Живучесть железобетонных пространственных рамно-стержневых конструкций с выключающимися линейными связями

на правах рукописи

Бухтиярова Анастасия Сергеевна

ЖИВУЧЕСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАМНО-СТЕРЖНЕВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ С ВЫКЛЮЧАЮЩИМИСЯ

ЛИНЕЙНЫМИ СВЯЗЯМИ

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел, 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс».

Научный руководитель:	–	доктор технических наук, доцент Клюева Наталия Витальевна
Официальные оппоненты:	– –	доктор технических наук, профессор Тамразян Ашот Георгиевич кандидат технических наук, профессор Парфенов Сергей Григорьевич
Ведущая организация	–	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в 1100 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.05 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, зал диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» http://gu-unpk.ru .

Автореферат разослан «22» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета А.И. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение проблем обеспечения безопасности при проектировании, строительстве и реконструкции зданий и сооружений, а также поддержания в надежном состоянии объектов недвижимости всегда были одним из важнейших направлений деятельности научно-исследовательских, проектных и строительных организаций. К объектам недвижимости вне зависимости от тех или иных технических решений всегда предъявлялись требования функционального и конструктивного соответствия ожидаемым силовым или средовым воздействиям. В последние годы в связи с техническим состоянием основных фондов страны и многократно возросшими вызовами природного и техногенного характера возникла новая проблема – обеспечение нового уровня конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений.

Цель работы – развитие основ теории и практических методов расчета живучести железобетонных рамно-стержневых пространственных конструктивных систем каркасов зданий и сооружений в запредельных состояниях.

Научную новизну работы составляют:

- расчетная модель силового сопротивления железобетонных пространственных статически неопределимых рамно-стержневых конструктивных систем при изменении их расчетных схем, вызванным внезапным выключением линейной связи;

- методика и результаты экспериментального определения параметров живучести фрагмента железобетонного пространственного каркаса многоэтажного здания с внезапно выключающейся линейной связью;

- модель силового сопротивления и критерии прочности пространственного узла сопряжения ригелей и колонн при изменениях напряженного состояния, вызванного внезапным выключением линейной связи;

- методика и алгоритм расчета живучести и результаты анализа экспериментальных и численных исследований пространственных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях;

- рекомендации по защите железобетонных каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующих обрушений при запроектных воздействиях.

Автор защищает:

- методику и результаты экспериментальных исследований параметров живучести фрагмента железобетонного пространственного каркаса многоэтажного здания с внезапно выключающейся линейной связью;

- расчетную модель силового сопротивления и критерии прочности пространственного узла сопряжения ригелей и колонн при внезапном выключении линейной связи;

- алгоритм расчета живучести пространственных рамно-стержневых систем при выключениях линейных связей.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов основывается на использовании базовых гипотез строительной механики и механики железобетона, а также результатами выполнения автором экспериментальных исследований фрагментов железобетонных пространственных рамно-стержневых конструктивных систем и сопоставлением теоретических результатов исследований живучести рассматриваемых конструктивных систем с экспериментальными данными.

Практическое значение и реализация результатов работы

Разработанный расчетный аппарат позволяет анализировать деформирование и разрушение железобетонных пространственных конструктивных систем каркасов зданий в запредельных состояниях при внезапно выключающихся линейных связях с учетом динамических догружений и структурных изменений в конструктивной системе.

Реализация предложенных метода и алгоритма расчета при решении задач проектирования и реконструкции железобетонных каркасов жилых, гражданских и производственных зданий позволяет вполне обоснованно принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений в запредельных состояниях.

Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для молодых кандидатов наук «Исследование живучести железобетонных пространственных конструктивных систем при запроектных воздействиях» (2010-2011 гг.), грантов РФФИ « Деформационная теория пластичности коррозионно повреждаемого бетона для случая сложного напряженного состояния при учете в нем неравновесных процессов», «Изучение закономерностей силового сопротивления и параметров живучести коррозионно повреждаемых железобетонных пространственных конструктивных систем при внезапных структурных изменениях» (2009-2010 гг.), НИР Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) по темам: «Разработка рациональных конструктивных систем вновь возводимых и реконструируемых общественных зданий с высоким уровнем живучести при запроектных воздействиях» (2008 г.). Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГАСУ, ЮЗГУ, БГИТА.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Научной сессии МОО «Проблемы нелинейного расчета большепролетных пространственных конструкций» (г. Москва, НИИЖБ, апрель 2010 г.), на международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010: теория, практика, инновации Северо-арктическому региону» (г. Архангельск, С(А)ФУ, июнь 2010 г.), международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, ЮЗГУ, октябрь 2011 г.), на ежегодных научно-технических конференциях студентов, преподавателей, сотрудников и аспирантов «Неделя науки» (г. Орел, ОрелГТУ, апрель 2008-2009 гг.).

В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкций и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»
(г. Орел, сентябрь 2011 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 работ в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, в которых должны быть опубликованы результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 146 страницах, включающих 130 страниц основного текста, 38 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 192 наименований и 2 приложений (16 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, приведены общая характеристика работы и основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния проблемы конструктивной безопасности и живучести железобетонных каркасов эксплуатируемых зданий и сооружений.

До настоящего времени расчет конструктивных систем основывается на методе предельных состояний. В то же время этот метод не учитывает так называемые «запроектные» воздействия, которые все в большей степени проявляются в условиях современных вызовов. Показано, что при заметном росте видов запроектных воздействий в понятие «конструктивная безопасность» должно включаться и такое понятие как «живучесть» конструктивной системы. Будем определять термин живучесть как характеристику сопротивляемости разрушению конструктивной системы после достижения одним из ее элементов предельного состояния при приложении внезапных запредельных внешних воздействий. С 2010 года введен в действие Федеральный закон №ФЗ-384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», согласно которому «при проектировании здания или сооружения повышенного уровня ответственности должна быть учтена также аварийная расчетная ситуация, имеющая малую вероятность возникновения и небольшую продолжительность, но являющаяся важной с точки зрения последствий достижения предельных состояний, которые могут возникнуть при этой ситуации (в том числе предельных состояний при ситуации, возникающей в связи со взрывом, столкновением, с аварией, пожаром, а также непосредственно после отказа одной из несущих строительных конструкций)». По существу, здесь идет речь о расчете зданий и сооружений на живучесть при внезапном запроектном воздействии. В то же время нормативные документы, призванные объяснять выполнение этого требования, до настоящего времени отсутствуют.

Решению проблемы конструктивной безопасности посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, связанные с применением современных деформационных моделей силового и средового сопротивления железобетона, в числе которых можно отметить работы В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, Т.И. Барановой, В.Н. Байкова, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, А.И. Васильева, А.С. Залесова, А.В. Забегаева, Н.И. Карпенко, Е.А. Король, С.И. Меркулова, В.О. Алмазова, Вл.И. Колчунова, В.И. Мурашева, А.Г. Назаренко, В.Г. Назаренко, Б.С. Расторгуева, В.И. Римшина, Р.С. Санжаровского, Б.С. Соколова,
Г.А. Смоляго, Г.Н. Шоршнева, Е.А. Чистякова, Р.Л. Маиляна, А.И. Попеско, В.Д. Райзера и др. Благодаря этим и другим исследованиям указанного направления накоплен значительный опыт по анализу деформирования и разрушения элементов конструкций при различных силовых и средовых воздействиях.

При решении задач конструктивной безопасности железобетона определено, что одним из наиболее эффективных подходов для анализа живучести зданий и сооружений при запроектных воздействиях может стать обобщение и развитие базовых положений метода расчета строительных конструкций по предельным состояниям. Отдельные предложения в этом направлении уже содержатся в исследованиях отечественных и зарубежных ученых, в числе которых можно отметить работы А.В. Александрова, В.В. Болотина, В.М. Бондаренко, Г.А. Василькова, Г.А. Гениева, В.А. Гордона, П.Г. Еремеева, Н.Н. Стрелецкого, Э.Н. Кодыша, Н.И. Карпенко, Н.В. Клюевой, В.И. Колчунова, И.Е. Милейковского, А.Е. Ларионова, А.В. Перельмутера, В.И. Травуша, А.Г. Тамразяна, К.П. Пятикрестовского, В.П. Чиркова, Г.И. Шапиро, В.С. Уткина, В.С. Федорова и др.

В работах этих и других ученых определено направление в решении проблемы конструктивной безопасности и решены отдельные задачи живучести физически и конструктивно нелинейных строительных систем, в том числе задачи по анализу деформирования и разрушения балочных и рамно-стержневых систем с элементами сплошного и составного сечения в запредельных состояниях при структурных перестройках в таких системах, вызванных внезапными выключениями моментных связей. Дальнейшее развитие этих исследований связано с решением задач живучести сложных пространственных конструктивных систем из железобетона, например, каркасов многоэтажных зданий, пространственных конструкций покрытий и перекрытий и других сооружений. Отдельные работы этого направления носят пока еще постановочный характер.

На основе проведенного обзора и анализа научных публикаций по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Во второй главе диссертации изложены методика и результаты экспериментальных исследований деформирования и разрушения фрагментов железобетонных рамно-стержневых пространственных систем в виде перекрестных рам. В задачи экспериментальных исследований включалось: изучение особенностей деформирования, трещинообразования и разрушения пространственных узлов сопряжения стержневых элементов при динамических догружениях, вызванных внезапным выключением линейных связей и установление количественных параметров влияния эффекта пространственной работы и фактора времени на параметры живучести конструктивной системы.

Для решения сформулированных задач были разработаны и изготовлены две серии фрагментов железобетонных конструктивных систем в виде перекрестных рам. Каждая из них состояла из четырех сборных ригелей и пяти стоек, объединенных закладными деталями и замоноличиванием стыков в пространственную сборно-монолитную раму. Конструкция ригеля принята сечением 12070 мм длинной 1200 мм, четыре стойки такого же сечения длинной 700 мм. Сечение ригелей принято слоистым из бетонов классов В15, В20 с толщиной верхнего и нижнего слоев 40 и
80 мм соответственно. Стойки изготовлены из бетона класса В20. Центральная стойка была выполнена в виде телескопической конструкции, состоящей из двух металлических труб диаметрами 50 и 60 мм, соединенных бетонными шпонками.

Армирование сборных образцов ригелей принято плоскими сварными каркасами Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 6 мм класса A-III (A400). Поперечная арматура запроектирована из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм. Стойки армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса A-III (А400).

В конструкции первой серии опирание перекрестных ригелей над центральной опорой было выполнено с односторонними моментными связями над центральной опорой, во второй серии конструкция узла выполнена неразрезной. Для этого ригели первой серии имели выпуски верхней рабочей арматуры и в процессе монтажа соединялись между собой сварным швом, обеспечивая одностороннюю моментную связь над средней опорой. Ригели в опытной конструкции рамы второй серии имели выпуски верхней и нижней арматуры и после соединения этих выпусков на сварке, омоноличивания узла сопряжения всех ригелей обеспечивалась неразрезность узла над центральной опорой.

Испытания конструкций рам производились на специально разработанном стенде, который представлял собой сварную конструкцию из прокатных профилей с механическим рычажно-нагрузочным устройством (рисунок 1).

Рисунок 1 – Общий вид опытного фрагмента конструктивной системы в виде перекрестных рам

Нагружение пространственной рамы осуществлялось поэтапно долями 0,050,1 от расчетной разрушающей нагрузки, на каждом этапе производилась выдержка 10-15 минут.

В процессе испытаний механическими приборами (индикаторами часового типа с ценой деления 10-3 м) и с помощью тензостанции (ЦТИ-1) измерялись продольные деформации сжатого и растянутого бетона, углы поворота и прогибы ригелей в середине пролетов, нагрузки трещинообразования и ширина раскрытия трещин при проектной и запроектной нагрузках. Определялся характер разрушения конструкции от воздействия внезапно приложенной запроектной нагрузки. Всплеск перемещений в пролетах рамы в момент запроектного воздействия фиксировался записью показаний индикаторов на цифровую видеокамеру с частотой 25 кадров в секунду.

Анализом полученных опытных данных установлено, что деформирование, трещинообразование и разрушение конструкций фрагментов при рассматриваемом запроектном воздействии имеет свои особенности. Внезапное приложение к нагруженной статически неопределимой системе запроектной нагрузки вызывает динамические догружения всех элементов системы. При этом главными параметрами, определяющими интенсивность догружения железобетонных конструкций, являются уровень нагружения проектной нагрузкой и структура конструктивной системы. По полученным опытным и расчетным данным построены диаграммы «момент-кривизна» («М-») для опорных сечений 1-1 фрагментов рамной системы обоих серий (рисунок 2).

Рисунок 2 – Расчетные (1) и опытные (2) графики деформирования опорного сечения ригеля первой (а-г) и второй (д-з) серий при нагружении проектной нагрузкой и запроектным воздействием: а, д – диаграммы
«М-»; б, е – схема проектной нагрузки; в, г, ж, з – расчетные значения моментов, соответственно, при проектной нагрузке и после запроектного воздействия

Анализируя опытные (2) и расчетные (1) кривые «момент-кривизна» для опорного сечения 1-1 фрагмента рамной системы первой серии (рисунок 2, а), можно отметить следующее. На первом этапе нагружения исходной n раз статически неопределимой системы проектной нагрузкой P в интервале 0

Коэффициент динамического догружения рассматриваемого сечения, равный отношению , составил 1,53, а момент в рассматриваемом сечении после внезапного изменения степени статической неопределимости рамы на единицу по отношению к усилию в исходной n раз статически неопределимой раме увеличился с учетом динамического догружения в 12,5 раз.