Живучесть железобетонныхрамно-стержневых конструкций при внезапной потере устойчивости несущих элементов

На правах рукописи

Прасолов Николай Олегович

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

05.23.01 – Строительные конструкции,
здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

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.

а)	б)
в)	г)

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 1н и 2 рамы теряют устойчивость активно (рис. 1, в), вовлекая в этот процесс стойки 3 и 1в.

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 Bred,св - приведенная жёсткость сечения железобетонного элемента; Lсв – длина стержня-вставки; 1 - 3 – углы поворота сечения по концам стержня-вставки (рис. 2, а, б).

а)	б)	в)
г)	д)