Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование разрушения железобетонных конструкций при динамических нагрузках

П.А. Радченко

С.П. Батуев

П.А. Радченко

В.С. Плевков

Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск

Аннотация

Численно и экспериментально исследуется разрушение железобетонных колонн и балок при импульсном нагружении. Поведение бетона описывается с учетом различных механических и прочностных характеристик материала на растяжение и сжатие. Поведение стальной арматуры моделируется упругопластической средой. Численное моделирование проводится методом конечных элементов в трехмерной постановке. Исследовано развитие разрушения в железобетонных конструкциях.

Ключевые слова - удар, модель, разрушение, железобетон

1. Разрушение железобетонных колонн при динамическом нагружении

Для выявления работы стыков железобетонных колонн, усиленных металлическими обоймами, а так же для получения величин разрушающих нагрузок и характера их разрушения при кратковременных динамических нагрузках, была разработана программа экспериментальных и численных исследований, которая включала в себя три серии образцов. Каждая серия состояла из пяти образцов, выполненных в масштабе 1:4 к натурным колоннам, с варьированием наличия стыка, армирования в стыке и внешнего усиления в виде металлических элементов. При этом принималась следующая маркировка экспериментальных образцов : Кд - образец без стыка; СКд - образец со стыком, при наличии сеток в уровне стыка; СКДд - образец со стыком, без сеток в уровне стыка; СКМд - образец со стыком, при наличии сеток в уровне стыка и усиленный металлической обоймой; СКМДд - образец со стыком без сеток в уровне стыка и усиленный металлической обоймой. Все экспериментальные образцы армировались пространственными вязаными каркасами. Рабочая арматура была выполнены ввиде 8 стержней диаметром 8 мм класса А-III (А-400). Косвенное армирование (хомуты и сетки) выполнено из проволоки Вр-I (В500) диаметром 3 мм. Для предотвращения локальных разрушений в приопорных зонах устанавливается косвенное армирование в виде 5 сеток с шагом 20 мм. При стыке железобетонных колонн без дефекта (СКд, СКДд) в зоне стыка было установлено пять сеток с шагом 20 мм. При стыке колонн с дефектом (СКДд, СКМДд) сетки в зоне стыка отсутствовали. Все опытные образцы были изготовлены из бетона, который соответствовал классу В20 (рис. 1).

Кроме экспериментальных исследований работы стыков железобетонных колонн были выполнены численные расчеты их динамического деформирования. Образцы при численном моделировании полностью соответствовали образцам экспериментальных исследований. При данных исследованиях был применен метод конечных элементов с использованием конечно-разностной схемы Джонсона. Численное моделирование позволило изучить динамику разрушения образцов в процессе нагружения. В конечно-элементной модели на свободных поверхностях принимались граничные условия с отсутствием касательных и нормальных напряжений, на контактных поверхностях - условия скольжения без трения. В расчетах начальная скорость груза соответствовала экспериментальной и составляла 4,43 м/с. Общее количество конечных элементов в образце составило 106.

Рис. 1. Характер разрушения экспериментальных образцов: а - образец Кд; б - образец СКд; в - образец СКДд; г - образец СКМд; д - образец СКМДд

железобетонный колонна нагрузка балка

Рис. 2. Общий вид разрушения экспериментального образца во времени при численном эксперименте: а - без стыка (колонна); б - проектный стык колонн без усиления

При описании динамического нагружения использовалась упругопластическая модель для описания поведения металлического груза и упруго-хрупкая модель - для описания поведения экспериментального железобетонного образца. При этом среда представлялась как квазигомогенная. Численные расчеты позволили выявить схемы трещинообразования экспериментальных образцов в разные промежутки времени (рис. 2), которые имеют хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями.

Анализ результатов экспериментальных и численных исследований образцов при динамическом воздействии показал надежность усиления железобетонных колонн и их стыков. Повышение несущей способности за счет металлической обоймы составило до 40 % при испытании образца СКМд в сравнении с образцом СКд и более, чем в три раза при испытании образца СКМДд в сравнении с образцом СКДд. При этом усиление металлической обоймой позволило увеличить несущую способность образца со стыком СКМДд, имеющего дефект, по сравнению с образцом СКд на 29%.

2. Разрушение железобетонных балок при динамическоми нагружении

Целью экспериментальных исследований слоистых балок является определение особенностей их деформирования, выявление схем трещинообразования и разрушения железобетонных элементов слоистой структуры в условиях кратковременного динамического нагружения. Экспериментальные балки состоят из трех разных армированных слоев по высоте сечения: фибробетон - бетон - фибробетон. Испытания слоистых балок производилось на однократное кратковременное динамическое воздействие на копровой установке с разрушением экспериментальной балки.

Длина экспериментальных балок составляла 2200 мм с расчетным пролетом - 2000 мм. Размеры поперечного сечения всех широких балок были приняты 220*150 мм. Каждая балка состояла из трех слоев: нижний и верхний слои, толщиной каждый по 20 мм выполнены из армированы углеродофибробетона, а средний слой, толщиной 110 мм из железобетона. Коэффициенты армирования слоев фибробетона балок углеродной фиброй был принят равным 0,2 % от массы вяжущего. Армирование балок стержневой арматурой выполнено симметричным в виде каркаса и сеток, которые приняты вязанными. Пространственный арматурный каркас состоит из продольной рабочей арматуры 8O10 А400, связанной при помощи хомутов из проволоки O4В500. В середине толщины верхнего и нижнего фибробетонных слоев экспериментальных балок располагается вязаная сетка, состоящая из проволоки O4 В500 с шагом 66мм в обоих направлениях.

Балка устанавливалась на динамометрические опоры, позволяющие фиксировать величину опорных реакций при динамическом испытании. Кратковременная динамическая нагрузка на балку создавалась при помощи падающего груза, весом 450 кг с высоты 700 мм. Разрушающая динамическая нагрузка для балки составила Fu,d=120 кН. Анализ схем трещинообразования и разрушения (рис. 3) слоистой балки показал, что они разрушаются вследствие образования и дальнейшего раскрытия по высоте нормальных трещин с разрушением сжатой зоны бетона.

Рис. 3. Схемы трещинообразования и разрушения балки, испытанной при кратковременном динамическом нагружении

При численном моделировании условия нагружения, геометрические размеры балки и схема ее армирования соответствуют параметрам эксперимента, описанного выше. Численное моделирование проводится в полной трехмерной динамической постановке в рамках феноменологического подхода механики сплошной среды с явным выделением армирующих элементов. Для численного решения используется метод конечных элементов, модифицированный для решения динамических задач. Для расчетов используется авторский программный комплекс и алгоритм, позволяющий проводить параллельные вычисления с высокой производительностью.

Для отработки расчетной схемы и оценки влияния армирования на разрушение балки параллельно проводились исследования поведения балки без арматуры. Схема нагружения неармированной балки была аналогична схеме нагружения армированной балке. На рис. 4 - рис. 5 представлены расчетные распределения зон разрушения в балке без арматуры (а) и в армированной балке (б) в различные моменты времени. Картина разрушения в этих балках существенно различается. В армированной балке зоны разрушения (трещины) распределяется практически вдоль всей балки и уровень разрушения в них меньше, чем в зонах разрушения в неармированной балке. В балке без арматуры с течением времени развиваются магистральные трещины, приводящие к ее фрагментации (рис. 4а). Наличие арматуры обеспечивает распределение напряжений по всей балке. В этом случае высокий уровень разрушающих напряжений локализован в областях, прилегающих к армирующим элементам (рис. 4б).

а) б)

Рис. 4. Разрушение балки без армирования (а) и балки с арматурой (б). t= 3 мс.

а) б)

Рис. 5. Разрушение балки без армирования (а) и балки с арматурой (б). t=6 мс.

Заключение

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Предложенная модель поведения бетона и фибробетона адекватно описывает динамику напряженно-деформированное состояние и процесс разрушения.

2. Реализованный алгоритм и методика расчета позволяют исследовать поведение конструкции в целом в полной трехмерной динамической постановке.

3. Полученные численные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Размещено на Allbest.ru