Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ЖИВУЧЕСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РАМНО-СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВНЕЗАПНОЙ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Прасолов Николай Олегович

Орел - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс”.

Научный руководитель:	Колчунов Виталий Иванович академик РААСН, доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	Римшин Владимир Иванович член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО “Московский государственный строительный университет”, директор института Жилищно-коммунального комплекса
	Юров Александр Петрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО “Госуниверситет - УНПК”, доцент кафедры “Городское строительство и хозяйство”
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО “Брянская государственная инженерно-технологическая академия”

Защита состоится “26” апреля в 14-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО “Госуниверситет-УНПК” по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО “Госуниверситет - УНПК” по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29.

Автореферат разослан “ 25 “ марта 2013г.

Ученый секретарь диссертационного Совета А.И. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы в связи со всё возрастающими вызовами природного и техногенного характера и значительным износом основных фондов страны вступил в силу новый федеральный закон №384-ФЗ “Технический регламент о безопасности зданий и сооружений”. В нём обозначены новые требования функционального и конструктивного соответствия ожидаемым силовым и средовым воздействиям при проектных и возможных, так называемых, запроектных воздействиях на сооружения. Однако для обеспечения новых требований Федерального закона необходимо проведение более глубоких исследований, направленных на изучение запроектных воздействий, в частности, воздействий, связанных с внезапным выключением из работы отдельных несущих элементов.

Исследованиями РААСН и других научных организаций, выполненными в последние годы, обозначены новые концептуально-методологические подходы к обеспечению конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений, которые должны быть положены в основу решения таких задач. В рамках этих подходов уже выполнен ряд исследований живучести конструктивных систем в условиях исчерпания силового и средового сопротивления от внезапного выключения отдельных несущих элементов. Наряду с задачами расчёта несущей способности конструкций с выключающимися связями в решении проблемы конструктивной безопасности зданий и сооружений актуальными являются исследования живучести железобетонных рамно-стержневых систем, связанные с внезапной потерей устойчивости ключевых конструкций, вызванной эволюционным накоплением повреждений.

Цель работы - развитие элементов теории и практических методов расчета живучести конструкций в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости отдельных несущих элементов.

Научную новизну работы составляют:

- расчетные зависимости для оценки живучести рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов;

- опытные данные о характере силового сопротивления и параметрах устойчивости внецентренно-сжатых элементов в конструкции железобетонной рамы в предельном и запредельном состояниях;

- методика и алгоритм расчета для исследования живучести железобетонных рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при внезапной потере устойчивости несущих элементов;

- результаты анализа экспериментальных данных и численных исследований, а также рекомендации по расчету железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях.

Автор защищает:

- методику испытаний и новые экспериментальные данные о деформировании нелинейных рамно-стержневых конструктивных систем в предельных и запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущего элемента;

- расчетные зависимости для оценки живучести нагруженных и коррозионно-повреждаемых конструкций в запредельных состояниях при потере устойчивости несущего элемента;

- алгоритм расчета и результаты численных исследований железобетонных рамно-стержневых конструкций в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущих элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов основывается на использовании базовых положений и гипотез строительной механики и механики железобетона, результатами проведенных автором экспериментальных исследований железобетонных рам, подтверждается результатами многовариантных численных исследований, в т.ч. расчетами реальных конструкций при их проектировании.

Практическое значение и реализация результатов работы

Разработанные методика и алгоритм расчёта позволяют анализировать живучесть внезапно повреждаемых железобетонных рам при потере устойчивости несущего элемента в запредельных состояниях. Реализация предложенной методики и алгоритма расчета при решении проектных задач реконструируемых железобетонных каркасов, гражданских и производственных зданий позволяет обосновано принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений.

Работа выполнена в рамках государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) подведомственным Минобрнауки России вузам на выполнение НИОКР, проект 7.402.2011 “Физические и расчетные модели сопротивления конструктивных систем из железобетона в запредельных состояниях”. Результаты проведенных исследований применены Орловским академцентром РААСН при расчете несущих элементов пристройки к бывшему дому Культуры “Железнодорожник” в г. Белгород. Результаты работы внедрены в учебный процесс Госуниверситета-УНПК (г. Орёл) и Юго-Западного государственного университета (г. Курск).

Апробация работы и публикации

В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры “Строительные конструкции и материалы” ФГБОУ ВПО “Госуниверситет-УНПК” (г. Орел, февраль 2013 г.).

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Получен патент на изобретение РФ на предложенную в работе методику экспериментальных исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах, включающих 135 страниц основного текста, 50 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 192 наименований и 3 приложения (29 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований по рассматриваемой теме, приведены общая характеристика диссертационной работы и основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния вопросов конструктивной безопасности и живучести эксплуатируемых зданий и сооружений. В настоящее время в строительной науке широко известны исследования, отражающие тематику живучести, в их числе работы Н.П. Абовского, Г.И. Шапиро, А.В. Забегаева, П.Г. Еремеева, В.М. Бондаренко, В.И. Колчунова, С.И. Меркулова, В.О. Алмазова, А.И. Попеско, В.Д. Райзера, В.И. Римшина, А.Г. Тамразяна, В.С. Уткина, Б.С. Расторгуева, Г.А. Гениева, Л.И. Иосилевского, Н.С. Стрелецкого, В.И. Травуша, И.А. Рябина, А.Г. Догодонова, Е.И. Шербистова, В.Ф. Крапивина, Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана, В.А. Котельникова и др. Однако на сегодняшний день практически отсутствуют работы по исследованию живучести физически и конструктивно нелинейных конструкций, связанные с потерей устойчивости отдельных несущих элементов в конструктивной системе. Вместе с тем, вопросы изучения процесса потери устойчивости элементов в железобетонных конструктивных системах, в том числе с большим износом несущих элементов, а также с элементами из высокопрочных бетонов, становятся всё более актуальными.

Фундаментальные исследования устойчивости стержней и стержневых систем выполнены известными российскими и зарубежными учеными, среди которых можно отметить работы Т. Кармана, Ф. Энгессера, Ф.С. Ясинского, И.Г. Бубнова, С.П. Тимошенко, П.Ф. Попковича, Н.С. Стрелецкого, A.Р. Ржаницына, Ф.Р. Шенли, А.С. Вольмира, Н.В. Карнаухова, А.Ф. Смирнова, B.В. Болотина, Б.Я. Лащенникова, Н.Н. Шапошникова, В.Д. Потапова, Ю.С. Крутия, Л.М. Каган-Розенцвейга, М.Д. Корчака, А.М. Иващенко, Ю.Б. Гольдштейна и др.

Применительно к стержневым конструктивным системам из железобетона в разные годы решён ряд задач по изучению процесса потери устойчивости с учётом специфики деформирования таких конструкций. В их числе известны работы Р.С. Санжаровского, А.И. Звездова, В.В Карпова, А.Н. Бамбуры, В.М. Бондаренко, А.А. Веселова, В.В. Улитина, В.С. Фёдорова, А.Ю. Солдатова, Е.А. Ларионова, В.И. Римшина и др.

Одним из ключевых вопросов исследования устойчивости систем является выявление наиболее опасных элементов или частей конструкции, способствующих развитию процесса потери устойчивости. В связи с тем, что процесс потери устойчивости всей конструкции вызывает потеря устойчивости одного несущего элемента или небольшой их группы, в работах Н.В. Карнаухова и А.Ф. Смирнова были введены понятия о состояниях стесненной и принужденной бифуркации отдельных частей конструкции, испытывающей общую потерю устойчивости. Длительное время эти понятия имели чисто качественное значение. Однако для определения вида бифуркации стержня в момент потери устойчивости, не были указаны количественные признаки. Критерий, позволяющий определить вид бифуркации стержня, впервые был предложен в работах А.В. Александрова.

К настоящему времени вопрос исследования процесса общей потери устойчивости рамно-стержневых систем с учётом совместной работы отдельных элементов рассмотрен в работах следующих авторов: А.В Перельмутера, В.И. Сливкера, А.В. Матвеева, В.И. Травуша, О.Б. Завьялова, М.И. Гуковой, М.Н. Кирсанова, А.И. Сапожникова, М.П. Сона, В. М. Бондаренко, Н. И. Карпенко и др.

Новый этап таких исследований связан с изучением живучести физически и конструктивно нелинейных систем с выявлением влияния выключения несущих элементов на процесс общей потери устойчивости в запредельных состояниях. Это и определило цель и задачи настоящих исследований, сформулированные выше.

Вторая глава диссертации посвящена построению расчетных зависимостей для оценки живучести рамно-стержневых систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов.

Для решения поставленной задачи приняты следующие основные рабочие гипотезы:

- запроектное воздействие на конструктивную систему при внезапном выключении из работы элемента определяется либо некоторым интегральным результатом накопления повреждений в ее элементах, либо локальным или прогрессирующим обрушением конструктивной системы;

- переход сечений элементов статически неопределимой системы в запредельное состояние характеризуется теми же критериями, что и при обычном кратковременном режиме нагружения, но с учетом изменения пределов прочности материалов;

- разрушение конструктивной системы определяется таким набором сечений, в частности, пластических шарниров, которые превращают конструкцию в кинематически изменяемую систему;

- на начальном этапе нагрузка, при действии которой не происходит выключения связей (например, собственный вес), считается постоянной, остальная нагрузка изменяется пропорционально одному параметру;

- при мгновенном изменении степени статической неопределимости полная удельная энергия конструктивной системы не изменяется.

На параметры живучести железобетонных нагруженных и коррозионно-повреждаемых рам при потере устойчивости несущих элементов значительное влияние оказывают внезапные структурные перестройки, связанные с выключением из работы связей или отдельных элементов системы. Такие запроектные воздействия, сопровождающиеся внезапным изменением степени статической неопределимости конструктивной системы, вызывают изменения критических параметров и соответствующих им значений критических сил. Приращение критической силы на первой полуволне динамического нагружения системы в момент внезапного запроектного воздействия может быть определено энергетическим методом из соотношения:

(1)

Рассматриваемые запроектные воздействия могут вызвать переход отдельных элементов из активной формы бифуркации в пассивную. Это явление, как было показано А. В. Александровым, представляет собой относительную опасность в связи с тем, что механизм потери устойчивости активной и пассивной стойки различен.

Величины критических параметров, характеризующих процесс общей потери устойчивости конструктивных систем, зависят от характера их топологии. Рациональный выбор топологии рамных конструкций даёт возможность управлять степенью живучести конструктивных систем при потере устойчивости несущих элементов.

На живучесть железобетонных нагруженных и коррозионно-повреждаемых конструктивных систем большое влияние оказывают средовые повреждения сечений или локальных зон. Для учёта этих повреждений в рассматриваемый узел расчётной схемы введён стержень-вставка заданной длины, жёсткость которого учитывалась в уравнениях устойчивости конструктивной системы коэффициентом податливости соединения k. Этот параметр можно определить с одной стороны из уравнения изогнутой оси балки, с другой стороны - как реактивный момент от единичного смещения.

Анализ влияния рассмотренных выше факторов на живучесть рамно-стержневых систем при потере устойчивости несущих элементов выполнен применительно к рамно-стержневой системе с жёстко защемлёнными стойками и жёсткими узлами сопряжения отдельных стержней (рис. 1, а).

В первом пролёте рама раскреплена связями, уменьшающими свободную длину крайней стойки в два раза. Рама нагружена внешними узловыми нагрузками (по стойкам), связанными между собой заданным соотношением. В качестве варьируемого параметра при расчёте рассматриваемой рамы принята свободная длина крайней стойки.

Для рассматриваемой (n)-системы определено значение критической силы, действующей на каждую стойку:

(2)

Полагая, что в результате коррозионных процессов элементы связей в первом пролёте разрушились, свободная длина первой стойки увеличилась в два раза, и расчётная схема метода перемещений при тех же нагрузках изменилась (рис. 1, б).

Критическая сила для полученной таким образом конструктивной системы определена аналогично. Ее значение составило:

(3)

а изменение критической силы в результате динамического догружения конструктивной системы, определено на энергетической основе с использованием выражения (1):

(4)

Для рассматриваемой конструктивной системы, с применением критерия, предложенного А. В. Александровым, определён вид бифуркации (пассивный или активный) для каждого элемента конструктивной системы при рассматриваемом догружении в виде внезапного изменения свободной длины левой стойки рамы.



Рисунок 1 - Расчётные схемы исходной рамы (а), рамы с выключенной связью (б) и формы потери их устойчивости (в, г), соответственно

Анализ результатов расчёта позволил отметить, что для исходной системы стойки 1_н и 2 рамы теряют устойчивость активно (рис. 1, в), вовлекая в этот процесс стойки 3 и 1_в.

После внезапного выключения связей и изменения свободной длины левой стойки активная потеря устойчивости произойдёт в стойках 1 и 3, в то время как стойка 2 потеряет устойчивость пассивно (рис. 1, г).

Следовательно, внезапное выключение связи в первом пролёте приведёт не только к снижению критической силы величиной в 5,5 раз, но и к качественному изменению формы потери устойчивости системы.

На основе расчётной схемы рамы, изображённой на рисунке 1, а, был выполнен анализ влияния средовых повреждений отдельных узлов на живучесть рамно-стержневых конструктивных систем при потере устойчивости несущих элементов.

Полагаем, что коррозионным повреждениям подвергнута крайняя левая стойка рамы в зоне сопряжения её со связевыми элементами. Используя уравнение изогнутой оси балки, параметр k можно представить в следующем виде:

 (5)

где B_red,св - приведенная жёсткость сечения железобетонного элемента; L_св - длина стержня-вставки; б₁ - б₃ - углы поворота сечения по концам стержня-вставки (рис. 2, а, б).

Рисунок 2 - Схема распределения жесткости по длине левой крайней стойки рамы (а) и схемы её деформирования (б, в), графики изменения критической силы в зависимости от глубины нейтрализации сечения д (г) и в зависимости от отношения высоты стоек рамы (д): кривые 1, 4 - для (n)-системы, 2, 5 - для (n-1) -системы, 3, 6 - для (n-1)^d - системы; при i=2 и i=3, соответственно

С другой стороны, параметр k представляет собой реактивный момент от единичного смещения (см. рис. 2, в):

 (6)

где ц₂(v_св) - специальная функция метода перемещений.

Коэффициент r_i,i матрицы жёсткости системы, где i - номер повреждаемого узла, в данном случае узла сопряжения крайней стойки и раскрепляющих элементов (i=1), представлен в следующем виде:

(7)

Параметр в, учитывающий изменение отношения жесткостей B*_red,св и B_red,св, определён из выражения:

в=(B_red,св - B*_red,св)/ B_red,св, (8)

где B*_red,св - остаточная жесткость повреждённого сечения, которая зависит от глубины коррозионного повреждения д и определяется по методике В. М. Бондаренко.

Так (в = 0) соответствует случаю начальной изгибной жёсткости стержня-вставки, когда остаточная жёсткость приведённого сечения B*_red,св равна жёсткости неповреждённого сечения B_red,св и разнице углов б₂ и б₁ согласно (5) равной нулю. Значение (в = 1) соответствует случаю, когда остаточная жёсткость B*_red,св минимальна, а реактивный момент максимален, т. е. стержень-вставка имеет жёсткость, близкую к нулю. Такое значение жёсткости определяет предельное состояние в виде образования пластического шарнира.

Предложенная методика расчёта устойчивости рассматриваемой железобетонной стержневой системы позволяет определить характер изменения критической силы и определить значение жёсткости сечения, при которой в наиболее нагруженных узлах рамы образуется пластический шарнир (рис. 2, г).

Для рамы, изображённой на рисунке 1, а, б, выполнен расчёт и представлены графики изменения критической силы при варьировании высоты второй и третьей стоек рамы l_i (i=2, 3), соответственно (см. рис. 2, д). Полученные результаты расчёта показали, что увеличение высоты второй стойки рамы приводит к уменьшению влияния динамического догружения на значение критической силы, в то время как увеличение длины третьей стойки это влияние увеличивает.

В третьей главе изложены программа, методика и результаты экспериментальных исследований живучести рамно-стержневых железобетонных конструкций, а также результаты исследований характера деформирования и процесса трещинообразования в сечениях внецентренно-сжатой стойки от внезапного изменения её расчётной длины.

В ходе выполнения экспериментальных исследований были сформулированы и решены следующие основные задачи:

- изучение работы внецентренно-сжатого железобетонного элемента в рамной конструкции в предельном и запредельном состояниях;

- определение опытных параметров жесткости и трещиностойкости, характера развития и ширины раскрытия трещин в элементах рам на всех этапах нагружения конструкций проектной и запроектной нагрузками;

- определение приращений динамических кривизн в сечениях сжатой стойки на различных уровнях нагружения (до и после образования трещин) и от запроектного воздействия.

Известные до настоящего времени методики испытаний не позволяют оценить динамические догружения в железобетонных элементах рамно-стержневых систем в запредельных состояниях и определить параметры динамического догружения, возникающего в элементах таких систем вследствие внезапного изменения расчётной длины одного из элементов, и вызванной этим изменением его потери устойчивости.

Предложенная автором и запатентованная методика испытаний осуществлена на специально изготовленном стенде (рис. 3, а). Опорные стойки 1, 2 закрепляли с помощью опорной балки 12, стоек с подкосами 7 и винтовых упоров 4.

Ригели 3 и стойки 1, 2 соединяли в узлах рамно-стержневой системы с использованием соединительных элементов, привариваемых к закладным деталям.

Крайнюю левую стойку раскрепляли раскосными элементами 9.

Узел соединения раскрепляющих элементов со стойкой (узел А) был выполнен с помощью соединительного элемента, представленного фасонками 10, 14, соединенными с закладной деталью 11 сварным швом, а между собой бетонной шпонкой 13 с заранее фиксированным усилием хрупкого разрушения от приложенной проектной статической нагрузки. Общий вид испытания опытной рамы представлен на рисунке 3, б.

Для технической реализации поставленной задачи исследования живучести железобетонных рам при внезапной потери устойчивости несущего элемента разработана конструкция рамы, крайняя стойка которой была изготовлена с отношением её длины к высоте сечения l₀ / h > 10. Согласно результатам расчёта, такое решение должно обеспечить разрушение системы вследствие потери устойчивости крайней стойки.

Загружение рамы проектной нагрузкой, равной 0,9 P_кр, осуществлялось с помощью рычажной системы 5, 6 и грузовой платформы 8.

При достижении статической нагрузки величины, равной 0,9 P_кр, происходило хрупкое разрушение прокалиброванной бетонной шпонки в узле А, в результате чего внезапно увеличивалась свободная длина крайней стойки, и возникало динамическое догружение всей системы.

В процессе испытаний измерялись следующие опытные параметры:

- продольные деформации сжатого и растянутого бетона стойки С-1;

- перемещения стойки С-1;

- значение нагрузки на ригели, образование и раскрытие трещин во всех железобетонных элементах конструкции рамы;

- характер деформирования стойки С-1 от воздействия внезапно приложенной запроектной нагрузки.

Рисунок 3 - Схема (а), общий вид испытания опытной рамы (б) и схема установки индикаторов и тензорезисторов (в): 1, 2 - опорные стойки, 3 - ригели рамы, 4 - винтовые упоры, 5, 6 - рычажная нагрузочная система, 7 - подкосы с направляющими, 8 - грузовая платформа, 9 - раскрепляющие элементы, 10, 14 - фасонки, 11 - закладные детали, 12 - опорная балка

Измерение перемещений крайней стойки производилось индикаторами часового типа с ценой деления 0,001мм, измерение продольных деформаций сжатого и растянутого бетона производилось методом электротензометрии с использованием групп тензорезисторов Т1-Т8, установленных на опытных конструкциях рам в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3, в.

Расчёт опытных конструкций рам выполнялся двумя методами: 1) численным методом с использованием программного комплекса SCAD; 2) полуаналитическим методом перемещений с использованием шагово-итерационной процедуры для раскрытия физической нелинейности по методике, изложенной в главе 2.

В первом случае при расчёте были определены значения статических и динамических деформаций, напряжений и кривизн в наиболее характерных сечениях стойки С-1 при потере её устойчивости. Расчёт по второму методу позволил определить значения критических сил для опытных конструкций рам в предельном и запредельном состояниях.

Для проверки предложенной методики расчёта были выполнены вспомогательные испытания рамы, отличающиеся тем, что связевые элементы, раскрепляющие крайнюю стойку, отсутствовали.

Для проведения экспериментальных исследований были запроектированы и изготовлены опытные двухпролетные конструкции рам, каждая из которых состояла из двух сборных ригелей РЛ-1 и РП-1 сечением 120х40 мм и длиной 1200 мм, крайней стойки С-1 сечением 20x30 мм и стоек С-2, С-3 сечением 120x40 мм. Все стойки выполнены длиной 700 мм. Ригели и стойки были объединены закладными деталями с замоноличиванием стыков в двухпролетную сборно-монолитную рамно-стержневую систему.

Крайняя стойка С-1 изготовлена из бетона В12,5, все остальные элементы рамы выполнены из бетона В25. Крайняя стойка рамы была раскреплена связевыми элементами РЭ-1, выполненными из уголков сечением 20x20x3 мм. Связевые элементы соединены c крайней стойкой с помощью закладной детали ЗД-1, фасонок Ф1 и Ф2 и бетонной шпонки БШ1 диаметром 8 мм.

Армирование сборных ригелей принято в виде плоских сварных каркасов Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 5 мм класса Вр-I (В500). Поперечная арматура запроектирована из арматурной проволоки диаметром 3 мм класса Вр-I (В500) с шагом 60 мм. Стойки С-2, С-3 армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса А-III (А400). На приопорных участках балок установлены закладные детали из листовой стали толщиной 4 мм, приваренные к рабочим стержням. Армирование стойки С-1 выполнено каркасами Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 2 мм из проволоки, изготовленной из стали Ст3, R_s = 365 МПа.

Параллельно с изготовлением основных образцов были изготовлены вспомогательные бетонные кубы размерами 100х100х100мм и призмы 100x100x400мм, предназначенные для получения фактических прочностных и деформативных характеристик бетона на момент проведения испытаний. Для образцов с проектным для рассматриваемой стойки классом бетона В12,5 получены следующие характеристики: R_bn= 9,76 МПа, R_b= 8,1 МПа, R_bt= 0,66 МПа, Е_b= 29,8·10³ МПа. Для образцов с проектным классом бетона В25: R_bn= 18,5 МПа, R_b= 14,5 МПа, R_bt= 1,55 МПа, Е_b= 29,8·10³ МПа.

Анализ полученных опытных значений деформаций в элементах конструктивной системы позволил отметить, что деформации внецентренно сжатой крайней стойки, раскреплённой упругой горизонтальной связью, нагруженной до проектной нагрузки, имели следующий характер: по высоте стойки, в нижней её четверти, горизонтальные перемещения были направлены внутрь пролёта рамы, в верхней четверти - в противоположную сторону (рис. 4, а).

Рисунок 4 - Диаграмма “усилия-перемещения” (N-f) при проектной нагрузке и запроектном воздействии для опытной рамы с раскреплённой (а) и нераскреплённой (б) стойкой, соответственно: 1, 2, 3 - экспериментальные значения перемещений в нижней четверти, в середине и в верхней четверти пролёта, соответственно; 4, 5, 6 - то же, теоретические значения; 7, 8, 9 - то же, теоретические значения с учётом появления трещин

Характер деформирования рассматриваемой крайней стойки при отсутствии горизонтальной связи (второй этап испытаний) (рис. 4, б) отличался от характера деформирования раскреплённой стойки: горизонтальные перемещения всех рассматриваемых сечений имели одинаковый знак.

Энергетическим методом, с помощью экспериментальных кривых (см. рис. 4) определено значение приращения прогиба после приложения запроектного воздействия. Например, для верхней четверти пролёта стойки это приращение вычислено следующим образом:

- определено значение прогиба в (n)-системе при значении усилия в стойке N = 3,2 кН, - это значение составило f = 0,12?10^-3м (см. рис. 4, а);

- определено значение прогиба в (n-1)-системе при значении усилия в стойке N = 3,2 кН - это значение составило f = 0,15?10^-3м (см. рис. 4, б).

Тогда значение динамического приращения прогиба в рассматриваемом сечении будет равно:

(9)

Полученное значение удовлетворительно согласуется с приращением динамического прогиба, определённого экспериментально (см. рис. 4, а).

Аналогично определено приращение динамического прогиба для середины и нижней четверти пролёта стойки:

- для середины пролёта стойки:

,

- для верхней четверти пролёта стойки:

.

Приведенные на рисунке 5 значения кривизн по высоте стойки, вычисленные по показаниям групп тензорезисторов Т1 - Т8, подтвердили характер деформирования и количественные значения деформаций, полученных в результате выполнения теоретического расчёта.

Рисунок 5 - Диаграмма “момент - кривизна” (М - ж) для (n) -системы (а, в) и (n-1) - системы (б, г): 1 - диаграмма, полученная по показаниям тензорезисторов Т1-Т2, Т7-Т8, 2 - расчётная диаграмма

Приращение значения кривизны в результате динамического догружения системы определено следующим образом:

-для групп тензорезисторов Т1-Т2:

ж^d _кр(n-1) = 2•ж^с_кр(n-1) -ж^с_кр(n) = 2•23•10^-4 - 20•10^-4 = 26•10^-4, (10)

-для групп тензорезисторов Т7-Т8:

ж^d_кр(n-1) = 2•(-57•10^-4) - (-40•10^-4) = -23•10^-4.

По полученным опытным значениям деформаций бетона определены значения максимальных сжимающих напряжений, а также характер трещинообразования при проектных и запроектных воздействиях.

Начало процесса трещинообразования в опытных конструкциях рам было зафиксировано после приложения запроектной нагрузки. Анализ опытной схемы трещинообразования (рис. 6, а) показывает, что развитие трещин типа Тр1 связано с раздроблением бетона под закладной деталью в момент структурной перестройки конструктивной системы (хрупкого разрушения бетонной шпонки). Общий вид трещин в левой крайней стойке рамы представлен на рисунке 6, б.

Рисунок 6 - Схемы развития (а) и общий вид (б) трещин в левой крайней стойке рамы

Полученные экспериментальные данные позволили количественно и качественно оценить приращения параметров, характеризующих процесс потери устойчивости железобетонного внецентренно-сжатого элемента в рамно-стержневой системе в предельном и запредельном состояниях.

В четвертой главе приведены алгоритм расчёта и результаты численных исследований параметров живучести статически неопределимых конструктивных систем при внезапной потере устойчивости несущих элементов.

Для конструктивной системы, изображённой на рисунке 7, а, запроектное воздействие связано с выключением из работы упругих связей, раскрепляющих крайнюю стойку рамы. В результате такого запроектного воздействия расчётная схема рамы изменяется (рис. 7, б).

живучесть стержнеый трещинообразрвание стойка

Рисунок 7 - Расчётная схема рамно-стержневой системы с (n) связями (а), и (n-1) связями (б); эпюры изгибающих моментов на относительных перемещениях на (i-1)-ом этапе расчёта (в) и i-том этапе расчёта (г)

Для формализованного представления расчётных зависимостей и последующей автоматизации расчета физически и конструктивно нелинейных систем использован метод перемещений. Определение последовательности образования пластических шарниров в конструктивной системе проводится методом кинематического анализа. Для деформированного состояния, соответствующего определенному значению критической силы, находится элемент с максимальным значением активной работы внутренних сил. В таком элементе максимальное значение относительного изгибающего момента возникнет, как правило, в узлах крепления стоек к ригелю M_n,в и в опорных сечениях M_n,н (см. рис. 7 б, в).

В качестве предельного состояния на первом этапе расчёта определяется максимальное значение относительного изгибающего момента [М_i,max*], при котором в рассматриваемом узле рамно-стержневой системы образуется пластический шарнир (происходит первое локальное разрушение). Значение приведенной жесткости сечения железобетонного элемента с трещинами B_red,i, соответствующее состоянию пластического шарнира, вычислено с использованием шагово-итерационной процедуры.

На каждом последующем этапе расчёта для изменившейся исходной расчётной схемы (см. рис. 7, б) выполнялся кинематический анализ конструктивной системы с учётом значения приведённой жесткости сечения B_red,, в результате которого определялся следующий элемент с наибольшей работой внутренних сил, а также вычислялись относительные изгибающие моменты, в узлах конструктивной системы при новом деформированном состоянии.

Увеличение нагрузки, при достижении которой происходит образование пластического шарнира на каждом последующем i-том этапе расчёта, определяем с помощью параметра л:

, (11)

где - нагрузка, действующая на систему на (i-1) этапе расчета.

На первом этапе расчёта значение этой нагрузки составит: ,

где - критическая сила для системы после приложения запроектного воздействия в виде внезапного выключения из работы несущего элемента.

Параметр л представляет собой отношение предельного значения относительного изгибающего момента в наиболее нагруженном сечении на i-том этапе [М_i,max*] к предельному значению относительного момента на (i-1) этапе расчета системы [М_i-1,max*]:

. (12)

В соответствии с выражением (12), на первом этапе расчета параметр л = 1.

Теоретически признаком прогрессирующего разрушения конструкции рамы может считаться образование кинематически изменяемой системы. Если же в процессе расчёта на i-том этапе вычислений выполняется условие (P_эксп - эксплуатационная нагрузка, действующая на исходную (n)-систему, то происходит стабилизация силового потока в конструктивной системе до превращения её в кинематически изменяемую, и, следовательно, имеет место локальное разрушение конструкции рамы.

Для качественной и количественной оценок влияния образования трещин в растянутой зоне в наиболее нагруженных узлах на параметры, характеризующие процесс потери устойчивости, выполнены численные исследования железобетонной рамы, представленной на рисунке 1, а. При выполнении этих исследований рассмотрена конструктивная система в момент приложения запректного воздействия, вызванного внезапным изменением расчётной длины первой стойки в результате мгновенного выключения из работы раскрепляющих элементов (см. рис. 1, б). В рассматриваемой конструктивной (n-1) - системе при заданном соотношении нагрузок наибольший изгибающий момент действует в узле сопряжения ригеля и крайней стойки, следовательно, в этом сечении произойдёт появление трещин.

Численные исследования выполнялись в три этапа, на каждом из которых в качестве варьируемого параметра была принята приведённая жёсткость первой, второй и третьей стоек рамы, соответственно. Выполненные численные исследования позволили установить влияние процесса трещинообразования, развивающегося в момент внезапной структурной перестройки конструктивной системы в наиболее нагруженном узле, на параметры динамического догружения элементов системы:

- при одинаковом значении приведённой жесткости каждой стойки это влияние составляет 17% в сторону увеличения осевой силы;

- при уменьшении приведённой жёсткости первой стойки это влияние увеличивается до 26%;

- в случае увеличения приведённой жёсткости первой стойки влияние процесса трещинообразования уменьшается до 15%.

Влияние появления трещин на динамические догружения при изменении приведённых жесткостей второй и третьей стоек возрастает при увеличении этих жёсткостей, что может объясняться изменением формы потери устойчивости первой стойки рамы.

Предложенная методика анализа живучести конструктивных систем при запроектных воздействиях реализована Орловским академическим научно- творческим центром Российской академии архитектуры и строительных наук в процессе проектирования реальных объектов. Так, с её использованием был выполнен расчёт устойчивости железобетонных колонн одного из блоков каркаса здания пристройки к бывшему Дому культуры “Железнодорожник” в г. Белгороде.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построены расчетные зависимости для оценки параметров живучести железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях при потере устойчивости несущих элементов, связанной с внезапным изменением структуры таких систем.

2. Предложен способ и разработана методика экспериментального определения динамического догружения в элементах рамно-стержневых систем при потере устойчивости несущих элементов в такой системе. С использованием этого способа экспериментальными исследованиями на специально запроектированных конструкциях железобетонных двухпролётных рам получены новые опытные данные о характере и количественных значениях параметров силового сопротивления и устойчивости внецентренно сжатых элементов рам в предельных и запредельных состояниях.

3. Экспериментально подтверждено наличие динамического догружения и значение коэффициента динамичности в элементах железобетонных рамно-стержневых конструкций при внезапной потере устойчивости одного из несущих элементов с учётом упругопластического деформирования и процесса трещинообразования в таких конструкциях.

4. На основе предложенных в работе аналитических зависимостей метода перемещений разработаны методика и алгоритм расчета живучести железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях, связанных с внезапной потерей устойчивости несущих элементов.

5. Выполненные численные и экспериментальные исследования позволили сформулировать некоторые предложения к расчету живучести железобетонных рам при потере устойчивости несущих элементов, касающихся учёта внезапного выключения конструктивных связей, ограничивающих свободную длину колонн, динамических догружений элементов конструкций, а также позволили выполнить качественную оценку изменения параметров характеризующих процесс потери устойчивости, и предложить адаптационные механизмы защиты конструкций от внезапно возникающих запроектных воздействий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

публикации в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:

1. Колчунов, В.И. К оценке живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельных элементов / В.И. Колчунов, Н.О. Прасолов, М.В. Моргунов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2007. №4. С. 40-44. (0,32/0,1 п.л. автора).

2. Колчунов, В.И. К алгоритмизации задач расчета живучести железобетонных рам при потере устойчивости / В.И. Колчунов, Н.О. Прасолов, Л.В. Кожаринова, О.А. Ветрова // Строительство и реконструкция. 2012. № 6. C. 28-35. (0,47/0,1 п.л. автора).

3. Колчунов, В.И. К вопросу алгоритмизации задачи расчета живучести железобетонных конструкций при потере устойчивости / В.И. Колчунов, М.В. Моргунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 12. C. 77-79. (0,41/0,1 п.л. автора).

публикации в других научных изданиях:

1. Колчунов, В.И. Влияние коррозионных повреждений отдельных элементов на устойчивость железобетонных рамно-стержневых систем / В.И. Колчунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов, Г.А. Добриков // Вестник отделения строительных наук. 2010. Том 1. С. 107-112. (0,4/0,1 п.л. автора).

2. Клюева, Н.В. Влияние коррозионных повреждений элементов на живучесть железобетонных рамно-стержневых систем / Н.В. Клюева, Н.О. Прасолов, В.И. Колчунов // Успехи строительной механики и теории сооружений. 2010. С. 117-122. (0,4/0,1 п.л. автора).

3. Клюева, Н.В. Исследование живучести железобетонных рам при варьировании их топологии / Н.В. Клюева, Н.О. Прасолов // Вестник центрального регионального отделения РААСН.- Воронеж-Липецк. 2008. Вып. 7. С. 205-208. (0,25/0,1 п.л. автора).

4. Колчунов, В.И. Экспериментально-теоретические исследования живучести железобетонных рам при потере устойчивости отдельного элемента / В.И. Колчунов, Л.В. Кожаринова, Н.О. Прасолов // Вестник МГСУ. 2011. Том 2, 3. С. 109-115. (0,44/0,15 п.л. автора).

5. Пат. № 2420722С1 Российская Федерация, МПК⁵¹ G01M 99/00. Способ определения динамического догружения в элементах рамно-стержневых систем при потере устойчивости / В.И. Колчунов, Н.О. Прасолов, Д.В. Кудрина.; заявитель и патентообладатель Орловский государственный технический университет. - № 2009144302/28; заявлен 30.11.2009; опубл. 10.06.2011, Бюл. №16.- С. 8.

Размещено на Allbest.ru