CC BY
65
ВЕСТНИК 7/2Q12
удк 666.97
К.А. Цветков, А.В. Баженова, И.М. Безгодов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА ПРИ ОДНОКРАТНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Рассмотрены вопросы получения экспериментальным путем динамической диаграммы деформирования бетона с учетом фактора предварительного статического нагружения. Предложена методика проведения соответствующего экспериментального исследования, описано специальное оборудование. Особенностью проведения эксперимента будет являться отсутствие разгрузки перед динамическим испытанием образцов, подверженных длительному действию нагрузки.
Ключевые слова: бетон, прочность, деформации, история нагружения, динамическое воздействие, эксперимент, методика испытаний, коэффициент динамического упрочнения.
Позиция и обзор. одним из путей повышения экономичности и надежности строительных конструкций из бетона и железобетона является совершенствование методов их расчета с использованием фактической диаграммы деформирования материала. диаграммы деформирования бетона, применяемые в настоящее время для таких расчетов, получены главным образом при стандартных испытаниях бетона на осевое сжатие. диаграммы деформирования для некоторых специальных режимов нагружения, например, для случая динамического воздействия, требуют экспериментального уточнения.
динамическое воздействие в большинстве случаев является аварийным, особым воздействием на конструкцию. до наступления такого воздействия конструкция воспринимает полезную нагрузку и нагрузку от собственного веса, а следовательно, имеет некоторые предварительные напряжения и деформации. таким образом, при построении динамической диаграммы бетона особое значение приобретает учет истории предварительного нагружения.
Экспериментальные исследования влияния предварительного длительного нагружения на механические свойства бетона при его последующем статическом (кратковременном) нагружении свидетельствуют об изменении упруго-пластических свойств материала и прочности в зависимости от уровня предварительного нагруже-ния [1, 2]. так, предварительные напряжения на уровне 0,4 < ст0/Щ < 0,75 приводят к упрочнению бетона, дальнейшее повышение напряжений снижает прочность.
Аналогичные исследования применительно к динамическому нагружению немногочисленны. можно отметить работы в.в. Бродского [3] и А.п. кириллова [4].
в.в. бродский по мере роста предварительных напряжений фиксировал увеличение коэффициента динамического упрочнения кду при сжатии. максимальное увеличение кду (на 12 % по сравнению с эталонными образцами) было получено при уровне предварительных напряжений ст0 / Щ = 0,65. в качестве существенных особенностей постановки эксперимента в [3] можно отметить, что длительность приложения предварительной нагрузки составляла несколько недель, после чего образцы разгружались, а затем доводились до разрушения динамической нагрузкой.
в [4] предпринята попытка теоретического исследования рассматриваемого вопроса. связывая природу повышения прочности бетона при динамическом воздей-
ствии главным образом с запасом пластических свойств материала, А.П. Кириллов делает вывод о снижении величины коэффициента динамического упрочнения в случае, если динамическому нагружению предшествует статическое.
На наш взгляд, имеют право на существование, по крайней мере, две гипотезы о том, какое влияние может оказать предварительное нагружение на диаграмму бетона при последующем динамическом воздействии.
Первая гипотеза учитывает влияние на характер динамической диаграммы эффекта запаздывания пластических деформаций. Такой эффект легко заметить при сравнении диаграмм деформирования при статическом и динамическом сжатии [1, 5, 6]. Для динамической диаграммы характерен более протяженный линейный участок, более высокие напряжения, соответствующие уровням микротрещинообразования, фиксируется повышение прочности до 30 % (в зависимости от скорости нагружения), при этом предельные деформации оказываются нечувствительными к скорости на-гружения. таким образом, в результате предварительного статического нагружения часть пластических деформаций, которые не успели бы развиться при динамическом нагружении, войдут в состав полной деформации, что при постоянстве предельных деформаций при статическом и динамическом нагружении должно приводить к снижению прочности по сравнению с режимом без предварительного нагружения (рис. 1). Такой гипотезе отчасти соответствуют представления, изложенные в [4].
о, МПА 25т
к у
к
s, е.о д. х10Л-5
20
15
10
5
0
Рис. 1. Влияние фактора предварительного статического нагружения на вид динамической диаграммы (согласно гипотезе № 1): ОА'— диаграмма деформирования бетона при осевом сжатии [6] под действием статической нагрузки; ОА" — диаграмма деформирования бетона при осевом сжатии [6] под действием динамической нагрузки (ст = 500 МПа/с); ОКА — теоретическая диаграмма, где ОК — этап статического нагружения; КА — этап динамического нагружения. Точки К и К" на диаграмме совмещены по принципу равенства деформаций
Вторая гипотеза основана на учете влияния эффекта выравнивания под действием предварительного нагружения поля напряжений, возникающего даже в незагруженном бетоне, из-за несовершенства его структуры. данный эффект может при динамическом воздействии проявляться в большей степени, чем при статическом нагружении, если учесть, что согласно [1] концентрация напряжений на границах
ВЕСТНИК 7/2012
внутренних дефектов оказывает более существенное влияние на прочность бетона при динамическом воздействии, чем при статическом. Это объясняется именно тем обстоятельством, что в ходе динамического нагружения из-за высокой скорости на-гружения выравнивание поля напряжений не происходит. Если следовать данной гипотезе, то при режиме с предварительным статическим нагружением до некоторого уровня можно ожидать повышения прочности по сравнению с динамическим воздействием без предварительного нагружения, а также некоторого различия диаграмм деформирования. В пользу второй гипотезы говорят результаты, изложенные в [3].
При этом наиболее вероятным представляется предположение, что при реализации рассматриваемого режима динамического нагружения будут проявляться оба эффекта. Для выяснения вопроса, какой из эффектов окажет решающее влияние на диаграмму бетона, необходимо проведение соответствующих экспериментальных исследований.
Программа экспериментальных исследований. В настоящее время авторами осуществляется подготовка к проведению экспериментальных исследований по обозначенной выше проблематике.
Целью исследования является разработка зависимости коэффициента динамического упрочнения от уровня предварительного статического нагружения, анализ закономерностей влияния структурных изменений в бетоне (оцениваются интегрально по результатам тензометрических измерений продольных и поперечных деформаций) на прочность при последующем динамическом нагружении, получение фактической диаграммы деформирования материала, которая учитывает фактор предварительного нагружения.
В ходе исследований планируется испытать 2 серии бетонных образцов.
В 1-й серии планируется испытать не менее 15 образцов:
1) на одноосное сжатие (статика) — 3 образца;
2) на одноосное сжатие (динамика) — 3 образца;
3) образец нагружается до уровня напряжений ст0/Яь ~ Я°гс статической нагрузкой, после чего без разгрузки доводится до разрушения при одноосном динамическом сжатии — 3 образца.
4) то же, но Я°гс < <з0/Яь < Я,Угс — 3 образца;
5) то же, но ст0/Яй > ЯСгс — 3 образца,
где Яь, Яс0гс, ЯУгс — прочность, нижняя и верхняя границы микротрещинообразова-ния при одноосном статическом сжатии соответственно.
Существенным отличием программы испытаний образцов 2-й серии является длительный характер приложения предварительной нагрузки (планируется осуществить выдержку в течение полугода), что позволяет максимально достоверно моделировать реальную работу бетона в конструкции. данную серию планируется дополнить образцами, которые после предварительной длительной выдержки будут доведены до разрушения статической нагрузкой, а также образцами для измерения усадки бетона в процессе выдержки.
Имеющийся задел для проведения исследований. Запланированные испытания связаны, во-первых, с известными сложностями создания устойчивого режима динамического нагружения, а также регистрации усилий и деформаций при быстро-протекающих процессах, а, во-вторых, с необходимостью провести длительные и динамические испытания без разгрузки.
Экспериментальные исследования планируется проводить в лаборатории экспериментальной механики бетона МГСУ на стендах, позволяющих осуществлять динамическое воздействие с постоянной скоростью роста напряжений до 500 МПа/с. На основании многочисленных экспериментов была отлажена методика проведения ди-
намических испытаний, а также регистрации усилий и деформаций. На протяжении десяти последних лет в лаборатории проводились исследования поведения бетона при динамическом воздействии при различных видах напряженных состояний, методика проведения и основные результаты которых отражены в [5—8]. Накопленный опыт будет использован и при дальнейшем проведении исследований.
Вместе с тем реализация идеи проведения динамических испытаний после длительной выдержки без разгрузки с использованием существующей динамической установки представлялась нерациональной, так как последовательное загружение и длительная выдержка образцов привели бы к тому, что испытание всех намеченных образцов заняло бы несколько лет. Именно поэтому потребовалось создание передвижного динамического модуля, совместимого с обычными прессами, в которых осуществлялась бы длительная выдержка одновременно всех образцов. Подсоединяя динамический модуль поочередно к прессам и осуществляя динамическое нагруже-ние, можно относительно быстро произвести запланированное испытание образцов, обеспечив при этом примерно одинаковое время выдержки.
передвижной динамический модуль, спроектированный и изготовленный И.М. Безгодовым, изображен на рис. 2.
Рис. 2. Динамический модуль для испытания бетонных образцов: 1 — сварная рама; 2, 3 — опорный столик; 4 — распределитель; 5 — штуцер; 6 — малый цилиндр; 7 — падающий груз; 8 — противовес; 9 — направляющий стержень; 10 — малый поршень; 11 — проволока; 12 — ограничитель; 13 — силовой шланг
Динамический модуль представляет собой сварную раму 1, внутри которой к стойкам крепятся опорные столики 2, 3. На нижнем столике 2 устанавливается распределитель 4, в который через штуцер 5 закачивается масло в малый цилиндр 6. Столик 3 является ограничителем движения падающего груза 7, который с помощью
вестник 7/2012
троса поднимается противовесом 8. Падение груза 7 осуществляется по направляющему стержню 9, который связан с малым поршнем 10.
динамическое нагружение образца осуществляется по следующей методике. груз 7 поднимается на определенную высоту с помощью противовеса 8 и фиксируется тонкой проволокой 11. В малый цилиндр 6 насосной станцией закачивается масло. Поршень малого цилиндра 10 выходит на заданную высоту и фиксируется ограничителем 12. В малый цилиндр 6 и силовой шланг 13, связанный с плоским гидродомкратом пресса (на рис. не показан), подается масло под минимальным давлением. После включения регистрирующей аппаратуры для измерения усилий и деформаций срезается проволока 11 и падающий груз 7 создает необходимую нагрузку для разрушения образца. Пористая резина 14, уложенная на опорный столик 3, гасит ударную нагрузку от падающего груза 7. данный динамический модуль может быть подключен к стендам для испытания на осевое сжатие.
методика использования динамического модуля для испытаний образцов, предварительно загруженных в обычных прессах с плоским гидравлическим домкратом, имеет следующие особенности. Перед динамической догрузкой необходимо подключить к плоскому гидродомкрату пресса силовой шланг 13, в котором с помощью насосной станции создают давление, равное давлению в малом цилиндре 6 и в плоском гидродомкрате. После выравнивания давления открывается входящий кран в плоский гидродомкрат. Входящий в распределитель запорный кран от насосной станции закрывается. Далее производится сброс груза 7, который создает в поршне и гидродомкрате необходимое давление для разрушения образца.
Для осуществления динамической догрузки образцов необходимо предусмотреть установку датчика силы между гидродомкратом и образцом, а для измерения деформаций на поверхности образцов наклеить тензорезисторы, к которым перед испытанием подключить регистрирующую аппаратуру. с помощью динамического модуля можно последовательно испытать образцы, загруженные различной интенсивностью.
Для регистрации напряжений и деформаций будут применяться ЭВм, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и программное обеспечение ADCLab, разработанное специалистами ЗАО «Руднев-Шиляев» (Москва). Благодаря применению современных усилителя, АЦП и программного обеспечения регистрация напряжений будет производиться с точностью до 0,1 мПа, а точность измерения относительных деформаций составит 110-6 е.о.д. Дискретность измерений выбрана 40 мкс.
Выводы. 1. Фактическая динамическая диаграмма деформирования бетона, которую можно было бы рекомендовать для использования в расчетах бетонных и железобетонных конструкций при динамическом аварийном воздействии, должна учитывать фактор истории нагружения предварительной статической нагрузкой.
2. Имеющиеся в настоящее время сведения о влиянии предварительной нагрузки на механические свойства бетона при последующем динамическом нагружении ограничены и противоречивы.
3. Авторами планируется осуществить экспериментальные исследования, особенностью которых будет максимальное приближение моделируемых условий на-гружения к фактическому режиму работы бетона в конструкции, подверженной аварийному динамическому воздействию. Такого результата планируется добиться путем проведения динамических испытаний образцов, предварительно загруженных статической нагрузкой различной интенсивности, без разгрузки. При этом длительность выдержки в одной из серий составит полгода.
4. Для проведения запланированных экспериментов был специально разработан передвижной динамический модуль, отрабатывается методика проведения эксперимента, способы регистрации усилий и деформаций.
Библиографический список
1. Баженов ЮМ. Бетон при динамическом нагружении. М. : Стройиздат, 1970. 272 с.
2. Влияние режима приложения сжимающей нагрузки на длительное сопротивление бетона / И.Е. Прокопович, В.М. Кобринец, В.И. Половец, И.А. Твардовский // Бетон и железобетон. 1991. № 6. С. 6—8.
3. Бродский В.В. Сопротивление динамическим импульсным воздействиям предварительно напряженных бетонных элементов и железобетонных колонн : автореф. дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Ростов-н/Дону, 2001. 23 с.
4. Кириллов А.П. Прочность бетона при динамических нагрузках // Бетон и железобетон. 1987. № 2. С. 38—39.
5. Цветков К.А. Влияние динамического нагружения на прочностные и деформативные свойства бетона при одноосных и двуосных напряженных состояниях : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2007.
6. Цветков К.А. Основные результаты экспериментально-теоретических исследований прочностных и деформативных свойств бетона при динамическом нагружении в условиях одноосного и двухосного сжатия // Вестник МГСУ. 2007. № 3. С. 109—120.
7. Малашкин Ю.Н., Безгодов И.М., Цветков К.А. Методические особенности исследования деформативно-прочностных характеристик бетона при динамическом нагружении в условиях сложных напряженных состояний // Естественные и технические науки. 2007. № 1. С. 182—190.
8. ЦветковК.А. Влияние динамического нагружения на прочность и деформативные характеристики бетона при одноосном растяжении и напряженном состоянии «сжатие-растяжение» // Естественные и технические науки. 2007. № 4. С. 294—298.
Поступила в редакцию в мае 2012 г.
Об авторах: Цветков Константин Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Баженова Александра Владимировна — магистрант, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Безгодов Игорь Михайлович — научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26.
Для цитирования: Цветков К.А., Баженова А.В., Безгодов И.М. Проблема построения диаграммы деформирования бетона при однократном динамическом воздействии с учетом влияния предварительных напряжений от действия статической нагрузки // Вестник МГСУ. 2012. № 7. С. 152—158.
K.A. Tsvetkov, A.V. Bazhenova, I.M. Bezgodov
CONSTRUCTION OF A DIAGRAM DESCRIBING DEFORMATION OF THE CONCRETE EXPOSED TO A SINGLE DYNAMIC FORCE WITH ACCOUNT OF PRESTRESSES PRODUCED BY THE STATIC LOAD
The authors describe methods of composing a concrete dynamic deformation diagramme, if the pre-stress produced by the static load is taken into account. It is noteworthy that the available data concerning the influence of the load preceding any dynamic load and produced on the mechanical properties of the concrete are limited and discrepant. The authors propose their methodology of an experiment and describe items of specialized equipment employed to hold the experiment in question. The authors have held an experimental study to reproduce the conditions of a real structure exposed to an emergency dynamic load. Samples to be tested are exposed to the static load of varied intensity without any relief. Duration of the load application will be six months. The diagram should be recommended for reference in the course of design of concrete and reinforced concrete structures exposed to dynamic loads applied in emergency situations.
Key words: concrete, strength, deformations, effect of load, dynamic exposure, experiment, test technique.
ВЕСТНИК 7/2012
References
1. Bazhenov Yu.M. Beton pri dinamicheskom nagruzhenii [Concrete Exposed to Dynamic Loading]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1970, 272 p.
2. Prokopovich I.E., Kobrinets V.M., Polovets V.I., Tvardovskiy I.A. Vliyanie rezhima prilozheniya szhimayushchey nagruzki na dlitel'noe soprotivlenie betona [Influence of the Compression Load Pattern on the Long-term Concrete Strength]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1991, no. 6, pp. 6—8.
3. Brodskiy V.V. Soprotivlenie dinamicheskim impul'snym vozdeystviyam predvaritel'no napryazhen-nykh betonnykh elementov i zhelezobetonnykh kolonn [Resistance of Pre-stressed Concrete Elements and Reinforced Concrete Columns to Dynamic Pulse Forces]. Rostov-Don, 2001, 23 p.
4. Kirillov A.P. Prochnost' betona pri dinamicheskikh nagruzkakh [Concrete Strength If Exposed to Dynamic Loads]. Beton i zhelezobeton [Concrete and Reinforced Concrete]. 1987, no. 2, pp. 38—39.
5. Tsvetkov K.A. Vliyanie dinamicheskogo nagruzheniya na prochnostnye i deformativnye svoystva betona pri odnoosnykh i dvuosnykh napryazhennykh sostoyaniyakh [Dynamic Loading Influence on Concrete Strength and Deformation-related Properties in the Event of Mono-axial and Bi-axial Stress States]. Moscow, MSUCE, 2007.
6. Tsvetkov K.A. Osnovnye rezul'taty eksperimental'no-teoreticheskikh issledovaniy prochnostnykh i deformativnykh svoystv betona pri dinamicheskom nagruzhenii v usloviyakh odnoosnogo i dvukhosnogo szhatiya [Key Results of Experimental and Theoretical Researches of the Concrete Strength and Deformation-related Properties under Dynamic Loading in the Event of Mono-axial and Biaxial Compression]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2007, no. 3, pp. 109—120.
7. Malashkin Yu.N., Bezgodov I.M., Tsvetkov K.A. Metodicheskie osobennosti issledovaniya deformativno-prochnostnykh kharakteristik betona pri dinamicheskom nagruzhenii v usloviyakh slozh-nykh napryazhennykh sostoyaniy [Methodological Features of Research of Concrete Deformation and Strength-related Properties under Dynamic Loading in Complex Stress States]. Estestvennye i tekh-nicheskie nauki [Natural and Technical Sciences], 2007, no. 1, pp. 182—190.
8. Tsvetkov K.A. Vliyanie dinamicheskogo nagruzheniya na prochnost' i deformativnye kharakter-istiki betona pri odnoosnom rastyazhenii i napryazhennom sostoyanii "szhatie-rastyazhenie" [Dynamic Loading Influence on Concrete Durability and Deformation-related Properties under Mono-axial Strain and in the "Stress-Strain" State]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences]. 2007, no. 4, pp. 294—298.
About the authors: Tsvetkov Konstantin Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Strength of Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Bazhenova Aleksandra Vladimirovna — master student, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Bezgodov Igor' Mikhaylovich — Researcher, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation.
For citation: Tsvetkov K.A., Bazhenova A.V., Bezgodov I.M. Postroenie diagrammy deformirovaniya betona pri odnokratnom dinamicheskom vozdeystvii s uchetom vliyaniya predva-ritel'nykh napryazheniy ot deystviya staticheskoy nagruzki [Construction of a Diagram Describing Deformation of Concrete Exposed to a Single Dynamic Force with Account for Prestresses Produced by the Static Load]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 152—158.
