных состояниях // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 61—66.
N.V. Klyueva, K.A. Shuvalov
METHODS OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF PARAMETERS OF DEFORMATION AND DESTRUCTION OF STATICALLY INDETERMINATE PRE-STRESSED REINFORCED CONCRETE BEAM SYSTEMS IN THE OUT-OF-LIMIT STATE
The authors present their methods of experimental determination of parameters of statically indeterminate pre-stressed reinforced concrete bar systems in the out-of-limit state. The authors
also present their method of the out-of-limit state modeling and experimental determination of dynamic strain and stress values typical for such systems in the event of the abrupt failure of one system element.
Methods of experimental determination of parameters and dynamic loadings typical for deformations caused by the abrupt failure of one of connecting elements drive special attention to the analysis of deformations and cracking of pre-stressed structures on the basis of the research of the nature of destructions and redistribution of dynamic forces within the above elements. The following parameters have been identified in the course of tests: longitudinal strain of compressed and cracked concrete elements; strain-stretched connecting pieces (calibrated covers); deflections of beams, including the application of loads beyond design parameters; load intensity and nature of cracks and crack openings before and after the application of loads beyond design parameters; overall patterns of destructions and prototypes of destructions caused by a sudden fracture of a welded connecting element; increments of displacements and oscillations of pre-stressed elements of beams after a sudden destruction of a connection under pressure.
Experimental parameters are needed to draw the curves of diagrams of experimental static and dynamic deformations necessary for the survivability analysis.
Key words: structural safety, survivability, loading mode, dynamic effect, stress increment.
References
1. Bondarenko V.M., Klyueva N.V. K raschetu sooruzheniy, menyayushchikh raschetnuyu skhemu vsledstvie korrozionnykh povrezhdeniy [About the Analysis of Structures That Require Changes in the Design Model as a Result of Corrosive Damages]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. [News of Institutions of Higher Education. Construction]. 2008, no.1, pp. 4—12.
2. Bondarenko V.M. Korrozionnye povrezhdeniya kak prichina lavinnogo razrusheniya zhelezo-betonnykh konstruktsiy [Corrosive Damages as the Reason for the Avalanche Destruction of Concrete Structures]. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Mechanics and Analysis of Structures]. 2009, no. 5, pp. 13—17.
3. Bondarenko V.M., Larionov E.A. Otsenka dinamicheskikh napryazheniy i momentov v konstruk-tivnykh elementakh sooruzheniy [Assessment of Dynamic Stresses and Moments in Structural Elements of Constructions]. Stroitel'naya mekhanika inzhenernykh konstruktsiy i sooruzheniy [Structural Mechanics of Engineering Structures and Buildings]. 2006, no. 2, pp. 93—98.
4. Geniev G.A., Klyueva N.V. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovaniya nerazreznykh balok pri avariynom vyklyuchenii iz raboty otdel'nykh elementov [Experimental and Theoretical Studies of Continuous Beams in Case of Emergency Failure of Individual Elements]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. [News of Institutions of Higher Education. Construction]. 2000, no. 1, pp. 24—26.
5. Klyueva N.V., Androsova N.B. K postroeniyu kriteriev zhivuchesti korrozionno povrezhdaemykh zhelezobetonnykh konstruktivnykh sistem [Development of Criteria of Survivability of Corrosion Damaged Reinforced Concrete Structural Systems]. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Mechanics and Analysis of Structures]. 2009, no. 1, pp. 29—34.
6. Klyueva N.V., Dem'yanov A.I. Eksperimental'nye issledovaniya zhelezobetonnykh balok splosh-nogo i sostavnogo secheniya v zapredel'nykh sostoyaniyakh [Experimental Studies of Reinforced Concrete Beams of Continuous and Composite Sections in Out-of-limit States]. IV Mezhdunarodnyy nauch.-metod. seminar «Perspektivy razvitiya novykh tekhnologiy v stroitel'stve i podgotovke inzhenernykh kadrov v Respublike Belarus'» [IVth International Scientific and Methodological Seminar "Prospects for Development of New Technologies in Construction and Training of Engineers in Belarus"]. Brest, 2001, pp. 167—172.
7. Kolchunov V.I., Skobeleva E.A., Klyueva N.V., Gornostaev S.I. Eksperimental'nye issledovani-ya deformativnost i zhelezobetonnykh konstruktsiy sostavnogo secheniya [Experimental Researches of Deformability of Reinforced Concrete Structures That Have Composite Sections]. Stroitel'naya me-khanika inzhenernykh konstruktsiy i sooruzheniy [Structural Mechanics of Engineering Structures and Buildings]. 2008, no. 1, pp. 54—60.
8. Larionov E.A., Bondarenko V.M. K voprosu konstruktivnoy bezopasnosti sooruzheniy [About Structural Safety of Constructions]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2006, no. 1, pp. 47—48.
9. Klyueva N.V., Kudrina D.V., Androsova N.B. Patent 2393452, issued in the Russian Federation, IPC G01M 19/00. Sposob eksperimental'nogo opredeleniya dinamicheskogo dogruzheniya vprednapry-azhennoy armature zhelezobetonnykh elementov ramno-sterzhnevykh konstruktivnykh sistem [Method of Experimental Determination of Dynamic Loading of Pre-stressed Reinforcing Steel of Reinforced Concrete Elements of Framed Structural Systems]. Applicant and Patentee: OrelSTU. Application filed on 10.03.2009, application published on 27.06.2010. Bulletin №18.
10. Kolchunov V.I., Skobeleva E.A., Klyueva N.V. K raschetu zhivuchesti vnezapno povrezhdaemykh zhelezobetonnykh ram s elementami sostavnogo secheniya [Analysis of Survivability of Unexpectedly Damaged Reinforced Concrete Frames with Elements of Composite Sections]. Academia. Arhitektura i
stroitel'stvo [Academy. Architecture and Construction]. Moscow, Russian Academy of Architectural and Construction Sciences (RAACS). 2006, no. 3, pp. 23—26.
About the authors: Klyueva Nataliya Vital'evna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Design, Construction of Buildings and Non-linear Structures, South-Western State University (YuZGU), 94, 50 let Oktyabrya st., Kursk, 305040, Russian Federation, [email protected]; +8 (4712) 50-48-16;
Shuvalov Konstantin Aleksandrovich — Assistant Lecturer, Department of Structural Units and Construction Materials, State University — Educational, Scientific and Production Amalgamation (Gosuniversitet-UNPK), 29 Naugorskoye Shosse, Orel, 302020, Russian Federation; kshuvalov@ gmail.com; +8 (4862) 73-43-49.
For citation: Klyueva N.V., Shuvalov K.A. Metodika eksperimental'nogo opredeleniya parametrov de-formirovaniya i razrusheniya prednapryazhennykh zhelezobetonnykh staticheski neopredelimykh baloch-nykh sistem v zapredel'nykh sostoyaniyakh [Methods of Experimental Determination of Parameters of Deformation and Destruction of Statically Indeterminate Pre-stressed Reinforced Concrete Beam Systems in the Out-of-limit State]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 61—66.
