CC BY
41
Параметры, полученные при помощи программы Autodesk Inventor
Параметры Опора на Э-х ножках высотой 40 м Одиночная опора высотой 40 м Разница
Эквивалентная сосредоточенная сила Н 2Э000 2Э000 0%
Напряжение по Мизесу мПа 206 204 0,50%
Коэффициент запаса прочности Ml 1,05 1,06 0,90%
Смещение см 124 16Э 24%
Масса кг 4110 4800 12%
позволил подобрать оптимальные параметры для частного случая - опоры ЛЭП, высотой 40 м, из многогранных гнутых стоек: сечения стоек, толщину фланца (8-10) мм из листовой стали, толщина которой со-
ставляет 5-7 мм. Масса такой конструкции по сравнению с одностоечной опорой легче в 1,3 раза (см. таблицу).
Статья поступила 26.03.2015 г.
1. Кузнецов И.Л., Сабитов Л.С., Исаев А.В. Конструкции с соединениями стальных труб разного диаметра: монография. Казань: КГАСУ, 2012. 123 с.
2. Пат. № 2288399, РФ. Узел соединения труб / И.Л. Кузнецов, А.В. Исаев, Л.С. Сабитов. Заявл. 07.04.2005; опубл. 27.11.2006. Бюл. № 18/2007. 4 с.
3. Пат. № 2337268, РФ. Способ соединения труб разного диаметра / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов, А.В. Исаев. Л.С. Заявл. 28.03.2007; опубл. 27.10.2008. Бюл. № 30. 4 с.
4. Пат. № 2365805, РФ. Узел соединения труб разного диаметра» / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 22.05.2008; опубл. 27.08.2009. Бюл. № 24. 6 с.
5. Пат. № 2382266, РФ. Способ изготовления узла соединения труб разного диаметра / И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 05.11.2008; опубл. 20.02.2010. Бюл. № 5. 6 с.
6. Пат. № 2495213, РФ. Способ изготовления стальной опоры регулярного переменного сечения» // И.Л. Кузнецов, Л.С. Сабитов. Заявл. 19.04.2012; опубл. 10.10.2013. Бюл. № 28. 6 с.
7. Пат. № 2511239, РФ. Узел соединения трубчатых стержней // Л.С. Сабитов, И.Л. Кузнецов, А.А. Биктимиров. Заявл. 09.10.2012; опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10. 6 с.
8. Пат. № 2541006, Р.Ф. Узел соединения трубчатых стержней // Л.С. Сабитов, И.Л. Кузнецов И.Л., И.Н. Хамидул-лин, Р.П. Степанов. Заявл. 21.03.2014; опубл. 10.02.2015.
Библиографический список
Бюл. № 4. 6 с.
9. Пат. №118666, РФ. Опора линии электропередачи // В.Т. Белозерцев, Б.М. Гершкович, Б.М. Игнатьев, С.Б. Игнатьев С.Б. Заявл. 06.03.2012; опубл.: 27.07.2012. Бюл. № 21. 2 с.
10. Сабитов Л.С Разработка и исследование соединений стальных труб разного диаметра // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. № 1 (9). С. 102-105.
11. Сабитов Л.С. Напряженно-деформированное состояние узла соединения трубчатых стержней опоры линии электропередач. // Материалы международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2014» посвященной 90-летию со дня рождения Юнусова Файзрахмана Салаховича: в 2-х ч. Казань, . АО КНИАТ, 2014. Ч. 2. С. 117-120.
12. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Гатиятов И.З Экспериментальные исследования узлов соединения труб разного диаметра в опорах контактных сетей электротранспорта //Вестник гражданских инженеров. 2014. № 6 (47). С. 90-95.
13. Хамидуллин И.Н., Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Ильин В.К. К вопросу о рациональности применения опор линий электропередачи из многогранных гнутых стоек // Энергетика Татарстана. 2014. № 1 (33). С. 43-47.
УДК 691.327
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
© П.С. Созонов1, Б.И. Пинус2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты экспериментально-аналитических исследований о влиянии скорости нагружения в режиме постоянства деформирования на нормируемые показатели прочности и деформативности бетона. Подтверждена не тождественность их изменения и качественная структурная трансформация сжимаемости бетона при скоростях воздействия, сопоставимых с сейсмическими. На основании статистических данных сделаны выводы о характере изменения поведения бетона. Выполнен сопоставительный анализ экспериментально полученных и закрепленных в нормах параметров бетона.
Ключевые слова: бетон; динамическое упрочнение; предельные деформации; диаграмма a-e; нормативные параметры, сейсмическое воздействие.
1Созонов Павел Сергеевич, аспирант, тел.: 89500615891, e-mail: [email protected] Sozonov Pavel, Postgraduate, tel.: 89500615891, e-mail: [email protected]
2Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, тел.: 89025130501, e-mail: [email protected]
Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Structures, tel.: 89025130501, e-mail: [email protected]
1814-Э520
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101 ) 2015
117
LOADING RATE EFFECT ON CONCRETE STRUCTURAL CHARACTERISTICS P.S. Sozonov, B.I. Pinus
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the results of experimental and analytical studies of loading rate impact on standardized indices of concrete strength and deformability under constant straining. Tests confirm nonidentity of changes in concrete structural characteristics and qualitative structural transformation of concrete compression when loading rates are comparable to seismic ones. Basing on statistic data, concrete behavior is characterized and the comparative analysis of experimentally obtained and normative concrete parameters is performed.
Keywords: concrete; dynamic reinforcement; ultimate deformations; o-z diagram; specified parameters; seismic load.
Введенные в качестве нормативных методы расчета железобетонных элементов по нелинейным деформационным моделям основываются на использовании диаграмм состояния бетона и арматуры, определяющих связь между напряжениями и деформациями. При этом для бетонов предложены двух- и трех-звенные модели, содержащие фиксированные значения деформаций, дифференцированные, главным образом, в зависимости от продолжительности действия нагрузки [1, табл. 6.10].
Практическое применение указанных методов наиболее целесообразно при проектировании строительных конструктивных систем, условия эксплуатации которых соответствуют расчетным моделям, позволяющим использование потенциала нелинейного деформирования бетона, в частности, при динамических расчетах зданий и сооружений в сейсмических районах и в случаях учета аварийных ситуаций, расчетные сочетания которых содержат импульсные (мгновенные) воздействия. Поведение бетона в подобных условиях характеризуется определенной спецификой, которая учитывается введением дополнительного коэффициента условий работы ткр к расчетному сопротивлению [2]. При этом какая-либо коррекция деформаций и модуля упругости не предусматривается.
Ограниченность такого подхода и использования нелинейных моделей деформаций очевидна, поскольку тождественность изменения прочности и деформа-тивности бетона при различных скоростях нагружения проблематична и нуждается в системных целенаправленных исследованиях. Влияние скорости нагружения на конструктивные свойства бетона является экспериментально установленным фактом [2, 3, 4, 5]. Причем большинство исследований посвящено вопросу изменения динамической прочности, как интегральной и более чувствительной характеристике бетона. Полученные результаты характеризуются существенным разбросом данных, что объяснимо отсутствием единой методики испытаний, различием состава, размеров, формы образцов, способов нагружения и др. Тем не менее, не вызывает сомнения факт роста прочности с повышением скорости приложения нагрузки.
Менее представительны исследования, касающиеся влияния скорости нагружения на модуль деформаций [3]. Испытания проводились на небольших образцах и подтвердили меньшую динамику возрастания при сокращении времени нагружения. Значимое увеличение модуля наблюдалось только при высоких
уровнях напряжений (— = 0,9). Существенно отличать
ющиеся численные величины соотношений динамического и статического модулей деформаций, на наш взгляд, объяснимы различием методики нагружения и фиксации контролируемых параметров.
Что касается предельных деформаций, то наблюдаемые изменения еЬи при динамических нагружениях незначительны и объяснимы случайными флуктуаци-ями опытных данных. Отметим, что под предельными, вероятно, подразумеваются деформации, соответствующие максимальной нагрузке, что существенно ограничивает возможности использованных методов измерений (мессур, тензодатчиков, и т.п.).
Цель настоящей работы состоит в экспериментально-аналитической оценке поведения бетона при воздействиях со скоростью изменения деформаций, сопоставимой с динамикой сейсмических. Ее основное содержание состоит в сопоставительном анализе нормируемых параметров конструктивных свойств бетонов, испытанных в условиях квазистатического и динамического нагружения при постоянстве скорости деформирования (соответственно 0,004 и 2 мм/с).
Испытания выполнены с применением комплекса !пб1гоп 5989, позволяющего вести нагружение в автоматическом режиме с одновременной записью диаграмм о-е, времени, энергии разрушения и модуля деформаций. Испытано 38 призматических образцов (10х10х40 см), изготовленных из бетона класса В25 в зрелом (более 60 дней) возрасте. Скорости нагруже-ния бетона соответствуют стандартным (серия 1) и вероятным [4] сейсмическим (серия 2). Количество образцов принято минимально необходимым с точки зрения статистической представительности и возможности вероятностного обобщения.
«Семейства» диаграмм сжатия бетона двух режимов испытаний представлены на рис. 1. При сравнительном внешнем сходстве они имеют весьма существенные различия, состоящие в динамике прочности, плотности распределения, характере деформирования до и после достижения максимума сопротивления. В совокупности это предопределяет целесообразность детального анализа поведения бетона, который излагается ниже при модельном виде диаграмм деформирования, приведенном на рис. 2.
Принятые при этом обозначения характеристик следующие: ои, еи - максимальные напряжения и соответствующие деформации; 0,8ои, ем - условный уровень напряжения на нисходящий ветви диаграммы (условный момент разрушения) и соответствующие
118
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101) 2015
1814-3520
50 45 го 40 I 35 гс 30
s
25 20 15 10 5 0
I
<u а;
с го X
0,000 0,002 0,004 0,006
Деформации, мм/мм
а
IZ
е
* и;
р
с
а
X
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
0
0,000 0,002 0,004 0,006
Деформации, мм/мм
Рис. 1. Семейство диаграмм деформирования по результатам испытаний (слева - при статической скорости, справа - при динамической скорости)
>
\ 1
S-arctgE ь А
Рис. 2. Модель деформирования бетона
ему предельные деформации; ¿0, ¿е, ¿pi, ¿и,pi - соответственно начальные (остаточные), упругие, пластические и псевдопластические деформации.
Принятые при этом обозначения характеристик следующие: ои, еи - максимальные напряжения и соответствующие деформации; 0,8ои, ¿иП - условный уровень напряжения на нисходящий ветви диаграммы (условный момент разрушения) и соответствующие ему предельные деформации; ¿0, ¿е, ¿pi, ¿и,р1 - соответственно начальные (остаточные), упругие, пластические и псевдопластические деформации.
Тогда полные деформации на восходящем участке деформирования соответствуют
¿и = ¿0 + ¿е + ¿pi, (1)
а максимальные, с учетом нисходящей ветви,
¿иП = ¿0 + ¿е + ¿pi + ¿и,рЬ (2)
Статистики значимых показателей прочности и деформативности в предположении их нормального распределения приведены в табл. 1. Здесь же указаны коэффициенты динамичности кд.у, определенные как соотношение соответствующих параметров равной обеспеченности при различных скоростях нагружения.
Отметим, что опытные значения конструктивных свойств бетона (ои, Eb, ¿и, ¿м) характеризуются высокой плотностью распределения с коэффициентом вариации менее условного стандартного значения (13%). Это указывает на приемлемую представитель-
ность и достаточную достоверность экспериментальных величин анализируемых параметров. Косвенно это следует и из практического совпадения коэффициентов динамического упрочнения, оцениваемых по соотношению средних и вероятно ожидаемых с 95% обеспеченностью значений. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что в рассматриваемом диапазоне скорости нагружения происходит увеличение прочности (15-16%), модуля деформаций (10%) и практически стабильны деформации еи, соответствующие уровню максимума напряжений. При этом модуль деформаций существенно (до 2 раз) ниже принятого в нормативных документах, что может быть вызвано принятой методикой испытаний с постоянной скоростью деформирования и учетом начальных деформаций.
Однако структура и характер деформирования при динамическом нагружении существенно изменяются. Так, почти в два раза снижаются начальные деформации ¿о, косвенно свидетельствующие о структурных несовершенствах (структурной неоднородности) и сплошности бетона. При практически стабильной упругой составляющей деформаций ощутима трансформация на участках пластического (рост 11,5%) и особенно псевдопластического (около 60%) деформирования.
На наш взгляд, наблюдаемая специфика динами-
1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101) 2015
119
ческого деформирования является вполне объективной характеристикой свойств бетона, установление которой возможно в условиях возрастания нагружения с постоянной скоростью деформирования. Косвенное подтверждение данного предположения следует из анализа удельных деформаций при максимальных напряжениях и на конце учитываемого участка нисходящей ветви а-е (табл. 2).
ных свойств бетона при нагружениях, тождественных сейсмическим (аварийным) по скорости приложения. Установлено возрастание динамической прочности, жесткости и качественная трансформация структуры деформаций в направлении снижения доли упруго-пластических деформаций.
2. Коэффициент динамического упрочнения с 95% обеспеченностью составляет 1,15, что несколько
Прочность и деформативность бетона при различных скоростях нагружения
Таблица 1
Параметр Единицы измерения Статистики распределения серий Коэффициент динамичности
1 2
Среднее Коэффициент вариации, % Диапазон 95% обеспеченности Среднее Коэффициент вариации, % Диапазон 95% обеспеченности По сред ним значениям 95% обеспеченности
Ou МПа 35,0 12 28,1-41,9 40,4 12 32,5-48,3 1,154 1,157/1,153
Eb ГПа 17,6 10 14,7-20,5 19,4 10 16,2-22,6 1,1 1,1/1,1
€o %0 0,48 46 0,12-0,84 0,27 62 0-0,54 0,56 -/0,64
€e %0 1,99 10 1,66-2,33 2,09 7 1,85-2,32 1,05 1,12/1,0
£pi % 0,52 29 0,27-0,77 0,57 23 0,35-0,78 1,09 1,3/1,01
€u,pl % 0,83 41 0,27-1,38 1,31 33 0,61-2,01 1,59 2,28/1,45
€u % 2,99 11 2,45-3,53 2,93 9 2,5-3,36 0,98 1,02/0,95
€ult % 3,82 15 2,88- 4,76 4,24 12 3,41-5,07 1,11 1,184/1,07
Таблица 2
Статистики распределения удельных деформаций _
Параметр Единицы измерения Статистики распределения серий Коэффициент динамичности
1 2
Среднее Коэффициент вариации, % Диапазон 95% обеспеченности Среднее Коэффициент вариации, % Диапазон 95% обеспеченности По средним значениям 95% обеспеченности
eu/au 105- ШПа 8,61 11 7,0-10,23 7,33 14 5,67-8,99 0,85 0,81/0,88
105- ШПа 13,69 13 10,66-16,7 13,21 12 10,5-15,9 0,97 0,99/0,95
Примечание. Ou = 0,8 Ou на нисходящей ветви a-e
Из них следует, что в условиях свободного деформирования {£ь< еи) увеличение скорости нагруже-ния сопряжено с ростом вероятности хрупкого разрушения, а увеличение деформативности в стесненных условиях объяснимо преимущественным развитием псевдопластических деформаций, то есть нарушений сплошности.
В заключение сформулируем основные выводы.
1. Экспериментальные данные и их вероятностно-статистический анализ подтверждают неоднозначность изменения значимых параметров конструктив-
ниже нормируемого коэффициента условий работы тКр = 1,2.
3. Нормируемые уровни относительных предельных деформаций при непродолжительном действии нагрузки (еЬ0 = 0,002) соответствуют нижней границе 95% обеспеченности. При этом опытные величины еи характеризуются очень большим разбросом значений, который объясним преимущественным развитием псевдопластических деформаций из-за интенсификации процесса микротрещинообразования в условиях динамического нагружения.
Статья поступила 13.04.2015 г.
Библиографический список
1. СП 63.13330.2012 (СНиП 52-01-2003 Актуализированная редакция) Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения // Свод правил / НИИЖБ им. А.А. Гвоздева. М., Госстрой России ФГУП ЦПП 2012. 155 с.
2. Сейсмостойкое строительство зданий: учеб. пособие для вузов / под ред. И.Л. Корчинского. М.: Высш. шк., 1971. 320 с.
3. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.:
CTpoMH3,qaT, 1970. 272 c.
4. Pajak M., The influence of the strain rate on the strength of concrete taking into account the experimental techniques // Architecture civil engineering environment. 2011. № 3. p. 77-86.
5. Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R., Theoretical StressStrain Model for Confined Concrete // ASCE Journal of Structural Engineering.1988. 114 (8). p. 1804-1826.
120
ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101 ) 2015
181А-3520
