Н.В. КЛЮЕВА, канд. техн. наук, О.А. ВЕТРОВА, инж. (Орловский государственный технический ун-т), Экспериментально-теоретические исследования живучести эксплуатируемых железобетонных рам при внезапных повреждениях

В разработанных за последнее время нормативных рекомендациях по проектированию каркасов многоэтажных зданий, например [1], в дополнение к традиционному расчету по предельным состояниям первой и второй групп предлагается вводить новый элемент расчета на внезапное выключение несущих конструкций, их отдельных узлов или сечений. Причинами отказа могут выступать как воздействия, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации конструкций и соответственно эволюционное накопление повреждений, так и грубые ошибки при проектировании и возведении зданий, включая и возможные воздействия террористического характера.

Расчет конструкций в такой постановке может быть выполнен с применением расчетных схем, учитывающих видоизменение конструктивной системы при выключении связей, те. как конструктивно нелинейных систем. Для железобетонных конструкций такой расчет требует по существу учета двойной нелинейности - конструктивной и традиционно учитываемой физической. Основной целью такого расчета является защита конструктивных систем от прогрессирующих обрушений путем создания адаптационных конструктивных систем, предотвращающих лавинообразное обрушение. Есть все основания считать, что в ближайшем будущем эти вопросы станут объектом исследований различного типа конструкций и, надо полагать, найдут отражение в создаваемых нормативных документах нового поколения.

Для экспериментальных исследований конструкций в такой постановке были запроектированы две серии рамных конструктивных систем. Каждая из них включала три сборных стойки и два сборных ригеля, объединенных закладными деталями с замонолчиванием стыков в двухпролетную сборно-монолитную раму (рис. 1).

Для физического моделирования эволюционно поврежденных конструкций сечения ригелей рамы выполнены слоистыми из бетонов разной прочности (В10, В20, В35) с толщиной каждого слоя 40 мм. Целесообразность использования структуры слоистого сечения подтверждается тем, что она практически в точности соответствует теоретическим моделям, предложенным для моделирования эволюционно поврежденной конструкций средовыми воздействиями, например, рассмотренными в работе [2].

Стойки рам изготовлены из бетона класса В35. Замоноличивание швов при их сборке выполнено бетоном такого же класса.

Армирование сборных ригелей принято в виде плоских сварных каркасов Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 5 мм класса А400 (для образцов первой серии) и диаметром 4 мм класса В500 (для второй серии).

Поперечная арматура запроектирована из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм. Стойки армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой 8 мм класса А400. На приопорных участках балок установлены закладные детали из листовой стали толщиной 8 мм, приваренные к рабочим стержням.

Для моделирования запроектного воздействия путем внезапного выключения одной из связей соединительные элементы сборной рамы выполнены в виде прокалиброванных закладных деталей, состоящих из двух металлических пластин переменного сечения, соединенных сварным швом.

Параллельно с изготовлением основных образцов были отформованны вспомогательные бетонные кубы и призмы, предназначенные для получения прочностных и деформационных характеристик бетона на момент испытаний.

Испытание рам производилось на специальном стенде, включающем опорные устройства, рычажную систему с нагрузочными и распределительными узлами, платформой и штучными грузами.

До проектной нагрузки рамы нагружались двумя сосредоточенными силами в середине каждого пролета. Запроектная нагрузка в виде внезапного выключения моментной связи в зоне соединения левой стойки и ригеля осуществлялась в результате хрупкого разрыва по сварному шву прокалиброванного соединительного элемента М-1 (см. рис. 1) от растягивающего усилия, действующего в этом элементе, при приложении к раме определенной расчетом проектной нагрузки.

В процессе испытаний измерялись продольные деформации соединительных элементов сжатого и растянутого бетона, перемещения элементов рамы





Для выполнения экспериментальных исследований первая конструктивная система была запроектирована и заармирована таким образом, чтобы при загружении всех её пролетов проектной нагрузкой в виде сосредоточенных сил и внезапном выключении моментной связи в узле сопряжения левой стойки и ригеля произошло локальное разрушение только первого пролета рамы. Вторая конструктивная система была рассчитана и запроектирована таким образом, чтобы при этих же нагрузках произошло лавинообразное разрушение обоих ригелей рамы.

При заданных размерах и армировании опытных конструкций рам расчетная диаграмма “М-эе” для пролетного и опорного сечений рамы первой серии имеет вид, показанный на рис. 3.

В результате хрупкого разрыва сварного шва соединительного элемента узла сопряжения левой стойки и ригеля возникали затухающие во времени колебания в оставшихся не разрушенными частях рамы. Изгибающие моменты и соответственно кривизны в ригелях и стойках в течение первого полупериода их колебаний превышали соответствующие моменты и кривизны, если бы переход п раз статически неопределимой в л-1 раз статически неопределимую раму осуществлялся не в результате внезапного разрушения узла сопряжения, а путем его медленной принудительной разгрузки от значения действующего в опорном сечении момента Mcsup п до его нулевого значения. Коэффициенте, равный, согласно [3], отношению эе/ае и вычисленный с учетом перераспределения усилий в рассматриваемой нелинейно деформируемой раме для первого пролета составил 1,59. По этому значению коэффициента В вычислена динамическая кривизна в рассматриваемом сечении. Из рис. 3,а видно, что значение этой кривизны аед существенного больше предельного значения кривизны для этого же сечения ае0= = 2,4 102 м1. Следовательно, при рассматриваемом запроектном воздействии ригель первого пролета рамы первой серии разрушится. Аналогичным образом определены значения динамических кривизн в других пролетных и опорных сечениях ригелей рамы. Эти данные были использованы для анализа результатов экспериментальных исследований опытных конструкций.

Анализ полученных опытных значений деформаций в элементах обеих конструктивных систем позволяет отметить следующее.

В процессе нагружения рам до уровня проектной нагрузки четко прослеживались описываемые деформационными моделями, в рассматриваемом случае [6], стадии ее упругого и упруго-пластического деформирования. В результате нагружения проектной статической нагрузкой были получены опытные диаграммы “М- ае”, использованные затем для вычисления значений коэффициента 0. Соотношение опорных реакций и нагрузки подтвердило, что распределение опорных и пролетных моментов до появления трещин удовлетворительно согласуется с расчетом системы по упругой стадии. С появлением трещин рост опорного момента замедлялся, а рост пролетных моментов ускорялся. При дальнейшем нагружении рамы появлялись трещины в пролетном сечении первого, а затем и второго пролетов.

Нагружение опытных рам запроектной нагрузкой осуществлялось дважды. При первом нагружении запроектным воздействием цифровой камерой были измерены динамические приращения перемещений в сечениях элементов рамы. Численные значения этих величин значительно превышали перемещения, которые возникли бы в сечениях рамы, если бы переход л раз статически неопределимой в л-1 раз статически неопределимую раму осуществлялся путем медленной принудительной разгрузки сечения узла сопряжения левой стойки и ригеля от действующего в нем момента до нулевого значения. Величина указанного превышения для перемещения составила 1,74, а деформаций - 1,67 раза.

Первое приложение запроектной нагрузки к опытной конструкции рамы осуществлялось при статической нагрузке Р = 0,8 Рсгс. В результате запроектного воздействия в среднем сечении первого пролета рамы образовались трещины. Момент в пролетном сечении (вычисленный по деформациям, измеренным с помощью осциллографа), возникший в результате внезапного запректного воздействия, был в 1,45 раз больше момента трещинообразования в том же сечении. Это явилось одним из подтверждений наличия динамичности эффекта в оставшихся не разрушенными элементах рамы при внезапном выключении моментной связи



При втором нагружении опытных конструкций запроектной нагрузкой с более высоким уровнем эксплуатационной нагрузки установлено, что когда в конструкциях имеют место неупругие деформации и трещины, т е. более высокий уровень напряженного состояния, коэффициент динамичности Н заметно снижается. Так, если при первом нагружении запроектной нагрузкой (до появления трещин) опытное значение этого коэффициента составило 1,73, то при втором нагружении-1,51.

Измерениями ширины раскрытия трещин в ригелях до (рис.4) и после (см. таблицу) запроектного воздействия установлено как увеличение этих параметров в отдельных сечениях, так и интегральный результат накопления повреждений в опытной конструкции при запроектном воздействии.


Полученные опытные данные о приращениях ширины раскрытия трещин в опытных рамах также подтвердили наличие динамического эффекта в конструкции при разрушении отдельных ее сечений от внезапного динамического догружения. В то же время количественные относительные значения приращений ширины раскрытия трещин от запроектного воздействия оказались значительно меньшими, чем относительные приращения прогибов. Причиной этого явилось, по-видимому, с одной стороны, запаздывание во времени процесса образования и раскрытия трещин при мгновенном действии запроектной нагрузки, с другой, - частичное закрытие трещин при затухании динамического эффекта от запроектной нагрузки (в последней строке таблицы приведены остаточные значения ширины раскрытия трещин).

Анализ опытных картин разрушения рам показал следующее (рис. 5). В первой конструктивной системе произошло мгновенное хрупкое разрушение первого пролета (рис. 5, а), что полностью согласуется с теоретической схемой разрушения по бетону. Во второй конструктивной системе произошло хрупкое (по бетону) разрушение ригелей первого и второго пролетов (рис. 5, б), что также согласуется с расчетными данными по представленному алгоритму.

Бетон и железобетон, 2006 №6