CC BY
95
УДК 624.012.35
КУМПЯК ОЛЕГ ГРИГОРЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kumpyak@yandex.ru
МЕЩЕУЛОВ НИКИТА ВЛАДИМИРОВИЧ, аспирант, nikita.mesheulov@mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПРОЧНОСТЬ СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО НАКЛОННЫМ СЕЧЕНИЯМ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
В статье показаны пути решения вопроса по увеличению динамической прочности наклонных сечений сжато-изогнутых железобетонных конструкций. Представлена методика, и приведены результаты экспериментальных исследований поперечной динамической нагрузкой железобетонных сжатых конструкций по наклонному сечению на податливых опорах. Показаны методика и результаты экспериментальных исследований податливых опор. По результатам испытаний установлено положительное влияние продольного обжатия на прочность наклонных сечений динамически изгибаемых железобетонных конструкций на податливых опорах.
Ключевые слова: динамическая нагрузка; сжато-изгибаемые железобетонные элементы; прочность; наклонные сечения; податливые опоры.
OLEG. G. KUMPYAK, DSc, Professor, kumpyak@yandex.ru
NIKITA V. MESHCHEULOV, Research Assistant, nikita.mesheulov@mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
OBLIQUE-SECTION COMPRESSIVE AND FLEXURAL STRENGTH OF YIELD-SUPPORTED CONCRETE STRUCTURES UNDER DYNAMIC LOAD
The paper presents the problem of increasing the dynamic strength of oblique sections in compressive and flexural concrete structures. The experimental methodology and test results are analyzed in terms of the dynamic load, reinforced concrete structures with yield supports under sectional compressive strength. The experimental methodology and test results of yielding supports are also presented herein. These results show a positive effect of the longitudinal compressive strength of oblique sections in bending concrete structures with yielding supports.
Keywords: dynamic load; compressive and flexural strength; concrete element; oblique section; yielding supports.
Некоторые производственные здания в процессе эксплуатации могут подвергаться особым динамическим воздействиям, возникающим вследствие взрывов газопаровоздушных смесей, конденсированных взрывчатых веществ и т. п.
© Кумпяк О.Г., Мещеулов Н.В., 2014
Существуют различные методы повышения взрывостойкости сооружений.
Основным путем решения данной задачи является повышение прочностных характеристик материалов (бетона и арматуры), увеличение геометрического сечения конструкций. Этот способ является материалоемким и не всегда экономически оправданным.
Другим способом повышения сопротивления конструкций к взрывным воздействиям является применение податливых опор. В последнее время в этом направлении выполнен ряд научно-исследовательских работ, в которых получен существенный положительный эффект энергопоглощения системы «конструкция - податливая опора» [1-7].
Анализ исследований по теме динамической прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых конструкций на податливых опорах показал, что вопрос продольного обжатия в них не был затронут.
Для изучения влияния продольного обжатия на прочность балочных конструкций по наклонным сечениям при поперечном динамическом нагру-жении были проведены экспериментальные исследования. При планировании эксперимента учитывались характер деформирования опор и условия сопротивления опытных конструкций (табл. 1).
Таблица 1
Программа экспериментальных исследований
Условия испытания
Динамическое нагружение
Уровень обжатия
N = 0
N = 0,2 Nm
N = 0,4 Nm
Схема испытаний
Шифр образца
РЧ
Д
РЧ
о
I
О
Д
РЧ
<м о
I
Д
РЧ
<м о
Д
РЧ
<м о
Д
РЧ
о
I
Д
РЧ
о
Д
РЧ
о
Д
РЧ
Количество
Стадия работы податливой опоры
г
у
У
кая ая м е
1 1 ка и
о с е о с н
г г е е
у рп ти ас & ти д р е
У У ас в т
л л о
п п с
г
у
руУп
ая ая м е
1 ка 1 ка и
о с о с н
г е г е е
у рп ти & ти д р е
У ас У ас в т
л л о
п п с
г
у
У
ая ая м е
1 ка 1 ка и
о с о с н
г е г е е
у рп ти у рп ти д р е
У ас У ас в т
л л о
п п с
1
1
1
1
2
2
1
2
2
*
Шифр образца указывает на условия испытания конструкции. Индекс Д в обозначении говорит о том, что балка испытана динамической нагрузкой. Следующие за ним буквы обозначают стадию динамического деформирования опоры: У - упругая; УП - упруго-пластическая; УПО - упруго-пластическая с отвердением. Цифра указывает относительный уровень продольного обжатия.
Для реализации программы исследований необходимо законструиро-вать податливые опоры. Установить их оптимальные жесткости, согласующиеся с жесткостными параметрами балок. Изучить экспериментально характер деформирования опор под нагрузкой.
Использовалась модель податливой опоры в виде вставок кольцевого сечения, внутренний диаметр которых составлял 27,2 мм, внешний - 33,5 мм, толщина стенки - 3,15 мм. Основными достоинствами этой модели является простота конструкции, а также возможность варьировать жесткость опоры в зависимости от поставленной задачи путем изменения длины вставки (рис. 1).
Рис. 1. Стадии работы податливых опор разной длины: 1 - 20 мм; 2 - 40 мм; 3 - 60 мм; 4 - 80 мм; 5 - 100 мм; 6 - 120 мм; d1 - внутренний диаметр; d1 - внешний диаметр; 5 - толщина стенки
Испытание податливых опор статической нагрузкой проводилось на экспериментальной установке ГК8ТЯОК-3382. Скорость нагружения для всех образцов составляла 200 мм/мин. На диаграммах напряженно-деформированного состояния податливых опор наблюдаются три характерные стадии (упругая, пластическая и стадия отвердения). Из полученных диаграмм можно выделить также прямую зависимость между длиной сминаемых вставок и их упругой стадией работы.
Железобетонные образцы балочного типа изготовлены из бетона класса В20 размерами: длина 2000 мм, ширина 100 мм и высота 200 мм. Балки армированы пространственным каркасом. Поперечное армирование выполнено из холоднодеформированной арматуры класса Вр500 (с условным пределом те-
кучести 502 = 502 МПа, 20 3 мм с шагом 50 мм в приопорной зоне и 100 мм в середине пролета. Продольное армирование выполнено из горячекатаной арматуры класса А-240, 20 6 мм в сжатой зоне элемента и горячекатаной арматуры класса А-400, 20 18 мм в растянутой зоне.
Перед испытаниями на балках был установлен комплекс измерительных приборов: деформации арматуры и бетона регистрировались тензорезистора-ми, измерение прогибов осуществлялось прогибомерами WayCon 8Ь150-08И, величины динамической нагрузки - силоизмерительным устройством ДСТ 4126, опорные реакции измерялись динамометрическими опорами, ускорения различных участков конструкции регистрировались акселерометрами ЛКЕ-100000Л. Фиксация и обработка деформаций материалов и конструкций, ускорения, динамические реакции балки осуществлялись с использованием электронно-вычислительного комплекса М1С300М и М1С400Б.
Испытания проводились на разработанном, спроектированном и изготовленном стенде (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид стенда для испытаний сжатых конструкций при поперечной кратковременной динамической нагрузке:
1 - силовой пол; 2 - образец; 3 - груз; 4 - силомер; 5 - динамометрическая опора с установленной податливой вставкой; 6 - гидродомкрат; 7 - траверса; 8 - пружина; 9 - горизонтальные тяжи
Испытуемый железобетонный образец 2 монтировался на сминаемые вставки, установленные на динамометрические опоры 5, закрепленные на силовом полу 1 и обеспечивающие шарнирное опирание. Посредством домкрата 6 через систему упорных элементов и горизонтальных направляющих 9 создавалось и фиксировалось центральное продольное сжимающее усилие, равное 0, 20 и 40 % от разрушающего (Д^х).
Поперечное динамическое нагружение создавалось путём свободного падения груза по вертикальным направляющим стойкам. Посредством распределительной траверсы нагрузка на балку передавалась в двух сечениях на
расстоянии 340 мм от опор. Таким образом, относительный пролет среза составил а = 2Н0. Масса груза и высота его падения устанавливались исходя из условий работы конструкции и опоры.
На рис. 3 представлены качественные картины состояния приопорной зоны балки в предельной стадии при работе опор в упруго-пластической стадии при одинаковой поперечной динамической нагрузке, но разном уровне продольного обжатия конструкции.
При отсутствии продольного обжатия наблюдается образование нескольких наклонных трещин (ширина раскрытия трещин составила 0,3 мм). С увеличением уровня продольного обжатия до N = N / Nmaк = 0,2 наклонные трещины менее выражены (ширина раскрытия уменьшается до 0,2 мм). При этом высота сжатой зоны бетона над вершиной наклонной трещины увеличивается. Наблюдается увеличение угла наклона трещин к горизонтальной оси. При N = 0,4 имело место образование одной маловыраженной наклонной трещины (ширина раскрытия трещины составила 0,05 мм). Длина её проекции на горизонтальную ось уменьшилась. Критическая наклонная трещина развивается не на всю высоту сечения балки. Высота сжатой зоны бетона над вершиной наклонной трещины более выражена.
Рис. 3. Состояние приопорной зоны балок, испытанных на упруго-пластических опорах при различных степенях продольного обжатия:
а - NN = 0; б - NN = 0,2; в - NN = 0,4
б
а
в
Проанализировав характер разрушения балок, можно говорить о некотором повышении динамической прочности конструкций по наклонным сечениям с увеличением уровня продольного обжатия.
На рис. 4 представлено предельное состояние приопорной зоны балок при одинаковом уровне продольного обжатия, но разных условиях работы опор. Для всех трех случаев из-за увеличения сжатой зоны бетона вследствие продольного обжатия наклонная трещина развивается не на всю высоту наклонного сечения, однако при упругой стадии работы опор длина ее проекции и ширина раскрытия несколько больше, чем при работе опор в упруго-пластической стадии и упруго-пластической стадии с отвердением (значение ширины раскрытия трещин БДУ-04 - 0,8 мм; БДУП0-04 - 0,2 мм; БДУП-04 -0,05 мм).
Рис. 4. Предельное состояние приопорной зоны балок при уровне обжатия N = 0,4 и разных стадиях работы податливых опор:
а - упругая; б - упруго-пластическая с отвердением; в - упруго-пластическая
При одинаковой поперечной динамической нагрузке с увеличением уровня продольного обжатия увеличивается реакция системы (рис. 5). При работе опор в упруго-пластической и упруго-пластической с отвердением стадиях увеличивается время действия нагрузки, причем закономерность наблюдается независимо от уровня продольного обжатия.
Рис. 5. Характерные графики реакции системы в зависимости от уровня продольного обжатия и стадии работы опор:
а - упругая; б - упруго-пластическая с отвердением; в - упруго-пластическая
Однако, если при упругой стадии работы опор наблюдается один пик на графике реакции системы, то при работе опор в пластической и пластической с отвердением стадиях имеются два пика.
Данная особенность динамического сопротивления системы «балка -опора» обусловлена характером деформирования опор (см. рис. 1). В процессе пластического деформирования опор имеет место увеличение сопротивления системы «конструкция - податливая опора», а с переходом в стадию отвердения пластические деформации исчезают, и жесткость опоры резко увеличивается. Балка на опорах останавливается, что приводит к увеличению сил инерции и резкому скачку в сопротивлении конструкции.
Сопротивление сжато-изогнутой конструкции по наклонному сечению также можно отследить по развитию деформаций бетона и арматуры в пролете среза (рис. 6, 7, 8, 9).
С увеличением уровня продольного обжатия деформации поперечной арматуры уменьшаются. Данная закономерность наблюдается независимо от условий работы податливых опор (упругая стадия, упруго-пластическая, стадия отвердения).
б
йо
а ,--ч БДУ-0
I ш
\
1 " г\
г / Ь ^
\
1 7 ---
I 0. Ч 0. 12 0. КЗ «.
Время, с
250 200 151) 100 50 0 -50
в УИО-0.2 БДУГЮ-0
3 ! У 4 Ч \л
| ' / ^ V / ЬДУ1Ю-0,4
(
1 ¿1 -,/ N ' 1 X/ ч ^ ,,
/ Ч у
0. 11 0. 12 0, >3 Црсчя, с 0,
250 200 150 100 50
о
-50
Ь Е ИУТ1-0
I I Л^ 1 --- ЩУТ 1-0,1 ЕДУИ-0,4
I Р 'Г ■Л
^: V --=—™
1 1,1 Время, с
0. [II 0. 12 0. [13 0.
а
в
Рис. 6. Характерные графики изменения деформаций поперечной арматуры в зависимости от уровня обжатия и стадии работы опор:
а - упругая; б - упруго-пластическая с отвердением; в - упруго-пластическая
Рис. 7. Деформации поперечной арматуры (е.о.д.-105) в пролете среза при разном уровне продольного обжатия при работе опор в упругой стадии: а - БДУ-0; б - БДУ-02; в - БДУ-04
Рис. 8. Деформации поперечной арматуры (е.о.д.-105) в пролете среза при разном уровне продольного обжатия при работе опор в упруго-пластической стадии: а - БДУП-0; б - БДУП-02; в - БДУП-04
зос
300 150
(М 1дз|
' и.
БД>Ч>
% '1 ; 1 1 пду-о,;
! И БД 1-0.4
I V
1 1 / 1 у. \ V
— ^ - —
_ ( / ^_ —, —
| 0. ■1 О. а Нрсмл. с"
о 3 Е ДУП-0.1 ДУП-О.4
=! 1 /■
и> \ "
/ ЕДУ ГШ
0. И 0 е о. 15 Нрсыя.с 1).
Рис. 9. Зависимость деформаций бетона (Тр11) от уровня обжатия и стадии работы опор:
а - упругая; б - упруго-пластическая с отвердением; в - упруго-пластическая; г - схема расположения датчиков деформаций; А2, А4 - деформации бетона при обжатии конструкции
При упругой схеме работы опор поперечная арматура включается в работу в короткий промежуток времени в соответствии с характером сопротивления балки (см. рис. 6, а и 5, а). При упруго-пластической и упруго-пластической с отвердением схемах работы опоры время включения поперечной арматуры в работу в наклонном сечении увеличивается приблизительно в три раза (см. рис. 6, б, в), и характер сопротивления сжато-изогнутой конструкции по наклонному сечению в этом случае более пластичен (см. рис. 5, б, в). При этом величина деформаций поперечной арматуры, а следовательно, напряжения в ней уменьшаются с увеличением пластичности опорных устройств (см. рис. 6, а, б, в и рис. 7, 8).
Деформации сжатой зоны бетона при изгибе балки с увеличением уровня продольного обжатия уменьшаются, несмотря на наличие начальных деформаций вследствие обжатия конструкции А2, А4 (рис. 9). Данная зависимость характерна при любой схеме работы податливых опор.
Выводы
С повышением уровня продольного обжатия балки её реакция на поперечное динамическое воздействие увеличивается независимо от стадии работы податливых опор. При этом с увеличением пластической составляющей деформирования опорных устройств время сопротивления конструкции по
б
а
в
г
наклонному сечению значительно увеличивается, т. е. динамическое деформирование изгибаемой конструкции с продольным обжатием по наклонным сечениям проходит более пластично.
С увеличением уровня продольного обжатия имеет место перераспределение усилий в наклонном сечении балки между поперечной арматурой и бетоном сжатой зоны. При этом часть поперечной силы, воспринимаемая хомутами, снижается.
Библиографический список
1. Кумпяк, О.Г. Деформирование железобетонных балок на податливых опорах при кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов // Современные проблемы строительных материалов, конструкций, механики грунтов и сложных реологических систем: материалы Международной научно-технической конференции СГАСУ. - Самарканд, 2013. - С. 31-35.
2. Кумпяк, О.Г. Расчет железобетонных плит на кратковременные динамические нагрузки с учетом реальных свойств материалов / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов // Бетон и железобетон. - 2007. - № 6. - С. 15-19.
3. Прочность и деформативность железобетонных балок и плит на податливых опорах при интенсивном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, Д.Н. Ко-корин, В.Б. Максимов // Бетон и железобетон - взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12-16 мая 2014 г.): в 7 т. Т. 1. Теория железобетона. Железобетонные конструкции. Расчет и конструирование. - М. : МГСУ, 2014. - С. 315-325.
4. Кумпяк, О.Г. Экспериментально-теоретические исследования железобетонных балок на податливых опорах по наклонным сечениям при сейсмических и других динамических нагружениях / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, Д.Н. Кокорин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2013. - № 1. - С. 40-45.
5. Кумпяк, О.Г. Исследование железобетонных плит, опертых по контуру на жесткие и податливые опоры, при кратковременном динамическом нагружении / О.Г. Кумпяк, З.Р. Галяутдинов, В.Б. Максимов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 1. - С. 69-76.
6. 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 Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2006. - № 2. - С. 110-114.
7. Родевич, В.В. Расчет прочности железобетонных элементов по наклонному сечению при действии кратковременной динамической нагрузки / В.В. Родевич // Известия вузов. Строительство. - 2001. - № 8. - С. 144-146.
References
1. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R. Deformirovanie zhelezobetonnykh balok na podatlivykh oporakh pri kratkovremennom dinamicheskom nagruzhenii [Deformation of reinforced concrete beams with yielding supports under dynamic loading]. Proc. Sci. Conf. 'Modern Problems of Construction Materials, Structures, Terramechanics, and Difficult Rheological Systems'. SGASU Publ., Samarkand. 2013. Pp. 31-35. (rus)
2. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R. Raschet zhelezobetonnykh plit na kratkovre-mennye dinamicheskie nagruzki s uchetom real'nykh svoistv materialov [Dynamic load analysis of reinforced concrete slabs accounting for real properties of materials]. Beton i zhelezobeton. 2007. No. 6. Pp. 15-19. (rus)
3. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Kokorin D.N., Maksimov V.B. Prochnost' i de-formativnost' zhelezobetonnykh balok i plit na podatlivykh oporakh pri intensivnom dinamicheskom nagru-zhenii [Strength and deformability of reinforced concrete beams and slabs on yielding supports
under intensive dynamic loading]. Proc. 3rd All-Rus. (2nd Int.) Conf. on concrete and reinforced concrete. In 7 vol. Teoriya zhelezobetona. Zhelezobetonnye konstruktsii. Raschet i konstruirovanie. Moscow : MSUCE Publ., 2014. V. 1. Pp. 315-325. (rus)
4. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Kokorin D.N. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovani-ya zhelezobetonnykh balok na podatlivykh oporakh po naklonnym secheniyam pri seismich-eskikh i drugikh dinamicheskikh nagruzhe-niyakh [Experimental and theoretical research of reinforced concrete beams on yielding supports under seismic and other dynamic loads]. Seis-mostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost'sooruzhenii. 2013. No. 1. Pp. 40-45. (rus)
5. Kumpyak O.G., Galyautdinov Z.R., Maksimov V.B. Issledovanie zhelezobetonnykh plit, oper-tykh po konturu na zhestkie i podatlivye opory, pri kratkovre-mennom dinamicheskom nagru-zhenii [The analysis of two-way reinforced concrete slabs on rigid and yielding supports at short-term dynamic loading]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. Tomsk. 2013. No. 1. Pp. 69-76. (rus)
6. Kumpyak O.G., Malinovskii A.P., Pedikov A.V. Eksperimental'no-teoreticheskoe issledovanie szhatykh zhelezobetonnykh balok na podatlivykh oporakh pri kratkovremennom dinamich-eskom nagruzhenii [Experimental and theoretical research of compressed reinforced concrete beams on yielding supports under dynamic load]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. Tomsk. 2006. No. 2. Pp. 110-114.(rus)
7. Rodevich V.V. Raschet prochnosti zhelezobetonnykh elementov po naklonnomu secheniyu pri deistvii kratkovremennoi dinamicheskoi nagruzki [Strength analysis of oblique-section reinforced concrete elements under the dynamic load]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2001. No. 8. Pp. 144-146. (rus)
